Das System der Lagesteuerung ist eine Komponente eines Raumfahrzeugs ( künstlicher Satellit , Raumfahrzeug , Raumstation oder Trägerrakete ), dessen Aufgabe es ist, die Fluglage des Raumfahrzeugs (dh seine Ausrichtung im Weltraum ), Instrumente und Sonnenkollektoren zu steuern , um die Anforderungen zu erfüllen Bedürfnisse der Mission. Das Lageregelungssystem besteht aus mehreren Sensoren (zur Bestimmung seiner Position), Aktuatoren (zur Änderung der Ausrichtung) und Software (zur Steuerung der Baugruppe). Es werden verschiedene Technologien verwendet. Auf einem künstlichen Satelliten ist die Lageregelung Teil der Plattform .
Das Lageregelungssystem bedeutet alle Geräte und Algorithmen, die unabhängig voneinander in einem Raumfahrzeug implementiert sind : künstlicher Satellit , Raumfahrzeug , Raumstation oder bemanntes Fahrzeug, damit es seine Fluglage, dh seine Ausrichtung im Raum um seinen Schwerpunkt , genau steuern kann .
Die Fluglagenkontrolle unterscheidet sich von der Bahnkontrolle, bei der die Position (und ihre Ableitungen) des Schwerpunkts des Raumfahrzeugs im Weltraum kontrolliert werden. Lage- und Umlaufbahnkontrollen sind jedoch häufig eng miteinander verbunden, und ein künstlicher Satellit ist normalerweise mit einem „ Lage- und Umlaufbahnkontrollsystem “ (SCAO) ausgestattet.
Die Kontrolle der Einstellungen ist durch die Vielfalt und Komplexität der von ihr implementierten Ingenieurdisziplinen zu einer eigenständigen Disziplin geworden, die von einigen Spezialisten praktiziert wird, die mit wichtigen Akteuren im Raumfahrtsektor oder in der Wissenschaft zusammenarbeiten. Dieses Gebiet umfasst Mechanik, Physik, Automatik und Mathematik (hauptsächlich Algebra).
Die Einstellungskontrolle erfüllt zwei wesentliche Funktionen:
Das Lageregelungssystem ( ACS ) gewährleistet das Zielen:
Zusätzlich zur Steuerung der Ausrichtung muss der SCA entfernbare Elemente (Sonnenkollektoren, Instrumentenplattform usw.) ausrichten.
Es gibt zwei Kategorien der Lagesteuerung: aktive Steuerung und passive Steuerung. Passive Steuerung hat den Vorteil, robust, kostengünstig, einfach und stromlos zu sein. Dies hat jedoch eine begrenzte Richtgenauigkeit und ermöglicht nicht das Erreichen aller Körperhaltungen. Aktives Zeigen wird daher in den meisten großen Satelliten verwendet.
In Bezug auf die passive Steuerung gibt es zwei Arten der passiven Steuerung: die Schwerkraftgradientenstabilisierung und die magnetische Stabilisierung. Der Schwerkraftgradient nutzt die Asymmetrie des Satelliten und des Schwerkraftfelds, während die magnetische Stabilisierung einen Magneten verwendet, um den Satelliten auf das Erdmagnetfeld auszurichten.
In Bezug auf die aktive Steuerung gibt es zwei Hauptsteuerungsmethoden:
Es gibt auch Dual-Spin-Fahrzeuge, die die letzten beiden Konzepte mischen. Sie bestehen aus einem in der Fluglage stabilisierten Körper und einem anderen gedrehten (wie die Galileo -Raumsonde ).
Um den Satelliten um eine Achse zu drehen, wird das Aktions-Reaktions-Prinzip in zwei möglichen Formen verwendet.
Genannt sei auch hergestellt werden magneto-Kopplern , die die Verwendung Erdmagnetfeld ein äußeres Drehmoment auf die Satelliten zu übernehmen und damit den globalen Drehimpuls des Satelliten ändern.
Ein Lageregelungs- und Umlaufbahnkontrollsystem (SCAO) ist in drei Hauptunterbaugruppen unterteilt:
Die Position eines Raumfahrzeugs (Umlaufbahnwiederherstellung) wird im Allgemeinen aus Messungen von Bodenstationen bestimmt . Die meisten Sensoren in SCAOs werden daher zur Messung der Fluglage verwendet.
Optische SensorenEin einzelner Punkt auf der Himmelskugel (Stern, Sonne) reicht nicht aus, um die Fluglage eines Raumfahrzeugs zu definieren. In der Tat wird ein Punkt auf der Himmelskugel durch seinen rechten Aufstieg und seine Deklination definiert, während drei unabhängige Winkel (Präzession, Nutation, richtige Drehung) erforderlich sind, um die Haltung eines Raumfahrzeugs eindeutig zu definieren.
SternfängerDies ist eine Kamera (normalerweise ein Bildsensor- CCD , aber in Zukunft das System Advanced Photo System (en) ) (APS), das Bilder von einem Bereich des Himmels aufnimmt. Durch Analyse des abgebildeten Sternfeldes und Verwendung eines integrierten Sternenkatalogs kann die Position eines Raumfahrzeugs bestimmt werden. Es kann auch einfacher verwendet werden, um die Bewegung von Sternen im Feld zu verfolgen, um die Änderung der Fluglage zu bestimmen: Diese Betriebsart wird im Allgemeinen verwendet, um die Drehung des Raumfahrzeugs relativ zu einem Trägheitsreferenzrahmen zu stoppen (tatsächlich verbunden mit Sterne) ; Diese Sensoren ermöglichen es, die beste Präzision bei Lagemessungen zu erzielen. Bei Weltraumteleskopen wird das Instrument häufig als Sternentracker verwendet. In der Tat ist die Auflösung einer Kamera aufgrund der Beugung (es gibt keine atmosphärischen Turbulenzen im Raum) im Wesentlichen mit dem Durchmesser des optischen Geräts verbunden, das das Licht sammelt (Spiegel oder Primärlinse), die Verwendung des Hauptinstruments als Der Positionssensor ermöglicht es, eine Genauigkeit unter der Sekunde des Bogens zu erreichen , die häufig für Beobachtungen erforderlich ist.
ErdungssensorEin Infrarotsensor mit einem Strahlabtastmechanismus (oder an einem rotierenden Raumfahrzeug montiert), der empfindlich auf Infrarotemission von der Erdscheibe reagiert; es kann den Horizont der Erde mit einer Genauigkeit von wenigen Bogenminuten erfassen .
Solar CaptorDie Sonne mit ihrem Durchmesser von einem halben Grad von der Erde ist eine einfache Haltungsreferenz; Einige Sonnenkollektoren bestimmen den Sonnenstand mit einer Auflösung, die besser als die Bogenminute ist, andere zeigen lediglich ihre Anwesenheit in einem Sichtfeld an.
Trägheitssensoren GyrometerEs gibt verschiedene Gyrometertechnologien : ein- oder zweiachsiges mechanisches Gyrometer, Lasergyrometer, faseroptisches (Laser-) Gyrometer, Resonanzgyrometer. Alle diese Instrumente ermöglichen es, jederzeit die Änderung der Fluglage zu bestimmen (die Komponenten des Rotationsgeschwindigkeitsvektors in einem Trägheitsreferenzrahmen entlang der Achse (n) des Gyrometers); Die Messung muss integriert werden, um die Fluglage des Raumfahrzeugs zu ermitteln. Die Unsicherheit über die Lage am Ausgang eines Gyrometers verschlechtert sich also mit der Zeit.
BeschleunigungsmesserEin Beschleunigungsmesser wird verwendet, um die Beschleunigung des Raumfahrzeugs aufgrund von Kontaktaktionen (dh ohne Gravitationseffekte) zu bestimmen. Durch einmaliges Integrieren können wir die Geschwindigkeit ermitteln, indem wir die Position zweimal integrieren.
Andere Sensoren InduktionsmagnetometerDie Induktionsmagnetometer (oder Flußmesser ) ist ein Instrument, das die Variation über die Zeit misst, der Fluß des Magnetfeldes durch eine feste Oberfläche relativ zu dem Raumfahrzeug. Es wird hauptsächlich bei rotierenden Raumfahrzeugen im erdnahen Orbit eingesetzt .
Fluxgate MagnetometerDas Fluxgate- Magnetometer ist ein Instrument, das die Projektion des Magnetfelds in der Nähe des Raumfahrzeugs auf eine Achse misst. Wenn wir die Karte des Erdmagnetfelds und drei Magnetometer verwenden (theoretisch reichen zwei aus, wenn wir den Modul des Erdmagnetfelds zum Zeitpunkt und zum betrachteten Zeitpunkt genau kennen), können wir die Position in der Umlaufbahn kennen ( unvollständige) Angaben zur Fluglage des Raumfahrzeugs. Diese Geräte sind empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen , die von Raumfahrzeugausstattung (insbesondere magnetischen Drehmomentaktuatoren den Vorrichtungen zu stören (zum Beispiel indem man sich am Ende einer Stange befestigt ist, um den Körper des Raumfahrzeuges platzieren). Magnetometer in SCAOs können auch verwendet werden, um das Erdmagnetfeld genau zu bestimmen, um den Antrieb von magnetischen Drehmomentaktuatoren ( Magnetokopplern ) zu berechnen . Da die Stärke des Magnetfelds mit der Höhe schnell abnimmt, ist die Verwendung von Magnetometern zur Bestimmung der Fluglage Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn vorbehalten.
GPS-EmpfängerSatelliten in einer erdnahen Umlaufbahn können Informationen von Satellitenpositionierungssystemen ( GPS , GLONASS , EGNOS usw.) verwenden, um ihre Position zu bestimmen.
FunkinterferometerDie interferometrische Messung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen mehrerer Empfänger (Antennen am Raumfahrzeug), die eine Funkwelle hören (die beispielsweise von einem GPS-Satelliten ausgesendet wird), ermöglicht es, Informationen über die Fluglage des Raumfahrzeugs zu erhalten. wenn die Einfallsrichtung in einem Referenzrahmen bekannt ist.