ДАТЧИК ЗВЕЗДНОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к космической навигации и может быть использована для оперативного точного определения ориентации космического аппарата относительно инерциальной системы координат.
Уровень техники
Известны звездные датчики ориентации отечественного и зарубежного производства ([1] С.А. Дятлов, Р.В. Бессонов, Обзор звездных датчиков ориентации космических аппаратов, Механика, управление и информатика, №1, с. 11-31. 2009). Звездные датчики, определяющие параметры ориентации путем сравнения изображения наблюдаемого участка звездного неба с хранящимся в памяти бортового компьютера звездным каталогом, начали применяться как средство измерения параметров ориентации космических аппаратов (КА) в конце 80-х гг.прошлого века.
В настоящее время за рубежом насчитывается более 10 производителей звездных приборов, которые выпускают более 30 моделей различного типа и назначения. В России также разработаны звездные датчики, организациями ИКИ РАН и МОКБ «Марс», которыми были оснащены КА «Ямал», «БелКА», «Монитор» и др., однако эти датчики не являются автономными, они используют для обработки данных вычислительные мощности бортовой ЭВМ. Еще одной организацией является ОАО «НПП» Геофизика-Космос», в настоящий момент разрабатывающая широкопольные звездные приборы, однако летных испытаний этих приборов пока не было.
Одним из основных лидеров по производству звездных приборов является французская фирма SODERN, выпускающая автономные приборы, т.е. способные определять параметры ориентации с помощью собственных вычислительных средств. В 2003 г. фирма начала разработку нового звездного датчика, основанного на КМОП-матрице. В состав датчика входят три или четыре оптические головки и два блока электроники, вследствие чего повысилась точность измерений, однако значительно увеличилась масса и габариты датчика.
Большинство современных датчиков звездной ориентации содержат оптическую систему, матричный приемник излучения и электронный блок, предназначенный для обработки информации и вычисления угловых координат. В памяти блока электроники хранится каталог навигационных звезд, который в обязательном порядке содержит их координаты в одной из небесных систем координат.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является устройство определения координат звезд (звездный датчик ориентации) [2] (см. патент на ПМ №111280, МПК G01C 21/00, опубл. 10.12.2011). Устройство содержит корпус, объектив, матричный фотоприемник, бленду и электронный блок, предназначенный для обработки информации и вычисления угловых координат. В памяти блока электроники хранится каталог навигационных звезд, который в обязательном порядке содержит их координаты в одной из небесных систем координат.
Недостатком приведенных аналогов является низкая надежность датчиков, снижение точности показаний в процессе эксплуатации.
Сущность полезной модели
Техническим результатом, решаемым заявленной полезной моделью, является повышение надежности датчика и увеличение защиты матричного приемника излучения от радиации и собственной атмосферы КА за счет создания герметично замкнутой толстостенной полости вокруг фотоприемника.
Указанный технический результат обеспечивается за счет датчика звездной ориентации содержащего корпус, оптическую систему, держатель-бленду оптической системы, матричный приемник излучения, калибровочный затвор, механизм управления затвором, электронный блок, состоящий из вычислительного устройства (микропроцессора), электронной памяти, содержащую бортовой каталог навигационных звезд, при этом калибровочный затвор установлен между оптической системой и матричным приемником излучения таким образом, чтобы при снятии электропитания с механизма управления затвором он возвращался в исходное (открытое) положение. Конструкция держателя-бленды оптической системы своей нижней частью полностью накрывает матричный приемник излучения вместе с калибровочным затвором и механизмом управления затвором, образуя над электронной платой герметичную толстостенную защитную полость.
В качестве оптической системы используют объектив. Электронный блок содержит дополнительный объем электронной памяти для хранения индивидуальных характеристик пикселей матричного приемника излучения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - общий вид датчика
Фиг. 2 - общий вид датчика в разрезе
Фиг. 3 - вид держателя-бленды с калибровочным затвором
Раскрытие полезной модели
Датчик звездной ориентации содержит корпус (1), оптическую систему (объектив) (2), держатель-бленду (3) оптической системы, матричный приемник излучения (4), калибровочный затвор (5), механизм управления калибровочным затвором (6), электронный блок (7), состоящий из вычислительного устройства (микропроцессора), электронной памяти, содержащей бортовой каталог навигационных звезд, дополнительного объема электронной памяти, содержащей индивидуальные характеристики пикселей матричного приемника излучения, которые представляют собой чувствительность, темновой ток в пикселях, коэффициент усиления, шум считывания.
В процессе эксплуатации матричный приемник излучения (4) может деградировать под действием ионизирующего излучения, при этом меняются индивидуальные характеристики пикселей (чувствительность, темновой ток в пикселях, коэффициент усиления, шум считывания), т.е. происходит раскалибровка датчика, что приводит к снижению точности показаний. Темновой ток возрастает примерно в 100 раз за год нахождения датчика в радиационном поясе. При этом карта темновых токов полностью меняется под воздействием радиации. Чувствительность пикселей также изменяется, но более слабо. Поэтому в длительном полете для сохранения точности определения ориентации данные о характеристиках матричного приемника излучения (4), время от времени обновляются с помощью самого датчика путем проведения измерений в специальных режимах. Для калибровки звездного датчика в полете в его составе предусмотрен калибровочный затвор (5) датчика, перекидываемый в положения «открыто» или «закрыто» посредством соленоида, взаимодействующего с постоянным магнитом на затворе. Калибровочный затвор (5) установлен между оптической системой (2) и матричным приемником излучения (4). Для построения карты темнового тока используется режим, при котором свет от объектива (2) перекрывается светонепроницаемым (калибровочным) затвором (5) при помощи механизма управления затвором (6), причем полученные в результате калибровки новые характеристики пикселей матричного приемника излучения (4) сохраняются в дополнительном объеме электронной памяти. К этим характеристикам относятся темновые (тепловые) токи пикселей и отношение светочувствительности пикселя к среднему (номинальному) значению.
Для измерения коэффициентов чувствительности пикселей, матричный приемник излучения (4) освещается однородным потоком излучения от внутреннего калибровочного источника света (на чертеже не показан). Для получения однородного потока излучения может использоваться его рассеяние на внутренней поверхности закрытого затвора (5).
Калибровочный затвор (5) состоит из постоянного магнита и исполнительного соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, взаимодействующего с постоянным магнитом качалки таким образом, чтобы при подаче напряжения на соленоид его полярность была противоположна полярности постоянного магнита, магнит отталкивался от соленоида и затвор перекрывал апертуру, а при не запитанном соленоиде магнит притягивался к сердечнику соленоида и затвор все время оставался «нормально открытым». Постоянный магнит и исполнительный соленоид выполняют функцию механизма управления (6) калибровочным затвором (5).
Важным требованием к повышению надежности звездного датчика является возврат калибровочного затвора (5) в открытое положение при сбоях в функционировании датчика (например, при выключении питания). При открытом положении затвора, магнит притянут к сердечнику соленоида. На время калибровки звездного датчика соленоид запитывается таким образом, чтобы отталкивать магнит и перекрывать апертуру. После завершения калибровки и подачи на соленоид противоположного сигнала (или просто обесточивания соленоида) затвор за счет притяжения магнита к сердечнику возвращается в исходное положение. Таким образом, даже в случае электрического отказа соленоида, шторка (затвор) возвращается в «нормально-открытое» положение и звездный датчик может продолжать работу, хотя через некоторое время его точность снизится из-за невозможности проведения летных калибровок. При закрытом затворе датчик функционировать не может.
С целью уменьшения габаритов, массы звездного датчика и защиты матричного приемника излучения была использована колодезная компоновка датчика (компоновочная схема «колодец»). В данной схеме оптическая система (объектив) и бленда объединены в центральный модуль, вставленный внутрь корпуса звездного датчика. Центральный модуль состоит из держателя-бленды, в которую вмонтирована оптическая система, т.е. по сути, бленда является конструкцией держателя оптической системы. Причем конструкция держателя-бленды оптической системы своей нижней частью полностью накрывает матричный приемник излучения вместе с калибровочным затвором и механизмом управления затвором, образуя над электронной платой (8) герметичную толстостенную защитную полость.
Матричный приемник излучения, микропроцессор, электронная память и дополнительный объем электронной памяти расположены на гибкой электронной плате (8). Плата размещается вокруг центрального модуля и крепится к боковым стенкам и основанию корпуса винтами. Основание корпуса имеет, по меньшей мере, три крепежные лапки.
За счет конструкции заявленного датчика устраняются недостатки аналогов, в том числе, повышается надежность звездного датчика, повышается защита матричного приемника излучения от радиации и собственной атмосферы КА за счет создания герметично замкнутой толстостенной полости вокруг фотоприемника.