การกำหนดและควบคุมทิศทางของยานอวกาศ

การควบคุมทิศทางของยานอวกาศคือกระบวนการควบคุมการวางตัวของยานอวกาศ (ยานพาหนะหรือดาวเทียม) เทียบกับกรอบอ้างอิงเฉื่อยหรือสิ่งอื่น ๆ เช่นทรงกลมท้องฟ้าสนามบางอย่าง และวัตถุใกล้เคียง เป็นต้น

การควบคุมทิศทางของยานพาหนะจำเป็นต้อง ใช้ แอคทูเอเตอร์เพื่อสร้างแรงบิดที่จำเป็นในการปรับทิศทางของยานพาหนะไปยังทิศทางที่ต้องการ และ ต้อง ใช้อัลกอริธึมในการสั่งการแอคทูเอเตอร์โดยอิงจากทิศทางปัจจุบันและข้อกำหนดของทิศทางที่ต้องการ

ก่อนและระหว่างการควบคุมทิศทางของยาน อวกาศ จำเป็นต้องทำการ กำหนดทิศทางของยานอวกาศซึ่งต้องใช้เซ็นเซอร์สำหรับการวัดค่าสัมบูรณ์หรือค่าสัมพัทธ์

สาขาบูรณาการที่กว้างขึ้นซึ่งศึกษาการผสมผสานระหว่างเซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และอัลกอริธึม เรียกว่าการนำทาง การควบคุม และการบังคับทิศทางซึ่งรวมถึงแนวคิดที่ไม่เกี่ยวข้องกับทิศทาง เช่นการกำหนดตำแหน่งและการนำทางด้วย

โดยทั่วไปยานอวกาศจะมีระบบกำหนดและควบคุมทิศทาง (ADCS) ซึ่งประกอบด้วยทั้งเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ อย่างไรก็ตาม ดาวเทียมราคาประหยัด (เช่น คิวบ์แซทบางรุ่น) อาจเลือกใช้ระบบควบคุมทิศทาง (ACS) ที่เรียบง่ายกว่า ซึ่งใช้วิธีการแบบพาสซีฟ รวมถึง เทคนิค การหมุนแบบโยโย่และการใช้แม่เหล็กถาวรเพื่อควบคุมทิศทางของดาวเทียม

แรงจูงใจ

โดยทั่วไปแล้ว ยานอวกาศจำเป็นต้องรักษาเสถียรภาพและควบคุมทิศทางของตนเองด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น เพื่อให้เสาอากาศรับสัญญาณกำลังสูงของยาน อวกาศ สามารถชี้ไปยังโลกได้อย่างแม่นยำสำหรับการสื่อสาร เพื่อให้การทดลองบนยานสามารถชี้ไปยังเป้าหมายได้อย่างแม่นยำสำหรับการเก็บรวบรวมและตีความข้อมูลอย่างถูกต้อง เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากผลกระทบของแสงแดดและเงาในการควบคุมอุณหภูมิได้อย่างชาญฉลาด และยังใช้สำหรับการนำทางด้วย กล่าวคือ การเคลื่อนที่ด้วยแรงขับเคลื่อนระยะสั้นจะต้องดำเนินการในทิศทางที่ถูกต้อง

ยานอวกาศหลายลำมีส่วนประกอบที่ต้องมีการปรับทิศทางหรือชี้เป้าตัวอย่างเช่นยานวอยเอเจอร์และ ยาน กาลิเลโอได้รับการออกแบบให้มีแท่นสแกนสำหรับชี้เครื่องมือทางแสงไปยังเป้าหมายโดยส่วนใหญ่เป็นอิสระจากการวางแนวของยานอวกาศ ยานอวกาศหลายลำ เช่น ยานโคจรรอบดาวอังคาร มีแผงโซลาร์เซลล์ที่ต้องติดตามดวงอาทิตย์เพื่อให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าให้กับยานอวกาศได้ หัวฉีดเครื่องยนต์หลักของ ยาน แคสสินีสามารถปรับทิศทางได้ การรู้ว่าจะชี้แผงโซลาร์เซลล์ แท่นสแกน หรือหัวฉีดไปที่ใด — นั่นคือ วิธีการปรับทิศทาง — ต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับทิศทางของยานอวกาศ เนื่องจากระบบย่อยเดียวติดตามทิศทางของยานอวกาศ ตำแหน่งของดวงอาทิตย์ และตำแหน่งของโลก จึงสามารถคำนวณทิศทางที่เหมาะสมในการชี้ส่วนประกอบต่างๆ ได้ ดังนั้นจึงเป็นหน้าที่ของระบบย่อยเดียวกัน — ระบบควบคุมทิศทางและการปรับทิศทาง (AACS) — ที่จะจัดการทั้งทิศทางและการปรับทิศทาง ชื่อ AACS อาจถูกนำไปใช้กับยานอวกาศได้แม้ว่าจะไม่มีส่วนประกอบใดๆ ที่ต้องปรับทิศทางก็ตาม^{[ 1 ]}

พื้นหลัง

ทัศนคติเป็นส่วนหนึ่งของการอธิบายว่าวัตถุนั้นวางอยู่ในพื้นที่ที่มันครอบครองอย่างไร ทัศนคติและตำแหน่งอธิบายการวางตัวของวัตถุในพื้นที่ได้อย่างครบถ้วน สำหรับบางแอปพลิเคชัน (เช่น หุ่นยนต์ การมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์) เป็นเรื่องปกติที่จะรวมตำแหน่งและทัศนคติเข้าด้วยกันเป็นคำอธิบายเดียวที่เรียกว่าท่าโพส

สามารถอธิบายทิศทางได้ด้วยวิธีการต่างๆ มากมาย แต่ที่ใช้กันทั่วไปคือเมทริกซ์การหมุนค วอ เทอร์เนียนและมุมออยเลอร์แม้ว่ามุมออยเลอร์มักจะเป็นการแสดงผลที่ตรงไปตรงมาที่สุด แต่ก็อาจทำให้เกิดปัญหาสำหรับระบบที่มีความคล่องตัวสูงเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการล็อกแกนหมุน (Gimbal lock ) ในทางกลับกัน เมทริกซ์การหมุนให้คำอธิบายทิศทางที่สมบูรณ์ แต่ต้องใช้ค่าถึงเก้าค่าแทนที่จะเป็นสามค่า การใช้เมทริกซ์การหมุนอาจทำให้ค่าใช้จ่ายในการคำนวณเพิ่มขึ้นและอาจใช้งานได้ยากกว่า ควอเทอร์เนียนเป็นทางเลือกที่เหมาะสม เนื่องจากไม่ประสบปัญหาการล็อกแกนหมุนและต้องการเพียงสี่ค่าในการอธิบายทิศทางอย่างสมบูรณ์

ควบคุม

ประเภทของการรักษาเสถียรภาพ

การควบคุมทิศทางของยานอวกาศนั้นใช้วิธีการหลักสองวิธี ได้แก่ การรักษาเสถียรภาพด้วยการหมุน และการรักษาเสถียรภาพแบบสามแกน

การรักษาเสถียรภาพการหมุน

การรักษาเสถียรภาพการหมุนทำได้โดยการทำให้ยานอวกาศหมุน โดยใช้การทำงานของไจโรสโคปของมวลยานอวกาศที่หมุนเป็นกลไกในการรักษาเสถียรภาพ เครื่องยนต์ขับดันของระบบขับเคลื่อนจะถูกจุดเป็นครั้งคราวเท่านั้นเพื่อทำการเปลี่ยนแปลงอัตราการหมุนหรือท่าทางที่รักษาเสถียรภาพการหมุนตามต้องการ หากต้องการ สามารถหยุดการหมุนได้โดยใช้เครื่องยนต์ขับดันหรือโดยการลดการหมุนแบบโยโย่ ยาน สำรวจ Pioneer 10และPioneer 11ในระบบสุริยะชั้นนอกเป็นตัวอย่างของยานอวกาศที่รักษาเสถียรภาพการหมุน^{[ 2 ]}

การรักษาเสถียรภาพสามแกน

การรักษาเสถียรภาพสามแกนเป็นอีกวิธีหนึ่งในการควบคุมทิศทางของยานอวกาศ โดยยานอวกาศจะถูกตรึงไว้ในทิศทางที่ต้องการโดยไม่มีการหมุนใดๆ

วิธีหนึ่งคือการใช้เครื่องขับดันขนาดเล็กเพื่อผลักดันยานอวกาศไปมาอย่างต่อเนื่องภายในขอบเขตความคลาดเคลื่อนของทิศทางที่อนุญาต เครื่องขับดันเหล่านี้ยังอาจถูกเรียกว่าระบบควบคุมการขับไล่มวล (MEC) ^{[ 3 ]}หรือระบบควบคุมปฏิกิริยา (RCS) ยานสำรวจอวกาศวอยเอเจอร์ 1และวอยเอเจอร์ 2ใช้วิธีนี้ และใช้เชื้อเพลิงไปแล้วประมาณสามในสี่^{[ 4 ]}ของเชื้อเพลิง 100 กิโลกรัม ณ เดือนกรกฎาคม 2015
อีกวิธีหนึ่งในการรักษาเสถียรภาพสามแกนคือการใช้ล้อปฏิกิริยา ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า หรือที่เรียกว่าล้อโมเมนตัม ซึ่งติดตั้งอยู่บนแกนตั้งฉากสามแกนบนยานอวกาศ ล้อเหล่านี้ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมไปมาระหว่างยานอวกาศและล้อ เพื่อหมุนยานบนแกนใดแกนหนึ่ง ล้อปฏิกิริยาบนแกนนั้นจะถูกเร่งความเร็วในทิศทางตรงกันข้าม เพื่อหมุนยานกลับ ล้อจะถูกลดความเร็วลง โมเมนตัมส่วนเกินที่สะสมในระบบเนื่องจากแรงบิดภายนอก เช่น แรงดันโฟตอนจากดวงอาทิตย์หรือความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงจะต้องถูกกำจัดออกจากระบบเป็นครั้งคราวโดยการใช้แรงบิดที่ควบคุมได้กับยานอวกาศ เพื่อให้ล้อกลับมามีความเร็วที่ต้องการภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ การดำเนินการนี้ทำในระหว่างการเคลื่อนที่ที่เรียกว่าการลดโมเมนตัมหรือการปลดโมเมนตัม ยานอวกาศส่วนใหญ่ใช้ระบบขับดันเพื่อใช้แรงบิดสำหรับการเคลื่อนที่ลดโมเมนตัมกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลใช้วิธีการที่แตกต่างออกไปเนื่องจากมีเลนส์ที่ไวต่อแสงซึ่งอาจปนเปื้อนจากไอเสียของเครื่องยนต์ขับดัน จึงใช้วิธีการสร้างแรงบิดด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อลดความอิ่มตัวของแสงแทน

การรักษาเสถียรภาพด้วยการหมุนและการรักษาเสถียรภาพด้วยสามแกนต่างก็มีข้อดีและข้อเสีย ยานอวกาศที่รักษาเสถียรภาพด้วยการหมุนจะให้การเคลื่อนที่แบบกวาดอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์วัดสนามและอนุภาค รวมถึงอุปกรณ์สแกนแสงบางชนิด แต่ยานเหล่านี้อาจต้องใช้ระบบที่ซับซ้อนในการลดการหมุนของเสาอากาศหรืออุปกรณ์แสงที่ต้องชี้ไปยังเป้าหมายสำหรับการสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์หรือการสื่อสารกับโลก ยานอวกาศที่ควบคุมด้วยสามแกนสามารถชี้อุปกรณ์แสงและเสาอากาศได้โดยไม่ต้องลดการหมุน แต่ยานอาจต้องทำการหมุนพิเศษเพื่อใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์วัดสนามและอนุภาคได้อย่างดีที่สุด หากใช้เครื่องยนต์ขับดันในการรักษาเสถียรภาพเป็นประจำ การสังเกตการณ์ทางแสง เช่น การถ่ายภาพ จะต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงว่ายานอวกาศจะโยกไปมาอย่างช้าๆ ตลอดเวลา และไม่สามารถคาดเดาได้อย่างแม่นยำเสมอไป ล้อปฏิกิริยาให้ยานอวกาศที่นิ่งกว่ามากสำหรับการสังเกตการณ์ แต่จะเพิ่มมวลให้กับยานอวกาศ มีอายุการใช้งานเชิงกลจำกัด และต้องทำการลดโมเมนตัมบ่อยครั้ง ซึ่งอาจรบกวนวิธีการนำทางเนื่องจากการเร่งความเร็วที่เกิดจากการใช้เครื่องยนต์ขับดัน

แอคทูเอเตอร์

การควบคุมทิศทางสามารถทำได้ด้วยกลไกหลายอย่าง รวมถึง:

เครื่องยนต์ไอพ่น

เครื่องยนต์ขับดันแบบเวอร์เนียร์เป็นกลไกขับเคลื่อนที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากสามารถใช้ในการรักษาระดับตำแหน่งได้เช่นกัน เครื่องยนต์ขับดันต้องจัดเป็นระบบเพื่อให้เกิดความเสถียรในทุกแกน และโดยทั่วไปจะใช้เครื่องยนต์ขับดันอย่างน้อยสองตัวในแต่ละแกนเพื่อให้แรงบิดเป็นคู่เพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ในแนวราบข้อจำกัดของเครื่องยนต์ขับดัน ได้แก่ การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง การสึกหรอของเครื่องยนต์ และรอบการทำงานของวาล์วควบคุม ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของระบบควบคุมทิศทางจะถูกกำหนดโดยแรงขับดันจำเพาะ (แปรผันตรงกับความเร็วไอเสีย) และแรงขับดันแรงบิดที่น้อยที่สุดที่สามารถให้ได้ (ซึ่งกำหนดว่าเครื่องยนต์ขับดันต้องทำงานบ่อยแค่ไหนเพื่อให้การควบคุมที่แม่นยำ) ต้องจุดเครื่องยนต์ขับดันในทิศทางหนึ่งเพื่อเริ่มการหมุน และอีกครั้งในทิศทางตรงกันข้ามหากต้องการรักษาระดับทิศทางใหม่ ระบบเครื่องยนต์ขับดันถูกนำมาใช้ในยานอวกาศที่มีลูกเรือส่วนใหญ่ รวมถึงVostok , Mercury , Gemini , Apollo , SoyuzและSpace Shuttle

เพื่อลดข้อจำกัดด้านเชื้อเพลิงที่มีผลต่อระยะเวลาของภารกิจ อาจใช้ระบบควบคุมทิศทางเสริมเพื่อลดการหมุนของยานลง เช่นเครื่องยนต์ไอออน ขนาดเล็ก ที่เร่งก๊าซไอออนด้วยไฟฟ้าให้มีความเร็วสูงมาก โดยใช้พลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์

ล้อปฏิกิริยา/โมเมนตัม

ล้อโมเมนตัมเป็น โรเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วย มอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งถูกออกแบบมาให้หมุนในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางที่ต้องการเพื่อปรับทิศทางของยานอวกาศ เนื่องจากล้อโมเมนตัมมีมวลเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับมวลทั้งหมดของยานอวกาศและถูกควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ จึงทำให้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ โดยทั่วไปแล้วล้อโมเมนตัมจะถูกแขวนไว้บนแบริ่งแม่เหล็กเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาแรงเสียดทานของแบริ่งและการชำรุดเสียหาย^{[ 5 ]}ล้อปฏิกิริยาของยานอวกาศมักใช้แบริ่งลูกบอลเชิงกล

เพื่อรักษาการวางแนวในพื้นที่สามมิติ ต้องใช้ล้อปฏิกิริยาอย่างน้อยสามล้อ^{[ 6 ]}โดยมีหน่วยเพิ่มเติมที่ให้การป้องกันความล้มเหลวเพียงครั้งเดียว ดูมุมออยเลอร์

ไจโรสโคปควบคุมแรงบิด

นี่คือใบพัดที่หมุนด้วยความเร็วคงที่ ติดตั้งอยู่บนแกนหมุนเพื่อควบคุมทิศทาง แม้ว่า CMG จะให้การควบคุมในสองแกนที่ตั้งฉากกับแกนหมุนของไจโรสโคป แต่การควบคุมแบบสามแกนยังคงต้องใช้สองชุด CMG มีราคาแพงกว่าเล็กน้อยทั้งในแง่ของต้นทุนและน้ำหนัก เนื่องจากต้องมีแกนหมุนและมอเตอร์ขับเคลื่อน แรงบิดสูงสุด (แต่ไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมเชิงมุมสูงสุด) ที่ CMG สร้างขึ้นนั้นมากกว่าล้อโมเมนตัม ทำให้เหมาะกับยานอวกาศขนาดใหญ่มากกว่า ข้อเสียที่สำคัญคือความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเพิ่มจำนวนจุดที่อาจเกิดความเสียหาย ด้วยเหตุนี้สถานีอวกาศนานาชาติจึงใช้ CMG สี่ชุดเพื่อให้มีความทนทานต่อความเสียหายสองเท่า

ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์

แผ่นพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็ก (อุปกรณ์ที่สร้างแรงขับเป็นแรงปฏิกิริยาที่เกิดจากการสะท้อนแสงที่ตกกระทบ) อาจใช้เพื่อควบคุมทิศทางและปรับความเร็วเล็กน้อย การใช้งานนี้สามารถช่วยประหยัดเชื้อเพลิงได้มากในภารกิจระยะยาวโดยการสร้างแรงควบคุมโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น ยานอวกาศมาริเนอร์ 10ปรับทิศทางโดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์และเสาอากาศเป็นแผ่นพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็ก

การรักษาเสถียรภาพตามแรงโน้มถ่วง

ในวงโคจร ยานอวกาศที่มีแกนหนึ่งยาวกว่าอีกสองแกนมาก จะปรับทิศทางเองโดยธรรมชาติเพื่อให้แกนยาวชี้ไปยังจุดศูนย์กลางมวลของดาวเคราะห์ ระบบนี้มีข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้ระบบควบคุมหรือเชื้อเพลิงใดๆ ผลกระทบนี้เกิดจากแรงดึงดูดของดาวเคราะห์ส่วนบนของยานจะรู้สึกถึงแรงดึงดูดน้อยกว่าส่วนล่าง ทำให้เกิดแรงบิดในการคืนตัวเมื่อใดก็ตามที่แกนยาวไม่อยู่ในแนวเดียวกับทิศทางของแรงโน้มถ่วง หากไม่มีวิธีการลดแรงสั่นสะเทือน ยานอวกาศจะแกว่งไปมาเกี่ยวกับแนวดิ่งในบริเวณนั้น บางครั้ง มีการใช้ สายเคเบิลเชื่อมต่อสองส่วนของดาวเทียมเพื่อเพิ่มแรงบิดในการรักษาเสถียรภาพ ปัญหาของสายเคเบิลดังกล่าวคืออุกกาบาตขนาดเล็กเท่าเม็ดทรายก็สามารถทำให้สายเคเบิลขาดได้

ตัวสร้างแรงบิดแม่เหล็ก

ขดลวดหรือ (ในดาวเทียมขนาดเล็กมาก) แม่เหล็กถาวรจะออกแรงบิดต้านสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น วิธีนี้ใช้ได้ผลเฉพาะในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กให้ตอบสนองเท่านั้น ขดลวดสนามแม่เหล็กแบบคลาสสิกชนิดหนึ่งนั้นอยู่ในรูปของสายนำไฟฟ้าที่อยู่ในสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ สายนำไฟฟ้าดังกล่าวสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าได้เช่นกัน แต่ต้อง แลกมาด้วย การลดลงของวงโคจรในทางกลับกัน การเหนี่ยวนำกระแสสวนทางโดยใช้พลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์อาจช่วยเพิ่มวงโคจรได้ เนื่องจากความแปรปรวนอย่างมากของสนามแม่เหล็กโลกจากสนามรัศมีในอุดมคติ กฎการควบคุมที่อิงตามแรงบิดที่เชื่อมโยงกับสนามนี้จึงมีความไม่เป็นเชิงเส้นสูง ยิ่งไปกว่านั้น การควบคุมแบบสองแกนเท่านั้นที่สามารถทำได้ในแต่ละครั้ง ซึ่งหมายความว่าอาจจำเป็นต้องปรับทิศทางของยานเพื่อลดอัตราการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดให้เป็นศูนย์

การควบคุมทัศนคติแบบพาสซีฟ

ระบบควบคุมทิศทางแบบพาสซีฟสำหรับดาวเทียมมีอยู่ 3 ประเภทหลัก ประเภทแรกใช้หลักการไล่ระดับแรงโน้มถ่วง ซึ่งนำไปสู่สถานะเสถียร 4 สถานะ โดยแกนยาว (แกนที่มีโมเมนต์ความเฉื่อยน้อยที่สุด) ชี้ไปยังโลก เนื่องจากระบบนี้มีสถานะเสถียร 4 สถานะ หากดาวเทียมมีทิศทางที่ต้องการ เช่น กล้องหันไปทางโลก จำเป็นต้องมีวิธีพลิกดาวเทียมและสายเคเบิลที่เชื่อมต่อให้กลับมาอยู่ในทิศทางเดิม

ระบบพาสซีฟที่สองจะปรับทิศทางดาวเทียมไปตามสนามแม่เหล็กโลกด้วยแม่เหล็ก^{[ 7 ]}ระบบควบคุมทิศทางแบบพาสซีฟล้วนๆ เหล่านี้มีความแม่นยำในการชี้เป้าที่จำกัด เนื่องจากยานอวกาศจะแกว่งไปมารอบจุดต่ำสุดของพลังงาน ข้อเสียนี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มแดมเปอร์ ซึ่งอาจเป็นวัสดุฮิสเทอรีซิสหรือแดมเปอร์หนืด แดมเปอร์หนืดเป็นกระป๋องหรือถังของเหลวขนาดเล็กที่ติดตั้งอยู่ในยานอวกาศ อาจมีแผ่นกั้นภายในเพื่อเพิ่มแรงเสียดทานภายใน แรงเสียดทานภายในแดมเปอร์จะค่อยๆ เปลี่ยนพลังงานการแกว่งให้เป็นความร้อนที่กระจายอยู่ภายในแดมเปอร์หนืด

รูปแบบที่สามของการควบคุมทิศทางแบบพาสซีฟคือการรักษาเสถียรภาพทางอากาศพลศาสตร์ ซึ่งทำได้โดยใช้การไล่ระดับแรงต้าน ดังที่แสดงให้เห็นใน การสาธิตเทคโนโลยี ดาวเทียมควบคุมทิศทางแบบพาสซีฟ Get Away Special (GASPACS)ในวงโคจรต่ำของโลก แรงเนื่องจากแรงต้านจะมีอิทธิพลมากกว่าแรงที่เกิดจากการไล่ระดับแรงโน้มถ่วงหลายเท่า^{[ 8 ]} เมื่อดาวเทียมใช้การควบคุมทิศทางแบบพาสซีฟทางอากาศพลศาสตร์ โมเลกุลของอากาศจากชั้นบรรยากาศชั้นบนของโลกจะกระทบกับดาวเทียมในลักษณะที่จุดศูนย์กลางของแรงดันยังคงอยู่ด้านหลังจุดศูนย์กลางมวล คล้ายกับวิธีที่ขนบนลูกศรช่วยรักษาเสถียรภาพของลูกศร GASPACS ใช้ 'AeroBoom' แบบเป่าลมขนาด 1 เมตร ซึ่งยื่นออกไปด้านหลังดาวเทียม สร้างแรงบิดที่รักษาเสถียรภาพตามเวกเตอร์ความเร็วของดาวเทียม^{[ 9 ]}

Another form of passive attitude control is yo-yo de-spin.^[10] Yo-yo de-spin devices are controversial as they generate space debris, and are primarily used for deep-space spacecraft.^[11]

Control algorithms

Control algorithms are computer programs that receive data from vehicle sensors and derive the appropriate commands to the actuators to rotate the vehicle to the desired attitude. The algorithms range from very simple, e.g. proportional control, to complex nonlinear estimators or many in-between types, depending on mission requirements. Typically, the attitude control algorithms are part of the software running on the computer hardware, which receives commands from the ground and formats vehicle data telemetry for transmission to a ground station.

The attitude control algorithms are written and implemented based on requirement for a particular attitude maneuver. Asides the implementation of passive attitude control such as the gravity-gradient stabilization, most spacecraft make use of active control which exhibits a typical attitude control loop. The design of the control algorithm depends on the actuator to be used for the specific attitude maneuver although using a simple proportional–integral–derivative controller (PID controller) satisfies most control needs.

The appropriate commands to the actuators are obtained based on error signals described as the difference between the measured and desired attitude. The error signals are commonly measured as euler angles (Φ, θ, Ψ), however an alternative to this could be described in terms of direction cosine matrix or error quaternions. The PID controller which is most common reacts to an error signal (deviation) based on attitude as follows

T_{c}(t)=K_{\text{p}}e(t)+K_{\text{i}}\int _{0}^{t}e(\tau )\,d\tau +K_{\text{d}}{\dot {e}}(t),

where $T_{c}$ is the control torque, $e$ is the attitude deviation signal, and $K_{\text{p}},K_{\text{i}},K_{\text{d}}$ are the PID controller parameters.

A simple implementation of this can be the application of the proportional control for nadir pointing making use of either momentum or reaction wheels as actuators. Based on the change in momentum of the wheels, the control law can be defined in 3-axes x, y, z as

T_{c}x=-K_{\text{q1}}q_{1}+K_{\text{w1}}{w_{x}},

T_{c}y=-K_{\text{q2}}q_{2}+K_{\text{w2}}{w_{y}},

T_{c}z=-K_{\text{q3}}q_{3}+K_{\text{w3}}{w_{z}},

This control algorithm also affects momentum dumping.

อีกหนึ่งอัลกอริธึมควบคุมที่สำคัญและใช้กันทั่วไปคือแนวคิดของการลดการหมุน (detumbling ) ซึ่งเป็นการลดโมเมนตัมเชิงมุมของยานอวกาศ ความจำเป็นในการลดการหมุนของยานอวกาศเกิดขึ้นจากสภาวะที่ไม่สามารถควบคุมได้หลังจากปล่อยจากยานปล่อย ยานอวกาศส่วนใหญ่ในวงโคจรต่ำของโลก (LEO) ใช้แนวคิดการลดการหมุนด้วยแม่เหล็ก ซึ่งใช้ประโยชน์จากผลของสนามแม่เหล็กโลกอัลกอริธึมควบคุมนี้เรียกว่าตัวควบคุม B-Dot และอาศัยขดลวดแม่เหล็กหรือแท่งแรงบิดเป็นตัวกระตุ้นควบคุม กฎการควบคุมนั้นอิงจากการวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณแมกเนโตมิเตอร์ ที่ติดตั้งอยู่กับตัวยาน

m=-K{\dot {B}}

ที่ไหน $m$ คือค่าโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กที่สั่งการของตัวสร้างแรงบิดแม่เหล็ก และ $K$ คือผลกำไรตามสัดส่วนและ ${\dot {B}}$ คืออัตราการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลก

โหมดควบคุม

โดยทั่วไป ระบบ ADCS ของยานอวกาศจะเริ่มลดการหมุนวนเมื่อเริ่มภารกิจ ไม่ว่าจะโดยอัตโนมัติหรือเมื่อได้รับคำสั่ง^{[ 10 ]}

หลังจากปรับสมดุลการหมุนแล้ว ระบบ ADCS มักจะมีโหมดควบคุมหลายโหมด ได้แก่:

โหมดปลอดภัย:สถานะประหยัดพลังงานและทนทานต่อความผิดพลาด ซึ่งจะเข้าสู่โหมดนี้เมื่อเกิดความผิดปกติ
โหมดหัน/ติดตามดวงอาทิตย์:ปรับทิศทางยานอวกาศเพื่อให้แผงโซลาร์เซลล์หันเข้าหาดวงอาทิตย์
โหมดชี้ทิศนาดีร์:ชี้ด้านใดด้านหนึ่งไปยังโลก (ทิศนาดีร์) มีประโยชน์สำหรับการสังเกตการณ์โลก เสาอากาศรับสัญญาณ และอุปกรณ์ที่หันหน้าเข้าหาโลก
โหมดการชี้เป้าหมายแบบเฉื่อย:รักษาทิศทางเฉื่อยคงที่ เหมาะสำหรับการชี้ไปยังดาวฤกษ์หรือวัตถุในห้วงอวกาศลึก
โหมดติดตามเป้าหมายภาคพื้นดิน:ชี้ไปยังเป้าหมายภาคพื้นดินที่อยู่กับที่หรือเคลื่อนที่ โดยหมุนดาวเทียมตามการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของดาวเทียมเมื่อเทียบกับเป้าหมายภาคพื้นดิน มีประโยชน์สำหรับระบบสังเกตการณ์โลกที่มีความแม่นยำสูงและระบบถ่ายโอนข้อมูลเชิงแสง
โหมดการหมุน/การเปลี่ยนผ่าน:ยานอวกาศหมุนช้าๆ ระหว่างโหมด/เป้าหมาย^{[ 10 ]}

โหมดการชี้ไปยังจุดนาดีร์และโหมดการชี้ไปยังดวงอาทิตย์ เป็นต้น ถูกนำมาใช้โดยใช้แอคทูเอเตอร์เพื่อทำให้ยานอวกาศหมุนแบบ Y-Thomson ซึ่งตั้งชื่อตาม William T. Thomson โดยที่ยานอวกาศจะหมุนรอบแกนปกติของวงโคจร ครบหนึ่งรอบในขณะที่หมุนรอบ วัตถุหลักครบหนึ่งรอบ[ ^{12 ] ใน}ดาวเทียมแบบจีโอเซนทริก การหมุนแบบ Y-Thomson มักใช้เพื่อชี้ด้านหนึ่งของยานอวกาศให้หันไปทางศูนย์กลางมวลของโลก การหมุนนี้จะจัดแนวเฟรมของยานอวกาศให้ตรงกับเฟรมอ้างอิงแบบสัมผัส-ปกติ-รัศมีของวงโคจร เมื่อรวมกับบูมที่กางออกได้ซึ่งชี้ไปยังจุดนาดีร์ แรงไล่ระดับแรงโน้มถ่วงจะช่วยรักษาเสถียรภาพของทิศทางของยานอวกาศโดยอัตโนมัติ

การกำหนด

Spacecraft attitude determination is the process of determining the orientation of a spacecraft (vehicle or satellite). It is a pre-requisite for spacecraft attitude control. A variety of sensors are utilized for relative and absolute attitude determination.

Sensors

Relative attitude sensors

Many sensors generate outputs that reflect the rate of change in attitude. These require a known initial attitude, or external information to use them to determine attitude. Many of this class of sensor have some noise, leading to inaccuracies if not corrected by absolute attitude sensors.

Gyroscopes

Gyroscopes are devices that sense rotation in three-dimensional space without reliance on the observation of external objects. Classically, a gyroscope consists of a spinning mass, but there are also "ring laser gyros" utilizing coherent light reflected around a closed path. Another type of "gyro" is a hemispherical resonator gyro where a crystal cup shaped like a wine glass can be driven into oscillation just as a wine glass "sings" as a finger is rubbed around its rim. The orientation of the oscillation is fixed in inertial space, so measuring the orientation of the oscillation relative to the spacecraft can be used to sense the motion of the spacecraft with respect to inertial space.^[13]

Motion reference units

Motion reference units are a kind of inertial measurement unit with single- or multi-axis motion sensors. They utilize MEMS gyroscopes. Some multi-axis MRUs are capable of measuring roll, pitch, yaw and heave. They have applications outside the aeronautical field, such as:^[14]

Antenna motion compensation and stabilization
Dynamic positioning
Heave compensation of offshore cranes
High speed craft motion control and damping systems
Hydro acoustic positioning
Motion compensation of single and multibeam echosounders
Ocean wave measurements
Offshore structure motion monitoring
Orientation and attitude measurements on Autonomous underwater vehicles and Remotely operated underwater vehicles
Ship motion monitoring

Absolute attitude sensors

This class of sensors sense the position or orientation of fields, objects or other phenomena outside the spacecraft.

Horizon sensor

เซนเซอร์ขอบฟ้าเป็นเครื่องมือทางแสงที่ตรวจจับแสงจาก 'ขอบ' ของชั้นบรรยากาศของโลก กล่าวคือ ที่ขอบฟ้า มักใช้การตรวจจับด้วยอินฟราเรดความร้อนซึ่งตรวจจับความอบอุ่นของชั้นบรรยากาศเมื่อเทียบกับพื้นหลังของจักรวาล ที่เย็นกว่ามาก เซนเซอร์นี้ให้การวางแนวเทียบกับโลกโดยใช้แกนตั้งฉากสองแกน เซนเซอร์นี้มักมีความแม่นยำน้อยกว่าเซนเซอร์ที่ใช้การสังเกตดาวฤกษ์ บางครั้งเรียกว่าเซนเซอร์โลก^{[ 15 ]}

ไจโรคอมพาสวงโคจร

ในทำนองเดียวกันกับที่ไจโรคอมพาส ภาคพื้นดิน ใช้ลูกตุ้มเพื่อตรวจจับแรงโน้มถ่วงในพื้นที่และบังคับให้ไจโรอยู่ในแนวเดียวกับเวกเตอร์การหมุนของโลก และชี้ไปทางทิศเหนือไจโรคอมพาสในวงโคจรใช้เซ็นเซอร์ขอบฟ้าเพื่อตรวจจับทิศทางไปยังศูนย์กลางของโลก และใช้ไจโรเพื่อตรวจจับการหมุนรอบแกนที่ตั้งฉากกับระนาบวงโคจร ดังนั้น เซ็นเซอร์ขอบฟ้าจึงให้การวัดมุมพิทช์และโรล และไจโรให้การวัดมุมยอว์^{[ 16 ]}ดูมุมTait-Bryan

เซ็นเซอร์แสงอาทิตย์

เซ็นเซอร์ตรวจจับดวงอาทิตย์คืออุปกรณ์ที่ตรวจจับทิศทางไปยังดวงอาทิตย์อาจเป็นเพียงแค่แผงโซลาร์เซลล์และแผ่นบังแสง หรืออาจซับซ้อนถึงขั้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ ที่สามารถปรับทิศทางได้ ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของภารกิจ

เซ็นเซอร์โลก

เซ็นเซอร์โลกเป็นอุปกรณ์ที่ตรวจจับทิศทางไปยังโลกโดยปกติจะเป็นกล้องอินฟราเรดปัจจุบันวิธีการหลักในการตรวจจับทิศทางคือการติดตามดาวแต่เซ็นเซอร์โลกยังคงถูกรวมเข้ากับดาวเทียมเนื่องจากต้นทุนต่ำและความน่าเชื่อถือ^{[ 15 ]}

นักติดตามดาว

เครื่องติดตามดาวเป็นอุปกรณ์ทางแสงที่วัดตำแหน่งของดาวโดยใช้โฟโตเซลล์หรือกล้อง^{[ 17 ]}โดยใช้ค่าความสว่างและประเภทสเปกตรัมเพื่อระบุและคำนวณตำแหน่งสัมพัทธ์ของดาวรอบๆ

เครื่องวัดสนามแม่เหล็ก

แมกนีโตมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ตรวจจับ ความแรง ของสนามแม่เหล็กและเมื่อใช้ในระบบสามแกน จะสามารถตรวจจับทิศทางของสนามแม่เหล็กได้ด้วย เพื่อเป็นเครื่องมือช่วยในการนำทางของยานอวกาศ ความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่ตรวจจับได้จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับแผนที่สนามแม่เหล็กโลกที่เก็บไว้ในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์นำทางบนยานอวกาศหรือบนภาคพื้นดิน หากทราบตำแหน่งของยานอวกาศแล้ว ก็สามารถอนุมานทิศทางของยานอวกาศได้^{[ 18 ]}

การประเมินทัศนคติ

ไม่สามารถวัดทิศทางได้โดยตรงด้วยการวัดเพียงครั้งเดียว ดังนั้นจึงต้องคำนวณ (หรือประมาณค่า ) จากชุดการวัด (ซึ่งมักใช้เซ็นเซอร์ที่แตกต่างกัน) สามารถทำได้ทั้งแบบสถิต (คำนวณทิศทางโดยใช้เฉพาะการวัดที่มีอยู่) หรือโดยใช้ตัวกรองทางสถิติ (ที่ใช้กันมากที่สุดคือตัวกรอง Kalman ) ซึ่งจะรวมค่าประมาณทิศทางก่อนหน้าเข้ากับการวัดจากเซ็นเซอร์ในปัจจุบันทางสถิติ เพื่อให้ได้ค่าประมาณทิศทางปัจจุบันที่ดีที่สุด

วิธีการประมาณค่าทัศนคติแบบคงที่

วิธีการประมาณทัศนคติแบบคงที่ถือเป็นวิธีแก้ปัญหาของ Wahbaมีการเสนอวิธีแก้ปัญหาหลายวิธี โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธี q ของ Davenport, QUEST, TRIAD และการแยกส่วนค่าเอกลักษณ์^{[ 19 ]}

Crassidis, John L. และ John L. Junkins.. Chapman and Hall/CRC, 2004.

วิธีการประมาณค่าแบบลำดับ

การกรอง Kalman สามารถใช้เพื่อประมาณค่าทัศนคติและอัตราเชิงมุมตามลำดับได้ เนื่องจากพลวัตของทัศนคติ (การรวมกันของพลวัตของวัตถุแข็งและจลนศาสตร์ของทัศนคติ) ไม่เป็นเชิงเส้น ตัวกรอง Kalman เชิงเส้นจึงไม่เพียงพอ เนื่องจากพลวัตของทัศนคติไม่เป็นเชิงเส้นมากนักตัวกรอง Kalman แบบขยายจึงมักจะเพียงพอ (อย่างไรก็ตาม Crassidis และ Markely ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถใช้ตัวกรอง Kalman แบบ Unscented ได้ และสามารถให้ประโยชน์ในกรณีที่การประมาณค่าเริ่มต้นไม่ดี) ^{[ 20 ]} มีการเสนอวิธีการหลายวิธี อย่างไรก็ตาม ตัวกรอง Kalman แบบขยายเชิงคูณ (MEKF) เป็นวิธีการที่พบได้บ่อยที่สุด วิธีการนี้ใช้สูตรเชิงคูณของควอเทอร์เนียนข้อผิดพลาด ซึ่งช่วยให้สามารถจัดการข้อจำกัดเอกภาพบนควอเทอร์เนียนได้ดีขึ้น นอกจากนี้ ยังนิยมใช้เทคนิคที่เรียกว่าการแทนที่แบบจำลองไดนามิก (dynamic model replacement) ซึ่งไม่ได้ประมาณค่าอัตราเชิงมุมโดยตรง แต่ใช้ค่าอัตราเชิงมุมที่วัดได้จากไจโรสโคปโดยตรงเพื่อทำนายพลวัตการหมุนไปข้างหน้าตามเวลา วิธีนี้ใช้ได้ผลดีในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ เนื่องจากไจโรสโคปมักมีความแม่นยำมากกว่าความรู้เกี่ยวกับแรงบิดรบกวนที่กระทำต่อระบบ (ซึ่งจำเป็นสำหรับการประมาณค่าอัตราเชิงมุมอย่างแม่นยำ)

การกำหนดตำแหน่ง/สถานที่

สำหรับเซ็นเซอร์และแอปพลิเคชันบางอย่าง (เช่น ยานอวกาศที่ใช้แมกนีโตมิเตอร์) จำเป็นต้องทราบตำแหน่งที่แม่นยำด้วย ในขณะที่สามารถใช้การประมาณท่าทางได้ แต่สำหรับยานอวกาศแล้ว โดยทั่วไปการประมาณตำแหน่ง (ผ่านการกำหนดวงโคจร ) แยกต่างหากจากการประมาณทิศทางก็ เพียงพอแล้ว สำหรับยานพาหนะภาคพื้นดินและยานอวกาศที่ปฏิบัติการใกล้โลก การเกิดขึ้นของ ระบบ นำทางด้วยดาวเทียมทำให้สามารถได้ข้อมูลตำแหน่งที่แม่นยำได้ง่ายขึ้น ปัญหานี้จะซับซ้อนมากขึ้นสำหรับยานพาหนะในอวกาศห้วงลึก หรือยานพาหนะภาคพื้นดินที่ปฏิบัติการในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลก (GNSS) (ดูการนำทาง )

ดูเพิ่มเติม

External links

Media related to Spacecraft attitude control at Wikimedia Commons

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[11]

12 ] ใน

[13]

[14]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]