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Sistema di guida di un'astronave

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Sistema di guida di un'astronave
« il: Gio 19/01/2017, 15:00 »
Ciao a tutti
spero di non fare una domanda stupida :grin: ma vorrei capire come fa un'astronave, prendendo ad esempio lo space shuttle,  a sapere dove si trova e in che direzione sta puntando.
Quando si gioca ad orbiter o simili infatti si hanno a disposizione una serie di informazioni che non riesco a capire come vengano trovate nella realtà.
Ho letto qualcosa riguardo i sistemi di guida inerziale ma non mi hanno chiarito alcuni dubbi.
Nello specifico, attraverso i suddetti sistemi è possibile sapere la velocità ed il verso in cui sta andando la navicella grazie ad una serie di accellerometri e giroscopi, ma quando si è in orbita, a 0G, come si fa a sapere anche solo dove punta l'astronave?
Ad esempio se mi trovo in un'orbita circolare e la nave punta verso l'esterno quali sono i riferimenti che servono a posizionarla "prograde" o "retrograde"?
Spero di non aver aperto un topic su di un argomento già ampiamente discusso ma ho cercato e non ho trovato molto.
Grazie a tutti quelli che vorranno rispondermi.  :happy:

Offline Paky

Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #1 il: Gio 19/01/2017, 15:41 »
Ciao,
normalmente vengono usati 2 sistemi per calcolare l'orientazione di una sonda/astronave nello spazio. Il primo sono i giroscopi (che misurano la velocita' a cui ruota l'astronave su se stessa), il secondo sono i cosiddetti "star tracker". Si tratta di delle ottiche a grandangolo con cui si fotografa la volta stellata. Un software poi confronta la posizione delle stelle sull'immagine catturata con un catalogo di stelle, e ne deriva l'orientazione (anche detta attitudine) dell'astronave. Normalmente si unisce l'informazione di questi due sistemi per calcolare un'orientazione piu' precisa.
Per la velocita' normalmente viene calcolata usando le trasmissioni verso Terra, misurando l'effetto doppler e la posizione sul cielo vista da Terra.
Poi, se ci sono esigenze di maggiore precisione, si possono fare osservazioni ottiche da Terra, etc.

Offline Michael

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Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #2 il: Gio 19/01/2017, 15:45 »
Per missioni in orbita terrestre, a volte gli star tracker non sono indispensabili. Ci sono sensori di calore (bolometri) che sono in grado di identificare il profilo del pianeta (l'orizzonte, diciamo, anche se non è proprio orizzontale dall'orbita) e integrare le misurazioni di gyro e IMU, e i parametri orbitali calcolati da terra, per capire dove siamo girati.
Michael
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Offline Paky

Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #3 il: Gio 19/01/2017, 17:16 »
Ci sono sensori di calore (bolometri) che sono in grado di identificare il profilo del pianeta
Questa non la sapevo! Ecco cosa succede a lavorare sempre con missioni a L2!  :grin:

Offline amoroso

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Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #4 il: Gio 19/01/2017, 17:47 »
I primi sensori del calore terrestre per individuare l'rizzonte e dedurre l'assetto di un veicolo furono usati verso la metà degli anni '60 per capsule con equipaggio.

Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #5 il: Dom 22/01/2017, 23:28 »
il sistema di rilevamento del calore per stabilire la posizione avendo come riferimento l'orizzonte terrestre non lo conoscevo affatto, ma come veniva usato negli anni 60 senza la benchè minima presenza di computer comunemente intesi?
Anche in relazione agli star tracker, mi sembra una soluzione attuabile solo "oggi" data la complicatezza del software necessario a garantire la giusta posizione.
Mi domando in effetti come abbiano tradotto dal punto di vista elettronico i segnali rilevati dai "bolometri" in numeri.
Vi chiedo a questo punto se conoscete libri sull'argomento e se potete consigliarmene qualcuno.
Grazie mille a tutti

Offline marcozambi

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Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #6 il: Lun 23/01/2017, 08:16 »
Anche in relazione agli star tracker, mi sembra una soluzione attuabile solo "oggi" data la complicatezza del software necessario a garantire la giusta posizione.
Mi domando in effetti come abbiano tradotto dal punto di vista elettronico i segnali rilevati dai "bolometri" in numeri.
Vi chiedo a questo punto se conoscete libri sull'argomento e se potete consigliarmene qualcuno.
Grazie mille a tutti
Per gli star tracker, di fatto sono sensori che scattano una "foto" della parte di cielo che vedono in un determinato momento, si tratta alla fine di un elenco coordinate di oggetti puntiformi (le stelle) che devono essere confrontate con una mappa stellare in modo che, in sostanza, si riconosca che quel particolare gruppo di stelle si vede in quel modo solo se il veicolo spaziale e' orientato in un determinato e preciso modo nello spazio. Gli star tracker possono essere "stupidi" o "intelligenti" a seconda della generazone cui appartengono: negli spacecraft piu' attempati, lo star tracker si limitava a mandare a terra con la telemetria la posizione delle stelle che vedeva, lasciando il compito di individuare l'asterismo a calcolatori posti al centro di  controllo (INTEGRAL e XMM ad esempio lavorano cosi'). Veicoli spaziali di piu' recente costruzione hanno a bordo calcolatori e memoria sufficienti ad ospitare un catalogo stellare e gli algoritmi di ricerca degli asterismi.

Per quanto concerne la traduzione di calore (o luce) in segnale elettronico, i sensori solari (o di Terra) sono sostanzialmente sofisticate celle solari, nelle quali il variare della quantita' di luce che colpisce la superficie del sensore corrisponde ad un aumento o diminuzione di tensione. Combinando alcuni di questi sensori, si e' anche in grado di dire in quale direzione si trova la fonte di luce rispetto allo spacecraft, ed il sistema di guida di bordo puo' comandare gli attuatori (razzetti di manovra ma anche altri, ad esempio magnetotorque) per muovere il satellite se e come necessario.

In genere, infine, per stabilizzare un veicolo spaziale sui tre assi (non e' sempre necessario cmq) servono almeno due sensori. In genere vi sono anche sensori con un grado di precisione medio-basso (c.d. coarse sensors) ma in grado di determinare l'assetto di un veicolo spaziale velocemente permettendo di acquisirne un controllo grezzo, e poi sensori molto piu' raffinati in grado di prendersi carico dello spacecraft dopo che i sensori coarse hanno fatto il loro lavoro e di migliorare il posizionamento spaziale fino ad un livello di precisione micrometrica, sempre usando di fatto stelle e Sole.
Marco Zambianchi
ForumAstronautico Founder
Presidente Associazione ISAA

Offline Acris

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Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #7 il: Lun 23/01/2017, 08:58 »
Per gli star tracker, di fatto sono sensori che scattano una "foto" della parte di cielo che vedono in un determinato momento, si tratta alla fine di un elenco coordinate di oggetti puntiformi (le stelle) che devono essere confrontate con una mappa stellare in modo che, in sostanza, si riconosca che quel particolare gruppo di stelle si vede in quel modo solo se il veicolo spaziale e' orientato in un determinato e preciso modo nello spazio. Gli star tracker possono essere "stupidi" o "intelligenti" a seconda della generazone cui appartengono: negli spacecraft piu' attempati, lo star tracker si limitava a mandare a terra con la telemetria la posizione delle stelle che vedeva, lasciando il compito di individuare l'asterismo a calcolatori posti al centro di  controllo (INTEGRAL e XMM ad esempio lavorano cosi'). Veicoli spaziali di piu' recente costruzione hanno a bordo calcolatori e memoria sufficienti ad ospitare un catalogo stellare e gli algoritmi di ricerca degli asterismi.

Semplifico ulteriormente la cosa se mi permetti Marco, gli star tracker, o almeno i primi, quelli che si studiano al poli e che quindi non credo siano lo stato dell'arte attuale, lavorano così:
  • Fanno una foto
  • Individuano in questa foto le tre stelle piu luminose (numero di pixel impressionati e valore da 0 a 255 di luminosità)
  • Calcolano i tre angoli che cosi si sono formati
  • Vanno a cercare in un elenco (quello sopra impropriamente detto catalogo stellare essendo limitato a solo 3 numeri per linea) dove compare questa terna trovata
  • A questa terna è associata una direzione nello spazio a cui lo star traker, del quale è nota la posizione e l'assetto rispetto alla struttura del satellite, sta puntando
  • Anche la posizione nel fotogramma di questo triangolo affina la posizione dello spacecraft assetto compreso
  • Spesso gli ST sono due e quindi si riesce ad avere perfettamente l'idea dell'assetto e della posizione nello spazio con il doppio dei dati visto che puntano in direzioni diverse ma note

A terra è stato preventivamente calcolata questa tabella con le terne principali per qualsiasi posizione nello spazio che il suddetto spacecraft può puntare e questa non è poi così grande.

Le camere degli star traker sono molto sensibili e non avendo nuvole od oggetti particolari a oscurarne la visione funzionano praticamente in ogni instante, ma attenzione: se puntano sole, luna o terra possono rovinarsi, e quindi prima di scattare la foto si attivano dei sistemi che verificano se l'area inquadrata sarebbe troppo luminosa per l'incolumità del sensore.

Piccola nota di orgoglio, tra i migliori star treker al mondo ci sono quelli prodotti in italia dalla Selex.

Raffaele
« Ultima modifica: Lun 23/01/2017, 09:01 da Acris »
Solo due cose sono infinite, l'universo e la stupidità umana, e non sono sicuro della prima

A.Einstein

Offline IK1ODO

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Re:Sistema di guida di un'astronave
« Risposta #8 il: Lun 23/01/2017, 09:58 »
Star tracker senza calcolatori? E che ci vuole? :)
Prima che il calcolatore digitale fosse ubiquitario la gente si inventava sistemi analogici per fare la stessa cosa. Esempio pratico e banale: faccio l'astrofilo, e per fare fotografie a lunga posa si usano normalmente due telescopi in parallelo; il principale riprende, il secondario è collegato a una camera che riprende una stella nello stesso campo (stella di guida), e ad un software che compensa gli errori di guida della montatura, tenendo ferma la stella di guida nel campo. Il tutto attraverso un accrocchio di sensori CCD, PC, strati su strati di software, montatura computerizzata, eccetera. Funziona, ha un sacco di parametri da aggiustare finemente, a volte fa girare le scatole.

Cinquant'anni fa si faceva la stessa cosa con due fotomoltiplicatori e tre valvole. Ecco lo schema, preso da http://www.sciencemadness.org/library/books/projects_for_the_amateur_scientist.pdf

Immagino che il sistema di controllo di assetto con qualche bolometro un paio di relè che comandano i thrusters potesse essere simile!

edit:typo
« Ultima modifica: Lun 23/01/2017, 10:04 da IK1ODO »
It is difficult to make predictions, especially about the future (Niels Bohr)