СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕКТОРА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ СОБСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ВОКРУГ ЕГО ЦЕНТРА МАСС
METHOD OF DETERMINING VECTOR OF ANGULAR VELOCITY OF SPACE VEHICLE PROPER ROTATION ABOUT ITS CENTER OF MASS

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в системах управления движением (СУД) вокруг центра масс космических аппаратов (КА).
Известно, что направление на звезды, и как частный случай на Солнце, практически неизменно по отношению к центру масс КА для околоземных орбит.
Из патентной литературы известны способы определения относительной угловой скорости движения КА при колебательном процессе управления ориентацией объекта на подвижный ориентир, позволяющие определить относительную угловую скорость движения КА вокруг его центра масс по отношению к подвижному ориентиру (см. например, авторские свидетельства СССР №1819832 от 1990 года, №1819831 от 1990 года).
Однако эти способы не позволяют определять СОБСТВЕННУЮ угловую скорость вращения КА вокруг своего центра масс без использования специальных приборов, выполняющих эти измерения.
Задачей данного изобретения является создание способа с достижением технического результата - без использования специальных приборов, непосредственно измеряющих вектор угловой скорости вращения КА вокруг его центра масс, рассчитывать величину вектора угловой скорости собственного вращения КА вокруг его центра масс по результатам измерений направления на Солнце или на другую звезду в связанной с КА системе координат.
КА
КА
КА
Эта задача решается тем, что в способе определения вектора угловой скорости собственного вращения космического аппарата вокруг его центра масс, заключающемся в том, что в течение интервала времени Δ, не менее двух раз, определяют проекции на связанные оси космического аппарата Х; Y; Z единичного вектора, направленного из центра масс на звезду, по формулам:
;
;
ПОС
КА
где β - проекция на ось Х космического аппарата единичного вектора направления на звезду,
ПОС
КА
α - проекция на ось Z космического аппарата единичного вектора направления на звезду,
КА
КА
γ - проекция на ось Y космического аппарата единичного вектора направления на звезду,
β и α - результаты измерения текущего направления на звезду, например Солнце,
ПОС
КА
Х - максимальная величина β, измеряемая прибором ориентации на Солнце по оси X,
ПОС
КА
Z - максимальная величина α, измеряемая указанным прибором по оси Z,
КА
КА
КА
X
Y
Z
КА
КА
КА
КА
рассчитывают углы φ(t); ψ(t); ϑ(t) между проекциями единичного вектора на плоскости связанных с космическим аппаратом осей и этими осями, рассчитывают разность величин этих углов на интервале времени Δ и в результате деления их на величину Δ определяют значения и знаки проекций ω, ω, ω вектора собственной средней угловой скорости (ω) космического аппарата на его связанные оси Х, Y, Z.
КА
КА
КА
Далее изобретение поясняется с использованием фигуры, показывающей положение Солнца в поле обзора прибора ориентации на Солнце (ПОС), установленного определенным образом по отношению к связанным осям космического аппарата, а также расположение его измерительных осей относительно осей X, Y, Z космического аппарата (КА).
Для простоты изложения способ рассмотрен на примере использования прибора ориентации на Солнце (ПОС).
При этом введены следующие обозначения:
- единичный вектор направления на Солнце, модуль которого равен единице (безразмерная величина);
КА
КА
КА
X, Y, Z - связанные оси с началом в центре масс КА;
КА
КА
КА
КА
КА
φ - угол, образованный плоскостью X, 0, Y и проекцией единичного вектора на плоскость Y, 0, Z;
КА
КА
КА
КА
КА
ψ - угол, образованный плоскостью X, 0, Y и проекцией единичного вектора на плоскость Z, 0, X;
КА
КА
КА
КА
КА
ϑ - угол, образованный плоскостью Y, 0, Z и проекцией единичного вектора на плоскость X, 0, Y;
ПОС
КА
ПОС
Х - измерительная ось ПОС, ориентированная по оси X, позволяющая измерить максимальную величину Х направления на Солнце;
ПОС
КА
ПОС
Z - измерительная ось ПОС, ориентированная по оси Z, позволяющая измерить максимальную величину Z направления на Солнце;
ПОС
ПОС
Х - максимальная величина β, измеряемая ПОС по приборной оси Х, при ориентации единичного вектора направления на Солнце по этой оси;
ПОС
ПОС
Z - максимальная величина α, измеряемая ПОС по приборной оси Z, при ориентации единичного вектора направления на Солнце по этой оси;
ПОС
ПОС
КА
α - проекция единичного вектора направления на Солнце по осям Z и Z;
ПОС
КА
βпос - проекция единичного вектора направления на Солнце по осям Х и X;
КА
КА
γ - рассчитанная проекция единичного вектора направления на Солнце на ось Y;
КА
γ - рассчитанный угол между осью γ космического аппарата и единичным вектором.
КА
КА
КА
КА
ПОС
ПОС
КА
КА
ПОС
ПОС
КА
КА
Учитывая, что направления на Солнце и звезды практически неизменны по отношению к центру масс КА для околоземных орбит, следовательно, изменение значения углов φ, ψ, ϑ (см. чертеж) за интервал времени Δ соответствует проекциям вектора угловой скорости собственного вращения КА (ω) вокруг центра масс. Плоскость измерения ПОС, образованная осями Х и Z, совпадает с плоскостью, образованной осями X и Z КА. Оси Х, Z измерительных устройств ПОС совпадают по направлению со связанными с КА осями X и Z соответственно. Из чертежа следует равенство:
следовательно:
КА
КА
Значения проекций «единичного» вектора на связанные оси КА X и Z можно получить из равенств:
где β и α результаты измерения ПОС текущего направления на Солнце;
ПОС
ПОС
1/Х - нормировочный коэффициент по оси Х;
ПОС
ПОС
1/Z - нормировочный коэффициент по оси Z.
ПОС
ПОС
КА
Знаки α, β и γ присваиваются согласно компоновке ПОС в осях КА.
Направление единичного вектора в связанной с КА системе координат можно задать и через направляющие косинусы:
ПОС
Х
КА
cos βx=β, где β - угол, образованный единичным вектором и осью Х;
Z
ПОС
Z
КА
cos α=α, где α - угол, образованный единичным вектором и осью Z;
КА
КА
cos γ=γ, где γ - угол, образованный единичным вектором и осью Y.
Используя равенства (2, 3, 4), можно получить значения:
КА
КА
КА
КА
КА
- угла φ, образованного плоскостью Х, 0, Y и проекцией единичного вектора на плоскость Y, 0, Z.
КА,
КА
КА
КА
КА
- угла ψ образованного плоскостью Х, 0, Y и проекцией единичного вектора на плоскость Z, 0, Х:
КА
КА
КА
КА
КА
- угла ϑ образованного плоскостью Y, 0, Z и проекцией единичного вектора на плоскость «Х», 0, «Y» КА:
КА
КА
КА
КА
Значения проекций вектора ω на связанные с КА оси Х, Y, Z можно рассчитать на основании (5), (6), (7) следующим образом:
х
Y
Z
ПОС
ПОС
КА
Используя значения ω, ω, ω, полученные по измерениям α, β и рассчитанному γ, можно проводить как демпфирование угловой скорости КА, так и его ориентацию в заданной системе координат.
X
Y
Z
Описанный в качестве примера вариант реализации способа определения характеристик вектора угловой скорости собственного вращения космического аппарата вокруг его центра масс при использовании в качестве звезды Солнца может быть использован только на «солнечной» части витка. В общем случае, когда используются другие звезды, никаких ограничений на применение способа нет, и описанный способ позволяет получать значения ω, ω, ω без использования специальных приборов непосредственного измерения вектора угловой скорости вращения КА вокруг его центра масс.
Изобретение позволяет также уменьшить массу и упростить конструкцию КА за счет уменьшения количества приборов, устройств и кабелей, их соединяющих, а также расширить номенклатуру технико-методических средств в этой области техники.