phần mở đầu, đối tƣợng nghiên cứu chính của luận văn là hệ thống xác định và điều khiển tƣ thế vệ tinh, viêt tắt là ADCS, có chức năng xác định LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 chính xác tƣ thế của vệ tinh tại mọi thời điểm và điều khiển nó về tƣ thế mong muốn một cách tối ƣu. Đối với các vệ tinh nhỏ (dƣới 500kg), ADCS thƣờng phải đáp ứng các yêu cầu sau đây: - Phải đảm bảo độ chính xác cần thiết; - Đảm bảo tiêu hao năng lƣợng ít nhất, kích thƣớc và khối lƣợng ít nhất trong phạm vi có thể; - Đảm bảo độ tin cậy cao nhất có thể trong môi trƣờng vũ trụ, có khả năng làm việc liên tục trong thời gian dài; - Giá thành có thể chấp nhận đƣợc. Mọi hệ ADCS bao gồm 2 phân hệ con: phân hệ xác định tƣ thế và phân hệ điều khiển tƣ thế.1 Phân hệ xác định tư thế: Tƣ thế vệ tinh đƣợc xác định nhờ các cảm biến gắn trên vệ tinh nhƣ cảm biến hƣớng Mặt Trời, cảm biến hƣớng Trái Đất, cảm biến hƣớng sao… Bên cạnh đó sử dụng các thuật toán hiệu chỉnh thống kê để nâng cao độ chính xác và loại trừ nhiễu. Chất lƣợng của hệ ADCS phụ thuộc rất nhiều vào giới hạn của các cảm biến và cơ cấu chấp hành của nó.
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến để xác định tƣ thế và tốc độ góc của vệ tinh. Một hệ xác định tƣ thế vệ tinh thƣờng sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau.1 có so sánh một số loại cảm biến dựa theo tài liệu [10] và [11].1 Các loại cảm biến và tính năng kỹ thuật Loại cảm biến Độ chính xác điển Nhận xét hình Hƣớng Mặt Trời 0.005-4 độ Đơn giản, tin cậy, giá thấp, nhƣng có lúc bị Trái Đất che khuất Hƣớng Trái đất 0.05-1 độ Phụ thuộc vào vị trí trên quỹ đạo, thƣờng phải quét, giá khá cao Từ trƣờng 0.5-5 độ Kinh tế; phụ thuộc vào vị trí trên quỹ đạo; Chỉ dùng đƣợc cho quỹ đạo thấp; Độ chính xác không cao Cảm biến hƣớng sao 1 arcsec-1 arcmin Phức tạp, đắt tiền, chính xác nhất (1 arcmin = 1/60 của 1độ) Cảm biến quán tính 0.01 độ/h Có thể khá nặng, tốn năng lƣợng, giá khá cao, sai số tăng lên theo thời (các loại con quay) gian sử dụng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Phân hệ điều khiển tư thế: Bảng 1.2 Các phƣơng pháp điều khiển tƣ thế vệ tinh Phương pháp Độ Số trục Nhận xét Hình ảnh minh họa điều khiển chính điều xác khiển Ổn định tự quay 0.0 2 Là phƣơng pháp thụ (Spin độ động, đơn giản, thƣờng stabilization) đƣợc sử dụng kèm theo các phƣơng pháp khác. Ổn định trọng 1-5 độ 2 Thụ động, đơn giản, rẻ, trƣờng không thay đổi đƣợc tƣ (Gravity thế trên quỹ đạo. gradient) Nam châm vĩnh 2 Đơn giản, rẻ, độ chính cửu xác không cao, không thay đổi đƣợc tƣ thế, chỉ áp dụng cho vệ tinh nhỏ bay ở quỹ đạo thấp Thanh từ lực 1-2 độ 2 Chủ động, rẻ, đáp ứng (Magnetic chậm, chỉ áp dụng cho torquers) vệ tinh nhỏ bay ở quỹ đạo thấp Bánh xe động 0.1-1 độ 2 Chủ động, tốn năng lƣợng lƣợng, khối lƣợng lớn (Momentum wheel) Thiết bị đẩy 0.01-1 3 Chủ động, đáp ứng (Thruster) độ nhanh, tốn năng lƣợng, khối lƣợng lớn Bánh xe đối 0.001-1 3 Chủ động, đáp ứng ngẫu (Reaction độ nhanh, độ chính xác wheel) cao, đƣợc sử dụng nhiều.
Tuy nhiên tốn năng lƣợng, đắt, khối lƣợng và kích thƣớc lớn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 19 Phương pháp Độ Số trục Nhận xét Hình ảnh minh họa điều khiển chính điều xác khiển Con quay tạo 0.001-1 3 Chủ động, đáp ứng mômen điều độ nhanh, độ chính xác khiển CMG cao, Tuy nhiên tốn (Control năng lƣợng, đắt, khối Moment Gyro) lƣợng lớn. Điều khiển tƣ thế vệ tinh đƣợc chia làm 2 phƣơng pháp chính, đó là điều khiển thụ động (passive control) và điều khiển tích cực (active control). Phƣơng pháp điều khiển thụ động không có cơ cấu chấp hành, đƣợc sử dụng cho các vệ tinh có nhiệm vụ không cần độ chính xác cao, nhƣ vệ tinh ổn định tự quay (spin stablization), vệ tinh ổn định theo gradient trọng trƣờng trái đất (gravity gradient stablization) và vệ tinh ổn định bằng nam châm vĩnh cửu.
Điều khiển thụ động không tiêu tốn năng lƣợng, tƣơng đối đơn giản và rẻ tiền. Phƣơng pháp điều khiển tích cực là sử dụng các cơ cấu chấp hành gắn trên vệ tinh nhƣ các thiết bị đẩy, các bánh xe đối ngẫu hay thanh từ lực để thay đổi các góc xác định tƣ thế vệ tinh. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng đối với các vệ tinh quan sát Trái Đất, khi cần hƣớng thiết bị quan sát vào một vùng cụ thể trên mặt đất với độ chính xác cao.2 cho so sánh một số phƣơng pháp điều khiển tƣ thế vệ tinh dựa theo tài liệu [11] và [16]. Hai phân hệ nói trên phối hợp với nhau chặt chẽ, tạo thành 1 hệ ADCS thống nhất.
Có thể mô tả nguyên lý điều khiển tƣ thế vệ tinh theo sơ đồ sau: Tư thế mong muốn Phân hệ điều khiển tư thế vệ tinh Tư thế vệ tinh Các thuật toán điều Cơ cấu chấp hành trong không khiển tư thế vệ tinh gian Tư thế Các thuật toán xác Cảm biến tính toán định tư thế vệ tinh Phân hệ xác định tư thế vệ tinh Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tƣ thế vệ tinh Nhƣ vậy hệ thống ADCS có thể phân ra thành hệ thống bao gồm phần cứng (các cảm biến và cơ cấu chấp hành) và phần mềm (phần mềm xử lý tín hiệu để xác định tƣ thế vệ tinh và phần mềm lập lệnh để điều khiển tƣ thế vệ tinh). Với các máy tính ngày nay có tốc độ tính toán nhanh và bộ nhớ lớn, các phần mềm này thƣờng đƣợc thực hiện trên một máy tính trên khoang (OBC) đồng thời với việc xử lý các dữ liệu của các phân hệ khác (phân hệ TT&C, C&HDS…). Vì vậy ngƣời ta thƣờng không xếp OBC riêng vào phân hệ nào. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Hệ thống ADCS trên vệ tinh nhỏ QSTĐ Hệ thống ADCS trên các vệ tinh nhỏ QSTĐ về cơ bản không khác với hệ thống ADCS của các loại vệ tinh khác nhƣ vệ tinh viễn thông, vệ tinh khoa học, vệ tinh quân sự …Tuy nhiên, đối với loại vệ tinh này độ chính xác hướng trỏ (pointing accuracy) của trục thiết bị chụp ảnh có ý nghĩa quyết định đối với chất lƣợng và số lƣợng ảnh.
Có thể lấy ví dụ sau để minh hoạ điều đó. Nếu vệ tinh nhỏ bay trên quỹ đạo với độ cao H=700km thì khi camera “nhìn “ thẳng xuống đất (theo hƣớng xuyên tâm - thƣờng gọi là hƣớng nadir), sai số 1 độ của trục quang học sẽ tƣơng ứng với sai số định vị trên mặt đất khoảng hơn 12 km. Khi nhìn lệch so với hƣớng xuyên tâm thì sai số định vị sẽ lớn hơn. Nhƣ vậy, trong ví dụ trên, nếu muốn đạt độ chính xác định vị khu vực chụp đến 10m thì sai số hƣớng trỏ trục quang học của camera phải nhỏ hơn 10-3 độ.
Tất nhiên nếu yêu cầu độ chính xác hƣớng trỏ càng cao thì giá thành của vệ tinh càng cao. Thông thƣờng các vệ tinh quan sát Trái Đất có độ chính xác hƣớng trỏ vào khoảng 10-3 đến 10-1 độ tuỳ theo mục đích sử dụng. Ngoài ra, để có thể chụp ảnh đƣợc rõ nét, hệ thống ADCS phải duy trì tƣ thế vệ tinh ổn định, tránh làm camera bị độ rung lắc mạnh (dao động tần số cao-jitter). Một thông số đặc trƣng nữa của hệ thống ADCS của vệ tinh QSTĐ là tốc độ đổi hướng trỏ (slew rate) hay là độ linh hoạt (agility) của payload.
Giả sử ADCS có thể điều khiển vệ tinh (hoặc trục quang học của camera) nghiêng đi 10 độ trong thời gian 100s thì tốc độ đổi hƣớng trỏ là 0,1 độ/s. Tốc độ này càng nhanh thì vệ tinh đƣợc sử dụng càn linh hoạt hơn và diện tích trên mặt đất mà vệ tinh có khả năng chụp đƣợc trong một đơn vị thời gian cũng sẽ nhiều hơn. Tuy nhiên các cơ cấu chấp hành cũng phải có công suất lớn hơn và sẽ nặng hơn, giá thành cao hơn. Thông thƣờng tốc độ đổi hƣớng trỏ của các vệ tinh quan sát Trái Đất chỉ vào khoảng 0,1 độ/s-0,4 độ/s.
Cũng cần nói thêm là các yêu cầu về độ chính xác và tốc độ đổi hƣớng trỏ đối với góc chúc ngóc (roll) và góc nghiêng (pitch) không nhất thiết phải nhƣ nhau. Ví dụ, theo thiết kế, độ chính xác và tốc độ đổi hƣớng trỏ của payload quang học của vệ tinh VNREDSat-1 đƣợc mô tả trong Bảng dƣới đây: Bảng 1.3 Độ chính xác và tốc độ đổi hƣớng trỏ của payload quang học của vệ tinh VNREDSat-1 Góc roll Góc pitch Độ chính xác định vị so với Nadir từ độ 1000m 300m cao 680km Tốc độ đổi hƣớng trỏ 30độ/90s 30độ/70s 1.1 Các cảm biến Để xác định tƣ thế vệ tinh quan sát Trái Đất, ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại cảm biến sau đây: cảm biến hƣớng Mặt Trời (Sun sensor), cảm biến hƣớng sao (star sensor), cảm biến hƣớng Trái Đất (Earth sensor, còn gọi là cảm biến đƣờng chân trời - horizon sensor), từ kế (magnetometer), cảm biến con quay (gyros). Cảm biến từ kế đo vectơ từ trƣờng Trái Đất (theo nguyên lý đơn giản nhƣ la bàn từ - magnetic compass), có khác là la bàn chỉ xác định vectơ từ trƣờng trong mặt phẳng ngang địa phƣơng, còn từ kế trên vệ tinh xác đinh cả góc chúc ngóc (so với mặt phẳng ngang địa phƣơng). Từ kế đơn giản, gọn nhẹ và rẻ tiền, tuy nhiên độ chính xác không cao (khoảng 0,5-5 độ).
Để tăng độ chính xác của từ kế ngƣời ta có thể dùng cơ sở dữ liệu về từ trƣờng Trái Đất ở các toạ độ khác nhau nạp vào máy tính trên khoang. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 21 Cảm biến con quay loại 3 bậc tự do có thể xác định đƣợc tƣ thế góc của khí cụ bay nhƣ máy bay, tên lửa với độ chính xác khá cao, tuy nhiên ít sử dụng trên vệ tinh vì có độ trôi (drift) dẫn đến sai số tăng dần theo thời gian, mà thời gian bay của vệ tinh thƣờng lên tới vài năm. Vì vậy muốn sử dụng con quay để đo góc cần phải thƣờng xuyên hiệu chỉnh bằng cảm biến hƣớng sao, hoặc cảm biến hƣớng Mặt Trời. Để đảm bảo chất lƣợng điều khiển không những cần các cảm biến đo các góc xác định tƣ thế vệ tinh trong không gian, mà còn phải đo cả tốc độ góc quay quanh 3 trục.
Về nguyên tắc nếu đã đo đƣợc góc thì có thể tính ra tốc độ quay bằng cách lấy đạo hàm theo thời gian.