¿Usando qué tecnología se puede mantener una nave espacial realmente no giratoria?

Inspirado por la pregunta , pensé que tal vez se pueda usar un propulsor de fotones para dar impulso con precisión para mantener la actitud de la nave espacial. Pero pronto me di cuenta de que para un control de actitud de alta precisión, se requiere un sensor de alta precisión. Entonces, en principio (incluso si no es posible con la tecnología actual), ¿cuál es la mejor referencia de actitud absoluta que se puede obtener?

Pregunta relacionada

al considerar una rotación, se tiene un dato de referencia. En su pregunta, ¿cuál es el punto de referencia? Una estrella remota proporcionaría un punto de referencia a nivel galáctico, ¿no es así? ¡La galaxia también gira!
Esa es exactamente mi pregunta. Incluso si uno considera la estrella como referencia en una galaxia diferente. Uno simplemente no tiene un sensor lo suficientemente preciso para obtener la actitud de la estrella a partir de ahora. Ahora, quiero hacer que un objeto realmente no gire. Probablemente, alinearlo con la actitud perfecta sería el siguiente nivel de desafío.
La rotación del cuerpo rígido con respecto a un hipotético marco absolutamente inercial es una cuestión, generar un frente de onda óptica que maximizará la intensidad de la señal cuando finalmente se reciba en una ubicación distante es otra muy distinta. Ambos tienen implicaciones de relatividad general, pero es mejor hacer el segundo sin pensar en el primero. Si realmente desea preguntar acerca de cómo apuntar un sistema óptico de resolución de sub-arcosegundo para maximizar la intensidad de la señal recibida a distancia, es mejor preguntar eso sin mencionar nada sobre la actitud de la nave espacial o los marcos de inercia.
Esto se debe a que la luz es realmente bastante lenta, y en el espacio todo se mueve, y corregir la dirección de un haz de luz se puede hacer con pequeños componentes ópticos con mucha más facilidad y precisión que tratar de controlar la actitud de toda la nave espacial, ya que es no es realmente un cuerpo rígido en absoluto a este nivel
Pero para dirigir el componente óptico se necesita saber hacia dónde dirigirse. ¿Cómo se puede hacer eso sin el conocimiento de la actitud?
@Prakhar, una pequeña unidad colocada en el plano focal puede contener un emisor de luz (coleta de fibra unida a un diodo láser + modulador) y un CCD que monitorea las posiciones de estrellas, planetas u otros objetos dentro de un grado más o menos del objetivo que puede sé invisible. Un ordenador + efemérides sabrá la orientación de uno respecto al otro, y podrá hacer el tiempo de luz y otras correcciones. Si el procesamiento de imágenes detecta una desalineación, los pequeños actuadores MEMS pueden mover la unidad FP, o solo la fibra en micras para compensar. No es necesario cambiar la actitud de toda la nave espacial.
Así que solo estoy sugiriendo que podría ser mejor separar completamente una pregunta sobre el control de actitud de precisión de otra pregunta sobre el apuntamiento de sub-arcosegundo de la comunicación óptica.
Pero, solo pongo eso como un ejemplo de por qué alguien querría este alto grado de precisión. Voy a investigar un poco sobre la comunicación óptica de alto ancho de banda. Aunque, aún así, el problema central sigue siendo el mismo, la desalineación medida por los sensores de actitud convencionales es pobre para tal esfuerzo, supongo.
Gravity Probe B en.wikipedia.org/wiki/Gravity_Probe_B detectó su actitud en relación con IM Pegasi (cuya posición absoluta propia fue medida en relación con cuásares distantes por radioastronomía basada en la Tierra). Más detalles einstein.stanford.edu/TECH/technology1.html#telescope . La precisión de puntería fue < 0,1 milisegundos de arco (alrededor de 0,5 nanorradianes).

Respuestas (4)

Esta es la (actitud) perdida en el problema del espacio. Este problema surge, por ejemplo, cuando una nave espacial se libera por primera vez de la etapa superior después del lanzamiento o cuando una nave espacial se despierta después de haber estado apagada durante mucho tiempo. Muchos rastreadores de estrellas modernos tienen un modo "perdido en el espacio" para abordar este problema. Los rastreadores de estrellas resuelven el problema de la pérdida en el espacio de la misma manera que lo hicieron nuestros antepasados ​​cuando se perdieron en el mar: buscaron patrones familiares (también conocidos como constelaciones) en las estrellas. Los rastreadores de estrellas no miran solo una estrella. Miran a muchos.

Estos rastreadores de estrellas pueden tardar varios segundos en llegar a una solución de actitud cuando la actitud es completamente desconocida. El tiempo entre actualizaciones es mucho más corto (y muchas veces más preciso) una vez que el rastreador de estrellas ha resuelto este problema de pérdida en el espacio.

Supongo que la NASA tiene otros métodos además del seguimiento de estrellas, son bastante famosos por su redundancia. ¿Existe una velocidad de giro en la que la detección de actitud a través de este método se vuelve imposible, y qué otros instrumentos se utilizarían en este escenario para recuperar la estabilidad?
@MagicOctopusUrn rastreadores de dos estrellas?

Como se analiza en los comentarios debajo de la pregunta, la orientación precisa de un componente óptico de una nave espacial no requiere una actitud con el mismo nivel de precisión.

De este comentario :

Una pequeña unidad colocada en el plano focal puede contener un emisor de luz (coleta de fibra unida a un diodo láser + modulador) y un CCD que monitorea las posiciones de estrellas, planetas u otros objetos dentro de un grado más o menos del objetivo que puede ser invisible. . Un ordenador + efemérides sabrá la orientación de uno respecto al otro, y podrá hacer el tiempo de luz y otras correcciones. Si el procesamiento de imágenes detecta una desalineación, los pequeños actuadores MEMS pueden mover la unidad FP, o solo la fibra en micras para compensar. No es necesario cambiar la actitud de toda la nave espacial.

Aquí hay un ejemplo existente de un dispositivo de plano focal con un actuador que se usa para mantener la alineación de los píxeles con los puntos focales de objetos distantes con una precisión de segundos de arco.

El artículo de Phys.org Astrophysics CubeSat podría usarse para estudiar planetas que orbitan alrededor de otras estrellas describe el cubesat 6U de la NASA

Mantenerse firme en una estrella lejana es difícil porque hay muchas cosas que sutilmente empujan y atraen al satélite, como la atmósfera y el campo magnético de la Tierra. La carga útil de ASTERIA logró una estabilidad de puntería de 0,5 segundos de arco RMS, que se refiere al grado en que la carga útil se aleja de su objetivo previsto durante un período de observación de 20 minutos. La estabilidad de puntería se repitió en múltiples órbitas, con las estrellas colocadas en los mismos píxeles en cada órbita.

"Es como poder acertar una moneda de veinticinco centavos con un puntero láser desde aproximadamente una milla de distancia", dijo Christopher Pong, ingeniero de control de actitud y puntería de ASTERIA en el JPL. "El rayo láser tiene que permanecer dentro del borde del cuarto, y luego el satélite tiene que ser capaz de golpear exactamente el mismo cuarto, o estrella, en múltiples órbitas alrededor de la Tierra. Entonces, lo que hemos logrado es estabilidad y repetibilidad. ." (énfasis añadido)

a continuación: "Este gif muestra una serie de imágenes de una sola observación de una estrella por parte de la nave espacial ASTERIA. En las primeras imágenes, la estrella parece moverse a medida que ASTERIA gira y luego se fija en la estrella objetivo. Durante el resto de la marcos, la nave espacial permanece bloqueada en la estrella objetivo". Desde aquí . Crédito: NASA/JPL-Caltech

ASTERIA cubesat imagen de estrella

La precisión de puntería de la carga útil del telescopio óptico de ASTERIA no requiere control de actitud de toda la nave espacial, paneles solares flexibles y todo. Como se describe en la página de la misión JPL ASTERIA Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics (ASTERIA) :

ASTERIA es un CubeSat 6U (aproximadamente 10 x 20 x 30 cm, 12 kg) que operará en órbita terrestre baja. La carga útil consta de un conjunto de lente y deflector, un generador de imágenes CMOS y una etapa de posicionamiento piezoeléctrico de dos ejes en la que se monta el plano focal. Un juego de ruedas de reacción comerciales proporciona un control de actitud aproximado. El control de puntería precisa se logra siguiendo un conjunto de estrellas guía en el sensor CMOS y moviendo la etapa piezoeléctrica para compensar los errores de puntería residuales. El control térmico de precisión se logra aislando la carga útil del bus de la nave espacial, enfriando pasivamente el detector y usando calentadores de ajuste para realizar pequeñas correcciones de temperatura en el transcurso de una observación. (énfasis añadido)

abajo: "La ingeniera de pruebas eléctricas Esha Murty (izquierda) y el líder de pruebas e integración Cody Colley (derecha) preparan la nave espacial ASTERIA para mediciones de propiedades de masa en abril de 2017 antes de la entrega de la nave espacial".

ASTERIA Cubesat

Entonces, el propio telescopio corrige los errores al ver la estabilidad de la imagen. Algunas plataformas internas se controlan finamente usando un sensor/actuador piezoeléctrico para controlar finamente la actitud. ¿Es correcto este entendimiento?
@Prakhar, sí, el actuador piezoeléctrico realiza ajustes finos en la posición del sensor de imagen. Un programa analiza las imágenes de otras estrellas en el mismo campo de visión y, si se mueven una fracción de píxel, indica a los piezoeléctricos que muevan el CCD hacia atrás para que las estrellas guía vuelvan a aparecer en sus píxeles originales. La óptica del telescopio se desplaza con la actitud de la nave espacial, pero el CCD se mueve para seguir la deriva de la imagen resultante.
Eso es lo que también pensé antes de esta respuesta, qué se puede hacer si se tiene que poner un telescopio. La respuesta es muy informativa. Pero mi aplicación/interés es en realidad la comunicación óptica/láser entre satélites en órbita. Lo que requiere una alta precisión de puntería. Entonces, en ese caso, ¡este método no funcionará!
@Prakhar La comunicación óptica se realiza mediante telescopios que son esencialmente los mismos que los telescopios de imágenes. Vea la edición que acabo de hacer en la respuesta. Si estudia cualquier sistema de comunicación óptica que se haya demostrado en el espacio, o incluso los enlaces ópticos de larga distancia en el espacio libre utilizados en la Tierra, todos tienen telescopios Cassegrain, excepto quizás algunos dispositivos de apertura de pequeño diámetro. Si se trata de comunicación de satélite a satélite, entonces uno o dos pares de telescopios se estarían esencialmente mirando el uno al otro.
@Prakhar One podría enviar una señal óptica de baliza a la que el otro se fija, y las computadoras hacen una corrección de compensación por el retraso debido al tiempo de luz.
Si eso es posible, es bastante bueno. La parte de imágenes en sí corrige los errores de la plataforma. ¡Usar el error en el efecto final requerido como una lectura del sensor!

Gravity Probe B detectó su actitud en relación con una estrella llamada IM Pegasi (cuya posición absoluta se midió en relación con cuásares distantes mediante radioastronomía terrestre) con una precisión de aproximadamente 0,1 milisegundos de arco.

Más detalles están disponibles en este artículo. En resumen: tenían un telescopio de unos 36 cm de largo y 14 cm de apertura que formaba una imagen de la estrella guía (la imagen era un disco debido a la difracción en la apertura del telescopio). Dividieron ese disco en cuatro piezas y midieron eléctricamente la intensidad total de la luz en cada pieza. Las diferencias de intensidad (arriba/abajo e izquierda/derecha) les dijeron qué tan cerca del centro del disco de la estrella estaban apuntando. El telescopio (y todo el resto del satélite) se construyó con cuarzo muy rígido, se enfrió a 2,3 K con helio líquido y se protegió cuidadosamente de campos magnéticos perdidos y otras fuentes de perturbación. La actitud de la nave espacial (y su órbita) se controló mediante pequeños propulsores impulsados ​​por la lenta ebullición del helio líquido. La nave espacial fue apuntada continuamente dentro de unos 200 milisegundos de arco cuando estaba en funcionamiento.

¡Muy agradable! La anulación de diferencias de cuatro detectores de cuadrante solía estar muy extendida, en cosas tales como microscopios de fuerza atómica, apuntamiento de telescopios terrestres e incluso grandes platos de seguimiento de cohetes también; ¿Por qué tener cuatro parábolas en una matriz del lado del suelo en lugar de solo una grande?

Esto está separado de esta respuesta para separar una solución publicada de una explicación general y una hipótesis.

El artículo de Phys.org El sistema de puntero láser podría ayudar a los pequeños satélites a transmitir datos a la Tierra describe un sistema que encaja muy bien en una sección de ~ 1 U de un cubesat.

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"Incluso si todo el satélite está un poco desalineado, aún puede corregirlo con este espejo", dice Cierny. "Pero estos espejos MEMS no le brindan información sobre hacia dónde apuntan. Digamos que el espejo está desalineado en su sistema, lo que puede suceder después de algunas vibraciones durante el lanzamiento. ¿Cómo podemos corregir esto y saber exactamente dónde estamos? señalando?"

Como solución, Cierny desarrolló una técnica de calibración que determina cuánto está desalineado un láser de su objetivo de la estación terrestre y corrige automáticamente el ángulo del espejo para apuntar con precisión el láser a su receptor.

La técnica incorpora un color de láser adicional, o longitud de onda, en el sistema óptico. Entonces, en lugar de solo pasar el haz de datos, se envía con él un segundo haz de calibración de un color diferente. Ambos haces rebotan en el espejo y el haz de calibración pasa a través de un "divisor de haz dicroico", un tipo de elemento óptico que desvía una longitud de onda de luz específica, en este caso, el color adicional, lejos del haz principal. A medida que el resto de la luz láser viaja hacia una estación terrestre, el haz desviado se dirige de regreso a una cámara a bordo. Esta cámara también puede recibir un rayo láser o baliza de enlace ascendente directamente desde la estación terrestre; esto se utiliza para permitir que el satélite apunte al objetivo terrestre correcto.

[...] "Esto demuestra que se puede instalar un sistema de baja potencia que puede hacer estos haces angostos en esta pequeña plataforma que es un factor de 10 a 100 más pequeño que cualquier cosa que se haya construido para hacer algo como esto antes". dice Cahoy. "Lo único que sería más emocionante que el resultado del laboratorio es ver esto hecho desde la órbita. Esto realmente motiva a construir estos sistemas y llevarlos allí".

El artículo enlaza con el artículo reciente de acceso abierto en ingeniería óptica (Ondrej Čierny & Kerri L. Cahoy 2018) Calibración de apuntamiento de haz en órbita para comunicaciones láser de nanosatélites

El documento describe el sistema en detalle, incluida la electrónica y el algoritmo de puntería utilizados, y presenta el resultado de una simulación basada en datos medidos del prototipo.

Resumen:

Describimos técnicas desarrolladas para optimizar el control de apuntamiento del haz para una misión de demostración de enlace descendente de láser CubeSat que se está desarrollando en el Laboratorio de Telecomunicaciones, Astronomía y Radiación Espacial del MIT. Para precisar su haz de enlace descendente, la misión utiliza una señal de baliza de enlace ascendente a 976 nm capturada por un detector de campo de visión de ±5 grados integrado y rastreada por un MEMS rápido comercial de 3,6 mm listo para usar. espejo de dirección. Como estos actuadores en miniatura carecen de sensores de retroalimentación, el diseño del sistema se amplía con una señal de calibración óptica para proporcionar la retroalimentación de orientación del espejo. Describimos el sistema e introducimos algoritmos de calibración que utilizan la señal de retroalimentación para lograr un control de apuntamiento del haz de mayor fidelidad.Los resultados experimentales muestran que los errores de seguimiento de la baliza de solo 16 μrad son factibles para ambos ejes, lo que supera significativamente el requisito de apuntamiento de la misión de 0,65 mrad e indica la viabilidad de haces más estrechos y un mayor rendimiento de datos para las misiones de demostración de enlace descendente de próxima generación.

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