КОМПЛЕКС НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Техническое решение относится к устройствам наземной отработки и тестирования приборов, аппаратуры и систем ориентации и навигации космического аппарата (КА) и предназначено для использования на Земле как в рамках более крупных комплексов отработки, так и автономно.
Комплекс, позволяющий в лабораторных условиях моделировать движение КА, решает многие задачи тестирования и навигации КА. В системах управления КА используются различные способы определения ориентации КА - относительно Солнца, Земли, Луны, планет и звезд. Одним из таких способов является определение ориентации КА по изображениям участков небесной сферы, регистрируемых матричным фотоприемником звездного датчика. При имитации астроориентации происходит «замена» реальных небесных тел небесной сферы их изображениями, выведенными на экран цифрового монитора, при этом, имитируется кинематика и динамика движения КА. При функционировании комплекса предусматриваются различные возможные случаи, которые могут произойти с КА во время работы в открытом космосе. Так вокруг КА за счет процессов газовыделения и сублимации материалов в вакууме формируется газопылевое облако, представляющее собой собственную внешнюю атмосферу КА. Туда входят твердые частицы, отрывающиеся от поверхности аппарата, продукты выхлопа двигателей, газы и твердые частицы, попадающие в космическое пространство за счет утечек из внутренних отсеков КА. Из-за рассеяния прямого солнечного света и света, отраженного от элементов конструкции КА и от Земли, на частицах газопылевого облака происходит увеличение светового фона в окрестности КА. Яркость свечения отдельных крупных частиц в газопылевом облаке может быть близка к яркости звезд первой и нулевой звездной величины. При попадании таких «псевдозвезд» в поле зрения звездных датчиков могут происходить сбои в определении ориентации КА.
Известно устройство наземной отработки и тестирования приборов, аппаратуры и систем ориентации и навигации КА [1], состоящее из имитатора звездного неба, которое обеспечивает возможность автономных проверок программного обеспечения звездных датчиков. Известное устройство не обеспечивает возможность комплексных проверок звездных датчиков в составе системы управления КА.
Известно устройство наземной отработки и тестирования приборов [2] содержащее имитатор излучения планет и Луны. Однако, данное устройство не позволяет моделировать динамические характеристики во время полета КА.
Известно устройство наземной отработки и тестирования приборов, аппаратуры и систем ориентации и навигации КА [3], состоящее из интерфейса управления с системой коммутации и связи. Однако, известное устройство не обеспечивает имитацию полета КЛ при наземной отработке.
Наиболее близким техническим решением является комплекс наземной отработки систем ориентации b навигации КЛ [4], состоящий из интерфейса управления с системой коммутации и связи, динамического модуля в виде вращающейся платформы с возможностью поворота но трем взаимноперпендикулярным осям, имитатора Солнца и имитаторов небесных тел, в том числе Земли. Однако, данное устройство не позволяет проводить комплексную отработку элементов системы управления ориентацией и навигацией КА.
Задачей технического решения является выбор условий управления, позволяющих проводить комплексную отработку элементов системы управления ориентацией и навигацией КА, как по предварительно заданным алгоритмам, так и в режиме реального времени.
Технический результат состоит в том, что заявленное техническое решение позволяет расширить диапазон задач, решаемых при комплексной наземной отработке системы управления ориентацией и навигацией КА, путем использования большого количества имитаторов и более сложного алгоритма управления ими. При этом достигается уменьшение временных затрат при проведении наземной отработки.
Поставленная задача решается следующим образом. В известном комплексе наземной отработки систем ориентации и навигации КА состоящем из интерфейса управления, с системой коммутации и связи, динамического модуля в виде вращающейся платформы, с возможностью поворота по трем взаимноперпендикулярным осям, имитатора Солнца и имитаторов небесных тел, в том числе Земли, согласно полезной модели, комплекс содержит систему моделирования полета КА в космическом пространстве, систему визуализации, систему моделирования нештатных ситуаций, систему моделирования природных помех, систему управления имитаторами, имитатор сигналов спутниковых навигационных систем, внешние интерфейсы связи, причем имитаторы небесных тел содержат имитаторы звездного неба, планет и Луны, а интерфейс управления связан с системой визуализации, система моделирования нештатных ситуаций и система моделирования природных помех связаны с системой моделирования полета КА в космическом пространстве, которая взаимосвязана с интерфейсом управления и внешними интерфейсами связи и связана с системой управления имитаторами, связанной с имитаторами звездного неба, с динамическим модулем, с имитаторами Солнца и имитаторами планет, в том числе Земли и Луны и с имитаторами сигналов спутниковых навигационных систем.
Кроме того, для повышения оптического разрешения имитатором звездного неба является изображения на экране цифрового монитора.
Техническая сущность предложенного решения поясняется чертежом, где представлена структурная схема комплекса наземной отработки ориентации и навигации КА. Комплекс наземной отработки систем ориентации и навигации КА, содержит интерфейс управления - 1, систему визуализации - 2, систему моделирования нештатных ситуаций - 3, систему моделирования естественных (природных) помех - 4, систему коммутации и связи - 5, где соединение типа Ethernet, MIL или RS - 5а, соединение типа Wi-Fi - 5б, внешние связи - 5в, внешние интерфейсы связи - 6, систему моделирования полета КА в космическом пространстве - 7, систему управления имитаторами - 8, имитаторы звездного неба - 9, имитаторы Солнца - 10, имитаторы планет, в том числе Земли и Луны - 11, динамический модуль - 12, имитатор сигналов спутниковых навигационных систем - 13. Через внешние связи 5в комплекс наземной отработки систем ориентации и навигации КА связан с тестируемым КА - 14, который состоит, в том числе, из системы управления ориентацией навигации - 15, связанной с аппаратурой навигации и ориентации - 16, а именно со звездными датчиками - 17, гироскопами - 18, солнечными датчиками - 19, датчиками планет (в том числе Земли и Луны) - 20, приемниками GPS -21. Всем комплексом управляет оператор 22. Причем, интерфейс управления 1 связан с системой визуализации 2, связанной с оператором 22, который через интерфейс управления 1 может управлять всем комплексом, причем система моделирования нештатных ситуаций 3 и система моделирования естественных (природных) помех 4 связаны с системой моделирования полета КА в космическом пространстве 7, которая взаимосвязана связана с интерфейсом управления 1 и внешними интерфейсами связи 6, а также связана с системой управления имитаторами 8, связанной с имитаторами звездного неба 9, которые через оптико-механическое соединения связаны со звездными датчиками 17, кроме того, система управления имитаторами 8, связанна динамическим модулем 12 механически соединенного с гироскопами 18, а также связана с имитаторами Солнца 10, которые оптико-механически соединены с солнечными датчиками 19, а также связана с имитаторами планет (в том числе Земли и Луны) 11, которые оптико-механически соединены с датчиками планет (в том числе Земли и Луны) 20, а также связана с имитаторами сигналов спутниковых навигационных систем 13, которые через радиоканалы соединены с приемниками GPS (Глонасс) 21. Интерфейс управления 1 предназначен для ввода исходных данных об отрабатываемом (тестируемом) объекте и условиях его функционирования в космическом пространстве. В качестве исходных данных оператором 22 могут быть заданы орбитальные параметры, условия внешней среды, данные о взаимной ориентации осей измерительных систем координат приборов, входящих в систему управления КА, конфигурация отрабатываемой бортовой аппаратуры ориентации и навигации, перечень нештатных ситуаций и т.п. Система визуализации 2 предназначена для визуализации работы комплекса в целом и его отдельных частей по запросу оператора 22. Исходные данные приходят от интерфейса управления 1 по запросу оператора 22. Система моделирования нештатных ситуаций 3 предназначена для моделирования возможных нештатных ситуаций с бортовой аппаратурой ориентации и навигации КА. Моделируемые нештатные ситуации включают в себя выход из строя одного или нескольких приборов, неправильные показания одного или нескольких приборов и т.п. Система моделирования естественных (природных) помех 4 предназначена для моделирования возможных естественных (природных) помех, влияющих на функционирование бортовой аппаратуры ориентации и навигации КА, с целью отработки алгоритмов функционирования системы управления КА в условиях воздействия таких помех. Моделируемые естественные (природные) помехи включают в себя засветку полей зрения оптико-электронных приборов, эффекты воздействия на приборы заряженных частиц космического пространства, частиц собственной внешней атмосферы КА и т.п. Внешние интерфейсы связи 6 предназначены для подключения внешних систем через системы коммутации и связи 5, которые предназначены для связи и коммутации отдельных элементов комплекса в единое целое. Представляют собой сочетание кабельной и беспроводной сети с управляющими и транслирующими элементами (роутеры, коммутаторы и др.) и используют интерфейсы Ethernet, Wi-fi, MIL или RS и используются для передачи целевой информации в систему моделирования полета КА в космическом пространстве 7 в режиме постоянной или разовой передачи данных по заранее подготовленному протоколу передачи. Система моделирования полета КА в космическом пространстве 7 предназначена для получения исходных данных об отрабатываемом (тестируемом) объекте, параметров ориентации и положения КА на орбите и т.п.либо от оператора 22, в режиме ручного ввода через интерфейс управления 1, либо с помощью внешних интерфейсов связи 6 от подключенной системы управления отрабатываемого (тестируемого) КА 14 с последующей обработкой данных и выдачей информации для системы управления имитаторами 8. Обработка данных включает пересчет полученных координат и параметров орбиты, имитацию нештатных ситуаций, моделирование воздействия естественных (природных) помех и др. При этом выходной информацией является последовательность и количество задействованных имитаторов, параметры орбитального движения КА, перечень имитируемых нештатных ситуаций, параметры моделируемых естественных (природных) помех и др. Система управления имитаторами 8 предназначена для получения информации от системы моделирования полета КА в космическом пространстве 7 с последующей выдачей данных на имитаторы, синхронизации работы подключенных имитаторов. Данные включают в себя информацию о задействованных имитаторах, о моделируемых орбитальных параметрах, перечень имитируемых нештатных ситуаций, характеристики моделируемых естественных (природных) помех и др. Имитатор звездного неба 9 представляет собой устройство, монтируемое на звездный датчик 17 таким образом, чтобы изображение небесной сферы на экране жидкокристаллического монитора имитатора располагалось в поле зрения звездного датчика 17. Моделирование звездного неба осуществляется с учетом параметров орбитального движения КА и каталогов звезд, охватывающих всю небесную сферу. Имитатор Солнца 10 представляет собой устройство, монтируемое на солнечный датчик 19, и включает в свой состав ИК-имитатор Солнца (боковой помехи), имитатор Солнца (астроориентира) и имитатор Солнца (боковой помехи) видимого диапазона. Имитация солнечного излучения осуществляется с учетом параметров орбитального движения КА. Имитатор планет (в том числе Земли и Луны) 11, представляет собой устройство, монтируемое на датчик планет 20, и включает в свой состав имитатор Земли-атмосферы-космоса инфракрасного (ИК) диапазона, имитатор Земли видимого диапазона, имитатор планет видимого диапазона. Имитация излучения от планеты осуществляется с учетом параметров орбитального движения КА. Динамический модуль 12 представляет собой взаимоперпендикулярную трехосную вращающуюся платформу и предназначен для реализации углового движения с помощью датчиков угловых скоростей (ДУС), интегрированных в звездные датчики или блоков гироскопов, входящих в состав системы управления КА. Управление платформой ведется по специальной программе на основе полученных данных об угловом движении КА, поступающих от системы управления имитаторами 8. При установке на платформу звездных датчиков, интегрированных с ДУС, на имитаторах звездного неба 9 будет моделироваться движение небесной сферы, соответствующее угловому движению трехосной платформы. Синхронизация параметров движения динамического модуля и моделируемых параметров движения звезд на имитаторах звездного неба осуществляется в системе управления имитаторами 8. Имитатор сигналов спутниковых навигационных систем 13 представляет собой электронный модуль, подключаемый к персональному компьютеру и управляемый с помощью специального программного обеспечения. Позволяет имитировать в лабораторных условиях сигналы спутников Глонасс и GPS с учетом параметров орбитального движения КА, поступающих от системы управления имитаторами 8.
Комплекс наземной отработки систем ориентации и навигации КА позволяет в режиме реального времени:
- имитировать орбитальное движение космического аппарата;
- моделировать воздействие внешних условий космического пространства на бортовую аппаратуру ориентации и навигации;
- проверять работу бортовой аппаратуры ориентации и навигации, как в автономном, так и в комплексном режимах;
- проводить отработку программно-алгоритмического обеспечения бортовой аппаратуры ориентации и навигации КА;
- моделировать наступление нештатных ситуаций в работе бортовой аппаратуры ориентации и навигации КА и разрабатывать методы преодоления подобных ситуаций.
- контроль реакции системы на нештатные ситуации.
Литература:
1. Воронков С.В. «Применение стенда динамических испытаний в задачах отработки астронавигационных приборов». М. Препринт. ИКИ РАН. Пр-2068, 2002.
2. Авторское свидетельство СССР №1066891, B64G 7/00. Имитатор излучения планет и Луны.
3. Патент РФ №2245825, МКИ B64G 5/00, от 10.02.2005. «АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОТРАБОТКИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВЕРОК И ПОДГОТОВКИ К ПУСКУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»
4. Заявка на изобретение США №2009/0222153, от 3.09.2009. «Способ и устройство для определения и контроля положения вращающегося искусственного спутника относительно инерциальной системы координат».