СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ МИКРОСПУТНИКОВОЙ ПЛАТФОРМЫ "ТАБЛЕТСАТ"

Полезная модель относится к космическим летательным аппаратам, а именно к системам ориентации и стабилизации микроспутников.
Система ориентации и стабилизации используется для определения углового движения спутника вокруг центра масс, а также управления движением спутника вокруг центра масс. В зависимости от задач некоторые аппараты не требуют ориентации, другие требуют ориентации камеры на Землю с высокой точностью, третьим необходимо быть закрученными вокруг одной из осей и вращаться с постоянной скоростью, и т.д. При этом могут возникать различные требования к точности определения ориентации, количеству определяемых параметров и прочее. Предлагаемая полезная модель предназначена для трехосной стабилизации спутника и определения углового положения и угловой скорости вращения спутника со средней точностью. Подобные системы ориентации, как правило, устанавливают на спутниках дистанционного зондирования Земли средней точности.
Известна система ориентации и стабилизации микроспутника "Чибис-М", состоящая из датчиков определения ориентации, исполнительных органов и блока управления системой ориентации. В качестве датчиков определения ориентации в составе микроспутника используются магнитометр, освещенные датчики и одноосные датчики угловой скорости.
В качестве исполнительных элементов системы управления ориентацией в составе микроспутника используются три токовые катушки и шесть управляющих двигателей-маховиков. Двигатели-маховики выполнены на основе бесконтактного двигателя постоянного тока с управляемым моментом и предназначены для использования в качестве исполнительного органа в системах ориентации и стабилизации микроспутников. Электродвигатель обеспечивает вращение ротора-маховика и его торможение. Величина создаваемого им вращающего (управляющего) момента может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика.
Блок управления системой ориентации и стабилизации является связующим звеном между датчиками и органами управления, а также между системой ориентации и стабилизации и внешними устройствами управления.
Недостатком известной системы является ограниченность ее использования за счет того, что маховики, а также блоки управления маховиками и катушками расположены внутри системы. (Источник: Иванов Д.С. и др. "Летные испытания алгоритмов управления ориентацией микроспутника "Чибис-М", Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2012, №58, URL: http://library/keldysh.ru/preprint.asp?id=2012-58).
Задачей настоящей полезной модели является создание системы ориентации и стабилизации гибкой в комплектации, что позволит расширить сферу применения системы для спутников от 10-50 кг до спутников 100 кг и обеспечить выполнение широкого круга функций при повышении точности определения ориентации и стабилизации.
Технический результат, объективно проявляющийся при использовании полезной модели, заключается в повышении технологичности устройства.
Суть технического решения заключается в том, что маховики, блок управления маховиками, блок управления катушками вынесены в отдельные устройства, и для их управления создан единый блок управления, обеспечивающий гибкость в комплектации необходимых устройств системы ориентации.
Технический результат достигается тем, что в известной системе ориентации и стабилизации, содержащей менее пяти солнечных датчики, по меньшей мере, один трехкомпонентный магнитометр, три одноосных датчика угловой скорости, силовые управляющие двигатели-маховики и блок управления системой ориентации, дополнительно используют в качестве датчиков определения ориентации трехкомпонентный датчик угловой скорости и автономный звездный датчик; в качестве системы угловой стабилизации используют три силовые электромагнитные катушки управления, расположенных 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.
Сущность полезной модели поясняют следующие графические материалы.
На фиг.1 - схема расположения элементов системы ориентации и стабилизации в теле микроспутника;
На фиг.2 - общий вид блока управления системой ориентации и стабилизации
На фиг 3 - схематично представлена максимальная комплектации блока управления системой ориентации и стабилизации;
на фиг.4 - Режим демпфирования угловой скорости;
на фиг.5 - Безопасный режим;
на фиг.6 - Режим грубой одноосной ориентации;
на фиг.7 - Режим ориентации на Солнце;
на фиг.8 - Режим грубой трехосной ориентации;
на фиг.9 - Режим точной трехосной ориентации;
на фиг.10 - Режим перенацеливания;
на фиг.11 - Режим разгрузки маховиков
На фиг.1 представлена система ориентации и стабилизации микроспутниковой платформы "Таблетсат", где 1 - солнечные датчики, 2 - магнитометр, 3 - ДУС, 4 - звездный датчик; 5 - ЭМУ; 6 - маховик; 7 - гидродин; 8 - блок управления системой ориентации и стабилизации.
Система ориентации и стабилизации содержит систему ориентации, которая формирует орбитальную приборную систему координат орбитальной системы координат и измеряет углы микроспутниковой платформы относительно построенной системы координат связанную систему координат (ССК) и система угловой стабилизации, которая удерживает связанные оси микроспутниковой платформы относительно построенной системы координат.
При ориентации микроспутниковой платформы в орбитальной системе координат ОХо Yo Zo вертикальная ось микроспутниковой платформы (МП) OZ направлена вдоль линии центра масс Земли - центр масс МП, продольная ось OY МП направлена в сторону полета и совмещена с плоскостью орбиты, ось ОХ МП дополняет систему координат до правой.
Система ориентации и стабилизации включает датчики определения ориентации, исполнительные органы и блок управления системой ориентации.
В качестве датчиков определения ориентации в составе микроспутника используют не менее пяти солнечных датчики (СД) 1, по меньшей мере, один трехкомпонентный магнитометр (ММ) 2, три одноосных датчика угловой скорости ADIS 16130 и трехкомпонентный датчик угловой скорости (ДУС) 3, автономный звездный датчик - 4.
В отличие от ближайшего аналога в предлагаемом решении использован автономный звездный датчик 4, который позволяет повысить точность определения ориентации и стабилизации. Кроме того с помощью звездного датчика 4 можно проводить калибровки всех прочих датчиков. Точность используемых трехкомпонентного магнитометра и трехкомпонентного датчика угловой скорости «Таблетсат» выше. А трехкомпонентный магнитометр HMR 2300R и три одноосных датчика угловой скорости ADIS 16130 используются как запасные.
В качестве системы угловой стабилизации используют:
1) три силовые электромагнитные катушки управления (ЭМУ) 5, расположенные соосно осям системы координат, связанной с микроспутниковой платформой;
2) по меньшей мере три силовых управляющих двигателя-маховика (УДМ). При этом оси вращения маховиков 6 не должны быть взаимно параллельны.
3) по меньшей мере три силовых гиродина 7. Оси гиродинов расположены в непараллельных плоскостях.
Преимущества такой конструкции заключаются в том, что, если блок управления системой стабилизации и ориентации (БУСОС) 8 выходит из строя, жизнеспособность спутника поддерживается с помощью взаимосвязи магнитометра 2 с блоком управления ЭМУ 5 и реализации простейшего алгоритма стабилизации. А также существует возможность конфигурировать систему стабилизации из различного количества двигателей-маховиков 6 и гиродинов 7, поскольку они включены в единый контур управления.
Двигатели-маховики 6 выполнены на основе бесконтактного двигателя постоянного тока с управляемым моментом и предназначены для использования в качестве исполнительного органа в системах ориентации и стабилизации микроспутников. Электродвигатель обеспечивает вращение ротора-маховика и его торможение. Величина создаваемого им вращающего (управляющего) момента может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика. Механический момент от управляющих двигателей маховиков создается при изменении скорости их вращения и находится в диапазоне [-0.4, +0.4] мН·м в лабораторных условиях. Скорость вращения маховиков при этом изменяется в диапазоне [-20 000, +20000] об/мин.
Блок управления системой ориентации и стабилизации 8 является связующим звеном между датчиками и органами управления, а также между системой ориентации и стабилизации и внешними устройствами управления. Основными функциями блока являются сбор и обработка показаний датчиков системы с помощью алгоритмов определения ориентации, выработка с помощью алгоритмов управления команд для элементов системы стабилизации, прием команд от внешнего бортового контроллера управления микроспутника, передача данных в каналы телеметрии спутника. Основной составной частью является бортовой компьютер, который основан на плате LPCH2294, содержащей процессор, внешнюю ОЗУ размером 1 Мб, энергонезависимую флэш-память емкостью 4 Мб.
Размещение блока управления системой ориентации и стабилизации, датчиков угловой скорости, магнитометра, управляющего двигателя маховика, гиродинов, электромагнитного устройства возможно как на внешних, так и на внутренних панелях негерметичного корпуса микроспутниковой платформы; солнечный датчик и звездный датчик - на внешних панелях микроспутниковой платформы. Максимальная длина соединительных кабелей от БУСОС до ЭМУ 2 м; от БУСОС до солнечного датчика, звездного датчика, магнитометра, управляющего двигателя-маховика, гиродинов 1 м. Магнитометр должен находиться наиболее удаленно от источников возмущающего магнитного поля, например электромагнитного устройства (электромагнитной катушки управления), управляющего двигателя-маховика. Угловая точность установки датчиков и управляющих элементов относительно посадочных поверхностей не хуже 6 угл. мин.
Блок управления системой ориентации и стабилизации 8 способен передавать внешним системам пакеты телеметрии о функционировании приборов в своем составе; режимах работы СОС; параметрах ориентации МП; квитанции подтверждения получения команд. Для выполнения данных задач БУСОС должен получать от внешних систем следующие исходные данные: точное время с периодичностью не реже 600 сек или по запросу и точностью временных меток 1 миллисекунда; баллистические параметры орбиты в формате TLE с периодичностью обновления не реже 48 час; длительность автономного прогнозирования движения с их использованием до 7 суток; команды управления режимами работы СОС; калибровочные параметры СОС; фрагменты исполняемого кода.
В отличие от аналога, где режимы точной ориентации аналога обеспечиваются только вблизи орбитальной ориентации в предлагаемом решении режимы точной ориентации «Таблетсат» обеспечиваются вне зависимости от ориентации.
Обмен информацией между составляющими узлов микроспутниковой платформы производится с использованием CAN-интерфейса. В CAN сети микроспутника используется адаптированный протокол высокого уровня, обмен сообщениями между абонентами CAN сети производится с помощью сообщений фиксированной структуры. Надстройка протокола высокого уровня структурирует описание заголовка CAN_ID, выделяя в нем адреса получателя и отправителя, также в протоколе CAN_ID описывается стандартный формат CAN сообщения. Во всех командных сообщениях выделены байты, описывающие тип команды и виртуальный модуль прибора, которому команда направляется. В сообщениях, состоящих из нескольких CAN пакетов, один пакет выделяется под заголовок, в котором описаны также длина и время формирования данного сообщения. Благодаря введению этого протокола, унифицируется обмен данных между физическими устройствами и оптимизируется разработка ПО, за счет возможности повторного использования кода, достигается возможность передачи сообщений произвольной длины. Также становится возможным создание на одном физическом устройстве нескольких виртуальных модулей, что в случае нехватки идентификаторов для всех устройств в сети спутника позволяет разместить на одном CAN_ID до 256 устройств и существенно расширяет возможности 11 битного протокола CAN.
Предложенная конструкция системы ориентации и стабилизации позволяет расширить сферу применения системы для спутников от 10-50 кг до спутников 100 кг и обеспечить выполнение широкого круга задач. На фиг.3 схематично представлена максимальная комплектация системы, на фиг.4-11 перечислены возможные варианты алгоритмов и необходимых минимальных комплектаций для обеспечения работы алгоритмов и получаемые в результате работы алгоритмов точностные характеристики. Алгоритмы поделены по различным целям и задачам использования.
Система ориентации и стабилизации космического аппарата - одна из бортовых систем и работает полный цикл жизни МКА, обеспечивая определенное положение осей аппарата относительно некоторых заданных направлений (ориентацию), а также сохранение неизменного направления осей аппарата при переходе с одной орбиты на другую, переходе на траекторию спуска, когда работает основная двигательная установка (стабилизацию).
Исходя из решаемых задач, предложенная система ориентации и стабилизации обеспечивает работу микроспутниковой платформы в следующих режимах:
1) Режим демпфирования угловой скорости;
2) Безопасный режим;
3) Режим грубой одноосной ориентации;
4) Режим ориентации на Солнце;
5) Режим грубой трехосной ориентации;
6) Режим точной трехосной ориентации;
7) Режим перенацеливания;
8) Режим разгрузки маховиков
Безопасный режим и режим ориентации на Солнце способствуют зарядке солнечных батарей. Режим грубой одноосной ориентации, режим грубой трехосной ориентации, режим точной трехосной ориентации и режим перенацеливания используются для выполнения различных целевых задач (научные эксперименты в космосе, навигационные измерения, дистанционное зондирование Земли). Режим разгрузки маховиков продлевает время работы режимов ориентации на Солнце, грубой и точной трехосной ориентации. А режим демпфирования угловой скорости подготавливает аппарат к работе режимов ориентации на Солнце, грубой трехосной ориентации, точной трехосной ориентации и перенацеливания.
Далее описана работа системы в разных режимах.
1) Режим демпфирования угловой скорости.
Данный режим используется в случае вращения малого космического аппарата с высокой угловой скоростью. С помощью измерений магнитометра и работы ЭМУ угловая скорость снижается, без обеспечения какой либо ориентации (Фиг.4).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: произвольная;
- конечная: произвольная.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно инерциальной СК:
- начальная: до 6°/c;
- конечная: не более: 0.5°/c.
Максимальная длительность перехода в заданный режим должна составлять не более 1.5 часа.
2) Безопасный режим.
Данный режим используется для разворота аппарата солнечными батареями на Солнце с минимальным энергопотреблением с помощью магнитометра и солнечных датчиков для определения ориентации и ЭМУ для стабилизации (Фиг.5).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат:
- начальная: произвольная;
- конечная: поддержание ориентации на Солнце с точностью не менее ±20 град при минимальном энергопотреблении.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: до 6°/с;
- конечная: не более 1°/с.
Максимальная длительность перехода в заданный режим должна составлять не более 1.5 часа.
3) Режим грубой одноосной ориентации.
Данный режим поддерживает грубую одноосную ориентацию в орбитальной системе координат, используя магнитометр, солнечные датчики для определения ориентации и ЭМУ - для управления (Фиг.6).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: произвольная;
- конечная: поддержание одноосной орбитальной ориентации произвольной оси с точностью не менее ±20°.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: до 6°/c;
- конечная: не более 0.5°/c.
Максимальная длительность перехода в заданный режим составляет не более 1.5 часа.
4) Режим ориентации на Солнце.
Данный режим обеспечивает поворот аппарата солнечными батареями на Солнце с высокой точностью. Используются солнечные датчики для определения ориентации, а маховики и/или гиродины используются в качестве управляющих органов (Фиг.7)
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат:
- начальная: произвольная;
- конечная: Ориентация заданной осью на Солнце с точностью не более 0,5 град.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: не более 0.5°/c;
- конечная: не более 0.005°/c.
Максимальная длительность перехода в заданный режим должна составлять не более 600 сек.
5) Режим грубой трехосной ориентации.
Данный режим обеспечивает трехосную ориентацию аппарата в орбитальной системе координат с невысокой точностью для выполнения целевой задачи, к примеру, дистанционного зондирования Земли. Могут использоваться магнитометр, солнечные датчики, возможно датчик угловой скорости для определения ориентации, а для управления маховики и/или гиродины (Фиг.8).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной/инерциальной СК:
- начальная: произвольная;
- конечная: трехосная ориентация ССК относительно ОСК/ИСК с точностью не менее 1°. Погрешность (σ) определения ориентации: не более 0.5°.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной/инерциальной СК:
- начальная: не более 0.5°/c;
- конечная: угловая стабилизация с погрешностью (σ) не более 0.05°/сек.
Максимальная длительность перехода в заданный режим должна составлять не более 600 сек.
6) Режим точной трехосной ориентации.
Данный режим обеспечивает трехосную ориентацию аппарата в орбитальной системе координат с высокой точностью для выполнения целевой задачи, к примеру, дистанционного зондирования Земли. Могут использоваться звездный датчик, магнитометр, солнечные датчики, датчик угловой скорости для определения ориентации, а для управления - маховики и/или гиродины (Фиг.9).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной/инерциальной СК:
- начальная: трехосная ориентация ССК относительно ОСК/ИСК с точностью не менее 1°;
- конечная: трехосная ориентация ССК относительно ОСК/ИСК с точностью не менее 0.003° (10.8″).
Погрешность (σ) определения ориентации: не более 0.001° (3.6″)°.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной/инерциальной СК:
- начальная: не более 0.05°/c;
- конечная: угловая стабилизация с погрешностью (σ) не более 0.001°/сек.
Максимальная длительность перехода в заданный режим должна составлять не более 10 сек.
7) Режим перенацеливания.
Данный режим обеспечивает трехосную ориентацию аппарата в произвольном направлении орбитальной системе координат с высокой точностью для выполнения целевой задачи, к примеру, дистанционного зондирования Земли. При этом возможно выполнение постоянных поворотов по заранее заданному закону. Могут использоваться звездный датчик, магнитометр, солнечные датчики, датчик угловой скорости для определения ориентации, а для управления - маховики и/или гиродины (Фиг.10).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной/инерциальной СК:
- начальная: трехосная ориентация ССК относительно ОСК/ИСК, с точностью не менее 0,003° (10,8″);
- конечная: трехосная ориентация ССК относительно ОСК/ИСК, отличная от начальной. Точность ориентации не менее 0.003° (10.8″);
- Максимальная частота выдачи новой требуемой ориентации составляет 5 Гц.
Погрешность (σ) определения ориентации: не более 0.001° (3.6″)°.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: не более 0.001°/c, если МП находится в режиме точной трехосной ориентации, либо не более 2°, если МП находится в режиме перенацеливания;
- конечная: не более 2°/с.
Максимальная длительность работы в заданном режиме не менее 1,5 часов.
8) Режим разгрузки маховиков.
В случае длительной работы любого из режимов, использующих маховики и/или гиродины, режим рагрузки маховиков позволяет с помощью ЭМУ снизить скорость вращения маховиков и снизить меру сингулярности системы гиродинов без потери ориентации (Фиг.11).
Ориентация связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной/инерциальной системы координат (ОСК/ИСК):
- начальная: трехосная ориентация связанной системы координат относительно орбитальной/инерциальной системы координат (ОСК/ИСК), с точностью не менее 0,003° (10,8″);
- в течение периода разгрузки и конечная: трехосная ориентация ССК относительно ОСК/ИСК, не отличающаяся от начальной. Точность ориентации не менее 0.003° (10.8″).
Погрешность (σ) определения ориентации: не более 0.001° (3.6″)°.
Угловая скорость вращения связанной с микроспутниковой платформой системы координат относительно орбитальной СК:
- начальная: не более 0.001°/с;
- в течение периода разгрузки и конечная: не более 0.001°/c.
Угловая скорость вращения маховиков:
- начальная: больше номинальной;
- конечная: менее номинальной.
Максимальная длительность работы в заданном режиме не менее 1,5 часов.
Особенности электрического интерфейса
- диапазон внешнего питающего напряжения: 5 или 12B ±10%;
- максимальное потребление: не более 60 Вт в течение до 1 мин;
- средневитковое потребление: не более 20 Вт;
- потребление в режиме демпфирования: не более 8 Вт в течение до 2 ч.
- потребление в режиме трехосной ориентации, ориентации на Солнце: не более 16 Вт.
- потребление в режиме перенацеливания: не более 35 Вт в течение до 30 мин.
- некомпенсированный магнитный момент МП по каждой оси должен быть не более 0,05 А·м2 (50 ед. CGSM).
Включение и выключение электропитания приборов СОС осуществляет система энергопитания, являющаяся внешней по отношению к БУСОС системой. Также предусмотрены меры по защите аппаратуры СОС от статического электричества.
Таким образом, заявленная система ориентации и стабилизации отвечает различным требованиям к ориентации микроспутника массой от 10-50 кг до 100 кг, благодаря предложенной конструкции устройства повышаются эксплуатационные качества и увеличивается ремонтопригодность. Одновременно решается задача повышения точности определения ориентации и стабилизации.
Перечень принятых сокращений.
БУ
- блок управления
БУСОС
- блок управления системой ориентации и стабилизации
ДУС
- датчик угловой скорости
ЗД
- звездный датчик
ИСК
- инерциальная система координат
МП
- микроспутниковая платформа
ММ
- магнитометр
ОСК
- орбитальная система координат
СК
- система координат
СОС
- система ориентации и стабилизации
ССК
- связанная система координат
СЭП
- система энергопитания
УДМ
- управляющий двигатель-маховик
ЦМ
- центр масс
ЭМУ
- электромагнитное устройство
TLE
- two line elements