أسترونيكس

تقيس أجهزة قياس المغناطيسية قوة المجال المغناطيسي للأرض في اتجاه واحد. ولإجراء القياسات على المحاور الثلاثة، يتكون الجهاز المطلوب من ثلاثة أجهزة قياس مغناطيسية متعامدة. وبناءً على موقع المركبة الفضائية، يمكن مقارنة قياسات المجال المغناطيسي بمجال مغناطيسي معروف، مُستمد من نموذج المجال المغناطيسي المرجعي الدولي . تتأثر القياسات التي تُجريها أجهزة قياس المغناطيسية بالتشويش الناتج عن أخطاء المحاذاة، وأخطاء عامل القياس، والنشاط الكهربائي للمركبة الفضائية. بالنسبة للمدارات القريبة من الأرض، قد يتراوح الخطأ في اتجاه المجال المُنمذج من 0.5 درجة بالقرب من خط الاستواء إلى 3 درجات بالقرب من القطبين المغناطيسيين، حيث تلعب تيارات الشفق القطبي غير المنتظمة دورًا كبيرًا. ^{[ 1 ] : 258} يتمثل قيد هذا الجهاز في أن المجال المغناطيسي في المدارات البعيدة عن الأرض يكون ضعيفًا للغاية، ويهيمن عليه المجال بين الكواكب، وهو مجال معقد وغير قابل للتنبؤ.

يعمل مستشعر الشمس على استقبال الضوء الداخل عبر شق رفيع أعلى حجرة مستطيلة، حيث يُسقط صورة خط رفيع على قاع الحجرة المُبطّن بشبكة من الخلايا الحساسة للضوء. تقيس هذه الخلايا بُعد الصورة عن محورها المركزي، وباستخدام ارتفاع الحجرة، يُمكن تحديد زاوية الانكسار. تعمل الخلايا وفقًا للتأثير الكهروضوئي ، حيث تُثير الفوتونات الواردة الإلكترونات، مُحدثةً بذلك فرق جهد عبر الخلية، والذي يُحوّل بدوره إلى إشارة رقمية. بوضع مستشعرين متعامدين، يُمكن قياس اتجاه الشمس بالكامل بالنسبة لمحاور المستشعر.

يتميز هذا المستشعر ببساطته، إذ يُمكن تحديد العديد من الخصائص باستخدام إشارة واحدة. تحمل الإشارة معلومات تعريف القمر الصناعي، وموقعه، ومدة انتشاره، ومعلومات الساعة. ^{[ 2 ]} وباستخدام كوكبة من 36 قمرًا صناعيًا لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، لا يلزم منها سوى أربعة، يُمكن تحديد الملاحة، وتحديد الموقع، والوقت بدقة، والمدار، والاتجاه. ومن مزايا نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إمكانية استخدامه في أنظمة التحكم الآلي في جميع المدارات، بدءًا من مدار الأرض المنخفض وصولًا إلى المدار المتزامن مع الأرض .

يتمثل الغرض من نظام الأوامر في تزويد المركبة الفضائية بمجموعة من التعليمات لتنفيذها. تُنفذ أوامر المركبة الفضائية بناءً على الأولوية. تتطلب بعض الأوامر التنفيذ الفوري، بينما قد تحدد أوامر أخرى فترات تأخير معينة يجب انقضاؤها قبل تنفيذها، أو وقتًا محددًا يجب فيه تنفيذ الأمر، أو حدثًا أو مجموعة أحداث يجب أن تحدث قبل تنفيذ الأمر. ^{[ 1 ] : 600} تؤدي المركبات الفضائية مجموعة من الوظائف بناءً على الأوامر التي تتلقاها. تشمل هذه الوظائف: تزويد أو إزالة الطاقة من نظام فرعي أو تجربة في المركبة الفضائية، وتغيير أوضاع تشغيل النظام الفرعي، والتحكم في وظائف مختلفة لنظام توجيه المركبة الفضائية ونظام التحكم في الحركة. كما تتحكم الأوامر في الأذرع والهوائيات ومصفوفات الخلايا الشمسية والأغطية الواقية. يمكن أيضًا استخدام نظام الأوامر لتحميل برامج كاملة إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) للأنظمة الفرعية القابلة للبرمجة والقائمة على المعالجات الدقيقة والموجودة على متن المركبة. ^{[ 1 ] : 601}

يستقبل جهاز استقبال الأوامر إشارة التردد اللاسلكي المرسلة من الأرض، ثم يقوم بتضخيمها وفك تشفيرها. يُعد التضخيم ضروريًا لأن الإشارة تضعف بشدة بعد قطعها مسافة طويلة. يلي ذلك في نظام الأوامر جهاز فك تشفير الأوامر، الذي يفحص إشارة الموجة الحاملة الفرعية ويكشف رسالة الأمر التي تحملها. عادةً ما تكون مخرجات جهاز فك التشفير بيانات لا تعود إلى الصفر . كما يوفر جهاز فك تشفير الأوامر معلومات الساعة لمنطق الأوامر، مما يُعلمه بصحة البت على خط البيانات التسلسلي. يتميز تدفق بتات الأوامر المُرسل إلى معالج الأوامر بخاصية فريدة خاصة بالمركبات الفضائية. من بين أنواع البتات المختلفة المُرسلة، تأتي بتات عنوان المركبة الفضائية. تحمل هذه البتات رمز تعريف خاصًا بمركبة فضائية معينة، وتمنع تنفيذ الأمر المقصود بواسطة مركبة فضائية أخرى. هذا ضروري لوجود العديد من الأقمار الصناعية التي تستخدم نفس التردد ونوع التضمين. ^{[ 1 ] : 606}

يستقبل المعالج الدقيق المدخلات من وحدة فك تشفير الأوامر، ويعالجها وفقًا لبرنامج مُخزّن في ذاكرة القراءة فقط (ROM) أو ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، ثم يُخرج النتائج إلى دائرة الربط البيني. ونظرًا لتنوع أنواع الأوامر والرسائل، تُنفّذ معظم أنظمة الأوامر باستخدام معالجات دقيقة قابلة للبرمجة. ويُحدد نوع دائرة الربط البيني المطلوبة بناءً على الأمر المُرسل من المعالج. وتشمل هذه الأوامر أوامر الترحيل، والنبض، والمستوى، والبيانات. تُفعّل أوامر الترحيل ملفات المرحلات الكهرومغناطيسية في وحدة تبديل الطاقة المركزية. أما أوامر النبض فهي عبارة عن نبضات قصيرة من الجهد أو التيار تُرسلها وحدة منطق الأوامر إلى النظام الفرعي المناسب. ويُشبه أمر المستوى أمر النبض المنطقي تمامًا، باستثناء أنه يُرسل مستوى منطقيًا بدلًا من النبضة المنطقية. بينما تنقل أوامر البيانات كلمات البيانات إلى النظام الفرعي المُستهدف. ^{[ 1 ] : 612-615}

ستكون الأوامر الموجهة إلى المركبة الفضائية عديمة الفائدة إذا لم تكن محطة التحكم الأرضية على دراية بما تفعله المركبة. تشمل بيانات القياس عن بُعد معلومات مثل:

• بيانات الحالة المتعلقة بموارد المركبة الفضائية وحالتها ووضعها ونمط تشغيلها
• البيانات العلمية التي تم جمعها بواسطة أجهزة الاستشعار الموجودة على متن المركبة (التلسكوبات، وأجهزة قياس الطيف، وأجهزة قياس المغناطيسية، وأجهزة قياس التسارع، وأجهزة قياس الكهرباء، وأجهزة قياس الحرارة، وما إلى ذلك).
• بيانات محددة عن مدار المركبة الفضائية وتوقيتها والتي يمكن استخدامها للتوجيه والملاحة بواسطة المركبات البرية أو البحرية أو الجوية
• الصور الملتقطة بواسطة الكاميرات الموجودة على متن المركبة (المرئية أو بالأشعة تحت الحمراء)
• مواقع الأجسام الأخرى، سواء على الأرض أو في الفضاء، التي تتعقبها المركبة الفضائية
• بيانات القياس عن بُعد التي تم نقلها من الأرض أو من مركبة فضائية أخرى في كوكبة أقمار صناعية ^{[ 1 ] : 617}

نظام القياس عن بعد مسؤول عن الحصول على البيانات من أجهزة الاستشعار، والمكيفات، والمحددات، والمحولات، للمعالجة، بما في ذلك الضغط، والتنسيق، والتخزين، وأخيراً للإرسال، والذي يشمل التشفير، والتعديل، والإرسال، والهوائي.

تتميز أنظمة القياس عن بُعد للمركبات الفضائية بعدة خصائص فريدة. من بينها التعامل مع حقيقة أن أي قمر صناعي في مدار أرضي منخفض ، نظرًا لسرعته العالية، قد لا يكون على اتصال بمحطة معينة إلا لمدة تتراوح بين عشر وعشرين دقيقة. وهذا يتطلب مئات المحطات الأرضية للتواصل المستمر، وهو أمر غير عملي على الإطلاق. أحد الحلول لهذه المشكلة هو تخزين البيانات على متن المركبة . إذ يمكن لهذه التقنية تجميع البيانات ببطء طوال المدار، ثم إرسالها بسرعة عند مرورها بمحطة أرضية . في مهمات الفضاء السحيق، يُستخدم جهاز التسجيل غالبًا بطريقة معاكسة، حيث يلتقط البيانات بمعدل عالٍ ثم يعيد تشغيلها ببطء عبر روابط محدودة السرعة. ^{[ 1 ] : 567} حل آخر هو أقمار نقل البيانات. تمتلك ناسا أقمارًا صناعية في مدار أرضي ثابت تُسمى TDRS ( أقمار التتبع ونقل البيانات) ، والتي تنقل الأوامر وبيانات القياس عن بُعد من أقمار المدار الأرضي المنخفض. قبل TDRS، كان رواد الفضاء قادرين على التواصل مع الأرض لحوالي 15% فقط من المدار، باستخدام 14 محطة أرضية تابعة لناسا حول العالم. بفضل نظام TDRS، أصبحت تغطية الأقمار الصناعية منخفضة الارتفاع عالمية، انطلاقًا من محطة أرضية واحدة في وايت ساندز، نيو مكسيكو . ^{[ 1 ] : 569}

من السمات الفريدة الأخرى لأنظمة القياس عن بُعد خاصية التشغيل الذاتي. تحتاج المركبات الفضائية إلى القدرة على مراقبة وظائفها الداخلية والتصرف بناءً على المعلومات دون تدخل من محطات التحكم الأرضية. تنشأ الحاجة إلى التشغيل الذاتي من مشاكل مثل عدم كفاية التغطية الأرضية، وهندسة الاتصالات، والاقتراب الشديد من خط الأرض-الشمس (حيث يتداخل التشويش الشمسي مع الترددات الراديوية)، أو ببساطة لأغراض أمنية. يُعد التشغيل الذاتي مهمًا لضمان امتلاك نظام القياس عن بُعد القدرة على مراقبة وظائف المركبة الفضائية، وامتلاك أنظمة التحكم القدرة على إصدار الأوامر اللازمة لإعادة التكوين بناءً على متطلبات الإجراء المطلوب اتخاذه. تتكون هذه العملية من ثلاث خطوات:

1. يجب أن يكون نظام القياس عن بعد قادراً على التعرف على متى تنحرف إحدى الوظائف التي يراقبها عن النطاقات الطبيعية.

2. يجب أن يعرف نظام الأوامر كيفية تفسير الوظائف غير الطبيعية، حتى يتمكن من توليد استجابة أوامر مناسبة.

3. يجب أن تكون أنظمة التحكم والقياس عن بُعد قادرة على التواصل فيما بينها. ^{[ 1 ] : 623}