научная статья по теме РАБОТА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА СПЕКТР-Р Космические исследования

Текст научной статьи на тему «РАБОТА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА СПЕКТР-Р»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 5, с. 399-407

УДК 520.6.05,52-323.2

РАБОТА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

СПЕКТР-Р

© 2014 г. М. М. Лисаков1, С. М. Войнаков3, А. С. Сыров2, В. Н. Соколов2, Д. А. Добрынин2, М. А. Шатский2, Р. А. Камальдинова2, В. В. Сосновцев2, Н. В. Рябогин2, Т. Б. Вьюницкая2, Е. Н. Филиппова3

1Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва

lisakov@asc.rssi.ru 2Московское опытно-конструкторское бюро "МАРС", г. Москва office@mokb-mars.ru 3НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки voinakov@laspace.ru; flen@laspace.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.

В работе представлены оценки погрешностей наведения и поддержания ориентации Спектр-Р по данным астродатчиков и гироскопического измерителя вектора угловой скорости, проведено сравнение расчетных значений с наблюдаемыми. Показано, что достигаемая точность наведения значительно превышает требуемую и не зависит от количества используемых для этого астродатчиков, что параметры стабилизации соответствуют ожидаемым. Описан оригинальный метод обработки юстировочных наблюдений космического радиотелескопа в диапазоне 1.35 см, с помощью которого найдено систематическое отклонение 2.5' его реальной электрической оси от номинального углового положения.

DOI: 10.7868/S0023420614050094

ВВЕДЕНИЕ

1

Бортовой комплекс управления (БКУ) КА Спектр-Р предназначен для обеспечения функционирования аппарата на рабочей орбите и выполнения целевой задачи — наблюдения источников космического радиоизлучения с помощью космического радиотелескопа (КРТ). Условием осуществления этого является выполнение заданных точностных требований и ограничений на ориентацию КА. Передача научных данных на наземные станции управления и слежения осуществляется непосредственно в ходе наблюдений через подвижную остронаправленную антенну (ОНА) высокоинформативного радиокомплекса КА.

Основными функциями БКУ являются: управление угловым движением КА и движением центра масс; управление функционированием смежных систем, устройств и агрегатов (СС) КА; формирование телеметрических параметров для оценки состояния БКУ и проведения на Земле обработки данных, полученных при юстировке научной аппаратуры в полете; расчет движения центра масс по заданным с Земли начальным условиям и на основе этого расчет углов разворо-

1 http://www.asc.rssi.ru/radioastron/documents/rauh/en/rauh.pdf.

та двухстепенного привода ОНА для наведения ОНА на заданную наземную станцию.

БКУ функционирует в следующих основных режимах: постоянная солнечная ориентация (ПСО); инерциальная ориентация (ИНО) — трехосная стабилизация КА относительно заданного программного положения по информации ГИВУС (см. ниже) с астрокоррекцией уходов ГИВУС или без нее; выдача корректирующего импульса (ВКИ); "закрутка" для последующей пассивной гироскопической стабилизации КА (ГС).

В БКУ предусмотрен набор "типовых полетных операций", комбинируя которые и задавая с Земли их параметры можно во время полета "конструировать" разнообразные угловые маневры КА, включая маневры для калибровки командных приборов и определения взаимного углового положения командных и научных приборов.

Задание и определение ориентации производится относительно второй экваториальной системы координат — инерциальной системы координат (ИСК) стандартной эпохи 12000.0.

Программная ориентация визирной системы координат (ВСК) КА либо задается в виде кватерниона по отношению к ИСК в составе командно-программной информации (КПИ), поступающей с Земли, либо автономно формируется БКУ изме-

няющейся во времени на основе данных КПИ. Определения систем координат КА и КРТ приведены соответственно в [2] и [3].

В состав БКУ входят: (а) бортовая цифровая вычислительная система (БЦВС) с блоком управления и коммутации; (б) блоки силовой автоматики; (в) командные приборы (КП): гироскопический измеритель вектора угловой скорости (ГИВУС) с четырьмя измерительными каналами разработки НИИ ПМ им. В.И. Кузнецова; звездные датчики — три астродатчика АД-1; датчики ориентации на Солнце — два солнечных датчик положения СДП-1; (г) инерционные исполнительные органы — комплекс управляющих двигателей-маховиков (ДМ) с четырьмя ДМ разработки НИИ Командных приборов.

Кроме этого в качестве исполнительных органов БКУ использует входящие в состав двигательной установки двигатели стабилизации (ДС) и коррекции (ДК). ДС используются для гашения угловых скоростей после отделения КА, построения ПСО, разгрузки ДМ, "закрутки" КА, стабилизации КА по каналу вращения при ВКИ с помощью ДК, для выдачи малых корректирующих импульсов, а также при парировании нештатных ситуаций.

После выведения КА на целевую орбиту запускается автоматическая циклограмма управления начального участка, по которой осуществляются: гашение угловых скоростей отделения, перевод КА в режим ПСО, обеспечивающий ориентацию панелей солнечной батареи (СБ) на Солнце в исходном после раскрытия положении с целью создания положительного энергопритока и необходимые тепловые режимы. После ее окончания и астроопределения текущей ориентации с помощью астродатчиков КА переводится в режим автономного управления — поддержания ориентации КА в режиме ИНО, обеспечивающей нормальное функционирование всех бортовых систем, и ожидания ввода полетных заданий (ПЗ) для выполнения последующих операций.

Программа функционирования КА строится таким образом, чтобы во время интерферометри-ческих или юстировочных наблюдений исключались возмущения угловой стабилизации КА и возмущения движения его центра масс. Поэтому коррекции орбиты, разгрузка ДМ, развороты панелей СБ назначаются вне участков наблюдений.

Управление ориентацией КА в сеансах научных наблюдений по сигналам ГИВУС и АД. В техническом задании (ТЗ) оговорены следующие требования к параметрам ориентации: погрешности ориентации (3а) ВСК КА без учета погрешностей взаимной привязки приборных систем координат (ПСК) КП и ВСК по каждой из осей ВСК не более 18''; стабилизационные отклонения не более ±2.5'' от среднего значения на любом интервале продол-

жительностью в 120 с; угловые скорости стабилизации по осям У и Z ВСК не более 2 • 10-4 град/с, по оси X — 5 • 10-4 град/с.

Управление ориентацией КА строится на принципах корректируемой бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). Заданная в ТЗ точность ориентации достигается использованием для управления ориентацией сигналов ГИВУС и АД и функционированием подсистемы информационного обеспечения БКУ в режиме непрерывной астрокоррекции (НАК). Режим НАК предусматривает непрерывную работу одновременно двух АД и коррекцию параметров ориентации КА, вычисляемых по сигналам ГИВУС при частоте поступления астродан-ных 0.5 Гц.

Проведение калибровки дрейфов ГИВУС задается из центра управления полетом (ЦУП) вводом на борт КА соответствующего ПЗ. Плановая периодичность проведения калибровки дрейфов ГИВУС зависит от стабильности систематических дрейфов и в среднем составляет один раз в неделю. Если сеанс научных наблюдений выполняется при постоянной ориентации и имеет достаточно большую продолжительность (от 6 до 18ч), на его фоне может быть выполнена калибровка дрейфов ГИВУС.

Калибровка масштабных коэффициентов ГИВУС и взаимного углового положения АД-1 и ГИВУС была выполнена сотрудниками МОКБ "Марс" один раз на начальном этапе функционирования КА. Проведение данной операции позволило устранить рассогласования систем координат КП, вызванные неточностью наземных обмеров и действием перегрузок на этапе выведения КА на орбиту.

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ОРИЕНТАЦИИ КА СПЕКТР-Р НА ИНТЕРВАЛЕ НАУЧНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

К основным составляющим, определяющим общую погрешность ориентации КА Спектр-Р, следует отнести:

Д1 — погрешности определения параметров ориентации КА непосредственно после поступления очередных данных от АД (каждые 2 с) с учетом включения их в обработку фильтром Калмана;

Д2 — погрешности вычисления параметров ориентации по сигналам ГИВУС внутри 2-х секундного интервала между поступлениями данных от АД за счет нескомпенсированных дрейфов ГИВУС;

Д3 — погрешности вычисления параметров ориентации по сигналам ГИВУС, обусловленные наличием в них шумовых составляющих;

Д4 — погрешности системы стабилизации.

Независимость приведенных погрешностей следует из различной, независимой природы их возникновения. Рассмотрим уровни этих погрешностей, приведя их к эквивалентным погрешностям определения и управления ориентацией КА. Влияние остальных факторов на точность ориентации КА устраняется по результатам калибровки масштабных коэффициентов ГИВУС и взаимного углового положения КП.

Погрешности определения параметров ориентации КА по данным от АД. Погрешность астродатчика состоит из трех компонент: (1) шумовой компоненты; (2) систематической компоненты, которая проявляется как периодическая при движении изображения звезды по ПЗС-матрице; (3) систематической компоненты, включающей постоянную и низкочастотную составляющие.

Третья компонента погрешности устранена в результате калибровки астродатчиков на начальном этапе полета с обработкой на Земле данных, полученных по телеметрии. По ее результатам на борт вводится КПИ, с помощью которой корректируются выходные данные астродатчиков.

Вторую компоненту погрешности определяют как микродисторсию — методическую погрешность, величина которой зависит от положения изображений звезд относительно растровой структуры ПЗС-матрицы [4]. При наличии угловой скорости она проявляется как псевдослучайная, периодическая. При отсутствии программного углового движения КА относительно ИСК и малых амплитудах стабилизации данная компонента становится неустранимой систематической погрешностью.

В сеансе астровизирования, проходящем при наличии небольшой угловой скорости КА (15— 30 угл. с/с), фильтр Калмана, используемый для расчета астроориентации, устраняет шумовую и периодическую компоненты погрешности астродатчика. В противном случае фильтр устраняет только шумовую компоненту погрешности и не устраняет вторую компоненту, которая становится систематической, поскольку не проявляет себя при отсутствии движения изображе

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

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»