Kosmoseaparaadi orienteerimine

Kosmoseaparaadi orienteerimine (inglise keeles attitude control) on kosmoseaparaadi orientatsiooni (ruumasendi) säilitamine või muutmine orbiidil valitud taustsüsteemi või objekti suhtes. Kosmoseaparaadi orienteerimiseks on vaja järgmisi elemente: andureid, et mõõta kosmoseaparaadi orientatsiooni; aktuaatoreid, et rakendada pöördemomenti kosmoseaparaadi orientatsiooni muutmiseks; algoritme, et kontrollida mõõtmiste põhjal aktuaatoreid, saavutamaks soovitud orientatsioon. Kosmoselaeva orientatsiooni stabiliseerimiseks ja kontrollimiseks on mitu põhjust. Seda tehakse näiteks suundantenni või eksperimentide suunamiseks, et saada soovitud andmeid. Samuti kasutatakse orientatsiooni muutmist selleks, et satelliiti termoreguleerida, suunates vastavat külge Päikese poole või sellest eemale. Kosmoselaeva stabiliseerimiseks on kaks põhilist viisi: Spinn-stabilisatsioon kujutab endast satelliidi kasutamist güroskoobina. Pannes satelliidi keerlema ümber oma ühe telje, jääb see güroskoobilise efekti tõttu hoidma oma sihti selles teljes ning häirivad jõud seda ümber ei suuna. Antud meetodi eeliseks on, et selle abil on satelliiti lihtne ühes sihis hoida. Seetõttu disainiti varased satelliidid just seda meetodit kasutama. Selle viisi üheks puuduseks on see, et ei saa kasutada suuri päikesepaneelide ridu, et Päikesest elektrit toota ning seetõttu nõuab see suurt akumahutavust. Teiseks puuduseks on instrumentide kasutamine – selleks peab satelliit enne seisma jääma, et instrumendid õigesse suunda sättida. Kolmeteljelise stabilisatsiooni puhul on satelliidi igal teljel hoorattad, mis pöörlevad nii, et satelliit püsib soovitud asendis taustsüsteemi suhtes. Kui andurid mõõdavad, et satelliit nihkub soovitud asendist eemale, siis hoorattaid vastavalt kiirendatakse või aeglustatakse, et liigutada satelliit tagasi soovitud asendisse. Osad satelliidid kasutavad ka eraldi väikseid põtkureid (ingl thruster), et suunata väikeste lüketega satelliit veapiirides õigesse asendisse. Selle süsteemi eeliseks on, et instrumente saab õigesse asendisse suunata satelliiti eraldi pidevalt seisma jätmata. Paljudel kosmoselaevadel on seadmed, mis nõuavad liigendamist. Näiteks Voyager ja Galileo disainiti skaneerivate alustega, mis suudavad liigutada optilisi seadmeid, sõltumata satelliidi orientatsioonist. Marsi orbiter'-idel on päikesepaneelid, mis hoiavad end alati Päikesega risti, et toota satelliidile maksimaalselt elektrit. Cassini põhimootori düüsid olid juhitavad. Selleks, et teada, kuhu neid suunata, on vaja teada satelliidi enda asendit ning selle järgi arvutatakse välja, kuhu pöörata liigendatud seadmed. Asendi määramise ja kontrolli alamsüsteem (ingl ADCS – Attitude and Determination Control Subsystem) on satelliidi alamsüsteem, mis määrab satelliidi asendi taustsüsteemi suhtes, juhib aktuaatoreid ja liigendatud seadmeid. Asendi, liikumis- ja pöörlemiskiiruse ning orientatsiooni määramiseks on satelliit varustatud mitme anduriga, millelt saadud andmeid töödeldakse algoritmidega ning nende järgi saadetakse käsud aktuaatoritele, mis suunavad satelliidi soovitud suunda. Sõltuvalt missiooni olemusest nimetatakse seda alamsüsteemi ka asendi ja orbiidi kontrollimise alamsüsteemiks (ingl AOCS – Attitude and Orbit Control Subsystem). Paljud andurid saadavad väljundsignaale, mis näitavad satelliidi asendi muutumise kiirust. Need vajavad algasendit või välist informatsiooni, et arvutada hetkeasend. Enamikul seda tüüpi anduritel on mürane signaal, mis viib valede andmeteni, kui ei kasutata absoluutse orientatsiooni andureid paranditeks. Güroskoobid on seadmed, mis mõõdavad pöörlemist, toetumata välistele vaatlustele. Tavaliselt on güroskoobid keerleva massiga, aga on ka lasergüroskoobid, mis mõõdavad pöörlemist peegelduva valguse koherentsuse kaudu. On ka hemisfäärilisi güroskoope, kus mõõdetakse pöörlemist veiniklaasisarnase kristalli ostsilleerumise abil. Need andurid mõõdavad satelliidi asendit väliste objektide suhtes. Horisondiandur on optiline seade, mis tuvastab valgust Maa atmosfäärist, näiteks horisondilt. Tihti kasutatakse selleks soojusliku infrapunakiirguse mõõtmist, mis võrdleb atmosfääri soojust palju külmema, kosmilise taustmüraga. Horisondiandur annab orientatsiooni Maa suhtes kahes ristiolevas teljes. See kipub olema ebatäpsem kui tähtede jälgimise seade. Päikeseandur on seade Päikese suuna määramiseks. Lihtsamad andurid on ühemõõtmelised, kuid keerulisemad on ka kahemõõtmelised, sõltuvalt missiooni vajadustest. Tähtede jälgimise seade ehk star tracker on optiline seade, mis mõõdab tähtede positsiooni, kasutades fotoelemente või kaamerat. Võrreldes saadud pilti teadaoleva taevakaardiga, saab määrata, kuhu on satelliit suunatud. Magnetomeeter on seade, mis mõõdab magnetvälja tugevust ja kui kasutada seda kolmes teljes, siis ka magnetvälja suunda. Magnetomeetri kasutamiseks peab olema satelliidis või maajaamas magnetvälja kaart. Teades satelliidi asukohta, saab selle järgi tuletada satelliidi orientatsiooni. Kõige tavalisemad on Vernier' põtkurid, mis on rakettmootorid, mida kasutatakse täppismanöövriteks. Peale rakettmootorite on kasutusel ka külmgaasipõtkurid, mis eraldavad rõhu all olevat gaasi. Külmgaasipõtkureid kasutatakse rohkem väikestel satelliitidel, kuhu rakettmootorid ei mahu. Hoorattad on elektrimootoriga aetavad rootorid, mida pööratakse vastupidises suunas soovitud suunaga, et liigutada satelliit tahetud suunda. Kuna hoorattad on vaid murdosa satelliidi massist ja arvutiga juhitavad, siis saab nendega sooritada täpseid pöördeid. Väikesi päikesepurjesid saab kasutada pisikesteks asendi ja kiiruse muudatusteks. Nende kasutamine aitab säästa suures koguses kütust pikematel missioonidel. Mähiseid või püsimagneteid saab kasutada, et tekitada väändemoment lokaalse magnetvälja suhtes. See meetod töötab vaid siis, kui on magnetväli, mille suhtes väändemomenti tekitada, näiteks Maa magnetväli. Mähiseid kasutades pandi pöörlema ka ESTCube-1 satelliit. On kahte tüüpi passiivset asendi kontrollimise meetodit. Esimene neist on gravitatsioonigradiendi kasutamine. Gravitatsioonigradiendi abil stabiliseerimist saab kasutada, kui satelliidi üks telg on pikem kui teised. Sel juhul mõjub pika telje sihis ühele otsale tugevam jõud kui teisele ning seetõttu pöörab satelliit ennast selle telje sihis ning jääb sinna õrnalt võnkuma. Teine viis on kasutada püsimagnetit, mispuhul satelliit keerab end magnetväljas, et energia oleks minimaalne.  Pikemalt artiklis Elektriline päikesepuri Elektriline päikesepuri on kosmosesõiduki aktuaator, mis kasutab jõuallikaks päikesetuule dünaamilist rõhku. Päikesepuri laetakse positiivselt ning Päikeselt tulevad positiivsed osakesed tõukuvad purje juures, tekitades impulsi, mille mõjul satelliit liigub. Kontrollalgoritmid on programmid, mis saavad anduritelt andmed ning tuletavad nendest vajalikud käsud aktuaatoritele, mis pööravad satelliidi soovitud suunda. Algoritmid varieeruvad vähem keerukamatest, näiteks lihtsatest võrdlusalgoritmidest, kuni väga keeruliste, mittelineaarsete ennustavate algoritmideni. Näiteks osakeste filtrid (ingl particle filter) ja Kalmani filtrid, mis eemaldavad mõõtmistest müra, et saada täpsed andmed. Kontrollalgoritmid võivad olla satelliidi enda peal, kuid keerulisemad algoritmid, mis vajavad rohkem arvutusvõimsust, käitatakse maajaamas ning vajalikud parandused saadetakse raadioside teel tagasi satelliidile. Algoritmide valik sõltub satelliidi missioonist ehk asendi nõutud täpsusest. Tavaliselt on kontrollalgoritmid tarkvaralised. "Basics of Space Flight". Jet Propulsion Laboratory. Vaadatud 28. oktoober 2016. "Spin and Three-Axis Stabilization". U.S. Centennial of Flight Commision. Vaadatud 28. oktoober 2016. Scott R. Starin ja John Eterno. "Attitude Determination and Control Systems" (PDF). NASA. Vaadatud 28. oktoober 2016. "Laser Gyroscope Gyros" (PDF). Princeton. Vaadatud 28. oktoober 2016. "Hemispherical Resonator Gyros" (PDF). Northropgrumman.com. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 21. september 2013. Vaadatud 28. oktoober 2016. "Spacecraft Earth Horizon Sensors" (PDF). NASA. Vaadatud 28. oktoober 2016. "Attitude Determination – Advanced Sun Sensors for Pico-satellites" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 28. veebruar 2013. Vaadatud 17. novembril 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Star_tracker. Vaadatud 28. oktoober 2016. {{cite web}}: puuduv või tühi pealkiri: |title= (juhend) "Attitude Determination and Control System for CubeSat" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 18. november 2016. Vaadatud 17. novembril 2016. "Reation Control System Sensors". NASA. Originaali arhiivikoopia seisuga 24. mai 2009. Vaadatud 28. oktoober 2016. "Reaction Wheels for Picosatellites" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 6. jaanuar 2015. Vaadatud 17. novembril 2016. Solar Sail Propulsion NASA ESTCube-1 (Estonian Student Satellite-1) (vaadatud 28. oktoobril 2016) Vincent Francois-Lavet: Attitude and Determination Control Systems for the OUFTI nanosatellites. 31. mai 2010 (vaadatud 28.oktoobril 2016) Nonlinear Attitude Filtering Methods