Astriónica

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La astriónica es la ciencia y tecnología del desarrollo y la aplicación de sistemas electrónicos , subsistemas y componentes 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 deben tenerse en cuenta en el proceso de diseño es el entorno en el que deben funcionar 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 los componentes electrónicos y los sensores en la misión y el rendimiento 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 permanecer estacionaria y siempre apuntando a la Tierra, como es el caso de un satélite meteorológico o de comunicaciones. Sin embargo, también puede ser necesario fijar la nave espacial sobre un eje y luego hacerla girar. El sistema de determinación y control de actitud, ACS , garantiza que la nave espacial se comporte correctamente. A continuación, se muestran varias formas en las que el 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 requerido consistiría en tres magnetómetros ortogonales. Dada la posición de la nave espacial, las mediciones del campo magnético se pueden comparar con un campo magnético conocido que se proporciona mediante el modelo del Campo Geomagnético de Referencia Internacional . Las mediciones realizadas por magnetómetros se ven afectadas por el ruido que consiste en errores de alineación, errores de factor de escala y actividad eléctrica de la nave espacial. Para órbitas cercanas a la Tierra, el error en la dirección del campo modelado puede variar de 0,5 grados cerca del Ecuador a 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 en realidad está dominado por el campo interplanetario, que es complicado e impredecible.

Un sensor solar funciona con la luz que entra por una ranura delgada en la parte superior de una cámara rectangular que proyecta una imagen de una línea delgada en el fondo de la cámara, que está revestida con una red de celdas sensibles a la luz. Estas celdas miden la distancia de la imagen desde una línea central y, utilizando la altura de la cámara, pueden determinar el ángulo de refracción. Las celdas funcionan según el efecto fotoeléctrico . Los fotones entrantes excitan a los electrones y, por lo tanto, provocan un voltaje a través de la celda, que, a su vez, se convierte en una señal digital. Al colocar 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. Al conocer la intensidad de la luz que incide sobre 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 de horizonte terrestre contienen una serie de sensores y detectan la radiación infrarroja de la superficie de la Tierra con un campo de visión ligeramente mayor que el de la Tierra. La precisión para determinar el geocentro es de 0,1 grados en órbita cercana a la Tierra y de 0,01 grados en órbita geoestacionaria. Su uso se limita generalmente a naves espaciales con una órbita circular. ^{[1] : 262}

Los sensores que escanean el horizonte de la Tierra utilizan un espejo o prisma giratorio y enfocan un haz estrecho de luz sobre un elemento sensor, generalmente llamado bolómetro . El giro hace que el dispositivo barra 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 transcurrido se utiliza para determinar el ancho de la Tierra. A partir de esto, se puede determinar el ángulo de giro. Un factor que influye en la precisión de estos sensores es el hecho de que la Tierra no es perfectamente circular. Otro 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, ya que con una sola señal se pueden determinar muchas características. Una señal lleva la identificación del satélite, la posición, la duración de la señal propagada e información del reloj. ^[2] Con una constelación de 36 satélites GPS, de los cuales solo se necesitan cuatro, se puede determinar la navegación, el posicionamiento, el tiempo preciso, la órbita y la actitud. Una ventaja del GPS es que todas las órbitas, desde la órbita baja terrestre hasta la órbita geoestacionaria, pueden utilizar el GPS para ACS.

Otro sistema que es vital para una nave espacial es el sistema de mando y telemetría, tanto que es el primer sistema que es redundante. La comunicación desde tierra a la nave espacial es responsabilidad del sistema de mando. El sistema de telemetría maneja las comunicaciones desde la nave espacial a tierra. Las señales de las estaciones terrestres se envían para ordenar a la nave espacial qué hacer, mientras que la telemetría informa sobre el estado de esas órdenes, incluidos los datos vitales de la nave espacial y los datos específicos de la misión.

El propósito de un sistema de comandos es dar a la nave espacial un conjunto de instrucciones para realizar. Los comandos para una nave espacial se ejecutan en función de la prioridad. Algunos comandos requieren una ejecución inmediata; otros pueden especificar tiempos de demora 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} Las naves espaciales realizan una variedad de funciones en función del comando que reciben. Estas incluyen: aplicar o quitar energía a un subsistema o experimento de la nave espacial, alterar los modos operativos del subsistema y controlar varias funciones de la guía de la nave espacial y el ACS. Los comandos también controlan brazos, antenas, conjuntos de células solares y cubiertas protectoras. Un sistema de comandos también se puede utilizar 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 comandos y es amplificada y demodulada. La amplificación es necesaria porque la señal es muy débil después de viajar una gran distancia. El siguiente en el sistema de comandos es el decodificador de comandos. Este dispositivo examina la señal de subportadora y detecta el mensaje de comando que está llevando. La salida para el 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 dice a la lógica de comandos cuando un bit es válido en la línea de datos en serie. El flujo de bits de comando que se envía al procesador de comandos 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 y evitan que la orden prevista sea ejecutada por otra nave espacial. 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 sobre estas entradas de acuerdo con un programa que está almacenado en la memoria ROM o RAM y luego envía los resultados a los circuitos de interfaz. Debido a que existe una amplia variedad de tipos de comandos y mensajes, la mayoría de los sistemas de comandos se implementan utilizando 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 se envían mediante la lógica de comandos al subsistema apropiado. Un comando de nivel es exactamente como un comando de pulso lógico, excepto que se envía un nivel lógico en lugar de un pulso lógico. Los comandos de datos transfieren palabras de datos al subsistema de destino. ^{[1] : 612–615}

Las órdenes a una nave espacial serían inútiles si el control terrestre no supiera lo que está haciendo la nave espacial. La telemetría incluye información como:

• Datos sobre el estado de los recursos, la salud, la actitud y el modo de funcionamiento de la nave espacial
• Datos científicos recopilados por sensores a bordo (telescopios, espectrómetros, magnetómetros, acelerómetros, electrómetros, termómetros, etc.)
• Datos específicos sobre órbitas y tiempos de naves espaciales que pueden utilizarse para orientación y navegación por vehículos terrestres, marítimos o aéreos
• Imágenes capturadas por cámaras a bordo (visibles o infrarrojas)
• Ubicación de otros objetos, ya sea en la Tierra o en el espacio, que están siendo rastreados por la nave espacial
• Datos de telemetría que se han transmitido desde la Tierra o desde otra nave espacial en una constelación de satélites ^{[1] : 617}

El sistema de telemetría es responsable de la adquisición de los sensores, acondicionadores, selectores y convertidores, del procesamiento, incluyendo 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 del diseño del sistema de telemetría para naves espaciales. Una de ellas es el enfoque del hecho de que para cualquier satélite dado en LEO , debido a que viaja tan rápido, puede estar en contacto con una estación en particular solo durante diez a veinte minutos. Esto requeriría cientos de estaciones terrestres para permanecer en comunicación constante, lo que no es en absoluto 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 volcarlos rápidamente cuando está sobre una estación terrestre. En misiones de espacio profundo, la grabadora a menudo se usa de la 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, Satélites de Seguimiento y Retransmisión de Datos , que retransmiten comandos y telemetría de los satélites LEO. Antes de TDRS, los astronautas podían comunicarse con la Tierra solo 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 necesitan la capacidad de monitorear sus funciones internas y actuar en base a la información sin interacción con el control terrestre. La necesidad de autonomía se origina en problemas como la cobertura terrestre insuficiente, la geometría de las comunicaciones, estar demasiado cerca de la línea Tierra-Sol (donde el ruido solar interfiere con las frecuencias de radio) o simplemente por razones 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 los comandos necesarios para reconfigurar en función de las necesidades de la acción a tomar. Hay tres pasos en este proceso:

1. El sistema de telemetría debe ser capaz de reconocer cuando una de las funciones que está monitoreando se desvía 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 estado y sensores de carga útil. Los sensores de estado monitorean la nave espacial o la funcionalidad de la carga útil y pueden incluir sensores de temperatura, medidores de tensión, 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 algunas de las razones por las que existe la misión, son los sensores de estado los que miden y controlan los sistemas para garantizar un funcionamiento óptimo.

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