아스트리오닉스
Astrionics아스트리오닉스는 우주선에서 사용되는 전자 시스템, 하위 시스템, 구성품의 개발과 적용에 관한 과학과 기술이다. 우주선에 탑재된 전자 시스템에는 자세 결정과 제어, 통신, 명령과 원격 측정, 컴퓨터 시스템 등이 있다. 센서는 우주선에 탑재된 전자 부품을 가리킨다.
엔지니어에게 있어 설계 과정에서 반드시 고려해야 할 가장 중요한 고려사항 중 하나는 우주선 시스템과 구성부품이 작동하고 견뎌야 하는 환경이다. 공간 환경을 위한 시스템과 구성품 설계의 과제는 공간이 진공이라는 사실 이상의 것을 포함한다.
태도 결정 및 통제
개요
전자장치와 센서가 우주선의 임무와 성능에서 수행하는 가장 중요한 역할 중 하나는 우주선의 태도, 또는 우주에서 어떻게 방향을 잡는지 결정하고 제어하는 것이다. 우주선의 방향은 임무에 따라 다르다. 우주선은 정지해 있고 항상 지구를 가리켜야 할지도 모른다. 이것은 기상이나 통신 위성의 경우다. 하지만, 우주선을 축에 가깝게 고정시킨 다음 회전시켜야 할 필요성도 있을 수 있다. 자세 결정 및 제어 시스템인 ACS는 우주선이 올바르게 작동하고 있음을 보장한다. 아래는 ACS가 이것을 결정하는 데 필요한 측정을 얻을 수 있는 몇 가지 방법이다.
자력계
이 장치는 지구 자기장의 강도를 한 방향으로 측정한다. 세 축 모두에 대한 측정의 경우 장치는 세 개의 직교 자기계로 구성된다. 우주선의 위치를 고려할 때, 자기장 측정은 국제 지구자기 기준장 모델에 의해 주어진 알려진 자기장과 비교될 수 있다. 자기계측기에 의한 측정은 정렬 오류, 스케일 팩터 오류, 우주선 전기적 활동으로 구성된 소음에 의해 영향을 받는다. 지구 근거리 궤도의 경우, 모델링된 자기장 방향의 오차는 적도 부근 0.5도에서 자기 극 부근 3도까지 다양할 수 있으며, 여기서 불규칙한 오로르 전류가 큰 역할을 한다.[1]: 258 그러한 장치의 한계는 지구에서 멀리 떨어진 궤도에서 자기장이 너무 약하고 실제로 복잡하고 예측할 수 없는 행성간장이 지배하고 있다는 것이다.
태양 센서
이 장치는 빛에 민감한 세포망이 줄지어 있는 방바닥의 얇은 선 이미지를 주조한 직사각형 방 위에 얇은 슬릿으로 들어가는 빛을 작동시킨다. 이러한 셀은 중심선에서 영상의 거리를 측정하며 챔버의 높이를 사용하여 굴절 각도를 결정할 수 있다. 그 세포들은 광전 효과에 기초하여 작동한다. 들어오는 광자는 전자를 흥분시키고 따라서 셀을 가로질러 전압을 발생시키며, 이는 다시 디지털 신호로 변환된다. 두 개의 센서를 서로 수직으로 위치시킴으로써 센서 축에 대한 태양의 전체 방향을 측정할 수 있다.
디지털 태양열 측광 검출기
DSAD로도 알려진 이 장치는 순전히 디지털 선 센서다. 그들은 센서의 빛에 민감한 세포 중 어떤 것이 가장 강하게 조명되는지를 결정함으로써 태양의 각도를 결정한다. 인접한 픽셀에 부딪히는 빛의 강도를 알면 태양의 중심 방향을 몇 아크초 이내로 계산할 수 있다.[1]: 261
접지 지평선 센서
정적
정적 지구 지평선 센서에는 지구보다 약간 큰 시야를 가진 지구 표면의 다수의 센서와 감지 적외선 방사선이 포함되어 있다. 지오콘텍터 결정의 정확도는 지구 궤도에서 0.1도, GEO에서 0.01도이다. 그들의 사용은 일반적으로 원형 궤도를 가진 우주선으로 제한된다.[1]: 262
스캔 중
지구 지평선 감지 센서는 회전하는 거울이나 프리즘을 사용하여 좁은 광선을 보통 볼로미터라고 불리는 감지 요소에 집중시킨다. 그 회전으로 인해 장치는 원뿔의 영역을 쓸어버리고 센서 내부의 전자기기는 지구에서 오는 적외선 신호가 처음 수신된 후 손실되는 시기를 감지한다. 그 사이의 시간은 지구의 폭을 결정하는 데 사용된다. 이를 통해 롤 각도를 결정할 수 있다. 그러한 센서의 정확성에 영향을 미치는 요인은 지구가 완벽하게 원형이 아니라는 사실이다. 또 다른 것은 이 센서가 육지나 바다를 감지하지 않고 계절과 위도로 인해 특정 강도에 도달할 수 있는 대기 중의 적외선을 감지하는 것이다.
GPS
이 센서는 하나의 신호를 사용하여 많은 특성을 결정할 수 있다는 점에서 간단하다. 신호는 위성 식별, 위치, 전파 신호의 지속 시간 및 시계 정보를 전달한다.[2] 위성위치확인시스템(GPS) 위성 36개 중 4개만 필요한 별자리를 이용해 항법, 위치설정, 정확한 시간, 궤도, 자세 등을 파악할 수 있다. GPS의 장점 중 하나는 낮은 지구 궤도에서 지오동기 궤도까지의 모든 궤도가 ACS를 위한 GPS를 사용할 수 있다는 것이다.
명령 및 원격 측정
개요
우주선에 필수적인 또 다른 시스템은 명령과 원격측정 시스템인데, 사실 그것은 중복된 최초의 시스템이다. 지상에서 우주선으로의 통신은 지휘체계의 책임이다. 원격 측정 시스템은 우주선에서 지상으로의 통신을 처리한다. 우주선 바이탈과 임무별 데이터를 포함한 그 명령들의 상태를 텔레메트리가 보고하는 동안, 지상국으로부터의 신호는 우주선에 무엇을 해야 할지 명령하기 위해 보내진다.
명령 시스템
명령 시스템의 목적은 우주선에 수행하라는 일련의 지시를 내리는 것이다. 우주선에 대한 명령은 우선 순위에 따라 실행된다. 어떤 명령에는 즉시 실행이 필요하며, 다른 명령에서는 실행 전에 경과해야 하는 특정 지연 시간, 명령을 실행해야 하는 절대 시간 또는 명령이 실행되기 전에 발생해야 하는 이벤트 또는 이벤트 조합을 지정할 수 있다.[1]: 600 우주선은 그들이 받는 명령에 따라 다양한 기능을 수행한다. 여기에는 우주선 서브시스템 또는 실험에 적용되거나 제거될 전력, 서브시스템의 작동 모드 변경, 우주선 유도 및 ACS의 다양한 기능 제어 등이 포함된다. 명령어는 또한 붐, 안테나, 태양 전지 어레이 및 보호 커버를 제어한다. 또한 명령 시스템을 사용하여 프로그램 가능한 마이크로프로세서 기반의 온보드 서브시스템의 RAM에 전체 프로그램을 업로드할 수 있다.[1]: 601
지상에서 전송되는 무선주파수신호는 명령수신기에 의해 수신되어 증폭되고 격하된다. 장거리 이동 후 신호가 매우 약하기 때문에 증폭이 필요하다. 그 다음은 명령어 해독기다.코더가 있다. 이 장치는 서브캐리어 신호를 검사하고 자신이 운반하고 있는 명령 메시지를 감지한다. 디코더의 출력은 일반적으로 0으로 되돌아가지 않는 데이터다. 명령 디코더는 명령 로직에도 클럭 정보를 제공하며, 이것은 명령 로직에게 직렬 데이터 라인에서 비트가 유효할 때를 알려준다. 명령 프로세서로 전송되는 명령 비트 스트림은 우주선에 대한 독특한 기능을 가지고 있다. 전송되는 다른 종류의 비트들 중에서, 첫 번째는 우주선 주소 비트들이다. 이들은 특정 우주선에 대한 특정 식별 코드를 지니고 있으며 다른 우주선에 의해 의도된 명령이 수행되는 것을 방지한다. 같은 주파수와 변조 유형을 사용하는 위성이 많기 때문에 이것이 필요하다.[1]: 606
마이크로프로세서는 명령 디코더로부터 입력을 수신하고, ROM이나 RAM에 저장된 프로그램에 따라 이러한 입력에서 작동한 다음, 그 결과를 인터페이스 회로에 출력한다. 명령 유형과 메시지가 매우 다양하기 때문에 대부분의 명령 시스템은 프로그램 가능한 마이크로 프로세서를 사용하여 구현된다. 필요한 인터페이스 회로 유형은 프로세서가 전송한 명령을 기반으로 한다. 이러한 명령에는 릴레이, 펄스, 레벨 및 데이터 명령이 포함된다. 릴레이 명령은 중앙 전력 스위칭 유닛의 전자기 릴레이 코일을 활성화한다. 펄스 명령은 명령 로직에 의해 해당 서브시스템으로 전송되는 전압 또는 전류의 짧은 펄스다. 레벨 명령은 로직 펄스 대신 로직 레벨이 전달된다는 점을 제외하면 로직 펄스 명령과 정확히 같다. 데이터 명령은 데이터 단어를 대상 서브시스템으로 전송한다.[1]: 612–615
원격측정 시스템
지상 조종이 우주선이 무엇을 하고 있는지 모른다면 우주선에 대한 명령은 무용지물이 될 것이다. 원격 측정은 다음과 같은 정보를 포함한다.
- 우주선 자원, 건강, 태도 및 운영 방식에 대한 상태 데이터
- 온보드 센서(텔레스코프, 분광계, 자기계, 가속도계, 전기계, 온도계 등)에 의해 수집된 과학 데이터
- 지상, 해상 또는 항공 차량에 의한 안내 및 항법에 사용될 수 있는 특정 우주선 궤도 및 타이밍 데이터
- 온보드 카메라로 캡처한 이미지(가시적 또는 적외선)
- 지구 또는 우주에서 우주선에 의해 추적되고 있는 다른 물체의 위치
- 위성 별자리의[1]: 617 지상 또는 다른 우주선에서 중계된 원격 측정 데이터
원격측정 시스템은 센서, 컨디셔너, 셀렉터, 컨버터, 컨버터, 컨버터, 컨버터로부터의 획득, 압축, 포맷, 저장 등의 처리, 마지막으로 인코딩, 변조, 전송, 안테나를 포함하는 전송을 담당한다.
우주선을 위한 원격측정 시스템 설계에는 몇 가지 독특한 특징이 있다. 이것들 중 하나는 LEO에 있는 어떤 주어진 위성에 대해, 그것은 매우 빠르게 여행하고 있기 때문에, 그것은 단지 10분에서 20분 동안만 특정 방송국과 접촉할 수 있다는 사실에 대한 접근이다. 이를 위해서는 수백 개의 지상국이 지속적으로 통신해야 하는데, 이것은 전혀 실용적이지 않다. 이를 위한 한 가지 해결책은 온보드 데이터 스토리지다. 데이터 저장은 궤도 전체에 데이터를 천천히 축적할 수 있으며 지상국 상공에서 데이터를 빠르게 덤프할 수 있다. 깊은 우주 미션에서, 녹음기는 종종 반대로 사용되는데, 높은 속도의 데이터를 캡처하여 데이터 속도의 제한적인 링크 위에서 천천히 재생하는 것이다.[1]: 567 또 다른 해결책은 데이터 중계 위성이다. NASA는 GEO에 TDRS, 추적 및 데이터 중계 위성이라고 불리는 위성을 가지고 있는데, 이 위성은 LEO 위성으로부터 명령을 중계하고 원격 측정한다. TDRS에 앞서 우주비행사들은 전 세계 14개 NASA 지상국을 이용해 약 15%만 지구와 통신할 수 있었다. TDRS를 이용하면 뉴멕시코주 화이트 샌즈의 단일 지상국에서 저고도 위성을 촬영할 수 있다.[1]: 569
원격측정 시스템의 또 다른 독특한 특징은 자율성이다. 우주선은 지상 관제 상호 작용 없이 내부 기능을 감시하고 정보에 따라 행동할 수 있는 능력을 요구한다. 자율성의 필요성은 불충분한 지상 커버리지, 통신 기하학, 지구-썬 라인(태양 소음이 무선 주파수를 방해하는 곳)에 너무 가까이 있거나, 단순히 보안 목적으로만 존재하는 등의 문제에서 비롯된다. 원격측정시스템은 이미 우주선 기능을 감시할 수 있는 능력을 갖추고 있고 명령시스템은 취해야 할 조치의 필요에 따라 재구성에 필요한 명령을 내릴 수 있는 능력을 갖출 수 있도록 자율성이 중요하다. 이 과정에는 세 가지 단계가 있다.
1. 원격측정 시스템은 모니터링하는 기능 중 하나가 정상 범위를 벗어날 때 이를 인식할 수 있어야 한다.
2. 명령 시스템은 반드시 비정상적인 기능을 해석하는 방법을 알아야 적절한 명령 응답을 생성할 수 있다.
3. 명령과 원격측정 시스템은 서로 통신할 수 있어야 한다.[1]: 623
센서스
센서는 건강 센서와 페이로드 센서의 두 가지 범주로 분류할 수 있다. 건강 센서는 우주선 또는 탑재체 기능을 모니터하며 온도 센서, 스트레인 게이지, 자이로 및 가속도계를 포함할 수 있다. 페이로드 센서는 레이더 영상 시스템과 IR 카메라를 포함할 수 있다. 페이로드 센서는 임무가 존재하는 이유 중 일부를 나타내지만, 최적의 작동을 보장하기 위해 시스템을 측정하고 제어하는 것은 건강 센서다.
참고 항목
- 항공기의 항전학(비슷함)
참조
외부 링크
- "Scope and Subject Category Guide - Category 19 - Spacecraft Instrumentation and Astrionics". NASA. Archived from the original on 2006-10-03.
