El sistema de control de actitud es un componente de una nave espacial ( satélite artificial , nave espacial , estación espacial o lanzador ) cuya función es controlar la actitud de la nave espacial (es decir su orientación en el espacio ), instrumentos y paneles solares para cumplir con los necesidades de la misión. El sistema de control de actitud está compuesto por varios sensores (para determinar su posición), actuadores (para modificar la orientación) y software (para controlar el conjunto). Se utilizan diferentes tecnologías. En un satélite artificial, el control de actitud es parte de la plataforma .
El sistema de control de actitud significa todos los equipos y algoritmos implementados de forma independiente en una nave espacial : satélite artificial , nave espacial , estación espacial o vehículo tripulado, para permitirle controlar con precisión su actitud, es decir, su orientación en el espacio alrededor de su centro de gravedad. .
El control de actitud se distingue del control de órbita, que consiste en controlar la posición (y sus derivadas) del centro de gravedad de la nave espacial en el espacio. Sin embargo, los controles de actitud y órbita a menudo están estrechamente relacionados, y un satélite artificial suele estar equipado con un “ sistema de control de actitud y órbita ” (SCAO).
El control de actitudes, a través de la diversidad y complejidad de las disciplinas de ingeniería que implementa, se ha convertido en una disciplina por derecho propio, practicada por unos pocos especialistas que trabajan con actores importantes en el sector espacial o en la academia. Este campo involucra la mecánica, la física, la automática y las matemáticas (principalmente álgebra).
El control de actitud realiza dos funciones esenciales:
El sistema de control de actitud ( ACS ) asegura el apuntado:
Además de controlar la orientación, el SCA es necesario para orientar elementos extraíbles (paneles solares, plataforma de instrumentos, etc.).
Hay dos categorías de control de actitud: control activo y control pasivo. El control pasivo tiene las ventajas de ser robusto, económico, simple y no consume energía. Sin embargo, esto tiene una precisión de puntería limitada y no permite obtener todas las posturas. Por lo tanto, la orientación activa se utiliza en la mayoría de los satélites grandes.
En cuanto al control pasivo, existen dos tipos de control pasivo: estabilización del gradiente de gravedad y estabilización magnética. El gradiente de gravedad usa la asimetría del satélite y el campo de gravedad, mientras que la estabilización magnética usa un imán para alinear el satélite con el campo magnético de la tierra.
En cuanto al control activo, existen dos métodos de control principales:
También existen vehículos de doble giro que mezclan los dos últimos conceptos, que consisten en un cuerpo estabilizado en actitud y otro girado (como la sonda espacial Galileo ).
Para hacer que el satélite gire alrededor de un eje, se utiliza el principio de acción-reacción , en dos formas posibles.
También se pueden mencionar los magnetoacopladores , que utilizan el campo magnético terrestre para aplicar un par externo al satélite y modificar así el momento angular global del satélite.
Un sistema de control de actitud y órbita (SCAO) se divide en tres subconjuntos principales:
La posición de un vehículo espacial (restablecimiento de la órbita) se determina generalmente a partir de mediciones realizadas por estaciones terrenas . Por lo tanto, la mayoría de los sensores que se encuentran en los SCAO se utilizan para medir la actitud.
Sensores ópticosUn solo punto en la esfera celeste (estrella, Sol) no es suficiente para definir la actitud de un vehículo espacial. De hecho, un punto en la esfera celeste se define por su ascensión recta y su declinación, mientras que se necesitan tres ángulos independientes (precesión, nutación, rotación adecuada) para definir de manera única la actitud de un vehículo espacial.
Receptor de estrellasSe trata de una cámara (normalmente un sensor de imagen CCD , pero en el futuro el sistema Advanced Photo System (en) ) (APS), que toma imágenes de una zona del cielo. Mediante el análisis del campo de estrellas en la imagen y el uso de un catálogo de estrellas a bordo, se puede determinar la posición de un vehículo espacial. También se puede utilizar de forma más sencilla para seguir el movimiento de las estrellas en el campo con el fin de determinar la variación de actitud: este modo de funcionamiento se utiliza generalmente para detener la rotación de la nave espacial en relación con un marco de referencia inercial (de hecho, vinculado a estrellas) ; estos sensores permiten obtener la mayor precisión en las mediciones de actitud. Para los telescopios espaciales, el instrumento se utiliza a menudo como rastreador de estrellas. En efecto, la resolución de una cámara, debido a la difracción (no hay turbulencia atmosférica en el espacio), está esencialmente vinculada al diámetro del dispositivo óptico que capta la luz (espejo o lente primaria), el uso del instrumento principal como El sensor de actitud permite lograr una precisión bajo el segundo de arco , a menudo necesaria para las observaciones.
Sensor de tierraUn sensor de infrarrojos con un mecanismo de exploración de haz (o montado en un vehículo espacial giratorio) que es sensible a la emisión de infrarrojos del disco terrestre; puede detectar el horizonte de la tierra con una precisión de unos pocos minutos de arco .
Captor solarEl Sol , con su diámetro a medio grado de la Tierra , es una simple referencia de actitud; algunos colectores solares determinan la posición del Sol con una resolución mejor que el minuto de arco, otros simplemente indican su presencia en un campo de visión.
Sensores inerciales GirómetroHay varias tecnologías de girómetros : girómetro mecánico de uno o dos ejes, girómetro láser, girómetro de fibra óptica (láser), girómetro resonante. Todos estos instrumentos permiten determinar la variación de actitud en cualquier momento (las componentes del vector de velocidad de rotación en un marco de referencia inercial a lo largo del eje o ejes del girómetro); la medición debe estar integrada para obtener la actitud de la nave espacial. Entonces, la incertidumbre sobre la actitud a la salida de un girómetro se deteriora con el tiempo.
AcelerómetroUn acelerómetro permite determinar la aceleración del vehículo espacial por acciones de contacto (es decir, excluyendo los efectos gravitacionales). Integrando una vez, podemos encontrar la velocidad, integrando dos veces, la posición.
Otros sensores Magnetómetro de inducciónEl magnetómetro de inducción (o fluxímetro ) es un instrumento que mide la variación, a lo largo del tiempo, del flujo del campo magnético a través de una superficie fija en relación con el vehículo espacial. Se utiliza principalmente en vehículos espaciales giratorios en órbita terrestre baja .
Magnetómetro FluxgateEl magnetómetro fluxgate es un instrumento que mide la proyección del campo magnético en las proximidades de la nave espacial sobre un eje. Utilizando el mapa del campo magnético terrestre y tres magnetómetros (en teoría, dos son suficientes, si conocemos con precisión el módulo del campo magnético terrestre en el punto y en el momento considerado), conociendo la posición en órbita, podemos obtener ( incompleta) información sobre la actitud de la nave espacial. Estos instrumentos son sensibles a las perturbaciones electromagnéticas generadas por los equipos de los vehículos espaciales (en particular, los actuadores de par magnético) y, por lo tanto, a menudo están lejos de los dispositivos perturbadores (por ejemplo, colocándolos en el extremo de un poste unido a la carrocería del vehículo espacial). Los magnetómetros en SCAO también se pueden utilizar para determinar con precisión el campo magnético de la tierra con el fin de calcular el accionamiento en actuadores de par magnético ( magnetoacopladores ). Como la intensidad del campo magnético disminuye rápidamente con la altitud, el uso de magnetómetros para determinar la actitud se reserva para los satélites en órbita terrestre baja.
Receptor GPSLos satélites en órbita terrestre baja pueden utilizar información de los sistemas de posicionamiento por satélite ( GPS , GLONASS , EGNOS, etc.) para determinar su posición.
Interferómetro de radioLa medición interferométrica del desfase entre las señales de varios receptores (antenas colocadas en el vehículo espacial) que escuchan una onda de radio (emitida por ejemplo por un satélite GPS), permite obtener información sobre la actitud del vehículo espacial, si la dirección del incidente se conoce en un marco de referencia.