Astronics - Astrionics

L'astronomie est la science et la technologie du développement et de l'application de systèmes électroniques, de sous-systèmes et de composants utilisés dans les engins spatiaux . Les systèmes électroniques à bord d'un engin spatial comprennent la détermination et le contrôle de l'attitude, les communications, la commande et la télémétrie et les systèmes informatiques. Les capteurs font référence aux composants électroniques à bord d'un engin spatial.

Pour les ingénieurs, l'une des considérations les plus importantes à prendre en compte dans le processus de conception est l'environnement dans lequel les systèmes et composants de l'engin spatial doivent fonctionner et durer. Les défis de la conception de systèmes et de composants pour l' environnement spatial ne se limitent pas au fait que l'espace est un vide.

Détermination et contrôle de l'attitude

Aperçu

L'un des rôles les plus vitaux de l'électronique et des capteurs dans une mission et les performances d'un engin spatial est de déterminer et de contrôler son attitude, ou la façon dont il est orienté dans l'espace. L'orientation d'un engin spatial varie en fonction de la mission. Le vaisseau spatial peut devoir être stationnaire et toujours pointé vers la Terre, ce qui est le cas pour un satellite météorologique ou de communication. Cependant, il peut également être nécessaire de fixer le vaisseau spatial autour d'un axe puis de le faire tourner. Le système de détermination et de contrôle d'attitude, ACS, garantit que le vaisseau spatial se comporte correctement. Vous trouverez ci-dessous plusieurs manières par lesquelles ACS peut obtenir les mesures nécessaires pour le déterminer.

Magnétomètre

Cet appareil mesure la force du champ magnétique terrestre dans une direction. Pour les mesures sur les trois axes, l'appareil serait composé de trois magnétomètres orthogonaux . Compte tenu de la position de l'engin spatial, les mesures du champ magnétique peuvent être comparées à un champ magnétique connu qui est donné par le modèle International Geomagnetic Reference Field . Les mesures effectuées par les magnétomètres sont affectées par le bruit constitué d'erreurs d'alignement, d'erreurs de facteur d'échelle et d'activité électrique de l'engin spatial. Pour les orbites proches de la Terre, l'erreur dans la direction du champ modélisé peut varier de 0,5 degré près de l'équateur à 3 degrés près des pôles magnétiques, où les courants auroraux erratiques jouent un rôle important. La limitation d'un tel dispositif est que dans les orbites éloignées de la Terre, le champ magnétique est trop faible et est en fait dominé par le champ interplanétaire qui est compliqué et imprévisible.

Capteurs solaires

Cet appareil fonctionne sur la lumière entrant dans une fine fente au-dessus d'une chambre rectangulaire qui projette une image d'une fine ligne au fond de la chambre, qui est bordée d'un réseau de cellules photosensibles. Ces cellules mesurent la distance de l'image à partir d'une ligne médiane et en utilisant la hauteur de la chambre peuvent déterminer l'angle de réfraction. Les cellules fonctionnent sur la base de l' effet photoélectrique . Les photons entrants excitent les électrons et provoquent donc une tension aux bornes de la cellule, qui est, à son tour, convertie en un signal numérique. En plaçant deux capteurs perpendiculaires l'un à l'autre, la direction complète du soleil par rapport aux axes des capteurs peut être mesurée.

Détecteurs numériques d'aspect solaire

Également appelés DSAD, ces appareils sont des capteurs solaires purement numériques. Ils déterminent les angles du Soleil en déterminant laquelle des cellules photosensibles du capteur est la plus fortement éclairée. En connaissant l'intensité de la lumière frappant les pixels voisins, la direction du centroïde du soleil peut être calculée à quelques secondes d'arc près.

Capteur d'horizon terrestre

Statique

Les capteurs d'horizon terrestre statique contiennent un certain nombre de capteurs et détectent le rayonnement infrarouge de la surface de la Terre avec un champ de vision légèrement plus grand que la Terre. La précision de la détermination du géocentre est de 0,1 degré en orbite proche de la Terre à 0,01 degré au GEO. Leur utilisation est généralement limitée aux engins spatiaux à orbite circulaire.

Balayage

Les capteurs d'horizon terrestre à balayage utilisent un miroir ou un prisme en rotation et concentrent un faisceau de lumière étroit sur un élément de détection généralement appelé bolomètre . La rotation amène l'appareil à balayer la zone d'un cône et l'électronique à l'intérieur du capteur détecte quand le signal infrarouge de la Terre est d'abord reçu puis perdu. Le temps entre est utilisé pour déterminer la largeur de la Terre. À partir de là, l'angle de roulis peut être déterminé. Un facteur qui joue dans la précision de tels capteurs est le fait que la Terre n'est pas parfaitement circulaire. Une autre est que le capteur ne détecte pas la terre ou l'océan, mais l'infrarouge dans l'atmosphère qui peut atteindre certaines intensités en raison de la saison et de la latitude.

GPS

Ce capteur est simple en ce sens qu'en utilisant un seul signal, de nombreuses caractéristiques peuvent être déterminées. Un signal porte l'identification du satellite, sa position, la durée du signal propagé et des informations d'horloge. En utilisant une constellation de 36 satellites GPS, dont seulement quatre sont nécessaires, la navigation, le positionnement, l'heure précise, l'orbite et l'attitude peuvent être déterminés. L'un des avantages du GPS est que toutes les orbites de l' orbite terrestre basse à l' orbite géosynchrone peuvent utiliser le GPS pour l'ACS.

Commande et télémétrie

Aperçu

Un autre système vital pour un engin spatial est le système de commande et de télémétrie, à tel point en fait que c'est le premier système à être redondant. La communication entre le sol et l'engin spatial est sous la responsabilité du système de commande. Le système de télémétrie gère les communications entre le vaisseau spatial et le sol. Les signaux des stations au sol sont envoyés pour commander au vaisseau spatial ce qu'il doit faire, tandis que la télémétrie rend compte de l'état de ces commandes, y compris les éléments vitaux du vaisseau spatial et les données spécifiques à la mission.

Systèmes de commande

Le but d'un système de commande est de donner à l'engin spatial un ensemble d'instructions à exécuter. Les commandes d'un engin spatial sont exécutées en fonction de la priorité. Certaines commandes nécessitent une exécution immédiate ; d'autres peuvent spécifier des délais particuliers qui doivent s'écouler avant leur exécution, un temps absolu auquel la commande doit être exécutée, ou un événement ou une combinaison d'événements qui doivent se produire avant que la commande ne soit exécutée. Les engins spatiaux exécutent une gamme de fonctions en fonction de la commande qu'ils reçoivent. Celles-ci comprennent : l'alimentation à appliquer ou à retirer d'un sous-système ou d'une expérience de vaisseau spatial, modifier les modes de fonctionnement du sous-système et contrôler diverses fonctions du guidage du vaisseau spatial et de l'ACS. Les commandes contrôlent également les rampes, les antennes, les panneaux solaires et les capots de protection. Un système de commande peut également être utilisé pour télécharger des programmes entiers dans la RAM de sous-systèmes embarqués programmables, basés sur un microprocesseur.

Le signal radiofréquence émis depuis le sol est reçu par le récepteur d'ordres et est amplifié et démodulé. L'amplification est nécessaire car le signal est très faible après avoir parcouru une longue distance. Le suivant dans le système de commande est le décodeur de commande. Ce dispositif examine le signal de sous-porteuse et détecte le message de commande qu'il transporte. La sortie du décodeur est normalement des données sans retour à zéro . Le décodeur de commande fournit également des informations d'horloge à la logique de commande et cela indique à la logique de commande lorsqu'un bit est valide sur la ligne de données série. Le flux de bits de commande qui est envoyé au processeur de commandes a une caractéristique unique pour les engins spatiaux. Parmi les différents types de bits envoyés, les premiers sont des bits d'adresse d'engin spatial. Ceux-ci portent un code d'identification spécifique pour un engin spatial particulier et empêchent la commande prévue d'être exécutée par un autre engin spatial. Cela est nécessaire car de nombreux satellites utilisent la même fréquence et le même type de modulation.

Le microprocesseur reçoit des entrées du décodeur de commandes, fonctionne sur ces entrées conformément à un programme qui est stocké dans la ROM ou la RAM, puis délivre les résultats aux circuits d'interface. En raison de la grande variété de types de commandes et de messages, la plupart des systèmes de commandes sont mis en œuvre à l'aide de microprocesseurs programmables. Le type de circuit d'interface nécessaire est basé sur la commande envoyée par le processeur. Ces commandes incluent les commandes de relais, d'impulsion, de niveau et de données. Les commandes de relais activent les bobines des relais électromagnétiques dans l'unité centrale de commutation de puissance. Les commandes d'impulsions sont de courtes impulsions de tension ou de courant qui sont envoyées par la logique de commande au sous-système approprié. Une commande de niveau est exactement comme une commande d'impulsion logique, sauf qu'un niveau logique est délivré au lieu d'une impulsion logique. Les commandes de données transfèrent les mots de données au sous-système de destination.

Systèmes de télémétrie

Les commandes à un vaisseau spatial seraient inutiles si le contrôle au sol ne savait pas ce que faisait le vaisseau spatial. La télémétrie comprend des informations telles que :

• Données d'état concernant les ressources, la santé, l'attitude et le mode de fonctionnement de l'engin spatial
• Données scientifiques recueillies par des capteurs embarqués (télescopes, spectromètres, magnétomètres, accéléromètres, électromètres, thermomètres, etc.)
• Données spécifiques d'orbite et de synchronisation des engins spatiaux pouvant être utilisées pour le guidage et la navigation par des véhicules terrestres, maritimes ou aériens
• Images capturées par les caméras embarquées (visibles ou infrarouges)
• Emplacements d'autres objets, sur Terre ou dans l'espace, qui sont suivis par le vaisseau spatial
• Données de télémétrie qui ont été relayées depuis le sol ou depuis un autre engin spatial dans une constellation de satellites

Le système de télémétrie est responsable de l'acquisition à partir des capteurs, des conditionneurs, des sélecteurs et des convertisseurs, du traitement, y compris la compression, le format et le stockage, et enfin de la transmission, qui comprend l'encodage, la modulation, la transmission et l'antenne.

Il existe plusieurs caractéristiques uniques de la conception du système de télémétrie pour les engins spatiaux. L'un d'eux est l'approche du fait que pour un satellite donné en LEO , parce qu'il se déplace si rapidement, il peut n'être en contact avec une station particulière que pendant dix à vingt minutes. Cela nécessiterait que des centaines de stations au sol restent en communication constante, ce qui n'est pas du tout pratique. Une solution à cela est le stockage de données embarqué . Le stockage de données peut accumuler des données lentement tout au long de l'orbite et les vider rapidement lorsqu'il est au-dessus d'une station au sol. Dans les missions spatiales lointaines, l'enregistreur est souvent utilisé dans le sens inverse, pour capturer des données à haut débit et les lire lentement sur des liaisons à débit limité. Une autre solution est les satellites relais de données. La NASA a des satellites dans GEO appelés TDRS, Tracking and Data Relay Satellites , qui relaient les commandes et la télémétrie des satellites LEO. Avant le TDRS, les astronautes ne pouvaient communiquer avec la Terre que sur environ 15 % de l'orbite, en utilisant 14 stations au sol de la NASA dans le monde. Avec TDRS, la couverture des satellites à basse altitude est mondiale, à partir d'une seule station au sol à White Sands, Nouveau-Mexique .

Une autre caractéristique unique des systèmes de télémétrie est l'autonomie. Les engins spatiaux nécessitent la capacité de surveiller leurs fonctions internes et d'agir sur les informations sans interaction avec le contrôle au sol. Le besoin d'autonomie trouve son origine dans des problèmes tels qu'une couverture au sol insuffisante, la géométrie des communications, le fait d'être trop près de la ligne Terre-Soleil (où le bruit solaire interfère avec les fréquences radio), ou simplement pour des raisons de sécurité. L'autonomie est importante pour que le système de télémesure ait déjà la capacité de surveiller les fonctions de l'engin spatial et que les systèmes de commande aient la capacité de donner les commandes nécessaires pour se reconfigurer en fonction des besoins de l'action à entreprendre. Il y a trois étapes à ce processus :

1. Le système de télémétrie doit être capable de reconnaître lorsqu'une des fonctions qu'il surveille s'écarte des plages normales.

2. Le système de commande doit savoir comment interpréter les fonctions anormales, afin qu'il puisse générer une réponse de commande appropriée.

3. Les systèmes de commande et de télémétrie doivent pouvoir communiquer entre eux.

Capteurs

Les capteurs peuvent être classés en deux catégories : les capteurs de santé et les capteurs de charge utile. Les capteurs de santé surveillent la fonctionnalité du vaisseau spatial ou de la charge utile et peuvent inclure des capteurs de température, des jauges de contrainte, des gyroscopes et des accéléromètres. Les capteurs de charge utile peuvent inclure des systèmes d'imagerie radar et des caméras IR. Alors que les capteurs de charge utile représentent une partie de la raison d'être de la mission, ce sont les capteurs de santé qui mesurent et contrôlent les systèmes pour assurer un fonctionnement optimal.

Voir également

• Avionique similaire pour avion

Les références

Liens externes

Électronique de vaisseau spatial et électronique spatiale