بخشی از مقاله
چکیده
شبیه ساز دینامیکی موقعیت و وضعیت ماهواره به منظور بررسی رفتار و نحوه حرکت ماهواره در فضا طراحی شده است. در این شبیهساز، کلیه اغتشاشات خارجی موجود در مدارهاي پایین که بر نحوه حرکت ماهواره در فضا تأثیرگذار است، درنظرگرفته شده است. به منظور بررسی نحوه اجراي مانور وضعیت در ماهواره هاي مدار پایین از یک مجموعه کامل چهارتایی چرخهاي عکس العملی به همراه کنترلر کلاسیک که از قاعده ماتریس خطاي کواترنیون تبعیت میکند، استفاده گردیده و تأثیرات خارجشدن یک چرخ عکسالعملی از مجموعه بررسی شده است. معماري سیستم شبیهساز شامل سه قسمت اصلی رابط کاربر، کنترل شبیه سازي و مدلها تشریح میگردد.
مقدمه
در سالهاي اخیر، سیستمهاي ماهوارهاي توسعه چشمگیري پیدا کردهاند، بهگونهاي که براي مقاصد مخابراتی بهجاي استفاده از ماهوارههاي زمینآهنگ از چندین ماهواره با مدارهاي پایینتر نظیر ماهوارههاي مدار پایین - قغع - و ماهوارههاي مدار متوسط - قغق - در قالب یک سیستم ماهوارهاي استفاده میشود. تحلیل مداري این ماهوارهها از اهمیت فوقالعادهاي برخوردار است؛ این مهم نه تنها براي هر ماهواره بهطور مستقل، بلکه براي موقعیتسنجی و بررسی وضعیت نسبی ماهوارهها در یک مجموعه نیز حائز اهمیت است.
یکی از کاربردهاي مهم واقعیت مجازي در صنعت فضایی، تهیه و تدوین شبیهسازهاي انواع فضاپیما، براي مقاصد آموزشی در ردههاي مختلف آماتوري یا حتی پیشرفته است. واقعیت مجازي، طراحان مدار را نیز قادر میسازد تا حرکت ماهواره را در مدار به صورت واضح به کمک یک سیستم کامپیوتري بهراحتی مشاهده کنند و نقطه و جهت دید را به دلخواه تغییر دهند. این سامانه نه تنها براي مقاصد تحلیل مداري و طراحی آن، بلکه براي ارائه حرکتهاي ماهواره براي غیرمتخصصان دینامیک و کنترل پرواز مانند اپراتورهاي عملیات و کاربران ماهوارهها مفید است. این سامانه براي یافتن پارامترهاي بهینه مداري، عملیاتی و عملکردي ماهوارهها نیز مفید است
گذشته از آنچه به عنوان مزایاي شبیهسازي شش درجه آزادي در محیط واقعیت مجازي ذکر گردید، فواید دیگري نیز بر استفاده از واقعیت مجازي مترتب است. امروزه نه تنها براي تحلیل حرکت شش درجه آزادي فضاپیما، بلکه براي شبیهسازي کامل مأموریت یک فضاپیما از لحظه پرتاب تا قرار گرفتن در مدار عملیاتی و انجام مأموریتهاي محوله، از شبیهساز واقعیت مجازي استفاده میکنند. در واقع فرایند اعتبارسنجی مأموریت به کمک شبیهسازي انجام میشود و از آن بهعنوان »اعتبارسنجی در حلقه« یاد میشود .[3-2] در برخی موارد دیگر، سایر زیرسیستمهاي ماهواره، نظیر زیرسیستم ناوبري نیز در محیط مجازي شبیهسازي شده است.
حرکتهاي مداري ماهوارهها اغلب به کمک روشهاي تحلیلی یا محاسبات عددي براساس معادلات دینامیکی حرکت مداري و بررسی شش المان مداري هر ماهواره انجام میگیرد. در این مقاله با استفاده از روش هاي حل عددي، رفتار یک ماهوارة نمونه تحت تأثیر اغتشاشات موجود در مدارهاي پایین که بر نحوة حرکت ماهوارهها در فضا تأثیرگذار است، بررسی میگردد. همچنین ازآنجاکه سیستمهاي کنترل وضعیت ماهوارههاي امروزي اکثراً از نوع کنترل فعال است و دقتهاي جهتگیري در آنها بسیار افزایش یافته است، براي بالا بردن قابلیت اطمینان، لازم است در محیط شبیهسازيشده، سیستم کنترل وضعیت نیز آزمایش گردد. بدین منظور براي بررسی رفتار ماهواره در زمان مانورهاي وضعیت از عملگر چرخهاي عکسالعملی استفاده شده است. همچنین بهمنظور قابلیت اجراي مانورهاي بزرگ ماهواره در مدل شبیهسازيشده از یک کنترلر کلاسیک که از قاعدة ماتریس خطاي کواترنیون پیروي میکند، استفاده شده است.
در ادامه، معماري شبیهساز مجازي، شبیهسازي مدل گرافیکی و دینامیکی مرکز جرم و وضعیت ماهواره در مدارهاي مختلف، اغتشاشات وارده و کنترلر ارائه میگردد.
معماري شبیهساز مجازي
در شکل 1 معماري سیستم شبیهساز را مشاهده میکنید که از سه قسمت اصلی رابط کاربر، کنترل شبیهسازي و مدلها تشکیل شده است و همگی از مخزن داده مشترك استفاده میکنند. رابط کاربر شامل مدلساز سهبعدي و برنامه کاربر است. در واحد کنترلِ شبیهسازي، مدیریت رویدادها، همگامسازي بخشهاي مختلف و ارائه سرویسهاي مشترك صورت میگیرد.
مدلها شامل مدل دینامیک مداري، دینامیک وضعیت، تولید دادههاي تلهمتري، تفسیر تلهکامند، تأمین انرژي، کنترل حرارت و محموله است.
شکل .1 معماري شبیهساز مجازي
رابط کاربر
رابط کاربر شامل مدلساز سهبعدي و برنامه کاربر است. مدلساز سهبعدي مسئول تولید تصاویر سهبعدي از ماهواره، زمین و دیگر اجرام سماوي با توجه به زمان و وضعیت فعلی ماهواره است. این تصاویر به کمک نرمافزارهاي متن باز براي نمایش همزمان بر روي سه پردة مجزا تولید میشود. مدلساز سهبعدي امکان تولید تصاویر برجسته و دسترسی به مخزن داده مشترك را براي آن فراهم میسازد
کاربران براي تعامل با شبیهساز از برنامه کاربر استفاده میکنند. این برنامه به کاربران اجازه میدهد تا با تعیین زمان شروع، تعیین مقیاس زمانی ، دستور شروع/ توقف و دستور مکث/ ادامه، ر وند شبیهسازي را کنترل کنند . همچنین کاربر میتواند همراه با مشاهدة دادههاي تلهمتري با توج ه به وضعیت ماهواره اقدام به ارسال تلهکامن دهاي تعبیهشده در سیستم کند یا حتی یک برنامه زمانبندي براي اجرا تنظیم کرده و به ماهواره ارسال کند . در شکل 2 و 3 نماهایی از برنامه کاربر را مشاهده میکنید.
شکل .2 نمایی از سربرگ کنترل مدار
شکل .3 نمایی از سربرگ کنترل وضعیت
