Управление ориентацией космического корабля — это процесс управления ориентацией космического корабля ( автомобиля или спутника) относительно инерциальной системы отсчета или другого объекта, такого как небесная сфера , определенные поля, близлежащие объекты и т. д.
Для управления ориентацией транспортного средства требуются датчики для измерения ориентации транспортного средства, исполнительные механизмы для приложения крутящих моментов, необходимых для ориентации транспортного средства в желаемом положении, и алгоритмы для управления исполнительными механизмами на основе (1) измерений датчиками текущего положения и (2) спецификации желаемого положения. отношение. Интегрированная область, изучающая комбинацию датчиков, исполнительных механизмов и алгоритмов, называется наведением, навигацией и контролем (GNC).
Положение космического корабля обычно необходимо стабилизировать и контролировать по ряду причин. Это часто необходимо для того, чтобы антенну космического корабля с высоким коэффициентом усиления можно было точно направить на Землю для связи, чтобы бортовые эксперименты могли обеспечить точное наведение для точного сбора и последующей интерпретации данных, чтобы можно было избежать нагревания и охлаждения эффектов солнечного света и тени. разумно использовать для терморегулирования, а также для наведения: короткие маневры должны выполняться в правильном направлении.
Управление ориентацией космического корабля осуществляется с использованием одного из двух основных подходов:
Как стабилизация вращения, так и трехосная стабилизация имеют свои преимущества и недостатки. Аппараты со стабилизированным вращением обеспечивают непрерывное размашистое движение, что желательно для приборов поля и частиц, а также некоторых инструментов оптического сканирования, но для них могут потребоваться сложные системы для девращения антенн или оптических инструментов, которые необходимо наводить на цели для научных наблюдений или связь с Землей. Корабли с трехосным управлением могут наводить оптические инструменты и антенны без необходимости их раскручивания, но им, возможно, придется выполнять специальные маневры вращения, чтобы наилучшим образом использовать свои поля и инструменты частиц. Если двигатели используются для повседневной стабилизации, оптические наблюдения, такие как визуализация, должны проводиться с учетом того, что космический корабль всегда медленно раскачивается вперед и назад, и не всегда точно предсказуемо. Реактивные колеса обеспечивают гораздо более устойчивый космический корабль для проведения наблюдений, но они увеличивают массу космического корабля, имеют ограниченный механический срок службы и требуют частых маневров по десатурации импульса, что может нарушить навигационные решения из-за ускорений, создаваемых использованием двигателей. . [ нужна цитата ]
Многие космические корабли имеют компоненты, требующие шарнирного соединения. Например, «Вояджер» и «Галилео» были разработаны с платформами сканирования для наведения оптических инструментов на цели практически независимо от ориентации космического корабля. Многие космические корабли, такие как орбитальные аппараты Марса, имеют солнечные панели, которые должны отслеживать Солнце, чтобы обеспечить космический корабль электроэнергией. Сопла главного двигателя «Кассини » были управляемыми. Знание того, куда направить солнечную панель, или платформу сканирования, или сопло – то есть, как их сочленять – требует знания положения космического корабля. Поскольку единственная подсистема отслеживает положение космического корабля, положение Солнца и положение Земли, она может вычислить правильное направление, чтобы указать придатки. Логически это относится к одной и той же подсистеме — подсистеме управления ориентацией и артикуляцией (AACS), которая управляет как позой, так и артикуляцией. Название AACS может даже быть перенесено на космический корабль, даже если у него нет придатков, которые можно было бы произносить. [4]
Отношение — это часть описания того, как объект размещается в пространстве, которое он занимает. Отношение и положение полностью описывают, как объект размещается в пространстве. (Для некоторых приложений, таких как робототехника и компьютерное зрение, принято объединять положение и положение в одно описание, известное как поза .)
Отношение можно описать с помощью множества методов; однако наиболее распространенными являются матрицы вращения , кватернионы и углы Эйлера . Хотя углы Эйлера часто являются наиболее простым представлением для визуализации, они могут вызвать проблемы для высокоманевренных систем из-за явления, известного как блокировка карданного подвеса . С другой стороны, матрица вращения обеспечивает полное описание отношения за счет необходимости девяти значений вместо трех. Использование матрицы вращения может привести к увеличению вычислительных затрат, и с ними может быть сложнее работать. Кватернионы предлагают достойный компромисс, поскольку они не страдают от блокировки карданного подвеса и требуют только четырех значений для полного описания положения.
Прежде чем можно будет выполнить управление ориентацией, необходимо определить текущую ориентацию. Отношение нельзя измерить напрямую с помощью какого-либо отдельного измерения, поэтому его необходимо рассчитать (или оценить ) на основе набора измерений (часто с использованием разных датчиков). Это можно сделать либо статически (рассчитывая положение, используя только доступные на данный момент измерения), либо с помощью статистического фильтра (чаще всего фильтра Калмана ), который статистически объединяет предыдущие оценки положения с текущими измерениями датчика для получения оптимальной оценки нынешнее отношение.
Для некоторых датчиков и приложений (например, космических кораблей, использующих магнитометры) также необходимо знать точное местоположение. Хотя оценку положения [ необходимы разъяснения ] можно использовать, для космического корабля обычно достаточно оценить положение (посредством определения орбиты ) отдельно от оценки ориентации. [ нужна цитата ] Для наземных транспортных средств и космических кораблей, работающих вблизи Земли, появление спутниковых навигационных систем позволяет легко получать точные данные о местоположении. Эта проблема усложняется для аппаратов дальнего космоса или наземных аппаратов, работающих в условиях, где отсутствует Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) (см. « Навигация» ).
Методы статической оценки отношения являются решением проблемы Вахбы . Было предложено множество решений, в частности, q-метод Давенпорта, QUEST, ТРИАДА и разложение по сингулярным значениям . [5]
Крассидис, Джон Л. и Джон Л. Джанкинс. Чепмен и Холл/CRC, 2004.
Фильтрацию Калмана можно использовать для последовательной оценки положения, а также угловой скорости. Поскольку динамика положения (комбинация динамики твердого тела и кинематики положения) нелинейна, линейного фильтра Калмана недостаточно. Поскольку динамика отношения не очень нелинейна, расширенного фильтра Калмана обычно достаточно (однако Крассидис и Маркели продемонстрировали, что можно использовать фильтр Калмана без запаха , который может принести пользу в случаях, когда первоначальная оценка плохая). [6] Было предложено несколько методов, однако мультипликативный расширенный фильтр Калмана (MEKF) на сегодняшний день является наиболее распространенным подходом. [ нужна цитация ] Этот подход использует мультипликативную формулировку кватерниона ошибки, которая позволяет лучше обрабатывать ограничение единицы на кватернион. Также широко используется метод, известный как замена динамической модели, при котором угловая скорость не оценивается напрямую, а скорее, измеренная угловая скорость от гироскопа используется непосредственно для распространения динамики вращения вперед во времени. Это справедливо для большинства приложений, поскольку гироскопы обычно гораздо более точны, чем знание возмущающих моментов, действующих на систему (что требуется для точной оценки угловой скорости).
Алгоритмы управления представляют собой компьютерные программы , которые получают данные от датчиков транспортного средства и выдают соответствующие команды исполнительным механизмам для поворота транспортного средства в желаемое положение. Алгоритмы варьируются от очень простых, например, пропорционального управления , до сложных нелинейных оценщиков или множества промежуточных типов, в зависимости от требований миссии. Обычно алгоритмы ориентации являются частью программного обеспечения, работающего на компьютерном оборудовании, которое принимает команды с земли и форматирует телеметрические данные транспортного средства для передачи на наземную станцию.
Алгоритмы управления ориентацией пишутся и реализуются на основе требований к конкретному маневру ориентации. Помимо реализации пассивного управления ориентацией, такого как стабилизация гравитационного градиента , большинство космических кораблей используют активное управление, которое демонстрирует типичный контур управления ориентацией. Конструкция алгоритма управления зависит от привода, который будет использоваться для конкретного маневра ориентации, хотя использование простого пропорционально-интегрально-производного регулятора ( ПИД-регулятор ) удовлетворяет большинству потребностей управления.
Соответствующие команды исполнительным механизмам получаются на основе сигналов ошибки, описываемых как разница между измеренным и желаемым положением. Сигналы ошибок обычно измеряются как углы Эйлера (Φ, θ, Ψ), однако альтернатива этому может быть описана в терминах матрицы направляющего косинуса или кватернионов ошибок . Наиболее распространенный ПИД-регулятор реагирует на сигнал ошибки (отклонение) в зависимости от положения следующим образом.
где – управляющий момент, – сигнал отклонения ориентации, – параметры ПИД-регулятора.
Простой реализацией этого может быть применение пропорционального управления для наведения надира с использованием в качестве приводов либо импульсных, либо реактивных колес. На основе изменения импульса колес закон управления можно определить по 3-м осям x, y, z как
Этот алгоритм управления также влияет на сброс импульса.
Другой важный и распространенный алгоритм управления включает в себя концепцию раскачивания, которая ослабляет угловой момент космического корабля. Необходимость спуска космического корабля возникает из-за неуправляемого состояния после выхода из ракеты-носителя. Большинство космических аппаратов на низкой околоземной орбите (НОО) используют концепцию магнитного торможения, которая использует эффект магнитного поля Земли . Алгоритм управления называется контроллером B-Dot и использует магнитные катушки или крутящие стержни в качестве исполнительных механизмов управления. Закон управления основан на измерении скорости изменения сигналов закрепленного на теле магнитометра .
где – заданный магнитный дипольный момент магнитного крутящего момента, – пропорциональный коэффициент усиления, – скорость изменения магнитного поля Земли.
Многие датчики генерируют выходные данные, которые отражают скорость изменения отношения. Для этого требуется известное исходное отношение или внешняя информация, чтобы использовать их для определения отношения. Многие датчики этого класса имеют некоторый шум, который приводит к неточностям, если их не исправить датчиками абсолютного положения.
Гироскопы — это устройства, которые определяют вращение в трехмерном пространстве , не полагаясь на наблюдение внешних объектов. Классически гироскоп состоит из вращающейся массы, но существуют также « кольцевые лазерные гироскопы », использующие когерентный свет, отраженный по замкнутой траектории. Другой тип «гироскопа» - это гироскоп с полусферическим резонатором , в котором хрустальная чашка, имеющая форму бокала для вина, может приводить в колебание так же, как бокал для вина «поет», когда палец потирает его край. Ориентация колебаний фиксирована в инерциальном пространстве, поэтому измерение ориентации колебаний относительно космического корабля можно использовать для определения движения космического корабля относительно инерциального пространства. [7]
Эталонные устройства движения — это своего рода инерциальные измерительные устройства с одно- или многоосными датчиками движения. Они используют гироскопы MEMS . Некоторые многоосные MRU способны измерять крен, тангаж, рысканье и качку . Они имеют применение за пределами авиационной сферы, например: [8]
Датчики этого класса определяют положение или ориентацию полей, объектов или других явлений за пределами космического корабля.
Датчик горизонта — это оптический прибор, который обнаруживает свет из «краба» земной атмосферы, то есть у горизонта. Часто используется тепловое инфракрасное зондирование, которое определяет сравнительное тепло атмосферы по сравнению с гораздо более холодным космическим фоном . Этот датчик обеспечивает ориентацию относительно Земли вокруг двух ортогональных осей. Он имеет тенденцию быть менее точным, чем датчики, основанные на наблюдениях за звездами. Иногда его называют датчиком Земли. [9]
Подобно тому, как земной гирокомпас использует маятник , чтобы определить местную гравитацию и заставить свой гироскоп выровняться с вектором вращения Земли и, следовательно, указать на север, орбитальный гирокомпас использует датчик горизонта, чтобы определить направление к центру Земли, и гироскоп, чтобы определить направление к центру Земли. смысловое вращение вокруг оси, нормальной к плоскости орбиты. Таким образом, датчик горизонта обеспечивает измерения тангажа и крена, а гироскоп — рыскания. [10] См. углы Тейта-Брайана .
Датчик Солнца — это устройство, которое определяет направление на Солнце . Это может быть как просто, например несколько солнечных батарей и солнцезащитных очков, так и сложно, например, управляемый телескоп , в зависимости от требований миссии.
Датчик Земли — это устройство, которое определяет направление на Землю . Обычно это инфракрасная камера ; в настоящее время основным методом определения ориентации является звездный трекер , но датчики Земли по-прежнему интегрируются в спутники из-за их низкой стоимости и надежности. [9]
Звездный трекер — это оптическое устройство, которое измеряет положение(я) звезды (й) с помощью фотоэлемента (ов) или камеры. [11] Он использует величину яркости и спектральный класс для идентификации и последующего расчета относительного положения звезд вокруг него.
Магнитометр — это устройство, которое измеряет силу магнитного поля и, при использовании в трехосной триаде, направление магнитного поля. В качестве навигационного средства космического корабля измеренная напряженность и направление поля сравниваются с картой магнитного поля Земли , хранящейся в памяти бортового или наземного компьютера управления. Если известно положение космического корабля, можно определить его положение. [12]
Контроль отношения может быть достигнут с помощью нескольких механизмов, в том числе:
Подруливающие устройства с нониусом являются наиболее распространенными приводами, поскольку их также можно использовать для удержания на станции. Подруливающие устройства должны быть организованы как система, обеспечивающая стабилизацию по всем трем осям, и обычно на каждой оси используются как минимум два подруливающих устройства для обеспечения крутящего момента как пары, чтобы предотвратить передачу транспортного средства поступательного движения. Их ограничениями являются расход топлива, износ двигателя и циклы регулирующих клапанов. Топливная эффективность системы ориентации определяется ее удельным импульсом (пропорциональным скорости выхлопа) и наименьшим импульсом крутящего момента, который она может обеспечить (который определяет, как часто двигатели должны срабатывать, чтобы обеспечить точное управление). Подруливающие устройства должны быть запущены в одном направлении, чтобы начать вращение, и снова в противоположном направлении, если необходимо сохранить новую ориентацию. Подруливающие системы использовались на большинстве пилотируемых космических кораблей, включая «Восток» , «Меркурий », «Джемини », «Аполлон» , «Союз » и « Спейс Шаттл» .
Чтобы свести к минимуму ограничение топлива на продолжительность миссии, можно использовать вспомогательные системы ориентации для уменьшения вращения транспортного средства до более низких уровней, например, небольшие ионные двигатели , которые электрически ускоряют ионизированные газы до экстремальных скоростей, используя энергию солнечных батарей.
Импульсные колеса — это роторы с приводом от электродвигателя , которые вращаются в направлении, противоположном тому, которое требуется для переориентации транспортного средства. Поскольку импульсные колеса составляют небольшую часть массы космического корабля и управляются компьютером, они обеспечивают точное управление. Колеса Momentum обычно подвешиваются на магнитных подшипниках , чтобы избежать проблем с трением подшипников и поломками. [13] В реактивных колесах космического корабля часто используются механические шарикоподшипники.
Для поддержания ориентации в трехмерном пространстве необходимо использовать как минимум три опорных колеса [14] с дополнительными устройствами, обеспечивающими защиту от единичных отказов. См. Углы Эйлера .
Это роторы, вращающиеся с постоянной скоростью и установленные на подвесах для обеспечения ориентации. Хотя CMG обеспечивает управление по двум осям, ортогональным оси вращения гироскопа, трехосное управление по-прежнему требует двух устройств. CMG немного дороже с точки зрения стоимости и массы, поскольку должны быть предусмотрены подвесы и их приводные двигатели. Максимальный крутящий момент (но не максимальное изменение углового момента), создаваемый CMG, больше, чем у импульсного колеса, что делает его более подходящим для больших космических кораблей. Серьезным недостатком является дополнительная сложность, которая увеличивает количество точек отказа. По этой причине Международная космическая станция использует набор из четырех CMG, чтобы обеспечить устойчивость к двойным отказам.
Небольшие солнечные паруса (устройства, которые создают тягу в виде силы реакции, вызванной отражением падающего света) могут использоваться для небольшого управления ориентацией и регулировки скорости. Это приложение может сэкономить большое количество топлива в длительной миссии, создавая контрольные моменты без затрат топлива. Например, «Маринер-10» корректировал свое положение, используя свои солнечные элементы и антенны в качестве небольших солнечных парусов.
На орбите космический корабль, одна ось которого намного длиннее двух других, самопроизвольно ориентируется так, что его длинная ось указывает на центр масс планеты. Преимущество этой системы заключается в том, что она не требует активной системы управления или расхода топлива. Эффект вызван приливной силой . Верхний конец транспортного средства испытывает меньшее гравитационное притяжение, чем нижний. Это обеспечивает восстанавливающий крутящий момент всякий раз, когда длинная ось не совпадает с направлением силы тяжести. Если не будут предусмотрены какие-либо средства демпфирования, космический корабль будет колебаться вокруг местной вертикали. Иногда для соединения двух частей спутника используются тросы , чтобы увеличить стабилизирующий момент. Проблема с такими привязями заключается в том, что метеороиды размером с песчинку могут их разъединить.
Катушки или (на очень маленьких спутниках) постоянные магниты создают момент против местного магнитного поля. Этот метод работает только там, где есть магнитное поле, на которое можно реагировать. Одна классическая полевая «катушка» на самом деле представляет собой проводящий трос в планетарном магнитном поле. Такой проводящий трос также может генерировать электроэнергию за счет распада орбиты . И наоборот, путем создания противотока с использованием энергии солнечных батарей орбиту можно поднять. Из-за значительной изменчивости магнитного поля Земли по сравнению с идеальным радиальным полем законы управления, основанные на моментах, связанных с этим полем, будут сильно нелинейными. Более того, в любой момент времени доступно только двухосное управление, а это означает, что для обнуления всех скоростей может потребоваться переориентация транспортного средства.
Для спутников существуют три основных типа пассивного управления ориентацией. Первый использует гравитационный градиент и приводит к четырем стабильным состояниям, в которых длинная ось (ось с наименьшим моментом инерции) направлена к Земле. Поскольку эта система имеет четыре стабильных состояния, если спутник имеет предпочтительную ориентацию, например, камера направлена на планету, необходим какой-то способ перевернуть спутник и его трос вплотную.
Вторая пассивная система ориентирует спутник по магнитному полю Земли благодаря магниту. [15] Эти чисто пассивные системы ориентации имеют ограниченную точность наведения, поскольку космический корабль будет колебаться вокруг энергетического минимума. Этот недостаток преодолевается добавлением демпфера, который может представлять собой гистерезисный материал или вязкий демпфер. Вязкий демпфер представляет собой небольшую банку или резервуар с жидкостью, установленный на космическом корабле, возможно, с внутренними перегородками для увеличения внутреннего трения. Трение внутри демпфера постепенно преобразует энергию колебаний в тепло, рассеиваемое внутри вязкого демпфера.
Третьей формой пассивного контроля ориентации является аэродинамическая стабилизация. Это достигается с помощью градиента сопротивления, как было продемонстрировано на демонстрации технологии спутника Get Away Special Passive Attitude Control (GASPACS) . На низкой околоземной орбите сила сопротивления на много порядков превосходит силу, передаваемую гравитационными градиентами [16]. Когда спутник использует аэродинамическое пассивное управление ориентацией, молекулы воздуха из верхних слоев атмосферы Земли ударяются о спутник в такой степени. способ, при котором центр давления остается позади центра масс, подобно тому, как перья на стреле стабилизируют стрелу. В GASPACS использовалась надувная «AeroBoom» длиной 1 м, которая простиралась за спутником, создавая стабилизирующий крутящий момент вдоль вектора скорости спутника. [17]
СМИ, связанные с управлением ориентацией космического корабля, на Викискладе?
