Тема Вектор –УС Исследования, разработки и моделирование аппаратно-программных решений задачи высокоточных астроопределений, проводимых для управления ориентацией космических объектов. Гос.рег. № 01.20.0307396

Научный руководитель д.т.н. Аванесов Г.А.

5.2.1. Разработка предложений и натурное комплексирование в одном приборе звездного координатора и датчиков угловой скорости.

Одним из путей уменьшения массово-габаритных характеристик измерительного комплекса системы ориентации космического аппарата является объединение прибора астроориентации и гироскопических датчиков угловой скорости в одной конструкции. Интеграция позволяет выполнять совместную обработку сырых измерений с разнотипных чувствительных элементов, тем самым, повышая помехозащищенность и точность аппаратуры. Так по астроизмерениям удается обеспечить квазинепрерывную калибровку датчиков угловой скорости, существенно повышающую точность оценивания их показаний. Априорная информация, сформированная по показаниям датчиков угловой скорости, позволяет повысить надежность и скорость распознавания звезд астроприбором после засветки оптического канала Солнцем или при больших угловых ускорениях.

Все перечисленные преимущества имеют интегрированные приборы БОКЗ-МФ и БОКЗ-М60, созданные в ИКИ РАН. В этих приборах используются низкоточные датчики угловой скорости, выполненные по технологии МЭМС. При встраивании этих датчиков в звездный координатор, его масса увеличилась всего на 30 гр., а энергопотребление увеличилось на 0,5 Вт. При этом прибор стал полностью автономным. При работе на не высоких угловых скоростях (до 1,2°/с) прибор определяет высокоточные параметры ориентации по оптическому каналу прибора, калибруя при этом датчики угловой скорости. При потере работоспособности звездного координатора вследствие засветки оптического канала Солнцем или значительной угловой скорости космического аппарата прибор формирует грубую информацию об ориентации по показаниям датчиков угловой скорости. Эта информация может быть использована для грубого управления космического аппарата и восстановления работоспособности оптического канала интегрированного прибора.

В настоящий момент ведется разработка прибора БОКЗ-М60/1000 в состав которого, включены датчики угловой скорости со значительно более высокими точностными характеристиками. Эти датчики уже закуплены, произведено их макетное включение с помощью 24 разрядного S-D АЦП. В результате экспериментов с датчиками показано, что их шумовые характеристики позволяют чувствовать вращение Земли, а показания с датчиков могут быть использованы для прямого управления космического аппарата.

Разработано программное обеспечение прибора БОКЗ-М60, позволяющее определить параметры угловой скорости по соседним измерениям ориентации с интервалом 1 с и по данным с датчиков угловых скоростей.

Разработано ПО, интегрированное в КИА БОКЗ-М, позволяет проводить фильтрацию данных измерений и прогнозировать результаты расчета на момент запроса данных об ориентации.

Разработано ПО прибора ОСД, позволяющее определять параметры угловой скорости по соседним измерениям с интервалом 0.25 сек. Проведена отработка программного обеспечения ОСД на двухосной поворотной платформе стенда геометрической калибровки и испытаний.

Изготовлен стенд динамических испытаний на микродисплее, позволяющий задавать закон движения звездного неба с КИА БОКЗ-М и проектировать результирующее изображение звезд в поле зрения прибора. Отработано ПО КИА БОКЗ-М позволяющее моделировать угловое движение космического аппарата по эллиптической орбите, а также угловое вращение вокруг центра масс с заданным изменением вектора угловой скорости.

По результатам совместной работы прибора на борту КА определена матрица ориентации обобщенной системы координат относительно инерциальной системы координат и подтверждена равная точность определения параметров трехосной ориентации на уровне 1.5 угл.сек.

5.2.2 Разработка ПАО определения ориентации двумя звездными координаторами БОКЗ

Основным требованием к измерениям параметров ориентации, выполняемых астроприборами для управления космическим аппаратом, является непрерывное получение измерений на каждом такте работы системы управления во всем диапазоне угловых скоростей движения. Для выполнения этого требования при определении параметров ориентации астроприбором требуется обеспечить его функционирование во всем диапазоне угловых скоростей и ускорений космического аппарата, а также необходимую частоту обновления информации об ориентации. При решении этих задач следует ориентироваться на наиболее динамичные и высокоточные космические аппараты дистанционного зондирования, выполняющие высокоскоростные угловые маневры и требующие высокоточного наведения. В качестве таких космических аппаратов можно рассматривать изделия ЦСКБ “Прогресс”, частота работы систем управления которых составляет 4 Гц, диапазон рабочих угловых скоростей не превышает 5°/c, а требования по точности наведения имеют порядок единиц угловых секунд.

Разработано программно-алгоритмическое обеспечение, позволяющие вычислять положение в инерциальном пространстве осей обобщенной системы координат Х₀ Y₀ Z₀ двух приборов звездной ориентации, установленных под углом 90 градусов между нормалями. Исходными данными для вычислений являются направляющие косинусы осей Z приборов в инерциальном пространстве. Подобная система позволяет получить угловые параметры ориентации с точностью до 2 угловых секунд при развороте вокруг любой оси обобщенной системы координат. Данная задача может решаться как средствами бортовой вычислительной системы, так и с помощью дополнительного процессорного блока, работающего с двумя приборами и выдающего данные об ориентации обобщенной системы координат в БВС.

Обобщенная система координат двух звездных приборов

Блок-схема алгоритма

Как показали результаты летных и наземных испытаний, прибор БОКЗ-М имеет точность углового позиционирования оси Z 1.5 угловой секунды при измерении параметров вращения вокруг оси X, Y., а точность определения параметров вращения вокруг оси Z составляет 15 угловых секунд.

Так как ось Z прибора расположена под значительным углом к строительным осям КА, среднеквадратическая ошибка определения ориентации строительных осей КА будет пропорциональна косинусу угла между осью Z и ошибкой определения угла разворота вокруг оси Z. Для достижения равной точности определения ориентации по всем трем осям КА, предлагается использовать данные с одновременно работающих приборов на борту КА – достаточно получать данные с двух приборов. Тогда, при расчете окончательной трехосной ориентации нет необходимости использовать углы разворота вокруг оси Z и при этом достигнуть точности определения ориентации до 1.5 угл.сек. На космических аппаратах были проведены серии экспериментов по совместной работе двух приборов с минутным интервалом и штатным 3-х секундным интервалом. На их основе построен и реализован алгоритм равноточного определения трехосной ориентации до 1.5 угловых секунд по каждой из трех осей. Результаты оценки точности приведены в Таблице

Оценка точности	σх	σу	σz
1. Съемка звездного неба через атмосферу	1.2	1.2	15.3
2.1 Геостационарный спутник «Ямал-100» (w=15 угл.сек./с)	1.5	1.5	14.5
2.2 Низкоорбитальный спутник «Космос 2410» (w=4 угл.мин./с) (точность измерения углов между одноименными осями 2-х приборов)	2.2	2.2	20.5
2.3 Низкоорбитальный спутник «Космос 2410» (w=4 угл.мин./с) (точность 1 прибора)	1.15	1.46	15.6
3. Равноточное определение обобщенной трехосной ориентации двумя приборами	0.9	1,3	1,1

Публикации по теме:

1. Г.А. Аванесов, Е.В. Зарецкая, Я.Л. Зиман, М.И. Куделин, А.В. Никитин, А.А. Форш. Оптический солнечный датчик. Особенности конструкции прибора и испытательного оборудования. Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

2. Г.А. Аванесов, В.А. Красиков, А.В. Никитин. Оценка точности прибора БОКЗ-М по результатам наземных и летных испытаний, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

3. Г.А. Аванесов, Т.Ю. Дроздова, А.В. Никитин. Результаты отработки оптических солнечных датчиков на стенде геометрической калибровки и испытаний, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

4. С.А. Дятлов, Р.В. Бессонов Обзор звездных датчиков ориентации космических аппаратов, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

5. Г.А. Аванесов, С.В. Воронков, Я.Л. Зиман, В.А. Красиков, М.И. Куделин, А.А. Форш Система датчиков гида телескопа Т-170М, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

6. Г.А.Аванесов, Т.Ю. Дроздова Оптико-электронные приборы для ориентации по Солнцу, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

7. Г.А. Аванесов, Т.Ю.Дроздова, И.В.Катасонов, А.В. Никитин Алгоритм программного обеспечения оптического солнечного датчика (ОСД). Использование данных ОСД в системе управления движением космического аппарата (КА), Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

8. В.Д. Глазков, В.А. Котцов Фасеточные датчики солнечной ориентации, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

9. Г.А.Аванесов, С.В.Воронков, Б.С.Дунаев, В.А.Красиков, В.А.Шамис, А.А. Форш Имитаторы звездного неба, разрабатываемые в ИКИ РАН, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

10. Т.Ю. Дроздова Результаты отработки оптических солнечных датчиков на стенде геометрической калибровки и испытаний, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

11. Г.А.Аванесов, В.В.Акимов, С.В.Воронков Результаты испытаний ПЗС-матриц российского и зарубежного производства на источниках заряженных частиц, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

12. С.В.Воронков, Т.Ю.Дроздова Результаты испытаний ПЗС-линеек Sony ILX 703A и ILX 751B на источниках гамма-излучения Со-60 различной интенсивности, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

13. С.В.Воронков, Т.Ю.Дроздова Результаты испытаний оптического солнечного датчика на протонном ускорителе, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

14. Аванесов Г.А., Кондратьева Т.В., Никитин А.В. Исследование смещения энергетического центра изображений звезд относительно геометрического центра на ПЗС-матрице и коррекция методической ошибки, Всероссийская научно-техническая конференция “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. г. Таруса 22–25 сентября 2008 г.

15. Т.Ю. Дроздова, С.В. Воронков. Влияние гамма-излучения на работоспособность ПЗС-линеек SONY ILX703A и ILX751B. Материалы Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2008)» Часть 1, Москва, Энергоатомиздат, 2008 г.