Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. Бортовые системы управления космическими аппаратами (2010) (1246599), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Такая матрица не имеет особенностей и может бытьпосчитана для любых взаимных ориентаций двух трехгранников. Издевяти элементов независимыми будут только три, поскольку в силуортогональности матрицы имеют место шесть известных уравненийсвязи между этими элементами. Однако в вычислительных процедурах в БЦВС необходимо помнить и использовать все девять элементов,что требует значительного расхода ресурсов (памяти, времени).Наиболее удобным при машинной реализации является математический объект, называемый кватернионом (см. Приложение I), характеризующий вектор поворота одного трехгранника относительнодругого и включающий четыре элемента. Первый из них определяетмодуль вектора поворота, а три других – ориентацию этого вектораотносительно базового трехгранника.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИКОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПО ИНФОРМАЦИИ ОТ АСТРОДАТЧИКОВВ качестве базовой инерциальной системы координат, в которой,в частности, зафиксированы координаты звезд в астрономических каталогах, используется инерциальная геоцентрическая система координат (ИГСК).
Точное определение ИГСК содержится в документе«ПЗ-90» (ПЗ – параметры Земли), выпущенном топографическимуправлением МО РФ и имеющем статус государственного стандарта.Одна из осей ИГСК направлена по оси вращения Земли в сторонуСеверного полюса, вторая лежит в плоскости земного экватора и направлена в точку весеннего равноденствия, третья дополняет системукоординат до правой (рис. 5.1).Рис. 5.1 Ориентация ИГСК относительно Солнцав полночь 21/22 марта (весеннее равноденствие)Поскольку ось вращения Земли не сохраняет во времени своюориентацию в инерциальном пространстве, а процессы прецессии инутации земной оси описываются известными соотношениями, за основу принимается положение этой системы координат на конкретныймомент времени.
Этот момент называется «эпохой». В настоящеевремя за «эпоху» принимается положение, имевшее место в полночьна 1 января 2000 года, и называется «эпохой 2000 года» (международное обозначение – J2000).101102БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИЗадачи опознавания звезд и определения ориентации по даннымАД в разработках МОКБ «Марс» решаются в четырех вариантах.1. Вариант «Коррекция параметров ориентации КА, полученныхинтегрированием показаний гироскопического измерителя вектора угловой скорости (ГИВУС)».В этом случае алгоритмы обработки информации АД, располагаяаприорной информацией об ориентации КА (а следовательно, и ПСКАД), обращаются к фрагменту звездного каталога, соответствующемутому участку звездного неба, который может попасть в зону наблюдения АД.Далее сопоставляются угловые расстояния между энергетическими центрами, индицируемыми АД, и угловые расстояния междузвездами, попавшими в выбранный фрагмент каталога (с допуском наинструментальную погрешность АД).
Тем самым идентифицируютсянаблюдаемые звезды и отсеиваются объекты, не являющиеся звездами.После этого находятся угловые расстояния между координатамизвезд, наблюдаемых АД и зафиксированных в «априорной» инерциальной системе координат с одной стороны, и соответствующих звездиз каталога в ИГСК с другой стороны, и по методу наименьших квадратов находится вектор малого поворота от априорной ИСК к ИГСК,то есть вектор коррекции (поправок к априорным, полученным по данным ГИВУС, параметрам ориентации).Это наиболее «быстрый» вариант, обеспечивающий обновлениеданных для коррекции параметров ориентации (с учетом располагаемых вычислительных ресурсов БЦВС) с периодичностью 4 сек.2. Вариант «Астрокоррекция против Солнца».В этом случае в БЦВС закладывается кодовой командой из наземного комплекса управления (НКУ) вектор направления на Солнцев ИГСК, а алгоритмы управления, определив с помощью солнечныхдатчиков направление на «реальное» Солнце, разворачивают КАтаким образом, чтобы визирная ось включенного для этой цели АДбыла направлена «против реального Солнца».В результате алгоритмы обработки информации АД также располагают априорной информацией, но не о полной пространственнойОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИКОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПО ИНФОРМАЦИИ ОТ АСТРОДАТЧИКОВориентации АД, а лишь об одном направлении в ИСК.
В результатеработы с выбранным фрагментом каталога производится опознаваниезвезд и определение матрицы (кватерниона) ориентации КА в ИГСК.Ввиду недостаточности априорной информации по сравнению спервым вариантом процесс оказывается более длительным.3.
Вариант «Определение ориентации из неизвестного положения».Здесь априорная информация об ориентации отсутствует вовсе иалгоритмы обработки информации АД вынуждены производить поискпо всему звездному каталогу. С учетом располагаемых вычислительных ресурсов БЦВК определение ориентации занимает еще большеевремя.4. Вариант 3 с поддержкой наземного комплекса управления.Процесс может быть существенно ускорен, если обработка информации производится на мощных вычислительных средствах НКУ по телеметрической информации БЦВС, содержащей данные наблюденийАД (при сохранении при этом стабильной ориентации КА в ИСК).Полученный путем наземной обработки кватернион ориентациипередается на борт КА по кодовой команде.
В результате знание ориентации на борту КА восстанавливается.Все перечисленные варианты использования астроизмеренийпредполагают наличие в БСУ достоверной информации ГИВУС,имеющего в своем составе четыре измерительных канала. Если же всилу множественных (два и более) отказов измерительных каналовГИВУС определение полной (трехосной) ориентации КА в ИСК поего данным становится невозможным, возникает необходимость перехода к определению и поддержанию ориентации только по даннымАД (режим стабилизации на АД, сокращенно – САД).Такая задача решается в два этапа:1. Режим «астроудержания».
Используется в случае потери информации о текущей ориентации КА (например после аварийного отключения бортовой аппаратуры) после демпфирования угловойскорости КА с использованием располагаемых данных ГИВУС.В этом случае фиксируются данные АД, полученные в «первомкадре», а далее путем сравнения с ними данных последующих изме-103104БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИрений (без опознавания звезд!) вычисляется отклонение в ориентацииКА от первоначального положения, которое поступает в систему стабилизации для непосредственной отработки (приведения к нулю).2. Полноценное определение ориентации в ИГСК по данным АД– переход в режим САД.
При нахождении КА в рабочей ориентацииугловые скорости КА невелики, что позволяет системе стабилизацииподдерживать заданное положение КА с приемлемой точностью, несмотря на существенно более редкое обновление текущих данных(0, 25 Гц против 10 Гц при штатном функционировании с использованием ГИВУС).Переход в режим САД может быть относительно мягким, еслиотказ ГИВУС зафиксирован своевременно. Если же процесс идентификации отказа ГИВУС затянулся, возможна потеря ориентации.Именно в этом случае требуется восстановление знания ориентации.Отдельной задачей является приведение КА в рабочую (орбитальную) ориентацию с использованием только информации АД с непременным учетом возможных засветок АД Солнцем и Луной,затенением их Землей. Эта задача решается во взаимодействии должным образом модифицированного бортового ПО БЦВС и наземногоПО НКУ.Все описанные выше варианты использования астроизмеренийвнедрены в разработки МОКБ «Марс» и апробированы на действующих КА «Монитор - Э », «KазСат», «Экспресс-МД1», «KазСат-2»,«Электро-Л» и «Спектр-Р».СТРУКТУРА И ТИПОВЫЕ РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА6.
СТРУКТУРА И ТИПОВЫЕ РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМКОСМИЧЕСКОГО АППАРАТАСистема управления движением (СУД) космического аппаратапредставляет собой программно-аппаратный комплекс и предназначена для управления движением центра масс. СУД входит в составфункционального программного обеспечения бортовой системыуправления (БСУ) и осуществляет управление и координацию подсистем БСУ, а также управляет ориентацией солнечных батарей и остронаправленной антенны.
В настоящем разделе основное вниманиеуделено алгоритмам и программам управления.6.1. Структура системы управления движением.Основные задачи системы управления движениемУправление режимами функционирования космического аппаратана различных участках полета производится системой управлениядвижением, реализованной в бортовой цифровой вычислительной системе (БЦВС).СУД решает следующие задачи:– управление ориентацией КА путем формирования кватернионазаданной ориентации КА в инерциальной системе координат (ИСК)(см. приложение I) для системы стабилизации и ориентации (ССО);– управление ориентацией остронаправленной антенны (ОНА)путем формирования целеуказания (ЦУ) и признаков режимов для системы управления смежными системами (СУСС);– управление ориентацией солнечных батарей (СБ) путем формирования целеуказания для СУСС;– формирование цифровой телеметрической информации (ЦТМИ);– формирование настраиваемых параметров (НП), используемыхалгоритмами СУД;– контроль состояния КА по информации от смежных подсистеми парирование нештатной ситуации (НШС).Группы алгоритмов, реализованные в соответствии с задачамиСУД, представлены на рис.
6.1.105БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ106Управлениев наземныхрежимахУправлениеориентациейКАСУДУправлениеориентациейСБФормированиеНПУправлениеориентациейОНАФормированиеТМИРис. 6.1 Структура СУД КА. Верхний уровень деления(по функциональному признаку)При выполнении задач СУД взаимодействует с другими подсистемами (рис. 6.2).На рисунке 6.2 обозначено:СУД – система управления движением;СУ ЦА – система управления целевой аппаратурой;СИО – система информационного обеспечения;СУСС – системы управления смежными системами;ССО – системы стабилизации и ориентации;СОВП – система организации вычислительного процесса;БАКИС – бортовая аппаратура командно-измерительной системы.СИОСУ ЦАСУСССУДБАКИСССОСОВПРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
