1. 3 Đánh giá về tiềm năng khai thác về vệ tinh quỹ đạo thấp trên thế giới và
2.5 Điều khiển và xác định hành vi (Attitude Determination and Control System
Control System - ADACS):
2.5.1Giới thiệu chung ADACS
ADACS là một trong những hệ thống con đắt đỏ nhất trên cả quả vệ tinh. Do vậy, các yêu cầu về hiệu suất ADACS cần được cân nhắc để đáp ứng bài toán kinh tế kỹ thuật. Một lỗi thiết kế phổ biến là đưa bài toán cân nhắc các yêu cầu độ chính xác của hệ thống cao hơn yêu cầu của thiết kế tải trọng vệ tinh. Ví dụ: nếu nhiệm vụ chỉ đơn giản là quét quang phổ khí quyển từ Bắc bán cầu, thì độ chính xác yêu cầu đặt ra chỉ nhỏ hơn 5°. Nhưng khi độ chính xác cần đạt tới 1 hoặc 2 lần sẽ dẫn đến các chi phí tăng đột biến; như trang bị thêm các thiết bị theo dõi sao, trong khi chỉ cần sử dụng một hệ thống mô men đơn giản với các cảm biến Trái đất là đủ [7].
45
Phần này mô tả quá trình phát triển ADACS thông qua yêu cầu về mục tiêu, đến các yêu cầu cấp hệ thống và mô tả các cấu hình hệ thống kiểm soát hành vi khác nhau và độ chính xác của chúng tương xứng, phù hợp với từng dịch vụ. Cuối cùng, các quy trình kiểm tra, hoạt động trên quỹ đạo và giải quyết các vấn đề phát sinh.
Nếu sử dụng thông tin liên lạc giữa vệ tinh với vệ tinh, thì với độ rộng chùm sóng ăng-ten hẹp, có thể đạt được độ chính xác cho căn chỉnh anten nhỏ hơn khoảng 2°.
Tuy nhiên nếu yêu cầu của hệ thống vệ tinh này cần nâng cao với độ chính xác 60 m (tại nadir) từ độ cao 600 km, sau đó chỉ độ chính xác cần phải là 0,0001 radian (0,00573°) và khả năng cảm biến hành vi cần phải tốt hơn gấp đôi, 0,002865° hoặc 10,25 cung-giây. Điều này dẫn đến ADACS rất đắt tiền và yêu cầu một hệ thống ổn định động lượng 3 trục và hai bộ tracking bám sao.
Một yếu tố khác làm tăng chi phí và các tùy chọn của ADACS là sự khả chuyển mà vệ tinh có thể thay đổi hành vi liên tục. Sự khả chuyển càng yêu cầu cao, mô- men xoắn lớn điều khiển vệ tinh của ADACS càng lớn hơn, điều này làm tăng đáng kể chi phí sản xuất vệ tinh.
Các yêu cầu mục tiêu của vệ tinh có thể được giảm xuống các giá trị và độ khả chuyển vệ tinh.. nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu.
2.5.2Các thành phần ADACS:
2.5.2.1 Mô men xoắn và mô men dọc trục:
Mô men là một hệ thống để kiểm soát hành vi , giảm thiểu xung lực tác động và ổn định trên vệ tinh được xây dựng từ các cuộn dây điện từ. Từ trường tạo ra một lưỡng cực từ giao tiếp với từ trường xung quanh, thường là của Trái đất, để các lực phản tạo ra cung cấp mô-men xoắn hữu ích.
Một thanh mômen xoắn là một hệ thống để kiểm soát hành vi vệ tinh, nhằm giảm tốc độ và ổn định hệ thống. Nó được xây dựng từ các cuộn dây điện từ; từ trường tạo ra một lưỡng cực từ giao tiếp với từ trường xung quanh, thường là của Trái đất, để tạo các phản lực ra cung cấp mô-men xoắn hữu ích. Một dây dẫn điện được quấn quanh một lõi sắt từ bị nhiễm từ khi được kích thích bởi cuộn dây, do đó tạo ra một lưỡng cực cao hơn đáng kể so với các dung dịch khác. Tuy nhiên, nhược điểm là sự hiện diện của một lưỡng cực từ dư vẫn tồn tại ngay cả khi cuộn dây bị tắt vì độ trễ
46
trong đường cong từ hóa của lõi. Do đó cần phải khử từ lõi bằng quy trình khử từ thích hợp. Thông thường, sự hiện diện của lõi (thường bao gồm kim loại nặng) làm tăng khối lượng của hệ thống.
Hình 2.16: Mô phỏng mô men xoắn trong điều chỉnh ADACS.
Thông thường, có thể sử dụng 3 cuộn dây, hoặc có thể dùng 1 nam châm vừa đủ khi không cần kiểm soát hành vi vệ tinh hoàn toàn hoặc khi các lực tác động bên ngoài như lực kéo không đối xứng cho phép điều khiển không bị sai biệt. Cụm ba cuộn dây thường có dạng ba cuộn dây vuông góc, bởi vì thiết lập này cân bằng đối xứng quay của các trường có thể được tạo ra; bất kể trường bên ngoài và phương tiện được đặt đối với nhau như thế nào, mô men xoắn xấp xỉ giống nhau luôn có thể được tạo ra đơn giản bằng cách sử dụng các lượng dòng điện khác nhau trên ba cuộn dây khác nhau. Chừng nào mà dòng điện đi qua các cuộn dây và vệ tinh vẫn chưa được ổn định theo một hướng cố định so với trường bên ngoài, thì hoạt động quay của tàu sẽ tiếp tục.
Khi vệ tinh đang ở trên quỹ đạo, các mômen nhiễu động bên ngoài sẽ làm cho các bánh phản ứng quay lên theo thời gian. Để ngăn chặn điều này, các cuộn dây từ
47
tính được sử dụng để liên tục khử bão hòa và các bánh xe bằng cách áp dụng một mô- men xoắn lên các bánh xe để khử các chuyển động không mong muốn này.
Một số vệ tinh sử dụng thanh mô-men xoắn trong khi các vệ tinh khác sử dụng cuộn dây mô-men xoắn. Các cuộn dây mô-men xoắn có một lợi thế hơn so với thanh mô-men xoắn ở chỗ cuộn dây không tạo ra từ trường dư, trong khi ngay cả những thanh mômen tốt nhất cũng có từ tính từ lõi sắt mỏng. Nếu vệ tinh tương đối nhỏ, đối với một trường B nhất định, thanh mômen nhẹ hơn cuộn dây; nhưng khi vệ tinh lớn hơn và có diện tích lớn xung quanh có thể quấn được cuộn dây, thì cuộn dây lại là phương án tối ưu.
Một tính năng khác của mô men xoắn cuộn dây hoặc thanh mô men xoắn mà người thiết kế phải tính đến là điện cảm của mô men. Thay đổi chu kỳ quay (hoặc thời gian hoạt động xung của mô men) tạo ra mô men xoắn ngược trung bình yêu cầu. Vì vệ tinh có một từ kế để đo từ trường Trái đất, phải chú ý việc sử dụng mô men từ không được ảnh hưởng đến phép đo từ trường. Vì lý do này, các số đọc từ kế được thực hiện khi các torquers bị ngắt, và khi từ trường do chúng tạo ra đã phân rã đủ để ở bên dưới cường độ từ trường Trái đất tại vị trí của từ kế..
2.5.2.2 Các thiết bị bám sao (star trackers):
Thiết bị bám sao là một thiết bị quang học đo vị trí của các ngôi sao bằng cách sử dụng tế bào quang học hoặc máy ảnh. Vì vị trí của nhiều ngôi sao đã được các nhà thiên văn đo đạc ở mức độ chính xác cao, một thiết bị theo dõi sao trên vệ tinh hoặc vệ tinh có thể được sử dụng để xác định hướng (hoặc hành vi ) của vệ tinh tương ứng với các vì sao. Để làm được điều này, thiết bị theo dõi sao phải thu được hình ảnh của các ngôi sao, đo vị trí biểu kiến của chúng trong hệ quy chiếu của vệ tinh và xác định các ngôi sao để có thể so sánh vị trí của chúng với vị trí tuyệt đối đã biết từ danh mục sao. Một bộ theo dõi sao có thể bao gồm một bộ xử lý để xác định các ngôi sao bằng cách so sánh mẫu của các ngôi sao quan sát được với mẫu đã biết của các ngôi sao trên bầu trời.
Thiết bị bám sao cố định các vì sao, đo vectơ của chúng theo khung và tính toán hành vi của vệ tinh theo không gian quán tính. Thiết bị bám từ trước tơi nay là khá lớn và đắt đỏ, tuy nhiên, gần đây một thế hệ mới chi phí thấp đã trở nên khả dụng, dựa trên công nghệ được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số. Ví dụ, thiết bị bám sao
48
Maryland Aerospace Inc. Star Tracker nặng dưới 200 gm và có tính năng nhận dạng sao tự động và xác định hành vi chính xác đến 0,013 ° ở tốc độ cập nhật 4 Hz.
Để bao phủ toàn bầu trời đầy đủ với danh mục sao quan sát, bắt buộc phải có một ống kính ngắn tiêu cự và trường nhìn rộng. Tiêu cự của ống kính này là f 1.2 với trường quan sát là 14°×19°; theo danh mục yêu cầu chỉ có 1825 sao nên góc này đủ để đảm bảo rằng ít nhất 4 ngôi sao trong danh mục là có thể được quan sát trên 99,6% bầu trời.
2.5.2.3 Bộ thu GPS:
Dữ liệu GPS được sử dụng khi vệ tinh hướng vào các mục tiêu trên mặt đất liên quan đến khung quỹ đạo, để xác định vị trí tương đối chính xác. Độ chính xác của máy thu GPS nói chung là từ 10 m trở lên; Tuy nhiên, tùy thuộc vào hình dạng của quỹ đạo so với mạng vệ tinh GPS NAVSTAR, thời gian mất tín hiệu định vị có thể lên đến 20 phút. Điều này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng dữ liệu từ các mạng vệ tinh khác như GLONASS và Galileo. Tính khả dụng của GPS tổng hợp vẫn không đạt được 100%.
Để có thể truyền dẫn trong các điểm mù và để tinh chỉnh dữ liệu vị trí và vận tốc, vệ tinh thường sử dụng bộ lọc Kalman để ước tính trạng thái quỹ đạo. Bộ lọc này so sánh các giá trị giữa các lần quan sát GPS liên tiếp và một mô hình phân tích để tinh chỉnh trạng thái chính xác hơn theo thời gian. Mô hình này có thể bao gồm cả các ảnh hưởng của nhiễu loạn, chẳng hạn như lực cản trong khí quyển. Trong thời gian điểm mù mô hình ước tính trước thời gian này để tạo ra trạng thái không có dữ liệu. Máy thu GPS cũng có thể được sử dụng để cung cấp trạng thái cho vệ tinh bằng cách sử dụng nhiều anten thu GPS. Ví dụ: đối với anten cơ bản có độ chính xác là 0,3° thì như đã nêu trên từ số liệu GPS, vệ tinh cũng có thể truyền các phương trình của chuyển động và có được các tham số quỹ đạo của riêng nó khá chính xác. Ngoài ra, một bộ thu GPS tương đối rẻ, nhỏ và tiêu thụ ít năng lượng, nó là một công cụ rất hiệu quả về chi phí cần có trên một vệ tinh LEO.
49