ผู้เขียน หัวข้อ: ระบบควบคุมวงโคจรดาวเทียม  (อ่าน 10304 ครั้ง)

0 สมาชิก และ 1 บุคคลทั่วไป กำลังดูหัวข้อนี้

ออฟไลน์ เวสท์สงขลา

  • Administrator
  • *****
  • กระทู้: 1308
    • ดูรายละเอียด
    • สะตอฟอร์ยู
    • อีเมล์
ระบบควบคุมวงโคจรดาวเทียม
« เมื่อ: 01 กรกฎาคม 2008, 03:52:20 »
โดย ดร. มานพ อ้อพิมาย

คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร 51 ถนนเชื่อมสัมพันธ์ เขตหนองจอก กรุงเทพ 10530
โทร 02-988-3655, 02-988-3666 โทรสาร 02-988-4040 E-mail: manop@mut.ac.th



ดาวเทียมที่ถูกส่งออกไปปฏิบัติภารกิจนอกโลกจะถูกกำหนดวงโคจรเฉพาะเอาไว้ เพื่อให้การปฏิบัติงานในอวกาศเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ตัวอย่างเช่น ดาวเทียมสื่อสารส่วนใหญ่จะอยู่ในวงโคจรค้างฟ้า (Geostationary Orbit) ซึ่งมีอัตราการโคจรเชิงมุมเท่ากับอัตราการหมุนรอบตัวเองของโลกพอดี ทำให้เมื่อมองจากตำแหน่งใดๆบนพื้นโลกเราจะเห็นดาวเทียมอยู่นิ่งในอวกาศ ซึ่งมีข้อดีคือทำให้การติดต่อสื่อสารระหว่างจุดสองจุดที่อยู่กันคนละด้านของโลกสามารถทำได้โดยใช้จำนวนดาวเทียมน้อยที่สุด และเราสามารถรับสัญญาณจากดาวเทียมดังกล่าวโดยใช้เสาอากาศขนาดเล็กที่อยู่กับที่ได้ ส่วนดาวเทียมสำรวจพื้นผิวโลก (Earth-Observation Satellite) ส่วนใหญ่มักจะอยู่ในวงโคจรใกล้โลก (Low-Earth Orbit) เนื่องจากที่ระดับความสูงที่ไม่ห่างจากพื้นผิวโลกมากนัก อุปกรณ์สำรวจในตัวดาวเทียม เช่น กล้องสามารถที่จะถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงได้ เป็นต้น



วงโคจรของดาวเทียมรอบโลกจะมีขนาดและลักษณะการวางตัวของระนาบที่แตกต่างกันไปตามภารกิจที่ได้รับ


การควบคุมวงโคจรของดาวเทียมให้อยู่ในลักษณะตามที่ต้องการจะเริ่มต้นจากวินาทีที่จรวดขนส่งดาวเทียมได้ทำการปล่อยดาวเทียมสู่วงโคจร และเมื่อดาวเทียมถูกวางไว้ในวงโคจรที่ต้องการแล้วก็ต้องมีการรักษาตำแหน่งของดาวเทียม (Station Keeping) ให้อยู่ในวงโคจรดัง กล่าวตลอดอายุการใช้งาน แต่เนื่องจากการเคลื่อนที่ของ ดาวเทียมในอวกาศนั้นไม่ได้เป็นไปตามอุดมคติ กล่าวคือ แรงที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ไม่ได้มีเพียงแรงโน้มถ่วงจากโลกเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังมีแรงอื่นๆที่มากระทำกับดาวเทียมอีกมากมาย ซึ่งแรงบางชนิดสามารถที่จะทำให้วงโคจรต่างจากที่ต้องการไปตลอดกาลเลยทีเดียว ดังนั้นระบบควบคุมวงโคจรดาวเทียมจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการปฏิบัติภารกิจของดาวเทียมให้สำเร็จลุล่วง



แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ทำให้ระนาบวงโคจรดาวเทียมเปลี่ยนไป


แรงรบกวน (Disturbance Forces) ที่ส่งผลโดยตรงต่อการเคลื่อนที่ของดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรรอบโลกได้แก่ แรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ซึ่งเป็นวัตถุขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้โลกที่สุด และดวงอาทิตย์ที่ถึงแม้จะอยู่ไกลจากโลกกว่าดาวเคราะห์บางดวง แต่ขนาดที่ใหญ่โตของมันทำ ให้ส่งผลมาถึงโลกได้มากกว่า รูปร่างของโลกซึ่งไม่เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (โลกของเรามีรูปร่างคล้ายลูกแพร์ (Pear Shape) กล่าวคือ เส้นผ่าศูนย์กลางโลกเมื่อวัดจากขั้วโลกเหนือไปขั้วโลกใต้จะสั้นกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางโลกในแนวเส้นศูนย์สูตรอยู่ประมาณ 43 กิโลเมตร และความยาวรัศมีด้านขั้วโลกเหนือจะมากกว่าด้านขั้วโลกใต้อยู่ประมาณ 40 เมตร) จะส่งผลให้แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อดาวเทียมที่ตำแหน่งต่างๆในวงโคจรไม่สม่ำเสมอ



โลกของเราไม่ได้เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ทำให้แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อดาวเทียมไม่เท่ากันทุกจุดในวงโคจร


นอกจากนี้แล้วดาวเทียมที่อยู่ใกล้โลกยังต้องเผชิญกับแรงต้านจากอากาศ (Atmospheric Drag) เนื่องจากวงโคจรดังกล่าวไม่ได้เป็นสูญญากาศโดยสิ้นเชิงแต่จะมีอนุภาคของอากาศอยู่ ถึงแม้จะเบาบางมากแต่เมื่อปะทะกับตัวดาวเทียมซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วหลายกิโลเมตรต่อวินาที ก็สามารถส่งผลให้ระดับวงโคจรลดต่ำลงมาได้ ผลจากแรงต้านอากาศนี้เป็นสิ่งที่ทำนายได้ค่อนข้างยาก เนื่องจากมีปัจจัยหลายอย่างเข้ามาเกี่ยวข้อง เช่น ระดับวงโคจร ขนาด และรูปร่างของดาวเทียม, ลักษณะภูมิ-ประเทศบนผิวโลก และช่วงเวลาของวันขณะที่ดาวเทียมโคจรผ่าน รวมไปถึงปรากฏการณ์ต่างๆที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ (Solar Activity) โดยดวงอาทิตย์จะส่งผลต่อดาวเทียมมากที่สุดในช่วงที่จุดมืดบนดวงอาทิตย์ (Sun Spot) หันเข้าหาโลก (มีวงรอบทุกๆ 11 ปี) ซึ่งจะทำให้โลกร้อนขึ้นและบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกก็จะขยายตัวออกไปในอวกาศมากขึ้น นอกจากนี้แล้วดวงอาทิตย์ยังปลดปล่อยอนุภาคที่มีพลังงานสูงออกมาด้วย ซึ่งเมื่อกระทบกับโครงสร้างของดาวเทียม เช่น แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ก็จะส่งผลให้เกิดแรงผลัก (Solar Radiation Pressure) และสามารถปรับเปลี่ยนวงโคจรของดาวเทียมไปตลอดกาลได้


ถ้าดาวเทียมเคลื่อนที่อยู่ในอวกาศภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลกเพียงอย่างเดียว และรูปร่างของโลกเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ สิ่งที่เราจะเห็นก็คือการโคจรที่เป็นวงกลมหรือวงรีตามกฎของเคปเลอร์ (Kepler?s Law) แต่ในความเป็นจริงแล้วแรงรบกวนต่างๆที่กล่าวมาข้างต้นจะส่งผลให้การเคลื่อนที่เป็นไปอย่างสลับซับซ้อน วงโคจรจะถูกรบกวนและเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาทั้งขนาด รูปร่าง และลักษณะการวางตัวของระนาบ ซึ่งจะมีทั้งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดในช่วงคาบเวลาสั้นๆ (Short-Periodic Variations), การเปลี่ยนแปลงที่เกิดในช่วงคาบเวลายาว(Long-Periodic Variations) และการเปลี่ยนแปลงที่เกิด ขึ้นตลอดกาล (Secular Variations) อุปมาได้กับวัตถุเล็กๆที่ลอยอยู่ในมหาสมุทรไปตามการขึ้นลงของคลื่นซึ่งมีหลากหลายขนาดและความถี่รวมกัน ดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรต่างกันก็จะเผชิญกับแรงรบกวนในระดับที่แตกต่างกันออกไป เช่น ดาวเทียมสื่อสารที่อยู่ในวงโคจรค้างฟ้าจะได้รับผลกระทบจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์โดยตรง ซึ่งอาจทำให้วงโคจรเอียงไปจากแนวเส้นศูนย์สูตรกว่า 1 องศาต่อปี แต่ดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรสูงระดับนี้จะไม่ได้รับผลกระทบจากแรงต้านอากาศ ในขณะที่ดาวเทียมสำรวจรวมทั้งสถานีอวกาศนานาชาติซึ่งในวงโคจรใกล้โลกอาจโดนอนุภาคอากาศฉุดให้ต่ำลงได้วันละหลายเมตร เป็นต้น



ดาวเทียมสำรวจอาจมีการควบคุมให้เส้นทางบนโลกที่ดาวเทียมโคจรผ่านวนกลับมาที่เดิมทุกๆช่วงเวลาที่กำหนด


เพื่อรักษาตำแหน่งให้ได้ตามที่ต้องการ ดาวเทียมโดยทั่วไปจึงต้องมีระบบจรวดขับเคลื่อน (Propulsion System) อยู่ในตัว เพื่อต่อสู้กับแรงรบกวนต่างๆจากภายนอก โดยใช้ข้อมูลวงโคจรที่ได้จากระบบนำร่อง (Navigation System) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระบบขับเคลื่อนซึ่งเป็นส่วนที่กำหนดอายุการใช้งานของดาวเทียม โดยปกติมักจะมีราคาแพงและต้องการพื้นที่ในการติดตั้งมาก ดังนั้นในดาวเทียมบางชนิดที่ไม่ต้องการความถูกต้องแม่นยำในการควบคุมวงโคจรมากนัก ก็อาจไม่จำเป็นต้องติดตั้งไว้เลย นั่นหมายความว่าเราไม่สามารถปรับเปลี่ยนวงโคจรของดาวเทียมได้อีกหลังจากปล่อยออกจากจรวดขนส่งแล้ว ตัวอย่างเช่น ดาวเทียมไทพัฒ-1 ซึ่งเป็นดาวเทียมสำรวจขนาดเล็กในวงโคจรใกล้โลก ข้อมูลวงโคจรของดาวเทียมลักษณะนี้จะได้มาจากระบบนำร่องขององค์กรระหว่างชาติ เช่น NORAD (North America Aerospace Defense Command) ซึ่งจะใช้เครือข่ายนำร่องภาคพื้นดินทำการตรวจหาวงโคจรของดาวเทียมทุกดวงในอวกาศและเผยแพร่ข้อมูลดังกล่าวผ่านทางเวปไซต์ทุกสัปดาห์ และเมื่อใช้ร่วมกับโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เช่น SGP4 หรือ SDP4 ซึ่งเป็นโปรแกรมที่คำนวณหาตำแหน่งของดาวเทียมในอนาคตโดยใช้สมการการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton?s Law) ที่รวมผลจากแรงรบกวนภายนอกต่างๆเข้าไปด้วย เราก็จะสามารถทำนายวงโคจรและสั่งงานล่วงหน้าให้ดาวเทียมถ่ายภาพสถานที่ที่ต้องการและรับส่งข้อมูลกับสถานีควบคุมได้


สำหรับดาวเทียมสำรวจที่ต้องการความถูกต้องแม่นยำในการควบคุมวงโคจรสูง เช่น ดาวเทียม LANDSAT, SPOT, RADARSAT และ JASON-1 ซึ่งมีการควบคุมให้เส้นทางผ่านของดาวเทียมบนพื้นโลกวนกลับมาตำแหน่งเดิมทุกครั้งเมื่อครบรอบเวลาที่กำหนด (Repeat-Groundtrack Orbit) จำเป็นจะต้องมีระบบตรวจหาวงโคจร (Orbit Determination System) ที่มีความถูกต้องแม่นยำสูง และมีระบบจรวดขับเคลื่อนในตัวดาวเทียมเพื่อควบคุมขนาดของวงโคจรให้คงที่ตลอดเวลา ภายใต้แรงรบกวนต่างๆ โดยเฉพาะแรงต้านจากอากาศที่มีแนวโน้มจะทำให้ขนาดวงโคจรของดาวเทียมลดลง ส่วนดาวเทียมสื่อสารซึ่งอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางโลกไปกว่า 42,164 กิโลเมตร ต้องการระบบควบคุมวงโคจรเพื่อรักษาตำแหน่งให้อยู่เหนือจุดที่กำหนดบนพื้นโลกตลอดเวลาทั้งในแนวเหนือใต้ (North-South Station Keeping) เพื่อต่อสู้กับการรบกวนจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ และการควบคุมในแนวตะวันออกและตะวันตก (East-West Station Keeping) เพื่อต่อสู้กับแรงโน้มถ่วงของโลกส่วนที่ไม่เป็นทรงกลมสมบูรณ์ และแรงผลักจากอนุภาคที่ปล่อยมาจากดวงอาทิตย์



ดาวเทียม GSP นอกจากจะต้องรักษาวงโคจรของตัวเองแล้วยังต้องรักษาตำแหน่งที่สัมพัทธ์เทียบกับดาวเทียมอื่นในกลุ่มด้วย


การควบคุมขนาด รูปร่างและการวางตัวของระนาบวงโคจรมีความสำคัญมากกับดาวเทียมที่ทำงานร่วมกันเป็นกลุ่ม (Satellite Constellation) เช่นกลุ่มดาวเทียม GPS (Global Positioning System) เนื่องจากดาวเทียมแต่ละดวงนอกจากจะต้องรักษาวงโคจรของตัวเองแล้วยังต้องรักษาการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ (Relative Motion) กันกับดาวเทียมดวงอื่นในกลุ่มด้วย ปัญหาการควบคุมวงโคจรจะมีความสลับซับซ้อนยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อต้องควบคุมดาวเทียมพร้อมกันหลายๆดวงให้โคจรอยู่ใกล้กันตามรูปแบบที่กำหนด (Formation Flying) เช่นดาวเทียมในโครงการ CLUSTER ซึ่งมีทั้งหมด 4 ดวงโคจรเป็นกลุ่มเพื่อศึกษาปฏิกิริยาระหว่างดวงอาทิตย์กับสนามแม่เหล็กโลกในแบบ 3 มิติ



การควบคุมวงโคจรของระบบดาวเทียมหลายดวงให้เคลื่อนที่ตามรูปแบบที่กำหนดมีความยุ่งยากซับซ้อนมาก


ระบบควบคุมวงโคจรดาวเทียมในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นแบบที่ใช้การวิเคราะห์และสั่งการจากภาคพื้นดิน (Ground-Based Control Systems) ซึ่งอาจจะไม่ถูกต้องแม่นยำเพียงพอสำหรับดาวเทียมในอนาคตซึ่งมีแนวโน้มที่จะมีการใช้ดาวเทียมทำงานร่วมกันเป็นกลุ่มมากขึ้น ดังนั้นจึงได้เริ่มมีการนำระบบควบคุมวงโคจรแบบอัตโนมัติ (Autonomous Orbit Control) ซึ่งดาวเทียมจะสามารถใช้ข้อมูลจากอุปกรณ์ตรวจจับที่ติดตั้งอยู่ภายในตัวของมันเอง มาทำการคำนวณหาวงโคจรพร้อมทั้งสั่งการระบบขับเคลื่อนเพื่อต่อสู้กับแรงรบกวนต่างๆและรักษาตำแหน่งวงโคจรที่ต้องการได้อย่างทันท่วงที โดยไม่ต้องคอยคำสั่งจากสถานีภาคพื้นดิน



-----------------
ที่มา : http://www.space.mict.go.th/knowledge.php?id=orbitcont

ออฟไลน์ darkrise001

  • Newbie
  • *
  • กระทู้: 11
  • สงขลาพอร์ทัล
    • ดูรายละเอียด

Tags:
 

Sitemap 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 

สงวนลิขสิทธิ์ © สงขลาพอร์ทัลดอทคอม | สะตอฟอร์ยู มัลติมีเดีย คอร์ป