СПОСОБ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПЛАТФОРМЕННОГО ОРБИТАЛЬНОГО ГИРОКОМПАСА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ORIENTING SPACECRAFT USING GIMBALLESS ORBITAL GYROCOMPASS AND SYSTEM THEREFOR

Предлагаемое изобретение относится к области ориентации космических аппаратов (КА), а точнее к способу и устройству систем ориентации (СО) КА с использованием бесплатформенного орбитального гирокомпаса (БОГК).
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 на точность ориентации КА по тангажу, а также необоснованное представления ошибок датчиков ориентации в виде белого шума, что ограничивает практическое применение способа для компенсации влияния ошибок ПОЗ на точность ориентации КА в каналах ориентации.
Известен также способ ориентации КА с применением БОГК, в котором решается задача компенсации ошибок ПОЗ на точность ориентации в канале курса. В данной системе в сигнал коррекции БИУС по курсу параллельно основному сигналу коррекции подмешивается проинтегрированный разностный сигнал ПОЗ по крену и выхода БОГК по крену. В результате добиваются компенсации влияния детерминированной ошибки ПОЗ по крену на точность ориентации КА по курсу, в то время как точность ориентации в канале крена, наоборот, ухудшается. Существенным недостатком способа является отсутствие компенсации влияния детерминированных ошибок ПОЗ по тангажу на точность ориентации КА по тангажу.
γ
ϑ
γ
ϑ
Наиболее близким аналогом является техническое решение, защищенное патентом РФ №2509690, в котором реализован способ ориентации КА с использованием БОГК, заключающийся в том, что в установившемся режиме ориентации измеряют разности сигналов прибора ориентации по Земле (ПОЗ) и выходного сигнала ОГК в каналах крена - ε и тангажа - ε соответственно, которыми корректируют показания блока гироскопических измерителей угловых скоростей (БИУС) в каналах крена и курса - сигналом коррекции ε, а в канале тангажа - сигналом ε. Данное техническое решение не позволяет компенсировать всю группу ошибок БОГК, а именно - исключить влияние ошибки ПОЗ в канале тангажа на точность ориентации КА по тангажу и исключить влияние ошибки ПОЗ по крену на точность ориентации КА по крену и курсу.
Целью предлагаемого решения является устранение указанных недостатков, т.е. создание способа и системы ориентации КА с использование БОГК, позволяющих автокомпенсировать ошибки ориентации КА относительно орбитальной системы координат (ОСК) в каналах курса, крена и тангажа, вызванные детерминированными ошибками ПОЗ по крену и тангажу, включая ошибки установки ПОЗ на КА относительно связанных осей.
ϑ
ϑ
ϑ
Отличие заключается в том, что по сравнению с известным способом ориентации выполняют ряд других операций, позволяющих добиться поставленной цели. Для этого поворачивают КА по курсу на девяносто градусов с замещением канала гирокомпасирования крена на канал гирокомпасирования тангажа, а канал гирокомпасирования тангажа - на канал гирокомпасирования крена, продолжают ориентированный орбитальный полет в повернутом по курсу на девяносто градусов положении КА, вводят в разностный сигнал в канале тангажа ε сигнал автокомпенсации ошибок ПОЗ по тангажу µ, при этом новый сигнал коррекции БОГК в канале тангажа u вычисляют по формуле
ϑ
где u - новый сигнал коррекции БОГК в канале тангажа;
ϑ
ε - старый сигнал коррекции БОГК в канале тангажа;
ϑ
µ - сигнал автокомпенсации детерминированных ошибок ПОЗ, включая ошибку установки ПОЗ относительно связанных осей КА по тангажу;
поз
ϑ - сигнал ПОЗ по тангажу;
ϑ
Δ - выходной сигнал БОГК по тангажу;
а
- коэффициент интегрирования - автокомпенсации,
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi><mi>O</mi></msubsup></mrow>
дожидаются завершения переходных процессов в контуре ориентации, запоминают накопленное значение сигнала автокомпенсации в канале тангажа
и отключают его накопление, выполняют обратный поворот КА по курсу и производят таким образом обратное замещение каналов крена и тангажа БОГК и вводят в канал коррекции БОГК по тангажу запомненное значение сигнала автокомпенсации
в качестве поправки на детерминированную ошибку ориентации БОГК в канале тангажа, при этом сигнал коррекции в канале тангажа вычисляют по формуле
γ
γ
γ
а для каналов крена и курса вводят в сигнал коррекции ε сигнал автокомпенсации детерминированных ошибок ПОЗ по крену µ, при этом новый сигнал коррекции БОГК в каналах крена и курса u вычисляют по формуле
γ
где u - новый сигнал коррекции БОГК;
γ
ε - старый сигнал коррекции БОГК;
γ
µ - сигнал автокомпенсации детерминированных ошибок ПОЗ, включая ошибку установки ПОЗ относительно связанных осей КА по крену;
поз
γ - сигнал ПОЗ по крену;
Δγ - выходной сигнал БОГК по крену;
b - коэффициент интегрирования - автокомпенсации.
Для реализации приведенного выше способа предлагается система ориентации КА с использованием БОГК, содержащая в канале крена последовательно соединенные ПОЗ, первый сумматор, первый модуль усиления (МУ), второй сумматор, третий сумматор, первый интегратор, выход которого является входом в систему стабилизации КА по крену, содержащая в канале тангажа последовательно соединенные ПОЗ, четвертый сумматор, второй МУ, пятый и шестой сумматоры и второй интегратор, выход которого является входом в систему стабилизации КА по тангажу, содержащая в канале курса косинусный (КП) и синусный (СП) преобразователи и последовательно соединенные седьмой сумматор, третий МУ, восьмой и девятый сумматоры, третий интегратор, выход которого является входом в систему стабилизации КА по курсу, при этом входы КП и СП подключены к выходам первого и четвертого сумматоров соответственно, а выходы - соответственно к первому и второму входам седьмого сумматора, содержащая также блок гироскопических измерителей угловых скоростей (БИУС), программный модуль управления (ПМУ), а также первый, второй, третий и четвертый модули компенсации взаимовлияний каналов (МКВК) ориентации БОГК, при этом вторые входы второго, восьмого и пятого сумматоров подключены соответственно к выходам БИУС по каналам крена, курса и тангажа, выход первого интегратора подключен одновременно ко второму входу первого сумматора и к первому входу первого МКВК, выход которого соединен со вторым входом девятого сумматора, выход второго интегратора подключен одновременно ко второму входу четвертого сумматора и первому входу второго МКВК, выход которого соединен с третьим входом девятого сумматора, а выход третьего интегратора подключен одновременно к первым входам третьего и четвертого МКВК, выходы которых соединены со вторыми входами соответственно третьего и шестого сумматоров, при этом первый, второй и третий выходы ПМУ подключены соответственно к третьим входам второго, восьмого и пятого сумматоров, а четвертый выход ПМУ подключен одновременно ко вторым входам КП, СП и вторым входам первого второго, третьего и четвертого МКВК.
Предложение отличается тем, что в систему ориентации введены первый и второй ключи, четвертый и пятый интеграторы и в цепи первого и четвертого сумматоров введены десятый и одиннадцатый сумматоры соответственно, при этом выход десятого сумматора подключен одновременно к входу первого МУ, первому входу КС и первому ключу, выход одиннадцатого сумматора подключен одновременно к входу третьего МУ, первому входу СП и второму ключу, при этом выходы первого и второго ключей подключены к входам четвертого и пятого интеграторов соответственно, выходы которых подключены соответственно ко вторым входам десятого и одиннадцатого сумматоров.
Применение предлагаемого способа ориентации КА и соответствующей ему системы ориентации позволяют добиться полного исключения влияния детерминированных ошибок ПОЗ на точность ориентации КА во всех трех каналах ориентации КА - в каналах крена, курса и тангажа.
Покажем это на примере.
На фиг. 1 показано:
1 - прибор ориентации по Земле (ПОЗ);
2 - блок гироскопических измерителей угловых скоростей (БИУС);
3 - программный модуль управления (ПМУ);
4-14 - сумматоры;
15-17 - модули усиления;
18-22 - интеграторы;
23-26 - модули компенсации взаимовлияния каналов;
27-28 - косинусный и синусный преобразователи соответственно;
0З
0Р
90З
90Р
29, 30 - первый и второй ключи и соответствующие им команды К, К и К, К на их замыкание и размыкание;
1
2
m, m - вход и выход первого ключа соответственно;
1
2
n, n - вход и выход второго ключа соответственно;
поз
поз
γ, ϑ - выходные сигналы ПОЗ по крену и тангажу;
X
Y
Z
ω, ω, ω - выходные сигналы БИУС по крену, курсу и тангажу;
<mrow><mi>Δ</mi><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mover accent="true"><mi>ϑ</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
Ψ
ϑ
Δγ,
, Δ,
, Δ,
- выходные сигналы БОГК по углу и угловой скорости соответственно по крену, курсу и тангажу;
Ω - орбитальная угловая скорость КА;
П
Ψ - программный угол поворота КА по курсу относительно ОСК.
На фиг. 2 показаны:
П
- ошибки КА по тангажу ϑ, крену γ и курсу Ψ (сверху вниз) и программный угол поворота KA - Ψ относительно ОСК (все углы в градусной мере);
ПОЗ
ПОЗ
- участок А - начальное состояние КА и соответствующее ему положение БОГК в установившемся режиме для γ=0,25° и ϑ=0,2° (для стабилизации КА использовались маховые исполнительные органы);
П
- участок В - программный поворот КА на 90° (Ψ=90°);
- участок С - автокомпенсация в канале тангажа;
П
- участок D - обратный поворот КА на - 90° (Ψ=0);
- участок E - автокомпенсация в канале крена;
- участок F - полет КА с полностью скомпенсированными ошибками БОГК (КА) в каналах тангажа, крена и курса.
В исходном состоянии в соответствии с фиг. 1 линеаризованные уравнения системы ориентации имеют вид
где
KΑ/OCK
Ψ - положение связанных осей KA относительно ОСК по курсу;
α, β, θ - положение (ошибки) приборных осей БОГК относительно ОСК соответственно в каналах курса, крена и тангажа;
Ψ, γ, ϑ - положение (ошибки) ориентации связанных осей КА относительно приборных осей БОГК соответственно по курсу, крену и танагажу;
ΠОЗ
ПОЗ
Δγ, Δϑ - детерминированные ошибки ПОЗ в каналах крена и тангажа, включая ошибки установки ПОЗ относительно связанных осей КА;
1
2
3
K, K, K - коэффициенты усиления МУ.
<mrow><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>β</mi><mo>˙</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>θ</mi><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
П
После завершения в системе переходных процессов (установившейся режим ориентации) -
(при Ψ=0) ошибки ориентации КА относительно ОСК по курсу, крену и тангажу будут соответственно равны
ПОЗ
ПОЗ
<mrow><msub><mi>к</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>0,01</mn><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mi>с</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>к</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>к</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>0,02</mn><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mi>с</mi></mfrac></mrow>
Положим ошибки ПОЗ равными Δγ=Δϑ=30 угл. мин, коэффициенты модулей усиления
,
, тогда ошибки ориентации КА будут равны
Целью изобретения является полная компенсация указанных выше ошибок ориентации.
Согласно предлагаемому способу выполняют следующие операции:
П
П
п
П
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>Ψ</mi><mo>˙</mo></mover><mi>П</mi></msub></mrow>
1. Поворачивают КА по курсу на девяносто градусов (в положительную или отрицательную сторону, фиг. 2, участок В). С этой целью из ПМУ задают сигналы на программный поворот КА: Ω·cosΨ - на сумматор 10, Ω·sinΨ - на сумматор 6 и
- на сумматор 8. Одновременно вводят данные по текущему состоянию Ψ на МКВК 23-26 и СП и КП 27, 28. Знак поворота не имеет значения, для определенности формульные зависимости даны для Ψ>0°.
П
П
П
По достижении программного поворота Ψ=90° происходит замещение каналов гирокомпасирования: канал крена БОГК замещается на канал тангажа, а канал тангажа - на канал крена, точное замещение происходит автоматически в точке Ψ=90°, при этом уравнения движения БОГК примут вид для Ψ=90° (фиг. 2, участок В)
В процессе движения KA летит боком вперед, канал «бывшего» крена для такого устойчивого положения ориентации становится по отношению к ОСК тангажом, а канал тангажа - креном.
2. Продолжают ориентированный орбитальный полет в повернутом по курсу на девяносто градусов положении КА (фиг. 2, участок С).
ϑ
ϑ
90З
ϑ
3. Вводят в сигнал коррекции в канале тангажа ε сигнал автокомпенсации ошибок ПМВ по тангажу µ. Для этого с ПМУ подается команда К на замыкание ключа 29, при этом новый сигнал коррекции БОГК в канале тангажа u вычисляют по формуле (фиг. 2, участок С, завершение автокомпенсации ~ на 25000 с)
ϑ
где u - новый сигнал коррекции БОГК в канале тангажа;
ϑ
ε - старый сигнал коррекции БОГК в канале тангажа;
ϑ
µ - сигнал автокомпенсации детерминированных ошибок ПОЗ, включая ошибку установки ПОЗ относительно связанных осей КА по тангажу;
а
- коэффициент интегрирования - автокомпенсации.
4. Дожидаются установившегося режима ориентации - завершения переходного процесса в контуре БОГК (фиг. 2, участок С, время t~25000 с).
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
90Р
5. Запоминают накопленное значение сигнала автокомпенсации в канале тангажа
и отключают его накопление (фиг. 2, участок С, время t>25000 с), для этого выдается команда К, в результате чего ключ 29 размыкается, накопление поправки прекращается, а на выходе интегратора 22 запоминается последнее значение накопленной поправки
.
n
6. Выполняют обратный поворот КА по курсу (фиг. 2, участок D) для Ψ=0° аналогично п. 1. КА поворачивается в исходное положение, при этом автоматически происходит обратное замещение каналов крена и тангажа БОГК, каналы ориентации занимают исходное положение.
<mrow><msub><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>μ</mi><mi>ϑ</mi><mi>O</mi></msubsup></mrow>
7. Вводят в канал коррекции БОГК по тангажу запомненное значение сигнала автокомпенсации
в качестве поправки на детерминированную ошибку ориентации БОГК в канале тангажа, при этом сигнал коррекции в канале тангажа вычисляют по формуле
γ
γ
0З
γ
8. Для каналов крена и курса (фиг. 2, участок Е) вводят в сигнал коррекции ε сигнал автокомпенсации детерминированных ошибок ПМВ по крену µ. Для этого замыкают ключ 30 по команде К из ПМУ, при этом новый сигнал коррекции БОГК в каналах крена и курса u вычисляют по формуле
γ
где u - новый сигнал коррекции БОГК;
γ
ε - старый сигнал коррекции БОГК;
γ
µ - сигнал автокомпенсации детерминированных ошибок ПОЗ, включая ошибку установки ПОЗ относительно связанных осей КА по крену;
поз
γ - сигнал ПОЗ по крену;
Δγ - выходной сигнал БОГК по крену;
b - коэффициент интегрирования - автокомпенсации.
0Р
9. После завершения переходных процессов в контуре ориентации ошибки КА в каналах крена и курса полностью скомпенсированы (фиг. 2, участок F). В дальнейшем ключ 30 может быть разомкнут по команде К или оставаться замкнутым (что не оговаривается особо в предлагаемом изобретении). В обоих случаях происходит автоматическая компенсация детерминированных ошибок ПОЗ.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет полностью автокомпенсировать ошибки ориентации КА относительно ОСК во всех трех каналах ориентации - курса, крена и тангажа, вызванные детерминированными ошибками ПОЗ по крену и тангажу, включая ошибки установки ПОЗ на КА относительно связанных осей.