Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения), страница 15

СТРУКТУРА КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИИНЕРЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА И ЗВЕЗДНОГО ПРИБОРАИзмерительный тракт СИО при использовании в составе БКУ НКА ИИБ иЗП представлен на Рисунке 3.1. На схеме предложен состав алгоритмов СИО,образующих измерительный тракт ИИБ и ЗП и направленных на выработкуточной информации о параметрах ориентации КА. В состав алгоритмов входяткак ранее разработанные, так и предложенные автором алгоритмы.102Рисунок 3.1. Структура измерительного тракта ИИБ и ЗП103Алгоритмыпредварительнойобработкиинформации(ПОИ)ИИБпредназначены для реализации преобразования первичной информации от ИИБ,выраженной некоторым сигналом U, в вектор приращений углов измерительныхканалов ИИБ.

Для достижения высокой точности определения параметровориентации должна быть решена задача контроля первичной информации отизмерителей, с целью обеспечения бессбойной информацией и быстрогопереключения на резерв. Такая задача решена и итогом решения задачи явилисьпатенты, в которых можно найти подробное описание алгоритмов ПОИ ИИБ[113], [114], [154], [155].В структуру измерительного тракта входят алгоритмы, не находящиеся всфере ответственности автора, но их описание необходимо для понимания работысистемы в целом. Ниже приведено описание этих алгоритмов.Алгоритмы расчета параметров ориентации. Выходная информацияПОИ ИИБ в виде вектора приращений углов измерительных каналов ИИБ завремя между опросами ИИБ поступает на вход алгоритмов расчета параметровориентации.

Данные алгоритмы представляют собой алгоритмы интегрированиякватерниона ориентации ВСК КА (согласно [44]) и подробно описывается в [6].Алгоритмы ПОИ ЗП предназначены для проведения функциональногоконтроля измерительной информации ЗП и преобразования кватерниона,измеренного ЗП, из ПСК ЗП в ВСК КА. Соответственно, выходом алгоритмовПОИ ЗП является кватернион ориентации ВСК КА относительно ИСК,рассчитанный по кватерниону ориентации ПСК ЗП. Подробное описаниеалгоритмов можно найти в [6].Назначение алгоритма грубой астрокоррекции заключается в коррекцииухода базиса ориентации под действием некомпенсированных дрейфов ИИБ наначальном участке полета КА.

Алгоритмы представляют собой механизмкоррекции начальных условий для интегрирования угловых скоростей от ИИБ и внастоящей работе подробно не описываются.104Алгоритм астрокоррекции предназначен для периодической коррекцииухода базиса ориентации, вызванных некалибруемыми дрейфами ИИБ, на участкештатного функционирования КА. Выходом алгоритмов астрокоррекции являетсярассчитанныйсвысокойточностьюкватернионориентацииВСККАотносительно ИСК, который используется как для коррекции начальных условийинтегрирования ориентации КА, так и для алгоритмов калибровки дрейфов ИИБ.Подробное описание алгоритмов астрокоррекции можно найти в [6], [117].Алгоритмподготовкимасштабных коэффициентовданныхидляперекосовкоррекциипогрешностейизмерительных осейИИБпредназначен для предварительной обработки измерительной информации ИИБ иЗП и упаковки этой информации и передачи в составе ТМИ в НКУ. На основанииданных бортового алгоритма наземная часть производит расчет поправок кматрице установке измерительных осей ИИБ в ВСК КА и поправок кмасштабным коэффициентам измерительных каналов ИИБ.

Подробно алгоритм ипроцедура описана в [118].Длявыполнениятребований по точности определенияпараметровориентации автором предлагаются следующие алгоритмы.Алгоритм двухточечной калибровки дрейфов ИИБ осуществляеткомпенсацию остаточных дрейфов ИИБ, вызванных нестабильностью дрейфаизмерительных каналов ИИБ. Алгоритм применяется на участке штатногофункционирования КА [115], [116].

Отличительной чертой алгоритма калибровкидрейфов является расчет дрейфов гироскопов по двум точкам получения данныхоб ориентации КА от ЗП. Описание алгоритма приводится в разделе 3.2.Алгоритм комплексирования предназначен для совместной обработкиданных от ИИБ и ЗП с целью компенсации ухода ориентации ВСК КАотносительно ИСК, рассчитанной по данным от ИИБ, под действием остаточныхдрейфов измерительных каналов ИИБ и минимизации высокочастотной шумовойпогрешности ЗП.

Алгоритм отличается от известных, аналогичных алгоритмовоценкой вектора малого поворота между истинной и рассчитанной ориентациями105в совокупности с расчетом ковариационных матриц и матриц коэффициентовусиления с тактом меньшим такта формирования оценки. Данный алгоритмподробно описывается в следующем разделе 3.3.Алгоритм модели виртуального звездного прибора осуществляетфильтрацию высокочастотной шумовой погрешности ЗП на базе интегральнойобработки информации от одновременно работающих ЗП. Алгоритм отличаетотсутствие запаздывания информации при фильтрации шумов ЗП за счетиспользования модели виртуального звездного прибора. Подробно описывается вразделе 3.4.3.2.

АЛГОРИТМ ДВУХТОЧЕЧНОЙ КАЛИБРОВКИ ДРЕЙФОВ ГИРОСКОПОВЗадача калибровки дрейфов измерительных каналов ИИБ рассмотрена дляслучая, когда основной погрешностью измерений ИИБ является дрейфизмерительных каналов ИИБ, приведенный на оси визирной системы координатКА. В расчете угловой скорости и параметров ориентации задействуетсяинформация от трех ИК ИИБ. Приведенные к проекциям ВСК КА измерения ИИБзаписываются в следующем виде: m     ДР ,где    XYZT– истинная угловая скорость в проекциях на осисвязанной системы координат объекта;  m   Xmпроекции ДР ДРtвектораT XtДРугловойY ДР  Z ДРttскоростиобъектаYm ZmнаT– измеряемыеосиВСККА;T–вектордрейфовИКИИБвВСК,выраженный через приращение углов под действием дрейфа за такт работы БКУΔt = 0.1 с.Алгоритм калибровки дрейфов ИИБ базируется на предположении, чтодрейф ИИБ на интервале наблюдения постоянен.

Исходя из этого предположения,106алгоритмосуществляетдвекоррекциибазисаориентацииспомощьюизмерительной информации ЗП на интервале времени, зависящем от величиныоцениваемого дрейфа. Первая коррекция осуществляется с целью заданияначальных условий, вторая для оценки действующего дрейфа. На интервалемежду двумя коррекциями ориентации происходит интегрирование программнойугловой скорости от СУД для получения представления об идеальной конечнойориентации.Программная угловая скорость КА на интервале работы алгоритма можетнаходиться в диапазоне от 0 до 0.3 º/с.

Время между точками полученияинформации о точной ориентации КА зависит от величины оцениваемого дрейфа:при оценке дрейфа величиной в 0.2 º/ч интервал наблюдений составляет один час,при оценке дрейфа величиной в 0.002 º/ч интервал наблюдений составляетнесколько часов.Предположим, что ИИБ обладает постоянным на интервале наблюдениядрейфом  ДР , КА должен вращаться с заданной программной угловой скоростью ПРОГ .

Тогда измерения ИИБ, приведенные на оси ВСК КА перепишемследующим образом: m  ПРОГ     ДР .В начальный момент работы алгоритма калибровки происходит получениеинформации о параметрах ориентации КА от алгоритма астрокоррекции и,соответственно, списание накопленных ошибок. Тогда вектор малого поворота  ,вызванный действием дрейфа будет иметь вид: i  M i  ПРОГ   t    ДР ,где M i  ПРОГ   t  – матрица поворота, вызванная угловой скоростью ПРОГ , равной программной угловой скорости, действующей на интервале  t .Соответственно на каждом i-ом интервале матрицу поворота M i  ПРОГ   t можно записать:107M i  ПРОГ   t   I 3 3 2sin   ПРОГ   t  ˆ1  cos   ПРОГ   t  ˆ ПРОГ   t t,ПРОГ2 ПРОГ   t ПРОГ   tгде I – единичная матрица, соответствующей размерности,  ПРОГ   t –ˆмодуль вектора  ПРОГ  t , ПРОГ – кососимметрическая матрица, поставленная всоответствие вектору программной угловой скорости КА.Приусловиях работы алгоритма,представленных ранее,величина ПРОГ   t не превышает значения в 0.0006 рад.

В этом случае выражение дляматрицы поворота M i  ПРОГ   t  упрощается:ˆM i  ПРОГ   t   I 3 3  ПРОГ   t .Тогда суммарный вектор малого поворота, вызванный действием дрейфаИИБ будет равен: i M i  ПРОГ  t    ДР .Принимая во внимание, что вектор  ДР постоянный в ВСК на интервалеработы алгоритма калибровки:  M i  ПРОГ  t    ДР ,При этом: M i  ПРОГ  t    M  ПРОГ dt.Тогда  M  ПРОГ   dt    ДР ,ˆM  ПРОГ   ПРОГ  M  ПРОГ (3.1)(3.2)где  – вектор малого поворота, переводящий идеальную ориентацию вреальную; M ПРОГ  – матрица, характеризующая идеальную ориентацию.108Вектор малого поворота  , вызванный действием дрейфа  ДР наинтервале работы алгоритма, рассчитывается на основании кватерниона малогоповорота  ДР   из произведения кватерниона ориентации  ИИБ , полученногоинтегрированием измерительной информации ИИБ, и кватерниона ориентации отЗП  ЗП , полученного от алгоритма астрокоррекции.~ ДР     ИИБ   ЗП .(3.3)1 ДР    1  x / 2  y / 2  z / 2  1   .2Тогда вектор дрейфов ИИБ рассчитывается следующим образом: ДР   M  ПРОГ   dt    .1(3.4)Полученный вектор дрейфов ИИБ учитывается при расчете ориентации.

Вотличие от известных работ по калибровке ИИБ [99], [100], [103], [104], [105],[106], [107], [108], предлагаемый алгоритм не требует больших вычислительныхресурсов,дополнительныхманевровКАиобладаетвысокойстепеньавтономности оценки дрейфов ИИБ.3.3. АЛГОРИТМ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯКак упоминалось ранее, при разработке КА применение отработанныхрешений является наиболее правильным с точки зрения обеспечения надежностикак программного обеспечения, так и приборов БКУ. В качестве базовогоалгоритма, реализующего алгоритмы комплексирования, будет использованшироко распространенный в аналогичных приложениях фильтр Калмана.