El control de actitud de una nave espacial es el proceso de controlar la orientación de una nave espacial (vehículo o satélite) con respecto a un marco de referencia inercial u otra entidad como la esfera celeste , ciertos campos y objetos cercanos, etc.
El control de la actitud del vehículo requiere sensores para medir la orientación del vehículo, actuadores para aplicar los pares necesarios para orientar el vehículo a una actitud deseada y algoritmos para ordenar a los actuadores basados en (1) mediciones de sensores de la actitud actual y (2) especificación de una actitud deseada. actitud. El campo integrado que estudia la combinación de sensores, actuadores y algoritmos se denomina guiado, navegación y control (GNC).
La actitud de una nave espacial normalmente debe estabilizarse y controlarse por diversas razones. A menudo es necesario para que la antena de alta ganancia de la nave espacial pueda apuntar con precisión a la Tierra para las comunicaciones, de modo que los experimentos a bordo puedan lograr un apuntamiento preciso para una recopilación precisa y posterior interpretación de datos, de modo que los efectos de calentamiento y enfriamiento de la luz solar y la sombra puedan utilizarse de forma inteligente para el control térmico, y también como guía: se deben ejecutar maniobras cortas de propulsión en la dirección correcta.
El control de actitud de la nave espacial se mantiene utilizando uno de dos enfoques principales:
Existen ventajas y desventajas tanto para la estabilización de giro como para la estabilización de tres ejes. Las naves estabilizadas por giro proporcionan un movimiento de barrido continuo que es deseable para instrumentos de campos y partículas, así como para algunos instrumentos de escaneo óptico, pero pueden requerir sistemas complicados para desgirar antenas o instrumentos ópticos que deben apuntar a objetivos para observaciones científicas o Comunicaciones con la Tierra. Las naves controladas por tres ejes pueden apuntar instrumentos ópticos y antenas sin tener que quitarles el giro, pero es posible que tengan que realizar maniobras de rotación especiales para utilizar mejor sus campos e instrumentos de partículas. Si se utilizan propulsores para la estabilización de rutina, las observaciones ópticas, como las imágenes, deben diseñarse sabiendo que la nave espacial siempre se balancea lentamente hacia adelante y hacia atrás, y no siempre de manera exactamente predecible. Las ruedas de reacción proporcionan una nave espacial mucho más estable desde la cual realizar observaciones, pero añaden masa a la nave, tienen una vida mecánica limitada y requieren frecuentes maniobras de desaturación de impulso, que pueden perturbar las soluciones de navegación debido a las aceleraciones impartidas por el uso de propulsores. . [ cita necesaria ]
Muchas naves espaciales tienen componentes que requieren articulación. La Voyager y Galileo , por ejemplo, fueron diseñadas con plataformas de escaneo para apuntar instrumentos ópticos a sus objetivos, en gran medida independientemente de la orientación de las naves espaciales. Muchas naves espaciales, como las que orbitan Marte, tienen paneles solares que deben seguir al Sol para poder proporcionar energía eléctrica a la nave espacial. Las toberas del motor principal de Cassini eran orientables. Saber hacia dónde apuntar un panel solar, una plataforma de escaneo o una boquilla (es decir, cómo articularlo) requiere conocimiento de la actitud de la nave espacial. Debido a que un único subsistema realiza un seguimiento de la actitud de la nave espacial, la ubicación del Sol y la ubicación de la Tierra, puede calcular la dirección adecuada para apuntar los apéndices. Lógicamente recae en el mismo subsistema: el Subsistema de Control de Actitud y Articulación (AACS), para gestionar tanto la actitud como la articulación. El nombre AACS puede incluso trasladarse a una nave espacial aunque no tenga apéndices que articular. [4]
La actitud es parte de la descripción de cómo se coloca un objeto en el espacio que ocupa. La actitud y la posición describen completamente cómo se coloca un objeto en el espacio. (Para algunas aplicaciones, como la robótica y la visión por computadora, es habitual combinar la posición y la actitud en una sola descripción conocida como Pose ).
La actitud se puede describir utilizando una variedad de métodos; sin embargo, los más comunes son las matrices de rotación , los cuaterniones y los ángulos de Euler . Si bien los ángulos de Euler suelen ser la representación más sencilla de visualizar, pueden causar problemas en sistemas altamente maniobrables debido a un fenómeno conocido como bloqueo de cardán . Por otra parte, una matriz de rotación proporciona una descripción completa de la actitud a costa de requerir nueve valores en lugar de tres. El uso de una matriz de rotación puede generar un mayor gasto computacional y puede resultar más difícil trabajar con ellas. Los cuaterniones ofrecen un compromiso decente ya que no sufren bloqueo del cardán y sólo requieren cuatro valores para describir completamente la actitud.
Antes de poder realizar el control de actitud, se debe determinar la actitud actual. La actitud no se puede medir directamente mediante una sola medición y, por lo tanto, debe calcularse (o estimarse ) a partir de un conjunto de mediciones (a menudo utilizando diferentes sensores). Esto se puede hacer de forma estática (calculando la actitud utilizando sólo las mediciones actualmente disponibles) o mediante el uso de un filtro estadístico (más comúnmente, el filtro de Kalman ) que combina estadísticamente estimaciones de actitud anteriores con mediciones actuales de los sensores para obtener una estimación óptima de la actitud. la actitud actual.
Para algunos sensores y aplicaciones (como las naves espaciales que utilizan magnetómetros) también se debe conocer la ubicación precisa. Si bien se puede emplear la estimación de pose [ se necesita aclaración ] , para las naves espaciales suele ser suficiente estimar la posición (mediante la determinación de la órbita ) separada de la estimación de la actitud. [ cita necesaria ] Para los vehículos terrestres y naves espaciales que operan cerca de la Tierra, la llegada de los sistemas de navegación por satélite permite obtener fácilmente un conocimiento preciso de la posición. Este problema se vuelve más complicado para los vehículos del espacio profundo o los vehículos terrestres que operan en entornos denegados por el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) (consulte Navegación ).
Los métodos de estimación de actitudes estáticas son soluciones al problema de Wahba . Se han propuesto muchas soluciones, en particular el método q de Davenport, QUEST, TRIAD y la descomposición de valores singulares . [5]
Crassidis, John L. y John L. Junkins. Chapman y Hall/CRC, 2004.
El filtrado de Kalman se puede utilizar para estimar secuencialmente la actitud, así como la velocidad angular. Debido a que la dinámica de actitud (combinación de dinámica de cuerpo rígido y cinemática de actitud) no es lineal, un filtro de Kalman lineal no es suficiente. Debido a que la dinámica de actitud no es muy no lineal, el filtro de Kalman extendido suele ser suficiente (sin embargo, Crassidis y Markely demostraron que el filtro de Kalman sin aroma podría usarse y puede proporcionar beneficios en los casos en que la estimación inicial sea deficiente). [6] Se han propuesto varios métodos; sin embargo, el filtro de Kalman extendido multiplicativo (MEKF) es, con diferencia, el enfoque más común. [ cita necesaria ] Este enfoque utiliza la formulación multiplicativa del cuaternión de error, lo que permite manejar mejor la restricción de unidad del cuaternión. También es común utilizar una técnica conocida como reemplazo de modelo dinámico, donde la tasa angular no se estima directamente, sino que la tasa angular medida desde el giroscopio se usa directamente para propagar la dinámica de rotación hacia adelante en el tiempo. Esto es válido para la mayoría de las aplicaciones, ya que los giroscopios suelen ser mucho más precisos que el conocimiento que se tiene de los pares de perturbación que actúan sobre el sistema (que se requiere para una estimación precisa de la velocidad angular).
Los algoritmos de control son programas de computadora que reciben datos de los sensores del vehículo y derivan los comandos apropiados a los actuadores para girar el vehículo a la actitud deseada. Los algoritmos varían desde muy simples, por ejemplo, control proporcional , hasta estimadores no lineales complejos o muchos tipos intermedios, dependiendo de los requisitos de la misión. Normalmente, los algoritmos de control de actitud son parte del software que se ejecuta en el hardware de la computadora, que recibe comandos desde el suelo y formatea los datos de telemetría del vehículo para transmitirlos a una estación terrestre.
Los algoritmos de control de actitud se escriben e implementan según los requisitos de una maniobra de actitud particular. Además de la implementación de control de actitud pasivo, como la estabilización del gradiente de gravedad , la mayoría de las naves espaciales utilizan un control activo que exhibe un bucle de control de actitud típico. El diseño del algoritmo de control depende del actuador que se utilizará para la maniobra de actitud específica, aunque el uso de un controlador proporcional-integral-derivativo simple ( controlador PID ) satisface la mayoría de las necesidades de control.
Los comandos apropiados para los actuadores se obtienen en base a señales de error descritas como la diferencia entre la actitud medida y la deseada. Las señales de error se miden comúnmente como ángulos de Euler (Φ, θ, Ψ); sin embargo, una alternativa a esto podría describirse en términos de matriz de coseno direccional o cuaterniones de error . El controlador PID, que es el más común, reacciona a una señal de error (desviación) según la actitud de la siguiente manera
donde es el par de control, es la señal de desviación de actitud y son los parámetros del controlador PID.
Una implementación simple de esto puede ser la aplicación del control proporcional para apuntar al nadir utilizando ruedas de impulso o de reacción como actuadores. Según el cambio en el impulso de las ruedas, la ley de control se puede definir en 3 ejes x, y, z como
Este algoritmo de control también afecta la descarga de impulso.
Otro algoritmo de control importante y común implica el concepto de desmoronamiento, que atenua el momento angular de la nave espacial. La necesidad de desmontar la nave espacial surge del estado incontrolable después de su liberación del vehículo de lanzamiento. La mayoría de las naves espaciales en órbita terrestre baja (LEO) utilizan el concepto de caída magnética que utiliza el efecto del campo magnético de la Tierra . El algoritmo de control se denomina controlador B-Dot y se basa en bobinas magnéticas o barras de torsión como actuadores de control. La ley de control se basa en la medición de la tasa de cambio de las señales de un magnetómetro fijo en el cuerpo .
donde es el momento dipolar magnético comandado del par magnético y es la ganancia proporcional y es la tasa de cambio del campo magnético de la Tierra.
Muchos sensores generan resultados que reflejan la tasa de cambio de actitud. Estos requieren una actitud inicial conocida o información externa para usarlos para determinar la actitud. Muchos de esta clase de sensores tienen algo de ruido, lo que genera imprecisiones si no se corrigen con sensores de actitud absoluta.
Los giroscopios son dispositivos que detectan la rotación en un espacio tridimensional sin depender de la observación de objetos externos. Clásicamente, un giroscopio consiste en una masa que gira, pero también existen " giroscopios láser de anillo " que utilizan luz coherente reflejada alrededor de un camino cerrado. Otro tipo de "giro" es un giroscopio con resonador hemisférico en el que una copa de cristal con forma de copa de vino puede oscilar del mismo modo que una copa de vino "canta" cuando se frota un dedo alrededor de su borde. La orientación de la oscilación está fija en el espacio inercial, por lo que medir la orientación de la oscilación con respecto a la nave espacial se puede utilizar para detectar el movimiento de la nave espacial con respecto al espacio inercial. [7]
Las unidades de referencia de movimiento son una especie de unidad de medición inercial con sensores de movimiento de uno o varios ejes. Utilizan giroscopios MEMS . Algunas MRU multieje son capaces de medir el balanceo, el cabeceo, la guiñada y la elevación . Tienen aplicaciones fuera del campo aeronáutico, tales como: [8]
Esta clase de sensores detecta la posición u orientación de campos, objetos u otros fenómenos fuera de la nave espacial.
Un sensor de horizonte es un instrumento óptico que detecta la luz procedente de la "rama" de la atmósfera terrestre, es decir, en el horizonte. A menudo se utiliza la detección térmica infrarroja , que detecta el calor comparativo de la atmósfera, en comparación con el fondo cósmico mucho más frío . Este sensor proporciona orientación con respecto a la Tierra alrededor de dos ejes ortogonales. Suele ser menos preciso que los sensores basados en la observación estelar. A veces denominado sensor de la Tierra. [9]
De manera similar a la forma en que un girocompás terrestre usa un péndulo para detectar la gravedad local y obligar a su giroscopio a alinearse con el vector de giro de la Tierra y, por lo tanto, apuntar hacia el norte, un girocompás orbital usa un sensor de horizonte para detectar la dirección hacia el centro de la Tierra, y un girocompás para detecta la rotación alrededor de un eje normal al plano de la órbita. Por lo tanto, el sensor de horizonte proporciona mediciones de cabeceo y balanceo, y el giroscopio proporciona orientación. [10] Véase Ángulos de Tait-Bryan .
Un sensor solar es un dispositivo que detecta la dirección hacia el Sol . Esto puede ser tan simple como algunas células solares y cortinas, o tan complejo como un telescopio orientable , dependiendo de los requisitos de la misión.
Un sensor terrestre es un dispositivo que detecta la dirección hacia la Tierra . Suele ser una cámara de infrarrojos ; Hoy en día el principal método para detectar la actitud es el rastreador de estrellas , pero los sensores terrestres todavía se integran en los satélites por su bajo coste y fiabilidad. [9]
Un rastreador de estrellas es un dispositivo óptico que mide la(s) posición(es) de una(s) estrella (s) utilizando fotocélulas o una cámara. [11] Utiliza la magnitud del brillo y el tipo espectral para identificar y luego calcular la posición relativa de las estrellas a su alrededor.
Un magnetómetro es un dispositivo que detecta la intensidad del campo magnético y, cuando se utiliza en una tríada de tres ejes, la dirección del campo magnético. Como ayuda a la navegación de una nave espacial, la intensidad y dirección del campo detectado se compara con un mapa del campo magnético de la Tierra almacenado en la memoria de una computadora de guía a bordo o en tierra. Si se conoce la posición de la nave espacial, se puede inferir su actitud. [12]
El control de la actitud se puede obtener mediante varios mecanismos, entre ellos:
Los propulsores Vernier son los actuadores más comunes, ya que también pueden usarse para mantener la posición. Los propulsores deben organizarse como un sistema para proporcionar estabilización alrededor de los tres ejes, y generalmente se usan al menos dos propulsores en cada eje para proporcionar par como par para evitar impartir una traslación al vehículo. Sus limitaciones son el uso de combustible, el desgaste del motor y los ciclos de las válvulas de control. La eficiencia del combustible de un sistema de control de actitud está determinada por su impulso específico (proporcional a la velocidad de escape) y el impulso de torsión más pequeño que puede proporcionar (que determina la frecuencia con la que deben dispararse los propulsores para proporcionar un control preciso). Los propulsores deben dispararse en una dirección para iniciar la rotación y nuevamente en la dirección opuesta si se quiere mantener una nueva orientación. Los sistemas de propulsión se han utilizado en la mayoría de los vehículos espaciales tripulados, incluidos Vostok , Mercury , Gemini , Apollo , Soyuz y el transbordador espacial .
Para minimizar la limitación de combustible en la duración de la misión, se pueden utilizar sistemas auxiliares de control de actitud para reducir la rotación del vehículo a niveles más bajos, como pequeños propulsores de iones que aceleran los gases ionizados eléctricamente a velocidades extremas, utilizando energía de células solares.
Las ruedas Momentum son rotores impulsados por motores eléctricos que giran en la dirección opuesta a la requerida para reorientar el vehículo. Como las ruedas de impulso constituyen una pequeña fracción de la masa de la nave espacial y están controladas por computadora, brindan un control preciso. Las ruedas Momentum generalmente están suspendidas sobre cojinetes magnéticos para evitar problemas de fricción y averías en los cojinetes. [13] Las ruedas de reacción de las naves espaciales suelen utilizar rodamientos de bolas mecánicos.
Para mantener la orientación en el espacio tridimensional se debe utilizar un mínimo de tres ruedas de reacción, [14] con unidades adicionales que proporcionen protección contra fallas individuales. Véase ángulos de Euler .
Estos son rotores que giran a velocidad constante, montados sobre cardanes para proporcionar control de actitud. Aunque un CMG proporciona control sobre los dos ejes ortogonales al eje de giro del giroscopio, el control triaxial aún requiere dos unidades. Un CMG es un poco más caro en términos de coste y masa, porque se deben proporcionar cardanes y sus motores de accionamiento. El par máximo (pero no el cambio de momento angular máximo) ejercido por un CMG es mayor que el de una rueda de impulso, lo que lo hace más adecuado para naves espaciales grandes. Un inconveniente importante es la complejidad adicional, que aumenta el número de puntos de fallo. Por este motivo, la Estación Espacial Internacional utiliza un conjunto de cuatro CMG para proporcionar una doble tolerancia a fallos.
Se pueden utilizar pequeñas velas solares (dispositivos que producen empuje como una fuerza de reacción inducida por el reflejo de la luz incidente) para realizar pequeños ajustes de velocidad y control de actitud. Esta aplicación puede ahorrar grandes cantidades de combustible en una misión de larga duración al producir momentos de control sin gasto de combustible. Por ejemplo, Mariner 10 ajustó su actitud utilizando sus células solares y antenas como pequeñas velas solares.
En órbita, una nave espacial con un eje mucho más largo que los otros dos se orientará espontáneamente de modo que su eje mayor apunte al centro de masa del planeta. Este sistema tiene la virtud de no necesitar ningún sistema de control activo ni gasto de combustible. El efecto es causado por una fuerza de marea . El extremo superior del vehículo siente menos atracción gravitacional que el extremo inferior. Esto proporciona un par de restauración siempre que el eje largo no sea colineal con la dirección de la gravedad. A menos que se proporcione algún medio de amortiguación, la nave espacial oscilará alrededor de la vertical local. A veces se utilizan correas para conectar dos partes de un satélite, para aumentar el par estabilizador. Un problema con este tipo de ataduras es que meteoritos tan pequeños como un grano de arena pueden separarlas.
Las bobinas o (en satélites muy pequeños) los imanes permanentes ejercen un momento contra el campo magnético local. Este método sólo funciona cuando hay un campo magnético contra el cual reaccionar. Una "bobina" de campo clásica tiene en realidad la forma de una atadura conductora en un campo magnético planetario. Una correa conductora de este tipo también puede generar energía eléctrica, a expensas de la desintegración orbital . Por el contrario, al inducir una contracorriente, utilizando energía de células solares, se puede elevar la órbita. Debido a la enorme variabilidad en el campo magnético de la Tierra desde un campo radial ideal, las leyes de control basadas en pares de torsión que se acoplan a este campo serán altamente no lineales. Además, sólo está disponible el control de dos ejes en un momento dado, lo que significa que puede ser necesario reorientar el vehículo para anular todas las velocidades.
Existen tres tipos principales de control de actitud pasivo para satélites. El primero utiliza un gradiente de gravedad y conduce a cuatro estados estables con el eje mayor (eje con el momento de inercia más pequeño) apuntando hacia la Tierra. Como este sistema tiene cuatro estados estables, si el satélite tiene una orientación preferida, por ejemplo, una cámara apuntando al planeta, se necesita alguna forma de girar el satélite y su correa de un extremo a otro.
El segundo sistema pasivo orienta el satélite a lo largo del campo magnético de la Tierra gracias a un imán. [15] Estos sistemas de control de actitud puramente pasivos tienen una precisión de puntería limitada, porque la nave espacial oscilará alrededor de mínimos de energía. Este inconveniente se soluciona añadiendo un amortiguador, que puede ser de materiales histeréticos o un amortiguador viscoso. El amortiguador viscoso es una pequeña lata o tanque de fluido montado en la nave espacial, posiblemente con deflectores internos para aumentar la fricción interna. La fricción dentro del amortiguador convertirá gradualmente la energía de oscilación en calor disipado dentro del amortiguador viscoso.
Una tercera forma de control pasivo de la actitud es la estabilización aerodinámica. Esto se logra utilizando un gradiente de arrastre, como se demuestra en la demostración de la tecnología Get Away Special Passive Attitude Control Satellite (GASPACS) . En la órbita terrestre baja, la fuerza debida al arrastre es muchos órdenes de magnitud más dominante que la fuerza impartida debido a los gradientes de gravedad [16] Cuando un satélite utiliza control de actitud pasivo aerodinámico, las moléculas de aire de la atmósfera superior de la Tierra golpean el satélite de tal manera de una manera que el centro de presión permanece detrás del centro de masa, similar a cómo las plumas de una flecha estabilizan la flecha. GASPACS utilizó un 'AeroBoom' inflable de 1 m, que se extendía detrás del satélite, creando un par estabilizador a lo largo del vector de velocidad del satélite. [17]
Medios relacionados con el control de actitud de naves espaciales en Wikimedia Commons
