بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، مود آرامسازی سرعت زاویهای اولیه یک ماهواره عملیاتی مخابراتی در بستر آزمون سختافزار در حلقه، با عملگر گشتاوردهنده مغناطیسی، طراحی و پیادهسازی شده و نتایج تجربی ارائه شده است. در این راستا مدل میدان مغناطیسی کره زمین توسط سیمپیچ هلمهولتز ساخته شده و ماهواره با قرار گرفتن بر روی میز سه درجه آزادی درون میدان مغناطیسی معادل موقعیت مداری، قرار داده شده است.
سیستم کنترل که بر روی یک برد پردازشی دیجیتال پیاده شده است، با اندازهگیری میدان مغناطیسی و تغییرات آن، اقدام به تحریک عملگرهای گشتاوردهنده مغناطیسی ماهواره نموده بطوری که از تعامل دو میدان، نهایتاً گشتاور ترمزی ایجاد شده و سرعت زاویهای اولیه ماهواره مستهلک میشود. ملاحظات و محدودیتهای عملی ویژهای، از جمله عدم همزمانی کارکرد عملگر و حسگر مغناطیسی، در پیادهسازی تجربی این مود عملیاتی وجود دارد که مورد توجه قرار گرفتهاند. نتایج تجربی، نشاندهنده عملکرد مناسب سیستم کنترل در مستهلک نمودن اندازه سرعت زاویهای سهمحوره ماهواره به مقدار کمتر از 0/3 درجه بر ثانیه است.
-1 مقدمه
امروزه ماهوارهها با انجام مأموریتهایی نظیر ارتباط مخابراتی، تصویربرداری، هواشناسی، کیهانشناسی، پایش اراضی و منابع آبی و غیره نقش مهمی در پیشبرد علم و فناوری و زندگی بشر دارند. در میان اجزاء مختلف یک ماهواره، زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت از اهمیت خاصی برخوردار است. نشانهروی به سمت زمین، مانور انتقال مداری، آرامسازی سرعت زاویهای و تعیین وضعیت وظیفه این زیرسیستم میباشد .[1] یک ماهواره پس از جدایش از پرتابگر، دارای سرعت زاویهاینسبتاً زیاد در سه محور خود می باشد که برای انجام مانورهای کنترل وضعیت، ابتدا باید سرعت زاویهای اولیه ماهواره مستهلک شود که در مود آرامسازی - Detumbling - این کاهش سرعت انجام میشود
گشتاوردهندههای مغناطیسی، تراسترهای دو وضعیتی و چرخهای عکسالعملی عملگرهای رایج مورد استفاده در سیستم کنترل وضعیت ماهواره هستند. از طرفی برای تعیین وضعیت نیز حسگرهای مغناطیسی، ژیروسکوپ، حسگر ستاره، حسگر خورشید و حسگرهای افق وجود دارد .[3] عملگر تراستر، سطح گشتاور بالایی را در زمانهای کوتاه تولید میکند و کنترل با این عملگر بصورت غیرخطی دو وضعیتی روشن-خاموش میباشد.
نیازمندی به مخزن سوخت، تغییر جرم سوخت و بوجود آمدن پدیده تلاطم سوخت و بوجود آمدن چرخه حدی در کنترل، از مشکلات استفاده از تراسترهاست .[4] در مقابل، عملگرهای مغناطیسی، گشتاورهای کمی تولید مینمایند و مشکلات کمتری نسبت به تراسترهای دو وضعیتی از نظر تغییر دینامیک ماهواره، دارند اما نیازمند زمان بیشتری برای کنترل است .[5] آرامسازی سرعت زاویهای ماهواره با هر دو عملگر مذکور متداول است. بطور نمونه در مراجع [9-6] از عملگر تراستر دو وضعیتی و در مراجع [12-10] از عملگر مغناطیسی برای مستهلک نمودن سرعت زاویهای اولیه ماهواره استفاده شده است.
مودهای کنترلی ماهواره، در آزمونهای نرمافزار و سختافزار در حلقه، بررسی میشود. جهت بررسی صحت الگوریتم کنترلی مود آرامسازی ماهواره، نیاز به طراحی و ساخت بستری وجود دارد که محیط فضا را از منظر سیستم کنترل وضعیت شبیهسازی نماید. وجود میدان مغناطیسی معادل فضا و همچنین بستر بدون اصطکاک برای انجام مانور ماهواره چالشی اساسی در پیادهسازی این آزمون است. لذا در این مقاله با توجه به این ضرورت، بستر تست سختافزار در حلقه شامل سیمپیچ هلمهولتز جهت شبیهسازی میدان مغناطیسی معادل، مدل ماهواره با عملگرها و حسگرهای مغناطسی، میز سه درجه آزادی برای مانور ماهواره در بستر بدون اصطکاک، برد پردازشی جهت خوانش دادههای حسگرها و اعمال قانون کنترلی، راهانداز عملگرهای مغناطیسی، بستر انتقال داده بصورت رادیویی و نرمافزار مانیتورینگ بصورت عملی پیادهسازی میشود.
-2 کنترل سرعت زاویهای ماهواره
ماهواره پس از جدایش از پرتابگر، در اثر نیروهای بیرونانداز پرتابگر و اغتشاشات وارده، بصورت نامنظم در هر سه محور شروع به چرخش مینماید. با توجه به مأموریت تعریف شده، برای مانورهای وضعیت، نیاز به مستهلک نمودن سرعت زاویهای اولیه ماهواره است، البته در ماهوارههای دورانپایدار ممکن است از چرخش یک یا چند محور برای پایدارسازی استفاده شود .[2] مقدار مستهلکسازی سرعت زاویهای اولیه با توجه به الزامات مأموریتیمتفاوت است، معمولاً سرعتهای کمتر از 1 درجه بر ثانیه در هر سه محور مورد نظر است.
مستهلکسازی سرعت اولهی ماهواره معمولاً با عملگرهای تراستر و گشتاوردهنده مغناطیسی انجام میشود. عملگرهای تراستر دو وضعیتی با سرعت بالا و با ارائه سطح بالای گشتاور اعمالی، به سرعت آرامسازی را انجام میدهند، اما رسیدن به چرخه حدی، نیازمندی به سوخت و تغییر دینامیک ماهواره به دلیل تغییر جرم سوخت چالشهای استفاده از این عملگرهاست. عملگرهای مغناطیسی از تعامل دو بردار مغناطیسی زمین و عملگر، گشتاور ایجاد مینمایند، برای آرامسازی ماهواره، نیاز به زمان بیشتری دارند اما مشکلات تراسترها را ندارند.
عدم همزمانی کارکرد حسگر و عملگر مغناطیسی، تخلیه انرژی ذخیره شده در سیمپیچ عملگر از جمله چالشهای استفاده از این عملگرهاست. اساس کار آرامسازی با روش مغناطیسی، تزریق جریان به عملگرهاست بطوری که از تعامل دو میدان مغناطیسی زمین و پیچه یک گشتاور ترمزی ایجاد شود. از نگاه دیگر، اساس این الگوریتم، مخالف عملکرد یک موتور جریان مستقیم است. بنابراین این مود نیاز به اندازهگیری بردار میدان مغناطیسی زمین و بردار سرعتهای زاویهای ماهواره است.
در مرجع [10] اثبات شده است که در صورت اعمال یک میدان مغناطیسی، مخالف تغییرات میدان مغناطیسی زمین، میتوان سرعت زاویهای اولیه ماهواره را مستهلک نمود که بطور خلاصه در روابط 1 تا 3 بیان شده است. در این رابطه B بردار میدان مغناطیسی، C ضریب ثابت، بردار مومنتوم تولیدی، سرعت زاویهای ماهواره، ممان اینرسی ماهواره و بردار گشتاور تولیدی توسط گشتاوردهنده مغناطیسی است.
مطابق رابطه - - 2 مومنتوم ایجاد شده حاصل ضرب خارجی میدان مغناطیسی فضا و میدان مغناطیسی تولیدشده توسط سیمپیچ میباشد. سرعت زاویهای ماهواره مطابق رابطه - 3 - ، متناسب با ممان اینرسی ماهواره تولید میشود که در اینجا عملاً سرعت زاویهای مخالف سرعت زاویهای اولیه ماهواره، ایجاد شده تا نهایتاً سرعت مستهلک شود.
-3 بستر تست سختافزار در حلقه
جهت انجام آزمونهای کنترل وضعیت ماهوارهها، نیاز است شرایط فضا از منظر کنترل وضعیت مهیا شود. بدین منظور از میزهای سه درجه آزادی که قابلیت مانور ماهواره را در سه محور و با اصطکاک کم، دارند - البته در دو محور محدودیت حداکثر انحراف دارد - ، استفاده میشود. از طرفی مهیا نمودن میدان مغناطیسی معادل فضا، چالش دیگری در این زمینه است که از سیمپیچی موسوم به هلمهولتز استفاده میشود. یک برد الکترونیکی برای پردازش دادهها، پیادهسازی قانون کنترلی و اعمال فرامین به عملگرها مورد نیاز میباشد.
همچنین عملگرهای مغناطیسی نیاز به راهانداز دارند که یک برد الکترونیکی بدین منظور طراحی شده است. در حین تست کنترل وضعیت، هیچ سیمبندی از بیرون نمیتواند به ماهواره متصل باشد، لذا برای بررسی وضعیت ماهواره، دادهها بصورت رادیویی به ایستگاه زمینی که توسط نرمافزار LABView نوشته شده است، مخابره میشود. همچنین باتری و بردهای مبدل ولتاژ بر روی میز سه درجهآزادی تعبیه شده است. در ادامه اجزای بستر تست سخت-افزار در حلقه به تفکیک بررسی میشود.
بخشهای سخت افزاری برد پردازشی دارای دو قسمت اصلی است که بخش اول شامل برد راهانداز است. این برد، وظیفه درایور نمودن عملگرها و ارسال سینگالهای درخواست داده از حسگرهای مغناطیسی و ژیروسکوپ را بر عهده دارد که در شکل 1 بخشهای سخت افزاری برد راهانداز مشخص شده است. بخش دوم، برد پردازشی است که در آن الگورریتمهای کنترلی پیادهسازی میشود، یا پردازش در این بخش انجام میگیرد.
شکل :1 برد راهانداز الکترونیکی طراحی شده
واحد پردازشی این برد یک میکروکنترلر ARM از خانواده NXP است. به همراه این برد، یک حافظه RAM خارجی 16 مگابایت، دو باس ارتباطی CAN و ارتباط سریال برای برد فرستنده مخابراتی به ایستگاه زمینی در نظر گرفته شده است. ارتباط برد پردازشی با برد راهانداز، توسط پروتکل CAN با نرخ داده 1 مگابیت بر ثانیه در نظر گرفته شده است. ارتباط شبکه، کارت حافظه و سویچهایی برای روشن و خاموش نمودن المانهای مورد استفاده در این برد در نظر گرفته شده است
برای مدل کردن میدان مغناطیسی زمین از یک سیمپیچ سه محوره استفاده شده است. با عبور جریان از سیمپیچها، میدان مغناطیسی تولید میشود که این میدان در وسط این سیمپیچ، با تقریب خوبی همگن است .[12] نمایی از این سیمپیچ در شکل 2 نمایش داده شده است که در آن یک ماهواره با سازه مکعبیشکل و با زاویه 45 درجه، بر روی یک میز سه درجه آزادی و درون یک سیمپیچ هلمهولتز مشاهده میشود. این سیمپیچ بصورت سه محوره بوده و با تزریق جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی متناظر با موقعیت مداری ماهواره را تولید میکند. دور تا دور این سیمپیچ با یک پلاستیک پوشانده شده تا جریان هوا به حداقل برسد.
میز سه درجه آزادی استفاده شده، با استفاده از یک گوی و یک کاسه نگهدارنده طراحی شده که گوی توسط فشار هوای 2 اتمسفری اعمالی از درون کاسه، بصورت معلق قرار میگیرد. این میز در یک راستا - راستای محور سوم - Z مانور کامل داشته و در راستای دو محور دیگر حدود 40 درجه قابلیت مانور دورانی دارد.
شکل :2 سازه ماهواره بر روی میز سه درجه آزادی و درون سیمپیچ هلمهولتز
گشتاور اغتشاشی تقریبی سنجش شده حول محور سوم - Z - در مرتبه 10- 5 نیوتن متر بوده و در دو محور دیگر به دقت بالانس بستگی دارد که در این آزمون در مرتبه 10- 3 نیوتنمتر بوده است. برای انجام آزمون تجربی مود آرامسازی وضعیت، پس از استقرار ادوات و اتصال آنها، نیاز است تا میز سه درجه آزادی، بالانس دقیق شود. این بالانس با تنظیم مرکز جرم و محور دوران اتفاق میافتد. تنظیم مرکز جرم با جابجایی مهرهها در پیچهای تعبیه شده در راستای سه محور، انجام میشود. مقدار ممان اینرسیهای سه محور ماهواره اندازهگیری شده و به ترتیب 2/8، 2/8 و 3/4 کیلوگرممترمربع در راستاهای محور اول، دوم و سوم استخراج شده است.
سازه ماهواره بصورت مکعبی بوده که با زاویه 45 درجه از سطح افق به میز سه درجه آزادی متصل شده است. بر روی این سازه سه عملگر گشتاوردهنده مغناطیسی بصورت متعامد بر یکدیگر نصب شده است. یک حسگر مغناطیسی سه محوره بر روی سازه نصب شده است. به منظور کاهش خطای حسگر مغناطیسی، محل نصب در دورترین نقطه از اجزای مغناطیسی انجام شده است. یک ژیروسکوپ نیز برای اندازهگیری سرعت زاویهای سه محوره ماهواره بر روی آن نصب شده است که در شکل 3 این ساختار مشاهده میشود. مجموعه پردازشگر اصلی، برد راهانداز و برد رادیویی نیز بر روی سازه متصل شده است. مجموعه باتریها و برد توزیع انرژی الکتریکی در زیر میز سه درجه، تعبیه شده است.
