روش مسیر یابی سفینه ها در فضا

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesamiرهام حسامی

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1447

سپاس: 3078

جنسیت:

تماس:

روش مسیر یابی سفینه ها در فضا

پست توسط rohamjpl »

چنین فضاپیمایی با استفاده از سیگنال‌های رادیویی زمان‌بندی شده دقیقی که به زمین فرستاده می‌شود، حرکت می‌کند. ناوبرهای روی زمین مکان و سرعت آن را ردیابی می کنند و تنظیمات مسیر را ارسال می کنند. این تکنیک‌ها به ناوبرها اجازه می‌دهد تا یک کاوشگر را به دیدار سیاره‌ای یا یک فرود دقیق هدایت کنند. پیمایش یک فضاپیما به نقاط دوردست منظومه شمسی نیازمند تیمی از دانشمندان و مهندسان است که از رادیوهای پیچیده، آنتن‌های بزرگ، رایانه‌ها و تجهیزات زمان‌بندی دقیق استفاده می‌کنند.
قبل و در طول ماموریت، تیم به دقت مسیر فضاپیما را ترسیم می کند و مکان سیارات و قمرهایی را که نیروهای گرانشی آنها بر مسیر حرکت آن تأثیر می گذارد، ترسیم می کند. آنها با استفاده از آنتن‌های بشقاب بزرگ شبکه فضای عمیق، مکان سفینه را با ارسال سیگنال‌های زمان‌بندی شده دقیق به آن و اندازه‌گیری زمان دریافت و ارسال مجدد سیگنال‌ها به زمین، تعیین می‌کنند. اگر فضاپیما در مسیر قرار نگیرد، سیگنال هایی را ارسال می کنند که به آن دستور می دهد مسیر خود را تنظیم کند. با استفاده از این تکنیک‌ها، تیم می‌تواند پس از طی میلیون‌ها کیلومتر سفر، یک فضاپیما را به فرود دقیق روی مریخ یا در مداری به دور قمر زحل برساند.، سیگنال هایی را ارسال می کنند که به آن دستور می دهد مسیر خود را تنظیم کند.در مورد خود فضاپیما، حرکت آن البته عمدتاً توسط گرانش کنترل می شوواضح‌ترین چنین نیرویی زمانی ایجاد می‌شود که فضاپیما از رانشگرهای خود برای تغییر مسیر یا جهت خود استفاده کند. پس از هر بار استفاده از رانشگر، دریچه ها معمولاً مقدار کمی نشت می کنند و در نتیجه نیروی باقی مانده کوچکی ایجاد می شود که ممکن است ساعت ها یا روزها یا حتی بیشتر دوام بیاورد. اینها نیز باید مدل شوند.یک فضاپیما همیشه به دور چیزی می چرخد. روی سکوی پرتاب، همراه با زمین به دور خورشید می چرخد. یک فضاپیما در راه خود به یک سیاره دور در حال دنبال کردن مدار خود در اطراف خورشید است. فضاپیماهایی که بر روی سیاره یا جسم دیگری فرود آمده اند، هنوز به دور خورشید می چرخند. برخی از فضاپیماها در حال چرخش به دور سیارات یا اجسام دیگر هستند، در حالی که خود آن اجسام در حال چرخش به دور خورشید هستند. تعداد کمی از فضاپیماها به سرعت کافی دست یافته اند که هرگز به خورشید باز نخواهند گشت - مسیرهای آنها نسبت به خورشید هذلولی است - و بنابراین آنها به دور مرکز کهکشان ما می چرخند، درست مانند خود خورشید.تعیین مدار
وظیفه تیم تعیین مدار این است که ردیابی مکان سفینه فضایی (بازسازی مدار)، جایی که در حال حاضر (تعیین مدار) و جایی که در آینده خواهد بود (پیش‌بینی مدار) را دنبال کند. فضاپیما به دلیل اختلالاتی که در فضا با آن مواجه می شود، همیشه از مسیر پرواز برنامه ریزی شده خود دور می شود. حتی اختلالات کوچک، مانند فشار نور خورشید بر فضاپیما، می تواند در طول زمان اضافه شود و فضاپیما را از مسیر خارج کند. طراحان مأموریت تمام تلاش خود را می‌کنند تا در هنگام ایجاد مسیر مرجع، این اختلالات را توضیح دهند، اما هیچ دلیلی برای تصادفی بودن و غیرقابل پیش‌بینی بودن دنیای واقعی وجود ندارد. برای پیچیده تر شدن اوضاع، زمانی که فضاپیما از سکوی پرتاب خارج شد، دیگر نمی توان مستقیماً آن را مشاهده کرد. تحلیلگران تعیین مدار باید اشکال مختلفی از داده های ردیابی را که از نظر ریاضی با تکامل مدار فضاپیما مرتبط است پردازش کنند تا موقعیت آن را در هر زمان مشخص کنند.
بازسازی مسیر پرواز برای درک داده های علمی بازگردانده شده ضروری است، چه برای تفسیر عبور فضاپیما از مگنتوسفرها یا حلقه های سیاره ای، یا برای تفسیر نتایج تصویربرداری. یکی از تکنیک های تصویربرداری به ویژه، رادار دیافراگم مصنوعی، SAR، به بازسازی مسیر بسیار دقیق نیاز دارد. یکی دیگر از کاربردهای ضروری، ایجاد پیش‌بینی‌ها است، که مجموعه‌های داده‌ای هستند که به DSN تحویل داده می‌شوند و مکان را برای آنتن‌ها در آسمان پیش‌بینی می‌کنند، و فرکانس‌های رادیویی را برای DSN برای استفاده و ردیابی فضاپیما پیش‌بینی می‌کنند. بازسازی مانورهای پیشرانه به خودی خود اجازه می‌دهد تا سوگیری‌های بزرگی و اشاره‌ای شناسایی، کمیت‌سازی شوند و در طرح‌های مانور آتی مورد استفاده قرار گیرند. فرآیندهای درگیر در ناوبری در واقع از بسیاری جهات تکراری هستند.
مسیر یک فضاپیمای بین سیاره‌ای عمدتاً زمانی تعیین می‌شود که پرتابگر از بین برود. از آن نقطه به بعد، فضاپیما می تواند تنها اصلاحات بسیار کوچکی در مسیر حرکت خود با شلیک موتورهای کوچک یا رانشگرها انجام دهد. غالباکنترل مسیر پرواز
هنگامی که تیم تعیین مدار تخمین خوبی برای مکان فعلی فضاپیما داشته باشد، تیم کنترل مسیر پرواز مسئول ارزیابی میزان فاصله فضاپیما از مسیر مرجع و طراحی مانوری برای بازگرداندن فضاپیما به مسیر است. نتیجه این طراحی مانور یک بردار ΔV (دلتا-V) است که مخفف تغییر در سرعت است. این بردار ΔV نشان دهنده جهت و بزرگی تغییر مورد نیاز در سرعت فضاپیما است که باید انجام شود تا فضاپیما به مسیر خود بازگردد. یک نقطه زمانی خاص نیز نشان داده شده است. پس از در دست گرفتن، این داده ها در اختیار تیم مهندسی فضاپیما قرار می گیرد که شامل مهندسان کنترل نگرش، مهندسان سیستم رانش و دیگران است. آنها بردار و زمان بندی را به الزامات مورد نیاز برای اشاره فضاپیما و شلیک موتور موشک یا رانش تجزیه می کنند.
به طور کلی، بلافاصله پس از رویدادی مانند یک پرواز سیاره‌ای، تغییری با قدر کوچک‌تر نسبت به زمانی که به فضاپیما اجازه داده شود به مسیر خود ادامه دهد، مورد نیاز است. با این حال، این باید در مقابل نیاز به دستیابی به ردیابی DSN چند روزه برای اطمینان از تعیین دقیق مدار متعادل شود.
تیم فضاپیما مجموعه ای از دستورات را برای انجام اصلاح ایجاد می کند و هر آزمایش لازم را انجام می دهد. سپس دستورات به فضاپیما متصل می شود که به نوبه خود مانور را انجام می دهد.
در طول سفرهای بین سیاره ای، یک مانور کوچک کنترل مسیر پرواز معمولاً مانور تصحیح مسیر، TCM نامیده می شود. به طور کلی، TCM ها دارای قدر ΔV در مرتبه متر بر ثانیه یا گاهی اوقات ده ها متر در ثانیه هستند. برای فضاپیماهایی که مکرراً به دور یک سیاره یا جسم دیگری می چرخند، مانور ΔV معمولاً به عنوان مانور برش مدار، OTM نامیده می شود. به طور معمول، OTM ها در بزرگی از چند میلی متر در ثانیه تا چندین متر در ثانیه متفاوت هستند.
برخی از مانورهای ΔV "قطعی" هستند، به این معنی که اجرای آنها، و حداقل یک تخمین خوب از مقدار ΔV آنها، از قبل برای حفظ مسیر مرجع مورد نیاز است. سایر مانورهای ΔV "تصادیقی" هستند، به این معنی که اجرای آنها و مقدار ΔV آنها را نمی توان از قبل به خوبی پیش بینی کرد، برای مثال به دلیل عدم قطعیت های ذاتی در یک پرواز با کمک گرانشی. گاهی اوقات یک مانور تصادفی ممکن است در زمان واقعی غیر ضروری تلقی شود و می تواند لغو شود.

ظرفیت کل ΔV فضاپیما به دلیل مقدار محدود پیشرانه ای که یک فضاپیما می تواند حمل کند، محدود است. اگر طرح ماموریت برای یک پرواز بین سیاره ای به یک مانور ΔV با قدر بزرگ بستگی داشته باشد، برای مثال اگر یک پرواز کمکی گرانشی در نقطه مورد نظر در دسترس نباشد، آن مانور اصلی معمولاً مانور فضایی عمیق، DSM نامیده می شود. (یک DSM در واقع فقط یک TCM قطعی به ویژه بزرگ است.) طراحی فضاپیما و همچنین انتخاب وسیله نقلیه پرتاب باید اطمینان حاصل کند که فضاپیما پیشران کافی (قابلیت ΔV) را برای پوشش هر DSM و همچنین حمل می کند. TCM ها و OTM های معمولی.

کاسینی نمونه ای از دقت به دست آمده در مانورهای کنترل مسیر پرواز را ارائه می دهد. مدت زمان شلیک موشک یا رانشگر کاسینی برای TCMها و OTMها در حدود 0.1٪ از مدت زمان برنامه ریزی شده اجرا شده است، و جهت اشاره در حدود 7 میلی رادیان (0.4 درجه) از نقطه مورد نظر بوده است. در طول هفت سال از پرتاب تا رسیدن به زحل، کاسینی هفده TCM را اجرا کرد. هنگامی که در مدار زحل قرار گرفتند، سه فرصت برای OTM ها در طول هر مدار وجود داشته است که شامل برخورد با تیتان یا جسم دیگر می شود: یکی در آپوآپسیس، و دیگری قبل و بعد از پرواز. هر پرواز تایتان یک کمک گرانشی برای کمک به شکل دادن به مدار بعدی کاسینی فراهم می کند. تا به امروز بیش از چهارصد فرصت OTM وجود داشته است و کاسینی باید حدود سیصد مورد از آنها را اجرا کند. بسیاری از آنها به دلیل دقت پروازهای هدفمند لغو شده اند.
ساده ترین بخش این کار اندازه گیری فاصله ایستگاه زمین تا فضاپیما و اندازه گیری سرعت شعاعی فضاپیما با توجه به آن ایستگاه است. برای انجام این کار، ایستگاه زمین (معمولاً یک ایستگاه DSN ناسا یا یک ایستگاه ESA) سیگنالی را به فضاپیما ارسال می کند و فضاپیما بلافاصله آن را می چرخاند و آن را به عقب می فرستد (با فرکانس کمی متفاوت). فرکانس حامل آن سیگنال بر اساس یک مرجع فرکانس به همان اندازه عالی مانند میزر هیدروژنی در ایستگاه، به دقت فوق العاده ای شناخته شده است. این سیگنال همچنین با یک مدولاسیون محدوده مدوله شده است، که امکان اندازه‌گیری با دقت بسیار زیاد زمان سفر سیگنال به فضاپیما و بازگشت را فراهم می‌کند.
تجزیه و تحلیل مدولاسیون محدوده سیگنال برگشتی امکان محاسبه فاصله ایستگاه تا فضاپیما را فراهم می کند. این مرجع (نه برای افراد ضعیف!) جزئیاتی را در مورد نحوه انجام این کار ارائه می دهد، اما نمودار محدوده عملکرد در مقابل پارامترهای سیستم از چند متر برای سیستم های نسبتاً کم کارکرد (در اصل، سیستم هایی با سیگنال پایین به نسبت های نویز [SNR])، تا کسری از متر برای سیستم هایی با SNR بالا.
تجزیه و تحلیل فرکانس سیگنال برگشتی، تغییر داپلر را در آن فرکانس به دلیل مولفه شعاعی سرعت فضاپیما نشان می دهد. این امکان محاسبه آن سرعت شعاعی را با دقت بسیار بالا فراهم می کند. این کار به قدری دقیق انجام شده است که برای کاسینی، DSN مجبور شد میزان بخار آب هوای بالای ایستگاه را اندازه گیری کند تا اثرات انکساری محتوای آب متفاوت را تصحیح کند! برای کاسینی، دقت اندازه گیری سرعت به 20 میکرون در ثانیه کاهش یافت. در سرعت‌های دور بعد کاسینی، این می‌تواند به یک بخش از یک میلیارد سرعت کاسینی نسبت به زمین کاهش یابد.
دانستن موقعیت شعاعی نسبت به زمین تمام ماجرا نیست. شما باید موقعیت فضاپیما را در "صفحه آسمان" نیز بدانید، و داپلر شعاعی و برد آن به شما این امکان را نمی دهد. دقیق‌ترین روش‌های فعلی شامل تداخل سنجی رادیویی، دریافت سیگنال بازگشت در ایستگاه‌های متعدد و استفاده از روش‌های تداخل سنجی برای تعیین دقیق جهت رسیدن سیگنال برگشتی است. مرجع 3 دقت را به عنوان نزدیک شدن به یک نانورادیان نقل می کند. در فاصله یک میلیارد کیلومتری، تقریباً فاصله تا زحل، دقت صفحه آسمان حدود یک کیلومتر است.
همه این روش‌ها شامل در نظر گرفتن کارهایی است که زمین و به‌ویژه ایستگاه گیرنده در حین انجام این اندازه‌گیری‌ها انجام می‌دهد: حرکت مداری زمین به دور خورشید، چرخش زمین، موقعیت ایستگاه روی سطح زمین، و غیره. این وضعیت نسبتاً پیچیده می‌شود، به‌ویژه زمانی که شما انجام می‌دهید. برای در نظر گرفتن اثرات هوای بالای ایستگاه. این فقط محتوای بخار آب نیست: وقتی ایستگاه مستقیم به سمت بالا (به سمت نقطه اوج) نگاه می کند، حداقل مسافتی را که یک سیگنال باید در آن جو طی کند و اثرات انکساری (کاهش سرعت انتشار سیگنال و خم شدن مسیر سیگنال) را می بیند. ) به آن ضخامت. اما هنگامی که در اوج به نظر می رسد، ضخامت موثر جو افزایش می یابد، همانطور که اثرات انکساری افزایش می یابد. دانشمندان و مهندسان کوشا تمام این اثرات را برای دستیابی به دقت های قابل توجهی که انجام می دهند کار کرده اند.
پس پردازش می تواند این نتایج رادیومتری را بهبود بخشد. فضاپیما باید از فیزیک حرکت مداری پیروی کند، بنابراین داده های ردیابی رادیومتریک، همراه با دانش تمام اجسام گرانشی قابل توجه در منظومه شمسی، به یک تکه بزرگ از نرم افزار تغذیه می شوند (JPL به نام "ODP"، برای "تعیین مدار" برنامه") که داده ها را با فیزیک و هندسه منظومه شمسی مطابقت می دهد تا خطای خالص در مسیر فضاپیما را کاهش دهد.I hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
تصویر

ارسال پست