La astriónica es la ciencia y la tecnología del desarrollo y aplicación de sistemas , subsistemas y componentes electrónicos utilizados en naves espaciales . Los sistemas electrónicos a bordo de una nave espacial son sistemas integrados e incluyen determinación y control de actitud, comunicaciones, comando y telemetría, y sistemas informáticos. Los sensores se refieren a los componentes electrónicos a bordo de una nave espacial.
Para los ingenieros, una de las consideraciones más importantes que se deben tener en el proceso de diseño es el entorno en el que deben operar y resistir los sistemas y componentes de la nave espacial. Los desafíos de diseñar sistemas y componentes para el entorno espacial incluyen más que el hecho de que el espacio es un vacío.
Una de las funciones más importantes que desempeñan la electrónica y los sensores en una misión y el desempeño de una nave espacial es determinar y controlar su actitud, o cómo se orienta en el espacio. La orientación de una nave espacial varía según la misión. Es posible que la nave espacial deba estar estacionaria y apuntar siempre a la Tierra, como es el caso de un satélite meteorológico o de comunicaciones. Sin embargo, también puede ser necesario fijar la nave espacial alrededor de un eje y luego hacerla girar. El sistema de control y determinación de actitud, ACS , garantiza que la nave espacial se comporte correctamente. A continuación se muestran varias formas en las que ACS puede obtener las mediciones necesarias para determinar esto.
Los magnetómetros miden la fuerza del campo magnético de la Tierra en una dirección. Para mediciones en los tres ejes, el dispositivo necesario constaría de tres magnetómetros ortogonales. Dada la posición de la nave espacial, las mediciones del campo magnético se pueden comparar con un campo magnético conocido proporcionado por el modelo de campo de referencia geomagnético internacional . Las mediciones realizadas con magnetómetros se ven afectadas por el ruido formado por errores de alineación, errores de factor de escala y actividad eléctrica de las naves espaciales. Para las órbitas cercanas a la Tierra, el error en la dirección del campo modelado puede variar desde 0,5 grados cerca del ecuador hasta 3 grados cerca de los polos magnéticos, donde las corrientes aurorales erráticas desempeñan un papel importante. [1] : 258 La limitación de un dispositivo de este tipo es que en órbitas alejadas de la Tierra, el campo magnético es demasiado débil y, de hecho, está dominado por el campo interplanetario, que es complicado e impredecible.
Un sensor solar funciona con la luz que entra por una delgada rendija en la parte superior de una cámara rectangular que proyecta la imagen de una delgada línea en el fondo de la cámara, que está revestida con una red de células sensibles a la luz. Estas celdas miden la distancia de la imagen desde una línea central y usando la altura de la cámara se puede determinar el ángulo de refracción. Las células funcionan basándose en el efecto fotoeléctrico . Los fotones entrantes excitan los electrones y, por lo tanto, provocan un voltaje en la celda que, a su vez, se convierte en una señal digital. Colocando dos sensores perpendiculares entre sí se puede medir la dirección completa del Sol con respecto a los ejes del sensor.
También conocidos como DSAD, estos dispositivos son sensores solares puramente digitales. Determinan los ángulos del Sol determinando cuál de las células sensibles a la luz del sensor está más iluminada. Conociendo la intensidad de la luz que incide en los píxeles vecinos, se puede calcular la dirección del centroide del Sol con una precisión de unos pocos segundos de arco. [1] : 261
Los sensores estáticos del horizonte terrestre contienen varios sensores y detectan la radiación infrarroja de la superficie terrestre con un campo de visión ligeramente mayor que el de la Tierra. La precisión para determinar el geocentro es de 0,1 grados en la órbita cercana a la Tierra y 0,01 grados en GEO. Su uso está generalmente restringido a naves espaciales con órbita circular. [1] : 262
Los sensores de escaneo del horizonte de la Tierra utilizan un espejo o prisma giratorio y enfocan un haz estrecho de luz en un elemento sensor generalmente llamado bolómetro . El giro hace que el dispositivo barre el área de un cono y la electrónica dentro del sensor detecta cuándo se recibe por primera vez la señal infrarroja de la Tierra y luego se pierde. El tiempo intermedio se utiliza para determinar el ancho de la Tierra. A partir de esto se puede determinar el ángulo de balanceo. Un factor que influye en la precisión de dichos sensores es el hecho de que la Tierra no es perfectamente circular. Otra es que el sensor no detecta tierra ni océano, sino infrarrojos en la atmósfera que pueden alcanzar ciertas intensidades debido a la estación y la latitud.
Este sensor es simple porque usando una señal se pueden determinar muchas características. Una señal transporta la identificación del satélite, la posición, la duración de la señal propagada y la información del reloj. [2] Utilizando una constelación de 36 satélites GPS, de los cuales sólo se necesitan cuatro, se puede determinar la navegación, el posicionamiento, la hora precisa, la órbita y la actitud. Una ventaja del GPS es que todas las órbitas, desde la órbita terrestre baja hasta la órbita geosincrónica, pueden utilizar GPS para ACS.
Otro sistema vital para una nave espacial es el sistema de mando y telemetría; de hecho, es el primer sistema redundante. La comunicación desde la Tierra a la nave espacial es responsabilidad del sistema de mando. El sistema de telemetría maneja las comunicaciones desde la nave espacial hasta la Tierra. Se envían señales desde las estaciones terrestres para ordenar a la nave espacial qué hacer, mientras que la telemetría informa sobre el estado de esos comandos, incluidos los signos vitales de la nave espacial y los datos específicos de la misión.
El propósito de un sistema de comando es darle a la nave espacial un conjunto de instrucciones para realizar. Los comandos para una nave espacial se ejecutan según la prioridad. Algunos comandos requieren ejecución inmediata; otros pueden especificar tiempos de retraso particulares que deben transcurrir antes de su ejecución, un tiempo absoluto en el que se debe ejecutar el comando, o un evento o combinación de eventos que deben ocurrir antes de que se ejecute el comando. [1] : 600 naves espaciales realizan una variedad de funciones según el comando que reciben. Estos incluyen: energía que se aplicará o eliminará de un subsistema o experimento de una nave espacial, alterará los modos de funcionamiento del subsistema y controlar diversas funciones de la guía de la nave espacial y del ACS. Los comandos también controlan brazos, antenas, conjuntos de células solares y cubiertas protectoras. También se puede utilizar un sistema de comando para cargar programas completos en la RAM de subsistemas integrados programables basados en microprocesadores. [1] : 601
La señal de radiofrecuencia que se transmite desde tierra es recibida por el receptor de mando y es amplificada y demodulada. La amplificación es necesaria porque la señal es muy débil después de recorrer una larga distancia. El siguiente en el sistema de comando es el decodificador de comando. Este dispositivo examina la señal subportadora y detecta el mensaje de comando que lleva. La salida del decodificador normalmente son datos sin retorno a cero . El decodificador de comandos también proporciona información de reloj a la lógica de comandos y esto le indica a la lógica de comandos cuándo un bit es válido en la línea de datos en serie. El flujo de bits de comando que se envía al procesador de comando tiene una característica única para las naves espaciales. Entre los diferentes tipos de bits enviados, los primeros son los bits de dirección de la nave espacial. Estos llevan un código de identificación específico para una nave espacial en particular e impiden que otra nave espacial realice el comando previsto. Esto es necesario porque hay muchos satélites que utilizan la misma frecuencia y tipo de modulación. [1] : 606
El microprocesador recibe entradas del decodificador de comandos, opera con estas entradas de acuerdo con un programa que está almacenado en ROM o RAM y luego envía los resultados al circuito de interfaz. Debido a que existe una variedad tan amplia de tipos de comandos y mensajes, la mayoría de los sistemas de comando se implementan mediante microprocesadores programables. El tipo de circuito de interfaz necesario se basa en el comando enviado por el procesador. Estos comandos incluyen comandos de relé, pulso, nivel y datos. Los comandos de relé activan las bobinas de los relés electromagnéticos en la unidad de conmutación de energía central. Los comandos de pulso son pulsos cortos de voltaje o corriente que la lógica de comando envía al subsistema apropiado. Un comando de nivel es exactamente igual a un comando de pulso lógico excepto que se entrega un nivel lógico en lugar de un pulso lógico. Los comandos de datos transfieren palabras de datos al subsistema de destino. [1] : 612–615
Los comandos a una nave espacial serían inútiles si el control terrestre no supiera lo que está haciendo la nave espacial. La telemetría incluye información como:
El sistema de telemetría es responsable de la adquisición de los sensores, acondicionadores, selectores y convertidores, del procesamiento, incluida la compresión, el formato y el almacenamiento, y finalmente de la transmisión, que incluye la codificación, la modulación, la transmisión y la antena.
Hay varias características únicas en el diseño de sistemas de telemetría para naves espaciales. Uno de ellos es la aproximación al hecho de que para cualquier satélite dado en LEO , debido a que viaja tan rápido, puede que sólo esté en contacto con una estación particular durante diez a veinte minutos. Esto requeriría que cientos de estaciones terrestres permanecieran en comunicación constante, lo cual no es nada práctico. Una solución a esto es el almacenamiento de datos a bordo . El almacenamiento de datos puede acumular datos lentamente a lo largo de la órbita y descargarlos rápidamente cuando se encuentra sobre una estación terrestre. En las misiones al espacio profundo, la grabadora se utiliza a menudo de manera opuesta, para capturar datos de alta velocidad y reproducirlos lentamente a través de enlaces de velocidad de datos limitada. [1] : 567 Otra solución son los satélites de retransmisión de datos. La NASA tiene satélites en GEO llamados TDRS, Tracking and Data Relay Satellites , que transmiten comandos y telemetría desde los satélites LEO. Antes de TDRS, los astronautas podían comunicarse con la Tierra sólo durante aproximadamente el 15% de la órbita, utilizando 14 estaciones terrestres de la NASA en todo el mundo. Con TDRS, la cobertura de satélites de baja altitud es global, desde una única estación terrestre en White Sands, Nuevo México . [1] : 569
Otra característica única de los sistemas de telemetría es la autonomía. Las naves espaciales requieren la capacidad de monitorear sus funciones internas y actuar sobre la información sin interacción con el control terrestre. La necesidad de autonomía surge de problemas como una cobertura terrestre insuficiente, una geometría de comunicación, una proximidad excesiva a la línea Tierra-Sol (donde el ruido solar interfiere con las radiofrecuencias) o simplemente por motivos de seguridad. La autonomía es importante para que el sistema de telemetría ya tenga la capacidad de monitorear las funciones de la nave espacial y los sistemas de comando tengan la capacidad de dar las órdenes necesarias para reconfigurarse en función de las necesidades de la acción a tomar. Hay tres pasos para este proceso:
1. El sistema de telemetría debe poder reconocer cuando una de las funciones que monitorea se desvía más allá de los rangos normales.
2. El sistema de comando debe saber cómo interpretar funciones anormales para poder generar una respuesta de comando adecuada.
3. Los sistemas de mando y telemetría deberán ser capaces de comunicarse entre sí. [1] : 623
Los sensores se pueden clasificar en dos categorías: sensores de salud y sensores de carga útil. Los sensores de salud monitorean la nave espacial o la funcionalidad de la carga útil y pueden incluir sensores de temperatura, galgas extensométricas, giroscopios y acelerómetros. Los sensores de carga útil pueden incluir sistemas de imágenes de radar y cámaras de infrarrojos. Si bien los sensores de carga útil representan parte de la razón por la que existe la misión, son los sensores de salud los que miden y controlan los sistemas para garantizar un funcionamiento óptimo.