نظام التحكم في سلوك الاتصالات الستلايتية Attitude Control System

يرتبط مصطلح السلوك المتعلق بالاتصالات الساتلية مع اتجاه القمر الصناعي أي المركبة في الفضاء، كما إنّ التحكم في السلوك هو الترتيب المطلوب؛ للحفاظ على القمر الصناعي في الاتجاه المطلوب والسيطرة على السلوك مهمة ضرورية للغاية، ومطلوب الحفاظ على سلوك الساتل تحت السيطرة نظراً لحقيقة أنّ الهوائي على المحطة الأرضية يجب أن يكون محاذياً وفقاً لذلك للحصول على اتجاهية كبيرة.

ما هو نظام التحكم في سلوك الاتصالات الستلايتية Attitude Control System؟

نظام التحكم في سلوك الاتصالات الستلايتية “Attitude Control System”: هو التحكم في اتجاه محور الأقمار الصناعية التي تدور في الفضاء، لذلك تُعرف المجموعة الكاملة من الأجهزة التي تشكل نظاماً يساعد في تحليل اتجاه الأقمار الصناعية في الفضاء، حيث تتمثل الوظيفة الرئيسية للتحكم في تسهيل توجيه هوائي القمر الصناعي بدقة إلى منطقة اهتمامنا المحددة على المحطات الأرضية والألواح الشمسية في الاتجاه نحو الشمس.

فمثلاً إذا كان هناك قمراً صناعياً في الفضاء مخصصاً لالتقاط صور لمنطقة معينة على سطح الأرض، لذلك لتحقيق ذلك يجب أن يكون اتجاه القمر الصناعي بحيث يجب أن يتجه القمر الصناعي نحو الأرض، وعندما يتجه هوائي القمر الصناعي بدقة نحو الأرض، فلن يتم تنفيذ سوى المهمة المرغوبة المتمثلة في التقاط الموضع المطلوب، كما في نفس الوقت يجب الحفاظ على الموضع حتى وقت الحاجة إليه، لأنّه إذا تغير فسيتم تغيير المحاذاة وبالتالي الناتج.

عندما نفكر في الأقمار الصناعية البيئية للأرض، فإنّه يتطلب أيضاً التحكم في السلوك؛ لأنّ أدوات استشعار الأرض في هذه الأنظمة يجب أن تغطي بشكل صحيح المناطق المطلوب تغطيتها، وبالتالي إنّ نظام التحكم في السلوك مطلوب لمحاذاة والحفاظ على التوجيه الصحيح للقمر الصناعي في الاتجاه الصحيح.

سلوك القمر الصناعي:

يتم وصف الموقف من حيث الزاوية وليس من حيث المسافة، وبالنسبة لإطار إحداثيات محوره الجسم ويسمى إطار الجسم، يتوافق الموقف مع الدوران الزاوي فيما يتعلق به، والمحاور الثلاثة التي تحدد موقف الأقمار الصناعية هي الالتفاف والخطوة والانعراج.

إنّ المحاور تمر عبر مركز الثقل، والزاوية المتكونة من محاور التدحرج والانحراف والانعراج تسمى زاوية التدحرج والخطوة والانعراج على التوالي، كما يتطابق اللف مع الدوران حول المحور السيني والخطوة هي الدوران حول المحور الصادي والانعراج هو الدوران بالنسبة للمحور “z-axis”، وعندما يتم النظر في المدار الاستوائي، فإنّ دوران القمر الصناعي حول محور الدوران يتسبب في حركة البصمة شمالاً وجنوباً، بينما عندما يكون الدوران حول محور الإشارة، فإنّ البصمة تتحرك شرقاً وغرباً، بينما يتم تدوير أثر الهوائي عندما تكون حركة القمر الصناعي حول محور الانعراج.

وللتحقق من صحة السلوك، يجب أولاً أن يتم معرفة ما هو السلوك المطلوب، حيث تُعد الدقة والمعدل الذي يتغير به السلوك من العوامل الحاسمة لتحديد متطلبات التحكم في السلوك، كما تتوافق دقة السلوك مع قدرة المركبة الفضائية على تركيز الإشعاع المنبعث بشكل صحيح نحو الهدف المرغوب، أي المحطة الأرضية على الأرض، وهذا يعني أنّه حتى لو خضعت المركبة الفضائية لتحول طفيف، فيجب أن تتمركز الحزمة على الهدف.

عندما ينبعث الشعاع نحو الهدف، فإنّه يصنع مخروطاً ويعتبر الحجم الزاوي للمخروط المتكون بمثابة دقة السلوك ويُشار إليها بـ “ψ”، لذلك في مثل هذه الحالة يجب أن يعمل نظام التحكم بشكل صحيح بحيث يجب تركيز الحزمة المنبعثة على هوائي الاستقبال، وبخلاف دقة السلوك، فإنّ المعدل الذي يتغير به السلوك هو أيضاً عامل مهم أثناء التعامل مع متطلبات التحكم في السلوك، وهذا لأنّه عندما يتحرك القمر الصناعي في الفضاء، تكون هناك حاجة أحياناً لتحويل الانتباه بين نقاط مختلفة على الأرض.

يجب أن يكون هذا التحول من نقطة تركيز إلى أخرى سريعاً، حيث يتم تعريف هذا من حيث معدل عدد كبير، ونظراً لأنّ معدل الدوران يتوافق مع السرعة الزاوية التي غيرت بها المركبة الفضائية تركيزها من نقطة إلى أخرى على الأرض.

العوامل المؤثرة في سلوك الأقمار الصناعية:

يتم الحاجة إلى الدقة فيما يتعلق بمعدل الذروة، لأنّ تثبيت القمر الصناعي في الموقف المطلوب وفقاً للتطبيق سيكون مهمة أسهل، لذا حتى هذا لن يتحكم في متطلبات السلوك بشكل صحيح، والسبب في ذلك هو أنّ الفضاء يعتبر مكاناً ضخماً، لذلك حتى بعد تثبيت القمر الصناعي عند عدد محدد من القوى فإنّ عزم الدوران المسمى بالاضطراب لديه القدرة على تغيير السلوك دون سبب، ويُعتبر سبب توليد عزم الدوران المضطرب من العوامل التي تؤثر على سلوك القمر الصناعي.

أولاً: عزم التدرج الجاذبي:

هناك مجال جاذبية للأرض يعمل على الأشياء، ويتم إنشاء عزم التدرج الجاذبي عندما تُظهر الأرض قوى جاذبية مختلفة على أجزاء مختلفة من القمر الصناعي الذي يدور في الفضاء، وهذا لأنّه وفقاً لنيوتن تختلف قوة الجاذبية وفقاً لمربع مسافة الفصل.

ثانياً: عزم الدوران المغناطيسي:

إنّ عزم الدوران هذا ناتج عن المجال المغناطيسي الذي توفره الأرض، كما أنّ الجسيمات المشحونة موجودة في الفضاء، وبسبب الجسيمات المشحونة الموجودة فإنّ سطح القمر الصناعي يطور شحنته الخاصة ينتج عنه ثنائي القطب مختلف، أي بين الشمال والجنوب، ولهذا السبب في وجود مجال مغناطيسي، سيحاول القمر الصناعي الذي أصبح الآن مشحوناً كثنائي القطب محاذاة نفسه بالنسبة إلى المجال المغناطيسي للأرض، كما تحاول البوصلة القيام بذلك، ومع ذلك فإنّ عزم الدوران المغناطيسي المتولد سيعتمد على ثنائي القطب المغناطيسي للمركبة الفضائية وقوة المجال المغناطيسي.

ثالثاً: ضغط الإشعاع الشمسي:

الشمس هي مصدر آخر لتوليد عزم الدوران المضطرب، حيث تمارس الشمس قوة صغيرة على القمر الصناعي الذي يدور حول الأرض، وهذا ما يعرف بضغط الإشعاع الشمسي، كما إنّ ضوء الشمس ليس سوى فوتونات، وتُعتبر الفوتونات عديمة الكتلة ولكن لها زخم، وعندما تضرب الفوتونات ينتقل الزخم إلى سطح القمر الصناعي.

رابعاً: السحب الجوي:

يتعرض القمر الصناعي الذي يدور حول مدار الأرض المنخفض لقوة سحب بسبب دخوله الغلاف الجوي وحرقه، ومع ذلك في الأجزاء المختلفة من الأقمار الصناعية، وتختلف قوة السحب هذه بسبب الاختلاف في معامل السحب، ويؤدي هذا الاختلاف في معامل السحب إلى التسبب في عزم السحب.

طرق التحكم في سلوك الأقمار الصناعية:

تُعد طريقة دمج كاشف الأفق أمراً بالغ الأهمية في ممارسة التحكم في السلوك، وفي هذه الطريقة تساعد مستشعرات الأشعة تحت الحمراء في اكتشاف حافة الأرض بالنسبة لخلفية الفضاء، وتشتمل هذه الطريقة على “4 أجهزة استشعار”، يغطي كل منها ربعاً ممّا يجعل مركز الأرض نقطة مرجعية وعندما يتغير اتجاه المركبة الفضائية، ويتم اكتشاف ذلك بواسطة واحد أو أكثر من أجهزة الاستشعار، ثم يولد النظام عزم دوران مسترجع يتوافق مع التغيير المكتشف.

على الرغم من حدوث تغييرات في منطقة القمر الصناعي في الفضاء، يمكن للمرء إرسال إشارات التحكم من المحطات الأرضية وفقاً لمعلومات السلوك التي يتم الحصول عليها من القمر الصناعي، وعندما يتطلب الأمر تغيير السلوك يتم تنفيذ مناورات السلوك وترسل المحطة الأرضية إشارة التحكم المطلوبة، ويمكن إنشاء العزم الذي يتحكم في السلوك بالطرق التالية :

أولاً: التحكم السلبي في السلوك:

يشبه إجراء التحكم هذا إلى حد ما تكوين الحلقة المفتوحة، والذي يمكّن القمر الصناعي من البقاء في الوضع المطلوب، حيث يتم الحفاظ على موضعه باستخدام القليل من عزم الدوران أو حتى بدونه في بعض الأحيان، وتساعد هذه الطريقة في تثبيت القمر الصناعي دون إعاقة إمدادات الطاقة للقمر الصناعي.

ثانياً: التحكم النشط في السلوك:

هذه عملية حلقة مغلقة تحتاج إلى تغذية راجعة لإجراء التعديلات المطلوبة، وعلى عكس التحكم السلبي في السلوك، لا توفر هذه الطريقة عزم الدوران الإجمالي للتعويض عن عزم الدوران المضطرب، ومع ذلك في التحكم النشط واستجابةً لعزم الدوران المضطرب يتم إنتاج عزم دوران تصحيحي.