×
29.04.2019
219.017.44cf

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХОСНОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА), оснащенного магнитометром для определения вектора напряженности магнитного поля Земли (МПЗ). Способ включает измерение напряженности МПЗ и параметров орбиты КА. При этом стабилизируют КА в инерциальном пространстве, фиксируют направление вектора напряженности МПЗ на момент стабилизации, измеряют угол между фиксированным и текущим направлениями вектора напряженности МПЗ. Фиксируют и запоминают момент достижения острым измеряемым углом максимального значения и измеряют модуль напряженности МПЗ на фиксированный момент. Рассчитывают по положению КА на орбите модуль напряженности магнитного поля Земли на тот же момент. Сравнивают данные значения модуля напряженности МПЗ и определяют значение магнитной помехи от КА. Определяют ориентацию КА по фиксированным значениям вектора напряженности МПЗ в момент стабилизации КА и на момент достижения острым измеряемым углом максимального значения с учетом определенного значения магнитной помехи по формуле Техническим результатом изобретения является возможность определения трехосной ориентации КА на любых участках полета, вне зависимости от освещенности КА Солнцем, а также повышение точности определения ориентации.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в системах определения ориентации КА, оснащенных магнетометром для определения направления и модуля вектора напряженности МПЗ. Одновременно с определением ориентации КА предложенный метод позволяет определить величину магнитной помехи, создаваемую магнитомягкими и магнитотвердыми материалами, находящимися на борту космического аппарата.

Известны различные способы определения ориентации КА. Для определения ориентации могут использоваться измерения инфракрасных датчиков, солнечных датчиков, звездных датчиков, магнитометров [1].

Все существующие способы определения ориентации КА имеют определенные ограничения и недостатки. Системы определения ориентации, основанные на инфракрасном датчике, имеют большую массу и невысокую точность. Системы, основанные на солнечном датчике, не позволяют определять ориентацию КА в моменты времени, когда он находится на неосвещенной стороне Земли. Звездные датчики имеют большую точность, но могут пострадать от засветки Солнцем, являющимся более мощным источником излучения в оптическом диапазоне, чем любая из звезд.

Наиболее часто для определения трехосной ориентации используются способы, основанные на измерении вектора напряженности МПЗ и вектора направления на Солнце [2]. Данный способ, выбранный авторами за прототип, включает измерение напряженности МПЗ, измерение параметров орбиты и измерение направления на Солнце. Этот способ позволяет надежно определять трехосную ориентацию КА на участках полета по освещенной Солнцем орбите.

Однако при полете КА в тени Земли, где отсутствуют измерения солнечного датчика, данный способ, очевидно, не может быть применен, т.е. способ-прототип не является универсальным. Это является основным недостатком способа-прототипа. Кроме того, точность определения трехосной ориентации КА способом-прототипом оказывается низкой при малых значениях угла между измеряемыми направлениями и при наличии погрешностей в измерениях.

Задачами, решаемыми предлагаемым способом, являются обеспечение возможности определения трехосной ориентации на любых участках полета, вне зависимости от освещенности Солнцем КА, и повышение точности определения ориентации.

Технический результат достигается тем, что в способе определения трехосной ориентации КА, основанном на измерении напряженности МПЗ и измерении параметров орбиты, в отличие от известного стабилизируют КА в инерциальном пространстве, фиксируют направление вектора напряженности МПЗ на момент стабилизации аппарата, измеряют угол между фиксированным и текущим направлениями вектора напряженности МПЗ, фиксируют и запоминают момент достижения острым измеряемым углом максимального значения, измеряют модуль напряженности МПЗ на фиксированный момент, рассчитывают по положению КА на орбите модуль напряженности магнитного поля Земли на тот же момент, сравнивают измеренное и рассчитанное значения модуля напряженности МПЗ и определяют значение магнитной помехи от КА, определяют ориентацию КА по фиксированным значениям вектора напряженности МПЗ в момент стабилизации КА и на момент достижения острым измеряемым углом максимального значения с учетом определенного значения магнитной помехи по формуле

Магнитная помеха на КА определяется следующим образом.

Пусть - вектор напряженности МПЗ, рассчитанный теоретически;

- измеренный вектор напряженности МПЗ;

- вектор напряженности МПЗ;

- вектор магнитной помехи:

где , , - компоненты вектора магнитной помехи в связанной системе координат.

Используем очевидное соотношение:

Для удобства математических расчетов возведем его в квадрат:

Считая, что проводимые измерения независимые, равноточные и что ошибка измерений распределена по нормальному закону с известной дисперсией и нулевым математическим ожиданием, из соотношения (4) с учетом введенных обозначений (2) получим:

где n - количество проведенных измерений, а i - номер измерения.

В соответствии с методом наименьших квадратов составим выражение для невязки i-го измерения:

Введем для удобства дополнительное обозначение:

Характерной величиной наилучшего подбора величин является сумма квадратов невязок всех проведенных измерений:

Раскроем внутренние скобки в выражении (8) получим:

Так как величины , , являются малыми, то можно пренебречь членами второго порядка малости в выражении (9), т.е. членами , , . Тогда получим следующее выражение для G:

Раскроем скобки в выражении (10):

В рамках метода наименьших квадратов компоненты вектора магнитных помех , , определяются из условия минимума суммы квадратов невязок (11). Минимум величины G находится из условия равенства нулю первых производных величины G по переменным , , :

Преобразуем систему уравнений (12) к следующему виду:

. Очевидно, что для n≥2 матрица всегда обратима.

Для расчета величины напряженности МПЗ, входящего в соотношение (3), обычно используется его аналитическое представление, основанное на разработанной Гауссом теории разложения магнитного потенциала Земли в ряд по сферическим функциям [3]:

где a - средний радиус Земли (6371.2 км), r, ϕ, θ - сферические координаты точки наблюдения, - квазинормированный по Шмидту присоединенный полином Лежандра первого рода n-й степени и m-го порядка, - коэффициенты, заданные используемой моделью МПЗ, N - количество гармоник разложения скалярного потенциала МПЗ.

Напряженность МПЗ определяется формулой:

Проекции вектора определяются по формулам:

где X', Y', Z' - проекции вектора напряженности МПЗ на оси географической системы координат.

Квазинормированные по Шмидту функции обозначены волнистой линией. Они связаны с ненормированными функциями следующими соотношениями:

Явный вид функций Лежандра известен, и они могут быть легко вычислены по прямым формулам:

Коэффициент нормировки сферических функций вычисляется по формуле:

где - наибольшее целое положительное число, содержащееся в .

Вековой ход МПЗ может быть учтен пересчетом коэффициентов по формулам:

где t - момент времени, для которого ищутся коэффициенты; (t-2005) - время, исчисляемое в годах, начиная с начала 2005 г. до момента t. Международная аналитическая модель МПЗ позволяет определять компоненты вектора напряженности с точностью порядка 20-50γ.

Определение трехосной ориентации КА по фиксированным значениям вектора напряженности МПЗ в момент стабилизации КА и на момент достижения острым углом максимального значения с учетом определенного значения магнитной помехи осуществляется следующим образом:

где A - матрица перехода от абсолютной к связанной системе координат.

Введем в рассмотрение орты:

Матрицы перехода M1 и M2 от вспомогательной системы координат Opqr соответственно к осям связанной и абсолютной систем имеют вид

Используя матрицы M1 и М2, найдем матрицу перехода от абсолютной системы координат к связанной. Получим

Матрица перехода между орбитальной и связанной системами координат получается аналогичным образом.

Углы ϑ, φ, ψ находятся с помощью матриц A1 и A по формулам

Здесь aij - элементы матрицы A.

Ориентация осей КА относительно орбитальной системы координат задается с помощью матрицы перехода А2 (от системы координат Ox0y0z0 к системе Oξηζ):

где Ψ, Θ, Ф - углы рыскания, тангажа и крена, причем

-π/2≤Θ≤π/2; 0≤Ψ≤2π; 0≤Ф≤2π

Вычислив матрицу по компонентам векторов и , рассчитанным в орбитальной системе координат, с учетом (29), углы тангажа, рыскания и крена находят по формулам:

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Для измерения напряженности МПЗ может использоваться магнитометр СМ-8М, установленный на МКС. Для измерения орбиты КА могут использоваться штатные средства радиоконтроля орбиты или приемники спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, так же установленные на МКС. Для стабилизации КА в инерциальном пространстве могут использоваться гиродины или двигатели ориентации и штатные ДУС.

Имеющиеся в настоящее время измерительные и вычислительные средства позволяют измерять угол между фиксированным и текущим направлениями вектора напряженности МПЗ, фиксировать и запоминать момент достижения острым измеряемым углом максимального значения, измерять модуль напряженности МПЗ в фиксированный момент, рассчитывать модуль напряженности МПЗ на тот же момент.

Предлагаемый способ позволяет определять трехосную ориентацию КА на всех участках орбиты, т.е. является универсальным для всех участков полета. Кроме того, за счет определения трехосной ориентации в определенный момент времени и учета магнитной помехи в измерениях магнитометра он позволяет повысить точность определения ориентации КА.

Список литературы

1. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1974.

2. Барышев В.А., Крылов Г.Н. Контроль ориентации, метеорологических спутников. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.

3. ГОСТ 25645.126-85. ПОЛЕ ГЕОМАГНИТНОЕ. Модель поля внутриземных источников. Москва, Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам.

Способ определения трехосной ориентации космического аппарата, включающий измерение напряженности магнитного поля Земли и измерение параметров орбиты космического аппарата, отличающийся тем, что стабилизируют космический аппарат в инерциальном пространстве, фиксируют направление вектора напряженности магнитного поля Земли на момент стабилизации аппарата, измеряют угол между фиксированным и текущим направлением вектора напряженности магнитного поля Земли, фиксируют и запоминают момент достижения острым измеряемым углом максимального значения, измеряют модуль напряженности магнитного поля Земли на фиксированный момент, рассчитывают по положению космического аппарата на орбите модуль напряженности магнитного поля Земли на тот же момент, сравнивают измеренное и рассчитанное значение модуля напряженности магнитного поля Земли, по результатам сравнения определяют значение магнитной помехи от космического аппарата, и определяют ориентацию космического аппарата по фиксированным значениям вектора напряженности магнитного поля Земли на момент стабилизации космического аппарата и на момент достижения указанным острым измеряемым углом максимального значения с учетом определенного значения магнитной помехи по формуле
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 171-180 из 370.
10.11.2015
№216.013.8f12

Способ управления движением космического объекта после отделения от другого космического объекта

Изобретение относится к управлению движением космического объекта (КО), например пилотируемого КО, после его отделения от другого КО, например ракеты-носителя (РН). Разворот КО в требуемую ориентацию начинают в момент Δt, отсчитываемый от момента его отделения от другого КО (далее - РН)....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568235
Дата охранного документа: 10.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f53

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности коммутации в условиях изменения температуры при снижении массы и габаритов коммутатора. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит элемент И, последовательно соединенные электронный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568307
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f6f

Способ измерения дальности до объектов по их изображениям преимущественно в космосе

Изобретение относится к способам измерения дальности и линейных размеров объектов по их изображениям. Согласно способу измеряют размеры и координаты центра изображения объекта до и после перемещения средства наблюдения под углом к оптической оси. Определение дальности производят в зависимости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568335
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f86

Центробежное рабочее колесо

Изобретение может быть использовано в малорасходных насосах изделий ракетно-космической техники. Центробежное рабочее колесо содержит выполненный заодно со ступицей (1) ведущий диск (2) с лопатками (3) и покрывной диск (4) с центральным входным отверстием (5). Диск (4) контактирует с торцовыми...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568358
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.01.2016
№216.013.a3cd

Способ эксплуатации электролизной системы, работающей при высоком давлении

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может быть использовано на станциях заправки перспективного автотранспорта на топливных элементах. Способ эксплуатации электролизной системы, работающей при высоком давлении, включает процесс разложения воды электрическим током с раздельным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573575
Дата охранного документа: 20.01.2016
27.01.2016
№216.014.bdc2

Многослойная трансформируемая герметичная оболочка

Изобретение относится к трансформируемым космическим структурам. Многослойная трансформируемая герметичная оболочка (МТГО) включает ЭВТИ с защитой от атомарного кислорода, противометеороидную защиту в виде защитных противометеороидных экранов с межэкранными разделителями, армирующий слой,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573684
Дата охранного документа: 27.01.2016
20.06.2016
№217.015.042a

Устройство для определения параметров двухполюсника

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерению электрических параметров двухполюсников. Устройство содержит первый блок задания схемы замещения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, блок управления измерением,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587647
Дата охранного документа: 20.06.2016
20.06.2016
№217.015.0500

Способ определения тензора инерции космического аппарата

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Способ включает измерение острого угла между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА. При достижении этим углом максимального значения выставляют строительную ось КА, отвечающую максимальному...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587663
Дата охранного документа: 20.06.2016
10.05.2016
№216.015.2b0c

Способ тарировки датчика микроускорений в космическом полете

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при определении погрешности датчика микроускорений на космическом аппарате (КА). Технический результат - обеспечение тарировки датчика микроускорений в космическом полете. Способ тарировки датчика микроускорений в космическом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583882
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.2b0d

Способ определения параметров двухполюсника

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах. Техническим...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583879
Дата охранного документа: 10.05.2016
Показаны записи 51-57 из 57.
01.07.2020
№220.018.2d0f

Система управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения

Изобретение относится к бортовому оборудованию космического корабля (КК). Система управления содержит блок определения плотности атмосферы на высоте орбиты КК, блок определения положения центра масс и ориентации КК, блок определения границ области расположения объекта наблюдения относительно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725012
Дата охранного документа: 29.06.2020
01.07.2020
№220.018.2d29

Способ управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения

Изобретение относится к бортовому оборудованию космического корабля (КК). Способ включает определение плотности атмосферы на высоте орбиты КК, положения центра масс и ориентации КК, прогнозирование границ области расположения объекта наблюдения относительно орбиты КК, формирование команд на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725104
Дата охранного документа: 29.06.2020
01.07.2020
№220.018.2d56

Система управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения

Изобретение относится к бортовому оборудованию космического корабля (КК). Система управления содержит блок определения положения объекта наблюдения относительно КК и блок формирования команд управления аппаратурой наблюдения (АН). На иллюминаторе КК установлено устройство управления наведением,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725009
Дата охранного документа: 29.06.2020
20.04.2023
№223.018.4ace

Способ мониторинга воздействия невесомости на двигательную активность находящегося на борту космического аппарата оператора

Изобретение относится к медицине, а именно к способу мониторинга воздействия невесомости на двигательную активность находящегося на борту космического аппарата оператора. При исполнении способа измеряют биомеханические параметры двигательной активности оператора, включая углы в суставах....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002777476
Дата охранного документа: 04.08.2022
20.04.2023
№223.018.4ad8

Способ определения воздействия невесомости на двигательную активность находящегося на борту космического аппарата оператора

Изобретение относится к медицине, а именно к способу определения воздействия невесомости на двигательную активность находящегося на борту космического аппарата оператора. При исполнении способа измеряют в наземных условиях биомеханические параметры двигательной активности оператора, включая...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002777477
Дата охранного документа: 04.08.2022
23.05.2023
№223.018.6cba

Устройство управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения

Изобретение относится к аэрокосмической технике. Устройство управления размещенной на космическом корабле (КК) переносной аппаратурой наблюдения (ПАН) содержит узел разъемного крепления ПАН и узел съемной установки устройства управления на иллюминатор (УСУУИ). Узел разъемного крепления ПАН...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002771488
Дата охранного документа: 05.05.2022
17.06.2023
№223.018.7ee6

Устройство управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения

Изобретение относится к аэрокосмической технике. Устройство управления размещенной на космическом корабле (КК) переносной аппаратурой наблюдения (ПАН) содержит узел разъемного крепления ПАН и узел съемной установки устройства управления на иллюминатор (УСУУИ). Узел разъемного крепления снабжен...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002772766
Дата охранного документа: 25.05.2022
+ добавить свой РИД