Диссертация (Динамическое проектирование системы управления движением и навигации малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с аппаратурой кадровой съемки)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»На правах рукописиРозин Петр ЕвгеньевичДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ И НАВИГАЦИИМАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИС АППАРАТУРОЙ КАДРОВОЙ СЪЁМКИСпециальность 05.07.09 — динамика, баллистика и управление движениемлетательных аппаратовДиссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорМалышев В.В.Москва – 2017ОГЛАВЛЕНИЕСписок сокращений ................................................................................................ 4Введение ...................................................................................................................

6Глава 1 Приборный состав, логика функционирования и алгоритмы системыуправления движением и навигации малого КА ДЗЗ с аппаратурой кадровойсъёмки 131.1Требования, предъявляемые к СУДН малого КА ДЗЗ ...................... 141.2Анализ возмущающих моментов и динамических требований ....... 221.3Приборный состав малого КА ДЗЗ ........................................................ 271.4 Анализ засветки звёздных датчиков КА на различных орбитахфункционирования .............................................................................................

291.5 Бортовая цифровая вычислительная машина малого КА ДЗЗ иорганизация вычислительного процесса ....................................................... 311.6 Логика работы системы управления движением и навигацией врежиме трёхосной ориентации аппарата ....................................................... 371.7 Алгоритм приведения КА в ориентацию с заданным значениемвектора угловой скорости в конце разворота ............................................... 481.8 Обработка данных двух звёздных датчиков с минимизациейквадрата ошибки .................................................................................................

511.9 Задача определения ориентации осей ГИВУС относительнозвёздного датчика в полёте ............................................................................... 561.10 Режим демпфирования угловых скоростей ......................................... 581.11 Алгоритм разгрузки кинетического момента двигателей-маховиков611.12 Бортовое баллистико-навигационное обеспечение ............................ 621.12.1 Программная ориентация дежурного режима КА ДЗЗ ..................... 631.12.2 Высокоточная локальная и автономная модели орбитальногодвижения ............................................................................................................. 64Глава 2 Математические модели приборов системы ориентации истабилизации малого КА ДЗЗ .............................................................................. 7322.1Математическая модель датчика угловых скоростей .......................

732.2Математическая модель магнитометра ................................................ 762.3Математическая модель звёздного датчика ........................................ 772.4Математическая модель GPS/ГЛОНАСС-приёмника ...................... 792.5Математическая модель двигателей-маховиков ................................

802.6Математическая модель магнитных исполнительных органов ..... 87Глава 3 Цифровой моделирующий комплекс стенда отработки системыуправления движением и навигации малого КА ДЗЗ........................................ 903.1 Модель возмущённого орбитального движения КА и магнитногополя Земли ............................................................................................................ 923.2 Уравнения управляемого вращательного движения КА сдвигателями-маховиками .................................................................................

983.3Модель внешних возмущающих моментов ........................................ 1013.4Программное обеспечение цифрового моделирующего комплекса1023.5 Отработка режима демпфирования остаточных угловых скоростеймалого КА ДЗЗ средствами ЦМК ................................................................... 1043.6 Отработка режима трёхосной ориентации малого КА ДЗЗсредствами ЦМК ............................................................................................... 110Заключение .........................................................................................................

132Список использованных источников ........................................................... 1353Список сокращенийАЦПаналогово-цифровой преобразовательБКУбортовой комплекс управленияБПОбортовое программное обеспечениеБЦВМбортовая цифровая вычислительная машинаБШВбортовая шкала времениГИСгеоинформационная системаГИВУСгироскопический измеритель вектора угловой скоростиГСКгринвичская система координатГЭСКгеоцентрическая экваториальная система координатДМдвигатель-маховикДЗЗдистанционное зондирование ЗемлиЗДзвёздный датчикКАкосмический аппаратМИОмагнитные исполнительные органыМЕМСмикроэлектромеханические системыНППнаучно-производственное предприятиеНШСнештатная ситуацияОСКорбитальная система координатОСоперационная системаОЗУоперативное запоминающее устройствоПДпропорционально-дифференциальныйПИДпропорционально-интегро-дифференциальныйПОпрограммное обеспечениеСКсистема координатССКсвязанная система координатСУДНсистема управления движением и навигацииСОиСсистема ориентации и стабилизацииСКОсреднеквадратичное отклонение4ССОсолнечно-синхронная орбитаТМИтелеметрическая информацияЦМКцифровой моделирующий комплексARWAngular Random WalkAPIapplication programming interfaceICRFInternational Celestial Reference FrameFFTFast Fourier TransformUDPUser Datagram ProtocolPSDPower Spectral DensityMIPSmillion instructions per secondWGS-84World Geodetic System 19845ВведениеЗа последние годы наметился устойчивый рост рынка спутниковыхснимковдистанционногозондированияЗемли(ДЗЗ),используемыхкоммерческими фирмами.

Коммерческие потребители обратили внимание напреимущества, которые может дать космическая съёмка и стали активноприменятьпродуктысъёмкиЗемлииоснованныенанихгеоинформационные системы (ГИС). При этом коммерчески выгоднымистановятся группировки, состоящие из малых КА ДЗЗ ввиду их низкойстоимости.Современная элементная база позволяет создавать малые КА высокого(более 2 м) разрешения, что в свою очередь позволяет использовать снимки смалых КА во многих областях хозяйственной деятельности.ПримерамиинтересавРоссиикмалымКАДЗЗявляютсярассматриваемыми в [5] и [6] аппараты.

Кроме того, ведется созданиеследующих аппаратов стандарта CubeSat:1) космические аппараты «МКА-Н» – изготавливаемые в ООО «НППДАУРИЯ»позаказуРоскосмосамалыеаппаратыДЗЗспространственным разрешением получаемых снимков ~22 м;2) космический аппарат «Аурига» – изготавливаемый в ООО «Даурия –спутниковые технологии» при поддержке Фонда развития Центраразработки и коммерциализации новых технологий обществу малыйаппарат ДЗЗ с пространственным разрешением получаемых снимков~2,5 метра;Масса малого космического аппарата ДЗЗ «Аурига» составляет 23 кг.Габариты (с закрытой крышкой оптической системы) – 450×247×247 мм.Создание российскими предприятиями аппаратов такого классаопределяетактуальностьдинамическогопроектированиясистемыуправления движением и навигации (СУДН) малых космических аппаратовдистанционного зондирования Земли.6Рисунок В.1 – Общий вид малого КА ДЗЗ «Аурига»Рисунок В.2 – Устройство малого КА ДЗЗ «Аурига»7При динамическом проектирования СУДН малых КА ДЗЗ необходимоосуществить решение следующих задач:1) выбрать приборный состав СУДН малого КА ДЗЗ на основесуществующихмалогабаритныхизмерительныхприборовиисполнительных органов;2) провести анализ необходимого и достаточного количества режимовСУДН, обеспечивающих решение целевой задачи;3) разработать алгоритмы и бортовое программное обеспечение СУДН сучётомособенностейприменяемогобортовоговычислительногокомплекса и приборного состава;4) разработать математические модели применяемых в составе КАсовременныхмалоразмерныхизмерительныхприборовиисполнительных органов;5) определить набор математических моделей, описывающих внешнююсреду функционирования КА и его управляемое вращательноедвижение.