Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения), страница 9

Так же начинается процессинтегрирования угловых скоростей для реализации навигационного трехгранника.При отсутствии априорной информации об ориентации связанной скосмическимаппаратомсистемыкоординатпроцессинтегрированияиуправление КА осуществляется в условной инерциальной системе координат.На различных участках работы КА реализуется различный набордопустимых к включению приборов. Так на начальном участке в условияхограничения потребляемых нагрузок, включение приборов допустимо покомандам от системы управления движением или от наземного комплексауправления. В условиях полета в автономном режиме включение определенныхприборов может происходить без команд от СУД или НКУ по необходимостикоррекции навигационной информации.При наличии в составе БКУ космического аппарата приборов ориентациипо Солнцу, режим поиска Солнца может реализовываться по информации отданных приборов.Дополнительно к приборному составу программное обеспечение позволяетпроизводить расчет вектора направления на Солнце в инерциальной системекоординат, соответствующей эпохе J2000.

При наличии на борту достовернойинформации о текущем времени, ПО СИО выдает в СУ информацию о векторе наСолнце.Для повышения автономности КА при функционировании КА в условияхограничений на тракт НКУ - БКУ - НКУ, необходимо устанавливать изадействовать приборы ориентации по Солнцу. Такое воплощение контуранавигационной информации целесообразно для КА ДЗЗ, функционирующих нанизкихорбитах;функционированияНКА,включениекоторыхможетиреализацияпроисходитьначальногонавысокоэллиптических орбит либо на отлетных траекториях.низкихучасткаучастках56Для космических аппаратов, функционирующих на орбитах ГСО и наорбитах без ограничений на наблюдаемость КА, допустимо реализовывать контуруправления космическим аппаратом без использования приборов ориентации поСолнцу.В последнем случае циклограмма начального участка космическогоаппарата может включать в себя следующие операции: инициализация СИО; включение ИИБ для демпфирования угловых скоростей послеотделения от разгонного блока; включение звездных приборов для получения априорной информацииоб ориентации связанной с КА системы координат в инерциальнойСК; передача на борт КА достоверного значения текущего времени дляначала расчет вектора на Солнце в инерциальной системе координат; наведение КА нормалью к поверхности солнечных батарей нанаправление на Солнце по совокупной информации, полученнойпосле реализации описанных выше операций.Разработкафизическихинтегрированныхпринципах,основанасистем,нафункционирующих накомплекснойобработкеразныхпервичнойинформации из различных источников в целях повышения автономности,надежности и точности системы.

Среди схем комплексирования системориентации различных типов наибольшее распространение нашли инвариантныесхемы, которые оценивают не параметры ориентации, а их погрешности [1], [2],[10], [26], [136]. Примерами таких систем являются системы коррекции ИНС поданным от звездных приборов [94], [95], [96], [97]. Неинвариантные алгоритмытребуют дополнительного привлечения информации о динамике объекта икомандах управления. В неинвариантных схемах информация с датчиковиспользуется только для формирования вектора измерения и не учитывает то, чтоданные ДУС позволяют определить изменение именно тех параметров, которыехарактеризует отклонение ориентации объекта.57Принимая во внимание, что КА является уникальным и штучным изделием,для разработки БКУ должны использоваться отработанные и надежные решения,как с точки зрения приборного состава, так и с точки зрения программноматематическогообеспечения.Задачакомплексированияизмерительнойинформации ИИБ и ЗП является основной задачей СИО БКУ, и решение этойзадачи должно достигаться так надежными и отработанными средствами.Отработаннымипроверенныминструментомкомплексированияинформации является фильтр Калмана, прекрасно зарекомендовавший себя врешении множества прикладных задач.

Широкое применение фильтра Калмана взадачах определения ориентации КА началось в середине 80-х годов 20 века.Однако, вычислительная сложность фильтра Калмана является препятствием длябортовой реализации алгоритмов комплексирования и фильтрации, поэтомукаждое применение фильтра связано с его вычислительной адаптацией подконкретную задачу. Практические требования к алгоритмам комплекснойобработки приводят к задачам обоснованной редукции алгоритма оценивания ипоследующегоприменениясубоптимальных,редуцированныхфильтров.Построение и описание алгоритмов СИО, предназначенных для построенияпрецизионногоопределенияориентацииКА,втомчислевчастикомплексирования информации ИИБ и ЗП, описывается в следующей главенастоящей работы.При разработке СИО решаются несколько задач, направленность которыхопределяет облик разрабатываемой системы: разработка методики анализа точности решения задачи определенияпараметров ориентации; разработкабортовыхалгоритмов,обеспечивающихзаданнуюточность определения ориентации; разработкатребованийдляповышенияточностиопределенияпараметров ориентации, за счет организации необходимых операцийпри проектировании, отработке и функционировании КА.582.2.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКСИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТАОбеспечениеточностиориентациикосмическогоаппаратаявляетсякомплексной задачей. Требования к БКУ КА по точности определения иподдержания ориентации, формируются исходя из обеспечения необходимыхусловий функционирования ЦА. Задача расчета точностных характеристикобеспечения ориентации КА, безусловно, не нова. Однако решение задачи расчетаи оценки точности проводилось для отдельных элементов тракта определенияориентации. Так в [5], [7], [8], [85], [32], [33], [90], [101], [129], [130], [131], [132],[133], [134], [103], [104], [105], [106], [107], [97], [63], [89], [135], [136]представлены частные расчеты и оценки элементов тракта КА: элементы фильтрации измерений параметров движения вокруг центрамасс; элементы баллистико-навигационного расчета; элементы математической точности решения задач ориентации; характеристики приборов.Несмотря на большое количество работ по точности расчета и оценкиориентации [9], [10], [11], [25], [37], [44], [43], [57], [60], мало освещенообъединение всех этих оценок с целью понимания полной оценки точностисверху.

Предлагается обобщение в единую методику, позволяющую провестиоценку полной ошибки определения ориентации КА.В понятие точности определения ориентации КА входит большое количествопогрешностей, характеризующихся следующими параметрами КА: тип приборовв составе КА, конструктивные особенности КА, особенности работы комплексауправленияКАит.д.Рассматриваютсяосновныетипыпогрешностей,характеризующие ошибки определения ориентации, и влияние этих погрешностейна суммарную величину ошибки.59Под ориентацией КА понимается параметрическое описание вращательногодвижения КА относительно опорной системы координат, соответственно подточностью ориентации КА понимаетсяпогрешность знанияпараметров,описывающих вращательное движение [53], [54].Рассматривается оценка точности ориентации для типового случаяиспользованиявсоставеБКУКАдляопределенияориентацииКАгироскопических датчиков угловой скорости и звездных приборов, выполняющихфункции датчиков угла.Функциональная схема тракта измерения ориентации с указаннымидатчиками представлена на Рисунке 2.1.Рисунок 2.1.

Функциональный тракт измерения ориентацииПри проведении декомпозиции общей погрешности функциональноготракта измерения ориентации на составляющие погрешности определенияориентации вычислительные ошибки интегрирования и преобразования системкоординат с учетом их малости не рассматриваются.Учитываянезависимостьвозникновениясоставляющихошибкиопределения ориентации, далее рассмотрим:-погрешностиопределениясистемпреобразования систем координат;- погрешности датчиков угловой скорости;- погрешности звездных приборов.координатипогрешности60На основании рассмотренных составляющих погрешности определенияориентациипроизводитсяоценкасуммарнойпогрешностиопределенияориентации КА.2.2.1.

СИСТЕМЫ КООРДИНАТ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТАКаждый прибор из состава БКУ имеет набор систем координат, и задачаобеспечения точности во многом заключается в сведении различных системкоординат воедино, в том числе механическом. Примеры различных системкоординат КА и приборного состава БКУ представлены ниже.Базовая технологическая система координат (БТСК) OТXТYТZТ связана сКА. Начало БСК может быть расположено в плоскости стыка КА с переходнойфермой (адаптером), в геометрическом центре фигуры, проходящей через центрыотверстий (шпилек) крепления КА к переходной ферме.

Координаты центра массКА задаются относительно БСК. Относительно базовой технологической системыкоординат OТXТYТZТ осуществляется контроль геометрических параметровизделия, включая контроль требуемых углов и допусков на точность установкиприборов и агрегатов при сборке КА. С помощьюКЭ может производитьсяточная угловая привязка приборов относительно осей БТСК.Визирная СК (ВСК) КА OВXВYВZВ материализуется конструктивнымиэлементами установки ЦА на КА.

При проведении на Земле обмеров взаимногоуглового положенияЦА,командных приборов (КП) БКУ осиВСКматериализуются нормалями к граням контрольного элемента.Приборная СК ЗП используется на этапах проектной проработки иизготовления КА. Материализуется конструктивными элементами установки ЗПна КА и обеспечивается механическим интерфейсом прибора.

Приборная СК ЗПне совпадает с измерительной СК ЗП. ПСК большинства КП материализуются ихпосадочными местами и обеспечивается механическими интерфейсами.Связанная система координат (ССК) OXYZ - правая прямоугольная системакоординат с началом О в центре масс КА. Направления осей ССК совпадают по61направлению содноимёнными осями базовой технологической системыкоординат (БТСК) OТXТYТZТ.ОтносительнодинамическиесвязаннойуравнениясистемыЭйлера,координатвычисляютсяOXYZмоментызаписываютсяинерцииКА,определяются управляющие и возмущающие силы и моменты исполнительныхорганов.Орбитальная система координат (ОСК) OXОYОZО - правая прямоугольнаясистема координат с началом в центре масс КА.

Ось OYО лежит на прямой,соединяющей центр Земли с центром масс КА и направлена от Земли. Ось OXОлежит в плоскости орбиты КА, перпендикулярна оси OYО и направлена в сторонунаправления вектора орбитальной линейной скорости. Ось OZО перпендикулярнак плоскости орбиты и по направлению противоположна направлению вектораорбитального кинетического момента, рассчитанного в абсолютной инерциальнойсистеме координат в рассматриваемый момент времени.Инерциальная геоцентрическая система координат (ИГСК) ОЗХИГYИГZИГ правая прямоугольная система координат, начало которой находится в центремасс Земли ОЗ, ось ОЗХИГ - расположена в плоскости экватора и направлена вточку весеннего равноденствия, ось ОЗZИГ - направлена на северный полюс мира,ось ОЗYИГ - дополняет систему координат до правой.