Способ межзвездной навигации космического корабля
METHOD OF SPACECRAFT INTERSTELLAR NAVIGATION

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в бортовых системах межзвездной навигации космических аппаратов (КА) для определения автономных оценок орбиты и ориентации КА.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2318188, МПК G01С 21/24, 2006 год, «Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов» (Кузнецов В.И., Данилова Т.В.). Изобретение относится к бортовой системе управления космическими аппаратами (КА) для автономной оценки орбиты и ориентации корпуса КА. Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов заключается в компьютерном расчете положения в трехмерном пространстве орта радиус-вектора опорной (расчетной, априори полагаемой) орбиты, жестком закреплении оптико-электронного прибора на корпусе КА и измерении в нем координат и яркости звезд, попавших в поле зрения в моменты навигационных сеансов. Технический результат: увеличение числа решаемых задач, расширение возможностей среды применения способа для любых орбит, уменьшение количества измерительных приборов и массогабаритных характеристик бортовой системы управления КА. Недостаток изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2454631, МПК G01С 21/02, 2010 год, «Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов на основе виртуальных измерений зенитных расстояний звезд» (Кузнецов В.И., Данилова Т.В., Косулин Д.М.). Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в бортовых системах управления космическими аппаратами (КА) для определения автономных оценок орбиты и ориентации КА. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата осуществляют определение положения КА в трехмерном пространстве орта радиус-вектора и других элементов опорной (расчетной, априори полагаемой) орбиты движения КА на основе использования информации, поступающей от оптико-электронных приборов (ОЭП), закрепленных на корпусе КА. Минимальное число требуемых ОЭП - три, из них два помещаются в карданные подвесы для визирования оптимальным образом выбранных наиболее ярких звезд небесной сферы, один ОЭП жестко соединяется с корпусом КА, в нем измеряются координаты и яркости звезд, попавших в поле зрения в моменты навигационных сеансов, и распознается самая яркая (рабочая) звезда. Недостаток изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент 2453813, МПК G01С 21/24, 2011 год, «Способ навигации космического аппарата по небесным источникам периодического излучения» (Авраменко А.Е.). Изобретение относится к космической навигации и может быть использовано в системах получения информации о навигационных параметрах космического аппарата по небесным источникам периодического излучения, например пульсарам. Техническим результатом является повышение эффективности измерения навигационных параметров, повышение точности определения вектора текущего состояния и контроля результатов корректирующих маневров космического аппарата по наблюдениям периодического импульсного излучения пульсаров. Согласно изобретению способ навигации космического аппарата по импульсам излучения пульсаров включает определение совокупности интервалов импульсов пульсаров независимо на бортовом и наземном телескопах на согласованную эпоху наблюдений по установленным датам. По ним корректируют значения наблюдаемого периода на наземном телескопе и отклонения наблюдаемого периода от средней величины на бортовом телескопе. Используя полученные значениям наблюдаемого периода, вычисляют отклонения интервалов импульсов пульсаров, наблюдаемых на бортовом и наземном телескопах. По разности отклонений интервалов на бортовом и наземном телескопах определяют радиус-вектор истинного местоположения космического аппарата относительно расчетной точки траектории и векторные величины скорости и ускорения космического аппарата и по ним принимают решение о выполнении корректирующего маневра для сближения истинной и расчетной траекторий космического аппарата. Благодаря привязке местоположения космического аппарата к наблюдаемым интервалам высокостабильного периодического излучения пульсаров достигается повышение точности определения вектора навигационного состояния и контроля результатов корректирующих маневров космического аппарата. Недостаток изобретения является необходимость привлечения наземных телескопов для определения совокупности интервалов импульсов пульсаров, что не позволяет проводить навигацию КА в автономном режиме.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2542599, МПК G01С 21/24, 2013 год, «Способ автономного определения орбиты и ориентации корпуса космического аппарата в пространстве при отсутствии априорной информации» (Данилова Т.В., Косулин Д.М., Архипова М.А.). Изобретение относится к системам автономной навигации и ориентации космического аппарата (КА). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют формирование оценок оскулирующих элементов орбиты и углов ориентации КА относительно осей текущей орбитальной системы координат. Эти оценки определяются на основе анализа геоцентрических годографов осей КА, полученных при обработке результатов измерений координат звезд и их звездных величин в жестко закрепленном на корпусе КА оптико-электронном приборе. Полученные оценки используются в качестве априорной информации при решении задачи навигации и ориентации на борту КА. При этом восстанавливается возможность функционирования системы автономной навигации и ориентации при аварийном пуске КА, либо при возникновении других нештатных ситуаций, связанных с потерей априорной (опорной) информации. Тем самым повышаются степень автономности и уровень надежности функционирования бортового комплекса управления, повышается степень боевой устойчивости и вероятности выполнения полетного задания. Недостаток изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.
Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2638077, МПК G01С 21/02, G01С 21/24, 2016 год «Способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба» (Барке В.В., Венкстерн А.А., Котцов В.А., Захаров А.И.). Изобретение относится к способам определения ориентации по координатам наблюдаемых звезд, преимущественно для навигационных целей. В частности, для космической навигации путем определения положения космического аппарата относительно изображений звезд, наблюдаемых на небесной сфере. Способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба заключается в том, что предварительно составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной, отображаемой используемой системой наблюдения. Затем в процессе определения ориентации формируют изображение участка звездного неба, выбирают наиболее яркую звезду в центральной части поля зрения, выбирают соседние с ней звезды. Далее определяют попарные расстояния на изображении от выбранной центральной звезды до выбранных соседних звезд, а затем сравнивают измеренные расстояния между звездами с расстояниями, полученными из бортового каталога. При совпадении всех этих расстояний отождествляют выбранную центральную звезду на изображении с соответствующей звездой из каталога и определяют ориентацию, учитывая положение этой звезды на изображении в приборной системе координат. При этом каждую звезду при составлении бортового каталога дополнительно характеризуют значениями расстояний до двух ближайших к ней звезд и расстоянием между самими этими звездами или до трех ближайших к ней звезд и по результатам этих определений формируют трехмерное координатное признаковое пространство. В процессе определения ориентации, для выбранной на изображении звезды, по указанным измеренным расстояниям определяют положение этой звезды в признаковом пространстве, а затем по ее каталожным координатам на звездном небе определяют ее положение и находят ориентацию аппарата. Техническим результатом заявленного способа является повышение эффективности работы используемых датчиков звездной ориентации. Недостаток способа состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.
Целью предполагаемого изобретения является межзвездная навигация космического корабля.
Указанная цель достигается в заявляемом способе межзвездной навигации космического корабля, согласно которому составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной, отображаемой используемой на борту системой наблюдения. Строят расчетную траекторию движения космического корабля с привязкой к бортовому каталогу координат звезд. Оптико-электронными приборами системы наблюдения, жестко закрепленными на космическом корабле, проводят навигационные сеансы путем регистрации изображения участков звездного неба, выбирают наиболее яркую звезду на зарегистрированных участках в центральной части поля зрения и соседние с ней звезды, определяют расстояния на изображении от выбранной центральной звезды до соседних звезд. Сравнивают измеренные на изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из бортового каталога. При совпадении всех этих расстояний отождествляют выбранную центральную звезду на изображении с соответствующей звездой из каталога, определяют ориентацию космического корабля и его положение на траектории полета, учитывая положение центральной звезды и соседних звезд на изображении в приборной системе координат. Запоминают данные расчетов и измерений. В условиях изменяющейся картины звездного поля при изменении измеренного на изображении расстояния между звездами по сравнению с расстояниями, полученными из бортового каталога, корректируют бортовой каталог. Строят расчетную траекторию движения космического корабля с привязкой к откорректированному каталогу координат звезд. Навигационные параметры определяют по данным откорректированных каталогов и текущего положения космического корабля на траектории.
Реализуемость заявляемого способа межзвездной навигации космического корабля и его практическая значимость подтверждаются следующим образом. В межзвездных экспедициях происходит изменение картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами, расположенными на борту космического корабля: в приборной системе отсчета изменяются угловые координаты звезд и расстояния между звездами на изображении, полученном оптико-электронными приборами в ходе навигационных сеансов. В способе-прототипе ориентацию и пространственное положение космического корабля на траектории определяют путем сравнения измеренных расстояний между изображениями звезд и вычисленных расстояний между теми же звездами по данным бортового каталога. При изменении картины звездного поля каталог координат звезд нуждается в уточнении. Условием для очередной коррекции каталога может служить установленное по данным наблюдений изменение координат звезд на некоторую наперед заданную величину, например, кратное превышение погрешности измерений оптико-электронными приборами. Расчетная траектория движения космического корабля строится с привязкой к откорректированному каталогу координат звезд. В таком случае навигационные параметры космического корабля определяются по данным откорректированных каталогов и текущего положения корабля на траектории.
Таким образом, техническая возможность реализации заявляемого способа межзвездной навигации космического корабля и его практическая значимость не вызывают сомнений.