СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИЕЙ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ЗАЩИТОЙ ОТ КРАТКОВРЕМЕННЫХ СБОЕВ ИНФОРМАЦИИ ОБ УГЛОВОМ ПОЛОЖЕНИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ
METHOD OF CONTROL OVER SPACECRAFT SOLAR BATTERY WITH PROTECTION AGAINST SHORT-TERM FAULTS OF DATA ON SOLAR BATTERY ANGULAR BATTERY

Предлагаемый способ управления ориентацией солнечной батареи (СБ) космического аппарата (КА) с защитой от кратковременных сбоев информации об угловом положении солнечной батареи относится к системам электроснабжения КА и может быть применен при управлении ориентацией солнечных батарей спутников, космических станций и других типов КА.
Большинство современных КА могут функционировать на орбите Земли в течение нескольких лет. Для функционирования бортового оборудования КА в течение всего времени эксплуатации требуется обеспечивать его электроэнергией, которая, как правило, вырабатывается при помощи панелей солнечных батарей, с установленными на ней элементами, преобразующими излучение Солнца в электрический ток. Величина тока, вырабатываемого СБ, зависит от ориентации плоскости рабочей поверхности СБ относительно Солнца. Для автоматической ориентации СБ используют системы управления КА, в состав которых входят бортовые вычислительные машины, в которых, в свою очередь, реализуются алгоритмы управления бортовым оборудованием КА, в том числе управление ориентацией СБ. Система управления КА осуществляет управление устройством поворота СБ, состоящего из электронных блоков и электромеханического привода с жестко закрепленным на его выходном валу панелью СБ и датчиком угла. Электронные блоки устройства поворота СБ осуществляют прием, преобразование команд, формируемых из системы управления КА, в необходимую для управления электромеханическим приводом СБ форму, а также преобразование информации от датчика угла в форму, необходимую для передачи в систему управления КА.
При помощи алгоритмов системы управления движением, реализованных в системе управления КА, на основе информации, получаемой от соответствующих датчиков (например, астродатчиков или солнечных датчиков), определяют направление на Солнце и формируют заданный угол поворота СБ.
Алгоритмы управления ориентацией СБ принимают информацию о заданном угловом положении СБ, а также информацию о текущем угловом положении СБ с закрепленной на нем панелью СБ.
Как правило, панель СБ крепится на выходном валу электромеханического привода СБ таким образом, чтобы датчик угла формировал нулевое значение при положении нормали к рабочей поверхности СБ, совпадающей с одной из связанных с КА осей координат, например с осью рыскания, а ось вращения СБ - параллельна другой, например оси тангажа.
При достижении угла рассогласования между заданным углом и угловым положением СБ равному порогу срабатывания алгоритмы управления СБ инициируют выдачу команд на вращение СБ для уменьшения угла рассогласования, которые передаются из бортовой автоматической системы управления в устройство поворота СБ. При достижении угла рассогласования равном углу отпускания алгоритмы управления СБ инициируют команды на прекращение вращения СБ. Измерение углового положения СБ, как правило, осуществляется с точностью до дискретного сектора датчика угла. Время реакции алгоритмов управления ориентацией СБ, как правило, кратно машинному циклу бортовой вычислительной машины системы управления КА и составляет несколько десятков миллисекунд, например 100 мс [1].
Известно, что в результате накопления электростатических зарядов на внешней поверхности бортового оборудования КА, включая кабельную сеть, во время его функционирования периодически могут происходить короткие электростатические разряды, длительностью десятков наносекунд до нескольких микросекунд. Электростатические разряды приводят к излучению электромагнитной энергии и, таким образом, сопровождается генерацией электромагнитной помехи, влияющей на работу бортового оборудования КА. В частности, это может приводить к кратковременным сбоям информации, поступающей от датчика угла устройства поворота СБ.
Максимальная частота воздействия электростатического разряда не превышает 2 Гц [2] и соответствует периоду более 500 мс, что, в свою очередь, превышает упомянутый период 100 мс функционирования системы управления КА.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ управления ориентацией СБ, заключающийся в том, что определяют заданный угол СБ как положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к ее рабочей поверхности относительно связанных с КА осей координат, измеряют текущий угол СБ как угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ в плоскости ее вращения с точностью до дискретного сектора датчика угла, вычисляют расчетный угол как произведение угловой скорости СБ на время ее вращения, определяют углы разбега и торможения, задают порог отпускания, менее которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами СБ, как:
ОТП
ТОРМ
α≈α,
ОТП
где α - порог отпускания,
вращают солнечную батарею в направлении уменьшения рассогласования между расчетным и заданным углами и прекращают ее вращение при достижении порога отпускания [3].
Недостатком указанного способа является то, что в случае сбоев информации, поступающей от датчика угла СБ, может происходить коррекция расчетного угла по полученному ошибочному значению и, соответственно, неправильная ориентация СБ относительно направления на Солнце. Следствием этого является снижение тока, вырабатываемого СБ, что в конечном итоге приводит к снижению живучести КА и к невыполнению возложенных на него задач.
Технической задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей, повышение живучести и эффективности системы управления ориентацией СБ при кратковременных сбоях информации об угловом положении СБ, поступающей от датчика угла.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления ориентацией солнечной батареи космического аппарата, заключающемся в том, что определяют заданный угол солнечной батареи как положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к ее рабочей поверхности относительно связанных с космическим аппаратом осей координат, измеряют текущий угол солнечной батареи как угловое положение нормали к рабочей поверхности солнечной батареи в плоскости ее вращения с точностью до дискретного сектора датчика угла, вычисляют расчетный угол как произведение угловой скорости солнечной батареи на время ее вращения, определяют углы разбега и торможения, задают порог отпускания, менее которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами солнечной батареи как:
ОТП
ТОРМ
α≈α,
ОТП
где α - порог отпускания,
вращают солнечную батарею в направлении уменьшения рассогласования между расчетным и заданным углами и прекращают ее вращение при достижении порога отпускания, дополнительно задают угловую скорость вращения солнечной батареи, превышающую на порядок и более угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли, перед началом управления запоминают заданный угол и принимают начальное значение расчетного угла за достоверное значение текущего угла, задают порог рассогласования заданного и запомненного углов, как:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>З</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>М</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo><</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo><</mo><mi>arccos</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
РАЗГ
где α - угол разгона солнечной батареи;
ТОРМ
α - угол торможения солнечной батареи;
ПР
α - порог рассогласования заданного и запомненного углов;
MIN
I - минимально допустимый ток, вырабатываемый солнечной
батареей;
MAX
I - максимально возможный ток, вырабатываемый солнечной батареей,
разбивают круг датчика угла на равные дискретные сектора величиной:
РАЗГ
ТОРМ
ПР
(α+α)<σ<α,
где σ - угловая величина одного дискретного сектора датчика угла, принимают положения биссектрис указанных дискретных секторов соответствующими измеряемым датчиком угла значениям, задают период определения достоверного значения текущего угла на порядок и более максимальной длительности сбоя информации, поступающей от датчика угла, и менее минимального интервала следования сбоев указанной информации, определяют достоверное значение текущего угла, при этом разбивают каждый из указанных периодов на четыре равных интервала времени, в конце первого, второго и третьего интервалов запоминают, соответственно, первое, второе и третье измеренные значения текущего угла, а в конце четвертого интервала считают достоверным значением текущего угла первое запомненное значение при совпадении его со вторым или третьим запомненными значениями, либо второе запомненное значение совпадении его с третьим, и формируют сигнал достоверности, сбрасывают сигнал достоверности, если указанных совпадений нет или два из трех запомненных значений не соответствуют угловым положениям биссектрис дискретных секторов датчика угла, если заданный угол отличается от запомненного заданного угла на момент окончания предыдущего вращения на величину более порога рассогласования между указанными углами, то присваивают расчетному углу значение достоверного текущего угла, если разность между расчетным и достоверным текущим углами превышает величину дискретного сектора датчика угла и сформирован сигнал достоверности, при этом вращают солнечную батарею, если рассогласование между расчетным и заданным углами более порога отпускания, а в момент достижения порога отпускания запоминают новое значение заданного угла.
ЗАД
ДОСТ
РАСЧ
На фиг.1 представлен полет КА с СБ по орбите, на фиг.2 представлены положения проекции заданного направления на Солнце на плоскость, образованную кругом вращения нормали к рабочей поверхности СБ, а также положения указанной нормали, измеренные датчиком угла с точностью до дискретного сектора, на фиг.3 представлена циклограмма формирования достоверного значения датчика угла, на фиг.4 - циклограмма изменения заданного α, достоверного α и расчетного α значений углов СБ.
Предлагаемый способ управления ориентацией солнечной батареи КА с защитой от кратковременных сбоев информации об угловом положении СБ реализуется следующим образом.
В процессе проектирования системы управления ориентацией СБ выбирают устройство поворота СБ с электромеханическим приводом, имеющим угловую скорость вращения выходного вала с закрепленной на нем СБ на порядок и более угловой скорости вращения КА вокруг Земли, то есть:
<mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>></mo><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>К</mi><mi>А</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
СБ
где ω - постоянная угловая скорость вращения СБ;
КА
ω - угловая скорость вращения КА вокруг Земли.
По паспортным данным, а также по результатам экспериментов на наземных стендах определяют угол разгона СБ как угловую величину отклонения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат с момента начала вращения СБ до достижения ею постоянной угловой скорости, а также угол торможения СБ как величину углового отклонения указанной нормали с момента прекращения рассогласования заданного и расчетного углов до момента окончания вращения. Кроме того, определяют минимально допустимый ток, необходимый для обеспечения работоспособности бортового оборудования КА, который должна формировать СБ, а также максимально возможный ток, который может формировать СБ.
Как известно, ток, формируемый СБ, зависит от величины угла отклонения нормали к рабочей поверхности СБ от направления на Солнце и может быть определен как:
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mi>P</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Р
где α - угол рассогласования между направлением на Солнце и нормалью к рабочей поверхности СБ;
I - ток, вырабатываемый СБ;
MAX
I - максимально возможный ток, который может вырабатывать СБ.
В процессе проектирования определяют максимально допустимое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления на Солнце во время полета КА по заданной орбите, при котором СБ вырабатывает указанный выше минимально допустимый ток, при этом задают порог рассогласования заданного и запомненного углов в диапазоне:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>З</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>М</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo><</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo><</mo><mi>arccos</mi><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
РАЗГ
где α - угол разгона СБ;
ТОРМ
α - угол торможения СБ;
ПР
α - порог рассогласования заданного и запомненного углов;
MIN
I - минимально допустимый ток, который вырабатывает СБ для обеспечения функционирования бортового оборудования КА;
MAX
I - максимально возможный ток, который может вырабатывать СБ при полете КА по заданной орбите.
Датчик угла, расположенный на выходном валу электромеханического привода устройства поворота СБ, представляет собой круг 360°, разбитый на равные дискретные сектора, то есть:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>360</mn></mrow><mi>o</mi></msup></mrow><mi>n</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где σ - угловая величина дискретного сектора датчика угла;
n - количество дискретных угловых секторов.
Величина дискретного сектора датчика угла задается в диапазоне:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>З</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>М</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo><</mo><mi>σ</mi><mo><</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Как правило, порог рассогласования заданного и запомненного углов выбирают в диапазоне 5°-15°, а углы разгона и торможения не превышают величину 1°.
Датчик угла СБ закреплен на выходном валу электромеханического привода устройства поворота СБ таким образом, что угловое значение, формируемое им, соответствует положению нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат. Во время поворота СБ датчик угла формирует угловое значение, соответствующее положению биссектрисы дискретного сектора, в границах которого находится эта нормаль.
Во время полета КА определяют заданный угол как положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к ее рабочей поверхности относительно связанных с КА осей координат.
Вычисляют расчетный угол как произведение угловой скорости СБ на время ее вращения.
На этапе разработки задают порог отпускания, менее которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным угловым положением нормали к рабочей поверхности СБ, как:
ОТП
ТОРМ
α≈α.
Принимают начальное значение расчетного угла за достоверное значение текущего угла. Определение достоверного значения датчика угла во время функционирования системы управления ориентацией СБ осуществляют в течение четырех равных интервалов времени, на которые разбивается период определения достоверного значения текущего угла, то есть:
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Д</mi></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Д
где Т - период определения достоверного значения текущего угла;
И
Т - интервал времени, равный четверти периода определения достоверного значения текущего угла.
Как правило, период определения достоверного значения текущего угла выбирают кратным машинному циклу бортовой вычислительной машины системы управления КА. Достоверное значение угла формируется, если два из трех измеренных значения датчика угла в одном периоде совпадают, при этом период определения достоверного значения текущего угла задается в диапазоне:
<mrow><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>Т</mi><mi>Д</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
MAX
где τ - максимальная длительность сбойной информации, поступающей от датчика угла;
MIN
T - минимальный интервал следования сбоев информации, поступающей от датчика угла.
Для определения достоверного значения текущего угла в конце первого, второго и третьего интервалов времени запоминают соответственно первое, второе и третье измеренное значение текущего угла, а в конце четвертого интервала присваивают достоверному значению текущего угла первое запомненное значение, если оно совпадает со вторым или третьим, либо второе, если оно совпадает с третьим запомненным значением, при этом формируют сигнал достоверности. В случае если указанных совпадений нет либо измеренное значение не соответствует угловому положению биссектрисы одного из дискретных секторов датчика угла, сбрасывают сигнал достоверности, то есть на каждом периоде:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>о</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>О</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>т</mi><mi>о</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>О</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>≠</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>≠</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>≠</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>И</mi><mi>З</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mn>,,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
ИЗi(1)
ИЗi(2)
ИЗi(3)
где α, α, α - текущие измеренные и запомненные значения датчиком угла по окончании первого, второго и третьего интервалов определения достоверности на i-м цикле вращения;
ДОСТi
α - достоверное значение датчика угла на i-м цикле вращения;
Дi
U - сигнал достоверности на i-том цикле вращения;
i - номер цикла вращения, i≥0.
При наличии кратковременной помехи, вызываемой, например, электростатическим разрядом, формируется сбойная информация, поступающая от датчика угла через электронные блоки СБ в систему управления КА. Длительность сбоя датчика угла соответствует длительности помехи.
СБ
MAX
MIN
Например, рассматриваемая система имеет угловую скорость вращения СБ ω=0,6 градусов/с, величина дискретного сектора датчика угла СБ составляет σ=6°, максимальная длительность сбоя информации датчика угла СБ, вызываемая электростатическим разрядом, составляет τ=1,5 мкс, минимальный период следования сбоев Т=1 с, что соответствует частоте 1 Гц.
И
Для рассматриваемого варианта в случае если цикл вычисления системы управления КА кратен машинному циклу системы управления КА 100 мс и соответствует интервалу измерения Т=200 мс [1], условия (6), (7) выполняются, так как:
MAX
10·τ=10·1,5 мкс=0,000015 с;
Д
И
Т=4·Т=4-200 мс=0,8 с;
MIN
T=1 c.
Перед началом управления запоминают заданный угол и задают расчетному углу начальное значение, то есть:
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ЗАДi
где α - текущее значение заданного угла на момент начала 1-го вращения;
ЗАД(i-1)
α - запомненное значение заданного угла на момент окончания (i-1)-го вращения;
0
α - начальное значение расчетного угла;
РАСЧ(i)
α - расчетный угол на i-м цикле вращения.
Разрешают вращение СБ, если текущий заданный угол отличается от запомненного на момент окончания предыдущего вращения заданного угла на величину более порога рассогласования заданного и запомненного углов, то есть при:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
при этом перед моментом начала вращения присваивают расчетному углу значение текущего достоверного угла, если разность между ними превышает величину дискретного сектора датчика угла и на момент получения разрешения на вращение сформирован сигнал достоверности, то есть:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>О</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>О</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><mi>σ</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mtext> </mtext><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1.</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
Необходимо отметить, что в процессе управления рассогласование между расчетным и фактическим угловым положением СБ постепенно увеличивается, так как на реальную угловую скорость СБ оказывают влияние различные факторы: люфты в механизме электромеханического привода, изменение сил трения подвижных частей в условиях невесомости, вакуума и под воздействием космических и солнечных излучений, температурные воздействия, колебания панели СБ в моменты начала и окончания вращения, изменения сил инерции при разворотах КА и другие. Из-за указанных факторов наблюдается постепенное расхождение фактического углового положения СБ от расчетного.
Начинают вращение СБ, если текущий заданный угол и запомненный заданный угол отличаются на величину более порога рассогласования между указанными углами, и если рассогласование между расчетным и заданным углами более порога отпускания, то есть при:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>О</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>О</mi><mi>Т</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Во время вращения СБ вычисляют расчетный угол, как:
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi><mtext> </mtext><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
РАСЧi
где α - расчетное значение углового положения СБ на момент начала вращения;
СБi
t - время вращения СБ. Прекращают вращение СБ при достижении порога отпускания:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>С</mi><mi>Ч</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>О</mi><mi>Т</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>14</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
при этом запоминают значение текущего заданного угла:
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mi>З</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Д</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>15</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На фиг.1 представлен полет КА с СБ по орбите, где:
1 - Земля;
2 - орбита КА;
3 - направление излучения от Солнца;
4 - корпус КА;
5 - панель СБ;
6 - датчик угла СБ;
N - заданное направление ориентации СБ как проекция единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
СБ
N - нормаль к рабочей поверхности СБ;
X, Y, Z - оси связанной с КА системы координат, причем ось Z направлена перпендикулярно плоскости чертежа вверх;
СБ
СБ
СБ
СБ
X, Y, Z - оси связанной с СБ системы координат, ось Z совпадает с осью Z и направлена также перпендикулярно плоскости чертежа вверх;
Δα - угловое рассогласование между направлением на Солнце и нормалью к рабочей поверхности СБ;
O
ω - угловая скорость вращения КА вокруг Земли;
СБ
СБ
ω - угловая скорость вращения СБ вокруг оси Z.
O
СБ
СБ
СБ
СБ
СБ
СБ
СБ
СБ,
СБ
СБ
На фиг.1 вокруг Земли 1 по орбите 2 с угловой скоростью ω вращается КА. По направлению излучения Солнца 3 относительно корпуса КА 4 осуществляется ориентация панели СБ 5. Угловое положение проекции нормали к рабочей поверхности СБ N относительно единичного вектора направления на Солнце N измеряется при помощи датчика угла 6. С корпусом 4 КА жестко связаны оси X, Y, Z системы координат. В свою очередь, оси X, Y, Z образуют связанную с СБ систему координат. СБ вращается вокруг оси Z, направленной перпендикулярно вверх к плоскости чертежа, причем направления осей Z и Z совпадают, а плоскость, образованная осями X и Y параллельна плоскости, образованной осями Х и Y. Направление нормали к рабочей поверхности СБ N совпадает с направлением оси X.
СБ
СБ
СБ
Датчик угла СБ 6 формирует нулевое значение при совпадении направлений осей X и X. В соответствии с направлением излучения Солнца 3 определяют направление проекции единичного вектора направления на Солнце N на плоскость, образованную осями X и Y.
O
СБ
СБ
СБ
В процессе полета КА по орбите 2 с угловой скоростью ω панель СБ 5 разворачивают таким образом, чтобы обеспечить минимальный угол рассогласования Δα между направлением проекции единичного вектора направления на Солнце N на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ, образованную осями X и Y и указанной нормалью N, в результате чего обеспечивается формирование максимально возможного тока.
СБ
СБ
СБ
При управлении рассматриваемым способом, если угол рассогласования между текущим заданным углом, т.е. положением проекции N, и запомненным заданным углом по окончании предыдущего вращения СБ более порога рассогласования заданного и запомненного углов, а также рассогласование между расчетным углом, т.е. положением нормали N, и заданным углом, т.е. проекцией N, более порога отпускания, то панель СБ 5 разворачивают с угловой скоростью ω до совмещения положения нормали N с положением проекции N.
На фиг.2 представлен круг вращения нормали к рабочей поверхности СБ, положение которой измеряется датчиком угла, где:
7 - круг вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
8 - центр круга вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
N - заданное направление ориентации СБ как проекция единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
СБ
N - нормаль к рабочей поверхности СБ;
σ0
σ1
σ2
σj
(j+1)
σ(n-2)
σ(n-1)
α, α, α,…,α, α… α, α - дискретные сектора датчика угла;
Бj
σj
N - биссектриса дискретного сектора α
ПР
α - порог рассогласования заданного и запомненного углов;
σ - угловая величина дискретного сектора датчика угла.
РАС
α - угол рассогласования между текущим заданным направлением и положением нормали к рабочей поверхности СБ;
ОТП
α - порог отпускания.
σ0
σ1
σ2
σj
(j+1)
σ(n-2)
σ(n-1)
СБ
σ0
σ(n-1)
На фиг.2 датчик угла СБ выполнен в виде круга вращения нормали к рабочей поверхности СБ 7 с центром 8. Круг 360° разбит на n равных дискретных секторов α, α, α,…,α, α… α, α. Указанный датчик устанавливается на корпусе КА таким образом, чтобы нулевое положение совпадало с осью X, связанной с КА системы координат. Таким образом, измерение углового положения нормали к рабочей поверхности СБ N осуществляется с точностью до дискретного сектора величиной σ, причем датчик угла формирует значения, соответствующие положениям биссектрис каждого из секторов α,…α.
ЗАП
ПР
СБ
P
ОТП
При управлении рассматриваемым способом панель СБ начинает вращение при рассогласовании углов между текущим N и запомненным по окончании предыдущего вращения заданным направлением на Солнце N более порога рассогласования заданного и запомненного углов α, и если положение нормали к рабочей поверхности СБ N отличается от текущего заданного направления N на угол α более порога отпускания α.
На фиг.3 представлена циклограмма формирования достоверного значения датчика угла, где:
П
U - сигналы помехи;
П1
П2
П3
П4
τ, τ,, τ, τ - длительности помех, вызывающих сбои датчика угла;
1
2
3
4
τ, τ, τ, τ - длительности сбоев датчика угла;
1
2
3
Т, Т, Т - интервалы следования сбоев датчика угла;
ИЗМ
α - измеренный угол СБ;
T
U - такты запоминания измеренных значений углов датчиком угла СБ;
Д
Т - период определения достоверного значения измеренного угла;
ЗАП1
α - измеренные и запомненные значения датчика угла по окончании первых интервалов определения достоверности;
ЗАП2
α - измеренные и запомненные значения датчика угла по окончании вторых интервалов определения достоверности;
ЗАП3
α - измеренные и запомненные значения датчика угла по окончании третьих интервалов определения достоверности;
Д
U - сигнал достоверности измеренного значения датчика угла;
ДОСТ
α - значения достоверного угла СБ;
И1
И2
α, α - измеренные датчиком угла угловые значения, соответствующие фактическим угловым положениям СБ;
C1
C2
C3
C4
α, α, α, α - измеренные датчиком угла угловые значения, соответствующие искаженным угловым положениям СБ;
9, 13, 17, 21, 25 - моменты запоминания значений датчика угла по окончании первых интервалов определения достоверности;
9
13
17
21
25
α, α, α, α, α - запомненные значения датчика угла по окончании первых интервалов определения достоверности;
10, 14, 18, 22, 26 - моменты запоминания значений датчика угла по окончании вторых интервалов определения достоверности;
10
14
18
22
26
α, α, α, α, α - запомненные значения датчика угла по окончании вторых интервалов определения достоверности;
11. 15, 19, 23, 27 - моменты запоминания значений датчика угла по окончании третьих интервалов определения достоверности;
11
15
19
23
27
α, α, α, α, α - запомненные значения датчика угла по окончании третьих интервалов определения достоверности;
12. 16, 20, 24, 28 - моменты определения достоверности по окончании четвертых интервалов определения достоверности;
12Д
16Д
20Д
24Д
28Д
α, α, α, α, α - запомненные достоверные значения датчика угла по окончании четвертых интервалов определения достоверности.
ДОСТ
T
Д
Д
На фиг.3. формирование достоверного значения датчика угла α осуществляется по тактам U с периодом равным Т, при этом каждый период Т, разделен на 4 равные части.
ЗАП1
зап2
ЗАП3
В моменты 9, 13, 17, 21, 25 осуществляется запоминание первых α в моменты 10, 14, 18, 22, 26 вторых α, а в моменты 11, 15, 19, 23, 27 третьих α угловых положений СБ измеренных датчиком угла.
ДОСТ
В моменты 12, 16, 20, 24, 28 осуществляется сравнение первых, вторых и третьих измеренных значений датчика угла и формирование достоверного угла α.
И1
И2
Угловые значения α, α соответствуют фактическим угловым положениям СБ.
1
2
3
1
2
3
4
П1
П2
П3
П4
П
С интервалами T, T, Т наблюдаются сбои датчика угла длительностью τ, τ, τ, τ, вызванные помехами, соответственно длительностью τ, τ, τ, τ, различной амплитуды U, при этом:
П1
1
Д
П2
2
Д
П3
3
Д
П4
4
Д
-τ<<τ<Т, τ<<τ<Т, τ<<τ<Т, τ<<τ<Т;
C1
C2
C3
C4
-в моменты 9, 13, 18 и 23 соответственно запоминаются сбойные значения α, α, α, α, формируемые датчиком угла;
12Д
И1
10
11
И1
Д
9
C1
В момент 12 формируется достоверное значение датчика угла α=α, так как α=α=α, U=1, при этом сбойное значение α=α игнорируется.
16Д
И1,
10
11
И1
Д
13
С2
В момент 16 формируется достоверное значение датчика угла α=α так как α=α=α, U=1, при этом сбойное значение α=α игнорируется.
0
И1,
17
19
И1
Д
18
C3
В момент 20 формируется достоверное значение датчика угла α=α так как α=α=α, U=1, при этом сбойное значение α=α игнорируется.
24Д
И1
21
И1
22
И2
23
С4
21
21
23
22
23
Д
В момент 24 достоверное значение датчика угла сохраняется с предыдущего цикла α=α, так как α=α α=α, α=α, то есть α≠022, α≠α, α≠α, при этом U=0.
28Д
И2
26
25
И2
Д
В момент 28 формируется достоверное значение датчика угла α=α, так как α=α=α, U=1.
На фиг.4 представлен график управления положением СБ предлагаемым способом с коррекцией расчетного угла и соответствующий ему график формирования сигнала достоверности измеренного значения датчика угла, где:
Д
U - сигнал достоверности измеренного значения датчика угла;
ЗАД
α - заданный угол СБ;
ДОСТ
α - достоверный измеренный угол СБ;
РАСЧ
α - расчетный угол СБ;
ЗАД1
ЗАД3
α, α - заданные углы на моменты окончания вращения СБ;
ЗАД2
ЗАД4
α, α - заданные углы на моменты начала вращения СБ;
ДОСТ1
ДОСТ2
α, α - достоверные измеренные углы на моменты окончания вращения СБ;
РАСЧ1
РАСЧ2
α, α - расчетные углы на моменты окончания вращения СБ;
σ - угловая величина одного дискретного сектора датчика угла;
29, 33 - моменты прекращения вращения СБ;
30, 34 - моменты начала вращения СБ;
31 - моменты прекращения формирования сигнала достоверности;
32 - момент возобновления формирования сигнала достоверности;
ПР
α - порог рассогласования заданного и запомненного углов;
ОТП
α - угол отпускания;
1
2
Δ, Δ - углы рассогласования между расчетными и достоверными значениями углов.
ЗАД
ДОСТ
РАСЧ
На приведенной на фиг.4 циклограмме показаны изменения заданного α, достоверного измеренного α и расчетного α значений углов СБ.
РАСЧ
РАСЧ1
ЗАД
ЗАД1
ОТП
В момент 29 достижения рассогласования между расчетным α=α и заданным α=α углами менее порога отпускания α, то есть выполняется условия (14), вращение СБ прекращается.
ЗАД
ЗАД2
ЗАД3
ЗАД1
ПР
РАСЧ
РАСЧ1
ЗАД
ЗАД2
ОТП
Д
1
РАСЧ
РАСЧ1
ДОСТ
ДОСТ1
РАСЧ
ДОСТ1
В момент 30 рассогласование между заданным углом α=α и запомненным заданным углом α=α превышает порог рассогласования заданного и запомненного углов α, то есть выполняется условие (10), при этом рассогласование между расчетным α=α и заданным α=α углами более порога отпускания α, то есть выполняется условие (12). Кроме того, в момент 30 сформирован сигнал достоверности U=1 и рассогласование Δ между расчетным α=α и достоверным α=α углами более величины дискретного сектора датчика угла σ, то есть выполняется условие (11). Учитывая сформированные условия в момент 30, осуществляется коррекция расчетного угла, при этом корректируется расчетный угол по сформированному достоверному значению, то есть α=α. Далее осуществляется вращение СБ, во время которого производится вычисление расчетного угла по уравнению (13).
РАСЧ
РАСЧ2
ЗАД3
ЗАД3
ОТП
В момент 33 достижения рассогласования между расчетным α=α и заданным α=α углами менее порога отпускания α, то есть выполняется условия (14), вычисление расчетного угла и вращение СБ прекращается. Отсутствие достоверного значения измеренного угла от момента 31 до момента 32 не влияет на значение расчетного угла.
ЗАД
ЗАД4
ЗАДЗ
ЗАД3
ОТП
РАСЧ
РАСЧ2
ЗАД
ЗАД4
ОТП
Д
1
РАСЧ
РАСЧ2
ДОСТ
ДОСТ2
В момент 34 величина рассогласования между текущим заданным углом α=α и запомненным заданным углом α=α превышает порог рассогласования заданного и запомненного углов α, то есть выполняется условие (10), при этом рассогласование между расчетным α=α и заданным α=α углами значительно более порога отпускания α, то есть выполняется условие (12). Кроме того, в момент 33 сформирован сигнал достоверности U=1 и рассогласование Δ между расчетным α=α и достоверным α=α углами менее величины дискретного сектора датчика угла σ, то есть условие (11) не выполняется. Учитывая сформированные условия в момент 33, коррекция расчетного угла не производится. Далее осуществляется вращение СБ, во время которого производится вычисление расчетного угла по уравнению (13).
Предлагаемый способ управления позволяет обеспечить правильную ориентацию СБ при кратковременных сбоях информации от датчика угла, вызываемыми, например, статическими разрядами, за счет сравнительного анализа информации об угловом положении СБ, получаемой в различные моменты времени, а также за счет уменьшения влияния сбойных значений, формируемых датчиком угла СБ на расчетный угол в связи с увеличением интервалов коррекции расчетного угла СБ по фактическому значению, и, таким образом, обеспечить величину тока, достаточную для функционирования бортового оборудования, что повышает живучесть КА в целом.
Источники информации
1. Бортовые системы управления космическими аппаратами. Под ред. д.т.н, проф. А.С.Сырова. М., изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010, с.219, 243.
2. Электростатические разряды на поверхности космических аппаратов и их воздействие на бортовую кабельную сеть. А.Н.Дорофеев. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2007, с.25. www.dslib.net/kondensat/jelektrostaticheskie-razrjady-na-poverhnosti-kosmicheskih-apparatov-i-ih-vozdejstvie.html.
3. Патент РФ 2356788, В64С 1/00, 28.12.2007 г.