Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения), страница 10

ИГСК назначается на эпохуТ0 - 2000 г.Инерциальная система координат (ИСК) ОXИYИZИ - правая прямоугольнаясистема координат с началом О в центре масс КА, оси которой имеютопределенное неизменное направление относительно ИГСК.Основное назначение БКУ КА – наведение ЦА с определенной точностью.При этом установка ЦА производится в ССК или ПСК ЦА определяет ВСК.Соответственнодляобеспеченияточностныххарактеристикнеобходимовыполнение мероприятий по союстировке аппаратуры, проведение обмеров исоблюдения механической прочности конструкции.

На этапе разработкиконструкторской документации производится определение уровня отклонений62различных механических систем координат, подтверждение уровня отклоненийпроисходит на этапе испытаний. Пример взаимного расположения различных СКприведен на Рисунке 2.2.Рисунок 2.2. Пример взаимного расположения систем координатВ зависимости от конструкции КА, уровень отклонений может составлятьот 5' до 20'.

Соответственно, механические отклонения систем координатнаблюдаются между всеми приборами БКУ, к которым не примененыспециальные методы. Ошибки, вызванные отклонениями систем координат,определим следующим образом: Δ1 калибруемая ошибка, вызванная постоянным смещением системкоординат; Δ2 некалибруемые, переменные ошибки, связанные со смещениемсистем координат, вызванные тепловыми и иными деформациямиконструкции КА.63Процедура союстировки систем координат для различных применений изадач описана во многих работах, в том числе [5], [108], [107], [129], [134].

НаРисунках 2.3 и 2.4 представлены графики изменения вектора малого поворотамеждуориентациямидвухзвездныхприборов,установленныхнаКА.Представленные графики получены для длительных сеансов работы звездныхприборов на двух различных по назначению КА, в течение которыхпроизводилась фильтрация случайных шумовых составляющих ориентацииприборов. Графики представляют изменение во времени относительных угловыхположений ПСК звездных приборов, связанных с механическими деформациямиконструкции КА.Рисунок 2.3. Модуль вектора малого поворота между ориентациями двухзвездных приборов, установленных на КА № 164Рисунок 2.4. Компоненты вектора малого поворота между ориентациями двух звездных приборов,установленных на КА № 2652.2.2. ПРИБОРНЫЙСОСТАВ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМАППАРАТОМОшибка приведения различных систем координат к одной проявляетсязачастую как постоянная ошибка ориентации системы. Этот тип ошибки можетбыть скомпенсирован либо дополнениями к программной ориентации, либооперациями союстировки.Рассмотрим составляющие ошибки ориентации, которые возникают из-запогрешностей приборного состава, исследуем по отдельности модели ошибокизмерительных приборов БКУ КА для составления суммарной модели.Инерциальный измерительный блокОдним из главных приборов БКУ является датчик угловой скорости (ДУС).В составе БКУ могут применяться как резервированные приборы, включающиеДУС больше трех каналов, так и нерезервированные, включающие только триканала ДУС.

Примерами резервированных приборов могут быть ИИБ Astrix-120 игироскопический измеритель вектора угловых скоростей (ГИВУС) КИНД34-020.Примером нерезервированных приборов может быть ИИБ Astrix 1000-series.Рассмотрим устройство этих приборов на следующем примере. На Рисунке2.5 представлена схема расположения измерительных осей типового ИИБ.Прибор является резервированным и содержит в своем составе четыреизмерительных канала (ИК) ДУС.Выходной измерительной информацией являются проекции угловойскорости на измерительные оси каналов. В зависимости от конкретнойреализацииприбора,представлениеизмерительнойинформацииможетразличаться.Примем, что выходной информацией канала является код приращения углаза такт опроса прибора.

Для перевода кода в действительное значениеиспользуется масштабный коэффициент измерительного канала. Положение66измерительной оси в приборной системе координат задается двумя углами:азимутом и склонением. Исходя из принятого, для восстановления полноговектора угловой скорости объекта, на котором установлен ИИБ будет актуальновыражение,представленноеформулой(2.1).Указанноевыражениедлявосстановления полного вектора использует информацию трех измерительныхканалов.Z ПСКИК4ИК1ИК2ИК3XПСКYПСКРисунок 2.5. Пример схемы расположения измерительных осейгироскопических приборовМодели погрешностей такого типа приборов описаны во множестверазличных источников [128], [104], [118], [115], [103], [104], [105], [106], поэтомуподробного вывода конечного результата приводить в работе не будем иограничимся конечными формулами.Зададимся следующими обозначениями:X   Y Z – истинная угловая скорость в проекциях на оси связаннойсистемы координат объекта;67вост  X вост   Y вост  – восстановленная угловая скорость в проекциях на оси Z вост связанной системы координат объекта;m 1m  m   2m  – измеряемые проекции вектора угловой скорости объекта на 3  m  4 оси чувствительности измерительных каналов ИИБ относительно ПСК ИИБ; 1g  g  g   2g  – истинные проекции вектора угловой скорости объекта на оси 3 g  4чувствительности измерительных каналов ИИБ относительно ССК объекта; b1  b b   2  – дрейфы измерительных каналов ИИБ;b 3b  4 1     2 3  4– погрешности масштабного коэффициента измерительныхканалов ИИБ; – вектор шума измерительных каналов ИИБ;G43 , G43–номинальнаяиистиннаяматрицыориентацииосейчувствительности измерительных каналов ИИБ относительно ССК;G4 3 – матрица погрешностей ориентации осей чувствительностиизмерительных каналов ИИБ относительно ССК.68Исходя из принятых обозначений, при восстановлении вектора угловойскорости в БКУ КА используется следующее соотношение:вост  (G T G ) 1 G T  m ,где вектор измеряемых проекции угловой скорости объекта на осичувствительности измерительных каналов ИИБ может быть записан следующимобразом: m  1  E    g  b   .Учитывая, чтоG  G  G , тогда g  G   G  G  .Полное соотношение для восстанавливаемой угловой скорости:вост  (G T G ) 1 G T  m  (G T G ) 1 G T 1  E   G  G   b   .(2.1)В зависимости от способа использования информации ИИБ в БКУ,указанные ошибки измерений следующим образом оказывают влияние на общуюошибку ориентации: Δ3 шумовая ошибка ИИБ; Δ4 ошибка определения угловой скорости, вызванная дрейфомизмерительных каналов ИИБ; Δ5 ошибка определения угловой скорости, вызванная ошибкамиперекосов систем координат измерительных каналов ИИБ; Δ6 ошибка определения угловой скорости, вызванная ошибкамимасштабных коэффициентов измерительных каналов ИИБ.Звездные приборыНе менее важным прибором системы ориентации космического аппаратаявляется звездный прибор.

Устройство и конструкция приборов у различных69производителейвомногомидентичны,такжесуществуетрядработ,описывающих определенные характеристики приборов [9], [25], [43], [57], [60],[47], [48], [49], [50], [51], [53], [55], [65], [66], [68, [59], [84]. Однако, полноеописание ошибок отечественных приборов не приводится в сопроводительнойдокументации. Одним из документов, подробно описывающих ошибки звездногоприбора, является европейский стандарт для звездных приборов ECSS-E-ST-6020C.Согласно стандарту, структура погрешности звездных приборов состоит из: постоянноесмещениемеждуизмерительнойимеханической(юстировочной) системами координат (линейное и угловое); тепловые деформации конструкции прибора; ошибку поля зрения прибора (остаточные ошибки калибровки оптики,дисторсия, аберрация, эффекты приемника, ошибки каталога); пространственная ошибка, вызванная особенностями приемникаизлучения (ошибка определения центроида, темновой ток, порогчувствительности и т.д.); случайная ошибка (эффекты ИИКП, матрицы, квантования и т.д.); релятивистская аберрация; ошибка определения времени получения кадра.Основными измерениями звездного прибора являются координаты векторовнаправления на визируемые источники излучения, рассчитанные в приборнойсистеме координат звездного прибора.

После измерения векторов созвездия вприборной СК происходит расчет ориентации приборной СК относительноинерциальной. Модель работы звездного прибора можно записать следующимобразом.ИСКПСК  f    ,(2.2)где ИСКПСК – кватернион (матрица) ориентации приборной СК звездногоприбора относительно инерциальной СК,  – массив координат векторов70распознанных созвездий в приборной СК звездного прибора,  – описанныеошибки, выраженные как ошибки определения координат векторов распознанныхсозвездий, f – вычислительная процедура, рассчитывающая ориентацию ПСКЗП относительно ИСК по данным визируемых объектов.С точки зрения влияния на точность БКУ перечисленные ошибки можноопределить следующим образом: Δ7 калибруемая ошибка, вызванная смешением измерительной имеханической систем координат; Δ8 высокочастотная ошибка определения ориентации, вызваннаяошибками поля зрения, пространственной ошибкой и случайнымиошибками измерения; Δ9 низкочастотная ошибка определения ориентации, вызваннаятепловыми деформациями конструкции; Δ10 ошибка ориентации, возникающая при не учете релятивисткойаберрации.Выражение (2.2) можно записать в другом виде:ИСТИСК dСО  7 ,  8 ,  9 ,  10 ,ПСК  где ИСТ–истинныйотносительноинерциальнойпереводящийистиннуюкватернионСК,dСОориентациюориентации–приборнойкватернионприборнойСКЗПмалоговСКЗПповтора,ориентацию,полученную под воздействием погрешностей ЗП.Ошибки, вызванные постоянным смещением нуля приборов допустимопринимать равными нулю, так как эти погрешности будут ликвидированы послепроведения операции взаимной юстировки ЦА и звездных приборов.При применении алгоритмов фильтрации возможно уменьшение уровняслучайной ошибки определения ориентации.71Погрешности баллистико-навигационного обеспеченияВ случае необходимости наведения ЦА в орбитальной системе координат,для КА ДЗЗ наведение ЦА на объекты на земной поверхности, дополнительнуюошибку в суммарную точность наведения ЦА вносит точность перехода из ИСК вОСК.