Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. Бортовые системы управления космическими аппаратами (2010) (1246599), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Диспетчеры СИО.2. Установка и корректировка начальных значений СИО.3. Расчет звездного времени.4. Включение ГИВУС.5. Предварительная обработка информации ГИВУС.6. Функциональный контроль ГИВУС.7. Формирование параметров ориентации и угловой скорости связанной системы координат КА относительно УИСК по данным ГИВУС.8. Расчет гравитационных ускорений, возмущений от Солнца иЛуны.9. Интегрирование уравнений орбитального движения КА.171172БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ10.
Включение ПОС.11. Предварительная обработка информации ПОС.12. Обеспечение режима поиска (по приборам ПСО) Солнца иудержания КА в солнечной ориентации.13. Расчет векторов направления на Солнце и Луну относительноИСК и ВСК.14. Расчет условий засветки приборного оборудования Солнцеми Луной.15. Предварительная обработка информации АД.16. Опознавание звезд в информационных кадрах АД.17.
Расчет параметров ориентации по данным астроопределений.18. Расчет астропоправок к текущим параметрам ориентации.19. Астрокоррекция ССК относительно ИСК.20. Калибровка дрейфов ГИВУС.21. Калибровка масштабов и перекосов ГИВУС.22. Расчет углов наведения ОНА на наземный измерительныйпункт (НИП).23. Расчет углов наведения МНА на КИП.24. Формирование ТМИ СИО.Указанный состав обычно уточняется в процессе разработки программного обеспечения СИО: в процессе отработки ПО на математических стендах, а также при отработке на комплексных стендах сиспользованием реальных приборов.Следует отметить, что в процессе разработки и стендовой отработки ПО особое внимание уделяется алгоритмам автоматического обнаружения и парирования отказов информационных приборов.8.2.
Определение ориентации космического аппаратаотносительно базовых систем координатВ системах информационного обеспечения применяют базовые,приборные и связанные системы координат.В качестве базовых систем координат используют:– инерциальную систему координат (ИСК), в том числе две ее разновидности (УИСК – условную инерциальную систему координат,CИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯзамороженную на некоторый момент времени, и 2ЭИСК – 2-ю экваториальную инерциальную систему координат);– орбитальную систему координат (ОСК).Приборные системы координат (ПСК) основаны на использовании астродатчиков, гироскопических измерителей вектора угловойскорости, приборов ориентации на Землю и т.д.).Связанная система координат ориентирована по строительнымосям КА.
В качестве базовых систем координат (БСК) используютсяусловная инерциальная, инерциальная (ИСК – J2000) и орбитальнаясистемы координат.Определение ориентации космического аппарата по показаниямгироскопического измерителя вектора угловой скоростиПосле включения ГИВУС и достижения прибором состояния функциональной готовности СИО начинает формирование составляющихугловой скорости КА в проекциях на оси визирной системы координат (ВСК) и их интегрирование от условных начальных значений параметров ориентации. Параметры текущей ориентации КА относительно УИСК, счисляемые по показаниям ГИВУС, после первойастрокоррекции становятся параметрами ориентации КА относительно ИСК.
Характеристики точности счисления ориентации КА стечением времени ухудшаются из-за влияния нескомпенсированныхдрейфов гироблока (ГБ), восстанавливаясь до уровня точности астроопределений после каждой астрокоррекции.Определение расчетного направления на Солнце и ЛунуКомпоненты расчетных ортов направления на центры Солнца иЛуны относительно ВСК формируются непрерывно по данным о компонентах этих ортов в ИСК и текущей матрицы ориентации ВСК относительно ИСК. При этом орты направления относительно ИСКформируются расчетным образом как функции текущего значениябортовой шкалы времени (БШВ). Текущая матрица ориентации формируется непрерывно по показаниям ГИВУС и, после первой астрокоррекции, представляет собой матрицу ориентации ВСК относительно ИСК.173174БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИОпределение расчетных направлений на наземныйизмерительный пункт и контрольно-измерительный пунктКомпоненты расчетных векторов направления на наземный измерительный пункт, контрольно-измерительный пункт относительноВСК формируются непрерывно с использованием данных бортовогопрогноза координат КА и данных о текущих значениях параметровориентации ВСК относительно ИСК.
Бортовой прогноз и астроопределения параметров ориентации КА выполняются в ИСК – J2000.Координаты НИП и КИП, участвующие в расчетах, предварительноприводятся к ИСК – J2000 с использованием текущих данных о звездном времени и элементах матрицы прецессии и нутации Земли.8.3. Определение ориентации и угловой скоростикосмического аппарата по информации от гироскопическогоизмерителя вектора угловой скоростиМетоды решения задачи определения ориентации по измерениямдатчиков угловой скорости известны как часть задачи инерциальнойнавигации. Для решения этой задачи необходимо знание начальногоуглового положения твердого тела и вектора угловой скорости в каждый момент времени. Классический способ решения данной задачисводится к интегрированию уравнения Пуассона:.
`А = А,`032031021,где А – матрица ориентации твердого тела;– вектор угловой скорости;– кососимметричная матрица, составленная из компонент вектора .Однако в бесплатформенных системах более широко используется способ решения задачи ориентации в кватернионах, получаемыхчерез параметры Родрига-Гамильтона [10].
При этом переход твердоготела из одного положения в другое может быть описан одним обобщенным поворотом вокруг некоторой оси ek , k = 1, 2, 3 на угол "`CИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯв положительном направлении. В соответствии с этим ориентацияобъекта определяется кватернионом P, состоящим из четырех компо""нент: скалярной – P 0 = cos — и векторной – P k = ek sin —, (k = 1, 2, 3),22где ek – проекции орта оси поворота на оси заданной системы координат.Согласно изложенному, изменение ориентации описывается уравнением PN = PN-1 ⊗ PN , где PN , PN-1 – кватернионы текущего и предыдущего положения твердого тела; PN – кватернион текущегоповорота; знак ⊗ – символ кватернионного умножения.Объем вычислительных операций в кватернионах меньше, чем вматрицах ориентации.
Кроме того, в отличие от матриц ориентации,которые содержат девять элементов, кватернион содержит только четыре элемента. При этом независимых элементов в обоих случаяхтолько три. Если в случае кватерниона нужно следить лишь за его нормой, то для матрицы надо поддерживать ее ортогональность. Нормировка кватерниона представляется более простой операцией посравнению с ортонормированием матрицы 33.
По точности вычислений счисление ориентации в кватернионах по сравнению с интегрированием матричного уравнения Пуассона имеет определенноепреимущество в режимах инерциальной или постоянной солнечнойориентации КА.Учитывая изложенное, алгоритмы автономного определения ориентации КА построены на решении в кватернионах (см. приложение I).В описании алгоритма приняты следующие обозначения:OХ п У п Z п – приборная система координат ГИВУС (заданная посадочной и направляющей плоскостями прибора);O ХУZ – опорная инерциальная система координат;A – матрица перехода от системы O ХУZ к O Х п У п Z п ;Pi-1 – кватернион, определяющий текущую абсолютную ориентацию O Х п У п Z п на начало i -го шага;Pi – кватернион, определяющий текущую абсолютную ориентацию OХп У п Z п на начало i+1-го шага;175176БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИP i – кватернион малого поворота за i-й шаг;на оси Х п , У п , Z п ;хп,yп,z п – проекции угловой скорости! х п , ! y п , ! z п – приращения углов поворота КА в осях ПСКГИВУС за такт опроса t.Алгоритм представляет собой рекуррентную процедуру счисления кватерниона текущей ориентации ПСК ГИВУС.
Вычисления производятся дискретно с шагом счисления t = 0,1 сек.На каждом такте входными данными алгоритма являются:– приращения углов поворота КА по осям ПСК ГИВУС, полученные по выходным сигналам ГБ на i-м шаге после выполнения процедуры текущего функционального контроля ГИВУС – ! х п , ! y п , ! z п ;– кватернион ориентации ПСК ГИВУС Pi-1, соответствующийначалу текущего такта счисления.Выходными данными алгоритма являются кватернион Pi, матрицаориентации A и угловая скорость ПСК ГИВУС, соответствующиеокончанию текущего (i–го) такта счисления.Кватернион малого поворота за шаг вычисляется по формулам:() 2 = 0,25.[(! х п ) 2 + (! y п ) 2 + (! z п ) 2], r =1 - (cosδ) 2 sin δ,=2δ2δ P0 = cos , P1 = r .! х п , P2 = r .! y п , P3 = r .! z п .При вычислении cos, sin2 следует использовать разложение в1() 2() 2ряд: P0 = 1 —– , r = — —– .2212Данное разложение является приемлемым для КА, угловая скорость которых в штатных режимах эксплуатации не превышает0,4 град/сек, а также для такта опроса ГИВУС t = 0,1 сек.Далее осуществляется вычисление кватерниона Pi , соответствующего ориентации приборной системы координат OХ п У п Z п относительно инерциальной O ХУZ по формулам:CИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯPi0 = Pi0-1 P0 Pi1-1 P1 Pi2-1 P2 Pi3-1 P3 ;Pi1 = Pi0-1 P1 Pi1-1 P0 Pi2-1 P3 Pi3-1 P2 ;Pi2 = Pi0-1 P2 Pi2-1 P0 Pi3-1 P1 Pi1-1 P3 ;Pi3 = Pi0-1 P3 Pi3-1 P0 Pi1-1 P2 Pi2-1 P1.Из-за вычислительных ошибок в процессе счисления возникаетнеобходимость периодически контролировать норму кватерниона.Процедура нормировки состоит в следующем.
Первоначально вычисляется величина ошибки нормировки кватерниона: = 1 (Pi0 ) 2 (Pi1 ) 2 (Pi2 ) 2 (Pi3 ) 2 .Затем, в случае когда величина данной ошибки превышает заданный пороговый уровень, компоненты кватерниона нормируются поформулам:Pik =11.P k ≈ (1 + ∆. ) .P k , k = 0,3.ii21- ΔВ заключение вычисляются выходные параметры алгоритма: матрица ориентации A и угловая скорость . Вычисление матрицы Aпроизводится следующим образом:A11A12A13A31A32A33A = A21A22A23где A112 (P i0 ) 22 (P i1 ) 21,A 12 2 P i1 P i2 2 P i0 P i3 ,A 13 2 P i0 P i2 2 P i1 P i3 ,A 21 2 P i0 P i3 2 P i1 P i 2 ,A 22 2 (P i 0 ) 2 2 (P i 2 ) 2 1,A 23 2 P i0 P i1 2 P i 2 P i 3 ,177178БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИA 31 2 P i0 P i 22 P i 1 P i 3,A 32 2 P i0 P i1 2 P i 0 P i 3 ,A 33 2 (P i0 ) 2 2 (P i 3 ) 2 1.Компоненты угловой скорости вычисляются по формулам:хп= ! х п /t ,= !у п /t ,упzп= !z п / t .В алгоритме может быть реализована процедура сглаживания компонент вектора угловой скорости на скользящем интервале заданнойпродолжительности.В алгоритме должна быть предусмотрена корректировка текущегокватерниона по астроданным, а также учет поправок к дрейфам, масштабным коэффициентам и перекосам осей чувствительностиГИВУС, найденным в соответствующих алгоритмах и процедурах.1.
Коррекция кватернионов: вычисляется истинный кватернионпо поступившей астропоправке Pi = Pi ⊗ PiA , где PiA – кватернионастропоправки, равный Pi ⊗ PiA (здесь Pi – кватернион, сопряженныйкватерниону текущей ориентации Pi ).2. Коррекция паспортных данных по дрейфам, масштабам и перекосам (для четырехканального ГИВУС) вычисляется по формулам: L= LпаспКL = К L+ Lпасппопр+ КL!L = !LпаспL = Lпаспгде L = 1,4.;попр;+ !Lпопр+ LПараметры Lпопрпасп, КL;,пасп, ! Lпасп, Lвов паспортных характеристик БСУ.паспвводятся в составе масси-CИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ8.4. Астрокоррекция параметров ориентациикосмического аппарата и калибровкагироскопического измерителя вектора угловой скоростиОсновные обозначения раздела:P i – кватернион рассогласования ориентации по информацииастродатчиков (астроориентация) и по информации j-й тройки осейГИВУС (гироориентация) на i-м шаге, j = 1- 4;jP i – кватернион астроориентации на i-м шаге;AP i – кватернион гироориентации по информации j-й тройки осейчувствительности на i-м шаге;jPi – обобщенный кватернион гироориентации, полученный поданным блока функционального контроля выходных сигналов ГИВУСна i-м шаге;P0 – кватернион начальной ориентации;Pпов – кватернион заданного поворота;! х п ,! у п ,! z п – углы поворота вокруг осей х п , у п , z п в процессе переориентации;X i , Y i , Z i – суммы угловых рассогласований между астро- и гироориентациями по осям Х п , У п , Z п приборной системы координатГИВУС для j-й системы на интервале наблюдения;jjjNX i , NY i , NZ i – суммы рассогласований по осям Х п , У п , Z п ,умноженные на номер такта, для j-й системы (j =1- 4) на интервале наблюдения (нужны для осреднения астропоправок по методу наименьших квадратов);N – число тактов осреднения;jjj t – шаг опроса астродатчиков (принято t = 4 сек); t l , K l , # l , ! l , l = 1- 4 – поправки к постоянным дрейфам,масштабным коэффициентам, углам перекосов осей чувствительности гироблока.179180БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИАстрокоррекция параметров ориентации космического аппаратаОсуществить астрокоррекцию параметров ориентации КА по показаниям астродатчиков возможно двумя способами.Первый способ – определение по данным астроопределений точAного кватерниона астроориентации КА (Pi ) и замена им вычисленногов алгоритме автономного определения ориентации кватерниона гироориентации (Pi ).Дальнейшее вычисление ориентации по показаниям ГИВУС осуществляется от этого обновленного значения кватерниона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
