يا خير. اين محدوده مي‌تواند با توجه به خورشيد تعيين شود (به‌طور مثال محور x ماهواره نبايد بيش از 20 درجه از راستاي خورشيد منحرف گردد) يا نسبت به وضعيت نرمال تعيين گردد (به‌طور مثال وضعيت واقعي نبايد بيش از 25 درجه از وضعيت نرمال منحرف گردد). در هر دو صورت تخلف از شرايط نشان مي‌دهد كه تابع كنترل وضعيت دچار نقص شده است.
بررسي سازگاري تك حسگر: خروجي يك حسگر را نسبت به قيود فيزيكي تعيين مي‌كند. خروجي حسگرها نبايد در يك بازه معين اشتباه باشد و ميزان تغيير بين دو بازخواني متوالي بايد از يك آستانه معين پايين‌تر باشد.
بررسي سازگاري چند حسگر: حسگرها معمولا بايد اطلاعات اضافي توليد كنند ( بدين معنا كه چندين حسگر ممكن است كه يك كميت فيزيكي يكسان را اندازه‌گيري كنند). در صورت اختلاف خروجي يك حسگر با ساير حسگرهاي مشابه، خطا شناسايي مي‌گردد.
زنگ نگهبان6: نرم‌افزار سامانه كنترل وضعيت و موقعيت به‌صورت چرخشي يك رويداد نگهبان7 را توليد مي‌كند كه سخت‌افزار نگهبان آنرا تشخيص مي‌دهد. اگر نگهبان اين رويداد را در محدوده زماني معين دريافت نكند فرض مي‌شود كه ناهنجاري اتفاق افتاده است. اين مكانيزم تنها خطا را تشخيص مي‌دهد و آنرا جداسازي و ايزوله نمي‌كند.
4.1.1.6 اصلاح خطا
اين فعاليت يك تابع چرخشي است كه سامانه تلاش مي‌كند كه به تشخيص خطا با استفاده از عمل اصلاحي پاسخ دهد. فعاليت‌هاي رايج مرتبط با خطاي تشخيص داده شده عبارتند از:
راه‌اندازي مجدد نرم‌افزار سامانه
اطلاع به ايستگاه زميني بدون اجراي فعاليت ديگر
تغيير وضعيت عملكردي
پيكربندي مجدد يك حسگر يا عملگر كه احتمال بروز خطا در آن حس مي‌شود.
پيكربندي مجدد مجموعه
در هر لحظه از زمان، سامانه كنترل وضعيت و موقعيت تنها يك زيرمجموعه از تمامي واحدهاي موجود را استفاده مي‌كند. در اغلب موارد يك نياز به فراواني وجود دارد كه حضور دو نمونه از هر واحد را الزام مي‌كند. در زماني كه سامانه يك خطا يا شكست را تشخيص مي‌دهد، بايد تلاش گردد تا پيكربندي مجدد انجام شود. منطق پيكربندي كاملا وابسته به ماموريت است. انواع پيكربندي مجدد عبارتند از:
پيكربندي مجدد واحد
پيكربندي مجدد زيرسامانه
4.1.1.7 اجراي مانور
يك مانور، رشته‌اي از فعاليت‌ها است كه توسط سامانه كنترل وضعيت و موقعيت در زمان‌هاي مشخص براي دست‌يابي به اهداف مشخص اجرا مي‌گردد. مانورها معمولا توسط زمين و از طريق تله‌كامند دستور داده مي‌شوند. نمونه‌هايي از مانورها عبارتند از:
يك رشته از گشتاورهاي كوچك براي تغيير وضعيت ماهواره
يك رشته از آتش تراستر براي تغيير مدار ماهواره در وضعيت مدار باز
4.1.2 واحدهاي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت
اين واحدها شامل حسگرها و عملگرها هستند. حسگرها جهت اندازه‌گيري وضعيت و موقعيت رايج ماهواره استفاد مي‌شود. عملگرها نيز جهت اعمال گشتاورها و نيروهاي لازم براي كنترل وضعيت و موقعيت ماهواره به‌كار مي‌روند. حسگرهاي وضعيت به دو صورت مي‌باشند. حسگرهاي غير فعال كه فاقد پردازشگر داخلي هستند و حسگرهاي فعال كه داراي پردازشگر داخلي مي‌باشند و نرم‌افزار آنها قابليت تطبيق با كامپيوتر سامانه را دارا مي‌باشد. رايج‌ترين حسگرهاي غير فعال عبارتند از:
حسگر خورشيدي 8FSS: راستاي تابش خورشيد را در مختصات مرجع حسگر تعيين مي‌كند. ميدان ديد اين حسگر شبه كروي است و دقت آن در مرتبه آرك‌ثانيه است.
حسگر خورشيدي CSS9: به لحاظ مفهومي مشابه FSS مي‌باشد ولي از نظر ساختاري متفاوت است. اين تفاوت فناوري باعث شده است كه داراي دقتي كمتر و از مرتبه 1/0 درجه باشد.
حسگر خورشيدي SPS10: اين حسگر داراي خروجي باينري است. خروجي اين حسگر به دو صورت “خورشيد حاضر است” و “خورشيد حاضر نيست” مي‌باشد. ميدان ديد اين حسگر مربعي است كه از طرفين 25 يا 30 درجه مي‌باشد.
حسگر افق سنج11: راستاي زمين را نشان مي‌دهد. دقت اين حسگر در مرتبه 01/0تا 1/0 درجه است.
مغناطيس‌سنج12: جهت ميدان مغناطيسي زمين را اندازه‌گيري مي‌كند. دقت آن پايين مي‌باشد و از يك سيستم به سيستم ديگر متغير مي‌باشد.
حسگر اينرسي13: سرعت زاويه‌اي يا شتاب خطي اينرسي ماهواره را اندازه‌گيري مي‌كند. ژيروسكوپ و شتاب‌سنج‌ها هر دو از انواع اين حسگرها مي‌باشند. ژيروسكوپ‌ها به همراه شتاب‌سنج‌ها اغلب در بسته‌هايي قرار مي‌گيرند كه مقادير جابجايي‌هاي زاويه‌اي و خطي را در 6 درجه آزادي تعيين كنند.
دو دسته از حسگرهاي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت به‌صورت فعال مي‌باشند كه عبارتند از:
حسگر ستاره‌اي14: با استفاده از نقشه ستارگان در آسمان كه در محدوده ديد آن قرار دارد وضعيت ماهواره را تعيين مي‌كند. اين حسگر موقعيت چندين ستاره را كه در محدوده ديد آن قرار دارد اندازه‌گيري مي‌كند و با استفاده از الگوشناسي ستارگان، بخشي از آسمان را كه در حال مشاهده است تشخيص مي‌دهد. اين حسگر به لحاظ دقت داراي بالاترين سطح دقت در ميان حسگرها است. سطح دقت در مرتبه arc second يا 000278/0 درجه مي‌باشد.
گيرنده موقعيت‌ياب15: معمولا براي تعيين موقعيت به‌كار مي‌رود كه مي‌تواند اطلاعات لازم براي شتاب‌سنج ها و ژيروسكوپ‌ها را تعيين نمايد.
در سامانه كنترل وضعيت و موقعيت عمدتا برخي از عملگرهاي زير مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
تراستر16: گازي را از خود خارج مي‌كند كه باعث اعمال نيرو به ماهواره مي‌گردد. چنانچه جهت تخليه گاز در راستاي مركز ثقل ماهواره نباشد اين نيرو باعث اعمال گشتاور نيز به ماهواره مي‌گردد.
چرخ عكس‌العملي17: يك چرخ دوار است كه مي‌تواند شتاب و يا ترمز بگيرد و اين عمل باعث اعمال گشتاور به ماهواره مي‌گردد.
چرخ مومنتومي18: يك نوع چرخ عكس‌العملي هستند كه نرخ دوران نامي بالاتر از صفر داشته تا مومنتوم زاويه‌اي ثابتي را در ماهواره توليد كند. اين مومنتوم زاويه‌اي سختي ژيروسكوپي را توليد مي‌كند كه باعث پايداري در دو محور مي‌شود. اين عملگر در محور سوم نيز با توليد گشتاور (حاصل از افزايش سرعت) جهت‌گيري دقيق را تامين مي‌كند.
جايروي كنترل‌كننده مومنتوم19: براي توليد گشتاورهاي زياد به‌جاي چرخ عكس‌العملي به‌كار مي‌رود. اين عملگر داراي يك يا دو چرخ دوار لولا شده به بدنه مي‌باشد. اين عملگر با چرخش محور دوران خود مي‌تواند گشتاور زيادي را توليد كند كه متناسب با سرعت دوران چرخ و سرعت دوران محور لولا شده مي‌باشد.
گشتاورساز مغناطيسي20: عملگري است كه در تعامل با ميدان مغناطيسي زمين گشتاور كنترلي توليد مي‌كند. اين عملگر با توليد ميدان مغناطيسي در سيم‌پيچ‌هاي خود دو‌قطبي‌هاي مغناطيس توليد مي‌كند كه در ميدان مغناطيسي اطراف زمين باعث اعمال گشتاور به ماهواره مي‌گردد.
4.1.3 مودهاي عملكرد سامانه كنترل وضعيت و موقعيت
تنوع زياد مودهايي (وضعيت‌هايي) كه ماهواره بايد ماموريت‌هاي معيني را اجرا كند موجب شده است كه كليه توابع عملكردي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت به چندين وضعيت عملكردي تفكيك گردد به‌گونه‌اي كه هر وضعيت براي شرايط ماموريت معيني بهينه شده است. توابع عملكردي اين سامانه هميشه يكسان هستند اما نحوه پياده‌سازي آنها در يك وضعيت كاري با وضعيت ديگر متفاوت مي‌باشد. به‌طور مثال دقت وضعيت ماهواره و جهت‌گيري آن در تابع كنترل وضعيت از يك فاز ماموريت به فاز ديگر تغيير مي‌كند. در نتيجه قوانين كنترلي متفاوتي براي پياده‌سازي يك تابع وابسته به دقت مورد نياز استفاده مي‌گردد. در اصل هر وضعيت كاري مجموعه متفاوتي از واحدها را كه واحدهاي بهينه هستند، براي دست‌يابي به هدف تعيين شده در آن وضعيت در اختيار دارد. از اين‌رو تغيير وضعيت معمولا سلسله‌اي از خاموش و روشن شدن‌هاي واحدها را به دنبال دارد. معماري وضعيت وابسته به ماموريت مي‌باشد. شکل 4 1 سلسه مراتب وضعيت‌ها را به‌صورت فرضي نشان داده است. هريك از وضعيت‌ها به‌صورت جداگانه در ادامه توضيح داده شده است. تغيير وضعيت مي‌تواند از طريق ايستگاه زميني و يا از كامپيوتر مركزي فرمان داده شود.
شکل 4 1 معماري وضعيت (مود) سامانه كنترل وضعيت و موقعيت
مود آماده به كار21: در اين مود تنها توابع تله‌متري و تله‌كامند فعال هستند. به‌استثناي كامپيوتر سامانه، كليه واحدها خاموش مي‌باشد. اين وضعيت تنها در زمان اتصال ماهواره به ماهواره‌بر و يا در ثانيه‌هاي ابتدايي جدايش از ماهواره‌بر مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
مود كاهش نرخ22: در اين مود، هدف، كاهش سرعت زاويه‌اي ماهواره تا مقادير بسيار كوچك مي‌باشد. از اين‌رو كنترل‌كننده وضعيت متوجه وضعيت ماهواره نمي‌باشد و تنها نرخ‌هاي زاويه‌اي وضعيت، مد نظر مي‌باشد. اين وضعيت به‌طور معمول پس از جدايش از ماهواره‌بر استفاده مي‌گردد.
هدف‌يابي وضعيت اوليه23: پيش‌شرط ورود به اين وضعيت كوچك بودن كافي سرعت زاويه‌اي ماهواره است كه در نتيجه پس از وضعيت كاهش نرخ اجرا مي‌شود. ماهواره تا جهت‌گيري به‌سمت وضعيت از پيش تعريف شده مي‌چرخد. وضعيت هدف اغلب به‌گونه‌اي تعريف مي‌گردد كه سلول‌هاي خورشيدي به سوي خورشيد و آنتن‌هاي راديويي به سمت زمين نشانه‌گيري شود.
مود نشانه‌گيري دقيق24: اين مود داراي دقت بالا است و وضعيت ماهواره را بصورت دقيق كنترل مي‌كند تا خطاي وضعيت تا حد ممكن كاهش يابد.
مود چرخش25: در اين مود جهت‌گيري ماهواره تغيير مي‌كند. اين مود به‌طور مثال، زماني است كه دوربين يا تلسكوپ ماهواره بايد به هدف جديدي نشانه رود.
مود كنترل مدار26: اين مود زماني به‌كار مي‌رود كه بايد نيرويي توسط تراسترها به ماهواره وارد شود تا مدار خود را اصلاح و يا تغيير دهد.
مود ايمني27: هنگامي كه شكستي در مجموعه شناسايي مي‌گردد و هيچ پيكربندي مجددي نمي‌تواند آنرا پوشش دهد از اين وضعيت استفاده مي‌شود. هدف از اين وضعيت حفظ وضعيت ايمن است. عبارت قبل اغلب بدين معنا است كه سلول‌هاي خورشيدي ماهواره بايد هميشه به سمت خورشيد جهت‌گيري شوند تا توان كافي تامين گردد. علاوه بر اين لينك مخابراتي بايد به سمت ايستگاه زميني باشد تا شكست بررسي شود و عمليات درماني مناسب اتخاذ گردد.
هريك از مودهاي بالا ممكن است به چندين زيرمود تقسيم گردد. وضعيت ايمني به‌صورت ويژه داراي زيرمودهاي كاهش نرخ (RRM) و هدف‌يابي وضعيت اوليه (IAM) مي‌باشد.
4.2 طراحي الگوريتم سامانه كنترل وضعيت و موقعيت
معماري كلي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت ماهواره را مي‌توان به‌صورت شکل 4 2 نشان داد.
شکل 4 2 معماري كلي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت
در اين رساله الگوريتم سامانه كنترل وضعيت و موقعيت براي ماهواره‌هاي ارتفاع‌پايين و زمين‌آهنگ به صورت شکل 4 3 طراحي شده است.
شکل 4 3 الگوريتم طراحي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت
در شبيه‌سازي انجام شده عملگرهاي كنترل وضعيت براي مدار ارتفاع‌پايين از نوع چرخ‌هاي عكس‌العملي و در مدار زمين‌آهنگ از نوع تراسترهاي عكس‌العملي و چرخ مومنتومي انتخاب شده است. بحث اصلاح و انتقال مداري تنها در مدار زمين‌آهنگ مورد بررسي قرار گرفته است و در مدار ارتفاع‌پايين بيشتر، توجه به نحوه عملكرد مجموعه چرخ‌هاي عكس‌العملي در كنترل وضعيت مد نظر بوده است. در طراحي و پياده‌سازي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت بيشتر تاكيد بر ايجاد ساختارها و الگوريتم‌ها بوده است و لذا مدل‌سازي واحدهاي سامانه كنترل وضعيت و موقعيت و سناريوهاي متنوع موجود در اين سامانه براي مدار ارتفاع‌پايين و زمين‌آهنگ داراي پيچيدگي‌هاي زيادي نيستند. به‌طور كلي طراحي به‌گونه‌اي صورت گرفته است كه امكان توسعه مدل‌ها و الگوريتم‌ها در ساختار ايجاد شده وجود داشته باشد و يك فضاي كاري ايجاد گردد كه در آينده بخش‌هاي مختلف اين سامانه مورد بررسي دقيق‌تر و عميق‌تر قرار گيرد. مطابق شکل 4 3 سامانه كنترل وضعيت و موقعيت از دو بخش مجزا تشكيل شده است كه در ارتباط با يكديگر مي‌باشند و فرامين لازم را از كامپيوتر سامانه كنترل وضعيت و موقعيت دريافت كرده و اطلاعات واحدهاي مختلف بخش‌هاي خود را به‌همراه اطلاعات وضعيتي و موقعيتي ماهواره براي بخش
