Cyfrowa inżynieria wsparciem dla planowania misji księżycowych

Do zaplanowania pełnej misji księżycowej może zostać wykorzystane oprogramowanie Ansys STK Premium Space. STK jest precyzyjnym, opartym na prawach fizyki, środowiskiem modelowania służącym analizowaniu platform i wyposażenia misyjnego w kontekście realizacji konkretnych zadań. Oprogramowanie integruje wszystkie aspekty misji w dynamicznym scenariuszu i udostępnia wizualizacje 2D, 3D, umożliwiając czytelne komunikowanie złożonych relacji fizycznych. Stanowi wspólne środowisko pracy dla niezależnych zespołów dziedzinowych, dzięki czemu przyczynia się do poprawy współpracy pomiędzy nimi.

Dzięki narzędziu Astrogator w STK możliwe jest stworzenie szczegółowej sekwencji kontroli misji, także w przypadku misji księżycowej. Sekwencję może rozpocząć wystrzelenie rakiety nośnej, wraz ze wskazaniem odpowiedniego momentu startu dla osiągnięcia optymalnych parametrów lotu, następnie obejmuje ona wejście na orbitę parkingową, wykonanie manewru transferu księżycowego, aż po wejście na wybraną orbitę Księżyca. Astrogator pozwala na zaprojektowanie także misji cislunarnych oraz w punktach libracyjnych. W dalszej części skupimy się na wyborze właściwej orbity dla osiągnięcia założeń planowanej misji orbitera i na jego wyposażeniu misyjnym.

STK udostępnia narzędzie Orbit Wizard, które pozwala na zbudowanie każdego typu orbity dla satelitów Ziemi, ale może zostać wykorzystane także do modelowania orbit satelitów innych ciał niebieskich Układu Słonecznego, także Księżyca. W STK możliwe jest również zbudowanie konstelacji. Wybór odpowiedniej orbity w oczywisty sposób jest zdeterminowany celem misji, np. największym pokryciem skanerów obrazujących powierzchnię, lub największym budżetem łączności z powierzchnią. Po wstępnym wyborze orbity istnieje możliwość skorzystania narzędzia Analyzer, które pozwala dobrać optymalnie orbitę satelity lub orbity dla konstelacji.

Analizując istotne dla celu misji miary wydajności i skuteczności skanerów lub systemów łączności mogą zostać wskazane optymalne wysokości orbity czy inklinacja, jeśli takie właśnie parametry były poszukiwane. Aby skutecznie przeprowadzić tę analizę, należy, przynajmniej wstępnie zdefiniować wyposażenie orbitera. Metryki wydajności systemów dostarcza, poza analizą dostępu – narzędzie Access (np. informacja wstępna o czasowych oknach łączności), także analiza pokrycia – narzędzie Coverage.

Złożone symulacje systemów łączności umożliwia narzędzie Communications. Modelowanie łączności Ziemia – orbiter pozwala m.in. na uwzględnienie blokowania sygnału przez Ziemię i Księżyc, wpływ atmosfery Ziemi, oraz ograniczeń topograficznych stacji naziemnej. Narzędzie dostarcza biblioteki komponentów i umożliwia tworzenie modeli nadajników, odbiorników i anten, umożliwiając kompleksowe analizy budżetu łączy i natychmiastową wizualizację wpływu wydajności systemu komunikacyjnego na misję.

Zintegrowane z systemami łączności anteny umieszczane są na pokładzie dynamicznych modeli satelitów i dziedziczą ich ruch w przestrzeni, mając dodatkowo możliwość samodzielnego ruchu względem platform. Definiowane przez użytkownika ograniczenia, takie dopuszczalne przesunięcie dopplerowskie czy bitowa stopa błędów w połączeniu z pełną gamą modeli środowiskowych (na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej), umożliwiają prowadzenie wysoce złożonych analizy wydajności łącza. Możliwe jest również modelowanie tłumienia sygnału i interferencji.

Modelowanie pracy skanerów optoelektronicznych umożliwia z kolei narzędzie EOIR. Radiometryczny model sensora, poza geometrią układu, uwzględnia pełne, dynamiczne w czasie, oparte na fizyce interakcje sensora, celu i środowiska. Istnieje możliwość zastosowania do 36 kanałów spektralnych dla sensora, w celu symulacji sensorów wielospektralnych lub różnych konfiguracji systemu. W odniesieniu do kanałów spektralnych właściwości przestrzenne, spektralne, optyczne i radiometryczne są niezależne definiowane.

Wraz z oprogramowaniem dostarczane są dane pozwalające na modelowanie termicznych i optycznych właściwości powierzchni Słońca, Księżyca, Ziemi i innych planet, wraz ze zmiennością dobową, równoleżnikową i sezonową. Narzędzie umożliwia syntetyzowanie obrazów pozyskiwanych z wykorzystaniem modelowanych sensorów oraz analizę możliwości wykrycia obiektów na tle powierzchni lub pola gwiazd.

Zmienne środowisko kosmiczne ma wpływ na warunki pracy urządzeń pokładowych. Narzędzie Space Environment and Effects Tool (SEET) w STK zapewnia kompleksowe modelowanie środowiska kosmicznego w pobliżu Ziemi i jego przewidywanego wpływu na satelitę. Wśród głównych analiz mających zastosowanie w misji księżycowej wymienić należy szacowanie oczekiwanej temperatury statku kosmicznego. Oprogramowanie dostarcza dynamicznej w czasie wartości temperatury całego orbitera lub zewnętrznych ścian orbitera o wskazanej powierzchni i wystawie.

W artykule poruszono jedynie niewielką część funkcjonalności oprogramowania. Warto podkreślić, że STK znajduje zastosowanie nie tylko na etapie projektowania misji, jest bowiem używane także do wsparcia operacji z wykorzystaniem systemów satelitarnych i kosmicznych, m.in. dzięki natywnej obsłudze telemetrii. STK służy także szkoleniu oraz pozwala na wsparcie utrzymania systemów, dzięki czytelności i elastyczności.

Kontakt z dystrybutorem oprogramowania STK: [email protected]

Zapraszamy do udziału w bezpłatnym webinarium.

Źródło: materiał przygotowany we współpracy z Symkom