Модуль ориентации для сверхмалого космического аппарата

Полезная модель относится к области космической техники, в частности, к системе ориентации сверхмалого космического аппарата (СМКА).
Во многих миссиях требуются функции определения ориентации СМКА. Для этого, в настоящее время, на СМКА используются различные датчики, такие как: солнечный датчик, датчик горизонта, акселерометр, датчик угловой скорости, магнитометры. Так как у каждого датчика свои требования к установке, то, как правило, их устанавливают в разных местах КА. Оптические датчики - на внешних гранях, магнитометр - на максимальном удалении от собственных магнитных полей СМКА. Все датчики ориентации должны иметь жесткую механическую связь с корпусом КА. Некоторые датчики дополняют друг друга, например показания датчиков угловой скорости могут уточняться по показаниям солнечных датчиков и магнитометров. Таким образом, все датчики ориентации работают вместе и решение задачи ориентации строится на совокупности показаний всех датчиков.
Из уровня техники известна система определения пространственного положения и курса летательного аппарата, содержащая блок датчиков угловой скорости, блок датчиков линейного ускорения, трехкомпонентный магнитометр, подключенные через аналого-цифровой преобразователь к вычислителю с подключенным к нему логическим блоком, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены датчики температуры блока датчиков угловой скорости, блока датчиков линейного ускорения, трехкомпонентного магнитометра, подключенные через аналого-цифровой преобразователь к вычислителю, и соединенные последовательно узел коммутации, буферный каскад, модуль сопряжения, узел интерфейса, подключенные к вычислителю. Эта система описана в патенте RU 2505786 C2.
Из уровня техники известна система ориентации и стабилизации микроспутниковой платформы "Таблетсат", содержащая не менее пяти солнечных датчиков, по меньшей мере один трехкомпонентный магнитометр, три одноосных датчика угловой скорости, силовые управляющие двигатели-маховики и блок управления системой ориентации, отличающаяся тем, что в качестве датчиков определения ориентации дополнительно используют трехкомпонентный датчик угловой скорости и автономный звездный датчик, в качестве системы угловой стабилизации используют три силовые электромагнитные катушки управления, расположенные соосно осям системы координат, связанной с микроспутниковой платформой, по меньшей мере три силовых управляющих двигателя-маховика, оси вращения которых непараллельны, по меньшей мере три силовых гиродина, оси которых расположены в непараллельных плоскостях. Эта система описана в патенте RU 145978 U1.
Наиболее близким о технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, защищенное патентом RU 2505786 C2. Это система определения пространственного положения и курса летательного аппарата без исполнительных органов и с набором датчиков для инерциальной навигации.
Указанные системы датчиков обладают рядом недостатков. Ввиду больших массогабаритных характеристик их невозможно установить на СМКА. По этой же причине невозможно их дублирование. С другой стороны, не в каждой миссии требуется управление ориентацией, достаточно ее определения, поэтому исполнительные органы не всегда нужны.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Задачей заявляемой полезной модели является создание модуля ориентации для СМКА (МО), калиброванного, способного выдавать рассчитанный вектор ориентации, на основе которого можно построить резервированную систему ориентации.
Технический результат состоит в создании МО, пригодного для использования на СМКА, повышении надежности определения ориентации, упрощении калибровки МО, повышение информационной автономности МО, увеличении жесткости механической связи составных датчиков системы ориентации, снятии вычислительной нагрузки с блока управления ориентацией, повышения технологичности.
Указанный технический результат достигается тем, что перечисленные выше датчики выделены в отдельный физический и функциональный модуль, что позволяет строить на основе этого модуля отказоустойчивую систему с повышенной надежностью. МО выполняет конкретную конечную функцию и имеет дублированные каналы связи. В зависимости от поля зрения оптических датчиков и особенностей миссии на СМКА потребуется от двух МО. Ориентация будет определена, если хотя бы один МО с хотя бы одним каналом связи цел.
МО, используя дублированный канал связи и находясь в одной сети связи, могут общаться друг с другом. Обмениваться информацией об оптических ориентирах и другими данными для повышения точности ориентации. Например, Солнце находится в поле видимости только одного МО. Этот МО по Солнцу определяет скорость вращения МКА и сообщает эту информацию другим МО, которые по этим данным подстраивают нули своих датчиков угловых скоростей.
Важной частью модуля ориентации является взаимная калибровка всех датчиков. При разрозненном размещении датчиков такая калибровка должна проводиться после сборки всего СМКА, со всеми системами, а это затрудняет калибровку и повышает требования готовности всех систем. С другой стороны МО калибруется после сборки МО. Калибровочные таблицы сохраняются в памяти самого МО, что так же говорит об его автономности.
Датчики изначально связаны логически: по совокупности показаний всех датчиков, входящих в состав МО вычисляется положение СМКА в различных системах координат. Так как датчики размещены на одной плате и обрабатываются одним контроллером, размещенным на этой же плате, появляется возможность одним МО определять ориентацию СМКА. Если в поле зрения этого датчика попадает Солнце и Земля, тогда задача решается полностью в системе координат Солнце-Земля, если же этих оптических данных нет, тогда в инерциальной системе координат.
Так как датчики размещены на одной плате, то их механическая связь максимально жесткая по сравнению с тем, если бы они находились на различных платах в СМКА, связанных цепочкой различных конструктивных элементов.
Так как расчет ориентации осуществляется в самом датчике, то с блока управления ориентацией снимается большая часть вычислительной нагрузки. Следовательно, упрощается блок управления ориентацией (БУО) космического аппарата, либо его функции могут принять на себя другие системы СМКА, например, бортовой центральный вычислительный модуль. В случае же использования БУО, упрощается его дублирование.
Технологичность заключается в минимизации процессов по размещению в СМКА одного МО, по сравнению с размещением шести разнородных датчиков, которые входят в состав МО. При том, что массогабаритные характеристики МО и СД сопоставимы.
Благодаря использованию современной элементной базы геометрические размеры датчика не превышают 11×18×43 мм, а масса не превышает 10 г. Энергопотребление в рамках 0,5 Вт при частоте выдачи вектора ориентации 10 Гц и работе всех датчиков сразу.
Описание устройства поясняется Фиг. 1, 2, 3, 4.
На фигуре 1 изображена структурная схема предлагаемого МО.
На фигуре 2 изображена ПП модуля ориентации со стороны оптических датчиков.
На фигуре 3 изображен модуль ориентации в сборе со стороны оптических датчиков.
На фигуре 4 изображен модуль ориентации в сборе со стороны ВМО.
На фигурах обозначено:
1. Цифровой трехосный МЭМС акселерометр.
2. Датчик горизонта.
3. Цифровой трехосный магнитометр.
4. Цифровой трехосный МЭМС датчик угловой скорости.
5. Вычислитель МО.
6. Цифровой датчик температуры.
7. Солнечный датчик.
8. Дублированный канал связи.
9. Постоянное запоминающее устройство.
10. Внешняя дублированная шина связи.
11. Печатная плата модуля ориентации.
12. КМОП матрица солнечного датчика.
13. Корпус модуля ориентации.
14. Оптическая система солнечного датчика.
15. Разъем для подключения к внешней дублированной шине связи.
Описание устройства в статике.
МО состоит из одной печатной платы (ПП) с припаянными электронными компонентами и корпуса с оптической системой, необходимой для оптических датчиков. ПП и корпус МО соединены винтами. Вычислитель МО представляет собой микроконтроллер или ПЛИС с необходимыми для их работы компонентами. Солнечный датчик (СД) - оптический датчик, может быть основан как на КМОП матрице (см. патент US 7552026 B2), так и на фотодиодах. Необходимым качеством СД является плоская оптическая система такая, что МО можно установить на внешней грани СМКА. СД определяет два угла направления на Солнце. Датчик горизонта (ДГ) - оптический датчик, представляет собой инфракрасную матрицу с оптической системой и определяет два угла горизонта Земли. Датчик угловой скорости (ДУС) представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС) и определяет угловые скорости вращения СМКА по трем осям. Акселерометр представляет собой МЭМС чип и определяет линейные ускорения СМКА по трем осям. Магнитометр представляет собой чип с интегрированными или внешними зондами, может быть основан на различных принципах действия и определяет напряженность магнитного поля по трем осям. Температурный датчик может быть, как частью одного из перечисленных блоков, так и отдельным устройством, определяет температуру МО. Дублированный канал связи является сетевым и полудуплексным.
Описание устройства в динамике.
После сборки МО проводится калибровка МО. Выясняются взаимные расположения всех датчиков МО, калибруются нули и абсолютные показания датчиков во всем рабочем диапазоне температур. Полученная калибровочная информация сохраняется в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).
Вычислитель МО по цифровым интерфейсам получает данные от датчиков о трех угловых скоростях, о трех линейных ускорениях, о трех компонентах магнитного поля, о двух углах направления на Солнце, о двух углах направления на горизонт, о температуре датчиков. Используя показания всех датчиков и калибровочные таблицы, сохраненные в ПЗУ, по определенному алгоритму вычисляет ориентацию СМКА и передает ее потребителю по дублированному каналу связи.