Kontrola postawy - Attitude control

Kontrola postawy to proces kontrolowania orientacji pojazdu lotniczego w odniesieniu do bezwładnościowego układu odniesienia lub innej jednostki, takiej jak sfera niebieska , określone pola i pobliskie obiekty itp.

Sterowanie położeniem pojazdu wymaga czujników do pomiaru orientacji pojazdu, siłowników do przykładania momentów obrotowych potrzebnych do ustawienia pojazdu do pożądanego położenia oraz algorytmów do sterowania siłownikami w oparciu o (1) pomiary czujnika bieżącego położenia i (2) specyfikację pożądanego położenia. postawa. Zintegrowana dziedzina, która bada kombinację czujników, siłowników i algorytmów, nazywa się naprowadzaniem, nawigacją i kontrolą (GNC).

Kontrola położenia samolotu

myszkować

poziom

rolka

Położenie samolotu jest stabilizowane w trzech kierunkach: zbaczanie , nos w lewo lub w prawo wokół osi biegnącej w górę iw dół; skok , nos w górę lub w dół wokół osi biegnącej od skrzydła do skrzydła; i roll , obrót wokół osi biegnącej od nosa do ogona. Windy (ruchome klapy na ogonie poziomym) wytwarzają pochylenie, ster na ogonie pionowym powoduje odchylenie, a lotki (klapy na skrzydłach poruszające się w przeciwnych kierunkach) powodują kołysanie.

Kontrola położenia statku kosmicznego

Postawa statku kosmicznego musi być zazwyczaj ustabilizowana i kontrolowana z różnych powodów. Jest to często potrzebne, aby antena statku kosmicznego o dużym zysku mogła być dokładnie skierowana na Ziemię w celu komunikacji, aby eksperymenty na pokładzie mogły precyzyjnie wskazać w celu dokładnego zebrania i późniejszej interpretacji danych, tak aby efekty ogrzewania i chłodzenia światła słonecznego i cienia mogły być wykorzystywane inteligentnie do kontroli termicznej, a także do prowadzenia: krótkie manewry napędowe muszą być wykonywane we właściwym kierunku.

Rodzaje stabilizacji

Istnieją dwa główne podejścia do stabilizacji kontroli położenia statku kosmicznego:

Stabilizację wirowania uzyskuje się poprzez ustawienie wirowania statku kosmicznego, wykorzystując żyroskopowe działanie obracającej się masy statku kosmicznego jako mechanizmu stabilizującego. Silniki odrzutowe systemu napędowego są uruchamiane tylko sporadycznie, aby dokonać pożądanych zmian w prędkości wirowania lub w nastawieniu stabilizowanym przez rotację. W razie potrzeby wirowanie można zatrzymać za pomocą silników odrzutowych lub przezodkręcenie jojo. WPioneer 10iPioneer 11sondy w zewnętrznym układzie słonecznych przykłady wirowania stabilizowany kosmicznych.
Stabilizacja trójosiowa jest alternatywną metodą kontroli położenia statku kosmicznego, w której statek kosmiczny jest utrzymywany nieruchomo w pożądanej orientacji bez żadnego obrotu.
- Jedną z metod jest użycie małych silników odrzutowych do ciągłego popychania statku kosmicznego tam iz powrotem w strefie nieczułości dopuszczalnego błędu orientacji. Stery strumieniowe mogą być również określane jako systemy kontroli masowego wydalania (MEC) lub systemy kontroli reakcji (RCS). Sondy kosmiczne Voyager 1 i Voyager 2 wykorzystują tę metodę i zużyły około trzech czwartych swoich 100 kg paliwa do lipca 2015 roku.
- Inną metodą uzyskania stabilizacji w trzech osiach jest zastosowanie napędzanych elektrycznie kół reakcyjnych , zwanych również kołami pędu, które są zamontowane na trzech prostopadłych osiach na pokładzie statku kosmicznego. Zapewniają środki do wymiany momentu pędu tam i z powrotem między statkiem kosmicznym a kołami. Aby obrócić pojazd na danej osi, koło reakcyjne na tej osi jest przyspieszane w przeciwnym kierunku. Aby obrócić pojazd do tyłu, koło jest zwalniane. Nadmiar pędu, który narasta w systemie z powodu zewnętrznych momentów obrotowych, na przykład ciśnienia fotonów słonecznych lub gradientów grawitacji , musi być od czasu do czasu usuwany z systemu poprzez przyłożenie kontrolowanego momentu obrotowego do statku kosmicznego, aby umożliwić kołom powrót do pożądanej prędkości za pomocą komputera kontrola. Odbywa się to podczas manewrów zwanych desaturacją pędu lub manewrami rozładowania pędu. Większość statków kosmicznych wykorzystuje system silników odrzutowych do przykładania momentu obrotowego do manewrów desaturacji. Inne podejście zostało zastosowane przez Teleskop Kosmiczny Hubble'a , który miał czułą optykę, która może być zanieczyszczona spalinami z silnika , a zamiast tego używał magnetycznych momentów obrotowych do manewrów desaturacji.

Zarówno stabilizacja rotacji, jak i stabilizacja w trzech osiach mają swoje zalety i wady. Statki o stabilizowanej rotacji zapewniają ciągły ruch omiatający, który jest pożądany w przypadku instrumentów pola i cząstek, a także niektórych optycznych instrumentów skanujących, ale mogą one wymagać skomplikowanych systemów do odwirowania anten lub instrumentów optycznych, które muszą być skierowane na cele podczas obserwacji naukowych lub komunikacja z Ziemią. Sterowane trzyosiowo statki mogą wskazywać instrumenty optyczne i anteny bez konieczności ich odwirowania, ale mogą być zmuszone do wykonywania specjalnych manewrów obrotowych, aby jak najlepiej wykorzystać swoje pola i instrumenty cząsteczkowe. Jeśli do rutynowej stabilizacji używa się silników odrzutowych, obserwacje optyczne, takie jak obrazowanie, muszą być zaprojektowane ze świadomością, że statek kosmiczny zawsze powoli kołysze się w przód iw tył, i nie zawsze jest to dokładnie przewidywalne. Koła reakcyjne zapewniają znacznie stabilniejszy statek kosmiczny, z którego można prowadzić obserwacje, ale zwiększają masę statku kosmicznego, mają ograniczoną żywotność mechaniczną i wymagają częstych manewrów desaturacji pędu, co może zakłócać rozwiązania nawigacyjne z powodu przyspieszeń nadanych przez użycie silników odrzutowych .

Artykulacja

Wiele statków kosmicznych ma elementy, które wymagają artykulacji. Na przykład Voyager i Galileo zaprojektowano z platformami skanującymi do nakierowywania instrumentów optycznych na ich cele w dużej mierze niezależnie od orientacji statku kosmicznego. Wiele statków kosmicznych, takich jak orbitery marsjańskie, ma panele słoneczne, które muszą śledzić Słońce, aby mogły dostarczać energię elektryczną do statku kosmicznego. Główne dysze silnika Cassini były sterowalne. Wiedza o tym, gdzie skierować panel słoneczny, platformę skanującą lub dyszę – czyli jak ją wygiąć – wymaga znajomości położenia statku kosmicznego. Ponieważ pojedynczy podsystem śledzi położenie statku kosmicznego, położenie Słońca i położenie Ziemi, może obliczyć właściwy kierunek, aby wskazać wyrostki. Logicznie rzecz biorąc, należy do tego samego podsystemu – Podsystemu Sterowania Postawą i Artykulacją (AACS), który zarządza zarówno nastawieniem, jak i artykulacją. Nazwa AACS może być nawet przeniesiona na statek kosmiczny, nawet jeśli nie ma wyrostków do wypowiedzenia.

Geometria

Postawa jest częścią opisu tego, jak obiekt jest umieszczany w zajmowanej przez siebie przestrzeni . Postawa i pozycja w pełni opisują, jak obiekt jest umieszczony w przestrzeni. (W przypadku niektórych zastosowań, takich jak robotyka i widzenie komputerowe, zwyczajowo łączy się pozycję i postawę w jeden opis znany jako Pose .)

Postawę można opisać różnymi metodami; jednak najczęściej spotykane są macierze rotacji , kwaterniony i kąty Eulera . Chociaż kąty Eulera są często najprostszą reprezentacją do wizualizacji, mogą powodować problemy w systemach o dużej zwrotności z powodu zjawiska znanego jako blokada Gimbal . Z drugiej strony macierz rotacji dostarcza pełnego opisu postawy kosztem wymagania dziewięciu wartości zamiast trzech. Zastosowanie macierzy rotacji może prowadzić do zwiększenia kosztów obliczeniowych i może być trudniejsza w obsłudze. Quaterniony oferują przyzwoity kompromis, ponieważ nie cierpią z powodu blokady gimbala i wymagają tylko czterech wartości, aby w pełni opisać postawę.

Zmiana orientacji bryły sztywnej jest taka sama, jak obracanie osi dołączonej do niej ramy odniesienia .

Czujniki

Względne czujniki położenia

Wiele czujników generuje sygnały wyjściowe, które odzwierciedlają tempo zmian nastawienia. Wymagają one znanej początkowej postawy lub informacji zewnętrznych, aby użyć ich do określenia postawy. Wiele czujników tej klasy ma pewne szumy, które prowadzą do niedokładności, jeśli nie są korygowane przez czujniki bezwzględnego położenia.

Żyroskopy

Żyroskopy to urządzenia, które wyczuwają obrót w trójwymiarowej przestrzeni bez polegania na obserwacji obiektów zewnętrznych. Klasycznie żyroskop składa się z wirującej masy, ale istnieją również „ żyroskopy laserowe pierścieniowe ” wykorzystujące spójne światło odbijane wokół zamkniętej ścieżki. Innym rodzajem „żyroskopu” jest półkulisty żyroskop rezonatorowy, w którym kryształowy kubek w kształcie kieliszka do wina może być wprawiany w drgania, tak jak kieliszek do wina „śpiewa”, gdy pociera się palcem jego brzeg. Orientacja oscylacji jest ustalona w przestrzeni bezwładności, więc pomiar orientacji oscylacji względem statku kosmicznego może być wykorzystany do wykrycia ruchu statku kosmicznego względem przestrzeni bezwładności.

Jednostki odniesienia ruchu

Jednostki odniesienia ruchu są rodzajem bezwładnościowych jednostek pomiarowych z jedno- lub wieloosiowymi czujnikami ruchu. Wykorzystują żyroskopy MEMS . Niektóre wieloosiowe MRU umożliwiają pomiar przechyłu, nachylenia, odchylenia i podnoszenia . Mają zastosowania poza lotnictwem, takie jak:

Kompensacja i stabilizacja ruchu anteny
Dynamiczne pozycjonowanie
Odszkodowanie dźwigów offshore
Systemy kontroli ruchu i tłumienia szybkich jednostek pływających
Pozycjonowanie hydroakustyczne
Kompensacja ruchu echosond jedno- i wielowiązkowych
Pomiary fal oceanicznych
Monitorowanie ruchu konstrukcji offshore
Pomiary orientacji i położenia na autonomicznych pojazdach podwodnych i zdalnie sterowanych pojazdach podwodnych
Monitorowanie ruchu statku

Czujniki absolutnej postawy

Ta klasa czujników wykrywa położenie lub orientację pól, obiektów lub innych zjawisk na zewnątrz statku kosmicznego.

Czujnik horyzontu

Czujnik horyzont to instrument optyczny, który wykrywa światło z „kończyny” z ziemskiej atmosfery, czyli w horyzoncie. Często stosuje się termowizyjne wykrywanie podczerwieni , które wyczuwa porównawcze ciepło atmosfery w porównaniu do znacznie chłodniejszego tła kosmicznego . Czujnik ten zapewnia orientację względem Ziemi wokół dwóch prostopadłych osi. Zwykle jest mniej precyzyjny niż czujniki oparte na obserwacji gwiazd. Czasami określany jako czujnik Ziemi.

Żyrokompas orbitalny

Podobnie do sposobu, w jaki żyrokompas naziemny używa wahadła do wykrywania lokalnej grawitacji i zmuszania swojego żyroskopu do wyrównania z wektorem obrotu Ziemi, a tym samym skierowania na północ, żyrokompas orbitalny wykorzystuje czujnik horyzontu do wykrywania kierunku do środka Ziemi, a żyroskop do wyczuć obrót wokół osi normalnej do płaszczyzny orbity. W ten sposób czujnik horyzontu zapewnia pomiary pochylenia i przechyłu, a żyroskop zapewnia odchylenie. Zobacz kąty Taita-Bryana .

Czujnik słońca

Czujnik słoneczny jest urządzeniem, które wykrywa kierunek do Słońca . W zależności od wymagań misji może to być tak proste, jak niektóre ogniwa słoneczne i rolety, lub tak złożone, jak sterowalny teleskop .

Czujnik ziemi

Czujnik Ziemia jest urządzeniem, które wykrywa kierunek do Ziemi . Zwykle jest to kamera na podczerwień ; obecnie główną metodą wykrywania położenia jest śledzenie gwiazd , ale czujniki Ziemi są nadal zintegrowane z satelitami ze względu na ich niski koszt i niezawodność.

Śledzenie gwiazd

Oprogramowanie STARS do śledzenia gwiazd w czasie rzeczywistym działa na obrazie z EBEX 2012, eksperymentu kosmologicznego na dużej wysokości, który został wystrzelony z Antarktydy 29.12.2012

Gwiazdy śledzenia jest urządzenie optyczne, które mierzy się położenie (e) z gwiazdką (e) za pomocą fotokomórki (ów) lub aparatu. Wykorzystuje jasność i typ widmowy do identyfikacji, a następnie obliczenia względnej pozycji gwiazd wokół niej.

Magnetometr

Magnetometru jest urządzenie, które wykrywa pola magnetycznego, siła i, gdy jest stosowany w trójosiowy triady, kierunku pola magnetycznego. Jako pomoc nawigacyjna statku kosmicznego, wykrywane natężenie i kierunek pola jest porównywane z mapą ziemskiego pola magnetycznego przechowywaną w pamięci pokładowego lub naziemnego komputera naprowadzania. Jeśli znana jest pozycja statku kosmicznego, można wywnioskować nastawienie.

Określanie postawy

Zanim będzie można przeprowadzić kontrolę położenia, należy określić bieżące położenie. Postawy nie można zmierzyć bezpośrednio żadnym pojedynczym pomiarem, dlatego należy ją obliczyć (lub oszacować ) na podstawie zestawu pomiarów (często przy użyciu różnych czujników). Można to zrobić statycznie (obliczając położenie przy użyciu tylko aktualnie dostępnych pomiarów) lub za pomocą filtra statystycznego (najczęściej filtra Kalmana ), który statystycznie łączy poprzednie oceny położenia z bieżącymi pomiarami czujnika w celu uzyskania optymalnej oceny obecne nastawienie.

W przypadku niektórych czujników i zastosowań (takich jak statki kosmiczne wykorzystujące magnetometry) dokładna lokalizacja musi być również znana. Chociaż można zastosować szacowanie pozycji, w przypadku statku kosmicznego zwykle wystarcza oszacowanie pozycji (poprzez określenie orbity ) niezależnie od szacowania położenia. W przypadku pojazdów naziemnych i statków kosmicznych działających w pobliżu Ziemi, pojawienie się systemów nawigacji satelitarnej umożliwia łatwe uzyskanie dokładnej wiedzy o położeniu. Problem ten staje się bardziej skomplikowany w przypadku pojazdów kosmicznych lub pojazdów naziemnych działających w zabronionych środowiskach Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS) (patrz Nawigacja ).

Metody estymacji postawy statycznej

Metody estymacji postaw statycznych są rozwiązaniem problemu Wahby . Zaproponowano wiele rozwiązań, w szczególności metodę q Davenporta, QUEST, TRIAD i dekompozycję według wartości osobliwych .

Sekwencyjne metody estymacji

Filtrowanie Kalmana można wykorzystać do sekwencyjnego oszacowania położenia, a także prędkości kątowej. Ponieważ dynamika położenia (połączenie dynamiki bryły sztywnej i kinematyki położenia) jest nieliniowa, liniowy filtr Kalmana nie jest wystarczający. Ponieważ dynamika postawy nie jest bardzo nieliniowa, rozszerzony filtr Kalmana jest zwykle wystarczający (jednak Crassidis i Markely wykazali, że filtr Kalmana bez zapachu może być użyty i może zapewnić korzyści w przypadkach, gdy wstępne oszacowanie jest słabe). Zaproponowano wiele metod, jednak multiplikatywny rozszerzony filtr Kalmana (MEKF) jest zdecydowanie najbardziej powszechnym podejściem. Podejście to wykorzystuje multiplikatywne sformułowanie błędu kwaternionów, co pozwala na lepszą obsługę ograniczenia jedności kwaternionów. Powszechnie stosuje się również technikę znaną jako dynamiczne zastępowanie modelu, w której prędkość kątowa nie jest szacowana bezpośrednio, ale raczej zmierzona prędkość kątowa z żyroskopu jest używana bezpośrednio do propagacji dynamiki obrotowej do przodu w czasie. Dotyczy to większości zastosowań, ponieważ żyroskopy są zazwyczaj znacznie bardziej precyzyjne niż wiedza o momentach zakłócających działających na system (co jest wymagane do precyzyjnego oszacowania prędkości kątowej).

Algorytmy sterowania

Algorytmy sterujące to programy komputerowe, które odbierają dane z czujników pojazdu i wyprowadzają odpowiednie polecenia do siłowników, aby obrócić pojazd do pożądanego położenia. Algorytmy wahają się od bardzo prostych, np. sterowania proporcjonalnego , do złożonych estymatorów nieliniowych lub wielu typów pośrednich, w zależności od wymagań misji. Zazwyczaj algorytmy kontroli położenia są częścią oprogramowania działającego na sprzęcie , który odbiera polecenia z ziemi i formatuje dane telemetryczne pojazdu do transmisji do stacji naziemnej.

Algorytmy kontroli położenia są pisane i implementowane w oparciu o wymagania dotyczące określonego manewru położenia. Oprócz implementacji pasywnej kontroli położenia, takiej jak stabilizacja gradientu grawitacyjnego , większość statków kosmicznych wykorzystuje sterowanie aktywne, które wykazuje typową pętlę kontroli położenia. Konstrukcja algorytmu sterowania zależy od siłownika, który ma być użyty do określonego manewru położenia, chociaż użycie prostego regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego ( regulator PID ) spełnia większość potrzeb w zakresie sterowania.

Odpowiednie polecenia do siłowników są uzyskiwane na podstawie sygnałów błędów opisanych jako różnica między zmierzonym a pożądanym położeniem. Sygnały błędu są powszechnie mierzone jako kąty Eulera (Φ, θ, Ψ), jednak alternatywę dla tego można opisać w kategoriach kierunkowej macierzy cosinusów lub kwaternionów błędów . Najczęściej spotykany regulator PID reaguje na sygnał błędu (odchylenie) w oparciu o nastawienie w następujący sposób:

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

gdzie jest momentem sterującym, jest sygnałem odchylenia położenia i są parametrami regulatora PID. $T_{c}$ $e$ ${\ Displaystyle K_ {\ tekst {p}}, K_ {\ tekst {i}}, K_ {\ tekst {d}}}$

Prostą implementacją tego może być zastosowanie sterowania proporcjonalnego do wskazywania nadiru, wykorzystującego jako siłowniki koła pędowe lub reakcyjne. Na podstawie zmiany pędów kół prawo sterowania można zdefiniować w 3 osiach x,y,z jako

${\ Displaystyle T_ {c} x = - K_ {\ tekst {q1}} q_ {1}+ K_ {\ tekst {w1}} {w_ {x}}}$

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

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

Ten algorytm sterowania wpływa również na tłumienie pędu.

Inny ważny i powszechny algorytm sterowania obejmuje koncepcję detumblingu, która polega na tłumieniu momentu pędu statku kosmicznego. Konieczność rozbicia statku kosmicznego wynika z niekontrolowanego stanu po wypuszczeniu z rakiety nośnej. Większość statków kosmicznych na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) wykorzystuje koncepcję detumblingu magnetycznego, która wykorzystuje efekt ziemskiego pola magnetycznego. Algorytm sterowania nazywany jest kontrolerem B-Dot i opiera się na cewkach magnetycznych lub drążkach reakcyjnych jako siłownikach sterujących. Prawo sterowania opiera się na pomiarze szybkości zmian sygnałów magnetometru nieruchomego na ciele .

${\ Displaystyle m = - K {\ kropka {B}}}$

gdzie jest nasterowanym momentem dipola magnetycznego magnetycznego momentu obrotowego i jest proporcjonalnym wzmocnieniem i jest szybkością zmian pola magnetycznego Ziemi. ${\ Displaystyle m}$ ${\ Displaystyle K}$ ${\ Displaystyle {\ kropka {B}}}$

Siłowniki

Kontrolę postawy można uzyskać za pomocą kilku mechanizmów, w szczególności:

Stery strumieniowe

Stery strumieniowe z noniuszem są najczęstszymi siłownikami, ponieważ mogą być również używane do utrzymania stacji. Stery strumieniowe muszą być zorganizowane jako system zapewniający stabilizację wokół wszystkich trzech osi, a co najmniej dwa stery strumieniowe są zwykle używane w każdej osi, aby zapewnić moment obrotowy jako para , aby zapobiec przekazywaniu przesunięcia na pojazd. Ich ograniczenia to zużycie paliwa, zużycie silnika i cykle zaworów sterujących. Wydajność paliwowa systemu kontroli położenia jest określana przez jego impuls właściwy (proporcjonalny do prędkości wydechu) i najmniejszy impuls momentu obrotowego, jaki może dostarczyć (który określa, jak często pędniki muszą odpalać, aby zapewnić precyzyjne sterowanie). Stery muszą być wystrzelone w jednym kierunku, aby rozpocząć obrót, i ponownie w przeciwnym kierunku, jeśli ma być utrzymana nowa orientacja. Systemy pędników były używane w większości załogowych pojazdów kosmicznych, w tym w Vostok , Mercury , Gemini , Apollo , Soyuz i Space Shuttle .

Aby zminimalizować ograniczenie zużycia paliwa w czasie trwania misji, można zastosować pomocnicze systemy kontroli położenia w celu zmniejszenia rotacji pojazdu do niższych poziomów, takie jak małe silniki jonowe, które elektrycznie przyspieszają zjonizowane gazy do ekstremalnych prędkości, wykorzystując energię z ogniw słonecznych.

Stabilizacja wirowania

Cały pojazd kosmiczny można obrócić, aby ustabilizować orientację pojedynczej osi pojazdu. Ta metoda jest szeroko stosowana do stabilizacji ostatniego etapu rakiety nośnej. Cały statek kosmiczny i dołączony silnik rakietowy na paliwo stałe obracają się wokół osi ciągu rakiety, na „stoliku obrotu” zorientowanym przez system kontroli położenia niższego stopnia, na którym zamontowany jest stół obrotu. Po osiągnięciu ostatecznej orbity satelita może zostać rozkręcony na różne sposoby lub wirujący w lewo. Stabilizacja rotacji satelitów ma zastosowanie tylko w tych misjach, w których główna oś orientacji nie musi się drastycznie zmieniać w okresie eksploatacji satelity i nie ma potrzeby bardzo precyzyjnego wskazywania. Przydaje się również w misjach z instrumentami, które muszą skanować pole gwiazd, powierzchnię Ziemi lub atmosferę. Zobacz satelitę ze stabilizacją obrotów .

Koła pędu

Są to wirniki napędzane silnikiem elektrycznym, które obracają się w kierunku przeciwnym do wymaganego do zmiany orientacji pojazdu. Ponieważ koła pędu stanowią niewielką część masy statku kosmicznego i są sterowane komputerowo, zapewniają precyzyjną kontrolę. Koła Momentum są zazwyczaj zawieszone na łożyskach magnetycznych, aby uniknąć tarcia łożysk i problemów z awarią. Aby zachować orientację w przestrzeni trójwymiarowej, należy użyć co najmniej trzech, z dodatkowymi jednostkami zapewniającymi ochronę przed pojedynczą awarią. Zobacz Kąty Eulera .

Żyroskopy momentu kontrolnego

Są to wirniki wirujące ze stałą prędkością, zamontowane na przegubach, aby zapewnić kontrolę nad położeniem. Chociaż CMG zapewnia kontrolę wokół dwóch osi prostopadłych do osi obrotu żyroskopu, sterowanie trójosiowe nadal wymaga dwóch jednostek. CMG jest nieco droższy pod względem kosztów i masy, ponieważ trzeba zapewnić gimbale i ich silniki napędowe. Maksymalny moment obrotowy (ale nie maksymalna zmiana momentu pędu) wywierany przez CMG jest większy niż w przypadku koła pędu, dzięki czemu lepiej nadaje się do dużych statków kosmicznych. Poważną wadą jest dodatkowa złożoność, która zwiększa liczbę punktów awarii. Z tego powodu Międzynarodowa Stacja Kosmiczna wykorzystuje zestaw czterech CMG, aby zapewnić podwójną odporność na awarie.

Żagle słoneczne

Małe żagle słoneczne (urządzenia wytwarzające ciąg jako siłę reakcji wywołaną przez odbijanie padającego światła) mogą być używane do wykonywania niewielkich regulacji położenia i regulacji prędkości. Ta aplikacja może zaoszczędzić duże ilości paliwa podczas długiej misji, wytwarzając momenty kontrolne bez wydatkowania paliwa. Na przykład Mariner 10 dostosował swoje nastawienie, używając ogniw słonecznych i anten jako małych żagli słonecznych.

Stabilizacja grawitacyjno-gradientowa

Na orbicie statek kosmiczny, którego jedna oś jest znacznie dłuższa niż dwie pozostałe, spontanicznie zorientuje się tak, że jego długa oś będzie wskazywać środek masy planety. Ten system ma tę zaletę, że nie wymaga aktywnego systemu sterowania ani zużycia paliwa. Efekt jest spowodowany siłą pływową . Górny koniec pojazdu odczuwa mniejsze przyciąganie grawitacyjne niż dolny koniec. Zapewnia to przywracający moment obrotowy, gdy długa oś nie jest współliniowa z kierunkiem grawitacji. Jeśli nie zapewni się jakichś środków tłumienia, statek kosmiczny będzie oscylował wokół lokalnego pionu. Czasami do połączenia dwóch części satelity używa się linek , aby zwiększyć stabilizujący moment obrotowy. Problem z takimi wiązaniami polega na tym, że meteoroidy tak małe jak ziarnko piasku mogą je rozdzielić.

Magnetyczne momenty obrotowe

Cewki lub (na bardzo małych satelitach) magnesy trwałe wywierają chwilę na lokalne pole magnetyczne. Ta metoda działa tylko tam, gdzie istnieje pole magnetyczne, na które można reagować. Jedna z klasycznych „cewek” pola ma w rzeczywistości postać przewodzącej linki w planetarnym polu magnetycznym. Taka przewodząca linka może również generować energię elektryczną kosztem rozpadu orbity . I odwrotnie, indukując przeciwprąd, wykorzystując energię ogniw słonecznych, orbitę można podnieść. Ze względu na ogromną zmienność pola magnetycznego Ziemi od idealnego pola promieniowego, prawa sterowania oparte na momentach sprzężonych z tym polem będą wysoce nieliniowe. Co więcej, w danym momencie dostępne jest tylko sterowanie dwuosiowe, co oznacza, że może być konieczna zmiana orientacji pojazdu w celu zerowania wszystkich stawek.

Czysta pasywna kontrola postawy

Istnieją dwa główne typy pasywnego sterowania satelitami. Pierwszy z nich wykorzystuje gradient grawitacyjny i prowadzi do czterech stabilnych stanów z długą osią (oś z najmniejszym momentem bezwładności) skierowaną w stronę Ziemi. Ponieważ system ten ma cztery stabilne stany, jeśli satelita ma preferowaną orientację, np. kamera skierowana na planetę, potrzebny jest jakiś sposób na odwrócenie satelity i jego uwięź koniec do końca.

Drugi pasywny system orientuje satelitę wzdłuż pola magnetycznego Ziemi dzięki magnesowi. Te czysto pasywne systemy kontroli położenia mają ograniczoną dokładność wskazywania, ponieważ statek kosmiczny będzie oscylował wokół minimów energetycznych. Wadę tę przezwycięża się przez dodanie amortyzatora, którym mogą być materiały histeryczne lub amortyzator wiskotyczny. Amortyzator lepkości to mała puszka lub zbiornik płynu zamontowany w statku kosmicznym, prawdopodobnie z wewnętrznymi przegrodami w celu zwiększenia tarcia wewnętrznego. Tarcie w tłumiku będzie stopniowo przekształcać energię drgań w ciepło rozpraszane w tłumiku wiskotycznym.

Languages

In other projects