Kann ein Raumfahrzeug einen Beschleunigungsmesser verwenden, um seine Ausrichtung zu bestimmen?

Ich weiß, dass fast jedes Raumfahrzeug ein Gyroskop verwendet, um seine Ausrichtung zu bestimmen, aber ich weiß nicht, ob zusätzlich zu einem Magnetometer auch ein Beschleunigungsmesser zur Berechnung verwendet werden könnte.

Ich habe versucht, es herauszufinden, indem ich im Internet gesucht habe, aber alle Artikel sagen, dass dies nur möglich ist, wenn der Beschleunigungsmesser nur die Schwerkraft liest, mit anderen Worten, wenn er sich überhaupt nicht bewegt. Sie verwenden einen Schwerkraftvektor als Referenz und berechnen dann die erforderliche Drehung, um Körperkoordinaten in feste umzuwandeln. Bedeutet dies, dass diese Konfiguration nicht verwendet werden kann, um die Ausrichtung einer Rakete in Bewegung zu bestimmen, und sich auf die Gyroskopmessungen verlassen muss?

Antworten (2)

Wenn mehrere Beschleunigungsmesser um das Fahrzeug herum verteilt sind, können ihre Messwerte kombiniert werden, um die Winkelgeschwindigkeit (aus der Zentripetalbeschleunigung) und die Winkelbeschleunigung ziemlich einfach zu bestimmen. Es müssten wahrscheinlich mindestens 4 oder 5 vorhanden sein, um alle Freiheitsgrade abzudecken, mit einem am Schwerpunkt, um die lineare Beschleunigung aufzuheben.

Um daraus die Orientierung zu berechnen, müsste die Winkelgeschwindigkeit über die Zeit integriert werden. Bei dieser Integration ergeben sich die gleichen Ungenauigkeitsprobleme wie bei der Beschleunigungssensor-Positionsbestimmung. Die Position weicht mit der Zeit vom wahren Wert ab. Ein Gyroskop ist in dieser Rolle effektiver.

Magnetometer sind im Weltraum nützlich, müssen aber anders verwendet werden als auf der Erde. Normalerweise können sie auf der Erde als Kompass genommen werden, eine Trägheitsrahmenrichtung, die keine Gyroskopdrift aufweist, aber im Orbit ist es ein komplexeres Problem.

Anstelle der Zentripetalbeschleunigung könnte es genauer/zuverlässiger sein, Tangentialbeschleunigungen zu messen und diese zu integrieren, um Winkelbewegungen abzuleiten, als zu versuchen, Radialbeschleunigungen zu messen, die sich aus Rotationen ergeben. Aber Ihr Punkt zum Abdriften würde immer noch gelten. Gyroskope sind anfällig für Präzession, daher treten auch bei ihnen Genauigkeitsprobleme auf. Die genaueste Art, die Orientierung zu bestimmen, wäre das Anvisieren bekannter Fixpunkte, z. B. Sterne; entweder Beschleunigungsmesser oder Kreisel könnten verwendet werden, um die Moment-für-Moment-Orientierung mit periodischen Sichtungen zu bestimmen, um die Kalibrierung aufrechtzuerhalten.
@AnthonyX, das die Zentripetalbeschleunigung verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit zu erhalten, ist keine Integration, daher ist es nicht so driftanfällig wie das zweimalige Integrieren der Position auf mehreren Beschleunigungsmessern und das Bestimmen der Haltung auf diese Weise. Die zentripetale Methode beinhaltet nur eine Integration, um die Winkelposition zu erhalten. Die Genauigkeit würde davon abhängen, wie weit die Beschleunigungsmesser platziert würden.
@uhoh Ah, stimmt. Ich werde meine Antwort bearbeiten. Ich dachte an mein Beispiel des Virtual Reality Trainers an Bord der ISS. Es ist ein modifiziertes Oculus Rift, und das Tracking musste aufgrund einiger erdbasierter Annahmen in der Tracking-Hardware / -Software durch Inside-Out-Tracking mit einer Webcam ersetzt werden. Eine davon ist, dass das Magnetometer als unbewegte Referenzrichtung für den Boden verwendet wird. Im Weltall funktioniert das nicht.

Es hängt ein wenig davon ab, welche Technologie Sie meinen.

Die ursprünglichen Trägheitsnavigationssysteme verwendeten rotierende Gyroskope. Die waren und sind teuer.

Moderne MEMS-Trägheitsnavigationssysteme ( Beispiel ) verwenden keine rotierenden Gyroskope. Stattdessen erhalten sie Informationen sowohl zur Linear- als auch zur Winkelbeschleunigung (und Winkelgeschwindigkeit) von ihren MEMS-Beschleunigungsmesserbaugruppen. Das ist nicht perfekt, Grad/Stunden-Raten sind typisch, daher werden andere Systeme (einschließlich Horizont- und Sonnentracker und Magnetometer) verwendet, um langfristige Korrekturen vorzunehmen.

Die MEMS-Systeme basieren auf winzigen vibrierenden Elementen. Translations- und Winkelbewegungen beeinflussen die Vibration auf verschiedene Weise , die elektronisch erfasst und ausgelesen werden. Dies ist ein frühes Beispiel von Draper Labs, das wie eine große Reihe von Stimmgabeln funktionierte:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Eine lineare Bewegung wirkt sich auf alle Gabeln gleich aus, während eine Drehung sie unterschiedlich beeinflusst, und die Auslese- und Verarbeitungselektronik verwendet dies, um Messungen durchzuführen.

Kann ein Raumfahrzeug einen Beschleunigungsmesser verwenden, um seine Ausrichtung zu bestimmen?
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