طراحی زیر سیستم تعیین و کنترل وضعیت

زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت

زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت یا ADCS، پایداری وجهت دهی مطلوب ماهواره در طول مدت عمر آن در حضور تمامی اغتشاشات داخلی 

و خارجی محیطی ماهواره رابر عهده دارد.

ماموریت های مختلف شرایط ویژه ای را برای ماهواره به وجود می آوردو بالطبع آن نیاز های متنوعی برای ADCS تعیین می کند. 

انتخاب اجزای این زیرسیستم با هدف ارضا  مطالب نشانه روی محموله، آنتن ها و پنل های خورشیدی انتخاب می شوند.

فعالیت هایی که ADCS انجام می دهد

• ترزیق: مجموعه فعالیت هایی است که ADCS از لحظه جدایش ماهواره از حامل فضایی تا لحظه قرار گرفتن در مدار عملیاتی انجام می دهد.
• خودیابی: کلیه عملیات انجام شده به منظور قرار گرفتن در حالت عملیاتی در مدار است. کنترل و تعیین وضعیت اولیه ماهواره بر روی مدار صورت می پذیرد.
• نرمال: کلیه عملیاتی که برای آماده سازی تجهیزات بار محموله جهت انجام ماموریت اصلی مورد نیاز هست، می باشد.
• مانور: کلیه عملیاتی که به هنگام تغییر سمت یا راستای ماهواره در صورت لزوم انجام می شود.
• ایمنی: کلیه عملیاتی که در صورت اضطراری در ماهواره انجام می شود.
• ویژه: کلیه عملیاتی که در حالت های خاص طراحی مثل قرار گرفتن در سایه انجام میشود.

اجزای اصلی زیرسیستم کنترل وضعیت

• جسم کنترل شونده
• حسگرها وسیله اندازه گیری گشتاور، سرعت های زاویه ای، زوایا و تعیین راستا
• عملگرهای کنترلی وظیفه تولید گشتاور های کنترلی
• پردازشگر مرکزی مسئول پیاده سازی الگوریتم های کنترلی

طراحی زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت

در طراحی این زیرسیستم ابتدا باید گشتاور های اغتشاشاتی را مشخص کنیم 

و با استفاده از این گشتاور ها سخت افزار مورد نیاز را تعیین 

و با استفاده از داده های آماری، جرم و توان هر حسگر و عملگر را مشخص کنیم.

 الگوریتم طراحی زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت

شکل زیر الگوریتم طراحی این زیرسیستم را نشان می دهد.

 مشخصات ماهواره

برای تعیین ممان اینرسی حول محور های مختصات مرکز ثقل ماهواره از رابطه 1استفاده می کنیم؛ 

که در آن m جرم خشک ماهواره و  (a,b,h)به ترتیب عرض، طول و ارتفاع ماهواره است.

با توجه اطلاعات آماری و ‌رابطه 1 ماهواره ی انتخاب شده برای طراحی ممان های اینرسی محاسبه می شود

گشتاور اغتشاشی

ماهواره در طول مأموریت خود با گشتاور های مزاحم روبه رو می شود که مانع از رسیدن به وضعیت پایدار خود می شود. 

وظیفه ی ADCS آن است که گشتاور کنترلی متناسب با این گشتاور های مزاحم تولید کند. 

4 نوع گشتاور اغتشاشی وجود دارد:1)گشتاورگرادیان جاذبه2)فشار تشعشعات خورشیدی 3)گشتاور های مغناطیسی 4) گشتاور آیرودینامیکی.

گشتاور گرادیان جاذبه

برای ماهواره گشتاور گرادیان جاذبه به عنوان گشتاور پایدار ساز در نظر گرفته می شود.

 این گشتاور از پدیده ای که (تاثیر دمبل برروی جسم باریک وبلند) نامیده می شود، نشات می گیرد.

 که مقدار این گشتاور از رابطه 2‌ محاسبه می شود‌.

گشتاور فشار تشعشعات خورشیدی

گشتاور فشار تشعشعات خورشیدی به فعالیت خورشید بستگی دارد.

چهار منبع تشعشعی وجود دارد که عبارتند از:

• تشعشع مستقیم خورشید
• بازتاب تشعشعی از نیم کره روشن زمین (albedo)
• تشعشع ساطع شده یکنواخت از سرتا سر زمین
• تشعشع مستقیم مادون قرمز ساطع شده از ماهواره

 این گشتاور از رابطه 3 محاسبه می شود که F_s ثابت خورشیدی و C سرعت نور، q فاکتور انعکاس وi زاویه تمایل خورشیدی  مساحت سطح ماهواره هست‌

گشتاور مغناطیسی

گشتاور مغناطیسی در نتیجه ی تاثیر میدان های مغناطیسی ماهواره با میدان مغناطیسی زمین به وجود می آید.

 این گشتاور را نیز می توان به صورت پایدارساز یا اغتشاشی در نظر گرفت. 

در حالت پایدارساز از دو قطبی مغناطیسی در طول محور های مغناطیس بدنه استفاده می شود. 

گشتاور مغناطیسی از رابطه 4 محاسبه می شود و R  در طراحی مدار محاسبه شده است .

گشتاور آیرودینامیکی

در ارتفاعات مداری پایین هنوز جو رقیقی وجود دارد که موجب می شود 

با توجه به سرعت بالای ماهواره که برای ماندن ماهواره در مدار لازم است، 

مقدار نیرو و گشتاور آیرودینامیکی قابل توجهی بر ماهواره وارد  شود.

 این گشتاور از رابطه 6  قابل محاسبه است 

که در آن c_d ضریب درگ، r چگالی اتمسفر، v سرعت ماهواره، Cap مرکز فشار آیرودینامیکی ،  Cg مرکز ثقل ماهواره می باشد و A  مساحت سطح ماهواره هست.

حسگرها

5 حسگر به طور معمول در هر سامانه فضایی وجود دارد:1)حسگر خورشید 2)حسگر زمین 3)حسگر ستاره 4)حسگر مغناطیسی 5) ژیروسکوپ ها. 

در ادامه نمودار های جرم و توان این حسگر ها رسم شده و معادله جرم و توان برحسب دقت حسگر ها مشخص شده است

 و با استفاده از سخت افزار هایی که بعد از آن تعیین می شود، جرم و توان حسگر ماهواره مورد نظر مشخص می شود.

حسگر خورشید

حسگر خورشید جهت یک فضاپیما را نسبت به خورشید از طریق سنجش موقعیت بردار خورشید مشخص می کند. 

برای بعضی از ماهواره ها ممکن است از سلول های خورشیدی درون این حسگر ها برای شناسایی جهت نور خورشید استفاده شود.

به طور معمول دو دسته ی، دیجیتال و آنالوگ وجود دارد.. 

در شکل 3 و4 جرم و توان این حسگر برحسب دقت برای ماهواره ای ژئو رسم شده است 

که نمودار ها با روش آماری که در مقاله طراحی آماری ماهواره گفته شده بود رسم شده است.

حسگر زمین

زمین نسبت به خورشید و ستارگان یک منبع نور نقطه ای محسوب می شود 

به همین دلیل این حسگر ابزاری برای تعیین موقعیت ماهواره نسبت به زمین، توسط نور مادون قرمز ساتع شده از آن، استفاده می کنند. 

در شکل 5 وشکل 6 جرم و توان این حسگر برای ماهواره ای ژئو بر حسب دقت رسم شده است.

حسگر ستاره

حسگر ستاره مختصات ستاره را در چارچوب بدنی فضاپیما اندازه می گیرند 

و اطلاعات وضعیت را وقتی که این مختصات مشاهده شده با جهات معلوم ستاره، حاصل شده از کاتالوگ ستاره ای مقایسه می کنند

 و آن را در اختیار قرار می دهند. ممکن است هنگام مواجه شدن با زمین و خورشید دچار خطا شود. 

درشکل 7 و شکل 8 جرم و توان این حسگر برای ماهواره ای ژئو بر حسب دقت رسم شده است.

حسگر مغناطیسی

این حسگر قدرت میدان مغناطیسی دریافتی را اندازه گیری می کند. 

علت وجود عدم دقت در این حسگر، مدل های میدان مغناطیسی زمین می تواند باشد؛ 

علاوه بر این می تواند در شرایط خاصی چون طوفان خورشیدی قرار گیرد. 

این حسگر به عنوان یک کمک ناوبری فضاپیما، قدرت میدان 

و جهت دریافتی را با یک نقشه از میدان مغناطیسی که در حافظه ذخیره شده است، می سنجند 

و اگر موقعیت فضاپیما شناخته شده باشد می توان به این رویکرد استنباط کرد.

 در شکل 9 جرم این حسگر برای ماهواره ای ژئو بر حسب دقت رسم شده است.

ژیروسکوپ

ژیروسکوپ ها محور دوران ماهواره را حس کرده و تغییر جهت آن را اندازه گیری می کند. 

بر اساس مکانیزم عملکردشان به چهار گروه تقسیم می شوند:

1)ژیروسکوپ دوار 2)ژیروسکوپ نوری 3)ژیروسکوپ لیزری 4)ژیروسکوپ میکروالکترومکانیکی.

می توان با تحلیل های آماری نوع، جرم و توان آن را مشخص کردیم.

عملگرها

عملگرها اجزای هستند که با تغییر مومنتوم و وجود گشتاور خارجی، گشتاوری برای کنترل وضعیت ماهواره تولید می کنند. 

4 نوع عملگر پر استفاده در سامانه فضایی عبارتند از:

1)تراستر ها 2)چرخ های کنترلی 3)گشتاورسازهای مغناطیسی4) ژیروسکوپ های کنترل ممان. 

در ادامه این عملگرها توضیح داده می شود و جرم، توان عملگر مورد استفاده در برای ماهواره ای ژئو را استخراج می کنیم.

تراستر ها

تراسترهای کنترل جهتی، که گاهی تراسترهای کنترل واکنشی نامیده می شوند، 

برای کنترل جهتی ماهواره در مدت زمان عمر ماهواره استفاده می شود. 

این تراسترها برای خنثی کردن اثر اغتشاشات خارجی کوچک می باشد.،

 لذا برای کنترل ماهواره نیاز به تراسترهای کوچک در حد کثری از نیوتن می باشد.

مکان قرار گیری تراسترها روی ماهواره به شکل ماهواره بستگی دارد. 

بازوی گشتاور تراستر تا مرکز ثقل ماهواره باید تا جایی که امکان دارد زیاد باشد . 

همچنین گازهای خروجی تراستر نباید به بدنه ماهواره برخورد کند.

تعداد تراسترها باید قادر به چرخاندن ماهواره حول سه محور باشد .

 برای چرخاندن ماهواره ، بدون اینکه تغییر سرعتی به ماهواره اعمال شود ، 

لازم است که دو تراستر در جهت مخالف یکدیگر و در یک لحظه روشن شوند تا یک گشتاور خالص ایجاد کنند.

 (اندازه نیرو و بازوی دو تراستر مساوی است . شکل 10 وشکل 11 جرم و توان تراستر را نشان می دهد.

چرخ های کنترلی

عملگرهای اصلی کنترل جهتی ماهواره RW  می باشد .

 RW ، اساسا یک موتور الکتریکی است که یک دیسک سنگینی به محور آن چسبیده است.

 با اعمال جریان به موتور ، یک گشتاور تولید شده و باعث تغییر سرعت زاویه ای دیسک می شود.

 طبق قانون سوم نیوتن یک گشتاور واکنشی به همان اندازه و در خلاف جهت آن به ماهواره اعمال خواهد شد .

وقتی سنسورها خطایی را اندازه گیری کنند سیستم کنترل از این گشتاور استفاده می کند و ماهواره را در جهت مناسب قرار می دهد

این عملگر با تغییر سرعت به کمک موتور های الکتریکی، یک گشتاور بر خلاف گشتاور تولیدی ایجاد می کند 

و آن ها به دو دسته ی مومنتوم و عکس العملی تقسیم می  شوند. 

در چرخ های عکس العملی در هر محور حداقل 3 چرخ عکس العملی نیاز است.

 با استفاده از رابطه 7  می توان گشتاور اندازه حرکت زاویه ای را محاسبه کرد.

 نمودار 12 و نمودار 13 جرم وتوان چرخ کنترلی را نشان می دهند که پراکندگی داده در آن زیاد است.

گشتاورسازهای مغناطیسی

گشتاورساز مغناطیسی متشکل از یک سیم پیچ است که یک جریان الکتریکی را از طریق سیم پیچ منتقل کرده و گشتاور چرخشی تولید می کند. 

این شبیه به یک سلف است؛ ولی برخلاف آن، گشتاورساز مغناطیسی حداکثر گشتاور چرخشی را بر روی سیم پیچ تولید می کند. 

شکل 14 و شکل 15 جرم و توان گشتاور ساز مغناطیسی را نشان می دهد.

انتخاب سخت افزار

در این بخش با توجه به اطلاعاتی که بدست می آید باید سخت افزاری که مشابه با اطلاعات ما هست انتخاب شود 

در زیر با توجه به اغتشاشات و اطلاعات سخت افزار های زیر برای ماهواره ی ژئو نمونه با اطلاعات زیر انتخاب می کنیم.

نوع سخت افزار	اجزا	سخت افزار انتخابی
عملگر	تراستر ها   16 عدد	DST-12 Bipropellant
	چرخ های کنترلی  4 عدد	VRW-02
	گشتاورسازهای مغناطیسی 3 عدد	MT2-1
حسگر ها	حسگر خورشید( 6 عدد، دقت0.3)	ISS-A15
	حسگر زمین ( 3 عدد، دقت0.03)	STD 15
	حسگر ستاره (2 عدد، دقت 0.04)	ASTRO 15
	حسگر مغناطیسی(1 عدد، 0.225)	High-Rel
	ژیروسکوپ (2 عدد،0.6)	DSP-1760 3-axis

روشهای پایداری در کنترل وضعیت

4 نوع پایدارسازی وجود دارد:1) پایداری سه محور 2)گرادیان جاذبه 3) پایداری چرخان  4)پایدار سازی مومنتومی.

برای ماهواره نمونه با توجه به شکل 16 اکثر ماهواره های زمین آهنگ به صورت کنترل سه محور می باشد.

درخت کارکرد و محصول زیرسیستم کنترل و تعیین وضعیت

شکل 17 درخت کارکرد شکل 18 درخت محصول زیرسیستم کنترل و تعیین وضعیت را نشان می دهد.