تحديد موقف المركبة الفضائية والتحكم فيها

التحكم في موقف المركبة الفضائية هو عملية التحكم في اتجاه المركبة الفضائية (مركبة أو قمر صناعي) فيما يتعلق بإطار مرجعي بالقصور الذاتي أو كيان آخر مثل الكرة السماوية ، وحقول معينة، والأشياء القريبة، وما إلى ذلك.

يتطلب التحكم في موقف السيارة من المحركات تطبيق عزم الدوران اللازم لتوجيه السيارة إلى الموقف المطلوب، وخوارزميات للتحكم في المحركات بناءً على الموقف الحالي ومواصفات الموقف المطلوب.

قبل وأثناء إجراء التحكم في الموقف، يجب إجراء تحديد موقف المركبة الفضائية ، الأمر الذي يتطلب أجهزة استشعار للقياس المطلق أو النسبي.

ويُطلق على المجال المتكامل الأوسع الذي يدرس مجموعة المستشعرات والمحركات والخوارزميات اسم التوجيه والملاحة والتحكم ، والذي يتضمن أيضًا مفاهيم غير متعلقة بالموقف، مثل تحديد الموضع والملاحة .

يجب عادةً تثبيت وضع المركبة الفضائية والتحكم فيه لأسباب متنوعة. وغالبًا ما يكون ذلك ضروريًا حتى يمكن توجيه هوائي المركبة الفضائية عالي الكسب بدقة نحو الأرض من أجل الاتصالات، حتى تتمكن التجارب على متن المركبة الفضائية من تحقيق توجيه دقيق لجمع البيانات وتفسيرها لاحقًا، حتى يمكن استخدام تأثيرات التسخين والتبريد لأشعة الشمس والظل بشكل ذكي للتحكم الحراري، وأيضًا للتوجيه: يجب تنفيذ مناورات دفع قصيرة في الاتجاه الصحيح.

تحتوي العديد من المركبات الفضائية على مكونات تتطلب النطق أو التوجيه. على سبيل المثال ، تم تصميم فوييجر وجاليليو بمنصات مسح لتوجيه الأدوات البصرية نحو أهدافها بشكل مستقل إلى حد كبير عن اتجاه المركبة الفضائية. تحتوي العديد من المركبات الفضائية، مثل مركبات المريخ المدارية، على ألواح شمسية يجب أن تتبع الشمس حتى تتمكن من توفير الطاقة الكهربائية للمركبة الفضائية. كانت فوهات المحرك الرئيسية لكاسيني قابلة للتوجيه. تتطلب معرفة المكان الذي يجب توجيه اللوحة الشمسية أو منصة المسح أو الفوهة إليه - أي كيفية نطقها - معرفة موقف المركبة الفضائية. نظرًا لأن نظامًا فرعيًا واحدًا يتتبع موقف المركبة الفضائية وموقع الشمس وموقع الأرض، فيمكنه حساب الاتجاه الصحيح لتوجيه الزوائد. يقع منطقيًا على نفس النظام الفرعي - نظام التحكم في النطق والوضع (AACS)، إذن، لإدارة كل من النطق والوضع. قد يتم نقل اسم AACS إلى المركبة الفضائية حتى لو لم يكن لديها زوائد للنطق. ^[1]

الموقف هو جزء من وصف كيفية وضع الكائن في المساحة التي يشغلها. يصف الموقف والموضع بشكل كامل كيفية وضع الكائن في المساحة. (بالنسبة لبعض التطبيقات مثل الروبوتات ورؤية الكمبيوتر، من المعتاد الجمع بين الموقف والموضع معًا في وصف واحد يُعرف باسم الوضع ).

يمكن وصف الموقف باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب؛ ومع ذلك ، فإن أكثرها شيوعًا هي مصفوفات الدوران والرباعيات وزوايا أويلر . في حين أن زوايا أويلر غالبًا ما تكون التمثيل الأكثر وضوحًا للتصور، إلا أنها يمكن أن تسبب مشاكل للأنظمة عالية القدرة على المناورة بسبب ظاهرة تُعرف باسم قفل الجيمبال . من ناحية أخرى، توفر مصفوفة الدوران وصفًا كاملاً للموقف على حساب طلب تسع قيم بدلاً من ثلاث. يمكن أن يؤدي استخدام مصفوفة الدوران إلى زيادة النفقات الحسابية وقد يكون من الصعب التعامل معها. تقدم الرباعيات حلاً وسطًا لائقًا من حيث أنها لا تعاني من قفل الجيمبال ولا تتطلب سوى أربع قيم لوصف الموقف بالكامل.

يتم الحفاظ على التحكم في موقف المركبة الفضائية باستخدام أحد النهجين الرئيسيين:

• تثبيت الدوران يتم تثبيت الدوران عن طريق ضبط دوران المركبة الفضائية، باستخدام الحركة الجيروسكوبية لكتلة المركبة الفضائية الدوارة كآلية تثبيت. يتم إطلاق محركات الدفع لنظام الدفع من حين لآخر فقط لإجراء التغييرات المرغوبة في معدل الدوران، أو في موقف تثبيت الدوران. إذا رغبت في ذلك، يمكن إيقاف الدوران من خلال استخدام المحركات الدافعة أو عن طريقإزالة الدوران. تعتبر مسبارات بايونير 10 وبايونير 11 في النظام الشمسي الخارجي أمثلة على المركبات الفضائية المستقرة بالدوران.^[2]
• تثبيت المحاور الثلاثة هو طريقة بديلة للتحكم في موقف المركبة الفضائية حيث يتم تثبيت المركبة الفضائية في الاتجاه المطلوب دون أي دوران.
  • تتمثل إحدى الطرق في استخدام محركات دفع صغيرة لدفع المركبة الفضائية ذهابًا وإيابًا بشكل مستمر ضمن نطاق ميت من خطأ الموقف المسموح به. يمكن أيضًا الإشارة إلى المحركات الدافعة باسم أنظمة التحكم في الطرد الكتلي (MEC) ^[3] ، أو أنظمة التحكم في التفاعل (RCS). تستخدم مسبارات الفضاء فوييجر 1 وفوييجر 2 هذه الطريقة، وقد استنفدت حوالي ثلاثة أرباع ^[4] من 100 كجم من الوقود اعتبارًا من يوليو 2015.
  • هناك طريقة أخرى لتحقيق استقرار ثلاثي المحاور وهي استخدام عجلات رد فعل تعمل بالطاقة الكهربائية ، وتسمى أيضًا عجلات الزخم، والتي يتم تركيبها على ثلاثة محاور متعامدة على متن المركبة الفضائية. وهي توفر وسيلة لتبادل الزخم الزاوي ذهابًا وإيابًا بين المركبة الفضائية والعجلات. لتدوير المركبة على محور معين، يتم تسريع عجلة رد الفعل على هذا المحور في الاتجاه المعاكس. لتدوير المركبة للخلف، يتم إبطاء العجلة. يجب إزالة الزخم الزائد الذي يتراكم في النظام بسبب عزم الدوران الخارجي من، على سبيل المثال، ضغط الفوتون الشمسي أو تدرجات الجاذبية ، من حين لآخر من النظام عن طريق تطبيق عزم دوران متحكم فيه على المركبة الفضائية للسماح للعجلات بالعودة إلى السرعة المطلوبة تحت سيطرة الكمبيوتر. يتم ذلك أثناء المناورات التي تسمى مناورات إزالة تشبع الزخم أو مناورات تفريغ الزخم. تستخدم معظم المركبات الفضائية نظامًا من الدوافع لتطبيق عزم الدوران لمناورات إزالة التشبع. تم استخدام نهج مختلف بواسطة تلسكوب هابل الفضائي ، والذي كان يحتوي على بصريات حساسة يمكن أن تلوثها عوادم الدافع، واستخدم بدلاً من ذلك عزم الدوران المغناطيسي لمناورات إزالة التشبع.

هناك مزايا وعيوب لكل من تثبيت الدوران وتثبيت المحاور الثلاثة. توفر المركبات المستقرة بالدوران حركة مسح مستمرة مرغوبة لأجهزة الحقول والجسيمات، بالإضافة إلى بعض أجهزة المسح الضوئي، ولكنها قد تتطلب أنظمة معقدة لإزالة دوران الهوائيات أو الأجهزة البصرية التي يجب توجيهها نحو الأهداف للملاحظات العلمية أو الاتصالات مع الأرض. يمكن للمركبات التي يتم التحكم فيها بثلاثة محاور توجيه الأجهزة البصرية والهوائيات دون الحاجة إلى إزالة دورانها، ولكن قد يتعين عليها إجراء مناورات دوارة خاصة للاستفادة بشكل أفضل من مجالاتها وأجهزة الجسيمات الخاصة بها. إذا تم استخدام الدوافع للتثبيت الروتيني، فيجب تصميم الرصدات البصرية مثل التصوير مع العلم أن المركبة الفضائية تتأرجح دائمًا ذهابًا وإيابًا ببطء، وليس دائمًا بشكل يمكن التنبؤ به تمامًا. توفر عجلات رد الفعل مركبة فضائية أكثر ثباتًا لإجراء الرصدات، لكنها تضيف كتلة إلى المركبة الفضائية، ولها عمر ميكانيكي محدود، وتتطلب مناورات متكررة لإزالة تشبع الزخم، والتي يمكن أن تزعج حلول الملاحة بسبب التسارع الناتج عن ^{استخدام الدوافع .}

يمكن الحصول على التحكم في الموقف من خلال العديد من الآليات، بما في ذلك:

تعتبر محركات الدفع ذات الفيرنييه أكثر المحركات شيوعًا، حيث يمكن استخدامها للحفاظ على المحطة أيضًا. يجب تنظيم المحركات كنظام لتوفير الاستقرار حول جميع المحاور الثلاثة، ويتم استخدام محركين على الأقل بشكل عام في كل محور لتوفير عزم الدوران كزوج من أجل منع نقل الحركة إلى المركبة. تتمثل حدودها في استخدام الوقود، وتآكل المحرك، ودورات صمامات التحكم. يتم تحديد كفاءة الوقود لنظام التحكم في الاتجاه من خلال نبضه النوعي (متناسبًا مع سرعة العادم) وأصغر نبضة عزم الدوران التي يمكن أن يوفرها (والتي تحدد عدد المرات التي يجب أن تطلق فيها المحركات الدافعة النار لتوفير التحكم الدقيق). يجب إطلاق المحركات الدافعة في اتجاه واحد لبدء الدوران ، ومرة ​​أخرى في الاتجاه المعاكس إذا كان من المقرر الحفاظ على اتجاه جديد. تم استخدام أنظمة الدفع في معظم المركبات الفضائية المأهولة، بما في ذلك فوستوك وميركوري وجيميني وأبولو وسويوز ومكوك الفضاء .

لتقليل حد الوقود خلال مدة المهمة، يمكن استخدام أنظمة التحكم في الموقف المساعدة لتقليل دوران المركبة إلى مستويات أقل، مثل محركات الدفع الأيونية الصغيرة التي تعمل على تسريع الغازات المؤينة كهربائيًا إلى سرعات قصوى، باستخدام الطاقة من الخلايا الشمسية.

عجلات الزخم هي دوارات تعمل بمحرك كهربائي مصممة لتدور في الاتجاه المعاكس للاتجاه المطلوب لإعادة توجيه المركبة. ولأن عجلات الزخم تشكل جزءًا صغيرًا من كتلة المركبة الفضائية ويتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر، فإنها توفر تحكمًا دقيقًا. وعادةً ما يتم تعليق عجلات الزخم على محامل مغناطيسية لتجنب احتكاك المحامل ومشاكل الانهيار. ^[5] غالبًا ما تستخدم عجلات رد الفعل في المركبات الفضائية محامل كروية ميكانيكية.

للحفاظ على التوجيه في الفضاء ثلاثي الأبعاد، يجب استخدام ما لا يقل عن ثلاث عجلات رد فعل، ^[6] مع وحدات إضافية توفر حماية من الفشل الفردي. انظر زوايا أويلر .

هذه هي الدوارات التي تدور بسرعة ثابتة، مثبتة على محاور متحركة لتوفير التحكم في الاتجاه. على الرغم من أن CMG توفر التحكم حول المحورين المتعامدين على محور دوران الجيروسكوب، إلا أن التحكم ثلاثي المحاور لا يزال يتطلب وحدتين. تعد CMG أكثر تكلفة بعض الشيء من حيث التكلفة والكتلة، لأنه يجب توفير محاور متحركة ومحركات دفعها. أقصى عزم دوران (ولكن ليس أقصى تغيير في الزخم الزاوي) الذي تمارسه CMG أكبر من عجلة الزخم، مما يجعلها أكثر ملاءمة للمركبات الفضائية الكبيرة. العيب الرئيسي هو التعقيد الإضافي، مما يزيد من عدد نقاط الفشل. لهذا السبب، تستخدم محطة الفضاء الدولية مجموعة من أربعة CMGs لتوفير تحمل الفشل المزدوج.

يمكن استخدام الأشرعة الشمسية الصغيرة (الأجهزة التي تنتج قوة دفع كقوة رد فعل ناتجة عن انعكاس الضوء الساقط) لإجراء تعديلات صغيرة على التحكم في الاتجاه والسرعة. يمكن لهذا التطبيق توفير كميات كبيرة من الوقود في مهمة طويلة الأمد من خلال إنتاج لحظات تحكم دون إنفاق الوقود. على سبيل المثال، قامت مارينر 10 بتعديل اتجاهها باستخدام خلاياها الشمسية وهوائياتها كأشرعة شمسية صغيرة.

في المدار، فإن المركبة الفضائية ذات المحور الأطول بكثير من المحورين الآخرين ستتجه تلقائيًا بحيث يشير محورها الطويل إلى مركز كتلة الكوكب. يتمتع هذا النظام بفضيلة عدم الحاجة إلى نظام تحكم نشط أو إنفاق وقود. يحدث التأثير بسبب قوة المد والجزر . يشعر الطرف العلوي للمركبة بسحب جاذبية أقل من الطرف السفلي. يوفر هذا عزم دوران استعادة كلما لم يكن المحور الطويل على نفس خط اتجاه الجاذبية. ما لم يتم توفير بعض وسائل التخميد، ستتأرجح المركبة الفضائية حول العمودي المحلي. في بعض الأحيان يتم استخدام الحبال لربط جزأين من القمر الصناعي، لزيادة عزم الدوران المستقر. المشكلة في مثل هذه الحبال هي أن النيازك الصغيرة مثل حبة الرمل يمكن أن تفصل بينهما.

تُمارس الملفات أو (على الأقمار الصناعية الصغيرة جدًا) المغناطيسات الدائمة عزمًا ضد المجال المغناطيسي المحلي. لا تعمل هذه الطريقة إلا حيث يوجد مجال مغناطيسي يمكن التفاعل ضده. في الواقع، يكون أحد "ملفات" المجال الكلاسيكية في شكل حبل موصل في مجال مغناطيسي كوكبي. يمكن لمثل هذا الحبل الموصل أيضًا توليد الطاقة الكهربائية، على حساب الاضمحلال المداري . وعلى العكس من ذلك، من خلال تحريض تيار معاكس، باستخدام طاقة الخلايا الشمسية، يمكن رفع المدار. نظرًا للتباين الهائل في المجال المغناطيسي للأرض من مجال شعاعي مثالي، فإن قوانين التحكم القائمة على اقتران عزم الدوران بهذا المجال ستكون غير خطية للغاية. علاوة على ذلك، يتوفر التحكم ثنائي المحور فقط في أي وقت معين مما يعني أن إعادة توجيه المركبة قد تكون ضرورية لإبطال جميع المعدلات.

توجد ثلاثة أنواع رئيسية للتحكم في الموقف السلبي للأقمار الصناعية. يستخدم النوع الأول تدرج الجاذبية، ويؤدي إلى أربع حالات مستقرة مع توجيه المحور الطويل (المحور ذو أصغر عزم جمود) نحو الأرض. ونظرًا لأن هذا النظام يحتوي على أربع حالات مستقرة، فإذا كان للقمر الصناعي اتجاه مفضل، مثل توجيه الكاميرا نحو الكوكب، فهناك حاجة إلى طريقة ما لقلب القمر الصناعي وربطه من طرف إلى طرف.

يوجه النظام السلبي الثاني القمر الصناعي على طول المجال المغناطيسي للأرض بفضل مغناطيس. ^[7] تتمتع أنظمة التحكم في الموقف السلبي البحتة هذه بدقة توجيه محدودة، لأن المركبة الفضائية ستتأرجح حول الحد الأدنى للطاقة. يتم التغلب على هذا العيب عن طريق إضافة مخمد، والذي يمكن أن يكون مواد هستيرية أو مخمد لزج. المخمد اللزج عبارة عن علبة صغيرة أو خزان من السائل مثبت في المركبة الفضائية، ربما مع حواجز داخلية لزيادة الاحتكاك الداخلي. سيحول الاحتكاك داخل المخمد طاقة التذبذب تدريجيًا إلى حرارة متبددة داخل المخمد اللزج.

الشكل الثالث للتحكم السلبي في الموقف هو التثبيت الديناميكي الهوائي. يتم تحقيق ذلك باستخدام تدرج السحب، كما هو موضح في عرض تكنولوجيا القمر الصناعي للتحكم السلبي في الموقف الخاص بـ Get Away (GASPACS) . في مدار الأرض المنخفض، تكون القوة الناتجة عن السحب أكثر هيمنة بعدة أوامر من حيث الحجم من القوة المنقولة بسبب تدرجات الجاذبية. ^[8] عندما يستخدم القمر الصناعي التحكم السلبي في الموقف الديناميكي الهوائي، تضرب جزيئات الهواء من الغلاف الجوي العلوي للأرض القمر الصناعي بطريقة تجعل مركز الضغط يظل خلف مركز الكتلة، على غرار كيفية تثبيت الريش على السهم. استخدم GASPACS "AeroBoom" قابل للنفخ بطول متر واحد، والذي يمتد خلف القمر الصناعي، مما يخلق عزم دوران استقرار على طول متجه سرعة القمر الصناعي. ^[9]

خوارزميات التحكم هي برامج كمبيوتر تتلقى البيانات من أجهزة استشعار المركبة وتستمد الأوامر المناسبة للمشغلات لتدوير المركبة إلى الوضع المطلوب. تتراوح الخوارزميات من بسيطة للغاية، مثل التحكم النسبي ، إلى مقدرين غير خطيين معقدين أو العديد من الأنواع المتوسطة، اعتمادًا على متطلبات المهمة. عادةً، تكون خوارزميات التحكم في الوضع جزءًا من البرنامج الذي يعمل على أجهزة الكمبيوتر، والذي يتلقى الأوامر من الأرض وينسق بيانات القياس عن بعد للمركبة لإرسالها إلى محطة أرضية.

تتم كتابة وتنفيذ خوارزميات التحكم في الموقف بناءً على متطلبات مناورة موقف معينة. وبصرف النظر عن تنفيذ التحكم السلبي في الموقف مثل تثبيت تدرج الجاذبية ، فإن معظم المركبات الفضائية تستخدم التحكم النشط الذي يعرض حلقة تحكم نموذجية في الموقف. يعتمد تصميم خوارزمية التحكم على المحرك الذي سيتم استخدامه لمناورة الموقف المحددة على الرغم من أن استخدام وحدة تحكم تناسبية تكاملية مشتقة بسيطة ( وحدة تحكم PID ) تلبي معظم احتياجات التحكم.

يتم الحصول على الأوامر المناسبة للمشغلات بناءً على إشارات الخطأ الموصوفة على أنها الفرق بين الموقف المقاس والموقف المرغوب. يتم قياس إشارات الخطأ عادةً كزوايا أويلر (Φ، θ، Ψ)، ومع ذلك يمكن وصف بديل لذلك من حيث مصفوفة جيب التمام الاتجاهية أو رباعيات الخطأ . يتفاعل متحكم PID الأكثر شيوعًا مع إشارة خطأ (انحراف) بناءً على الموقف على النحو التالي

${\displaystyle T_{c}(t)=K_{\text{p}}e(t)+K_{\text{i}}\int _{0}^{t}e(\tau )\,d\tau +K_{\text{d}}{\dot {e}}(t),}$

أين هو عزم التحكم، هو إشارة انحراف الموقف، و هي معلمات وحدة التحكم PID. ${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle e}$${\displaystyle K_{\text{p}},K_{\text{i}},K_{\text{d}}}$

يمكن أن يكون التنفيذ البسيط لهذا هو تطبيق التحكم النسبي لتحديد النقطة الأدنى باستخدام عجلات الزخم أو رد الفعل كمشغلات. بناءً على التغير في زخم العجلات، يمكن تعريف قانون التحكم في المحاور الثلاثة x وy وz على النحو التالي:

${\displaystyle T_{c}x=-K_{\text{q1}}q_{1}+K_{\text{w1}}{w_{x}},}$

${\displaystyle T_{c}y=-K_{\text{q2}}q_{2}+K_{\text{w2}}{w_{y}},}$

${\displaystyle T_{c}z=-K_{\text{q3}}q_{3}+K_{\text{w3}}{w_{z}},}$

تؤثر خوارزمية التحكم هذه أيضًا على التخلص من الزخم.

تتضمن خوارزمية تحكم أخرى مهمة وشائعة مفهوم التفكيك، وهو إضعاف الزخم الزاوي للمركبة الفضائية. تنشأ الحاجة إلى تفكيك المركبة الفضائية من الحالة التي لا يمكن السيطرة عليها بعد إطلاقها من مركبة الإطلاق. تستخدم معظم المركبات الفضائية في مدار أرضي منخفض (LEO) مفهوم التفكيك المغناطيسي الذي يستخدم تأثير المجال المغناطيسي للأرض . تسمى خوارزمية التحكم وحدة التحكم B-Dot وتعتمد على الملفات المغناطيسية أو قضبان عزم الدوران كمشغلات تحكم. يعتمد قانون التحكم على قياس معدل تغير إشارات مقياس المغناطيسية الثابتة على الجسم .

${\displaystyle m=-K{\dot {B}}}$

حيث هو عزم ثنائي القطب المغناطيسي المطلوب لعزم الدوران المغناطيسي و هو المكسب النسبي و هو معدل تغير المجال المغناطيسي للأرض. ${\displaystyle م}$${\displaystyle K}$${\displaystyle {\dot {B}}}$

تحديد موقف المركبة الفضائية هو عملية تحديد اتجاه المركبة الفضائية (مركبة أو قمر صناعي). وهو شرط أساسي للتحكم في موقف المركبة الفضائية. يتم استخدام مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار لتحديد الموقف النسبي والمطلق.

تنتج العديد من أجهزة الاستشعار مخرجات تعكس معدل التغير في الموقف. وتتطلب هذه المخرجات وجود موقف أولي معروف، أو معلومات خارجية لاستخدامها لتحديد الموقف. وتحتوي العديد من هذه الفئة من أجهزة الاستشعار على بعض الضوضاء، مما يؤدي إلى عدم الدقة إذا لم يتم تصحيحها بواسطة أجهزة استشعار الموقف المطلق.

الجيروسكوبات هي أجهزة تستشعر الدوران في الفضاء ثلاثي الأبعاد دون الاعتماد على ملاحظة الأجسام الخارجية. يتكون الجيروسكوب بشكل كلاسيكي من كتلة دوارة، ولكن هناك أيضًا " جيروسكوبات ليزر حلقية " تستخدم الضوء المتماسك المنعكس حول مسار مغلق. نوع آخر من "الجيروسكوبات" هو الجيروسكوب الرنان نصف الكروي حيث يمكن دفع كأس بلوري على شكل كأس نبيذ إلى التذبذب تمامًا كما "تغني" كأس النبيذ عندما يتم فرك الإصبع حول حافتها. يتم تثبيت اتجاه التذبذب في الفضاء بالقصور الذاتي، لذلك يمكن استخدام قياس اتجاه التذبذب بالنسبة للمركبة الفضائية لاستشعار حركة المركبة الفضائية فيما يتعلق بالفضاء بالقصور الذاتي. ^[10]

وحدات مرجع الحركة هي نوع من وحدات القياس بالقصور الذاتي مع أجهزة استشعار الحركة أحادية أو متعددة المحاور. وهي تستخدم جيروسكوبات MEMS . بعض وحدات MRU متعددة المحاور قادرة على قياس التدحرج والميل والانحراف والارتفاع . ولها تطبيقات خارج المجال الجوي، مثل: ^[11]

• تعويض حركة الهوائي وتثبيته
• التموضع الديناميكي
• تعويضات الرفع للرافعات البحرية
• أنظمة التحكم في الحركة والتخميد للمركبات عالية السرعة
• تحديد المواقع الصوتية المائية
• تعويض الحركة لأجهزة قياس الصدى أحادية الحزم ومتعددة الحزم
• قياسات أمواج المحيط
• مراقبة حركة الهياكل البحرية
• قياسات الاتجاه والموقف على المركبات تحت الماء ذاتية التشغيل والمركبات تحت الماء التي يتم تشغيلها عن بعد
• مراقبة حركة السفن

تستشعر هذه الفئة من المستشعرات موضع أو اتجاه الحقول أو الأشياء أو الظواهر الأخرى خارج المركبة الفضائية.

مستشعر الأفق هو جهاز بصري يكتشف الضوء من "طرف" الغلاف الجوي للأرض، أي عند الأفق. غالبًا ما يتم استخدام الاستشعار الحراري بالأشعة تحت الحمراء ، والذي يستشعر الدفء النسبي للغلاف الجوي، مقارنة بالخلفية الكونية الأكثر برودة . يوفر هذا المستشعر التوجيه فيما يتعلق بالأرض حول محورين متعامدين. يميل إلى أن يكون أقل دقة من المستشعرات القائمة على المراقبة النجمية. يشار إليه أحيانًا باسم مستشعر الأرض. ^[12]

على غرار الطريقة التي تستخدم بها البوصلة الجيروسكوبية الأرضية البندول لاستشعار الجاذبية المحلية وإجبار الجيروسكوب الخاص بها على المحاذاة مع متجه دوران الأرض، وبالتالي الإشارة إلى الشمال، تستخدم البوصلة الجيروسكوبية المدارية مستشعر الأفق لاستشعار الاتجاه إلى مركز الأرض، والجيروسكوب لاستشعار الدوران حول محور عمودي على مستوى المدار. وبالتالي، يوفر مستشعر الأفق قياسات الميل والانقلاب، ويوفر الجيروسكوب الانحراف. ^[13] انظر زوايا تيت برايان .

مستشعر الشمس هو جهاز يستشعر الاتجاه نحو الشمس . وقد يكون بسيطًا مثل بعض الخلايا الشمسية والظلال، أو معقدًا مثل التلسكوب القابل للتوجيه ، وذلك حسب متطلبات المهمة.

مستشعر الأرض هو جهاز يستشعر الاتجاه إلى الأرض . وهو عادة عبارة عن كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء ؛ وفي الوقت الحاضر، الطريقة الرئيسية لاكتشاف الاتجاه هي متتبع النجوم ، ولكن لا تزال أجهزة استشعار الأرض مدمجة في الأقمار الصناعية بسبب تكلفتها المنخفضة وموثوقيتها. ^[12]

متتبع النجوم هو جهاز بصري يقيس موقع النجم (النجوم) باستخدام خلية ضوئية أو كاميرا. ^[14] ويستخدم مقدار السطوع ونوع الطيف لتحديد ثم حساب الموقع النسبي للنجوم حوله.

مقياس المغناطيسية هو جهاز يستشعر قوة المجال المغناطيسي ، وعند استخدامه في ثلاثية المحاور، اتجاه المجال المغناطيسي. كمساعد ملاحة للمركبة الفضائية، تتم مقارنة قوة المجال واتجاهه بخريطة المجال المغناطيسي للأرض المخزنة في ذاكرة جهاز توجيه على متن المركبة أو على الأرض. إذا كان موقع المركبة الفضائية معروفًا، فيمكن استنتاج الموقف. ^[15]

لا يمكن قياس الموقف بشكل مباشر من خلال أي قياس واحد، وبالتالي يجب حسابه (أو تقديره ) من مجموعة من القياسات (غالبًا باستخدام أجهزة استشعار مختلفة). يمكن القيام بذلك إما بشكل ثابت (حساب الموقف باستخدام القياسات المتاحة حاليًا فقط)، أو من خلال استخدام مرشح إحصائي (الأكثر شيوعًا، مرشح كالمان ) يجمع إحصائيًا بين تقديرات الموقف السابقة وقياسات المستشعر الحالية للحصول على تقدير مثالي للموقف الحالي.

تعتبر طرق تقدير الموقف الثابت حلولاً لمشكلة وهبة . وقد تم اقتراح العديد من الحلول، وأبرزها طريقة دافنبورت q، وQUEST، وTRIAD، وتحليل القيمة المفردة . ^[16]

كراسيديس، جون إل، وجون إل جونكينز. تشابمان وهول/سي آر سي، 2004.

يمكن استخدام فلتر كالمان لتقدير الموقف بشكل متسلسل، وكذلك المعدل الزاوي. نظرًا لأن ديناميكيات الموقف (مزيج من ديناميكيات الجسم الصلب وحركيات الموقف) غير خطية، فإن فلتر كالمان الخطي غير كافٍ. نظرًا لأن ديناميكيات الموقف ليست غير خطية للغاية، فإن فلتر كالمان الممتد يكون عادةً كافيًا (ومع ذلك، أظهر كراسيديس وماركلي أنه يمكن استخدام فلتر كالمان غير المعطر ، ويمكن أن يوفر فوائد في الحالات التي يكون فيها التقدير الأولي ضعيفًا). ^[17] تم اقتراح طرق متعددة، ومع ذلك فإن فلتر كالمان الممتد المضاعف (MEKF) هو النهج الأكثر شيوعًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]} يستخدم هذا النهج الصيغة المضاعفة لرباعية الخطأ، مما يسمح بمعالجة قيد الوحدة على الرباعية بشكل أفضل. من الشائع أيضًا استخدام تقنية تُعرف باسم استبدال النموذج الديناميكي، حيث لا يتم تقدير المعدل الزاوي بشكل مباشر، بل يتم استخدام المعدل الزاوي المقاس من الجيروسكوب بشكل مباشر لنشر ديناميكيات الدوران للأمام في الوقت. وهذا ينطبق على معظم التطبيقات حيث تكون الجيروسكوبات عادةً أكثر دقة من معرفة المرء بعزم الدوران المضطرب المؤثر على النظام (وهو أمر مطلوب لتقدير المعدل الزاوي بدقة).

بالنسبة لبعض المستشعرات والتطبيقات (مثل المركبات الفضائية التي تستخدم مقاييس المغناطيسية)، يجب أيضًا معرفة الموقع الدقيق. في حين يمكن استخدام تقدير الوضع ^{[ بحاجة لتوضيح ] ، بالنسبة للمركبات الفضائية، عادةً ما يكون تقدير الموضع (عبر} تحديد المدار ) منفصلاً عن تقدير الموقف كافياً. ^{[ بحاجة لمصدر ]} بالنسبة للمركبات الأرضية والمركبات الفضائية التي تعمل بالقرب من الأرض، يسمح ظهور أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية بالحصول على معرفة دقيقة بالموقع بسهولة. تصبح هذه المشكلة أكثر تعقيدًا بالنسبة للمركبات الفضائية العميقة، أو المركبات الأرضية التي تعمل في بيئات محرومة من نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) (انظر الملاحة ).

• أسترونيكس#تحديد الموقف والتحكم فيه
• الاستقرار الساكن الطولي
• الاستقرار الاتجاهي
• نظام التحكم في التفاعل
• ديناميكيات طيران المركبة الفضائية#التحكم في الموقف
• طريقة الثالوث
• مشكلة وهبة

• الوسائط المتعلقة بموضوع التحكم في موقف المركبة الفضائية في ويكيميديا ​​كومنز