อะไร.? ทำให้ดาวเทียมหมุนรอบตัวเอง เอียงไปเอียงมาได้

 อะไร.? ทำให้ดาวเทียมหมุนรอบตัวเอง เอียงไปเอียงมาได้ 
...มาทำความรู้จักกับ Satellite Attitude determination and Control System
#วิศวกรดาวเทียมเล่าเรื่อง #engineer #Satellite #ดาวเทียม
.
หลายคนอาจจะเคยสงสัยและถามในอินบ๊อกเข้ามามากมาย วันนี้แอดมิน..จะพาทุกท่านไปไขคลังความรู้จากผู้เชี่ยวชาญด้านดาวเทียมกันเลยครับ ดาวเทียม...อยู่บนอวกาศลอยอยู่นิ่งๆหรือไม่  ? ดาวเทียมอยู่บนอวกาศแล้วหมุนรอบตัวเองไปเรื่อย ๆ หรือไม่ ? ดาวเทียมบนอวกาศจะถ่ายภาพหรือเก็บข้อมูลให้มีคุณภาพได้อย่างไร? ดาวเทียมมีแผงพลังงานแสงอาทิตย์แล้วจะบังคับแผงพลังงานเข้าหาดวงอาทิตย์เพื่อชาร์จไฟได้อย่างไร? ดาวเทียมตอนนี้อยู่ตรงไหนในวงโคจรแล้วรู้ได้อย่างไร? พิกัดที่ต้องปฏิบัติภารกิจตามคำสั่งภาคพื้นดิน หรือในขณะที่ไม่มีคำสั่งให้ปฏิบัติภารกิจจะปฏิบัติงานในโหมดอื่นๆ และยังคงรักษาสภาพพร้อมปฏิบัติงานได้ตลอดเวลาได้อย่างไร? ด้วยอะไร ? คำถามที่อาจจะเป็นคำถามพื้นฐาน แต่ในการพัฒนาดาวเทียมให้สามารถปฏิบัติงานนั้น มีความซับซ้อนพอสมควร เพราะทันทีที่ดาวเทียมถูกดีดออกจากจรวดนำส่งท่อนสุดท้าย แรงจากการผลักและแรงจากภายนอกต่างๆ จะทำให้ดาวเทียมหมุนรอบตัวเองทันที ดังนั้น ต้องมีระบบมาจัดการควบคุมสิ่งเหล่านี้ เพื่อให้ดาวเทียมนั้นเป็นระบบที่มิใช่แค่สามารถทำงานได้ แต่ต้องทำได้ดี มีความแม่นยำ มีความเสถียร และทำได้ตลอดเวลาด้วย....
หนึ่งในระบบที่ทำหน้าที่นี้คือ “Satellite Attitude determination and Control”
.
ระบบนี้...เป็นระบบคำนวณ และควบคุมการหมุนการทรงตัวรอบแกนของดาวเทียม ในที่นี่แกนดาวเทียมคือ X,Y,Z สำหรับการทรงตัว ส่วนการหมุนรอบแกนนั้นจะเป็น Yaw, Pitch และ Roll ตามลำดับ สิ่งที่จะทำให้ระบบย่อยนี้ทำงานให้บรรลุวัตถุประสงค์ได้อย่างสมบูรณ์ตามภารกิจที่ได้รับการออกแบบจะต้องประกอบด้วยส่วนสำคัญสามส่วนคือ Navigation, guidance และ Control โดยในส่วนของ Navigation จะบอกให้เรารู้ว่าตอนนี้อยู่ที่ตำแหน่งและความเร็วของดาวเทียมในวงโคจรเท่าไร , หมุนรอบตัวเองในอัตรากี่องศาต่อวินาที ของแต่ละแกน , ทรงตัวที่กี่องศาเทียบแกนอ้างอิงของแต่ละแกน ด้วย Sensor ต่าง ๆ อาทิ Sun sensor/Star- tracker, Accelerometer/Gyro meter, GNSS (หรือ GPS) โดยผ่านกระบวนการ Orbit and Attitude Estimation เช่น Extended Kalman filter (EKF), unscented Kalman filter (UKF), and unscented particle filter (UPF)
.
Guidance นั้นจะรับข้อมูลจากระบบ Navigation เช่น ตำแหน่งและความเร็วของดาวเทียมบนวงโคจรที่ได้จาก GNSS/ Star- tracker ค่าความเร็วในการหมุนรอบแกนเชิงมุมและการทรงตัวในแนวแกนจาก Accelerometer/Gyro meter โดยเพิ่มความแม่นยำจาก Sun sensor และ Star- tracker (โดยเฉพาะภารกิจถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงมาก ๆ เช่น ดาวเทียมธีออส 2 ดวงใหญ่ มีความละเอียด 50 เซนติเมตร นั้นหากขาด Star- tracker จะทำให้ระบบดาวเทียมมีประสิทธิภาพลดลงและอาจจะไม่สามารถปฏิบัติภารกิจให้สำเร็จได้) เพื่อคำนวณและสร้างสัญญาณอ้างอิงต่าง ๆ ร่วมกับคำสั่งจากภาคพื้นดิน ส่งให้กับระบบควบคุม เพื่อควบคุมกลไกตัวขับเคลื่อนต่าง ๆ ของดาวเทียมนั่นเองครับ
.
Control system คือส่วนระบบควบคุม จะประกอบด้วยส่วนของอัลกอลิทึมในซอฟแวร์ (เฟริมแวร์) และฮาร์ดแวร์ตัวขับเคลื่อน ชนิดต่าง ๆ (Actuators) ในส่วนของอัลกอลิทึม ซอฟแวร์ที่สำคัญคือ ส่วนของตัวควบคุมระบบ เช่น ตัวควบคุมแบบ PID, PD, Phase lead, PD-based sliding mode control, MPC, LQR, LQG, robust control H∞, Fractional PID หรือ Fractional robust control: CRONE เป็นต้น การเลือกใช้ขึ้นกับประสบการณ์ของผู้ออกแบบพัฒนา ความยากง่ายในการ Implement ความเสถียรและสมรรถนะที่ต้องการ (Gain/Phase margin)  นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาถึงความยากง่ายในเฟส Orbit Tuning ซึ่งเป็นเฟสของการปรับแต่งระบบ บนวงโคจรหลังนำส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศให้พร้อมก่อนปฏิบัติภารกิจที่ได้รับมอบหมายจริงจากสถานีควบคุมภาคพื้นดิน ส่วนตัวขับเคลื่อน (Actuators) ใช้เพื่อสร้างแรงบิดในการหมุนดาวเทียมหรือเพื่อต้านแรงบิดที่กระทำต่อดาวเทียมจากภายนอก เช่น Air drag, solar Radiation pressure, Earth magnetic หรือ Earth, moon gravity นั้น โดยทั่วไปจะใช้ Magnetorquer (Magnetic-torque), Reaction wheel หรือ Control Momentum Gyroscope (CMG) โดยแต่ละแบบจะให้แรงบิดมากน้อยต่างกัน การใช้งานขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบดาวเทียม ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดในโอกาสต่อไปครับ...
.
ขอบคุณข้อมูลจาก
ดร. ชยพล อินอาน
นักวิจัยชำนาญการด้านระบบควบคุมการทรงตัวของอากาศยาน อวกาศยาน
สถาบันวิทยาการอวกาศและภูมิสารสนเทศ
GISTDA