AlphaSimulation ver. 1.0 (DOS)

 

 

Programma realizzato per la simulazione e la guida di un sistema di puntamento di un obbiettivo celeste o terrestre a 2 gradi di libertà, posizionato sulla terra o in un orbita qualsiasi terrestre. Analisi dei limiti di visibilità e delle occultazioni dell’obbiettivo da parte di elementi strutturli della piattaforma disupporto. Analisi di velocità, accellerazioni, coppie e potenze attorno a ciascun asse o grado di libertà. Programma realizzato per la mia Tesi di Laurea.

 

 

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INTRODUZIONE

Nel 1998 saranno lanciati i primi elementi di quella che sarà la prima grande stazione spaziale basata integralmente sulla collaborazione delle principali potenze tecnologiche, allo scopo di porre le basi per l’esplorazione e la ricerca spaziale del prossimo secolo.

La stazione Alpha sarà quindi un occasione non solo per condurre esperimenti scientifici in assenza di gravità, una fabblica di nuovi materiali orbitante, ed un trampolino per le future missioni interplanetarie umane e non, ma anche un’ottima base per l’osservazione e gli studi astronomici del cosmo, la dove l’atmosfera non è più un fastidioso filtro dell’intero spettro elettromagnetico.
A tal proposito si è iniziato uno studio di fattibilità di un sistema di puntamento, denominato Coarse Pointing Device (CPD) system, atto a soddisfare determinate specifiche di puntamento, stabilità e guida, utilizzato per alloggiare Strumenti di Monitorizzazione del Sole.
Tale sistema proposto dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e realizzato in collaborazione con le industrie e le università dell’Unione, prenderà posto a bordo della stazione spaziale Alpha attorno al 2004, lungo il traliccio principale della stazione in prossimità dei moduli abitativi.

In questa sede verrà una metodologia per l’analisi del sistema in questione, per procedere al puntamento e successivamente all’inseguimento del disco solare.
Veranno quindi descritte le problematiche affrontate in fase di progetto e nella stesura del software, denominato convenzionalmente AlfaSim, preposto ad assolvere all’implementazione di tale modello, mostrando come si sia cercato di rendere il progetto il più versatile e generale possibile, affinche in un prossimo futuro possa essere utilizzato, senza subire alcuna modifica, da qualsiasi sistema di puntamento.

La decisione per la realizzazione di tale lavoro è ricaduta sul Linguaggio C Standard, in modo da realizzare una serie di librerie di funzioni matematiche e grafiche facimente ampliabili e comunque portabili ed utilizzabili in qualsiasi altro progetto realizzato in: C, C++, Visual C o altro linguaggio in grado di compilare sorgenti C.

“Ai miei cari che mi hanno introdotto
alle gioie ed alla comprensione del mondo”.
Carl Sagan

 

COMPENDIO

Si è valutata, in questa sede, la possibilità di sviluppo di un sistema completamente automatizzato, per la gestione, l’analisi ed il controllo di una missione di puntamento ed inseguimento di un obbiettivo terrestre o di interesse astronomico, mediante la strumentazione scientifica trasportata da una piattaforma inerziale orbitante, posizionata a bordo della stazione spaziale internazionale o qualsivoglia altro satellite.

Al fine di favorire un ampio campo di utilizzazione pratica, tale sistema si è concretizzato nella realizzazione di un software applicativo denominato AlphaSim, nel quale si è proceduto alla generalizzazione del problema specifico, espandendo le possibili applicazioni e funzionalità, simulando e compensando infine, gli eventuali problemi che un accomodamento di questo tipo può comportare.

1.0 SISTEMI DI PUNTAMENTO NELLO SPAZIO

1.1 GENERALITA’

La progettazione di nuovi sistemi di puntamento negli anni 90 è diventata sempre più complessa e rigorosa sia per carichi utili destinati a sonde interplanetarie che per sistemi in orbita terrestre.

Le esigenze infatti hanno spinto allo sviluppo di sistemi di puntamento avanzati che devono provvedere simultaneamente a puntamenti ad alta precisione, e all’isolamento del carico utile dai numerosi disturbi provenienti dal veicolo di trasporto.

Tradizionalmente, il puntamento degli strumenti era implementato su un sistema di scansione appositamente progettato, montato su una piattaforma (esattamente come avveniva sulle sonde interplanetarie Voyager e recentemente sulla Galileo destinate all’esplorazione degli ambienti planetari).

La sontuosità, soprattutto in termini di costi, di un tale motivato approccio specifico, ha spinto i recenti sviluppi nel campo, ad essere chiamati semplicemente “generici” perché disegnati per sistemare un ampia varietà di strumentazioni basati sullo Space Shuttle.

Alcuni di questi prototipi sono l’European Instrument Pointing Subsystem (IPS) che assieme all’ Advanced Gimbal System (AGS) sono stati i primi logici candidati per essere montati come sistemi di puntamento sulla futura International Space Station Alfa.

Il problema principale è che alcuni sistemi di puntamento come lo Space Telescope, necessitano precisioni dell’ordine di 0.1 secondi d’arco di stabilità di puntamento, il che richiede tecnologie estremamente sofisticate e costose (nell’HST disegnate appositamente e dedicate), non necessarie nella maggior parte degli obbiettivi.

La sfida quindi, consiste nello sviluppare un sistema modulare, multi missione, il più flessibile possibile, di un sistema di puntamento isolato dai disturbi; il tutto ad un prezzo ragionevole e concorrenziale.

1.2 TIPI DI MISSIONI

Esiste una variegata serie di situazioni e missioni in cui sono necessari precisi sistemi di puntamento; questi possono essere classificati a seconda che siano Earth-Orbiting Free-Flyers, posizionati su una piattaforma legata alla Space Station o trasportati a bordo di sonde interplanetarie.
Analizziamo ora il tipo di missione che interessa maggiormente nel nostro studio.

1.2.1 Space Station/ Space Platform Payloads

Sono numerosi i tipi di piattaforme orbitanti in orbita terrestre di cui è prevista la realizzazione fra il 1990 ed il primo decennio del duemila, essi possono essere così divisi :

1. A bordo della Stazione Spaziale (in orbite basse);
2. Di tipo Earth Observing System (EOS) : piattaforme polari e piattaforme senza equipaggio, ciascuna con i propri programmi di osservazione Terrestre e celeste;
3. Piattaforme Coorbitanti: Piattaforme disabitate poste sulla stessa orbita della stazione spaziale;
4. Piattaforme Geosincrone : disabitate e in orbita alta.

La NASA e l’ESA hano studiato un’opportuna strategia per gli studi sull’architettura di questi sistemi aerospaziali, ed i sistemi di puntamento richiesti dai carichi paganti per poter puntare esattamente il loro bersaglio.

Le capacità di puntamento richieste dai vari strumenti scientifici varia considerevolmente, da quelli più precisi come l’ASO (Advanced Solar Observatory) di 12500kg di peso di 1arcsec e stabilità di puntamento di 0.1arcsec, a quelli con maggior tolleranza di puntamento .come il TRIC (Transition Radiation and Ionization Calorimeter) di circa 6000kg di peso globale e precisione di 1°.

I più precisi richiedono stabilità di puntamento inferiori ad un secondo d’arco e accuratezze superiori a 10 secondi d’arco; purtroppo i carichi paganti che richiedono le maggiori precisioni, sono anche quelli con masse relativamente elevate, con valori mediamenti nell’ordine di 2500-4000kg.

Sebbene l’accuratezza e la stabilità richiesta da questi strumenti sia di gran lunga inferiore a quella necessaria per far funzionare in modo ottimale l’Hubble Space Telescope (ST), l’ambiente ostile nel quale sono immersi non ne facilita la realizzazione in quanto sono posizionati in punti dello spazio molto prossimi all’atmosfera terrestre e quindi ancora sensibili a perturbazioni residue di ogni genere.

E’ necessario inoltre valutare che sono installati a bordo della ISSA: un ambiente estremamente più rumoroso e complesso di quella che può essere una piattaforma isolata nello spazio interamente realizzata per missioni astronomiche, è chiaro quindi che ciascuna strumentazione deve essere alloggiata su un sistema di sospensione ed isolamento opportunamente progettato.

In Figura 1.1 sono indicate la stabilità del corpo principale e quella del carico pagante o dell’esperimento in questione, in funzione delle frequenze strutturali di: Space Telescope, Space Station, Shuttle e della Galileo Interplanetary Spacecraft.


Figura 1.1 Stabilità del carico e frequenze strutturali

E’ necessario sottolineare che le frequenze proprie da considerare nel puntamento dei carichi utili della stazione spaziale, sono significativamente più basse di quelle degli altri esperimenti. Questo implica che in queste condizioni, i movimenti degli astronauti, le vibrazioni causate dagli apparati di bordo, i frequenti appuntamenti (docking) orbitali ed i disturbi legati ai sottosistemi di spinta e rotazione della stazione, abbassano la capacità di controllo della stazione spaziale a valori attorno a ±4 gradi con una stabilità dell’ordine di 0.1-0.2 gradi, ben al di sotto di qualsiasi altro sistema di guida e puntamento sino ad ora studiato e considerato.

Le aree racchiuse nei due limiti indicati, rappresentano il grado di difficoltà del problema del puntamento, ed anche in questo caso si può vedere come la stazione spaziale presenti i maggiori problemi, legati alla iterazione dinamica dovuta alla presenza di numerosi elementi articolati, pannelli solari, tralicci, moduli abitativi ed antenne che con il tempo, si moltiplicheranno, accrescendo le funzionalità della stazione e le possibilità di interagire con lo spazio circostante.

1.3 Precisione e Stabilità nel Puntamento

Per definire le caratteristiche di puntamento di un sistema aerospaziale, è necessario prendere in considerazione due parametri fondamentali: la precisione e la stabilità del puntamento.
Con riferimento alla Figura 1.2 si puo’ definire con Precisione di Puntamento l’errore angolare di lungo periodo fra la direzione dell’asse focale desiderata e quella reale.
Per stabilità si intende invece l’escursione angolare totale in un dato intervallo di tempo, cioè la variazione della direzione dell’asse focale rispetto ad una direzione media.


Figura 1.2 Precisione e Stabilità

1.4 Problematiche legate all’analisi ed al progetto di sistemi di Puntamento

Nella realizzazione di un sistema di puntamento sono numerose le problematiche che devono essere di volta in volta affrontate; volendole brevemente schematizzarle potremmo dividerle innanzitutto in tre categorie principali:

1. Porre dei limiti e dei requisiti di Progetto;
2. Analisi della situazione e adozione di tutti quei sistemi e sottosistemi necessari a soddisfare le nostre esigenze, secondo i limiti imposti al punto uno;
3. Analisi e , elaborazione di un modello di risoluzione del problema, soluzione di quei problemi che modificano le condizioni ideali previste dal modello elaborato;

1.5 Limiti e Requisiti

Una volta definito il tipo di missione e l’obbiettivo della nostra missione, cioè di piattaforma in orbita Terrestre per lo studio del Sole, in un sistema di puntamento imbarcato a bordo di un sistema più complesso, gli elementi che devono definire e limitano il nostro progetto sono essenzialmente i seguenti:

* Limiti di Peso;
* Limiti di Ingombro;
* Precisione di Puntamento;
* Stabilità di Puntamento;
* Vita Operativa, Affidabilità e sicurezza;

Questi elementi fondamentali, seppur sembrano completamente indipendenti, in realtà interagiscono fra loro, ed il nostro progetto definitivo, sarà il maggior compromesso fra questi parametri e le esigenze operative.

Così ad esempio, il peso deve essere sempre contenuto come l’ingombro, ma questo generalmente è in completo disaccordo con le altre 3 voci enunciate.

1.6 Elaborazione di un Modello di Risoluzione

In risposta alle decisioni e limitazioni assunte nel punto precedente le problematiche di puntamento si estendono a tutti i sistemi e sottosistemi, che devono sovrintendere a ciascuna operazione, possiamo quindi brevemente riassumere quelle che sono le principali situazioni da affrontare e prevedere:

* Dimensionamento e scelta di Attuatori e Sensori in base alle accuratezze, sensibilità e potenze necessarie richieste da progetto;
* Interfacciamento di tutti i sottosistemi con un’ adeguata unità centrale di elaborazione che sovrintende a tutte le operazioni di input/output e di analisi dei dati;
* Scelta della sospensione cardanica su cui adattare la piattaforma d’osservazione;
* Analisi dell’equipaggiamento e dei supporti a terra del sistema, che consiste nella realizzazione adeguate strutture a terra per la realizzazione dei test sul sistema, la verifica della sua funzionalità, l’addestramento del personale preposto al suo controllo, simulazione delle missioni ed infine per il controllo della missione e l’acquisizione dei dati;
* Integrazione sulla stazione spaziale e sui vettori per il trasporto in orbita per evitare o attenuare problemi dinamici o di stress;
* Manutenzione del sistema in orbita, quindi accessibilità con sistemi meccanici o per l’intervento dell’uomo;

1.7 Modellizzazione del Problema

Anche per la modellizzazione pratica del problema, sono numerose le situazioni e considerazioni che è necessario affrontare, e possiamo riassumere in prima approssimazione come di seguito:

* Corretta acquisizione di posizione e velocità del sistema in orbita terrestre, mediante il calcolo delle effemeridi o l’utilizzo di satelliti GPS;
* Determinazione e controllo dell’assetto;
* Sviluppo di un metodo di trasformazioni dei dati disponibili in coordinate di comando, sia di posizione che di velocità, accelerazione, coppie e potenze che devono esercitare gli attuatori;
* Previsione delle eclissi “di Terra” la quale si sovrappone alla linea di vista fra osservatore e obbiettivo;
* Eventuale previsione di occultazioni dell’obbiettivo da parte di elementi della stazione orbitante (cilindri abitativi, strutture, antenne o pannelli solari);
* Uno studio dettagliato deve però essere dedicato all’ambiente ostile in cui è posizionato il sistema di puntamento, e cioè a bordo di una stazione spaziale in cui coabitano numerose esigenze fra le quali l’ultima probabilmente è quella di ospitare una piattaforma di puntamento, che risulta quindi particolarmente disturbata da oscillazioni proprie d’assetto, disturbi, urti e vibrazioni, si dovranno quindi prevedere e risolvere mediante stadi di isolamento, un’accurata scelta della postazione per la piattaforma inerziale, e dei metodi do compensazione degli errori introdotti da disturbi non prevedibili a priori.

Di seguito quindi, verranno tracciati ed approfonditi alcuni di questi aspetti, per soddisfare alle esigenze richieste dall’Agenzia Spaziale Europea per la realizzazione di un sistema di puntamento di questo tipo chiamato Coarse Pointing Device.

Il primo studio di fattibilità si è concretizzato nel lavoro della Matra Marconi, nel quale ancora parte di queste problematiche vengono trattate, ed infine per quanto riguarda la modellizzazione del problema verrà presentato uno studio risolutivo proposto dal sottoscritto sulla base degli elementi di cui è in possesso.

1.8 Conclusioni

Spero che questa parte introduttiva della mia tesi sia stata molto utile per chiarire quali siano stati i problemi da risolvere e le numerose difficoltà che caratterizzano una tale realizzazione.

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