УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА ПО ЗВЕЗДАМ
DEVICE FOR DETERMINING ORIENTATION OF OBJECT BASED ON STARS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к космической навигации и может быть использовано для оперативного точного определения ориентации космического аппарата относительно инерциальной системы координат.
Уровень техники
Известны звездные датчики (ЗД) ориентации отечественного и зарубежного производства ([1] С.А. Дятлов, Р.В. Бессонов, Обзор звездных датчиков ориентации космических аппаратов, Механика, управление и информатика, №1, с. 11-31, 2009). Звездные датчики определяющие параметры ориентации путем сравнения изображения наблюдаемого участка звездного неба с хранящимися в памяти бортового компьютера звездным каталогом, начали применяться как средство измерения параметров ориентации космических аппаратов (КА) в конце 80-х гг. прошлого века.
В настоящее время за рубежом насчитывается более 10 производителей звездных приборов, которые выпускают более 30 моделей различного типа и назначения. В России также разработаны звездные датчики организациями ИКИ РАН и МОКБ «Марс», которыми были оснащены КА «Ямал», «БелКА», «Монитор» и др., однако эти датчики не являются автономными, они используют для обработки данных вычислительные мощности бортовой ЭВМ. Еще одной организацией является ОАО «НПП» Геофизика-Космос», в настоящий момент разрабатывающая широкопольные звездные приборы, однако летных испытаний этих приборов пока не было.
Одним из основных лидеров по производству звездных приборов является французская фирма SODERN, выпускающая автономные приборы, т.е. способные определять параметры ориентации с помощью собственных вычислительных средств. Вначале фирма разрабатывала конструкции звездного датчика в виде моноблока, однако из-за механических искажений в оптическом канале, возникающих из-за неравномерности распределения температуры, разработчики пошли на разделение моноблока, при этом удалось снизить систематическую ошибку прибора и добиться точности определения направления оптических осей. Но разделение на два блока (блока электроники и оптического блока) привело к увеличению массы и размеров прибора. В 2003 г. фирма начала разработку нового звездного датчика, основанного на КМОП-матрице. В состав датчика входят три или четыре оптические головки и два блока электроники, вследствие чего повысилась точность измерений, однако значительно увеличились масса и габариты датчика.
Основные производители звездных датчиков (немецкая фирма Jena-Optronik, итальянская Galileo Avionica, американская Ball Aerospace и Goodrich, канадская EMS Technologies) производят звездные датчики, состоящие из двух блоков - блока электроники и оптического блока, что приводит к увеличению массы (от 1,5 кг до 7 кг) и габаритов датчика; при этом оценка точности у разных производителей неоднозначна.
С учетом того, что при запуске космических аппаратов на орбиту учитывается каждый грамм груза, а также его размеры, существенными недостатками известных звездных датчиков являются их относительно высокая масса и большие габариты.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство определения координат звезд (звездный датчик ориентации) [2] (см. патент №111280, МПК G01C 21/00, опубл. 10.12.2011). Устройство содержит корпус, объектив, матричный фотоприемник, бленду и электронный блок, предназначенный для обработки информации и вычисления угловых координат. В памяти блока электроники хранится каталог навигационных звезд, который в обязательном порядке содержит их координаты в одной из небесных систем координат.
Недостатками приведенных аналогов и прототипа являются большие габариты из-за наличия нескольких блоков и плохой отвод тепла.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является снижение массы и габаритов устройства, а также обеспечение наилучшего отвода тепла от электронных компонентов датчика.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении массы и габаритов устройства, а также в увеличении отвода тепла.
Указанный технический результат обеспечивается за счет устройства для определения ориентации объекта по звездам, содержащего корпус, оптическую систему, бленду, матричный приемник излучения, вычислительное устройство (микропроцессор), электронную память, содержащую бортовой каталог навигационных звезд, причем для уменьшения его габаритов и массы, а также для обеспечения наилучшего отвода тепла от электронных компонентов датчика, используется колодезная компоновка датчика, в которой оптическая система и бленда объединены в центральный модуль, частично расположенный внутри корпуса датчика, при этом бленда является держателем оптической системы, а центральный модуль является крышкой корпуса; вокруг центрального модуля размещена электронная единая плата, которая закреплена к боковым стенкам и основанию корпуса винтами, плата включает гибкие участки, по которым плата изогнута таким образом, что основные тепловыделяющие элементы прижаты к боковым стенкам корпуса, а матричный приемник излучения к основанию корпуса, при этом сброс тепла со стенок и основания корпуса осуществляется кондуктивным теплообменом за счет теплопроводности через, по меньшей мере, три крепежные лапки основания корпуса и частично за счет лучистого теплообмена с внутренней поверхностью встроенной бленды.
Кроме того, для охлаждения матричного приемника излучения ниже температуры посадочного места датчика используется термоэлектрический охладитель Пельтье, установленный в вырез платы под нижней поверхностью матричного приемника излучения и контактирующий с основанием корпуса через теплопроводящую пасту.
При этом микропроцессор и электронная память установлены на единой плате, имеющей гибкие соединительные участки.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - общий вид звездного датчика.
Фиг. 2 - общий вид звездного датчика в разрезе.
Фиг. 3а и Фиг. 3в - общий вид электронной единой платы с гибкими перемычками.
Фиг. 4а и Фиг. 4в - общий вид колодезной компоновки датчика с размещенной электронной единой платой вокруг центрального модуля.
Раскрытие изобретения
Позиции, указанные на чертежах:
1 - корпус;
2 - оптическая система (объектив);
3 - бленда;
4 - матричный приемник излучения;
5 - центральный модуль;
6 - электронная единая плата;
7 - гибкие участки электронной единой платы;
8 - термоэлектрический охладитель Пельтье;
9 - пластина, выполняющая функцию крышки корпуса.
В данном изобретении раскрыто устройство для определения ориентации объекта по звездам, а именно звездный датчик ориентации, содержащий корпус (1), оптическую систему (объектив) (2), бленду (3), матричный приемник излучения (4), вычислительное устройство (микропроцессор), электронную память, содержащую бортовой каталог навигационных звезд.
С целью уменьшения габаритов, массы 3Д и обеспечения лучшего охлаждения тепловыделяющих элементов платы была использована колодезная компоновка датчика (компоновочная схема «колодец»). В данной схеме оптическая система (объектив) (2) и бленда (3) объединены в центральный модуль (5), частично вставленный внутрь корпуса (1) 3Д. Причем центральный модуль (5) можно разбить на две части: первую - выступает за пределы корпуса и включает в свой состав верхнюю часть бленды, и вторую - расположенную внутри корпуса и содержащую нижнюю часть бленды и оптическую систему, при этом бленда является держателем оптической системы. Между первой и второй частями имеется пластина (9), перпендикулярная оси датчика, выполняющая функцию крышки корпуса.
С целью улучшения технологичности изготовления плат 3Д и увеличения надежности их соединения была использована технология Rigid-Flex, позволяющая полностью отказаться от межплатных разъемов и кабелей. Плата 3Д представляет собой единую электронную плату (6), соединенную перемычками из гибких верхних слоев (7), по которым и передается сигнал. Наличие гибких перемычек (7) (гибких участков) на плате позволяет принимать ей объемную форму в соответствии с внутренней компоновкой 3Д без разъемов и распаиваемых проводников, а также иметь достаточную свободу перемещения составных элементов платы при ее монтаже в корпус 3Д.
Единая электронная плата (6) размещена вокруг центрального модуля (5) и закреплена к боковым стенкам и основанию корпуса винтами. Плата включает гибкие участки, по которым плата изогнута таким образом, что основные тепловыделяющие элементы прижаты к боковым стенкам корпуса, а матричный приемник излучения к основанию корпуса.
Общий рост темнового тока и связанных с ним шумов, вызываемый воздействием энергичных космических частиц на матричный приемник излучения, может быть уменьшен путем охлаждения матричного приемника излучения, т.к. темновые токи уменьшаются примерно в 2 раза при снижении температуры на 5°С [3] (CCD47-20 Back Illuminated High Performance ΑΙΜΟ Back Illuminated CCD Sensor, e2v technologies inc., A1A-100041 Iss. 6, 2006). Охлаждение матричного приемника излучения может осуществляться, например, с помощью термоэлектрического холодильника (элемента Пельтье), установленного снизу на матричном приемнике.
Основной отвод тепла со стенок и основания корпуса осуществляется кондуктивным теплообменом за счет теплопроводности через, по меньшей мере, три крепежные лапки основания корпуса и частично за счет лучистого теплообмена с внутренней поверхности встроенной бленды.
Часть гибкой платы, на которой расположен матричный приемник излучения, расположена у основания корпуса и имеет наилучшие условия для отвода тепла. На матричный приемник излучения (4) снизу, в окно платы, установлен термоэлектрический охладитель Пельтье (8), контактирующий через теплопроводящую пасту или прокладку с приемником и основанием. Плата с приемником притягиваются к основанию винтами.
Для наилучшего охлаждения остальных тепловыделяющих микросхем они размещаются на объемно сложенной единой электронной плате (6), вставленной в корпус (1) датчика, таким образом, чтобы иметь контакт с боковыми стенками корпуса. На контактирующие с корпусом поверхности микросхем также наносится теплопроводящая паста или прокладка, и соответствующие составные части общей платы притягиваются к стенке корпуса винтами. Гибкие перемычки платы позволяют перемещаться ее основным частям в необходимых пределах для надежного контакта с теплоотводящими стенками и основанием.