К сожалению, не до конца понятна схема вашего аппарата. Но хочу уточнить, что для определения ориентации в пустом пространстве достаточно будет эффектов, которые возникают в ускоренных системах отсчёта. Это могут быть обычные гироскопы, либо приборы, основанные на движении света. Они называются интерферометрами Саньяка. В них сигнал идёт по замкнутому контуру, но в разные стороны. Если прибор вращается, то сигнал проходит пути по и против вращения за разное время. В результате этого возникает сдвиг фазы, что и фиксируется по изменению интерференционной картины. Если взять три таких прибора и разместить по разным осям, то вы сможете регистрировать угловые скорости объекта. А значит всегда будете знать текущую ориентацию объекта, если была известна его начальная ориентация. Такие приборы очень точные, компактные и лёгкие, поэтому массово применяются в технике.