Как New Horizons контролирует свое отношение?

Я постараюсь ответить на ваш общий вопрос применительно к космическому кораблю NASA New Horizons .

Подсистема AOCS/GNC (Attitude and Orbital Control System/Guidance Navigation and Control) заботится о том, чтобы космический корабль указывал на конкретную точку в пространстве, определял ориентацию корабля и выполнял корректировку траектории.

Проще говоря, система AOCS состоит из:

• датчики (астро-трекеры, датчик Земли, магнитометр IMU и т.д.)
• исполнительные механизмы (различные подруливающие устройства, реактивные колеса, магнитоусилители)
• алгоритм управления (например, код C).

Теперь, чтобы представить это в перспективе, вам нужна базовая диаграмма, чтобы понять самые основы техники управления:

^{Типичная петля обратной связи с одним входом и одним выходом с описанием ее различных частей. Изображение: Викисклад}

Я не буду вдаваться в подробности. По сути: вы пытаетесь минимизировать ошибку, основываясь на сенсорной обратной связи, управляя исполнительными механизмами s/c.

Согласно описанию миссии Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) на странице систем и компонентов космического корабля , New Horizons имеет следующую систему GNC:

Определение ориентации — знание того, в каком направлении смотрит New Horizons — выполняется с помощью камер слежения за звездами, инерциальных измерительных блоков (содержащих сложные гироскопы и акселерометры, которые измеряют вращение и горизонтальное/вертикальное движение) и цифровых датчиков Солнца. Управление ориентацией космического корабля — будь то в устойчивом режиме трехосного наведения или в режиме стабилизации вращения — осуществляется с помощью двигателей.

IMU и устройства слежения за звездами предоставляют постоянную информацию о местоположении процессору управления и управления космического корабля, который, как и процессор управления и обработки данных, представляет собой 12-мегагерцовый процессор Mongoose V. New Horizons имеет две копии каждого из этих блоков для резервирования. Камеры слежения за звездами хранят карту примерно 3000 звезд; 10 раз в секунду одна из камер делает широкоугольный снимок космоса, сравнивает расположение звезд с бортовой картой и рассчитывает ориентацию космического корабля. IMU передает информацию о движении 100 раз в секунду. Если данные показывают, что «Новые горизонты» находятся за пределами заданной позиции, запускаются небольшие гидразиновые двигатели, чтобы переориентировать космический корабль. Солнечные датчики поддерживают звездные датчики; они найдут и направят «Новые горизонты» к Солнцу (с Землей поблизости), если другие датчики не смогут найти дом в чрезвычайной ситуации.

Операторы используют двигатели для маневрирования космическим кораблем, который не имеет внутренних реактивных колес. Его меньшие подруливающие устройства используются для точного наведения; двигатели, которые примерно в пять раз мощнее, используются во время маневров по траектории, которые направляют New Horizons к своим целям. New Horizons вращается — обычно со скоростью 5 оборотов в минуту (RPM) — во время маневров по коррекции траектории и длительных радиосвязей с Землей, а также во время «зимней спячки» во время длительных периодов полета. Операторы стабилизируют и направляют космический корабль во время научных наблюдений и проверки приборной системы.

По данным сайта НАСА New Horizon

New Horizons работал в основном в режиме стабилизации вращения во время полета между планетами, а также в режиме трехосного «наведения», который позволяет наводить или сканировать инструменты во время калибровки и встреч с планетами (например, пролет Юпитера и, конечно, Плутон). На космическом корабле нет реактивных колес; небольшие подруливающие устройства в двигательной установке обеспечивают наведение, вращение и коррекцию курса.

Измерение пространственного положения производится с помощью инерциального навигационного блока (гироскопов) и модифицированных звездных трекеров Galileo Avionica A-STR .

Положение Плутона не измеряется космическим кораблем . Во время встречи космический корабль запрограммирован так, чтобы указывать направление X в момент времени Y, и они должны надеяться, что Плутон находится в кадре. (источник: документальный фильм National Geographic «Миссия Плутон»)

Из недавней статьи в «Вашингтон пост» :

Я спросил менеджера проекта Глена Фонтейна, возможно ли, что космический корабль повернется в неправильном направлении и сделает фотографии пустого космоса, и он ответил, что нет, если только данные об эфемеридах не будут далеки от истины .

Акцент мой: они используют данные об эфемеридах, собранные на Земле, плюс навигационные изображения, сделанные основными камерами NH, которые интерпретируются на Земле.

Для управления ориентацией NH использует 12 гидразиновых двигателей Aerojet MR-103H , которые были выбраны потому, что они могут работать с интервалами всего 4 мс. Один электромагнитный клапан регулирует количество впрыскиваемого топлива. Поскольку это однокомпонентное топливо, нет никаких сомнений в смешивании топлива и окислителя, а тяга предсказуема даже при таких коротких очередях. В результате корабль может быть достаточно точно наведен с помощью одних только двигателей.