تحديد وضعية المركبة الفضائية والتحكم بها

التحكم في وضعية المركبة الفضائية هو عملية التحكم في اتجاه المركبة الفضائية (مركبة أو قمر صناعي) بالنسبة إلى إطار مرجعي قصوري أو كيان آخر مثل الكرة السماوية ، أو حقول معينة، أو أجسام قريبة، وما إلى ذلك.

يتطلب التحكم في وضعية المركبة وجود مشغلات لتطبيق عزم الدوران اللازم لتوجيه المركبة إلى الوضعية المطلوبة، وخوارزميات للتحكم في المشغلات بناءً على الوضعية الحالية وتحديد الوضعية المطلوبة.

قبل وأثناء إجراء التحكم في الوضع، يجب إجراء تحديد وضع المركبة الفضائية ، الأمر الذي يتطلب أجهزة استشعار للقياس المطلق أو النسبي.

يُطلق على المجال المتكامل الأوسع الذي يدرس الجمع بين أجهزة الاستشعار والمحركات والخوارزميات اسم التوجيه والملاحة والتحكم ، والذي يشمل أيضًا مفاهيم غير متعلقة بالوضع، مثل تحديد الموقع والملاحة .

تحتوي المركبات الفضائية عمومًا على نظام لتحديد الاتجاه والتحكم فيه (ADCS)، والذي يتضمن أجهزة استشعار ومحركات. ومع ذلك، قد تختار الأقمار الصناعية منخفضة التكلفة (مثل بعض الأقمار المكعبة) أنظمة تحكم في الاتجاه أبسط (ACS) تستخدم تقنيات سلبية، بما في ذلك تقنية اليويو لإزالة الدوران والمغناطيس الدائم للتحكم في اتجاه القمر الصناعي.

تحفيز

عادةً ما يتطلب الأمر تثبيت وضعية المركبة الفضائية والتحكم بها لأسباب متعددة. فغالباً ما يكون ذلك ضرورياً لتوجيه هوائي المركبة عالي الكسب بدقة نحو الأرض لأغراض الاتصالات، ولضمان دقة توجيه التجارب التي تُجرى على متنها لجمع البيانات وتحليلها لاحقاً، وللاستفادة من تأثيرات التسخين والتبريد الناتجة عن ضوء الشمس والظل في التحكم الحراري، وكذلك للتوجيه: إذ يجب تنفيذ مناورات الدفع القصيرة في الاتجاه الصحيح.

تحتوي العديد من المركبات الفضائية على مكونات تتطلب تحريكًا أو توجيهًا. على سبيل المثال، صُممت فوياجر وجاليليو بمنصات مسح لتوجيه الأجهزة البصرية نحو أهدافها بشكل مستقل إلى حد كبير عن اتجاه المركبة. كما تحتوي العديد من المركبات الفضائية، مثل المركبات المدارية حول المريخ، على ألواح شمسية يجب أن تتعقب الشمس لتزويد المركبة بالطاقة الكهربائية. وكانت فوهات المحرك الرئيسي لكاسيني قابلة للتوجيه. إن معرفة مكان توجيه اللوح الشمسي أو منصة المسح أو الفوهة - أي كيفية تحريكها - يتطلب معرفة وضعية المركبة الفضائية. ولأن نظامًا فرعيًا واحدًا يتتبع وضعية المركبة وموقع الشمس وموقع الأرض، فإنه يستطيع حساب الاتجاه الصحيح لتوجيه الملحقات. ومن المنطقي أن يقع على عاتق النظام الفرعي نفسه - نظام التحكم في الوضعية والتحريك (AACS) - إدارة كل من الوضعية والتحريك. وقد يُطلق اسم AACS على مركبة فضائية حتى لو لم تكن تحتوي على ملحقات قابلة للتحريك. ^{[ 1 ]}

خلفية

الوضعية جزء من وصف كيفية وضع الجسم في الحيز الذي يشغله. وتصف الوضعية والموقع بشكل كامل كيفية وضع الجسم في الفضاء. في بعض التطبيقات (مثل الروبوتات، ورؤية الحاسوب)، من المعتاد دمج الموقع والوضعية معًا في وصف واحد يُعرف باسم " الوضعية" .

يمكن وصف وضعية المركبة باستخدام طرق متنوعة، إلا أن أكثرها شيوعًا هي مصفوفات الدوران ، والرباعيات ، وزوايا أويلر . ورغم أن زوايا أويلر غالبًا ما تكون أسهل تمثيل مرئي، إلا أنها قد تُسبب مشاكل للأنظمة عالية المناورة بسبب ظاهرة تُعرف باسم " قفل جيمبال" . من ناحية أخرى، تُوفر مصفوفة الدوران وصفًا كاملًا للوضعية، ولكنها تتطلب تسع قيم بدلًا من ثلاث. قد يؤدي استخدام مصفوفة الدوران إلى زيادة التكلفة الحسابية، كما أنها قد تكون أكثر صعوبة في التعامل معها. تُقدم الرباعيات حلًا وسطًا مناسبًا، فهي لا تُعاني من "قفل جيمبال"، ولا تتطلب سوى أربع قيم لوصف الوضعية وصفًا كاملًا.

يتحكم

أنواع التثبيت

يتم الحفاظ على التحكم في وضعية المركبة الفضائية باستخدام أحد النهجين الرئيسيين: تثبيت الدوران وتثبيت المحاور الثلاثة.

تثبيت الدوران

يتم تحقيق استقرار الدوران عن طريق جعل المركبة الفضائية تدور، باستخدام التأثير الجيروسكوبي لكتلة المركبة الدوارة كآلية تثبيت. تُشغَّل محركات نظام الدفع بشكل متقطع لإجراء التغييرات المطلوبة في معدل الدوران، أو في الوضعية المستقرة بالدوران. عند الرغبة، يمكن إيقاف الدوران باستخدام المحركات أو عن طريق عملية إيقاف الدوران التدريجي . يُعدّ كل من مسباري بايونير 10 وبايونير 11 في النظام الشمسي الخارجي مثالين على المركبات الفضائية المستقرة بالدوران. ^{[ 2 ]}

تثبيت ثلاثي المحاور

يُعد التثبيت ثلاثي المحاور طريقة بديلة للتحكم في وضعية المركبة الفضائية حيث يتم تثبيت المركبة الفضائية في الوضع المطلوب دون أي دوران.

تتمثل إحدى الطرق في استخدام محركات دفع صغيرة لتحريك المركبة الفضائية ذهابًا وإيابًا باستمرار ضمن نطاق خطأ مسموح به في تحديد الاتجاه. يُشار إلى محركات الدفع أيضًا باسم أنظمة التحكم في طرد الكتلة (MEC) ^{[ 3 ]} ، أو أنظمة التحكم في رد الفعل (RCS). تستخدم المسباران الفضائيان فوياجر 1 وفوياجر 2 هذه الطريقة، وقد استهلكا حوالي ثلاثة أرباع ^{[ 4 ]} من وقودهما البالغ 100 كيلوغرام حتى يوليو 2015.
تتمثل إحدى طرق تحقيق الاستقرار ثلاثي المحاور في استخدام عجلات رد الفعل الكهربائية ، والتي تُسمى أيضًا عجلات الزخم، والمثبتة على ثلاثة محاور متعامدة على متن المركبة الفضائية. توفر هذه العجلات وسيلة لتبادل الزخم الزاوي بين المركبة والعجلات. لتدوير المركبة حول محور معين، تُسرّع عجلة رد الفعل على ذلك المحور في الاتجاه المعاكس. ولإعادة المركبة إلى وضعها الأصلي، تُبطأ العجلة. يجب إزالة الزخم الزائد المتراكم في النظام نتيجةً لعزوم خارجية، مثل ضغط الفوتونات الشمسية أو تدرجات الجاذبية ، من النظام بشكل دوري عن طريق تطبيق عزم دوران مُتحكم به على المركبة الفضائية للسماح للعجلات بالعودة إلى السرعة المطلوبة تحت تحكم حاسوبي. يتم ذلك أثناء مناورات تُسمى مناورات إزالة الزخم. تستخدم معظم المركبات الفضائية نظامًا من المحركات النفاثة لتطبيق عزم الدوران اللازم لمناورات إزالة الزخم. وقد استخدم تلسكوب هابل الفضائي نهجًا مختلفًا ، حيث كان يحتوي على بصريات حساسة يمكن أن تتلوث بعادم المحرك النفاث، واستخدم بدلاً من ذلك محركات عزم مغناطيسية لمناورات إزالة التشبع.

لكل من التثبيت الدوراني والتثبيت ثلاثي المحاور مزايا وعيوب. توفر المركبات المثبتة دورانيًا حركة مسح مستمرة مرغوبة لأجهزة قياس المجالات والجسيمات، بالإضافة إلى بعض أجهزة المسح الضوئي، ولكنها قد تتطلب أنظمة معقدة لإيقاف دوران الهوائيات أو الأجهزة البصرية التي يجب توجيهها نحو الأهداف لإجراء الملاحظات العلمية أو الاتصالات مع الأرض. أما المركبات التي يتم التحكم بها ثلاثي المحاور، فيمكنها توجيه الأجهزة البصرية والهوائيات دون الحاجة إلى إيقاف دورانها، ولكنها قد تضطر إلى تنفيذ مناورات دوران خاصة لتحقيق الاستخدام الأمثل لأجهزة قياس المجالات والجسيمات. في حال استخدام المحركات النفاثة للتثبيت الروتيني، يجب تصميم عمليات الرصد البصري، مثل التصوير، مع مراعاة أن المركبة الفضائية تتأرجح ببطء ذهابًا وإيابًا، وليس دائمًا بشكل دقيق. توفر عجلات التفاعل مركبة فضائية أكثر استقرارًا لإجراء الملاحظات، ولكنها تضيف كتلة إلى المركبة، ولها عمر ميكانيكي محدود، وتتطلب مناورات متكررة لتقليل تشبع الزخم، مما قد يؤثر على حلول الملاحة بسبب التسارعات الناتجة عن استخدام المحركات النفاثة.

المحركات

يمكن التحكم في المواقف من خلال عدة آليات، بما في ذلك:

دافع

تُعدّ محركات الدفع الدقيقة (Vernier) أكثر أنواع المحركات شيوعًا، إذ يُمكن استخدامها أيضًا للحفاظ على الموقع. يجب تنظيم محركات الدفع كنظام متكامل لتوفير الاستقرار حول المحاور الثلاثة، ويُستخدم عادةً محركان على الأقل في كل محور لتوفير عزم دوران كزوج لمنع انتقال المركبة . من عيوبها استهلاك الوقود، وتآكل المحرك، ودورات صمامات التحكم. تُحدد كفاءة استهلاك الوقود لنظام التحكم في الوضعية من خلال نبضته النوعية (المتناسبة مع سرعة العادم) وأصغر نبضة عزم دوران يُمكنه توفيرها (والتي تُحدد عدد مرات تشغيل محركات الدفع لتوفير تحكم دقيق). يجب تشغيل محركات الدفع في اتجاه واحد لبدء الدوران، ثم في الاتجاه المعاكس للحفاظ على وضعية جديدة. استُخدمت أنظمة الدفع في معظم المركبات الفضائية المأهولة، بما في ذلك فوستوك ، وميركوري ، وجيميني ، وأبولو ، وسويوز ، ومكوك الفضاء .

لتقليل قيود الوقود على مدة المهمة، يمكن استخدام أنظمة التحكم المساعدة في الوضع لتقليل دوران المركبة إلى مستويات أدنى، مثل محركات الدفع الأيونية الصغيرة التي تسرع الغازات المتأينة كهربائياً إلى سرعات قصوى، باستخدام الطاقة من الخلايا الشمسية.

عجلات رد الفعل/الزخم

عجلات الزخم عبارة عن دوارات تعمل بمحركات كهربائية ، مصممة للدوران في الاتجاه المعاكس للاتجاه المطلوب لإعادة توجيه المركبة. ولأن عجلات الزخم تشكل جزءًا صغيرًا من كتلة المركبة الفضائية، وتُتحكم بها بواسطة الحاسوب، فإنها توفر تحكمًا دقيقًا. تُعلق عجلات الزخم عادةً على محامل مغناطيسية لتجنب احتكاك المحامل ومشاكل الأعطال. ^{[ 5 ]} أما عجلات رد فعل المركبة الفضائية، فتستخدم غالبًا محامل كروية ميكانيكية.

للحفاظ على التوجيه في الفضاء ثلاثي الأبعاد، يجب استخدام ثلاث عجلات رد فعل على الأقل، ^{[ 6 ]} مع وحدات إضافية توفر الحماية من الأعطال الفردية. انظر زوايا أويلر .

جيروسكوبات التحكم في العزم

هذه عبارة عن دوارات تدور بسرعة ثابتة، مثبتة على محاور دوارة لتوفير التحكم في الوضع. على الرغم من أن نظام التحكم في الزخم (CMG) يوفر التحكم في المحورين المتعامدين مع محور دوران الجيروسكوب، إلا أن التحكم ثلاثي المحاور لا يزال يتطلب وحدتين. يُعد نظام التحكم في الزخم (CMG) أغلى ثمناً من حيث التكلفة والكتلة، نظراً لضرورة توفير المحاور الدوارة ومحركاتها. يُنتج نظام التحكم في الزخم (CMG) عزم دوران أقصى (وليس تغيراً كبيراً في الزخم الزاوي) أكبر من عجلة الزخم، مما يجعله أكثر ملاءمة للمركبات الفضائية الكبيرة. يتمثل العيب الرئيسي في التعقيد الإضافي، الذي يزيد من عدد نقاط الضعف المحتملة. لهذا السبب، تستخدم محطة الفضاء الدولية مجموعة من أربعة أنظمة تحكم في الزخم (CMG) لتوفير تحمل مزدوج للأعطال.

الأشرعة الشمسية

يمكن استخدام أشرعة شمسية صغيرة (أجهزة تولد قوة دفع كرد فعل ناتج عن انعكاس الضوء الساقط) لإجراء تعديلات طفيفة على وضعية المركبة وسرعتها. يساهم هذا التطبيق في توفير كميات كبيرة من الوقود في المهمات طويلة الأمد، وذلك من خلال توليد عزم تحكم دون استهلاك الوقود. على سبيل المثال، عدّلت المركبة الفضائية مارينر 10 وضعيتها باستخدام خلاياها الشمسية وهوائياتها كأشرعة شمسية صغيرة.

تثبيت تدرج الجاذبية

في المدار، تتجه المركبة الفضائية ذات المحور الأطول بكثير من المحورين الآخرين تلقائيًا بحيث يشير محورها الأطول إلى مركز كتلة الكوكب. يتميز هذا النظام بعدم حاجته إلى نظام تحكم نشط أو استهلاك للوقود. وينتج هذا التأثير عن قوة المد والجزر ، حيث يتعرض الطرف العلوي للمركبة لقوة جذب أقل من الطرف السفلي. وهذا يوفر عزم دوران مُعيد عندما لا يكون المحور الأطول متوازيًا مع اتجاه الجاذبية. ما لم تُوفر وسيلة للتخميد، ستتذبذب المركبة الفضائية حول المحور الرأسي المحلي. أحيانًا تُستخدم حبال لربط جزأين من القمر الصناعي لزيادة عزم الدوران المُثبِّت. ومن مشاكل هذه الحبال أنها قد تفصلها نيازك صغيرة بحجم حبة رمل.

عزم الدوران المغناطيسي

تُمارس الملفات، أو المغناطيسات الدائمة (في الأقمار الصناعية الصغيرة جدًا) ، عزمًا معاكسًا للمجال المغناطيسي المحلي. لا تنجح هذه الطريقة إلا في وجود مجال مغناطيسي يُمكن التفاعل معه. أحد "ملفات" المجال الكلاسيكية هو في الواقع حبل موصل في المجال المغناطيسي للكوكب. يُمكن لهذا الحبل الموصل أيضًا توليد طاقة كهربائية، على حساب اضمحلال المدار . في المقابل، يُمكن رفع المدار عن طريق توليد تيار معاكس باستخدام طاقة الخلايا الشمسية. نظرًا للتغير الهائل في المجال المغناطيسي للأرض عن المجال الشعاعي المثالي، ستكون قوانين التحكم القائمة على عزم الدوران المرتبط بهذا المجال غير خطية للغاية. علاوة على ذلك، لا يتوفر سوى تحكم ثنائي المحور في أي وقت، مما يعني أنه قد يكون من الضروري إعادة توجيه المركبة لإلغاء جميع المعدلات.

التحكم السلبي في الموقف

توجد ثلاثة أنواع رئيسية من أنظمة التحكم السلبي في وضعية الأقمار الصناعية. يعتمد النوع الأول على تدرج الجاذبية، ويؤدي إلى أربع حالات استقرار يكون فيها المحور الطويل (المحور ذو أقل عزم قصور ذاتي) متجهًا نحو الأرض. ولأن هذا النظام يحتوي على أربع حالات استقرار، فإذا كان للقمر الصناعي وضعية مفضلة، كأن تكون الكاميرا موجهة نحو الكوكب، فستكون هناك حاجة إلى طريقة لعكس اتجاه القمر الصناعي وكابله.

يُوجّه النظام السلبي الثاني القمر الصناعي بمحاذاة المجال المغناطيسي للأرض باستخدام مغناطيس. ^{[ 7 ]} تتميز أنظمة التحكم في الوضعية السلبية هذه بدقة توجيه محدودة، لأن المركبة الفضائية تتذبذب حول أدنى مستويات الطاقة. يُتغلب على هذا العيب بإضافة مُخمد، والذي قد يكون مصنوعًا من مواد ذات خاصية التخلف المغناطيسي أو مُخمد لزج. المُخمد اللزج عبارة عن علبة أو خزان صغير مملوء بسائل مُثبت في المركبة الفضائية، وقد يحتوي على حواجز داخلية لزيادة الاحتكاك الداخلي. يُحوّل الاحتكاك داخل المُخمد تدريجيًا طاقة التذبذب إلى حرارة تُبدد داخله.

يُعدّ التثبيت الديناميكي الهوائي شكلاً ثالثاً من أشكال التحكم السلبي في وضعية القمر الصناعي. ويتحقق ذلك باستخدام تدرج السحب، كما هو موضح في العرض التوضيحي لتقنية قمر التحكم السلبي الخاص في وضعية القمر الصناعي "جيت أواي" (GASPACS) . في المدار الأرضي المنخفض، تكون قوة السحب أقوى بكثير من قوة تدرجات الجاذبية. ^{[ 8 ]} عندما يستخدم القمر الصناعي نظام التحكم السلبي الديناميكي الهوائي في وضعيته، تصطدم جزيئات الهواء من الغلاف الجوي العلوي للأرض بالقمر بطريقة تجعل مركز الضغط خلف مركز الكتلة، على غرار كيفية تثبيت ريش السهم له. استخدم قمر GASPACS ذراعًا هوائيًا قابلًا للنفخ بطول متر واحد، يمتد خلف القمر الصناعي، مُولِّدًا عزم دوران مُثبِّتًا على طول متجه سرعة القمر. ^{[ 9 ]}

يُعدّ نظام إزالة الدوران باستخدام اليويو شكلاً آخر من أشكال التحكم السلبي في وضعية المركبة الفضائية . ^{[ 10 ]} وتُعتبر أجهزة إزالة الدوران باستخدام اليويو مثيرة للجدل لأنها تُولّد حطامًا فضائيًا، وتُستخدم بشكل أساسي في المركبات الفضائية التي تعمل في الفضاء السحيق. ^{[ 11 ]}

خوارزميات التحكم

خوارزميات التحكم هي برامج حاسوبية تستقبل البيانات من مستشعرات المركبة وتستخلص الأوامر المناسبة للمحركات لتدوير المركبة إلى الوضع المطلوب. تتراوح هذه الخوارزميات من البسيطة جدًا، مثل التحكم النسبي ، إلى التقديرات غير الخطية المعقدة، أو أنواع أخرى بينهما، وذلك حسب متطلبات المهمة. عادةً ما تكون خوارزميات التحكم في الوضع جزءًا من البرمجيات التي تعمل على جهاز الحاسوب، والذي يستقبل الأوامر من المحطة الأرضية ويُهيئ بيانات قياس المسافة الخاصة بالمركبة لإرسالها إلى المحطة الأرضية.

تُكتب خوارزميات التحكم في وضعية المركبة الفضائية وتُنفذ بناءً على متطلبات مناورة وضعية محددة. وباستثناء تطبيق التحكم السلبي في الوضعية، مثل تثبيت تدرج الجاذبية ، تستخدم معظم المركبات الفضائية التحكم النشط الذي يُظهر حلقة تحكم نموذجية في الوضعية. ويعتمد تصميم خوارزمية التحكم على المُشغّل المُستخدم في مناورة الوضعية المحددة، مع العلم أن استخدام وحدة تحكم تناسبية تكاملية تفاضلية بسيطة ( وحدة تحكم PID ) يُلبي معظم احتياجات التحكم.

تُستمد الأوامر المناسبة للمشغلات بناءً على إشارات الخطأ، والتي تُعرَّف بأنها الفرق بين الوضع المقاس والوضع المطلوب. تُقاس إشارات الخطأ عادةً بزوايا أويلر (Φ، θ، Ψ)، ولكن يمكن وصفها بديلاً باستخدام مصفوفة جيب التمام الاتجاهية أو رباعيات الخطأ . يستجيب متحكم PID، وهو الأكثر شيوعًا، لإشارة الخطأ (الانحراف) بناءً على الوضع كما يلي:

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

أين $T_{c}$ عزم التحكم، $e$ هي إشارة انحراف الوضع، و $K_{\text{p}},K_{\text{i}},K_{\text{d}}$ هي معلمات وحدة التحكم PID.

يمكن تطبيق ذلك ببساطة عن طريق استخدام التحكم النسبي لتحديد نقطة النظير باستخدام عجلات الزخم أو عجلات رد الفعل كمحركات. وبناءً على تغير زخم العجلات، يمكن تعريف قانون التحكم في المحاور الثلاثة س، ص، ع كما يلي:

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

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

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

تؤثر خوارزمية التحكم هذه أيضًا على تفريغ الزخم.

تتضمن خوارزمية تحكم أخرى مهمة وشائعة مفهومَ " إزالة الدوران "، وهو تقليل الزخم الزاوي للمركبة الفضائية. تنشأ الحاجة إلى إزالة الدوران من حالة عدم القدرة على التحكم بالمركبة بعد إطلاقها من مركبة الإطلاق. تستخدم معظم المركبات الفضائية في المدار الأرضي المنخفض مفهوم إزالة الدوران المغناطيسي، الذي يستغل تأثير المجال المغناطيسي للأرض . تُسمى خوارزمية التحكم هذه بوحدة التحكم B-Dot، وتعتمد على ملفات مغناطيسية أو قضبان عزم الدوران كمشغلات تحكم. يعتمد قانون التحكم على قياس معدل تغير إشارات مقياس المغناطيسية المثبت على جسم المركبة .

m=-K{\dot {B}}

أين $m$ يمثل عزم ثنائي القطب المغناطيسي المطلوب للمولد المغناطيسي و $K$ هو الربح النسبي و ${\dot {B}}$ هو معدل تغير المجال المغناطيسي للأرض.

أوضاع التحكم

يبدأ نظام التحكم في الوضع والحركة (ADCS) الخاص بالمركبة الفضائية عادةً في التوقف عن الدوران عند بدء المهمة، إما بشكل مستقل أو عند إصدار أمر بذلك. ^{[ 10 ]}

بعد عملية إزالة الدوران، غالبًا ما تحتوي أنظمة التحكم في الحركة الجوية على عدة أوضاع تحكم، بما في ذلك:

الوضع الآمن: حالة منخفضة الطاقة ومتسامحة مع الأعطال يتم الدخول إليها أثناء حدوث حالات شاذة.
وضع توجيه الشمس/تتبع الشمس: يقوم بتوجيه المركبة الفضائية بحيث تواجه الألواح الشمسية الشمس.
وضع التوجيه نحو النظير: يوجه وجهاً محدداً نحو الأرض (النظير). مفيد لرصد الأرض، وهوائيات الوصلة الهابطة، والأجهزة المواجهة للأرض.
وضع التوجيه بالقصور الذاتي: يحافظ على اتجاه ثابت بالقصور الذاتي. مفيد للتوجيه نحو نجم أو جسم فضائي بعيد.
وضع تتبع الأهداف الأرضية: يوجه القمر الصناعي نحو هدف أرضي ثابت أو متحرك، ويقوم بتحريكه تبعاً لتغير موقعه بالنسبة للهدف الأرضي. يُعد هذا الوضع مفيداً لأنظمة مراقبة الأرض عالية الدقة وأنظمة نقل البيانات البصرية.
أوضاع الدوران/الانتقال: تحركت المركبة الفضائية ببطء بين الأوضاع/الأهداف. ^{[ 10 ]}

يتم تنفيذ وضع التوجيه نحو النظير ووضع التوجيه نحو الشمس، من بين أوضاع أخرى، باستخدام مشغلات لوضع المركبة الفضائية في دوران Y-Thomson، نسبةً إلى ويليام تي. طومسون، حيث تُكمل المركبة دورة كاملة حول محورها العمودي في مدارها أثناء إكمالها دورة كاملة حول الجسم الرئيسي . ^{[ 12 ]} في الأقمار الصناعية التي تتمركز حول الأرض، يُستخدم دوران Y-Thomson غالبًا لتوجيه أحد أوجه المركبة الفضائية نحو مركز ثقل الأرض. يُحاذي هذا الدوران إطار جسم المركبة الفضائية مع الإطار المرجعي القطري العمودي المماسي للمدار. وعند دمجه مع ذراع قابل للنشر للتوجيه نحو النظير، تعمل قوى تدرج الجاذبية على تثبيت وضعية المركبة الفضائية بشكل سلبي.

عزيمة

تحديد وضعية المركبة الفضائية هو عملية تحديد اتجاهها (سواء كانت مركبة فضائية أو قمرًا صناعيًا). وهو شرط أساسي للتحكم في وضعية المركبة الفضائية. وتُستخدم مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار لتحديد الوضعية النسبية والمطلقة.

أجهزة الاستشعار

مستشعرات الوضع النسبي

تُنتج العديد من أجهزة الاستشعار مخرجات تعكس معدل تغير الوضع. ويتطلب استخدام هذه الأجهزة معرفة الوضع الابتدائي، أو معلومات خارجية لتحديد الوضع. ويُعاني العديد من هذه الفئة من أجهزة الاستشعار من بعض التشويش، مما يؤدي إلى عدم دقة في القياسات إذا لم يتم تصحيحها بواسطة أجهزة استشعار الوضع المطلق.

الجيروسكوبات

الجيروسكوبات أجهزة تستشعر الدوران في الفضاء ثلاثي الأبعاد دون الاعتماد على رصد الأجسام الخارجية. يتكون الجيروسكوب تقليديًا من كتلة دوارة، ولكن توجد أيضًا " جيروسكوبات ليزر حلقية " تستخدم ضوءًا متماسكًا ينعكس حول مسار مغلق. نوع آخر من الجيروسكوبات هو جيروسكوب الرنان نصف الكروي، حيث يمكن تحريك كأس بلوري على شكل كأس نبيذ ليتذبذب تمامًا كما يُصدر كأس النبيذ صوتًا عند تمرير إصبع على حافته. يكون اتجاه التذبذب ثابتًا في الفضاء العطالي، لذا يمكن استخدام قياس اتجاه التذبذب بالنسبة للمركبة الفضائية لاستشعار حركة المركبة الفضائية بالنسبة للفضاء العطالي. ^{[ 13 ]}

وحدات مرجعية للحركة

وحدات قياس الحركة المرجعية هي نوع من وحدات القياس بالقصور الذاتي، مزودة بمستشعرات حركة أحادية أو متعددة المحاور. وتستخدم هذه الوحدات جيروسكوبات MEMS . بعض وحدات قياس الحركة المرجعية متعددة المحاور قادرة على قياس الدوران، والميل، والانعراج، والارتفاع . ولها تطبيقات خارج مجال الطيران، مثل: ^{[ 14 ]}

تعويض حركة الهوائي وتثبيته
تحديد المواقع الديناميكي
تعويض حركة الرافعات البحرية
أنظمة التحكم في حركة المركبات عالية السرعة وأنظمة التخميد
تحديد المواقع الصوتية المائية
تعويض الحركة في أجهزة قياس الأعماق أحادية ومتعددة الحزم
قياسات أمواج المحيط
مراقبة حركة الهياكل البحرية
قياسات التوجيه والوضع على المركبات تحت الماء ذاتية التشغيل والمركبات تحت الماء التي يتم تشغيلها عن بعد
مراقبة حركة السفينة

مستشعرات الوضع المطلق

تستشعر هذه الفئة من أجهزة الاستشعار موضع أو اتجاه الحقول أو الأجسام أو الظواهر الأخرى خارج المركبة الفضائية.

مستشعر الأفق

مستشعر الأفق هو أداة بصرية ترصد الضوء القادم من حافة الغلاف الجوي للأرض، أي عند الأفق. غالبًا ما يُستخدم الاستشعار الحراري بالأشعة تحت الحمراء ، الذي يقيس دفء الغلاف الجوي نسبيًا مقارنةً بالخلفية الكونية الباردة . يوفر هذا المستشعر تحديدًا للاتجاه بالنسبة للأرض حول محورين متعامدين. وهو عادةً أقل دقة من المستشعرات القائمة على رصد النجوم. يُشار إليه أحيانًا باسم مستشعر الأرض. ^{[ 15 ]}

بوصلة جيروسكوبية مدارية

على غرار استخدام البوصلة الجيروسكوبية الأرضية للبندول لاستشعار الجاذبية المحلية وإجبار الجيروسكوب على التوافق مع متجه دوران الأرض، وبالتالي توجيهه نحو الشمال، تستخدم البوصلة الجيروسكوبية المدارية مستشعر الأفق لاستشعار الاتجاه نحو مركز الأرض، وجيروسكوبًا لاستشعار الدوران حول محور عمودي على مستوى المدار. وهكذا، يوفر مستشعر الأفق قياسات الميل والدوران، بينما يوفر الجيروسكوب قياسات الانحراف. ^{[ 16 ]} انظر زوايا تايت-برايان .

مستشعر الشمس

مستشعر الشمس هو جهاز يستشعر اتجاه الشمس . ويمكن أن يكون هذا بسيطًا مثل بعض الخلايا الشمسية والمظلات، أو معقدًا مثل تلسكوب قابل للتوجيه ، وذلك حسب متطلبات المهمة.

مستشعر الأرض

مستشعر الأرض هو جهاز يستشعر اتجاه الأرض . وهو عادةً ما يكون كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء ؛ أما اليوم، فإن الطريقة الرئيسية لتحديد الاتجاه هي متتبع النجوم ، ولكن لا تزال مستشعرات الأرض تُدمج في الأقمار الصناعية لانخفاض تكلفتها وموثوقيتها. ^{[ 15 ]}

متتبع النجوم

جهاز تتبع النجوم هو جهاز بصري يقيس موقع (مواقع) نجم (نجوم) باستخدام خلية ضوئية أو كاميرا. ^{[ 17 ]} يستخدم هذا الجهاز مقدار السطوع والنوع الطيفي لتحديد موقع النجوم المحيطة به، ثم يحسب موقعها النسبي.

مقياس المغناطيسية

مقياس المغناطيسية هو جهاز يستشعر شدة المجال المغناطيسي ، وعند استخدامه في نظام ثلاثي المحاور، يستشعر اتجاه المجال المغناطيسي. وباعتباره أداة مساعدة للملاحة في المركبات الفضائية، تتم مقارنة شدة المجال واتجاهه المستشعرين بخريطة المجال المغناطيسي للأرض المخزنة في ذاكرة حاسوب التوجيه الموجود على متن المركبة أو الموجود على الأرض. إذا كان موقع المركبة الفضائية معروفًا، فيمكن استنتاج وضعها. ^{[ 18 ]}

تقدير الموقف

لا يمكن قياس الوضعية مباشرةً بقياس واحد، لذا يجب حسابها (أو تقديرها ) من مجموعة من القياسات (غالباً باستخدام أجهزة استشعار مختلفة). يمكن القيام بذلك إما بشكل ثابت (حساب الوضعية باستخدام القياسات المتاحة حالياً فقط)، أو من خلال استخدام مرشح إحصائي (أكثرها شيوعاً مرشح كالمان ) الذي يجمع إحصائياً تقديرات الوضعية السابقة مع قياسات أجهزة الاستشعار الحالية للحصول على تقدير أمثل للوضعية الحالية.

أساليب تقدير الوضعية الثابتة

تُعدّ طرق تقدير الوضعية الثابتة حلولاً لمشكلة وهبة . وقد تم اقتراح العديد من الحلول، أبرزها طريقة دافنبورت q، وQUEST، وTRIAD، وتحليل القيم المفردة . ^{[ 19 ]}

كراسيديس، جون ل.، وجون ل. جانكينز.. تشابمان وهال/سي آر سي، 2004.

أساليب التقدير التسلسلي

يمكن استخدام ترشيح كالمان لتقدير الوضعية ومعدل الدوران الزاوي بشكل متسلسل. ولأن ديناميكيات الوضعية (مزيج من ديناميكيات الجسم الصلب وحركيات الوضعية) غير خطية، فإن مرشح كالمان الخطي غير كافٍ. ولأن ديناميكيات الوضعية ليست غير خطية بشكل كبير، فإن مرشح كالمان الموسع عادةً ما يكون كافيًا (مع ذلك، أثبت كراسيديس وماركلي إمكانية استخدام مرشح كالمان غير الخطي ، والذي قد يُحسّن النتائج في الحالات التي يكون فيها التقدير الأولي ضعيفًا). ^{[ 20 ]} وقد اقتُرحت طرق متعددة، إلا أن مرشح كالمان الموسع المضاعف (MEKF) هو الأكثر شيوعًا. يستخدم هذا النهج الصيغة المضاعفة للرباعي الخطأ، مما يسمح بمعالجة قيد الوحدة على الرباعي بشكل أفضل. يشيع أيضاً استخدام تقنية تُعرف باسم استبدال النموذج الديناميكي، حيث لا يتم تقدير معدل الدوران الزاوي مباشرةً، بل يُستخدم معدل الدوران الزاوي المقاس من الجيروسكوب مباشرةً لنشر ديناميكيات الدوران مع الزمن. يُعد هذا الأسلوب صالحاً لمعظم التطبيقات، إذ تتميز الجيروسكوبات عادةً بدقة أعلى بكثير من معرفة عزم الدوران المؤثر على النظام (وهو أمر ضروري لتقدير معدل الدوران الزاوي بدقة).

تحديد الموقع/المكان

بالنسبة لبعض أجهزة الاستشعار والتطبيقات (مثل المركبات الفضائية التي تستخدم مقاييس المغناطيسية)، يجب معرفة الموقع بدقة. ورغم إمكانية استخدام تقدير الوضع، إلا أنه بالنسبة للمركبات الفضائية، يكفي عادةً تقدير الموقع (عن طريق تحديد المدار ) بشكل منفصل عن تقدير الاتجاه. أما بالنسبة للمركبات الأرضية والمركبات الفضائية العاملة بالقرب من الأرض، فإن ظهور أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية يتيح الحصول على معلومات دقيقة عن الموقع بسهولة. وتزداد هذه المشكلة تعقيدًا بالنسبة لمركبات الفضاء السحيق، أو المركبات الأرضية العاملة في بيئات لا تتوفر فيها تغطية نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) (انظر الملاحة ).

انظر أيضاً

مراجع

↑ "الفصل 11. الأنظمة النموذجية على متن المركبة الفضائية" . أساسيات رحلات الفضاء، القسم الثاني (تقرير). مختبر الدفع النفاث التابع لناسا . تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2023 .
↑ "مهمات بايونير" . ناسا. 26 مارس 2007. مؤرشف من الأصل في 29 يونيو 2011. تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2023 .
↑ "أساسيات رحلات الفضاء - القسم الثاني: مشاريع رحلات الفضاء" . Nasa.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 يوليو 2015 .
↑ "التقارير الأسبوعية لمركبة فوياجر" . Nasa.gov . تم الاطلاع عليه في 15 يوليو 2015 .
↑ هنريكسون، سي إتش؛ ليمان، جيه؛ ستودر، بي إيه (1 يناير 1974). عجلات الزخم المعلقة مغناطيسيًا لتثبيت المركبات الفضائية (تقرير). ناسا . تم الاطلاع عليه في 30 ديسمبر 2022 .
↑ "دراسة محركات البلازما النبضية للتحكم في وضعية المركبة الفضائية" (ملف PDF) . Erps.spacegrant.org. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 22 أبريل 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2013 .
↑ أنظمة التحكم في الاتجاه والتصميم للأقمار النانوية OUFTI . فنسنت فرانسوا لافيت (2010-05-31)
↑ محمد نصرت أمان، أسماء (2019). "دراسة تأثيرات عزم الاضطراب على قمر صناعي مكعب 2U في مدارات أرضية منخفضة" . مجلة الفيزياء: سلسلة المؤتمرات . 1155 (1) 012024. Bibcode : 2019JPhCS1152a2024N . doi : 10.1088/1742-6596/1152/1/012024 . S2CID 127003967 .
↑ "قمر صناعي خاص للتحكم السلبي في الوضعية من طراز GASPACS Get Away" . تم الاطلاع عليه في 3 نوفمبر 2022 .
1 2 3 سكوت ر. ستارن وجون إيتيرنو (يناير 2011). "أنظمة تحديد الاتجاه والتحكم فيه" (ملف PDF) . ناسا.
↑ "الحد من حطام الفضاء: الحاجة إلى مدونة سلوك" . www.esa.int . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مايو 2026 .
↑ تومسون، ويليام ت. (23 أبريل 1962). "تثبيت الوضعية بالدوران ضد عزم الجاذبية" . مجلة علوم الملاحة الفضائية . 9 (1): 31-33 .
↑ "الجيروسكوبات الرنانة نصف الكروية" (ملف PDF) . Northropgrumman.com. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 21 سبتمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2013 .
↑ "تطبيقات MRU" . شركة كونغسبيرغ ماريتيم إيه إس. مؤرشف من الأصل في 2 أبريل 2016. تم الاطلاع عليه في 29 يناير 2015 .
1 2 مستشعرات أفق الأرض للمركبات الفضائية (ملف PDF) (تقرير). ناسا. ديسمبر 1969. تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2023 .
↑ أبيزيايف، إي. إن. (2021). "بوصلة جيروسكوبية للمركبات الفضائية المدارية". البحوث الكونية . 59 (3): 204-211 . Bibcode : 2021CosRe..59..204A . doi : 10.1134/S0010952521030011 . S2CID 254423773 .
↑ "كاميرا النجوم" . ناسا . مايو 2004. مؤرشف من الأصل في 21 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 25 مايو 2012 .
↑ أكوينا، ماريو هـ. (نوفمبر 2002). "مقياس المغناطيسية الفضائي" . مجلة الأدوات العلمية . 73 (11): 3717-3736 . رمز Bibcode : 2002RScI...73.3717A . doi : 10.1063/1.1510570 . تاريخ الاسترجاع: 30 ديسمبر 2022 .
↑ ماركلي، ف. لانديس؛ كراسيديس، جون ل. (2014)، "طرق تحديد الوضعية الثابتة"، أساسيات تحديد وضعية المركبة الفضائية والتحكم بها ، سبرينغر نيويورك، ص 183-233 ، doi : 10.1007/978-1-4939-0802-8_5 ، ISBN 978-1-4939-0801-1
↑ كراسيديس، جون ل.؛ ماركلي، ف. لانديس (23 مايو 2012). "الترشيح غير الخطي لتقدير وضعية المركبة الفضائية". مجلة التوجيه والتحكم والديناميكا . 26 (4): 536-542 . doi : 10.2514/2.5102 .

روابط خارجية

الوسائط المتعلقة بالتحكم في وضعية المركبات الفضائية على ويكيميديا كومنز

[1] "الفصل 11. الأنظمة النموذجية على متن المركبة الفضائية" . أساسيات رحلات الفضاء، القسم الثاني (تقرير). مختبر الدفع النفاث التابع لناسا . تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2023 .

[2] "مهمات بايونير" . ناسا. 26 مارس 2007. مؤرشف من الأصل في 29 يونيو 2011. تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2023 .

[3] "أساسيات رحلات الفضاء - القسم الثاني: مشاريع رحلات الفضاء" . Nasa.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 يوليو 2015 .

[4] "التقارير الأسبوعية لمركبة فوياجر" . Nasa.gov . تم الاطلاع عليه في 15 يوليو 2015 .

[5] هنريكسون، سي إتش؛ ليمان، جيه؛ ستودر، بي إيه (1 يناير 1974). عجلات الزخم المعلقة مغناطيسيًا لتثبيت المركبات الفضائية (تقرير). ناسا . تم الاطلاع عليه في 30 ديسمبر 2022 .

[6] "دراسة محركات البلازما النبضية للتحكم في وضعية المركبة الفضائية" (ملف PDF) . Erps.spacegrant.org. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 22 أبريل 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2013 .

[7] أنظمة التحكم في الاتجاه والتصميم للأقمار النانوية OUFTI . فنسنت فرانسوا لافيت (2010-05-31)

[8] محمد نصرت أمان، أسماء (2019). "دراسة تأثيرات عزم الاضطراب على قمر صناعي مكعب 2U في مدارات أرضية منخفضة" . مجلة الفيزياء: سلسلة المؤتمرات . 1155 (1) 012024. Bibcode : 2019JPhCS1152a2024N . doi : 10.1088/1742-6596/1152/1/012024 . S2CID 127003967 .

[9] "قمر صناعي خاص للتحكم السلبي في الوضعية من طراز GASPACS Get Away" . تم الاطلاع عليه في 3 نوفمبر 2022 .

[:0-10] 1 2 3 سكوت ر. ستارن وجون إيتيرنو (يناير 2011). "أنظمة تحديد الاتجاه والتحكم فيه" (ملف PDF) . ناسا.

[11] "الحد من حطام الفضاء: الحاجة إلى مدونة سلوك" . www.esa.int . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مايو 2026 .

[12] تومسون، ويليام ت. (23 أبريل 1962). "تثبيت الوضعية بالدوران ضد عزم الجاذبية" . مجلة علوم الملاحة الفضائية . 9 (1): 31-33 .

[13] "الجيروسكوبات الرنانة نصف الكروية" (ملف PDF) . Northropgrumman.com. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 21 سبتمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2013 .

[14] "تطبيقات MRU" . شركة كونغسبيرغ ماريتيم إيه إس. مؤرشف من الأصل في 2 أبريل 2016. تم الاطلاع عليه في 29 يناير 2015 .

[horizonsensor-15] 1 2 مستشعرات أفق الأرض للمركبات الفضائية (ملف PDF) (تقرير). ناسا. ديسمبر 1969. تم الاطلاع عليه في 1 يناير 2023 .

[16] أبيزيايف، إي. إن. (2021). "بوصلة جيروسكوبية للمركبات الفضائية المدارية". البحوث الكونية . 59 (3): 204-211 . Bibcode : 2021CosRe..59..204A . doi : 10.1134/S0010952521030011 . S2CID 254423773 .

[17] "كاميرا النجوم" . ناسا . مايو 2004. مؤرشف من الأصل في 21 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 25 مايو 2012 .

[18] أكوينا، ماريو هـ. (نوفمبر 2002). "مقياس المغناطيسية الفضائي" . مجلة الأدوات العلمية . 73 (11): 3717-3736 . رمز Bibcode : 2002RScI...73.3717A . doi : 10.1063/1.1510570 . تاريخ الاسترجاع: 30 ديسمبر 2022 .

[19] ماركلي، ف. لانديس؛ كراسيديس، جون ل. (2014)، "طرق تحديد الوضعية الثابتة"، أساسيات تحديد وضعية المركبة الفضائية والتحكم بها ، سبرينغر نيويورك، ص 183-233 ، doi : 10.1007/978-1-4939-0802-8_5 ، ISBN 978-1-4939-0801-1

[20] كراسيديس، جون ل.؛ ماركلي، ف. لانديس (23 مايو 2012). "الترشيح غير الخطي لتقدير وضعية المركبة الفضائية". مجلة التوجيه والتحكم والديناميكا . 26 (4): 536-542 . doi : 10.2514/2.5102 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]