Wie steuert New Horizons seine Haltung?

Ich werde versuchen, Ihre allgemeine Frage mit der Anwendung auf die Raumsonde New Horizons der NASA zu beantworten .

Das Subsystem AOCS/GNC (Attitude and Orbital Control System / Guidance Navigation and Control) sorgt dafür, dass ein Raumschiff auf einen bestimmten Punkt im Raum zeigt, bestimmt die s/c-Lage und nimmt Flugbahnkorrekturen vor.

Vereinfacht gesagt ist ein AOCS-System also aufgebaut aus:

• Sensoren (Star-Tracker, Erdsensor, Magnetometer IMU usw.)
• Aktoren (die verschiedenen Triebwerke, Reaktionsräder, Magnetorquers)
• Steueralgorithmus (z. B. C-Code).

Um dies ins rechte Licht zu rücken, benötigen Sie ein einfaches Diagramm, um die Grundlagen der Steuerungstechnik zu verstehen:

^{Eine typische Rückkopplungsschleife mit einem Eingang und einem Ausgang mit Beschreibungen für die verschiedenen Teile. Bild: Wikimedia Commons}

Ich werde nicht zu sehr ins Detail gehen. Im Wesentlichen: Sie versuchen, den Fehler basierend auf sensorischem Feedback zu minimieren, indem Sie die S / C-Aktuatoren steuern.

Gemäß der Missionsbeschreibung des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), Seite Spacecraft Systems and Components , hat New Horizons das folgende GNC-System:

Die Bestimmung der Lage – das Wissen, in welche Richtung New Horizons zeigt – wird mithilfe von Sternverfolgungskameras, Trägheitsmesseinheiten (mit ausgeklügelten Gyroskopen und Beschleunigungsmessern, die Rotation und horizontale/vertikale Bewegung messen) und digitalen Sonnensensoren durchgeführt. Die Lagesteuerung für das Raumfahrzeug – ob in einem stabilen, dreiachsigen Ausrichtungsmodus oder in einem drallstabilisierten Modus – wird unter Verwendung von Triebwerken erreicht.

Die IMUs und Sterntracker liefern konstante Positionsinformationen an den Guidance and Control-Prozessor des Raumfahrzeugs, der wie der Command and Data Handling-Prozessor ein 12-MHz-Mongoose V ist. New Horizons trägt aus Redundanzgründen zwei Kopien jeder dieser Einheiten. Die Sternverfolgungskameras speichern eine Karte mit etwa 3.000 Sternen; 10 Mal pro Sekunde schießt eine der Kameras ein Weitwinkelbild des Weltraums, vergleicht die Positionen der Sterne mit der Karte an Bord und berechnet die Ausrichtung des Raumfahrzeugs. Die IMU liefert 100 Mal pro Sekunde Bewegungsinformationen. Wenn die Daten zeigen, dass sich New Horizons außerhalb einer vorbestimmten Position befindet, feuern kleine Hydrazin-Triebwerke, um das Raumschiff neu auszurichten. Die Sonnensensoren unterstützen die Sternentracker; Sie würden New Horizons finden und auf die Sonne richten (mit der Erde in der Nähe), wenn die anderen Sensoren im Notfall nicht nach Hause finden könnten.

Die Bediener verwenden Triebwerke, um das Raumfahrzeug zu manövrieren, das keine internen Reaktionsräder hat. Seine kleineren Triebwerke werden für die Feinausrichtung verwendet; Triebwerke, die etwa fünfmal stärker sind, werden während der Flugbahnmanöver verwendet, die New Horizons zu ihren Zielen führen. New Horizons dreht sich – typischerweise mit 5 Umdrehungen pro Minute (U/min) – während Flugbahnkorrekturmanövern und langen Funkkontakten mit der Erde und während sie während langer Kreuzfahrtperioden „überwintert“. Bediener stabilisieren und richten das Raumfahrzeug während wissenschaftlicher Beobachtungen und Überprüfungen von Instrumentensystemen aus.

Laut der Website von NASA New Horizon

New Horizons wurde hauptsächlich in einem Spin-stabilisierten Modus betrieben, während es zwischen Planeten kreuzte, und auch in einem dreiachsigen „Zeige“-Modus, der das Zeigen oder Scannen von Instrumenten während Kalibrierungen und Planetenbegegnungen (wie dem Jupiter-Vorbeiflug und natürlich bei Pluto). Es gibt keine Reaktionsräder auf dem Raumschiff; Kleine Triebwerke im Antriebssystem übernehmen das Zeigen, Drehen und Kurskorrekturen.

Die Lagemessung erfolgt durch eine Trägheitsnavigationseinheit (Gyroskope) und durch modifizierte Galileo Avionica A-STR Sterntracker .

Plutos Position wird nicht vom Raumschiff gemessen . Während der Begegnung ist das Raumschiff so vorprogrammiert, dass es zum Zeitpunkt Y in Richtung X zeigt, und sie müssen hoffen, dass sich Pluto im Bild befindet. (Quelle: die National Geographic Dokumentation „Mission Pluto“)

Aus einem kürzlich erschienenen Artikel der Washington Post :

Ich fragte den Projektleiter Glen Fountain, ob es möglich sei, dass das Raumschiff in die falsche Richtung dreht und Fotos vom leeren Raum macht, und er sagte nein – es sei denn, die Ephemeridendaten lägen weit daneben.

Hervorhebung von mir: Sie verwenden auf der Erde gesammelte Ephemeridendaten sowie Navigationsbilder, die von den Hauptkameras von NH erstellt und auf der Erde interpretiert werden.

Für die Lageregelung verwendet NH 12 Aerojet MR-103H Hydrazin-Triebwerke, die ausgewählt wurden, weil sie für Intervalle von nur 4 ms betrieben werden können. Ein einzelnes Magnetventil steuert die eingespritzte Kraftstoffmenge. Da dies ein Monotreibstoff ist, besteht keine Unsicherheit über das Mischen von Treibmittel und Oxidationsmittel, und der Schub ist selbst bei diesen kurzen Ausbrüchen vorhersehbar. Das Ergebnis ist, dass das Fahrzeug allein mit Triebwerken genau genug ausgerichtet werden kann.