Yönelim belirleme ve kontrolü (ADCS)

Tanım

Bir yönelim belirleme ve kontrol sistemi (ADCS), bir uydunun gövde eksenlerinin nereye baktığını ölçer ve onları görevin istediği hedefe sürer. Belirleme tarafı algılayıcı okumalarını bir yönelim kestirimine dönüştürür; kontrol tarafı ise kestirim ile hedef arasındaki farkı kapatacak torku hesaplar ve eyleyicilere komut eder[1]. Bir kamerayı ya da anteni yönlendirmek, panelleri Güneş’e çevirmek ve bir iticiyi doğru eksen boyunca ateşlemek bu döngüye bağlıdır.

Görev sınıfları

Yönlendirme gereksinimi birkaç mertebeye yayılır:

• Pasif ya da yalnızca dönü sönümleme. Amatör telsiz ve eğitim görevlerinin çoğunun yalnızca dönüyü yavaşlatması gerekir. Kalıcı mıknatıs ve histerezis sönümleyicileriyle pasif manyetik kararlılık bu sınıftadır.
• Kaba yönlendirme (birkaç derece). Manyetometre, kosinüs Güneş algılayıcıları ve manyetik tork çubukları panelleri Güneş’e ya da bir anteni nadire yöneltir.
• Hassas yönlendirme (bir derecenin altı). Tepki tekerleri, hassas Güneş algılayıcıları ve yıldız izleyiciler Yer gözlemi, optik haberleşme ve gökbilime hizmet eder.

NASA raporundaki bütünleşik ADCS birimleri 0,002° ile 5° arasında yönlendirme beyan eder; bu sınıftan bir birim 6U’luk MarCO ve ASTERIA görevlerinde uçtu[2].

Kontrol döngüsü

flowchart TB
  S["Algılayıcılar"] --> K["Yönelim kestirimi"]
  K --> C["Kontrol yasası"]
  C --> A["Eyleyiciler"]
  A --> D["Uydu dinamiği"]
  B["Bozucu torklar"] --> D
  D -->|"ölçüm"| S

Ayrılmadan sonra bir uydu genellikle saniyede birkaç ile birkaç on derece arasında döner. İlk iş bu dönüyü yok etmektir (dönü sönümleme, detumbling). Manyetik B-dot yasası, bir yönelim kestirimi olmadan, yalnızca bir manyetometre ve manyetik tork çubuklarıyla hızı düşürür[3].

PocketQube’lerde uçmuş yaklaşımlar

PocketQube’lerin boyut, ağırlık ve güç sınırlarının en sert ısırdığı yer ADCS’tir; hazır parçaların ve yayımlanmış tasarım verilerinin en kıt olduğu yer de burasıdır[4]:

Algılayıcılar

Güneş algılayıcısı, jiroskop, yıldız izleyici ve GPS satırları raporun özet tablosundaki üretici değerleridir; rapor ayrıca düşük maliyetli yıldız izleyicilerin yalnızca yaklaşık 0,3°/s’ye kadar hızlarda çözüm verdiğini belirtir[2].

Eyleyiciler

Manyetik tork çubukları yalnızca yerel alana dik torklar üretebilir[2]. Tepki tekerleri hassas üç eksenli kontrol sağlar; ama bozucu torkların biriktirdiği momentum manyetik tork çubukları ya da iticilerle düzenli olarak boşaltılmalıdır. PocketQube ölçeğinde, kararlı durumda 25 mW tüketen 7 g’lık bir tepki tekeri TU Delft’te geliştirildi[5].

Yönelim belirleme

Manyetik alan ve Güneş doğrultusu gibi iki vektör ölçümünden yönelim, TRIAD gibi belirlenimci yöntemlerle ya da Wahba probleminin en iyi çözümleri olan q-yöntemi ve QUEST ile bulunur. Çarpımsal genişletilmiş Kalman süzgeci (MEKF), gürültülü ve kesintili vektör ölçümlerini jiroskop verileriyle birleştirmenin standart yoludur[1].

B-dot ile dönü sönümleme

B-dot yasası, gövde çerçevesinde ölçülen alanın değişim hızına ters yönde bir manyetik dipol komut eder:

Bir 1U CubeSat ile bir 1P PocketQube’ün 500 km’de yaklaşık 9,6°/s’lik aynı başlangıç hızından nadir lab. benzetimi şunu verir:

Türetim, kazanç seçimi ve tam zaman geçmişleri B-dot makalesinde. Uçuş tasarımları benzer mertebeler bildirir. Bouwmeester ve arkadaşları, PocketQube dönü sönümlemesinin 180°/s’ye varan başlangıç hızları ve 5°/s’nin altında bir hedef için boyutlandırılmasını önerir; Delfi-PQ için benimsenen gereksinim budur[5]. Kartlarının iç katmanlarına basılmış manyetik tork çubuklarıyla POQUITO, 20°/s’den bir yörünge içinde sönümlendi[6].

Eylemsizlik torktan hızlı küçülür

Homojen bir küpün asal eylemsizlik momenti $I=M{L}^2/6$, geometrik benzerlik altında boyutun beşinci kuvvetiyle ölçeklenir. Bu yüzden bir PocketQube’ün eylemsizliği bir 1U CubeSat’inkinin yalnızca %3–5’idir[7]. Bozucu torklar bu kadar hızlı küçülmez: aerodinamik tork boyutun küpüyle ölçeklenir, dolayısıyla bir PocketQube’de ürettiği açısal ivme yaklaşık dört kat büyüktür; artık bir manyetik dipolün torku ise boyuta hiç bağlı değildir.

Manyetik temizlik

50 mm’lik bir küpte her manyetik parça algılayıcılara ve sönümleyicilere yakındır: nikel alt kaplamalar, Kovar bacaklar, çelik bağlantı elemanları, batarya kılıfları ve akım döngüleri artık dipole eklenir. PocketQube Standardı’nda bir manyetik temizlik gereksinimi yoktur; bu yüzden her manyetik yönelim tasarımı için manyetik olmayan bağlantı elemanları ve ölçülmüş bir artık dipol önerilir[7]. Kalıcı mıknatıslar dağıtıcıdaki diğer yolcuları da etkileyebilir; CubeSat Tasarım Şartnamesi, durağan zarfın dışındaki bir mıknatıs alanını Dünya’nın alanının 0,5 gauss üzeriyle sınırlar[8].

Algılayıcı ve eyleyici etkileşimi

Çalışan etkin manyetik tork çubukları manyetometre okumasını bozar. Olağan çare, ölçüm ile eylemeyi zamanda ayırmaktır: bobinleri kapatın, alanı ölçün, sonra yeni dipolü uygulayın. Kalıcı bir mıknatısla sorun kalıcıdır; PMAC maddesi bunu gösterir.

Doğrulama

Yönelim yazılımı uçuştan önce benzetimde, ardından donanımla (Helmholtz bobinleri, hava yatakları, Güneş benzeticileri) doğrulanmalıdır. Her algılayıcı ve eyleyici ekseninin doğru işarette olduğunu kanıtlayan basit bir kutupluluk testi, yavaşlamak yerine hızlanarak dönen bir uydunun en yaygın nedenini önler.