Способ восстановления орбитальной ориентации космического аппарата по показаниям датчика звезд
METHOD FOR RESTORING THE ORBITAL ORIENTATION OF THE SPACECRAFT ACCORDING TO THE READINGS OF THE STAR SENSOR

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для восстановления ориентации (ВО) космического аппарата (КА) относительно орбитальной системы координат (ОСК) из произвольного неориентированного положения с использованием датчика звезд (ДЗ).
Известны способы орбитальной ориентации КА, приведенные в книге авторов В.Н. Бранец, И.П. Шмыглевский «Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела». Москва, Наука 1973 г., 320 с. (см. стр. 205-226), где рассматриваются только общетеоретические аспекты приведения КА в ОСК, без учета работоспособности ДЗ в процессе ВО.
Известен способ, изложенный в статье «Система ориентации и стабилизации космического аппарата по информации с астродатчиков», Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №38, в котором изложены результаты летных испытаний, но не недостаточно раскрыты существенные признаки способа.
В книге авторов О.Н. Анучин, И.Э. Комарова, Л.Ф. Перфильев «Бортовые системы навигации и ориентации искусственных спутников Земли» - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2004 г. приводится большое количество методов ориентации твердого тела без конкретизации рабочего алгоритма астроориентации.
В книге И.Ф. Кавинов «Инерциальная навигация в околоземном пространстве», Москва: Машиностроение, 1988, с. 66-69 рассматривается ВО КА при визировании Солнца и Звезды. Способ осложнен угловыми параметрами Эйлера и обязательным наличием датчика Солнца.
В книге Системы астрономической ориентации космических аппаратов/ В.И. Кочетков - Москва.: Машиностроение, 1980 рассматриваются способы астрокоррекции для систем с гиростабилизированными платформами, что малопригодно для систем ориентации современных КА.
Наиболее близким способом, который может быть принять за прототип, является способ, изложенный в патенте RU 2610766.
Способ содержит:
- начальное демпфирование угловых скоростей КА относительно инерциальной геоцентрической абсолютной системы координат (ИСК);
- расчет по данным аппаратуры спутниковой навигации матрицы А положения орбитальной системы координат (ОСК) относительно ИСК;
0
ro
0
- на момент времени t начала ВО определение датчиком звезд (ДЗ) матрицы ориентации M(t) связанной системы координат (ССК) относительно ИСК;
g
- измерение блоком гироскопических измерителей угловых скоростей (БИУС) текущей абсолютной угловой скорости КА в проекциях на оси ССК - ω(p,q,r);
o
xo
yo
zo
0
ro
0
0
T
- получение данных баллистического расчета о скорости вращения ОСК относительно ИСК ω(ω,ω,ω) и расчет начальной матрицы ориентации КА относительно ОСК S(t)=M(t)A(t), где Т - знак транспонирования.
ro
0
Способ имеет два существенных недостатка. Первый заключается в том, что восстановление ориентации происходит относительно замороженной ОСК на момент определения матрицы ориентации КА относительно ОСК -M(t) в следствие ее «убегания», что приводит к большим ошибкам в конце восстановления ориентации. Второй недостаток более существенный -возможность нарушения работы ДЗ при попадании Земли или Солнца в поле зрения ДЗ. Это связано с тем, что в процессе ВО движение КА зачастую происходит «через голову» - спутник может повернуться на 180° или даже на 360°. При этом в поле зрения ДЗ обязательно попадет либо Земля, либо Солнце. В этом случае нарушается работа ДЗ и вследствие этого нарушается процесс ВО, которое становится невозможным принципиально.
Техническим результатом является существенное повышение точности и исключение сбоя в работе ДЗ в процессе ВО.
0
ro
0
g
o
xo
уо
zo
0
ro
0
0
T
Для достижения цели в отличие от способа, который включает начальное демпфирование угловых скоростей КА относительно инерциальной - геоцентрической абсолютной системы координат (ИСК), расчет по данным аппаратуры спутниковой навигации матрицы А положения орбитальной системы координат (ОСК) относительно ИСК, на момент времени t определение датчиком звезд (ДЗ) матрицы ориентации M(t) связанной системы координат (ССК) относительно ИСК, измерение блоком гироскопических измерителей угловых скоростей (БИУС) текущей абсолютной угловой скорости КА в проекциях на оси связанной системы координат (ССК) - ω(p,q,r), получение данных баллистического расчета о скорости вращения ОСК относительно ИСК ω(ω,ω,ω) и расчет начальной матрицы ориентации КА относительно ОСК S(t)=M(t)A(t), где т - знак транспонирования, введены новые операции.
0
0
r0
0
0
На момент времени t запоминают значения матриц S(t), M(t) и отключают ДЗ из контура ориентации, в течение всего времени восстановления ориентации t,t прогнозируют показания ДЗ с использованием данных от БИУС путем интегрирования уравнения Пуассона  с запомненным начальным положением  и рассчитывают прогнозируемое значение матрицы  ориентации ССК относительно ОСК путем интегрирования уравнения  с запомненным начальным положением  из полученных решений находят компоненты вектора конечного поворота Эйлера и его производные в соответствии с выражениями
где  - элементы матриц  создают моменты управления на корпус КА по соответствующим осям ССК как функции от компонент векторов конечного поворота  и поворачивают КА до совмещения ССК и ОСК, по окончании восстановления ориентации подключают ДЗ в контур управления и продолжают полет по его показаниям.
На фигурах 1 - 3 показана иллюстрация ВО КА из положения ϑ=80°, ψ=70°, γ=-110°.
ψ
ϑ
γ
2
2
Моделирование проводилось для КА массой 1000 кг с моментами инерции J - J=3500 кгм, J=1000 кгм.
На участке демпфирования с остаточными начальными угловыми скоростями КА -  были включены ЖРД.
Демпфирование завершилось за время t=25 с с условиями окончания демпфирования
По окончании демпфирования отключены ЖРД и подключены управляющие двигатели маховики (УДМ) с максимальным кинетическим моментом 5 нмс и максимальным управляющим моментом 0,05 нм.
ro
0
В этот же момент времени были приняты баллистические данные и сняты показания ДЗ-M(t). В соответствии с формулой была рассчитана начальная матрица ориентации КА относительно ОСК:
0
ro
0
0
T
S(t)=M(t)A(t)
И сразу после этого был отключен ДЗ из контура ориентации. На участке между 25 с и 3000 с (фиг. 3) выполняется восстановления ориентации только по показаниям БИУС. Для этого интегрируется в бортовом вычислителе уравнение Пуассона
с запомненным начальным положением  из полученных решений были найдены компоненты вектора конечного поворота Эйлера и его производные в соответствии с выражениями
где  - элементы матриц  моменты управления на корпус КА по соответствующим осям ССК были заданы как функции от компонент векторов конечного поворота  в дальнейшем поворачивают КА до совмещения ССК и ОСК.
По окончании восстановления ориентации на 3000 с подключают ДЗ в контур управления и продолжают полет по его показаниям, т.е. в устойчивом режиме астроориентации.
В случае не определения ориентации КА датчиком звезд по окончании начального демпфирования, вследствие попадания в его поле зрения Земли или Солнца, принудительно вращают КА до попадания звездного поля в его поле зрения и устойчивого определения им ориентации КА относительно ИСК, после чего вновь выполняют демпфирование угловых скоростей КА.
Таким образом, процесс восстановления ориентации КА из произвольного неориентированного положения выполняется быстро и качественно и полностью защищен от нарушений в работе ДЗ в процессе вращения спутника из-за возможных попаданий в его поле зрения Земли или Солнца.