Автореферат (Современные и перспективные интегрированные системы высокоточной навигации космических аппаратов на геостационарной и высоких эллиптических орбитах на основе использования ГНСС-технологий), страница 3

° Оптико-»лектро»шые астуюприборы, в том числе: звездный датчик, датчик Сол»ща, Земной датчик, Сформированный аппаратный состав определяет соответствующий перечень используемых для решения поставленных задач математических моделей ° м потока нально» о 1'НСС-црием ника; ° оптико-электронных асзродатчиков; ° трехстепенного гироскопического стабилизатора в карда»п»ом подвесе: ° газореактивных двигателей системы утловой ориентации и стабилизации; ° тяги стационарного плазменного двигателя: При этом систематическая ошибка и случайный уход бортовых часов КА; систематические погрешности астроприборов, вызнанные неточностями монтажа их на корпусе КА; инсзрумсшальные ошибки о»пико-электронных приборов; внузрсннис шулиы ГНСС вЂ” приемника, а также ошибки эфеморид НКА, многолучевости; систематическая ошибка величины и разброса тяги СПД реализованы в виде форь»иру»ощих фильтров.

Вторая глана диссертации посвящена собственно решению навигационной задачи КА на ГСО, ВЭО и при довыведении на ГСО Для этого были сформированы архитектура, состав аш»аратных средств, математические модели и алгоритмы функционирования инте»рированных систем навигации Ниже приводена арх»ггеьтура и»пе»рированпых систем навигации, используемых для КА на ГСО и ВЭО: Рис. 1 Архитектура интегрированной системы КА на ГСО и ВЭО Необходимо отметить, что на приведенной схеме отсутствуют компоненты, отвечающие за функционирование системы управления угловым движением и сгабитизации КА Разработка такой системы является отдельной научно-технической задачей и в данной работе не рассматривается. В качестве модели системы управления угловым движением и стабилизации КЛ рассматривается идеально функционирующая система, оснащенная гиростабилизатором и систелюй разгрузки на основе газореактивных двигателей При этом выходные данные этой системы (углы и угловые скорости КА) искажаются случайными аддитивными ошибками, статистические характерцстики которых варьируются в процессе моделирования.

Основными источниками измерительной информации лля иите~рпрованной системы являк>тся оптико-электронные приборы и ГНСС-приемник. При лом все измерения обрабатываются в едином алгоритме интеграции даншях, построенном па основе так называемой «скалярной» модификации фильтра Калмана (ФК) !1,3-101 Как следует из рис 1, интеграция данных в навищционной системе осуществляется по сильно связанной схеме. Особое внимание в работе уделено анализу возможности формирования измерений ГНСС-приемника в силу особонностей ГСО и ВЭО, определяющих нестандартные условия приема сигналов от НКЛ.

Прежде всего, прием сигналов осложнен необходимостью осуществлять заи просвет» !рис. 2), что обусловлено превышением высоты ГСО и ВЭО по отношению к орбитам ПКА. Далее, прием сигналов Р1КА, который, таким образом, выполняется с помощью направленной в сторону Земли ангонны, может быль зазруднен наличием искусственных помех. Кроме того, вследствие больших дальностей до НКА, уровень принимаемого сигнала составляет порядка -1б0 дБ "Вт, что близко к чувствительности приемных ГНСС-аитешз КА (рис 3). Рис 2. Схема приема Г11СС-сигналов НКА Рис 3.

Зависимостьинтенсивности сигнала от угла визирования НКА. В результате модель приема сигнала на борту КА на ГСО и ВЭО учитывает форму диаграммы направленности антенны КЛ на 1'СО или ашенн КЛ па ВЭО, геомезрическую видимость НКА, ошибки измерений, вызванных многолучовостью и внутренними шумами П1СС приемника. затухание Г31СС-сигзила, рассогласование часов КЛ и ПКА, «истинные» эфемериды НКА, опорзпле эфемериды НКЛ в СК ПЗ90 02, транслируемые в навигационном кадре, воздействие широкополосной искусственной помехи. Как было сказано выше, помгпзо 131СС-приемника поставщиком навизвционной информации для интегрированных систем навигации КА являются оптико-элсктронныс приборы.

х*'(г,) = х*' '(г,)+лх'(б), ЛХ*'(г,)= п~ (у',„, — у'г(Х ' (г,))] 12) где у~„, - утый компонент вектора измерений на момент времени у' (Х ' ~(г,)) - значение этой компоненты, спрогнозированное как функция опенки расширенного вектора сосгоязпш Х ' ~(г,),/ — номер коррекции гсоответствует номеру обрабатываемого компонента вектора измерений), «1Х '(Г,) — вектор поправок к оценкам компонент вектора состояния, выработанный на основе обработки измерения под номером /, Х э(Г,) - вектор оценок, скорректированный на предыдущем шаге процедуры коррекции при обработке компонента вектора измерений под номеромуз1 и,' — вектор коэффициентов усиления фильтра и' = К ' (г ) Н( (г,) '(Н((г,) К э (г ) Нл(г,)+гт'~ где К '"' - апостериорная ковариационная матрица ошибок оценок вектора соотоянзи Х, полученная на предыдущей коррекции в момент времени г, \для первой коррекции используется К ), Н,' (Г, ) - матрица частных производных функций измерений по компонентам вектора состояния в меме~и времени г,, рассчитанная науой коррекции, гг — настраиваемый коэффициент фильтра, подбор и адаптация которого позволяет значительным образом улучшить точность вырабатываемых «скачярной» модификацией ФК оценок вектора состояния КА На интегрированную систему навигации КА при довыведении на 1'СО по сравнению с описанной выше возлагаются дополнительная функция оценки вектора тяги С? Д.

Для моделирования тяги стационарного зшазгяснногп двищтеля в рамках данной работы на основании шчеющихся результатов испытаний СПД 1рис 4) бьша создана математическая модель тяги в стохастической постановке, которая учитывает следующий перечень неконтролируемых факторов оистематическая ошибка в направляющих косинусах осей установки двигателя, систематическое отклонение модуля тяги от номинала, случайное отююнение модуля тяги от номинала, случайное угловое отклонение вектора тяги относительно овязанных осей двигателя. 1б Как уже указывалось выше, в рамках данной работы мателгатические модели измерений оптико-электронных астродатчиков 111 рассматривакэтся как стохастические. Рассмотрим болое подробно алгоритм интеграции данных, в качестве которого, как уже говорилось, используется «скалярная» модификация ФК, особенностью которой являезся отдельная обработка каждого компонента вектора поступающих измерений; утлое визирования звезд, Солнца, Земли, псевдодальностей и псевдоскоростей, формируемых ГНСС-приемником.

Результатом работы фильтра являются поправки к оценкам расширенного вектора состояния системы 111, полученная на предыдущем шаге с использованием следующих соотношений: ЗЗО зоо к 200 >- гоо шо >оо о ооо >оао >зоо яюо гоар заао ззоо ааоо Нарвав>вв, чаа Рис. 4. Эттсперизтетпальная зависимость тяги СПД от времеви работы.

В результате модель тяги СПД описывается следующим выражением: Р 1 > ) ~ Л Р ( т ) Л Р а» = Л>211)-»Лаз, 1), = >~))1Г) Ч- ЛтУ„в (4) где Р», а» и»т» — мгновенные величина тяги и углы ее ориентации; Рл — номинальное ЗнаЧЕПНЕ тяГИ Прн НаПряжЕНИИ Па„>ЗР»а Ла, И Лт>З, — СИСтЕМатИЧЕСКИЕ ОтКЛОНЕНИя 5> модуля тяги и утлов ее ориентации соответственно, представляются как случайные величины с нулевым матсматическнзт ожиданием и дисперсиями Р „, Р,„и Р>», ЛРтг), Лаз(г) и Лт)11) - флуктуации модуля и углов ориентации тяги, представляемые в виде случайных процессов с нулевым матоматичсским ожиданием и К „=о е ' ''', К „=о;„е '""', К, =о';»е Оценки модуля и ориентации тяги необходимы для реализации алгоритма управления движением центра масс КА в процессе довыведения КА на ГСО. Алгоритм выведения, используемый в работе, разработан в Паучно-исследовательском институте прикладной механики и элекцюдинамики под руководством академика 1'.А.

Попова и был реализован автором в протраммно-матоматическом обеспочснии (ПМО) без изменений. Одной нз особенностей алгоритма управления выведением яв>иется постоянное изменение угловой ориентации связанных осей КА в широких пределах.

Как уже указывалось выше, задача управления угловым движением является самостоятельной и в рамках данной работы не рассматривается. В рамках настоящей диссертационной работы будем полагать что задача определения параыетров ориентации довыводимого КА решена с некоторой точностью и предметом исследованпй в этой части раооты является формирование требований к точности определения параметров ориентации исходя из конечной цели процесса довыведения. В соответствии со сказанным при моделировании процесса довыведения в качестве оценок параметров ориентации КА использутотся их значения, принятые с некоторыми случайными ошибками, варьируемыми в процессе моделирования.

Архитектура интегрированной системы навигации КА при довыведении на ГСО 1трсдставлена на рис. 5. й «ццццццццц ~д(щ щ д~ц~р~ ю Йц Рис 5. Архитект1ра интегрированной системы навигации КА при довыведении на ГСО Как оледуег из рнс. 5, архитектура интецрированной системы навигации КА при довыведснии на ГСО отличаегся от архитектуры, представленной на рис. 1 дополнительными функциональными блоками, обеспечивазощими оценку вектора тяги СПД. Из анализа архитект5рьц представленной на Рис 5, следует, в частности, следует, что алгоритм решения навигационной задачи в том смысле, как это делается для КА на ГСО и ВЭО и а.поритм оценки вектора тяги функционально разделены.

Раосмотрим последний более подробно. Оценка компонент вектора тяги реализуется путем обработки «невязокл между так называемой «истинной» траекторией, полученной в результате решения навигационной задачи с учетом факта работы СПД и опорной траекторией генерируемой на борту с учетом неконтролируемых факторов при зачении вектора тяги СПД, полученном на предыдущем шаге оценивания Процедура оценки тяци начинается с формирования огшрной траектории при номинальном векторе тяги С1 Ц.