Астрионика - Astrionics
Астрионика наука и технология разработки и применения электронных систем, подсистем и компонентов, используемых в космический корабль. Электронные системы на борту космического корабля включают определение ориентации и управление, связь, управление и телеметрию, а также компьютерные системы. Датчики относятся к электронным компонентам на борту космического корабля.
Для инженеров одним из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать в процессе проектирования, является среда, в которой системы и компоненты космического корабля должны работать и выдерживать испытания. Проблемы проектирования систем и компонентов для космическая среда включать в себя не только тот факт, что космос - это вакуум.
Определение высоты и контроль
Обзор
Одна из наиболее важных ролей, которые электроника и датчики играют в миссии и характеристиках космического корабля, - это определение и управление его высотой или ориентацией в космосе. Ориентация космического корабля варьируется в зависимости от миссии. Космический аппарат может быть стационарным и всегда направленным на Землю, как в случае с метеорологическим спутником или спутником связи. Однако может возникнуть необходимость зафиксировать космический аппарат вокруг оси, а затем заставить его вращаться. Система определения и контроля ориентации, ACS, обеспечивает правильное поведение космического корабля. Ниже приведены несколько способов, которыми ACS может получить необходимые измерения для определения этого.
Магнитометр
Это устройство измеряет силу Магнитное поле Земли в одном направлении. Для измерений по всем трем осям прибор должен состоять из трех ортогональных магнитометры. Учитывая положение космического корабля, измерения магнитного поля можно сравнить с известным магнитным полем, которое задается Международное геомагнитное поле Reference модель. На измерения, выполняемые магнитометрами, влияет шум, состоящий из ошибки юстировки, ошибок масштабного коэффициента и электрической активности космического аппарата. Для околоземных орбит ошибка в моделируемом направлении поля может варьироваться от 0,5 градуса около экватора до 3 градусов около магнитных полюсов, где большую роль играют неустойчивые полярные течения.[1]:258 Ограничение такого устройства состоит в том, что на орбитах, далеких от Земли, магнитное поле слишком слабое, и на самом деле в нем доминирует межпланетное поле, которое сложно и непредсказуемо.
Датчики солнца
Это устройство работает с светом, попадающим в тонкую щель в верхней части прямоугольной камеры, которая отбрасывает изображение тонкой линии на дно камеры, выстланной сетью светочувствительных ячеек. Эти ячейки измеряют расстояние изображения от центральной линии и, используя высоту камеры, можно определить угол преломления. Ячейки работают на основе фотоэлектрический эффект. Входящие фотоны возбуждают электроны и, следовательно, вызывают напряжение на ячейке, которое, в свою очередь, преобразуется в цифровой сигнал. Поместив два датчика перпендикулярно друг другу, можно измерить полное направление солнца по отношению к осям датчиков.
Цифровые датчики солнечного аспекта
Эти устройства, также известные как DSAD, представляют собой чисто цифровые датчики Солнца. Они определяют углы падения Солнца, определяя, какая из светочувствительных ячеек в датчике наиболее сильно освещена. Зная интенсивность света, падающего на соседние пиксели, можно рассчитать направление центроида солнца с точностью до нескольких угловых секунд.[1]:261
Датчик горизонта земли
Статический
Датчики статического горизонта Земли содержат ряд датчиков и инфракрасная радиация с поверхности Земли с полем зрения немного большим, чем у Земли. Точность определения геоцентра составляет от 0,1 градуса на околоземной орбите до 0,01 градуса на ГСО. Их использование обычно ограничивается космическими аппаратами с круговой орбитой.[1]:262
Сканирование
Сканирующие датчики горизонта Земли используют вращающееся зеркало или призма и сфокусировать узкий луч света на чувствительный элемент, обычно называемый болометр. Вращение заставляет устройство охватить область конуса, и электроника внутри датчика обнаруживает, когда инфракрасный сигнал с Земли сначала принимается, а затем теряется. Промежуток между ними используется для определения ширины Земли. Исходя из этого, можно определить угол крена. Фактором, влияющим на точность таких датчиков, является то, что Земля не является идеально круглой. Во-вторых, датчик обнаруживает не сушу или океан, а инфракрасное излучение в атмосфере, которое может достигать определенной интенсивности в зависимости от сезона и широты.
GPS
Этот датчик прост в том, что с помощью одного сигнала можно определить множество характеристик. Сигнал содержит идентификацию спутника, положение, продолжительность распространяемого сигнала и информацию о часах.[2] Используя созвездие из 36 спутников GPS, из которых необходимо только четыре, можно определить навигацию, позиционирование, точное время, орбиту и ориентацию. Одно из преимуществ GPS - все орбиты от Низкая околоземная орбита к Геосинхронная орбита можно использовать GPS для ACS.
Командование и телеметрия
Обзор
Другая система, которая жизненно важна для космического корабля, - это система управления и телеметрии, причем настолько большая, что это первая система, которая должна быть избыточной. Связь с Земли с космическим кораблем является обязанностью системы управления. Система телеметрии управляет связью от космического корабля к Земле. Сигналы от наземных станций отправляются для управления космическим кораблем, а телеметрия сообщает о статусе этих команд, включая жизненно важные параметры космического корабля и данные конкретной миссии.
Командные системы
Назначение системы команд - дать космическому кораблю набор инструкций для выполнения. Команды для космического корабля выполняются в порядке приоритета. Некоторые команды требуют немедленного выполнения; other может указывать конкретное время задержки, которое должно пройти до их выполнения, абсолютное время, в которое команда должна быть выполнена, или событие или комбинация событий, которые должны произойти до того, как команда будет выполнена.[1]:600 Космические корабли выполняют ряд функций в зависимости от получаемой команды. К ним относятся: подача питания на подсистему или эксперимент космического корабля или отключение от нее, изменение режимов работы подсистемы и управление различными функциями наведения космического корабля и САУ. Команды также управляют стрелами, антеннами, солнечными батареями и защитными кожухами. Система команд также может использоваться для загрузки целых программ в ОЗУ программируемых встроенных подсистем на базе микропроцессора.[1]:601
Радиочастотный сигнал, передаваемый с земли, принимается приемником команд, усиливается и демодулируется. Усиление необходимо, потому что сигнал очень слабый после путешествия на большие расстояния. Следующим в системе команд идет декодер команд. Это устройство проверяет сигнал поднесущей и обнаруживает командное сообщение, которое оно передает. Выход для декодера обычно невозврат к нулю данные. Декодер команд также предоставляет информацию о часах для логики команды, и это сообщает логике команды, когда бит действителен в линии последовательных данных. Командный битовый поток, который отправляется в командный процессор, имеет уникальную особенность для космических аппаратов. Среди различных типов отправляемых битов первыми являются биты адреса космического корабля. Они несут определенный идентификационный код для конкретного космического корабля и предотвращают выполнение заданной команды другим космическим кораблем. Это необходимо, потому что существует много спутников, использующих одну и ту же частоту и тип модуляции.[1]:606
Микропроцессор принимает входные данные от декодера команд, обрабатывает эти входные данные в соответствии с программой, которая хранится в ПЗУ или ОЗУ, а затем выводит результаты на схему интерфейса. Поскольку существует большое разнообразие типов команд и сообщений, большинство систем команд реализовано с использованием программируемых микропроцессоров. Тип необходимой схемы интерфейса зависит от команды, отправляемой процессором. Эти команды включают команды реле, импульса, уровня и данных. Команды реле активируют катушки электромагнитных реле в центральном блоке переключения питания. Импульсные команды - это короткие импульсы напряжения или тока, которые отправляются логикой команд в соответствующую подсистему. Команда уровня точно такая же, как и команда логического импульса, за исключением того, что вместо логического импульса доставляется логический уровень. Команды данных передают слова данных в подсистему назначения.[1]:612–615
Системы телеметрии
Команды космического корабля были бы бесполезны, если бы наземное управление не знало, что делает космический корабль. Телеметрия включает такую информацию, как:
- Данные о состоянии космических кораблей, их здоровье, положение и режим работы
- Научные данные, собранные бортовыми датчиками (телескопами, спектрометрами, магнитометрами, акселерометрами, электрометрами, термометрами и т. Д.)
- Конкретные данные об орбите и времени космического корабля, которые могут использоваться для наведения и навигации наземными, морскими или воздушными транспортными средствами.
- Изображения, снятые бортовыми камерами (видимыми или инфракрасными)
- Расположение других объектов на Земле или в космосе, отслеживаемых космическим кораблем.
- Данные телеметрии, переданные с земли или с другого космического корабля в спутниковая группировка[1]:617
Система телеметрии отвечает за сбор данных от датчиков, кондиционеров, селекторов и преобразователей, за обработку, включая сжатие, форматирование и хранение, и, наконец, за передачу, которая включает в себя кодирование, модуляцию, передачу и антенну.
Существует несколько уникальных особенностей конструкции телеметрических систем космических аппаратов. Одним из них является подход к тому, что для любого данного спутника в ЛЕО поскольку он движется так быстро, он может находиться в контакте с определенной станцией только в течение десяти-двадцати минут. Это потребует постоянной связи сотен наземных станций, что совершенно непрактично. Одно из решений - на борту хранилище данных. Хранение данных может медленно накапливать данные по орбите и быстро сбрасывать их, когда они находятся над наземной станцией. В миссиях в дальний космос рекордер часто используется противоположным образом, чтобы захватывать данные с высокой скоростью и медленно воспроизводить их по каналам с ограниченной скоростью передачи данных.[1]:567 Другое решение - спутники ретрансляции данных. НАСА есть спутники в GEO называется TDRS, Спутники слежения и ретрансляции данных, которые ретранслируют команды и телеметрию со спутников LEO. До TDRS астронавты могли связываться с Землей только на 15% орбиты, используя 14 наземных станций НАСА по всему миру. Благодаря TDRS покрытие спутников на малых высотах является глобальным, с одной наземной станции в Белые пески, Нью-Мексико.[1]:569
Еще одна уникальная особенность телеметрических систем - автономность. Космическим кораблям требуется способность контролировать свои внутренние функции и действовать на основе информации без взаимодействия с наземным управлением. Потребность в автономии возникает из-за таких проблем, как недостаточное покрытие земли, геометрия связи, слишком близкое расположение к линии Земля-Солнце (где солнечный шум мешает радиочастотам) или просто из соображений безопасности. Автономность важна для того, чтобы телеметрическая система уже имела возможность контролировать функции космического корабля, а системы управления имели возможность отдавать необходимые команды для перенастройки в зависимости от того, какие действия необходимо предпринять. Этот процесс состоит из трех этапов:
1. Телеметрическая система должна быть способна распознавать, когда одна из контролируемых ею функций выходит за пределы нормального диапазона.
2. Система команд должна знать, как интерпретировать аномальные функции, чтобы она могла генерировать правильный ответ на команду.
3. Командные и телеметрические системы должны поддерживать связь друг с другом.[1]:623
Датчики
Датчики можно разделить на две категории: датчики состояния и датчики полезной нагрузки. Датчики состояния контролируют работу космического корабля или полезной нагрузки и могут включать датчики температуры, тензодатчики, гироскопы и акселерометры. Датчики полезной нагрузки могут включать в себя радиолокационные системы визуализации и ИК-камеры. Хотя датчики полезной нагрузки представляют собой одну из причин, по которой существует миссия, именно датчики состояния измеряют и контролируют системы для обеспечения оптимальной работы.
Смотрите также
- Авионика, аналогичный, для самолета
Рекомендации
внешняя ссылка
Электроника для космических аппаратов и космическая электроника