Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения), страница 7

ТВГ стал предпочтительным датчиком длякосмическихполетовсвысокимитребованиямипохарактеристикам.42Радиационная стойкость прибора рассчитана на непрерывное функционированиена ГСО в течение не менее 15 лет.Прибор Scalable SIRU функционировал на ряде КА: Deep Impact,MESSENGER, Cassini, NEAR, GOES, 601-HP, TDRSS, GPM, WGS, 702 bus,EchoStar, IKONOS, AEHF, A2100 bus, 1300 bus, STAR bus, MUOS, SBSS,Worldview, Herschel, GeoEye, TerreStar и др.В ЗАО«НПП«Медикон» (г.

Миасс) разработан малогабаритныйтвердотельный гироскоп для инклинометрических систем нефтяных и газовыхскважин с дрейфом 0,2 °/ч. Раменским приборостроительным КБ (фактическиЗАО «Инерциальные технологии») разработано три модификации ТВГ [22], [23].РазработкуТВГосуществляеттакжефранцузскаяфирмаSagem,подразделение Sagem Defense Securite. В настоящее время Sagem DS приподдержке CNES производит гироскопы с уходами 0,11 /ч для тактическогоприменения и разрабатывает гироскоп для инерциальной навигации с точностью0,01 /ч [21]. Предварительные результаты, полученные при испытании макетногообразца, показали, что величина постоянного ухода 0,1 /ч, стабильностьмасштабного коэффициента 100 ppm, а случайный уход 0,001 /ч.

Массаприбора составляет 3,1 кг, размеры 77210235 мм, ресурс − 15 лет.Разработкой ТВГ в том числе занимается компания ОАО «Ангстрем».Компания является ведущим российским разработчиком и производителемпродукции микроэлектроники, в том числе специального применения ителекоммуникационного оборудования.ТВГ обладают исключительными характеристиками, подходящими дляприменения в системах управления астрофизических КА. Это высокая точность,широкийдинамическийэнергопотребление,диапазонмалаяизмерений,чувствительностьмалыекмасса,линейнымразмерыиперегрузкам,устойчивость к ударным механическим воздействиям, радиационная стойкость,высокая надежность, малое время готовности и др.43На основании проведенного анализа приборов измерения угловой скорости,предназначенных для использования на КА, сформирована сводная Таблица 1.5 снаправлениями применения приборов на различных КА, в том числе в составебортовых комплексов управления космическими аппаратами научного назначения.Таблица 1.5.Сводная таблица приборов для БКУ КА научного назначенияAstrix 120Astrix 200Astrix series 1000БИУС ВОАБИУС ВОИУС ВОАНаличиелетной истории+++Нет данных+прототип РИУС-КИНД34-062КИНД34-053КИНД34-059Нет данныхНет данныхНет данных> 15 лет> 15 лет> 15 лет> 5.7 лет> 5.7 лет> 5.7 летот 5.7 до17 лет4.5 года5.7 лет0.34 годаКИНД34-020-01+10 летПГКИНД34-064ТВБИС-до 15 лет> 15 летПГТВГПриборРесурсТип ЧЭВОГВОГВОГВОГВОГВОГТип КА(точность)связь, ДЗЗнаукасвязьсвязь, ДЗЗсвязьсвязьВОГсвязьВОГВОГВОГсвязьсвязь, ДЗЗсвязьсвязь, ДЗЗ,наукаДЗЗ, наукасвязь, ДЗЗ1.2.2.

ЗВЕЗДНЫЕ ПРИБОРЫИстория звездных приборов началась в 70-х годах 20 века. Первый ЗП былразработан в Лаборатории реактивного движения. В качестве чувствительногоэлемента была использована ПЗС-матрица. Основной проблемой создания иразработки звездных приборов является вычислительная сложность решениязадачи распознавания. За полувековую историю развития было предложено иреализовано большое количество способов решения задачи распознаванияориентации, поиска соответствия паттернов данным каталога, обработкиинформации об ориентации [47], [48], [50], [56], [57], [60], [65], [66], [67], [80]. Вначале 90-х годов появились звездные приборы, способные автономно определять44параметры ориентации КА по изображениям произвольных участков звездногонеба.В настоящее время, в качестве приемников излучения в звездных приборах,как правило, используются ПЗС-матрицы и КМОП-матрицы [13], [145], [146],[147], [148], [150], [151], [152].

Последние, просты в управлении за счет того, чтопредставляют собой законченное изделие – камеру в одной микросхеме.Согласно европейскому стандарту на звездные приборы, в настоящее времявыделяют следующие типы звездных приборов: звезднаякамера(прибор безкаталогазвезди возможностираспознавания кадра); звездный датчик (прибор с каталогом звезд и возможностьюсопровождения ориентации); автономный звездный датчик (прибор с возможностью распознаванияориентацииизпроизвольногоположенияиавтоматическогосопровождения ориентации).Опыт исследований и испытаний отечественных и зарубежных ПЗС-матрицпоказывает, что практически все известные приборы этого типа даже приотносительно высокой стойкости к накопленной дозе, повреждаются прибомбардировке протонами при плюсовых температурах. При минусовыхтемпературах(около–20°С)влияниерадиационныхповрежденийрезкоснижается и перестает играть существенную роль в работе прибора.

По этойпричине в состав многих ЗП входит охлаждающий приемную матрицу элемент,обеспечивающий рабочую температуру матрицы ниже нуля. Применение этогоэлемента обеспечивает меньшее влияние ВВФ и ИИКП на точность работыприбора [109], [110], [111], [112].Некоторые производители используют в звездных приборах матрицы APS(Active Pixel Sensor), изготовленные по технологии КМОП. При использованииКМОП датчиков сокращается общая площадь, занимаемая электроннымикомпонентами в устройстве прибора, и уменьшается энергопотребление датчика45и, соответственно, тепловыделение, которое отрицательно влияет на качествополучаемого изображения.

В этой технологии у каждого пикселя появился свойсчитывающий транзисторный усилитель. Благодаря этому заряд преобразуется внапряжение непосредственно на пикселе. Также появилась возможностьпроизвольного доступа к пикселю, аналогично оперативной памяти.Часть приборов выполняется по модульной технологии: оптический блок иэлектронный модуль.

Такая компоновка позволяет при увеличении количестваоптических блоков расширить эффективное поле зрения прибора и повыситьточность [145], [146], [147], [148]. Использование в звездных приборах двух илитрех оптических каналов целесообразно как для повышения надежности, так и длявыравнивания точностных характеристик.За время существования ЗП произведена огромная работа по обеспечениюточности и стабильности работы приборов.

Обеспечение этого достигалось какаппаратным и средствами, так и программными [9], [10], [24], [25], [28], [29], [30],[43], [46], [83], [84], [94].Одним из возможных способов повышения точности ЗП являетсякомплексирование алгоритмов распознавания визируемых созвездий с даннымиоб угловой скорости от ДУС. Разработке подобных систем посвящены работы [9],[10], [29].Все же основные усилия в разработке алгоритмов работы ЗП былинаправлены на повышение точности автономной работы прибора. С моментанаписания первых работ по определению ориентации по наблюдениямнескольких источников [46], [49], [50], до работ настоящего времени [48], [51]проведенаогромнаяработа.Такжесегоднядляповышенияточностииспользуются алгоритмы повышения точности расчета координат центроидов[66], [67].Сегодня, непревзойденным лидером по точности определения параметровориентации является звездный прибор HAST-2 (High Accuracy Star Tracker).Конструктивные, схемотехнические и алгоритмические решения, примененные46при разработке этого прибора, позволили достичь уровня случайной погрешностиопределения ориентации в 0.2 угловой секунды.Следующая по точности определения параметров ориентации группаприборов состоит из европейских приборов Sodern и Jena-Optronik: Hydra, AstroAPS, Astro-15.

Эти приборы обладают средней случайной погрешностьюопределения параметров ориентации в 5 угловых секунд.Остальные приборы обладают гораздо более низкими показателямиточности. Средняя величина случайной погрешности определения ориентациинаходится на уровне 60 угловых секунд.1.3.СовместноеАНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИиспользованиеинформациизвездныхприборовигироскопических измерителей характерно для многих зарубежный КА научногоназначения [20], [27], [101], [129], [133], [136], [149], что обусловленоособенностями датчиков обоих типов. В отличие от звездных приборов,гироскопические измерители функционируют в широком диапазоне угловыхскоростей и независимы от внешних оптических условий, ВВФ и ИИКП [109],[110], [111], [112]. Однако при отсутствии коррекции по измерениям от другихприборов, точность определения угловой скорости и параметров ориентации поинформации от гироскопических измерителей со временем снижается.

Подход кпостроению БКУ КА с объединением информации от гироскопическихизмерителейизвездныхприборов,разработанныйМОКБ«Марс»иреализованный в БКУ КА «Спектр-Р» на приборах ГИВУС КИНД34-020 и АД-1,позволил достичь высокой точности ориентации КА [143].Математическая обработка информации с гироскопических датчиков извездных приборов позволяет определять параметры ориентации и угловойскорости с высокой точностью и частотой, которая необходима для работысистемы управления движением КА [9], [24], [27], [30], [162], [163], [164], [165].47Разработкафизическихсистемпринципах,астроориентации,основананафункционирующихкомплекснойнаобработкеразныхпервичнойинформации из различных источников в целях повышения надежности иточности автономной системы ориентации [6], [7], [9], [24], [27], [30], [162], [163],[164], [165]. Среди схем комплексирования систем ориентации различных типовнаибольшее распространение [26], [35], [63], [86], [135] нашли инвариантныесхемы, которые оценивают не параметры ориентации, а их погрешности.Алгоритмы комплексной обработки информации (КОИ) предназначены дляповышения точности и надежности определения параметров ориентации,формируемых СИО при заданном составе измерителей [5], [7], [26], [33], [37].Методами оценивания в алгоритмах комплексирования СИО могут бытьметоды статистического оценивания (метод наименьших квадратов (МНК),фильтр Калмана и связанные с ними результаты дальнейших исследованийотдельныхсторонэтихметодов,характерныхдлясистемориентации(оптимизация наблюдений МНК, структурная и параметрическая адаптацияфильтра Калмана) [40], [41], [42], [45], [60], [64], [72], [73], [74].Во многом, каждый случай применения фильтрации базируется на целевомприменении космического аппарата и адаптируется на основании имеющихсяприборов,вычислительныхмощностей,динамическихсвойствахобъектауправления и т.д.