Система управления движением и навигации МКА

Система управления движением и навигации (СУДН) необходима, чтобы КА находился в определённом положении при движении по орбите, также она позволяет ему перемещаться в пространстве и поддерживать нужные параметры орбиты (орбита спутников постоянно снижается за счёт торможения об атмосферу Земли).

Исходя из вышесказанного, можно выделить два основных назначения СУДН:

• управление движением центра масс КА (навигация и наведение);
• управление движением относительно центра масс КА (ориентация и стабилизация).

Основной навигационной задачей является расчёт (или измерение) навигационных параметров (координат и скорости), характеризующих орбиту космического аппарата. Другими словами, необходимо понимать, где в конкретный момент времени находится КА. Для этого в составе СУДН есть аппаратура спутниковой навигации, обменивающаяся сигналами со спутниковой группировкой. Также задача навигации решается расчётным путём средствами бортовой вычислительной системы (БВС).

В задачу наведения входит расчёт необходимых управляющих воздействий, которые обеспечивают приведение КА в заданную точку космического пространства или поверхности небесного тела с заданной скоростью и в требуемый момент времени. Все расчётные задачи в автоматическом режиме также решает БВС, а исполнительным органом является двигательная установка.

Зачастую важно обеспечить ориентацию КА относительно окружающего пространства и, что еще важнее, объекта исследования (куда «смотрит» телескоп или как наведена антенна и т.п.). Сначала узнают текущую ориентацию. Для этого используются различные приборы определения координат (солнечные, звёздные и инфракрасные датчики, магнитометры). А затем с помощью двигательной установки и/или силовых гироскопов (маховиков) аппарат поворачивают в необходимое положение.  

Чтобы поддерживать требуемую ориентацию, нужно решить задачу стабилизации. Другими словами - устранить угловые отклонения, возникающие под воздействием внешних сил. Поддержание заданной ориентации (создание управляющих моментов относительно центра масс) обеспечивают специальные двигатели ориентации, а также силовые гироскопы.

Как правило CubeSat не оснащены двигателями и имеют лишь систему ориентации и стабилизации (СОС), которая решает свои задачи с использованием гироскопов, в качестве которых часто применяются маховики.

Один маховик позволяет повернуть аппарат относительно одной оси. Поэтому необходимо использовать блок как минимум из трёх маховиков для управления положением по всем осям. Чаще всего в задачу ориентации CubeSat не входит необходимость вращения вокруг своей оси, поэтому используется блок из двух дублированных маховиков. Такие блоки входят в состав CubeSat класса 3U и выше.

Для ориентации строго по одной оси могут использоваться гравитационные штанги с грузом на конце. Идея состоит в том, что более тяжелый груз будет сильнее притягиваться к Земле, чем сам спутник, обеспечивая стабильное положение оси, направленной к центру Земли.

Маховики и штанги не используют топливо (рабочее тело), из-за чего двигательные установки им проигрывают.

Также в состав СОС кубсата входят датчики, обычно солнечные, но могут быть и магнитометры, и звездные трекеры, а также их совокупность для надёжности.

И все же задача поддерживать и менять орбиту довольно важная. Поэтому для спутников формата CubeSat (3U и более) активно разрабатываются двигательные установки.

Проблемой наноспутников является тот факт, что они, окончив свою работу (или выйдя из строя), продолжают пребывание на орбите еще несколько лет и могут сталкиваться с другими аппаратами. Наличие двигателя может решить эту проблему. После окончания срока службы двигатель выдаёт тормозной импульс и кубсат сгорает в атмосфере.  

Наибольшее распространение на кубсатах получили газовые и электрические (ионные, плазменные) двигатели, также разрабатываются идеи кубсатов с солнечным парусом.