Микрин Е.А., Михайлов М.В. Ориентация, выведение, сближение и спуск КА по измерениям от ГНСС (2017) (1246989), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Как формируется бортовая ШВот АСН? Какова точность формируе-мой бортовой шкалы?4. Как можно управлять дрейфом часов АСН?5. Как формируется бортовая ШВ от АСН на высокоорбитальных КА?6. В каком формате передается потребителю время ГЛОНАСС?7. В каком формате передается потребителю время GPS?Глава2Определение ориентации космического аппаратапо измерениям аппаратурыспутниковой навигацииОдной из основных задач навигационного обеспечения КА являетсяопределение его ориентации.
Для большинства КА эта задача должна решаться непрерывно в течение всего полета без каких-либо сбоев. Существуют традиционные системы определения ориентации КА, имеющих в своемсоставе достаточно сложную и дорогостоящую аппаратуру, например, датчики инфракрасной вертикали (определяют одноосную ориентацию КА относительно направления на центр Земли), солнечные датчики (определяют одноосную ориентацию КА относительно направления на центр Солнца), звездныедатчики(определяюттрехоснуюориентациюКАвинерциальномпространстве) и т. п. Ориентация КА может вычисляться также и по измерениям АСН.
При наличии на борту КА АСН нахождение орбиты и сближениеможет выполняться параллельно без использования других систем. Такойподход позволит существенно упростить систему управления КА, снизить еемассу, энергопотребление и стоимость.Для определения ориентации на борту КА должно быть установлено несколько антенн, сигналы от которых поступают в навигационные приемникиАСН. Относительно моментов времени обработки сигнала, существуют дватипа навигационных приемников: синхронные и асинхронные. Синхронныеприемники работают от одного генератора частоты и в одной ШВ.
Поэтому всеизмерения в этих приемниках выполняются в один момент времени. Примеромсинхронной системы может служить аппаратура АСН-К кораблей «Союз» и«Прогресс». Навигационный приемник АСН-К имеет четыре СВЧ-входа отчетырех антенн. СВЧ-сигналы, поступающие в приемник обрабатываются одновременно в приемнике, работающем от одного генератора частоты.В асинхронной АСН каждый навигационный приемник имеет свой генератор частоты и работает в собственной ШВ. Поэтому измерения эти приемники выполняют в разные моментывремени, которые могут отличаться намиллисекунды. Примером асинхронной системы может служить аппаратураАСН-М.При скорости полета КАотносительно ГСК наленииориентации,7т.
е.7км/с за1 мксантенна меняет свое положением. Эти изменения должны быть учтены при опредевсеизмеренияасинхронныхприемниковдолжныбыть сведены к одному времени, например, к целой секунде системного времени. Рассмотрим алгоритмы синхронизации асинхронных АСН, и далее будем предполагать, что измерения всех навигационных приемников, входящихв состав АСН, выполняются в один момент времени.Глава342.1.2.Определение ориентации КА по измерениям АСНПринципы определения ориентации КАпо измерениям АСНПринцип определения ориентации по измерениям АСН основан на измерении и сравнении фаз несущих сигналов НС, поступающих на разнесенные антенны АСН, установленные на объекте.
Зная координаты антенн всвязанной системе координат, направления на НС в ГСК, и измеряя фазовыесдвиги сигналов от нескольких НС, принимаемых на разные антенны, можно определить ориентацию объекта в ГСК. Схема решения задачи ориентации для синхронных приемников в плоском одномерном представлении показана на рис.2.1._,.,, _,.,,_,.,, _,.,,.6_,.,,_,.,, _,.,,_,.,,_,.,, _,.,,-----х------~-><С----------~- ---_\~-------------~~-=--~lСВЧ-кабели - - - -гчнвРис.2.1.Схема решения задачи ориентации для синхронных приемников в плоском одномерном представлении:А,, А 2 -первая и вторая антенны АСН; НП 1 , НП2 -гационные приемники; ГЧНВ--навигационный вычислитель;го i-го НСА 1 , см; <р2 -(11{)"' 19 см);<р 1 -навиобщий генератор частоты НП;11{) -длина волны несущефаза несущего сигнала на входе вфаза несущего сигнала на входе в А 2, см; а-уголмежду нормалью к антенной базе и направлением на i-й НС;/-расстояние между фазовыми центрами антенн (антенная база);СР 1 , СР2 -измеренные интегральные фазы для НП 1 и НП2соответственно2.1.Принципы определения ориентации КА по измерениям АСН35В плоском одномерном случае для решения задачи ориентации (определения углового положения КА, например, в ГСК) достаточно найти угол а,поскольку направления на НС известны.Угол а составит.х(2.1)a=arcsш - .lДля схемы, приведенной на рис.2.1,х = ло + (j)2 - (j)1.(2.2)В общем случае отрезок х может включать несколько длин волн пл.0 , гдеп-неизвестное целое число.Навигационные приемники НП 1 и НП2 формируют сигналы интегральных фаз СР 1 и СР2 :СЛ= п1ло + <Ро1;(2.3)CPz = n2Ao + (/)02.где <р 0 1 и <р02 -фазы входных сигналов в приемник в момент измерений.При одинаковых длинах СВЧ-кабелей от антенн до приемников разностьфаз (/)02 - (/)01 равна разности фаз (/)2 - (j)1 на входе в антенну, поэтому разностьСР2СР1 , формируемая в НВ, будет-СР2 - СР1 = пл.о + (j)2 - (j)1,где п-(2.4)неизвестное целое число.Для определения неизвестного целого числа п следует раскрыть фазовуюнеопределенность.
При известном начальном приближении ориентации а.оэта задача решается следующим образом:х0Разность <р2-= lsinao .(2.5)<р 1 формируется как разность дробных частей (по длиневолны л0) интегральных фаз СР2 и СР 1 . Из равенствполо + <Р2 - <Р1= l sin а.о,(2.2) и (2.5) получим(2.6)откудаlsinao -<р 2 +(j)1nо= -------ЛоВ равенстве(2.7)(2. 7) п0является дробной величиной, так как а0 известно сошибкой.
Округление п 0 до ближайшего целого определяет п. Вычислив пполучим.хa=arcsш -.l(2.8)Глава36В равенстве2.(2.8)Определение ориентации КА по измерениям АСНошибки в определении угла ориентации а зависят отошибок измерений фаз <Р1, <Р2Однако при наличии разности Лl в длинах кабелей от антенн до приемников, ее необходимо учитывать при нахождении разности (j)2 - <р1:(j)2 - (j)1(j)o1 - Лl,= (j)o2 -(2.9)что вносит неудобства в технологию решения задачи ориентации-следуетучитывать в программном обеспечении АСН конструктивные особенностиКА. Для того чтобы программное обеспечение АСН не зависело от конструкции системы, решение задачи ориентации выполняют по вторым разностяминтегральных фаз. При вычитании из разности фаз сигналов одного НС разности фаз сигналов другого НС разность длин кабелей Лl сокращается и невлияет на решение задачи.
В общем случае при решении задачи ориентациипо сигналам т общих НС для обоих приемников т-мерный вектор измеренийбудет иметь вид(СР1 1-СР21)- (СР12-СР22)(СР12-СР22) - (СР1з-СР2з)(2.10)(СР1т - lСР2т - l)-(СР1т-СР2т(СР1т-)- (СР11 -СР2т)-СР21)где первый индекс обозначает номер приемника, а второй Пусть lгск-номер НС.вектор относительных координат пары антенн в ГСК.Опуская выкладки, приведем известное уравнение для определения ориентации, связывающее вектор измерений с вектором относительных коорди-нат lгск:Ии -Ио= Вlгск,(2.11)где Ии-ИOт-мерный вектор констант неопределенности фазы, кратной длине-т-мерный вектор измерений, определяемый соотношениемволны л.0 ; В-(2.10);матрица направляющих косинусов,(Х1 -Хо)т(Х2 -хо?D1D2(Хт -Хо)т(Х1 -Хо)D"'D1В=Здесь Х1 ---ткоординаты j-го НС из общего созвездия в момент измерения,определяемые по эфемеридам; Х O -оценка вектора положения КА в ГСК2.1.Принципы определения ориентации КА по измерениям АСНв момент измерения, определяемая, например, по КСВ;между Хо и Х1 , D1Пусть А-=IX1 -Xol•D1 -37расстояниенеизвестная матрица перехода от ГСК к связанной.
Тогда длявектора lгск можно записать следующее равенство:(2.12)гдеl -известный относительный вектор пары антенн в ССК.С учетом равенства (2.12) уравненией" - йо(2.11)примет вид= влтz.(2.13)Для п пар антенн, установленных на КА, будем иметь соответственноп уравнений, аналогичных уравнениюру антенн(2.13).Пусть индексiозначает i-ю па(i = 1, ... , п). Антенны каждой i-й пары отслеживают m; общих дляпары сигналов НС.
Тогда для каждой i-й пары антенн получим уравнение(2.14)где Ииi -вектор измерений размерности m;; Ио;констант размерности m;; В;m; хЗ; А ---вектор неизвестныхматрица направляющих косинусов размеромискомая матрица ориентации.Задачей определения ориентации является вычисление неизвестной матрицы ориентации А по измерениям И иi. Суммарная размерность вектора измерений будетпr= Lm;.i =IРассматриваемые далее алгоритмы определения ориентации отрабатывались в процессе создания аппаратуры АСН-К кораблей «Союз» и «Прогресс».Лётные испытания алгоритмов проводились как с использованием аппаратуры АСН-М МКС, так и непосредственно в процессе наземных и лётных испытаний аппаратуры АСН-К.
Аппаратная часть АСН-М представлена нарис.2.2.АСН-М включает в себя:четыре антенных модуля (АМ);четыреНПМ;дваНВМ.Каждый НПМ включает плату-приемник (модуль приемовычислительный, МПВ) с соответствующим блоком питания. МПВ формирует КСВ иимеет интерфейсRS-232.Навигационный вычислительный модуль предназначен для выполнениявторичной обработки данных НПМ и передачи их в бортовую вычислительную систему (БВС) по интерфейсу MIL-15 5 3.Глава382.Определение ориентации КА по измерениям АСНАМнпмСВЧ28 VБПМПВМIL-\553RS-232пнмБВС6аRS-232нпмпп28 VБПипвМIL-155 3нвмгРис.-2.2. Аппаратура АСН-М МКС:структурная схема НВМ; в - внешний вид антенного0,4 кг, потребление 1 Вт), НПМ (масса 0,9 кг, потребление 5 Вт) и НВМ (масса1,8 кг, потребление 15 Вт); г - структурная схема НВМаструктурная схема АСН-М; б -блока (массаВ АСН-М МКС вторичная обработка данных в основном заключалась вдинамической фильтрации измерений Х и Х, содержащихся в сообщенияхКСВ НПМ, и формировании высокоточной оценки орбиты.Характерной особенностью АСН-М является ее модульная реализация.Каждый из модулей (АМ, НПМ, НВМ) выполнен в виде отдельного прибора,который в случае отказа благодаря наличию экипажа может быть легко заменен на новый, доставленный с Земли прибор.
Хотя такая компоновка системы,принимая во внимание ее массу, не бьша оптимальной, на этапе освоения аппаратуры спутниковой навигации космического назначения себя оправдала. За12лет эксплуатации АСН-М зафиксировано три отказа НВМ и пять отказовНПМ, которые бьши связаны с воздействием радиации на электронику.Аппаратура АСН-К была предназначена для решения задач временногообеспечения КА, навигации, ориентации, дальнего и ближнего сближения.В перспективе предполагается с помощью этой аппаратуры решать и задачипричаливания к станции вплоть до касания и выполнения стыковки.2.1.На рис.-Принципы определения ориентации КА по измерениям АСН2.3приведена структурная схема АСН-К, включающая в себя:устройство антенное (УА)-4шт.;- устройство усилительное (УУ) - делитель СВЧ-сигнала на-3924шт.;(ДС) - 4 шт.;навигационный модуль (НМ)-21«S» RS-422шт.RS-422 1«S»28 V28 VMIL- 1553ЦВМКАРис.2.3. Структурная схема АСН-К:НМПМ -навигационный модуль; МПВпроцессорный модуль; ТМлеметрическая станция; БП---модуль приемовычислительный;телеметрический модуль; ТМСблок питания; УСМ--теусилитель секунднойметкиНовая базовая модификация АСН-К была создана для кораблей «Союз»,«Прогресс» и для МКС.
Первые лётные испытания этой аппаратуры былипроведены в2014 г.Четыре антенны АСН-К, разработанные в РКК «Энергия» устанавливались в определенных точках поверхности КА под определенными углами относительно друг друга. Оси антенн образовывали своеобразный «ежик» впространстве, благодаря чему при любой ориентации КА в поле зрения40Глава2.Определение ориентации КА по измерениям АСНантенн попадало достаточное количество НС для решения задачи навигации.Вследствие разнесения УА в пространстве появилась возможность решениятакже и задачи ориентации. На рис.гресс М-25М», стартовавшего292.4приведена фотография корабля «Прооктября2014г., на котором был проведенпервый испытательный полет АСН-К. На грузовом отсеке корабля отчетливовидны три антенны (под белыми радиопрозрачными кожухами). В первыхиспытательных полетах на грузовых кораблях устанавливались по три антенны, затем при штатной эксплуатации на КА-уже по четыре антенны.Четыре УУ (разработки ОАО «РИРВ», г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
