Control de actitud de la nave espacial

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.

Para controlar la actitud del vehículo se necesitan sensores para medir la orientación del vehículo, actuadores para aplicar los pares necesarios para orientar el vehículo a una actitud deseada y algoritmos para controlar los actuadores en función de (1) las mediciones de los sensores de la actitud actual y (2) la especificación de una actitud deseada. El campo integrado que estudia la combinación de sensores, actuadores y algoritmos se denomina guía, navegación y control .

La actitud de una nave espacial debe ser estabilizada y controlada por diversas razones. A menudo es necesaria para que la antena de alta ganancia de la nave espacial pueda apuntar con precisión a la Tierra para las comunicaciones, para que los experimentos a bordo puedan lograr una orientación precisa para la recopilación precisa y la posterior interpretación de los datos, para que los efectos de calentamiento y enfriamiento de la luz solar y la sombra puedan usarse de manera inteligente para el control térmico y también para la orientación: las maniobras de propulsión cortas deben ejecutarse en la dirección correcta.

El control de actitud de la nave espacial se mantiene utilizando uno de dos enfoques principales:

• Estabilización de giro La estabilización de giro se logra haciendo girar la nave espacial, utilizando la acción giroscópica de la masa de la nave espacial rotatoria como mecanismo estabilizador. Los propulsores del sistema de propulsión se activan solo ocasionalmente para realizar los cambios deseados en la velocidad de giro o en la actitud de estabilización de giro. Si se desea, el giro se puede detener mediante el uso de propulsores o mediante el efectoyo-yo de despintado. Las sondas Pioneer 10 y Pioneer 11 en el Sistema Solar exterior son ejemplos de naves espaciales estabilizadas por giro.^[1]
• La estabilización de tres ejes es un método alternativo de control de actitud de naves espaciales en el que éstas se mantienen fijas en la orientación deseada sin ninguna rotación.
  • Un método consiste en utilizar pequeños propulsores para mover la nave espacial de un lado a otro dentro de una banda muerta de error de actitud permitido. Los propulsores también pueden denominarse sistemas de control de expulsión de masa (MEC) ^[2] o sistemas de control de reacción (RCS). Las sondas espaciales Voyager 1 y Voyager 2 emplean este método y, a julio de 2015, han consumido aproximadamente tres cuartas partes ^{[3] de sus 100 kg de combustible.}
  • Otro método para lograr la estabilización de tres ejes es utilizar ruedas de reacción accionadas eléctricamente , también llamadas ruedas de impulso, que están montadas en tres ejes ortogonales a bordo de la nave espacial. Proporcionan un medio para intercambiar el momento angular de ida y vuelta entre la nave espacial y las ruedas. Para girar el vehículo sobre un eje determinado, la rueda de reacción en ese eje se acelera en la dirección opuesta. Para girar el vehículo hacia atrás, la rueda se desacelera. El exceso de impulso que se acumula en el sistema debido a pares externos de, por ejemplo, la presión de fotones solares o gradientes de gravedad , debe eliminarse ocasionalmente del sistema aplicando un par controlado a la nave espacial para permitir que las ruedas regresen a una velocidad deseada bajo control informático. Esto se hace durante maniobras llamadas desaturación de impulso o maniobras de descarga de impulso. La mayoría de las naves espaciales utilizan un sistema de propulsores para aplicar el par para las maniobras de desaturación. El telescopio espacial Hubble utilizó un enfoque diferente , que tenía una óptica sensible que podía contaminarse con el escape del propulsor, y en su lugar utilizó torqueadores magnéticos para las maniobras de desaturación.

Tanto la estabilización por giro como la estabilización en tres ejes tienen ventajas y desventajas. Las naves estabilizadas por giro proporcionan un movimiento de barrido continuo que es deseable para los instrumentos de campo y partículas, así como para algunos instrumentos de escaneo óptico, pero pueden requerir sistemas complicados para hacer girar las antenas o los 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 hacer girarlos, pero pueden tener que realizar maniobras de rotación especiales para aprovechar al máximo sus instrumentos de campo y partículas. Si se utilizan propulsores para la estabilización rutinaria, las observaciones ópticas, como la obtención de 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 que hacer observaciones, pero agregan masa a la nave espacial, tienen una vida útil mecánica limitada y requieren maniobras frecuentes de desaturación de momento, que pueden perturbar las soluciones de navegación debido a las aceleraciones impartidas por el uso de propulsores. ^{[ cita requerida ]}

Muchas naves espaciales tienen componentes que requieren articulación. La Voyager y la Galileo , por ejemplo, fueron diseñadas con plataformas de escaneo para apuntar instrumentos ópticos a sus objetivos de manera prácticamente independiente de la orientación de la nave espacial. 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 la Cassini eran orientables. Saber hacia dónde apuntar un panel solar, una plataforma de escaneo o una tobera —es decir, cómo articularlas— requiere conocimiento de la actitud de la nave espacial. Debido a que un solo 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, le corresponde al mismo subsistema —el Subsistema de Control de Actitud y Articulación (AACS)— gestionar tanto la actitud como la articulación. El nombre AACS puede incluso trasladarse a una nave espacial incluso si no tiene 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 en robótica y visión artificial, es habitual combinar la posición y la actitud en una única 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 para sistemas altamente maniobrables debido a un fenómeno conocido como bloqueo del cardán . Una matriz de rotación, por otro lado, proporciona una descripción completa de la actitud a expensas de requerir nueve valores en lugar de tres. El uso de una matriz de rotación puede generar un mayor gasto computacional y puede ser más difícil trabajar con ellos. Los cuaterniones ofrecen un compromiso decente en el sentido de que no sufren bloqueo del cardán y solo 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 con una sola medición, por lo que se debe calcular (o estimar ) a partir de un conjunto de mediciones (a menudo utilizando diferentes sensores). Esto se puede hacer de forma estática (calculando la actitud utilizando solo las mediciones disponibles actualmente) o mediante el uso de un filtro estadístico (más comúnmente, el filtro Kalman ) que combina estadísticamente estimaciones de actitud anteriores con mediciones de sensores actuales para obtener una estimación óptima de la actitud actual.

En el caso de algunos sensores y aplicaciones (como las naves espaciales que utilizan magnetómetros), también es necesario conocer la ubicación precisa. Si bien se puede emplear la estimación de la postura ^{[ aclaración necesaria ] , en el caso de las naves espaciales suele ser suficiente estimar la posición (mediante} la determinación de la órbita ) por separado de la estimación de la actitud. ^{[ cita requerida ]} En el caso de los vehículos terrestres y las 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 en el caso de los vehículos espaciales profundos o los vehículos terrestres que operan en entornos en los que no existe el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) (véase Navegación ).

Los métodos de estimación de actitud estática son soluciones al problema de Wahba . Se han propuesto muchas soluciones, en particular el método q de Davenport, QUEST, TRIAD y la descomposición en 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 se podría utilizar el filtro de Kalman sin aroma , y ​​puede proporcionar beneficios en casos en los que la estimación inicial es deficiente). ^[6] Se han propuesto múltiples métodos, sin embargo, el filtro de Kalman extendido multiplicativo (MEKF) es, con mucho, el enfoque más común. ^{[ cita requerida ]} Este enfoque utiliza la formulación multiplicativa del cuaternión de error, que permite manejar mejor la restricción de unidad en el cuaternión. También es común utilizar una técnica conocida como reemplazo de modelo dinámico, donde la velocidad angular no se estima directamente, sino que la velocidad angular medida del giroscopio se utiliza directamente para propagar la dinámica rotacional 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 uno tiene de los pares de perturbación que actúan sobre el sistema (lo cual es necesario para una estimación precisa de la velocidad angular).

Los algoritmos de control son programas informáticos que reciben datos de los sensores del vehículo y derivan los comandos apropiados a los actuadores para rotar el vehículo a la actitud deseada. Los algoritmos varían desde los más simples, por ejemplo, el control proporcional , hasta los estimadores no lineales complejos o muchos tipos intermedios, según los requisitos de la misión. Por lo general, los algoritmos de control de actitud son parte del software que se ejecuta en el hardware de la computadora, que recibe comandos desde tierra y formatea la telemetría de datos del vehículo para su transmisión a una estación terrestre.

Los algoritmos de control de actitud se escriben e implementan en función de los requisitos de una maniobra de actitud particular. Además de la implementación del control de actitud pasivo, como la estabilización por gradiente de gravedad , la mayoría de las naves espaciales utilizan un control activo que presenta 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 ( controlador PID ) simple satisface la mayoría de las necesidades de control.

Los comandos apropiados para los actuadores se obtienen en función de las 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 de dirección o cuaterniones de error . El controlador PID, que es el más común, reacciona a una señal de error (desviación) en función de la actitud de la siguiente manera

${\displaystyle T_{c}(t)=K_{\text{p}}e(t)+K_{\text{i}}\int _{0}^{t}e(\tau )\,d\tau +K_{\text{d}}{\dot {e}}(t),}$

donde es el par de control, es la señal de desviación de actitud y son los parámetros del controlador PID.$Estilo de visualización T_{c}$${\estilo de visualización e}$${\displaystyle K_{\text{p}},K_{\text{i}},K_{\text{d}}}$

Una implementación sencilla de esto puede ser la aplicación del control proporcional para apuntar al nadir haciendo uso de ruedas de reacción o de momento como actuadores. Con base en el cambio de momento de las ruedas, la ley de control puede definirse en 3 ejes x, y, z como

${\displaystyle T_{c}x=-K_{\text{q1}}q_{1}+K_{\text{w1}}{w_{x}},}$

${\displaystyle T_{c}y=-K_{\text{q2}}q_{2}+K_{\text{w2}}{w_{y}},}$

${\displaystyle T_{c}z=-K_{\text{q3}}q_{3}+K_{\text{w3}}{w_{z}},}$

Este algoritmo de control también afecta la descarga de momento.

Otro algoritmo de control importante y común implica el concepto de desbalanceo, que consiste en atenuar el momento angular de la nave espacial. La necesidad de desbalancear la nave espacial surge del estado incontrolable después de la liberación del vehículo de lanzamiento. La mayoría de las naves espaciales en órbita terrestre baja (LEO) utilizan el concepto de desbalanceo magnético 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 del magnetómetro fijo en el cuerpo .

${\displaystyle m=-K{\punto {B}}}$

donde es el momento dipolar magnético ordenado del torquer magnético y es la ganancia proporcional y es la tasa de cambio del campo magnético de la Tierra.${\estilo de visualización m}$${\estilo de visualización K}$${\displaystyle {\punto {B}}}$

Muchos sensores generan salidas que reflejan la tasa de cambio de actitud. Estos requieren una actitud inicial conocida o información externa para utilizarlos 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 el espacio tridimensional sin depender de la observación de objetos externos. Clásicamente, un giroscopio consiste en una masa giratoria, pero también hay " giros láser de anillo " que utilizan luz coherente reflejada alrededor de un camino cerrado. Otro tipo de "giro" es un giroscopio resonador hemisférico , en el que una copa de cristal con forma de copa de vino puede oscilar de la misma manera que una copa de vino "canta" cuando se frota un dedo alrededor de su borde. La orientación de la oscilación es fija en el espacio inercial, por lo que la medición de la orientación de la oscilación en relación con 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 un tipo 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 el movimiento de elevación . Tienen aplicaciones fuera del campo aeronáutico, como: ^[8]

• Compensación y estabilización del movimiento de la antena
• Posicionamiento dinámico
• Compensación de elevación de grúas offshore
• Sistemas de control de movimiento y amortiguación de embarcaciones de alta velocidad
• Posicionamiento hidroacústico
• Compensación de movimiento de ecosondas monohaz y multihaz
• Mediciones de las olas del océano
• Monitoreo del movimiento de estructuras en alta mar
• Medidas de orientación y actitud en vehículos submarinos autónomos y vehículos submarinos operados a distancia
• Monitoreo del movimiento de barcos

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 del "borde" de la atmósfera terrestre, es decir, en el horizonte. A menudo se utiliza la detección infrarroja térmica , que detecta la calidez comparativa de la atmósfera, en comparación con el fondo cósmico mucho más frío . Este sensor proporciona orientación con respecto a la Tierra sobre dos ejes ortogonales. Tiende a ser menos preciso que los sensores basados ​​en la observación estelar. A veces se lo denomina sensor terrestre. ^[9]

De manera similar a la forma en que un girocompás terrestre utiliza un péndulo para detectar la gravedad local y forzar a su giroscopio a alinearse con el vector de giro de la Tierra y, por lo tanto, apuntar hacia el norte, un girocompás orbital utiliza un sensor de horizonte para detectar la dirección hacia el centro de la Tierra y un giroscopio para detectar la rotación sobre 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 la guiñada. ^[10] Véase Ángulos de Tait-Bryan .

Un sensor solar es un dispositivo que detecta la dirección del Sol . Puede ser tan simple como algunas células solares y cortinas, o tan complejo como un telescopio orientable , según los requisitos de la misión.

Un sensor terrestre es un dispositivo que detecta la dirección de la Tierra . Suele ser una cámara infrarroja ; 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 posición de una o más estrellas 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 la dirección del campo magnético detectados se comparan 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 la actitud. ^[12]

El control de actitud se puede obtener mediante varios mecanismos, entre ellos:

Los propulsores Vernier son los actuadores más comunes, ya que también se pueden utilizar para mantener la posición. Los propulsores deben organizarse como un sistema para proporcionar estabilización en los tres ejes, y generalmente se utilizan al menos dos propulsores en cada eje para proporcionar par como pareja con el fin de 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 de combustible de un sistema de control de actitud está determinada por su impulso específico (proporcional a la velocidad de escape) y el impulso de par 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 debe mantener una nueva orientación. Los sistemas de propulsores 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 iónicos que aceleran los gases ionizados eléctricamente a velocidades extremas, utilizando energía de células solares.

Las ruedas de impulso son rotores accionados por motores eléctricos diseñados para girar en la dirección opuesta a la necesaria para reorientar el vehículo. Debido a que 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 de impulso generalmente están suspendidas sobre cojinetes magnéticos para evitar problemas de fricción y rotura de los cojinetes. ^[13] Las ruedas de reacción de las naves espaciales a menudo utilizan cojinetes de bolas mecánicos.

Para mantener la orientación en el espacio tridimensional, se deben utilizar un mínimo de tres ruedas de reacción ^[14] , con unidades adicionales que proporcionen protección contra fallas individuales. Consulte Ángulos de Euler .

Se trata de rotores que giran a velocidad constante y están montados sobre cardanes para proporcionar control de actitud. Aunque un CMG proporciona control sobre los dos ejes ortogonales al eje de giro del giróscopo, el control triaxial aún requiere dos unidades. Un CMG es un poco más caro en términos de costo y masa, porque se deben proporcionar cardanes y sus motores de accionamiento. El par máximo (pero no el cambio máximo de momento angular) ejercido por un CMG es mayor que el de una rueda de momento, lo que lo hace más adecuado para naves espaciales de gran tamaño. Un inconveniente importante es la complejidad adicional, que aumenta el número de puntos de falla. Por esta razón, la Estación Espacial Internacional utiliza un conjunto de cuatro CMG para proporcionar una doble tolerancia a fallas.

Se pueden utilizar pequeñas velas solares (dispositivos que producen empuje como una fuerza de reacción inducida por la reflexión 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, el 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 masas del planeta. Este sistema tiene la virtud de no necesitar un 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 gravitatoria que el extremo inferior. Esto proporciona un par de torsión restaurador siempre que el eje mayor 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 amarres para conectar dos partes de un satélite, para aumentar el par de torsión estabilizador. Un problema con tales amarres es que meteoroides tan pequeños como un grano de arena pueden separarlos.

Las bobinas o (en satélites muy pequeños) los imanes permanentes ejercen un momento contra el campo magnético local. Este método funciona únicamente cuando existe un campo magnético contra el cual reaccionar. Una "bobina" de campo clásica tiene la forma de una atadura conductora en un campo magnético planetario. Una atadura conductora de este tipo también puede generar energía eléctrica, a expensas de la desintegración orbital . Por el contrario, al inducir una contracorriente, utilizando la energía de una célula solar, se puede elevar la órbita. Debido a la enorme variabilidad del campo magnético de la Tierra con respecto a un campo radial ideal, las leyes de control basadas en pares acoplados a este campo serán altamente no lineales. Además, solo se dispone de 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 pasivo de actitud para satélites. El primero utiliza el gradiente de gravedad y conduce a cuatro estados estables con el eje largo (eje con el menor momento de inercia) 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 voltear el satélite y su anclaje de extremo a extremo.

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 apuntamiento limitada, porque la nave espacial oscilará alrededor de mínimos de energía. Este inconveniente se supera añadiendo un amortiguador, que puede ser de materiales histéricos 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 de actitud pasivo es la estabilización aerodinámica. Esto se logra utilizando un gradiente de resistencia, como se demostró en la demostración de tecnología del Satélite de Control de Actitud Pasivo Especial Get Away (GASPACS) . En la órbita baja de la Tierra, la fuerza debida a la resistencia es muchos órdenes de magnitud más dominante que la fuerza impartida debido a los gradientes de gravedad. ^[16] Cuando un satélite utiliza el control de actitud pasivo aerodinámico, las moléculas de aire de la atmósfera superior de la Tierra golpean el satélite de tal manera que el centro de presión permanece detrás del centro de masa, de manera similar a cómo las plumas de una flecha estabilizan la flecha. GASPACS utilizó un 'AeroBoom' inflable de 1 m, que se extendió detrás del satélite, creando un par estabilizador a lo largo del vector de velocidad del satélite. ^[17]

• Estabilidad estática longitudinal
• Estabilidad direccional
• Sistema de control de reacción

• Medios relacionados con el control de actitud de naves espaciales en Wikimedia Commons