научная статья по теме РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ МИКРОСПУТНИКА ЧИБИС-М Космические исследования

Текст научной статьи на тему «РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ МИКРОСПУТНИКА ЧИБИС-М»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 3, с. 218-228

УДК 629.7.072.1

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ

МИКРОСПУТНИКА ЧИБИС-М

© 2014 г. Д. С. Иванов1, Н. А. Ивлев2, С. О. Карпенко2, М. Ю. Овчинников1,

Д. С. Ролдугин1, С. С. Ткачев1

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва 2ООО "СПУТНИКС", г. Москва

danilivanovs@gmail.com Поступила в редакцию 07.02.2013 г.

Приведено описание системы ориентации микроспутника Чибис-М. Рассматриваются результаты летных экспериментов по демпфированию начальной угловой скорости с помощью токовых катушек, стабилизации в орбитальной системе координат и ориентации космического аппарата солнечными панелями на Солнце с помощью маховиков. Также исследуется работа алгоритмов определения ориентации спутника на освещенном и теневом участках орбиты. Представлена и проанализирована общая логика работы системы ориентации в автоматическом режиме.

DOI: 10.7868/S0023420614020046

ВВЕДЕНИЕ

Микроспутник Чибис-М (разработка ИКИ РАН, научные руководители проекта — академики Л.М. Зеленый и А.В. Гуревич) был выведен на орбиту 25.I.2012 г. с борта грузового транспортного корабля Прогресс-13М. Масса микроспутника составляет 42 кг. Спутник предназначен для исследования явлений, происходящих во время грозовых разрядов в атмосфере [1]. Система ориентации реализована специалистами ООО ИТЦ "СканЭкс", разработка и исследование алгоритмов ориентации проводились специалистами ИПМ им. М.В. Келдыша РАН.

Система ориентации микроспутника Чибис-М прошла несколько этапов верификации. На этапе разработки системы в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН были проведены аналитические и численные исследования алгоритмов определения ориентации и алгоритмов управления ориентацией. Эти исследования позволили определить основные параметры и общий технический облик системы ориентации [2], [3]. На основе выработанных рекомендаций в ИТЦ "СканЭкс" были выбраны актюаторы и датчики определения ориентации, калибровочные испытания которых были затем проведены в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН [4], [5]. В ИТЦ "СканЭкс" был создан лабораторный стенд, на котором прошли испытания алгоритмы определения ориентации и алгоритмы управления ориентацией микроспутника Чибис-М [6]. Эксплуатацию системы обеспечивает ООО "Спутникс".

Система ориентации предназначена для решения следующих задач:

демпфирование угловой скорости микроспутника и стабилизация относительно заданной системы координат после его выведения на рабочую орбиту и отделения от ракеты-носителя;

стабилизация микроспутника в орбитальной системе координат (ОСК) в течение длительного времени при выполнении целевых работ;

обеспечение поворота микроспутника относительно центра масс для ориентации панелей солнечных батарей на Солнце;

автономное, а также по командам наземного комплекса управления, восстановление орбитальной ориентации в случае нештатной работы системы или планового изменения режима ориентации;

выдача информации об угловом положении микроспутника относительно ОСК для передачи ее бортовым системам, а также на наземный пункт приема и обработки этой информации.

Исходя из решаемых задач, система ориентации и стабилизации должная обеспечивать следующие режимы работы микроспутника:

демпфирование угловой скорости вращения микроспутника вокруг центра масс после отделения от средств выведения, а также в случае нештатной ситуации;

захват/восстановление ориентации, то есть перевод микроспутника из неориентированного положения к ориентации в ОСК после завершения режима демпфирования его угловой скорости;

рабочий режим: 3-хосная ориентация микроспутника в ОСК таким образом, что оси связан-

ной с микроспутником системы координат (ССК) совпадают с одноименными осями ОСК;

режим ориентации в заданном направлении в инерциальной системе координат (ИСК), используемый, в частности, для ориентации нормалей к поверхностям солнечных батарей на Солнце.

Определим используемые системы координат. ССК жестко связана с аппаратом, ее оси совпадают с главными центральными осями инерции микроспутника. ОСК строится следующим образом: начало находится в центре масс аппарата О, ось Х3 направлена по радиус-вектору центра масс аппарата относительно центра масс Земли, ось Х2 направлена по нормали к орбите, ось Х1 дополняет систему до правой. Центр ИСК находится в центре масс Земли, ось Х^ совпадает с направлением на точку весеннего равноденствия, ось Х3

совпадает с осью вращения Земли ось Х2 дополняет систему до правой.

Переключение между режимами определения ориентации и управления ориентацией осуществляется автоматически по командам бортового компьютера, но возможно задание режимов и напрямую через наземный центр управления полетом (ЦУП). Логика переключения между режимами определения и управления в автоматическом режиме работает таким образом, чтобы микроспутник основное время находился в рабочей ориентации (оси ССК совпадают с осями ОСК). В случае, когда батарея имеет низкий заряд, с помощью специального алгоритма по командам из ЦУПа можно развернуть микроспутник солнечными панелями на Солнце. Далее рассматривается отдельно работа алгоритмов управления и определения ориентации, проводится анализ логики автоматического переключения между алгоритмами.

Летные испытания системы ориентации и стабилизации микроспутника проходили в несколько этапов. Начальные этапы испытаний включали в себя последовательные проверки на работоспособность датчиков определения ориентации, исполнительных органов. Далее была произведена оценка их калибровочных характеристик, сравнение их с номинальными значениями, полученными при наземной калибровке, из чего был сделан вывод о корректности работы приборов. На следующих этапах проверялась работоспособность алгоритмов определения ориентации и алгоритмов управления ориентацией.

В настоящей работе представлены результаты летных испытаний системы ориентации микроспутника Чибис-М, анализируется точность определения ориентации в различных режимах, анализируется работа алгоритма демпфирования угловой скорости микроспутника, исследуется точность стабилизации микроспутника относи-

409

609

709

xyz

- система координат БУСОС

Рис. 1. Расположение элементов системы ориентации и стабилизации в теле микроспутника Чибис-М.

тельно ОСК в различных режимах определения ориентации. Кроме того, на примерах проанализирована логика автоматического переключения режимов определения и управления ориентацией микроспутника. Подробнее о летных испытаниях системы ориентации микроспутника Чибис-М можно прочитать в [7].

1. СОСТАВ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ МИКРОСПУТНИКА ЧИБИС-М

Рассмотрим состав системы ориентации микроспутника Чибис-М. Система ориентации и стабилизации состоит из датчиков определения ориентации, исполнительных органов и блока управления [6]. Расположение элементов системы ориентации в теле спутника изображено на рис. 1. В качестве датчиков определения ориентации в составе микроспутника используются один трех-компонентный магнитометр НМЯ 2300Я, пять солнечных датчиков DSS3 и три одноосных датчика угловой скорости ADIS 16130. Основные характеристики датчиков приведены в таблице [4].

В качестве исполнительных элементов системы управления ориентацией в составе микроспутника используются три токовые катушки и шесть управляющих двигателей-маховиков. Токовые катушки индуцируют управляемый ди-польный магнитный момент, который при взаимодействии с внешним магнитным полем создает управляющий механический момент. Токовые катушки представляют собой соленоиды с обмоткой из медной проволоки и пермаллоевым сердечником. Максимальный дипольный момент каждой катушки составляет 3.2 А м2.

Таблица

Характеристика\датчик Магнитометр Солнечный датчик Датчик угловой скорости

Диапазон измерения ±200000 нТл ±45° ± 250 град/c

Случайное отклонение (ст) 50 нТл 0.1 ° 0.01 град/c

Двигатели-маховики выполнены на основе бесконтактного двигателя постоянного тока с управляемым моментом. Электродвигатель обеспечивает вращение ротора-маховика, его разгон и торможение. Величина создаваемого им вращающего (управляющего) момента может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика. Механический момент от управляющих двигателей маховиков создается при изменении скорости их вращения и в лабораторных условиях находится в диапазоне [—0.4, +0.4] мН м. Скорость вращения маховиков при этом изменяется в диапазоне [—20000, +20000] об/мин.

Блок управления системой ориентации и стабилизации является связующим звеном между датчиками и органами управления, а также между системой ориентации и стабилизации и внешними устройствами управления. Основными функциями блока являются сбор и обработка измерений датчиков системы с помощью алгоритмов определения ориентации, выработка с помощью алгоритмов управления команд для элементов системы стабилизации, прием команд от внешнего бортового контроллера управления микроспутника, передача данных в каналы телеметрии спутника. Основной составной частью является бортовой компьютер, который основан на плате LPCH2294, содержащей процессор, внешнюю ОЗУ размером 1 Мб, энергонезависимую флэш-память емкостью 4 Мб.

Рис. 2. Измерения магнитометра.

2. АЛГОРИТМ ДЕМПФИРОВАНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ "-BDOT"

Алгоритм "-Bdot" предназначен для демпфирования угловой скорости аппарата [8]. Управление формируется согласно дипольному магнитному моменту спутника m = -к—, где к — посто-

dt

янный коэффициент [9]. Из формы записи дипольного момента становится понятной логика работы алгоритма: исходя из информации о вращении вектора B геомагнитной индукции, формируется момент, фактически вращающий спутник в обратном направлении. Для работы алгоритма требуются только измерения магнитного поля Земли, получаемые с помощью магнитометра. Алгоритм "—Bdot" автоматически включается в режиме управления стабилизацией в случаях: при включении питания системы ориентации; если данных об ориентации нет, или они устарели; а также в автоматическом режиме стабилизации, если модуль угловой скорости, грубо оцениваемый только с помощью измерений магнит

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком