Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

Figure 8.5
(a, b) Arrangement and operation of dual scanning Earth sensors on a three-axis
spacecraft.

---

8.3
Spacecraft Bus Subsystems
265
Figure 8.6
Attitude sensing by the spacecraft antenna and command receiver when tracking an
RF pilot signal transmitted from the TT&C Earth station.
the combination of the two beams, having a combined pattern similar to the one
shown on the right. However, the difference signal effectively passes through zero
in its response precisely where the individual horn patterns overlap. The difference
pattern, which has the appearance of a sinewave, is used to detect a null in signal
energy corresponding to proper alignment of the antenna beam. That requires that
a reference Earth station be located where the null should be placed and that the
station transmit a continuous signal called a pilot carrier.
There remains the problem that the difference signal by itself does not provide
a continuous error signal when the beacon enters the null. That is overcome by
modulating the A
−
B response onto the A
+
B response, which is accomplished
in the RF monopulse tracking processor. The modulation then can go through its
zero point at the null. Bias and drift in this null are corrected by storing an offset
pointing angle in the onboard attitude control processor. It also is advantageous
to use a single receiver to perform all commanding, ranging, and tracking. Separa-
tion of the attitude-error signal from the command signal usually is accomplished
in the command-track receiver, shown at the bottom of Figure 8.6. RF tracking
systems have measurement accuracies in the range of
±
0.01 to
±
0.04 degree. Perfor-
mance of the star tracker is of this order, or possibly better.
8.3.1.3
Antenna Pointing
The real measure of ACS performance is its effect on the accuracy and stability of
spacecraft antenna pointing. This is a complex subject because it involves the
performance of several elements of the payload and the bus and the interaction
thereof. Pointing performance is the most critical for GEO missions for which
pointing angles are the smallest. In contrast, pointing for a LEO satellite is nearly

---

266
Spacecraft Mission and Bus Subsystems
one order of magnitude less critical; for that reason, bus operation can be somewhat
simplified.
Overall pointing accuracy is predicted by identifying each contributor and
assessing its impact in the form of a pointing budget. Sensor accuracy contributes
approximately 10–20% of the total accuracy of pointing. A second big contributor
is the movement of parts of the physical antenna due to variations in solar heating
of the reflector and feed supports. Referred to as thermal distortion, that effect
can produce as much as one-half of the total error, depending on the thermal
stability of the material used in antenna construction. Another error is that due to
the precision with which the antenna and sensor are attached to the spacecraft, a
process that requires the use of optical alignment instruments during assembly on
the ground. By providing a ground commanding reflector alignment mechanism,
the static beam pointing error can be removed almost entirely. Last of all, the
transient behavior of the ACS during thruster firing will cause the antenna to be
misdirected momentarily. Analysis of those effects involves the individual accura-
cies, the interaction of the elements, and the operation of the spacecraft in different
stages of the overall mission. That places considerable demands on the prelaunch
design and test of the spacecraft, the operating principles of the spacecraft when
in orbit, and the means to respond to contingency situations that arise from time
to time.
Figure 8.7 provides the general view of the spacecraft, indicating the three
classical axes of attitude: roll, pitch, and yaw. The axes are based on the view of
the spacecraft as it flies over the Earth like an airplane. The roll axis, which typically
is in the orbit plane, is pointed in the direction of orbital flight; pitch corresponds
to the up-down motion of the nose of the spacecraft along an axis perpendicular
to flight and in the orbit plane; and yaw is a twisting motion of the antenna about
the axis pointed directly down from the spacecraft (e.g., sideways motion of the
nose).
For a typical operating satellite, the overall pointing error of the antenna beam
is in the range of
±
0.05 to
±
0.15 degree in either the north-south or east-west