СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ОШИБОК ОРБИТАЛЬНОГО ГИРОКОМПАСА
METHOD OF COMPENSATING FOR ERRORS OF ORBITAL GYROCOMPASS

Предлагаемое изобретение относится к области ориентации космических аппаратов (КА), а точнее к способу ориентации КА с использованием орбитального гирокомпаса (ОГК).
Аналогом может служить техническое решение, изложенное в статье авторов А. Брайсона и В. Кортюма «Вычисление местного углового положения орбитального космического аппарата». Труды III Международного симпозиума ИФАК по автоматическому управлению в мирном использовании космического пространства. Управление в космосе т. 2, с. 83-105, Москва, «Наука», 1972 г. Авторы рассматривают способ компенсации ошибок прибора ориентации по Земле (ПОЗ) и дрейфа гироскопов с использованием методов оптимальной фильтрации. Главный недостаток способа - принципиально исключена возможность компенсации влияния детерминированной ошибки ПОЗ в канале тангажа и собственного дрейфа (ГИУС).
Известно также техническое решение, представленное в статье авторов Кэмпбел, Коффи «Цифровые системы отсчета углов». Журнал «Вопросы ракетной техники», 1971 г., №11, стр. 63÷88. В нем рассматривается способ и устройство для управления угловым движением КА с использованием ОГК, в состав которого входит гироскопический измеритель угловой скорости (ГИУС), построитель местной вертикали (ПМВ) и вычислитель. Способ не дает решения задачи компенсации ошибок ПМВ и собственного дрейфа ГИУС.
Наиболее близким аналогом является техническое решение, защищенное патентом РФ №2509690, в котором реализован способ ориентации КА, включающий ориентацию и стабилизацию КА относительно местной вертикали по крену и тангажу с помощью ПМВ и приведение КА по курсу в плоскость орбиты в режиме орбитального гирокомпасирования с использованием показаний ГИУС. Способ не позволяет компенсировать ошибки системы ориентации KA, обусловленные детерминированными ошибками ПМВ по крену и тангажу и собственным дрейфом ГИУС.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно измерение и компенсацию указанных выше ошибок ОГК, используя при этом внутренние ресурсы системы орбитального гирокомпасирования, т.е. ошибки автокомпенсировать.
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>^</mo></mover><mi>β</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>^</mo></mover><mi>β</mi><mrow><mo>+</mo><mn>180</mn></mrow></msubsup></mrow>
Для достижения цели, в отличие способа компенсации ошибок ОГК, включающего ориентацию и стабилизацию КА относительно местной вертикали по крену и тангажу с помощью ПМВ и приведение КА по курсу в плоскость орбиты в режиме орбитального гирокомпасирования с использованием показаний ГИУС, установленных по связанным осям КА, выполняют приведенные ниже операции. В установившемся режиме ориентации измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и крена
. Сохраняя режим гирокомпасирования, поворачивают КА по курсу на угол плюс (или минус) сто восемьдесят градусов, дожидаются установившегося режима ориентации и вновь измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции в канале курса и крена
. По результатам измерений рассчитывают и запоминают математические ожидания ошибок ПМВ в канале крена и собственного дрейфа ГИУС в канале курса в соответствии с формулами
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>П</mi><mi>М</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow>
где
- математическое ожидание детерминированной ошибки ПМВ в канале крена, которая включает собственную ошибку ПМВ и ошибку установки ПМВ относительно связанных осей КА;
- математическое ожидание постоянной составляющей собственного дрейфа ГИУС в канале курса;
2
К - коэффициент коррекции ОГК в канале курса;
- орбитальная угловая скорость движения КА по орбите на моменты измерений.
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>^</mo></mover><mi>θ</mi><mrow><mo>+</mo><mn>90</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mi>θ</mi><mrow><mo>−</mo><mn>90</mn></mrow></msubsup></mrow>
Поворачивают КА по курсу на плюс девяносто градусов относительно ОСК, дожидаются установившегося режима ориентации, измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и тангажа
, после чего поворачивают КА по курсу относительно ОСК на минус девяносто градусов, дожидаются установившегося режима ориентации и вновь измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и тангажа
. По результатам измерений рассчитывают и запоминают математические ожидания ошибок ПМВ в канале тангажа и собственного дрейфа ГИУС в канале курса в соответствии с формулами
<mrow><mtext>Δ</mtext><msub><mover accent="true"><mi>ϑ</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mtext>ПМВ</mtext></mrow></msub></mrow>
где
- математическое ожидание детерминированной ошибки ПМВ в канале тангажа, которая включает собственную ошибку ПМВ и ошибку установки ПМВ относительно связанных осей КА;
- математическое ожидание постоянной составляющей собственного дрейфа ГИУС в канале курса.
<mrow><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ϑ</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>П</mi><mi>М</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>D</mi><mo>^</mo></mover><mi>Y</mi></msub></mrow>
Полученные значения ошибок вводят в выходные сигналы ПМВ по крену на величину
и тангажу на величину:
и в выходной сигнал ГИУС в канале курса на величину
.
Ниже приведен пример реализации способа.
Уравнения движения ОГК с возможностью поворота КА на неограниченные углы по курсу относительно ОСК имеют вид (см. патент 2509690):
где обозначено
<mrow><mi>Δ</mi><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
<mrow><mtext>Δ</mtext><mover accent="true"><mi>ϑ</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
Δγ,
, ΔΨ,
, Δϑ,
- углы и угловые скорости КА относительно приборных осей ОГК соответственно по крену, курсу и тангажу, поступающие в контур стабилизации КА;
КА/ОСК
Ψ - положение связанных осей КА относительно ОСК по курсу;
ПР
Ψ - угол программного поворота КА по курсу относительно ОСК;
α, β, θ - положение (ошибки) приборных осей ОГК относительно ОСК соответственно в каналах курса, крена и тангажа;
Ψ, γ, ϑ - положение (ошибки) ориентации связанных осей КА относительно программной системы координат (ПСК) соответственно по курсу, крену и тангажу;
ПМВ
ПМВ
γ, ϑ - выходные сигналы ПМВ по крену и тангажу соответственно;
ПМВ
ПМВ
Δγ, Δϑ - детерминированные ошибки ПМВ в каналах крена и тангажа, включая ошибки установки ПМВ относительно связанных осей КА;
1
2
3
K, K, K - коэффициенты усиления;
,
- текущее и программное значения орбитальной угловой скорости движения КА;
X
Y
Z
ω, ω, ω - угловые скорости КА относительно ОСК в каналах крена, курса и тангажа соответственно;
ХГ
YГ
ZГ
ω, ω, ω - показания гироскопических датчиков ГИУС по осям крена, курса и тангажа соответственно;
X
Y
Z
D, D, D - собственные дрейфы гироскопических датчиков ГИУС в каналах крена, курса и тангажа соответственно.
ΠΡ
Решая (5-23) последовательно для Ψ=0°, 180°, +90°, -90° при
, найдем искомые решения для сигналов коррекции ОГК в искомой форм (1-4). Математические ожидания сигналов получают путем их обработки вычислений, например, методами наименьших квадратов, скользящего окна, полиминальными фильтрами и др.
Полученные ошибки вводят на выход датчиков ориентации, компенсируя их ошибки:
Для достижения результата по п. 2 формулы изобретения в контур коррекции ОГК вводят интегрально-позиционную коррекцию (изодром - уравнения 5 и 7). В канале танагажа это можно сделать только в положения КА по курсу 0° и 180°, а в канале крена только в положениях ±90°. В противном случае ОГК потеряет устойчивость.
Уравнения движения ОГК для канала тангажа (см. 7):
В установившемся режиме ориентации математические ожидания сигналов интеграторов равны
где
,
- математические значения сигналов интеграторов изодромов в положениях КА по курсу ноль и сто восемьдесят градусов соответственно. Исходя из (6, 7) математическое ожидание собственного дрейфа гироскопического датчика в канале тангажа равно
ПР
В канале крена при Ψ=±90° уравнения движения ОГК после введения изодрома примут вид (см. 5):
В установившихся режимах ориентации математические ожидания сигналов интеграторов равны
где
,
- математические ожидания сигналов интеграторов изодромов в положениях КА по курсу +90° и -90° соответственно.
Исходя из (32, 33) математическое ожидание собственного дрейфа гироскопического датчика в канале крена равно
Ошибки ГИУС компенсируют путем ввода поправок в выходные сигналы датчиков ГИУС крена и тангажа соответственно:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>J</mi><mo>^</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
Для более точной оценки собственного дрейфа гироскопических датчиков угловой скорости в каналах крена и тангажа измерения и вычисления математических ожиданий пар сигналов интеграторов
,
и
,
выполняют на интервалах времени, кратных периоду орбитального движения КА, т.к. в этом случае минимизируется разность
, что существенно улучшает оценки математических ожиданий
и
.