El control de actitud es el ejercicio de acciones para controlar la orientación de un objeto con respecto a un sistema de referencia inercial u otra entidad (la esfera celeste, ciertos campos, objetos en las cercanías, etc.). El término es especialmente utilizado para referirse a los controles que se ejercen para controlar la orientación de las naves espaciales (tripuladas o no como es el caso de los satélites artificiales).
Para controlar la actitud de un vehículo u objeto es preciso disponer de: sensores para medir la actitud del vehículo u objeto, actuadores para aplicar los torques requeridos para re-orientar al vehículo u objeto de forma tal que adopte la actitud requerida, y algoritmos para comandar los actuadores basándose en las mediciones de actitud actuales de los sensores y las especificaciones de la actitud requerida. El campo integral que estudia las combinaciones de sensores, actuadores y algoritmos se denomina "Guiado, Navegación y Control" (GNC).
Muchos sensores producen señales de salida que indican el ritmo de cambio de la actitud. Ellos requieren de una actitud inicial conocida, o información externa para usar esos ritmos de cambio y calcular la actitud actual. Muchos sensores de este tipo poseen señales "ruidosas", lo que conduce a ciertas imprecisiones si no se corrigen los cálculos mediante información provista por sensores absolutos de actitud.
Los giróscopos son dispositivos que detectan la rotación en el espacio tridimensional sin depender de la observación de objetos externos. Si bien un giróscopo clásico consiste de una masa que rota sobre sí misma, existen también "giróscopos láser" que utilizan una luz coherente reflejada en un camino cerrado. Otro tipo de "giróscopo" es un giróscopo por resonador semiesférico en el cual una cazoleta de cristal con la forma de una copa de vino puede ser puesta en oscilación o vibración de la misma forma que la copa de vino "suena" cuando se pasa el dedo por su borde. La orientación de la oscilación es fijada en el espacio inercial, por lo que la medición de la orientación de la oscilación relativa a la nave se puede utilizar para medir el movimiento de la nave con respecto al sistema inercial.
Esta clase de sensores determina la posición u orientación de campos, objetos u otros fenómenos fuera de la nave espacial.
Un sensor de horizonte es un instrumento óptico que detecta luz del borde de la atmósfera de la Tierra, o sea en el horizonte. A menudo se utiliza sensado infrarrojo térmico, que mide la temperatura de la atmósfera, comparada con el fondo cósmico que es mucho más frío. Este sensor brinda orientación con respecto a los ejes ortogonales a la Tierra. Tiende a ser menos preciso que los sensores basados en la observación estelar. A veces colocado dentro de la categoría de los sensores terrestres.
De manera similar a como un girocompás terrestre usa un péndulo para medir la gravedad local y hacer que su giróscopo se alinee con el vector de spin de la Tierra, y por lo tanto apunte hacia el Norte, un girocompás orbital utiliza un sensor de horizonte para determinar la dirección al centro de la Tierra, y un giróscopo para medir la rotación alrededor de un eje normal al plano de la órbita. Por lo tanto el sensor de horizonte brinda información de cabeceo (pitch) y alabeo (roll), y el girocompás informa sobre el guiñada (yaw). Véase ángulos Tait-Bryan.
Un sensor solar es un dispositivo que mide la dirección del Sol. Puede ser tan simple como algunas celdas solares y sombras, o tan complejo como un telescopio orientable, dependiendo de los requerimientos de la misión.
Un sensor terrestre es un dispositivo que mide la dirección a la Tierra. Por lo general es una cámara infrarroja; a comienzos del siglo XXI el principal método para detectar actitud es el rastreador de estrellas, pero aún se utilizan sensores terrestres en los satélites a causa de su bajo costo y alta confiabilidad.
Un rastreador de estrellas (en inglés, star tracker) es un dispositivo óptico que mide la posición de una o varias estrella utilizando fotodetectores o una cámara.
Actualmente hay muchos modelos disponibles. También existen proyectos abiertos diseñados para ser utilizados por la comunidad global de investigadores y desarrolladores de cubesats.
Los rastreadores de estrellas actuales, que requieren una alta sensibilidad, pueden confundirse con la luz solar reflejada desde la nave espacial o con las columnas de gases de escape de los propulsores de la nave espacial (ya sea por reflejo de la luz solar o contaminación de la ventana del rastreador de estrellas). Los rastreadores de estrellas también son susceptibles a una variedad de errores (baja frecuencia espacial, alta frecuencia espacial, temporal, etc.) además de una variedad de fuentes ópticas de error (aberración esférica, aberración cromática, etc.). También hay muchas fuentes potenciales de confusión para el algoritmo de identificación de estrellas (planetas, cometas, supernovas, el carácter bimodal de la función de dispersión puntual para estrellas adyacentes, otros satélites cercanos, contaminación lumínica de fuentes puntuales de las grandes ciudades de la Tierra, etc.).
En la actualidad hay aproximadamente 57 estrellas de navegación brillantes de uso común. Sin embargo, para misiones más complejas, se utilizan bases de datos de campos estelares completas para determinar la orientación de la nave espacial. Un catálogo de estrellas de alta fidelidad típico para la determinación de la actitud se origina a partir de un catálogo base estándar (por ejemplo, del Observatorio Naval de los Estados Unidos) y luego se filtra para eliminar estrellas problemáticas, por ejemplo, debido a la variabilidad de magnitud aparente, la incertidumbre del índice de color o una ubicación. dentro del diagrama de Hertzsprung-Russell que implique poca fiabilidad. Este tipo de catálogos de estrellas pueden tener miles de estrellas almacenadas en la memoria a bordo de la nave espacial, o bien procesadas usando herramientas en la estación terrestre y luego enviadas a la nave.
Un magnetómetro es un dispositivo que mide la intensidad del campo magnético y, si se utiliza una triada de tres ejes, la dirección del campo magnético. Como ayuda a la navegación de una nave espacial, mide la intensidad y dirección del campo y la compara con un mapa del campo magnético de la Tierra almacenado en la memoria a bordo o en una computadora de guiado terrestre. Una vez que se conoce la posición de la nave espacial es posible inferir la actitud.
Los algoritmos de control son programas de computadora que reciben datos de los sensores del vehículo y determinan cuales son los comandos apropiados para los actuadores para rotar el vehículo y llevarlo a la actitud deseada. Existen algoritmos desde extremadamente simples, por ejemplo control proporcional, hasta estimadores no lineales complejos o numerosos tipos intermedios, dependiendo de los requerimientos de la misión. Por lo general los algoritmos de control de actitud forman parte del software que se ejecuta en el hardware que recibe comandos desde la Tierra y formatea datos de telemetría de vehículo para transmisión a una estación terrestre.
El control de la actitud se puede realizar mediante diversos mecanismos:
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