ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к области космической техники и может быть использована для определения ориентации космических аппаратов (КА) различного назначения в орбитальной системе координат.
Из существующего уровня техники известно устройство определения положения космического аппарата по патенту США №3493765, опубл. 03.02.1970 г., МПК H01J 39/12, 39/00; G01J 1/20, которое и было взято за прототип данной полезной модели.
Чувствительные элементы (ЧЭ) располагаются на поверхности граней КА. Измеряется рассогласование между оптической осью ЧЭ и вектором направления на Солнце. Пары ЧЭ соединены по дифференциальной схеме. При освещении Солнцем каждой грани выдается калиброванный сигнал определенного уровня. Сумма сигналов с освещенных граней дает возможность определять ориентацию КА.
К главным преимуществам такого способа построения прибора для определения ориентации КА можно отнести:
а) простоту, экономичность и легкость монтажа,
б) простое применение к каналу рыскания дифференциальной схемы без использования какой-либо дополнительной вычислительной обработки.
Однако существует и ряд недостатков. Вследствие появления зон нечувствительности, связанных с полным отражением света от стеклянной защитной поверхности ФЭП, поле зрения ЧЭ представляет собой конус с углом при вершине 140°, а следовательно, в случае горизонтально-вертикального размещения ЧЭ, при углах возвышения β<20°, прибор имеет слепые зоны.
Дифференциальная схема подключения ЧЭ не обеспечивает точного определения компонентов вектора направления на Солнце, а лишь позволяет оценить величину рассогласования между сигналами ЧЭ.
В основу заявляемой полезной модели положена задача создания прибора для определения ориентации космических аппаратов с большей точностью и лишенного перечисленных выше недостатков, присущих прототипу.
Техническим результатом от использования полезной модели является повышение точности и надежности определения положения КА в космосе.
Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов, включающий два одинаковых оптических блока с размещенными на их установочных поверхностях чувствительными элементами, при освещении которых Солнцем выдается калиброванный сигнал определенного уровня, отличающийся тем, что оптический блок представляет собой правильный многогранник, в котором установочные поверхности чувствительных элементов наклонены друг к другу под одним и тем же углом, обеспечивающим при любом положении космического аппарата относительно вектора направления на Солнце, совместное освещение не менее пяти чувствительных элементов.
В частных случаях оптический блок представляет собой додекаэдр или икосаэдр. Схема размещения ЧЭ на данных многогранниках обеспечивает однозначное определение координат вектора направления на Солнце, резервирование, с использованием минимального количества ЧЭ, снятие ограничений на определение ориентации КА путем сведения к минимуму слепых зон датчика. Также додекаэдр и икосаэдр обеспечивают совместную освещенность нескольких граней с равномерным сферическим обзором.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 - расположение ЧЭ при дифференциальной схеме включения (по прототипу).
На фиг.2 - связанная система координат (ССК) КА и углы, определяющие положение вектора направления на Солнце.
На фиг.3 - схема расположения ЧЭ на гранях икосаэдра.
На фиг.4 - схема установки оптических блоков заявленной полезной модели.
Примеры реализации полезной модели. Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов включает в себя два одинаковых оптических блока с размещенными на их установочных поверхностях чувствительными элементами, при освещении которых Солнцем выдается калиброванный сигнал определенного уровня. Оптический блок представляет собой правильный многогранник, а именно икосаэдр, который имеет 20 граней, на каждой из которых располагается ЧЭ. В этом случае всегда выполняется условие совместного освещения нескольких ЧЭ, а угол между нормалями к отдельным граням икосаэдра равен 41,81°.
Пример 2 отличается от примера 1 тем, что в качестве многогранника для оптического блока используется додекаэдр, который также обеспечивает совместную освещенность нескольких граней, а угол между нормалями к отдельным граням приблизительно равен 73°.
Принцип работы устройства.
При освещении Солнцем ЧЭ, находящихся на гранях оптического блока, выдается выходное напряжение.
u
Для определения точности ориентации КА на Солнце необходимо знать компоненты матрицы перехода от ССК КА к ССК ЧЭ. Обозначим эту матрицу через A, тогда направляющие косинусы оптических осей ЧЭ можно найти из произведения:
где J - единичный вектор, определяющий положение чувствительной оси ЧЭ в его собственной ССК.
Выходное напряжение ЧЭ пропорционально косинусу угла между его оптической осью и вектором направления на Солнце. Это то же самое, что скалярное произведение двух единичных векторов - вектора направления на Солнце и вектора, определяющего положение оптической оси ЧЭ в ССК КА. Это означает, что для определения трех проекций вектора направления на Солнце на оси ССК КА необходимо иметь систему из трех уравнений. Очевидно, что система трех линейных уравнений с единственным решением получится при совместном освещении трех ЧЭ, расположенных под разными углами:
x
y
z
где S, S, S - проекции вектора направления на Солнце на оси ССК КА,
1
2
3
U, U, U - нормированные к единице напряжения ЧЭ.
Описанная схема размещения ЧЭ, в пределах верхней полусферы, обеспечивает совместное освещение не менее пяти ЧЭ, а это означает, что в каждом положении мы имеем как минимум два избыточных сигнала.