Диссертация (Динамическое проектирование системы управления движением и навигации малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с аппаратурой кадровой съемки), страница 3

Эта необходимость справедлива для любых КА, но длямалоразмерных аппаратов – это принципиальное требование, посколькуименно с целью экономии они и создаются. Кроме того, большинство малыхКАвмиреразрабатываютсякоммерческимифирмами,политикаценообразования в которых существенно отличается от государственныхпредприятий.Таквозникаетнеобходимостьприменятьготовыекомплектующие, зачастую разработанные для применения на поверхностиЗемли.Приэтомтребуетсяпроводитьнеобходимыеиспытанияиквалифицировать приборы для применения в космическом пространстве.

Притрудоёмкости и больших затратах на проведение таких испытаний зачастуюобходятся только расчётами.Задачи, решаемые СУДН, в первую очередь должны обеспечиватьработоспособность целевой аппаратуры. Для КА ДЗЗ целевая аппаратура(или полезная нагрузка) предъявляет требования по точности к ориентации истабилизации в процессе выполнения целевой задачи.На КА «Аурига» полезная нагрузка комбинированная, состоящая изнепосредственно камеры ДЗЗ и передатчика целевой информации Кадиапазона, который имеет в своём составе рупорную антенну. Эту антеннутребуется наводить на наземную станцию приёма с заданными показателямиточности.Для дистанционного зондирования Земли необходимо обеспечитьтрёхосную ориентацию аппарата. В качестве исполнительных органовфактическибезальтернативноприменениедвигателей-маховиковилигиродинов.

При этом среди выпускаемых малоразмерных механическихисполнительных органов преобладают двигатели-маховики. Их применение15предпочтительнее, поскольку, во-первых, они позволяют полностью решитьцелевую задачу, а кроме того имеют лётную квалификацию. Алгоритмуправления КА с двигателями-маховиками проще, чем с гиродинами за счётотсутствия особых состояний системы.К сожалению, плотность компоновки и дороговизна двигателеймаховиков не позволила применить в составе КА "Аурига" резервирование,когда устанавливаются четыре или более двигателей-маховиков.

Поэтому всоставе аппарата применяются три двигателя-маховика с подтверждённойлётной квалификацией.Способность определения и поддержания трёхосной ориентацииявляется необходимым условиям функционирования целевой аппаратурысъёмки. Определить ориентацию можно различными способами, напримеркомбинацией приборов: инфракрасный датчик местной вертикали исолнечный датчик. Информация от этих датчиков дополняется данныминавигационной системы. Однако наиболее высокая точность обеспечиваетсяприменением звёздных датчиков.

Кроме того, данное решение для малых КАявляется наименее громоздким. Звёздные датчики, являясь оптическимприбором, накладывают ограничения на своё применение в составе СУДН.Какправило,всемалогабаритныезвёздныедатчикиявляютсяширокоугольными камерами с полем зрения около 20 градусов. При этомнеобходимость их миниатюризации накладывает существенные ограничениена размер бленды, которая применяется для исключения засветки оптическойчасти прибора со стороны Солнца и Земли. Большой угловой размер Земли сорбитыфункционированияКА,малыегабаритызащитнойбленды,фактически приводят к недоступности половины небесной сферы дляопределенияориентации.Необходимостьподдержанияорбитальнойориентации в процессе съёмки, возможные сбои в работе, приводят кнеобходимости установки как минимум двух приборов данного типа длянадёжного определения параметров ориентации. Тем не менее, даже дваприбора не позволяют решить задачу определения ориентации на всех этапах16функционирования аппарата.

Во-первых, во время программных разворотовиз одной ориентации в другую достаточно тяжело обеспечить непопаданиеЗемли или Солнца в поле зрения приборов. Во-вторых, угловые скорости,развиваемые КА во время передачи целевой информации, могут приводить ксбоям в поступлении информации со звёздных датчиков. Поэтому, дляобеспечениянадёжногознаниядополняетсямикромеханическимориентациидатчикомданныйугловыхтипприборовскоростей,илиинтегрирующим гироскопом на базе данного датчика.К сожалению, современные микромеханические гироскопы, обладаянизкой массой, габаритами и энергопотреблением, имеют очень плохиеточностные характеристики.

Например, современный МЕМС-гироскопмассой в несколько грамм, имеет шумовую составляющую сигнала околоодной угловой минуты в секунду, в то время как гироскоп массой 10 кгточнее в несколько тысяч раз. Высокий уровень шумовой составляющейизмерений при интегрировании информации с такого прибора довольнобыстро приводит к случайному уходу ориентации аппарата от требуемой.Влияние тепловых факторов на нестабильность характеристик прибора такженеявляетсяегопреимуществом.Вконечномсчёте,применениегироскопических измерителей на базе микромеханических гироскопов,становится целесообразным только на коротких интервалах времени –порядка нескольких десятков минут.

Тем не менее, этого достаточно дляпроведения сеанса передачи целевой информации, поскольку сеансы связидля КА на ССО орбите высотой 600 км не превышают ~10 минут. Этоговремени также достаточно для обеспечения стабилизации аппарата в случаекратковременных сбоев в поступлении информации со звёздных датчиков.При работе звёздных датчиков должна непрерывно идти астрокоррекциядрейфа гироскопического измерителя, с целью поддержания его готовности кработе в любой момент времени.Известно, что функционирующим в составе КА двигателям-маховикампериодическинужнаразгрузка.Для17низкихоколоземныхорбитцелесообразно использовать для этой цели магнитные исполнительныеорганы, которые работают на электричестве – восполняемом на борту КАвиде энергии, в отличие от топлива (если для разгрузки использоватьреактивные двигатели малой тяги).

Поскольку двигатели-маховики имеютограниченный запас кинетического момента и являются одними из самыхэнергопотребляющих служебных приборов КА, их применение в качествеисполнительных органов СУДН для демпфирования остаточных угловыхскоростей после отделения и в аварийных ситуациях нецелесообразно. ДлявсехэтихрежимовуправленияКАисполнительныеорганы.Важнымиисполнительныхоргановявляетсятакжеподходятмагнитныехарактеристикамиприменяемыймагнитныхвидсердечника(металлический или воздушный), а также расположение. При производствемагнитных исполнительных органов применяют медь, которая меняет своипроводящие свойства при воздействии различных температур.

Поэтому, еслимагнитныеисполнительныеорганыбудутрасполагатьсявнетермостабилизированного места, для корректного расчёта магнитногомомента, создаваемого отдельно взятой катушкой, потребуется использоватьлибоспециальныйсоответствующегоуправленииконтроллер,изменениячерезобеспечивающийсопротивленияширотно-импульснуювкатушке,модуляцию)компенсациюлибо(припотребуетсяпривлечение данных термодатчиков. В составе КА «Аурига» экономическицелесообразнымбылопринятоиспользованиемагнитныхкатушек,функционально входящих в состав солнечных панелей.

Такое размещениеповлекломаксимальнуюдополнительногонестабильность температуры иисследованиявопросовформированияпотребовалоуправляющихсигналов на магнитные исполнительные органы со стороны БЦВМ, а также кразработке соответствующих алгоритмов.Естественно, для формирования магнитного момента необходимознание текущего вектора магнитной индукции Земли в проекции на осисвязанной с КА системы координат.

Поэтому, в состав КА «Аурига» входят18также магнитометры (функционально входящие в состав солнечныхпанелей). Для обеспечения управления КА «Аурига» достаточно одноготрёхосногомагнитометра.Ввидумалыхразмеровсовременныхмагнитометров и их низкой стоимости, оснащение магнитометром каждой изсолнечной панелей обеспечивает дополнительное резервирование.Для упрощения конструкции малых КА и повышения надёжности,нецелесообразно использование раскрывающихся выносных элементовконструкции для установки магнитометра. Поэтому данные приборыразмещаются на корпусе КА и разрабатываемые алгоритмы должныучитывать тот факт, что при работе магнитных исполнительных органовработа магнитометров невозможна.Длямалоразмерногоаппарата,обладающегомалойтепловойинерционностью (что выражается в быстром охлаждении при входе в тень ибыстромнагревепривыходеизтени)ссолнечнымипанелями(расположенными как показано на рис.

В.1), не является необходимымрежим построения и поддержания солнечной ориентации (естественно, приположительномэнергобалансенеориентированногополёта,когданерешается целевая задача). Обеспечивая энергоприток и тепловой режим,демпфирование угловых скоростей без поддержания какой-либо ориентацииявляется хорошей и простой в реализации альтернативой солнечнойориентации, не требующей дополнительной установки солнечных датчиков.Для обеспечения геопривязки снимков с разрешением ~2 метранеобходимо точное знание орбитального положения КА ДЗЗ во времясъёмки. Это же требование исходит от применения в составе аппаратабортового передатчика Ка-диапазона.