СПОСОБ ОРИЕНТАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПО ТОКУ
METHOD OF SPACECRAFT SOLAR BATTERY ORIENTATION BY ELECTRIC CURRENT

Изобретение относится к системам электроснабжения космических аппаратов (КА) с солнечными батареями (СБ).
Электроснабжение бортового оборудования КА в течение всего времени функционирования КА осуществляется при помощи СБ. В случае отсутствия достаточного тока, необходимого для работы бортового оборудования, например, на теневом участке орбиты, электроснабжение бортового оборудования КА может осуществляться в течение ограниченного времени от аккумуляторных батарей, подзарядка которых была произведена током, вырабатываемым СБ на освещенном участке орбиты.
Величина тока, вырабатываемого СБ, зависит от ориентации плоскости ее рабочей поверхности относительно Солнца или другого источника излучения. Для повышения эффективности работы СБ используют бортовые автоматические системы управления (БАСУ), в состав которых входят устройства поворота СБ, выполненные на базе электромеханических приводов (ЭМП) с закрепленными на выходном валу датчиками.
Алгоритмы управления современных КА реализуются в виде программного обеспечения в бортовых вычислительных машинах, входящих в состав БАСУ. С помощью указанных программ осуществляется обработка информации, полученной от соответствующих датчиков, установленных на борту КА, при этом решаются задачи, связанные с определением положения КА в пространстве, управлением его положением и движением по заданной орбите, а также управлением бортовым оборудованием, входящим в его состав. Одной из задач, решаемых в БАСУ, является управление положением СБ. При помощи программного обеспечения системы управления движением (СУД) осуществляется определение направления на Солнце относительно связанных с КА осей координат и формирование для программного обеспечения управления положением СБ заданного угла. В случае рассогласования между сформированным заданным и текущим угловым положением СБ более порога срабатывания, программное обеспечение управления положением СБ формирует команды на вращение СБ в направлении уменьшения этого рассогласования, которые поступают с выхода БАСУ в устройство поворота СБ. После уменьшения указанного рассогласования до величины порога отпускания, программное обеспечение управления положением СБ формирует команды на прекращение вращения СБ.
Наиболее близким техническим решением является способ ориентации СБ, заключающийся в том, что определяют заданный угол солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат как положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи, определяют угловую скорость вращения солнечной батареи, вычисляют расчетный угол солнечной батареи как произведение угловой скорости на время ее вращения, определяют угол разгона как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на начало вращения при формировании рассогласования между заданным и расчетным углами до момента достижения установившейся угловой скорости, определяют угол торможения как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на прекращение вращения при окончании рассогласования до полного прекращения вращения, задают порог срабатывания, при достижении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углами, задают порог отпускания, при достижении которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами солнечной батареи, менее порога срабатывания, принимают углы разгона, торможения и порог отпускания равными друг другу, вращают солнечную батарею в направлении уменьшения рассогласования по кратчайшему пути между заданным и расчетным углами [1].
Как правило, управление положением СБ осуществляется с использованием в обратной связи информации от датчика углового положения выходного вала ЭМП СБ. Во время полета КА по заданной орбите возможно появление длительных электромагнитных помех, либо электростатических разрядов, которые могут приводить к сбоям информации от этого датчика. Кроме того, в процессе функционирования возможно появление отказов в датчике угла, а также в устройствах или линиях связи БАСУ, через которые передается информация углового положения СБ. Указанные сбои и отказы могут привести к неправильной ориентации СБ, что приводит, в свою очередь, к снижению электроснабжения бортового оборудования и в конечном итоге к нарушениям при выполнении задач, решаемых на борту КА.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей известного способа ориентации СБ с целью обеспечения правильной ориентации солнечной батареи по формируемому ею току в случае отсутствия информации об ее угловом положении.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе ориентации солнечной батареи космического аппарата, заключающемся в том, что определяют заданный угол солнечной батареи относительно связанных с космическим аппаратом осей координат как положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи, определяют угловую скорость вращения солнечной батареи, вычисляют расчетный угол солнечной батареи как произведение угловой скорости на время ее вращения, определяют угол разгона как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на начало вращения при формировании рассогласования между заданным и расчетным углами до момента достижения установившейся угловой скорости, определяют угол торможения как величину изменения углового положения нормали от момента выдачи команды на прекращение вращения при окончании рассогласования до полного прекращения вращения, задают порог срабатывания, при достижении которого формируется рассогласование между заданным и расчетным углами, задают порог отпускания, при достижении которого прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами солнечной батареи, менее порога срабатывания, принимают углы разгона, торможения и порог отпускания равными друг другу, вращают солнечную батарею в направлении уменьшения рассогласования по кратчайшему пути между заданным и расчетным углами, дополнительно определяют период полного оборота, направление и угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли по круговой орбите, задают угловую скорость вращения солнечной батареи, превышающую на порядок и более угловую скорость вращения космического аппарата вокруг Земли, определяют максимально возможный и минимально допустимый токи, вырабатываемые солнечной батареей, разбивают круг вращения нормали к рабочей поверхности солнечной батареи на равные угловые сектора, величиной более суммы углов разгона и торможения и менее арккосинуса отношения минимально допустимого и максимально возможного токов, вырабатываемых солнечной батареей, причем биссектрисе нулевого сектора датчика угла соответствует нулевое угловое положение вышеуказанной проекции единичного вектора, определяют период вращения солнечной батареи, как отношение времени полного оборота космического аппарата вокруг Земли к числу угловых секторов круга вращения нормали, определяют время разворота солнечной батареи за один период вращения, как отношение величины одного углового сектора к угловой скорости солнечной батареи, задают порог срабатывания не более половины одного углового сектора, присваивают заданному углу значения, равные угловому положению биссектрисы углового сектора, в границах которого находится угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце, перед началом управления вращают солнечную батарею по или против часовой стрелки, и измеряют вырабатываемый ею ток, прекращают вращение солнечной батареи после начала снижения достигнутого тока наибольшей величины, присваивают расчетному углу солнечной батареи значение заданного угла, во время управления по рассогласованию между заданным и расчетным углами в порядке следования запоминают моменты времени прекращения вращения, достижения током, вырабатываемым солнечной батареей, наибольшей величины и начала следующего вращения, в случае снижения тока, вырабатываемого солнечной батареей, менее минимально допустимого, либо при достижении наибольшей величины вырабатываемого тока в моменты окончания или начала следующего вращения, изменяют значение расчетного угла после окончания упомянутого следующего вращения на величину
O
ЗАП2
ЗАП1
CБ
Δα=ω·(t-t-0,5·T),
О
ЗАП1
ЗАП2
СБ
где Δα - поправка к расчетному углу, ω - угловая орбитальная скорость космического аппарата, t - запомненное значение времени отсчета в момент формирования команды на прекращение вращения, t - запомненное значение времени отсчета на момент достижения вырабатываемым солнечной батареей током наибольшей величины, Т - период вращения солнечной батареи, увеличивают или уменьшают расчетный угол на величину поправки при вращении солнечной батареи во время отсчета времени соответственно в направлении увеличения или уменьшения угла.
На фиг.1 представлены положения КА на орбите Земли, на фиг.2 - зависимость тока, вырабатываемого СБ, от углового положения СБ относительно направления на Солнце, на фиг.3 - временные зависимости углового положения СБ и вырабатываемого ею тока при совпадении расчетного и фактического углов, на фиг.4 и 5 - временные зависимости углового положения СБ и вырабатываемого ею минимально допустимого тока при рассогласовании расчетного и фактического углов соответственно менее и более половины одного сектора круга вращения СБ.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
На этапе наземной подготовки КА к пуску определяют направление движения и угловую скорость вращения КА по орбите вокруг Земли. Для управления ориентацией СБ применяют ЭМП с закрепленной на его выходном СБ с установившейся угловой скоростью вращения на порядок и более превышающей угловую скорость вращения КА вокруг Земли, то есть
О
где ω - угловая скорость вращения КА вокруг Земли;
СБУ
ω - установившаяся угловая скорость СБ.
По паспортным данным или по результатам экспериментов на стендах определяют:
- значение установившейся угловой скорости вращения выходного вала ЭМП СБ;
- угол разгона СБ, как величину изменения углового положения нормали к рабочей поверхности СБ, начиная с момента начала рассогласования между заданным и расчетным углами, при котором формируется команда на вращение до момента достижения СБ установившейся угловой скорости;
- угол торможения, как величину изменения углового положения указанной нормали от момента прекращения рассогласования между заданным и расчетным углами, в результате которого формируется команда на прекращение вращения СБ до полного прекращения ее вращения;
- максимально возможное значение тока, которое может вырабатывать СБ;
- минимально допустимый ток, который должна вырабатывать СБ для обеспечения функционирования бортового оборудования КА.
Принимают в качестве расчетной установившуюся угловую скорость СБ, то есть
СБ
где ω - расчетная угловая скорость СБ.
Делят круг вращения СБ на равные угловые сектора, то есть
где σ - угловая величина сектора круга вращения СБ;
n - целое число.
При этом угловая величина сектора должна быть в диапазоне
РАЗГ
где α - угол разгона СБ;
ТОРМ
α - угол торможения СБ;
MAX
I - максимально возможный ток, вырабатываемый СБ;
MIN
I - минимально допустимый ток СБ.
Биссектрисе нулевого углового сектора должно соответствовать нулевое угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных к КА осей координат.
Определяют период вращения СБ, как
O
где T - период полного оборота КА вокруг Земли;
СБ
Т - период вращения СБ.
В процессе управления ориентацией СБ определяют угол между заданным и расчетным углами СБ, как
α
где Δ - угол между заданным и расчетным углами СБ;
СБ
α - расчетный угол СБ;
ЗАД
α - заданный угол СБ.
Задают порог отпускания, как угол между заданным и расчетным углами СБ, при достижении которого прекращается рассогласование и формируется команда на прекращение вращения СБ, при этом порог отпускания, а также углы разгона и торможения принимают равными друг другу, то есть
ОТП
где α - порог отпускания.
Задают порог срабатывания, как угол между заданным и расчетным углами СБ, при достижении которого появляется рассогласование и формируется команда на начало вращения СБ в диапазоне
СР
где α - порог срабатывания.
После выведения КА на заданную круговую орбиту начинают измерение тока, вырабатываемого СБ. Одновременно при помощи алгоритмов СУД непрерывно осуществляют определение углового положения проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат.
Перед началом управления производят начальную установку положения СБ, при этом выдают команду на вращение СБ в одном направлении по или против часовой стрелки. В момент достижения наибольшего тока и начала его снижения, до величины, например, ~90% от достигнутого наибольшего значения, выдают команду на прекращение вращения СБ. После этого расчетному углу СБ задают значение углового положения проекции единичного вектора направления на Солнце
СБ
где α - расчетное угловое положение СБ;
СБN
α - угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат.
СБN
Определяют заданный угол, как угловое положение биссектрисы сектора, в границах которого находится угловое положение проекции α, то есть
ЗАД
где α - заданный угол СБ;
i - номер углового сектора круга вращения СБ.
В момент появления рассогласования между заданным и расчетным углами СБ не менее порога срабатывания вращают ее по кратчайшему пути в направлении уменьшения угла между ними, выдавая соответствующую команду на вращение, то есть при
В момент прекращения рассогласования между заданным и расчетным углами СБ не более порога отпускания прекращают ее вращение, выдавая соответствующую команду на прекращение вращения, то есть при
Во время вращения СБ, с момента начала до момента прекращения рассогласования, производят вычисление расчетного угла, как
где j - шаг изменения заданного угла (целое число);
j
α - угловое положение СБ в момент начала вращения на j-м шаге изменения заданного угла;
j+1
α - угловое положение СБ после окончания вращения на j-м шаге изменения заданного угла;
j
t - время вращения СБ на j-м шаге изменения заданного угла;
СБ
ω - расчетная угловая скорость вращения СБ.
СБN
Во время полета КА по круговой орбите положение нормали α изменяется равномерно и непрерывно, при этом заданный угол в соответствии с уравнением [10] увеличивается или уменьшается дискретно с шагом в один сектор. В случае изменения заданного угла на один сектор появляется рассогласование и СБ начинает вращение, при этом производят вычисление расчетного угла СБ в соответствии с уравнением [13].
После прекращения рассогласования расчетный угол достигает значения заданного угла и, таким образом, изменяется на величину одного сектора.
При вращении в направлении увеличения заданного угла положение СБ после окончания вращения можно определить, как
Запоминают момент времени прекращения вращения СБ
ЗАП1
где t - запомненное значение времени на момент прекращения вращения СБ;
ТЕК
t - текущее время.
Запоминают момент времени достижения вырабатываемым СБ током наибольшего значения на интервале времени от момента прекращения до момента начала нового вращения СБ
ЗАП2
где t - запомненное значение времени на момент достижения током наибольшего значения;
СБ
I - текущее значение вырабатываемого СБ тока;
НЗj
I - наибольшее значение тока от момента прекращения j-го до момента начала (j+1)-го вращения СБ.
Запоминают момент времени начала нового (j+1)-го вращения СБ
ЗАП3
где t - запомненное значение времени на момент начала нового (j+1)-го вращения СБ.
Если ток, вырабатываемый СБ, достигает наибольшего значения в моменты окончания или начала следующего вращения, либо достигает на указанном интервале в любой момент времени величины менее минимально допустимого, то есть при
Учитывая, что в соответствии с уравнением [5] момент времени начала следующего (j+1)-го вращения отличается от момента окончания j-го вращения на величину периода вращения СБ
Поправку к расчетному углу вычисляют, как
где Δα - поправка к расчетному углу.
СБN
В случае, если угловое положение проекции α и, соответственно, вращение СБ осуществлялось на (j+1)-м вращении в направлении увеличения угла, то расчетный угол после окончания вращения увеличивают на величину поправки, то есть
СБN
В случае, если угловое положение проекции α и, соответственно, вращение СБ осуществлялось на (j+1)-м вращении в направлении уменьшения угла, то расчетный угол после окончания вращения уменьшают на величину поправки, то есть
Предлагаемый способ ориентации СБ КА по току может быть реализован при помощи алгоритмов БАСУ и средств наземного комплекса управления (НКУ). В моменты начала и окончания вращения СБ собранная на борту КА телеметрическая информация передается при помощи средств связи в НКУ. Указанная информация содержит привязанные ко времени данные об угловом положении проекции единичного вектора направления на Солнце, заданный и расчетные углы СБ, а также информацию о величине вырабатываемого СБ тока. Из НКУ передаются команды на установку СБ в начальное положение, а также значения угловых поправок к расчетному углу.
На фиг.1 представлены положения КА на орбите Земли, где:
1 - Земля;
2 - круговая орбита КА;
3 - излучение от Солнца;
4 - теневой участок орбиты;
5 - условное изображение КА на момент окончания вращения СБ;
6 - положение КА на момент середины интервала времени между вращениями СБ;
7 - положение КА на момент начала следующего вращения СБ;
8 - солнечная батарея;
1
2
3
N, N, N - проекции единичных векторов направлений на Солнце на плоскости вращения нормалей к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат в позициях 5, 6, 7 КА;
X, Y, Z - связанные с КА оси координат:
Х - ось КА по каналу рыскания,
Y - ось КА по каналу крена,
Z - ось КА по каналу тангажа;
О
ω - угловая скорость вращения КА вокруг Земли;
СБ
ω - расчетная угловая скорость вращения СБ;
СБ1
СБ2
СБ3
N, N, N - текущие положения нормали к рабочей поверхности СБ в моменты окончания вращения, середины интервала времени между вращениями и в момент начала следующего вращения СБ соответственно;
СБ1
Δα - угловое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость ее вращения, соответствующее положению СБ на момент отставания нормали от проекции на половину сектора;
СБ2
Δα - нулевое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления проекции единичного вектора на Солнце;
СБ3
Δα - угловое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость ее вращения, соответствующее положению СБ на момент опережения нормалью направления проекции на половину сектора.
О
СБ1
СБ2
СБ3
1
2
3
СБ1
СБ2
СБ3
СБ
О
На фиг.1 показаны три положения 5, 6, 7 КА, которые он может занимать во время полета по круговой орбите 2 Земли 1. При этом он вращается с орбитальной угловой скоростью ω, направленной против часовой стрелки. Ось Х (рыскания) связанных с КА осей координат X, Y, Z направлена от центра Земли. На борту КА установлена солнечная батарея 8 (в положении КА 6, ось вращения которой совпадает с осью Z (тангажа), при этом плоскость, образованная вращением нормали к рабочей поверхности СБ N, N, N (в положениях КА 5, 6, 7), параллельна плоскости, образованной осями Х (рыскания) и Y (крена) связанных с КА осей координат, которая параллельна плоскости орбиты 2. Проекции единичного вектора направления на Солнце N, N, N на плоскость, образованную вращением нормали к рабочей поверхности N, N, N (в положениях КА 5, 6, 7), направлены навстречу излучения от Солнца 3. Во время полета по орбите Земли КА периодически входит в теневой участок орбиты 4. В процессе полета осуществляется периодическое вращение СБ. При достижении порога срабатывания СБ начинает вращение вокруг оси Z (тангажа) с угловой скоростью ω на порядок и выше угловой скорости вращения КА ω вокруг Земли. При достижении порога отпускания СБ прекращает вращение.
СБ1
1
СБ1
СБ1
СБ1
В положении КА 5 показано направление нормали к рабочей поверхности СБ N на момент прекращения ее вращения. При этом рассогласование между проекцией N и нормалью N соответствует углу Δα. В указанном положении нормаль к рабочей поверхности СБ N опережает положение проекции единичного вектора направления на Солнце N.
СБ2
2
2
СБ2
СБ2
В положении КА 6 показано положение нормали к рабочей поверхности СБ N, совпадающей с положением проекции единичного вектора направления на Солнце N. При этом рассогласование между проекцией N и нормалью N соответствует нулевому значению угла, то есть Δα=0. СБ в данном положении вырабатывает наибольший ток.
СБ3
3
СБ3
СБ3
СБ3
3
В положении КА 7 показано направление нормали к рабочей поверхности СБ N на момент начала ее вращения. При этом рассогласование между проекцией N и нормалью N соответствует углу Δα. В указанном положении нормаль к рабочей поверхности СБ N отстает от положения проекции единичного вектора направления на Солнце N.
На фиг.2 показана зависимость тока, вырабатываемого СБ, от углового положения СБ относительно направления на Солнце, где:
9 - круг вращения СБ;
10 - положение СБ на момент отставания от заданного угла на величину половины сектора;
11 - положение СБ на момент опережения заданного угла на величину половины сектора;
12 - положение СБ на момент отклонения от направления на Солнце на величину, соответствующую минимальному значению тока;
13 - положение СБ на момент отклонения от направления на Солнце на величину соответствующую значению тока менее минимально допустимого для обеспечения работоспособности бортового оборудования;
N - проекция единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат;
СБ
ω - угловая скорость вращения СБ;
σ - угловая величина одного сектора круга вращения СБ;
СБ
I - ток, вырабатываемый СБ;
СБ
Δα - величина углового рассогласования между направлением нормали к рабочей поверхности СБ и проекцией единичного вектора направления на Солнце на плоскость ее вращения;
СБ1
СБ3
I, I - токи, вырабатываемые СБ, соответствующие отклонениям СБ от направления на Солнце на половину сектора;
СБ2
I - наибольший ток, вырабатываемый СБ при совпадении нормали к рабочей поверхности СБ с направлением на Солнце;
MIN
I - минимально допустимый ток, который должна вырабатывать СБ для обеспечения работоспособности бортового оборудования;
СБ4
I - ток, менее минимально допустимого для обеспечения работоспособности бортового оборудования;
СБ1
Δα - угловое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость ее вращения, соответствующее положению СБ на момент отставания нормали от проекции на половину сектора;
СБ2
Δα - нулевое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления проекции единичного вектора на Солнце;
СБ3
Δα - угловое отклонение нормали к рабочей поверхности СБ от направления проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость ее вращения, соответствующее положению СБ на момент опережения нормалью направления проекции на половину сектора;
MIN
Δα - угловое отклонение СБ от направления на Солнце, соответствующее положению СБ на момент вырабатывания минимально допустимого тока;
4
Δα - угловое отклонение СБ от направления на Солнце на момент вырабатывания тока менее минимально допустимого.
СБ
СБ
СБ1
СБ1
СБ2
СБ2
СБ3
СБ3
MIN
СБ4
СБ4
На фиг.2 представлена зависимость вырабатываемого СБ тока I от угла рассогласования Δα между положениями нормали к рабочей поверхности СБ и проекции единичного вектора направления на Солнце N на плоскость ее вращения. Во время полета КА по заданной орбите СБ периодически вращается с угловой скоростью ω, при этом нормаль к ее рабочей поверхности изменяет положение относительно центра круга 9 на угол, равный величине одного сектора σ. В положении 10 эта нормаль отстает от положения проекции N на величину половины сектора σ, то есть Δα=-0,5·σ, что соответствует вырабатываемому СБ току I. При совпадения нормали с проекцией вектора направления на Солнце N, то есть при Δα, СБ вырабатывает наибольший ток I. В положении 11 нормаль к рабочей поверхности СБ опережает положение проекции направления на Солнце на величину половины сектора σ, то есть Δα=+0,5·σ, что соответствует току I. В положении 12 нормаль к рабочей поверхности СБ опережает положение проекции направления на Солнце на величину, соответствующую минимально допустимому значению тока I. В положении 13 нормаль к рабочей поверхности СБ опережает положение проекции направления на Солнце на угол Δα, соответствующее значению тока I менее минимально допустимого.
На фиг.3 представлены временные зависимости углового положения СБ и вырабатываемого ею тока при совпадении расчетного и фактического углов, где:
14-20 - моменты времени t изменения состояний (или положений??) СБ:
14, 16, 18, 20 - моменты времени, соответствующие отклонениям СБ от направления на Солнце на половину сектора;
15, 17, 19 - моменты времени, соответствующие совпадению нормали к рабочей поверхности СБ с направлением на Солнце;
СБN
α - угловое значение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат;
ЗАД
α - заданный угол СБ;
СБФ
α - фактический угол СБ;
СБР
α - расчетный угол СБ;
σ - сектора круга вращения СБ;
СБ11
I - ток, вырабатываемый СБ при отставании положения нормали к рабочей поверхности СБ от направления на Солнце на половину углового сектора σ;
СБ12
I - наибольший ток СБ, при совпадении нормали к рабочей поверхности СБ с проекцией направления на Солнце на плоскость ее вращения;
СБ13
I - ток, вырабатываемый СБ при опережении положения нормали к рабочей поверхности СБ направления на Солнце на половину углового сектора σ;
MIN
I - минимально допустимый ток;
СБ
Т - период вращения СБ;
Δτ - время вращения СБ;
СБ11
СБ12
СБ13
СБ14
СБ15
α, α, α, α, α - углы, соответствующие различным положениям СБ.
СБ
СБФ
СБN
СБN
СБ11
СБ13
ЗАД
СБ11
ЗАД
СБ11
СБ13
ЗАД
СБ
СБ11
СБ13
СБN
СБ
СБФ
СБN
СБ
СБФ
СБ12
СБ12
СБ13
СБN
СБ13
СБ14
СБN
СБ
СБФ
СБ12
СБ13
СБ14
СБ15
СБ12
В представленном на фиг.3 варианте расчетный α и фактический α угловые положения СБ приблизительно совпадают. Угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ α изменяется в направлении увеличения. При достижении проекцией α соответствующих угловых значений I и I, в моменты времени 14 и 18 заданный угол α изменяется на величину углового сектора σ. В момент времени 14 СБ вырабатывает ток I, при этом заданный угол α изменяет свое значение с α до α. Рассогласование между заданным α и расчетным α углами СБ в момент изменения достигает порога срабатывания, после чего СБ начинает движение из положения α до положения α. В момент времени, соответствующий точке 15, угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце α совпадает с расчетным α и фактическим α углами, то есть α=α=α=α, при этом СБ вырабатывает наибольший ток I, а в момент времени 16 - минимальный ток I. С момента 16 до момента 18 угловое положение проекции α изменяется на величину углового сектора σ от угла α до угла α. В момент времени 17 угловое положение проекции α, расчетное α и фактическое α угловые положения СБ совпадают, при этом СБ вырабатывает наибольший ток I. В момент времени 18 СБ начинает вращение из положения α до положения α в точке 20, при этом в точке 19 в момент достижения угла α СБ вырабатывает наибольший ток I.
СБN
Таким образом, угловое положение проекции α смещается на величину одного углового сектора σ за один период вращения СБ ТСБ, который можно определить, как
СБФ
Фактическое угловое положение СБ α смещается на величину одного углового сектора σ за время вращения СБ Δτ, которое можно определить, как
где Δτ - время вращения СБ;
СБ
ω - расчетная угловая скорость СБ.
СБ
O
СБ12
СБ
В соответствии с неравенством (1) угловая скорость вращения СБ ω на порядок и более превышает орбитальную угловую скорость КА ω, поэтому время вращения СБ Δτ при расчетах можно не учитывать. Таким образом, в течение одного периода вращения СБ от момента 16 до момента 18 наибольший ток I вырабатывается в момент времени 17, приблизительно в середине периода вращения СБ Т.
На фиг.4 представлены графики соответствия углов и тока, вырабатываемого СБ, при котором он достигает минимально допустимого значения при рассогласовании расчетного и фактического углов менее половины одного сектора круга вращения СБ.
На фиг.4 представлены временные зависимости углового положения СБ и вырабатываемого ею минимально допустимого тока при рассогласовании расчетного и фактического углов менее половины одного сектора круга вращения СБ, где:
СБN
α - угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
ЗАД
α - заданное угловое положение СБ;
СБФ
α - фактическое угловое положение СБ;
СБ
α - расчетное угловое положение СБ;
21-29 - моменты времени t изменения положений СБ;
21, 26 - моменты времени, соответствующие началам вращения СБ;
23, 28 - моменты времени, соответствующие окончаниям вращения СБ;
22, 25, 27 - моменты времени, соответствующие совпадениям нормали к рабочей поверхности СБ с направлением на Солнце;
29 - момент времени коррекции расчетного угла;
σ - угловая величина одного сектора круга вращения СБ;
СБ21
I - ток, вырабатываемый СБ на момент начала вращения;
СБ22
I - максимальный ток, вырабатываемый СБ, соответствующий совпадению нормали к рабочей поверхности СБ с проекцией направления на Солнце на плоскость ее вращения;
СБ23
I - ток, вырабатываемый СБ на момент окончания вращения;
MIN
I - минимально допустимый ток;
СБ
Т - период вращения СБ;
Δτ - время вращения СБ;
СБ1
Δα - рассогласование между фактическим и расчетным угловым положением СБ до коррекции;
ЗАД21
ЗАД22
ЗАД23
α, α, α - заданные и расчетные угловые положения СБ;
СБ21
СБ22
СБ23
СБ24
СБ25
α, α, α, α, α - фактические угловые положения СБ.
MIN
СБ
СБФ
СБ2
СБ2
СБN
СБ21
ЗАД
ЗАД21
ЗАД22
СБ
ЗАД
СР
СБФ
СБ21
СБ23
СБ23
MIN
СБ22
ЗАД
СБФ
СБ22
СБФ
СБ23
СБ
СБФ
СБ1
СБN
На фиг.4 ток, вырабатываемый СБ, достигает величины менее минимально допустимого значения I в момент прекращения вращения, при отставании расчетного углового положения СБ α от фактического α на величину Δα менее половины углового сектора σ, то есть при Δα<0,5·σ. В приведенном примере угловое положение α проекции единичного вектора направления на Солнце изменяет свое значение в направлении увеличения угла. В момент времени 21 СБ вырабатывает ток α, при этом заданный угол α изменяется на величину одного сектора σ со значения α до α, одновременно с этим величина угла рассогласования между расчетным α и заданным α углами начинает превышать порог срабатывания α, в связи с чем формируется команда и СБ начинает вращение в направлении увеличения угла. В процессе вращения фактическое угловое положение СБ α изменяется от значения α в момент 21 до α в момент 23, в котором СБ вырабатывает минимальное значение тока I, менее минимально допустимого значения I. Во время вращения в момент времени 22 СБ вырабатывает максимальный ток I, так как заданный α и фактический α углы совпадают, что соответствует угловому положению α. После достижения в момент 23 фактическим углом α значения Iα до момента 26 расчетное угловое положение СБ α отстает от фактического α на величину рассогласования Δα. В течение интервала времени от момента 23 до момента 26 угловое положение проекции α изменяется на величину одного углового сектора σ.
В момент времени 23 окончания вращения СБ запоминают значение времени, то есть
ЗАП1
где t - запомненное значение времени на момент окончания вращения СБ;
23
t - время, соответствующее моменту окончания вращения 23.
СБ22
СБN
СБФ
После этого осуществляют измерение тока СБ и запоминают момент времени 25, соответствующий достижению наибольшего значения тока I, которое вырабатывается в момент совпадения углового положения проекции α и фактического угла α, как
ЗАП2
где t - запомненное значение времени совпадения углового положения проекции и фактического угла;
25
t - время, соответствующее моменту достижения током максимального значения.
СБN
СБ
СБ1
Учитывая равномерный, линейный характер изменения углового положения проекции α, заданный и расчетный углы совпадают на середине периода вращения СБ Т, при этом время вращения Δτ СБ при расчетах можно не учитывать в соответствии с уравнениями (1, 23, 24). Далее определяют разность Δt
СБ1
где Δt - разность между запомненными значениями времени;
25
t - время, соответствующее моменту времени 25;
23
t - время, соответствующее моменту времени 23;
СБ
Т - период вращения СБ.
СБ1
СБ
Угловую поправку Δα, на которую необходимо откорректировать расчетное угловое положение СБ α, вычисляют как
СБ1
где Δα - угловая поправка к расчетному углу;
O
ω - угловая орбитальная скорость КА;
СБ1
Δt - разность между запомненными значениями времени в моменты 25 и 24.
СБ
СБ1
В момент 29 расчетный угол α корректируют на величину поправки Δα, при этом его значение становится приблизительно равным значению фактического угла, то есть
СБР(j)
где α - значение расчетного угла до корректировки;
СБР(j+1)
α - значение расчетного угла после корректировки;
СБ1
Δα - угловая поправка к расчетному углу;
СБФ
α - фактический угол.
После коррекции расчетного угла на последующих периодах вращения СБ графики углов и тока, вырабатываемого СБ, будут соответствовать фиг.3.
На фиг.5 представлены графики соответствия углов и тока, вырабатываемого СБ, при котором ток достигает минимально допустимого значения при рассогласовании расчетного и фактического углов более половины одного сектора круга вращения СБ.
На фиг.5 представлены временные зависимости углового положения СБ и вырабатываемого ею минимально допустимого тока при рассогласовании расчетного и фактического углов более половины одного сектора круга вращения СБ, где:
CБN
α - угловое положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к рабочей поверхности СБ;
ЗАД
α - заданное угловое положение СБ;
СБФ
α - фактическое угловое положение СБ;
СБ
α - расчетное угловое положение СБ;
30-35 - моменты времени t изменения состояний (или положений??) СБ:
30, 33 - моменты времени, соответствующие отклонениям СБ от направления на Солнце в моменты начала вращения СБ;
31, 34 - моменты времени, соответствующие отклонениям СБ от направления на Солнце в моменты окончания вращения СБ;
35 - момент коррекции расчетного угла;
σ - угловая величина одного сектора круга вращения СБ;
MAX
I - максимальный ток, вырабатываемый СБ, соответствующий совпадению нормали к рабочей поверхности СБ с проекцией направления на Солнце на плоскость ее вращения;
MIN
I - минимально необходимое значение тока для обеспечения работоспособности бортового оборудования;
СБ31
I - ток, вырабатываемый СБ на момент начала вращения;
СБ32
I - ток, вырабатываемый СБ на момент окончания вращения;
СБ
Т - период вращения СБ;
Δτ - время вращения СБ;
СБ2
Δα - рассогласование между фактическим и расчетным угловым положением СБ до коррекции;
СБ3
Δα - рассогласование между фактическим и расчетным угловым положением СБ после коррекции;
ЗАД31
ЗАД32
ЗАД33
α, α, α - заданные угловые положения СБ;
СБ31
СБ32
СБ33
СБ34
α, α, α, α - фактические угловые положения СБ.
СБ
СБФ
СБ2
СБ2
ЗАД
СБ31
СБ32
СБ32
СБ33
ЗАД
СБ
СБ
ЗАД
ЗАД31
ЗАД33
ЗАД32
ЗАД33
СБФ
СБ31
СБ32
СБ32
СБ33
СБ
ЗАД
ЗАД31
СБ31
MAX
СБ2
СБ32
MIN
СБ2
На фиг.2 ток, вырабатываемый СБ, достигает максимальной величины в момент начала вращения, при отставании расчетного углового положения СБ α от фактического α на величину Δα более половины углового сектора σ, то есть при Δα>0,5·σ. При этом минимально допустимое значение тока не достигается. В момент 30 заданный угол α изменяется со значения α до α, а в момент 33 - со значения α до α, при этом наблюдается рассогласование заданного α и расчетного α углов на величину более порога срабатывания, то есть выполняется условие неравенства (12). Одновременно с этим выдается команда, после которой СБ начинает вращение. При достижении порогов отпускания, в соответствии с уравнением (13) в моменты 31 и 34 соответственно, СБ прекращает вращение. До начала вращения в моменты 30 и 33 значение расчетного угла α приблизительно совпадает с заданным α, что соответствует угловым значениям α и α. После окончания вращения СБ, в моменты 31 и 33 он приблизительно совпадает со значениями заданного угла α и α соответственно. Фактические углы α в моменты 30 и 33, до начала вращения СБ, равны, соответственно, значениям α и α, а в моменты 31 и 33, после окончания вращения, - значениям α и α. В момент времени 32 расчетный угол α совпадает с заданным α и равен α, при этом в момент времени 33, совпадающий с началом вращения СБ, вырабатывается наибольшее значение тока I, менее максимально возможного I. Рассогласование между фактическим и заданным углами в диапазоне времени 31-33 имеет фиксированную величину Δα более половины углового сектора σ. В моменты окончания вращения СБ вырабатывает ток I, не достигающий минимально допустимого значения I. Учитывая, что величиной времени вращения СБ Δτ можно пренебречь, разность Δt между запомненными значениями времени в моменты 33 и 32 составляет величину
СБ1
33
32
СБ
СБ
СБ2
где Δt - разность между запомненными значениями времени, t - время, соответствующее моменту времени 33, t - время, соответствующее моменту времени 32, Т - период вращения СБ. В момент 35 расчетный угол d корректируют на величину поправки Δα
СБ(j)
где α - значение расчетного угла до корректировки;
СБ(j+1)
α - значение расчетного угла после корректировки;
СБ2
Δα - угловая поправка к расчетному углу.
MIN
В случае, если на последующем периоде вращения СБ наблюдается значение тока, вырабатываемого СБ менее минимально допустимого значения I, либо ток достигает максимального значения в моменты выдачи команды на вращение или на прекращение вращения СБ. Соответственно в случае прекращения или появления рассогласований между заданным и расчетным углами повторяют указанные выше действия, по запоминанию моментов времени и корректировке расчетного угла. Прекращают выполнение указанных действий, связанных с корректировкой расчетного угла в случае, если ток, вырабатываемый СБ, не снижается менее минимально допустимого значения, а наибольшее значение тока достигается на интервале времени между вращениями СБ.
Следует отметить, что в результате воздействия во время полета КА по заданной орбите на аппаратуру управления и поверхность СБ различных внешних факторов: излучений, перепадов температур, микрометеоритов, статических зарядов и других со временем наблюдается снижение эффективности СБ, результатом которого является снижение тока. Кроме того, наибольший ток, который вырабатывает СБ, может изменяться в течение времени из-за постепенного изменения положения плоскости вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно плоскости орбиты. Предлагаемый способ позволяет обеспечивать правильную ориентацию СБ КА на Солнце по току, без использования информации об угловом положении СБ от датчика угла, в случае его отказов или сбоев, а также в случае изменения положения плоскости вращения нормали к рабочей поверхности СБ относительно плоскости орбиты со временем, что повышает живучесть и увеличивает сроки эксплуатации системы управления положением СБ, а следовательно, и КА в целом.
Источники информации
1. Патент РФ RU 2356788 C1, B64C 1/00, 28.12.2007 г.