СПОСОБ ОРИЕНТАЦИИ ОСЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ОРБИТАЛЬНУЮ СИСТЕМУ КООРДИНАТ
METHOD OF ORIENTING SPACE VEHICLE AXES INTO ORBITAL SYSTEM OF COORDINATES

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в системах управления движением (СУД) вокруг центра масс космических аппаратов (КА).
Известно, что при использовании для ориентации связанных осей КА в пространстве только информации от прибора ориентации на Солнце (ПОС) можно обеспечить ориентацию в пространстве одной из его связанных осей. Две другие будут занимать в пространстве произвольное положение.
Из патентной литературы известны способы ориентации трех осей КА в орбитальной (подвижной) системе координат, использующие информацию не только прибора ориентации на Солнце, но обязательно информацию и от других измерительных приборов (см. А.С. №1655842, кл. B64G 1/00 от 02.12.88 г.).
Наиболее близким из известных технических решений является выбранный в качестве прототипа способ ориентации осей космического аппарата в орбитальную систему координат, включающий запись в бортовую вычислительную машину параметров орбиты космического аппарата, задание космическому аппарату поисковой угловой скорости для обеспечения захвата Солнца полем обзора прибора ориентации, после чего снижение до нуля угловой скорости, обеспечивая нахождение Солнца в поле обзора прибора ориентации (пат. №2247684 С2 кл. B64G 1/24 от 25.03.2003 г.).
Однако при этом способе вся информация, необходимая для ориентации, рассчитывается в наземных центрах управления, а на КА выполняются только развороты вокруг осей космического аппарата для их ориентации в орбитальную систему координат. Кроме этого не определены правила выполнения этих разворотов.
По результатам моделирования этого способа требуется значительное время для ориентации осей космического аппарата в орбитальную систему координат, и как следствие, значительный расход рабочего тела или кинетического момента его исполнительными органами.
Задачей данного изобретения является создание автоматического способа управления движением космического аппарата вокруг своего центра масс, технический результат которого позволит на основании только характеристик орбиты космического аппарата, введенных в его бортовую цифровую машину, и текущей информации, полученной от прибора ориентации, на «солнечной» части витка, обеспечить ориентацию связанных осей космического аппарата в орбитальную систему координат за минимально необходимое для этого время и с минимально необходимым расходом рабочего тела или кинетического момента его исполнительными органами, используя при этом информацию об угловом положении осей космического аппарата только по отношению к Солнцу.
ОСК
Указанный результат заявляемого решения достигается тем, что в способе ориентации осей космического аппарата в орбитальную систему координат, включающем запись в бортовую вычислительную машину параметров орбиты космического аппарата, задание космическому аппарату поисковой угловой скорости для обеспечения захвата Солнца полем обзора прибора ориентации, снижение до нуля поисковой угловой скорости, обеспечивая нахождение Солнца в поле обзора прибора ориентации, в соответствии с изобретением, вокруг одной из осей космического аппарата, которая в конце ориентации должна быть перпендикулярной к плоскости орбиты, создают угловую скорость, равную по величине угловой скорости вращения орбитальной системы координат вокруг ее оси Z для орбиты этого космического аппарата, причем используют один и тот же единичный вектор направления на Солнце в орбитальной и связанной с космическим аппаратом системах координат для автоматического расчета углов рассогласования, рассчитывая две проекции этого вектора на связанные с космическим аппаратом оси координат по измерениям прибора ориентации на Солнце, а третью проекцию этого вектора на связанную ось координат определяют исходя из свойства этого вектора как единичного, при этом разворотами вокруг двух других связанных осей завершают ориентацию космического аппарата в орбитальную систему координат.
Далее изобретение поясняется с использованием чертежей.
На чертежах поясняется положение Солнца в поле обзора прибора ориентации на Солнце (ПОС), установленного определенным образом по отношению к связанным осям космического аппарата (КА).
КА
КА
КА
ОСК
ОСК
ОСК
ПОС
КА
ПОС
ОСК
ОСК
ОСК
КА
КА
ОСК
На фиг.1 изображен единичный вектор направления на Солнце в связанной с КА системе координат (Х, Y, Z) и в орбитальной системе координат (Х, Y, Z) в один и тот же момент времени t. Для этого момента времени показаны значения проекций единичного вектора направления на Солнце в связанной с КА системе координат (β, γ, α), полученных по результатам измерения ПОС, и предварительно рассчитанные в орбитальной системе координат (β, γ, α). На Фиг.2 так же изображен вектор угловой скорости ω, направленный по осям Z и Z.
ОСК
ОСК
n
1
2
ПОС
1
ПОС
1
ПОС
2
ПОС
2
ПОС
1
ПОС
1
ПОС
2
ПОС
2
1
2
КА
КА
КА
КА
На фиг.2 приведены моменты (точки) измерения ПОС направления на Солнце в его приборных осях. Кроме этого изображено изменение значений α, β, измеряемых ПОС, в орбитальной системе координат (ОСК) за один виток для моментов времени t. Для моментов времени t и t показаны значения α (t), β (t) и α (t), β (t), измеренные ПОС, в связанной с КА системе координат. Стрелками показано изменение значений α (t), β (t) и α (t), β (t), измеренные ПОС при развороте КА в моменты времени t и t на углы Δφ и Δψ вокруг осей Х и Yсоответственно.
На фиг.1 приведены следующие обозначения:
- единичный вектор направления на Солнце;
КА
КА
КА
Х, Y, Z - связанные оси КА;
ОСК
ОСК
ОСК
Х, Y, Z - оси орбитальной (подвижной) системы координат (ОСК);
КА
ОСК
КA
ω - угловая скорость «обкатки» Земли, равная по величине рассчитанной угловой скорости вращения ОСК вокруг оси Z для орбиты этого КА вокруг оси Z КА;
ПОС
КА
Х - значение измерений ПОС при ориентации оси X на Солнце;
ПОС
КА
Z- значение измерений ПОС при ориентации оси Z на Солнце;
ПОС
КА
α - проекция единичного вектора направления на Солнце на ось Z КА;
ПОС
КА
β - проекция единичного вектора направления на Солнце на ось Х КА;
КА
КА
γ - проекция единичного вектора направления на Солнце на ось Y КА;
ОСК
ОСК
α - проекция единичного вектора направления на Солнце на ось ZОСК;
ОСК
ОСК
β - проекция единичного вектора направления на Солнце на ось ХОСК;
ОСК
ОСК
γ - проекция единичного вектора направления на Солнце на ось YОСК;
КA
КА
КА
КА
φ(t) - угол, образованный плоскостью между осями Y, Z КА и плоскостью, образованной осью X и направлением на Солнце;
ОСК
ОСК
ОСК
ОСК
φ(t) - угол, образованный плоскостью между осями Y, Zорбитальной системы координат и плоскостью, образованной осью Х и направлением на Солнце;
КА
КА
КА
КА
ψ(t) - угол, образованный плоскостью между осями Z, Х КА и плоскостью, образованной осью Y и направлением на Солнце;
ОСК
ОСК
ОСК
ОСК
ψ(t) - угол, образованный плоскостью между осями Z, Х ОСК и плоскостью, образованной осью Y и направлением на Солнце.
На фиг.2 приведены следующие обозначения:
ПОС
α - результаты измерения ПОС направления на Солнце по его приборной оси α;
ПОС
β - результаты измерения ПОС направления на Солнце по его приборной оси β,
ПОС
1
ПОС
1
α (t) - результаты измерения α ПОС в момент времени t.
ПОС
1
ПОС
1
β (t) - результаты измерения β ПОС в момент времени t.
ОСК
1
1
α(t) - результаты расчета значения α для ОСК в момент времени t;
ОСК
1
1
β(t) - результаты расчета значения β для ОСК в момент времени t;
ПОС
2
ПОС
2
α (t) - результаты измерения α ПОС в момент времени t.
ПОС
2
ПОС
2
β (t) - результаты измерения β ПОС в момент времени t.
ОСК
2
2
α(t) - результаты расчета значения α для ОСК в момент времени t;
ОСК
2
2
β(t) - результаты расчета значения β для ОСК в момент времени t;
КА
1
КА
1
Δφ (t) - значение требуемого угла разворота КА вокруг оси Х в момент времени t;
КА
1
КА
1
Δψ (t) - значение требуемого угла разворота КА вокруг оси Y в момент времени t;
КА
2
КА
2
Δφ (t) - значение требуемого угла разворота КА вокруг оси Х в момент времени t;
КА
2
КА
2
Δψ (t) - значение требуемого угла разворота КА вокруг оси Y в момент времени t.
КА
КА
КА
ПОС
ПОС
ПОС
На Фиг.1 показано для произвольного момента времени t взаимное положение связанных осей КА (Х, Y, Z), осей ОСК (Х, Y, Z) и единичного вектора на Солнце. Далее по тексту единичный вектор направления на Солнце называется вектором на Солнце. Из фигуры следует равенство:
следовательно, справедливо равенство:
ПОС
ПОС
КА
Знаки α, β и γ присваиваются согласно компоновке ПОС в осях КА.
КА
КА
Значения проекций единичного вектора на связанные оси КА Х и Z можно получить из равенств:
где β и α - результаты измерения ПОС текущего направления на Солнце;
ПОС
КА
Х - значение измерений ПОС при ориентации оси Х на Солнце;
ПОС
КА
Z - значение измерений ПОС при ориентации оси Z на Солнце.
ПОС
ПОС
КА
Знаки α, β и γ присваиваются согласно компоновке ПОС в осях КА.
Направление единичного вектора в связанной с КА системе координат можно задать и через направляющие косинусы:
Х
ПОС
Х
КА
cos β=β, где β угол, образованный единичным вектором и осью Х;
Z
ПОС
Z
КА
cos α=α, где α угол, образованный единичным вектором и осью Z;
КА
КА
cos γ=γ, где γ угол, образованный единичным вектором и осью Y.
Используя равенство (2, 3, 4), можно получить значения:
КА
КА
КА
КА
ПОС
пос
пос
ПОС
- угла между плоскостью, образованной осями X и Y, и плоскостью, образованной осью Y и единичным вектором направлением на Солнце ψ=arctg (α/β) или arcctg (β/α);
КА
КА
КА
КА
ПОС
КА
КА
ПОС
- угла между плоскостью, образованной осями Y и Z и плоскостью, образованной осью Х и единичным вектором направлением на Солнце φ=arctg (α/γ) или arcctg (γ/α).
ОСК
ОСК
ОСК
ОСК
ОСК
Аналогичным образом получают значения углов ψ и φ для ОСК, используя априорно рассчитанные значения α, β и γ.
КА
КА
ОСК
ОСК
КА
КА
КА
ОСК
КА
КА
ОСК
КА
Используя значения φ и ψ, а так же φ и ψ, для ОСК рассчитывают углы рассогласования ориентации осей Х и Y в ОСК для данного момента времени, которые равны Δφ=φ-φ и Δψ=ψ-ψ соответственно.
Описанный способ может быть использован только на «солнечной» части витка.