Aula de 13 de 12 de 2011 - DEM

Prof. Hans-Ulrich Pilchowski
Notas de Aula
Sensores de atitude
INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS
ESPACIAIS - INPE
Satélites Artificiais - Movimento de Atitude
Aula de 13 de dezembro de 2011
Código: CMC –316 - 4
Sensores para determinação da atitude de satélites
HANS-ULRICH PILCHOWSKI
CAPÍTULO XII
SENSORES DE ATITUDE
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Prof. Hans-Ulrich Pilchowski
Satélites Artificiais – Movimento de Atitude
Introdução
A finalidade da determinação de atitude é obter a orientação da espaçonave em
relação a um sistema de referência inercial, cuja origem pode ser o centro da Terra, ou a
uma direção específica, como a de uma estrela, do sol, ou ainda uma determinada pelo
campo magnético terrestre. Basicamente existem duas alternativas: ou a atitude é medida
com respeito a uma direção de referência usando algum tipo de sensor, ou a mudança
de orientação é obtida medindo diretamente aceleração centrifuga utilizando
giroscópios e acelerômetros.
Sensores de atitude
Sensores de atitude são dispositivos que determinam a atitude de um satélite
medindo sua orientação com respeito à Terra, ao campo geomagnético, ao sol ou a uma
estrela utilizando sensores de Terra, sensores de campo magnético, sensores de sol ou
sensores de estrela respectivamente.
Sensores de Terra (Earth sensors)
Sensores de Terra são mecanismos do sistema de determinação de atitude de
satélites artificiais terrestres utilizados na determinação da orientação da espaçonave com
relação à Terra. Estes sensores determinam o ângulo (ângulo nadir) existente entre a
direção de um eixo de simetria do satélite (eixo de atitude, assim denominado por haver
sido escolhido para definir a orientação do satélite) e a direção do centro da Terra. A
denominação mais comum destes sensores é sensores de horizontes, pois o que eles
detectam é o horizonte infravermelho da Terra, isto é, eles detectam uma imagem da
Terra baseada no calor irradiado por esta. Basicamente existem três tipos de sensores de
horizonte.
Sensores estáticos de horizonte (Static horizon sensors)
Sensores estáticos de horizonte como mostram as Figuras 4.1 e 4.2, geram um
sinal de erro, utilizando um sistema iterativo, até o instante no qual ele está precisamente
alinhado com o disco aparente da Terra.
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Sensores de atitude
vertical local
eixo de guinada
detetores
eixo de rolamento
Fig.12.1-Sensor de horizonte estático para espaçonave sem rotação.
O esquema do sistema da Figura 4.1 opera com uma pequena gama de órbitas,
atitudes, rastreadores de borda e sistemas radiométricos, consistindo de quatro
rastreadores de borda oscilantes transversais ao horizonte gerando uma gama de pulsos
aproximadamente retangulares cujo espaçamento e largura dependem da posição do
detetor em relação à faixa do horizonte para a qual o radiômetro está calibrada.
Como a posição do horizonte terrestre para um sensor infravermelho é no mínimo
ambígua, a maioria dos sensores de horizonte adota detetores de radiação calibrados para
detectar a radiação da banda do CO2, isto é, para comprimentos de onda de 14 a 16µm,
que representa a faixa do horizonte vista pelo radiômetro.
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metade do ângulo de
visada da Terra
eixo de rotação
projeção do campo de visada
no plano do horizonte
Horizonte
Infravermelho
Fig. 12.2 - Sensor estático para satélites estabilizados por rotação.
Sensor escrutinador de horizonte (Scanning horizon sensor)
O sensor escrutinador de horizonte que usa um espelho oscilante para passar a
imagem da Terra sobre um detetor que gera um sinal de contorno ou de disco aparente
utilizados em satélites sem rotação, isto é, estabilizados em três eixos. Este tipo de sensor
constantemente esquadrinha uma região do espaço, denominada região de procura,
utilizando dois prismas montados sobre volantes, denominados escrutinadores, como
mostra a Figura 4.3. A radiação, originada pelo ângulo do prisma, passa por uma lente de
germânio e é focada sobre um termistor fixo ao corpo do satélite, gerando um
esquadrinhamento cônico. Note-se que, quando um satélite é estabilizado por rotação o
eixo de rotação é o eixo escolhido para ser o eixo de atitude, já quando o satélite é
estabilizado em três eixos, igualmente a orientação de um segundo eixo deve ser
determinada.
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Sensores de atitude
posição média da
linha de visada
região de procura
vertical
escrutinador
horizonte
Fig.12.3 - Sensor Escrutinador de Horizonte.
Sensores de horizonte infravermelhos rotativos (Spin infrared horizon sensors)
Sensores de horizonte infravermelhos rotativos usam o mesmo princípio físico
que o sensor anterior, porém, é utilizado em satélites estabilizados por rotação, de forma
que a própria rotação do satélite gera o esquadrinhamento, como mostra a Figura 4.4.
Este tipo de sensor infravermelho é montado no satélite com um ângulo fixo em relação
ao eixo de rotação deste, de forma que gere um esquadrinhamento cônico similar ao dos
sensores escrutinadores de horizonte.
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campo de visada instantâneo
vertical local
sensor bissetor de guinada
sensor bissetor de
rolamento
horizonte infravermelho
Fig.12.4 - Sensor de horizonte rotativo infravermelho.
Sensor solar (Sun sensor)
Sensor solar é um mecanismo ótico que detecta o sol e define a posição de um
dos principais eixos de simetria da espaçonave (eixo de atitude) em relação à direção na
qual o sol foi detectado através de um ângulo (ângulo solar). Basicamente existem dois
tipos de sensores solares :
Sensor solar de fenda em V (V-slit sun sensor)
Sensor solar de fenda em V que é utilizado em satélites estabilizados por rotação
e consiste em quatro células solares atrás de uma fenda meridional, que fornecem
informações sobre o alinhamento daquele meridiano e o sol, possuindo ainda uma outra
fenda inclinada a 30° para informar se o sol está mais ao norte ou ao sul. Quando o sol
está no meridiano as duas células à esquerda e as duas à direita da fenda meridional
fornecem um sinal de igual intensidade, já a intensidade do sinal das células que estão
atrás da fenda inclinada informará sobre se o sol está mais ao sul ou ao norte, como
mostra a Figura 4.5.
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Sensores de atitude
eixo de rotação
SOL
fenda meridional
células solares
fenda meridional
células solares
fenda inclinada
fenda inclinada de 30°
Fig.12.5 - Sensor solar de fenda em V para satélites com rotação.
Sensor solar digital (Digital solar sensor)
Sensor solar digital que é utilizado em espaçonaves estabilizadas em três eixos e
consiste em diversas células solares, em número igual atrás de cada fenda. As fendas A e
B, conforme mostra a Figura 4.6, perfazem um ângulo de 90° entre si determinando dois
ângulos (α e β) em relação ao campo de visada. As células solares atrás da fenda A
determinam o ângulo α e já os detetores que ficam atrás da fenda B determinam o ângulo
β. Assim, a direção do sol pode ser determinada sobre um campo de visada bastante
amplo.
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direção do sol
β
α
B
A
A
B
Fig.12.6 - Sensor solar digital de fendas
normais.
Freqüentemente, as células solares estão codificadas de maneira que cada
combinação de células iluminadas identifica um determinado ângulo, desta forma a
informação pode ser obtida e memorizada diretamente na forma digital.
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Sensores de atitude
Sensores de estrela (Star sensor or star tracker)
Sensores de estrela são mecanismo que focalizam a imagem estelar de uma parte
do céu através de um sistema de lentes de um tubo imageadora, conforme mostra a Figura
4.7. Um escrutinador, do tipo utilizado em televisão, esquadrinha o céu estrelado
procurando uma determinada estrela. Esta estrela sempre é bem conhecida, tanto por sua
grandeza (brilho aparente) quanto por sua posição em relação à outras estrelas e
coordenadas celestes.
Sistema ótico
motor de sincronização
cátodo
lente
catálogo
estelar
cutelo de nutação ótica
gerador do sinal de
referência
Fig. 12.7 - Sensor de estrela para controle de atitude.
Satélites que devem manter sua atitude eficazmente fixa e que possuem um sensor
de estrelas, procuram manter uma determinada estrela como alvo fixo, mantendo o sensor
apontado constantemente para ela. Para isto é necessário que o sensor esteja preso ao
corpo do satélite através de um balanceiro (gimbal), tipo especial de acoplamento que
permite certa liberdade de movimento ao eixo ao corpo que ele prende, sensores
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acoplados aos balanceiros detectam o movimento de atitude deste corpo em relação ao
satélite.
Sensores de campo magnético (Magnetic field Sensor)
Sensores de campo magnético ou magnetômetro (magnetometer) são dispositivos
que detectam o campo magnético em três eixos ortogonais, isto é, ele fornece a
intensidade do campo magnético em cada uma das três direções. A seguir, as Figuras 4.8
e 4.9 apresentam o esquema de um magnetômetro de fluxo controlado de núcleo duplo,
isto é, com bobinas de indução primária e secundária, respectivamente e um diagrama de
bloco de um magnetômetro em três eixos.
Fig.12.8 - Magnetômetro de fluxo controlado com bobinas de
Estes sensores de atitude são amplamente empregados em satélites artificiais por
diversas razões, ou seja, eles são confiáveis, leves, consomem pouca energia, operam
submetidos a uma larga faixa de temperaturas e não tem partes móveis. Porém, há um
limitante principal para o uso de magnetômetros, isto é, quando o campo magnético
residual do satélite for maior que o campo magnético terrestre. Isto se deve ao fato da
intensidade do campo magnético terrestre decrescer na ordem do inverso do cubo da
distância do centro da Terra, isto é, 1 r 3 , donde a razão entre os dois campos magnéticos
depende da órbita do satélite.
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Sensores de atitude
eixo Z
eixo Y
conversor do
sinal analógico
em sinal digital
eixo X
Fig.12.9 - Diagrama de bloco generalizado de um magnetômetro.
Giroscópios (gyros)
Giroscópios são mecanismos que contém uma roda que gira rapidamente, ou seja,
um volante cuja rotação é mantida por um motor de torque, e cujo eixo está preso por
acoplamentos especiais, tipo balanceiro (gimbal), como mostra a Figura 4.10, e que
permitem certa liberdade de movimento aos eixos, sensores que acoplados aos
balanceiros detectam informações sobre a atitude. O princípio do giroscópio está baseado
no fato de que um volante com grande velocidade angular sempre mantém a mesma
orientação no espaço inercial, mesmo que o veículo (automóvel, trem, foguete ou satélite)
onde ele esteja contido mude constantemente de atitude, contanto que seu eixo de rotação
tenha liberdade de movimento em todas as direções.
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eixo flutuante e eixo do motor de torque
1° balanceiro ou
corpo do satélite
volante
2° balanceiro
eixo de rotação
eixo sensível
Fig.12.10 - Esquema de um giroscópio.
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