по межпредметному семинару на тему: «Приборы ориентации и навигации космических аппаратов» (стр. 1 из 3)

Московский физико-технический институт

(Государственный университет)

Реферат по межпредметному семинару

на тему: «Приборы ориентации и навигации космических аппаратов».

Выполнили студенты

752гр. Казанкова Е.А.

753гр. Иванова Д.А.

2010

Долгопрудный

Реферат подготовили студентки 3 курса факультета физической и квантовой электроники МФТИ Казанкова Екатерина Анатольевна (752 гр.) и Иванова Дарья Александровна (753 гр.).

Реферат подготовлен по докладу Н.В. Куприяновой и С.С. Ткачева "Европейское образование в области космических исследований. Опыт сотрудничества с университетами Европы".

Информация о докладчике: Степан Сергеевич Ткачёв, аспирант 2го года МФТИ, ассистент кафедры теоретической механики МФТИ, м.н.с. Института Прикладной Математики им.М.В.Келдыша РАН.

Большую благодарность вырожаем С.С Ткачеву за помощь в поиске актуальной на сегодняшний день информации.

В реферате описаны основные типы систем управления КА. Так же определены основные задачи, решение которых могут обеспечивать системы управления: астроориентация, астрокоррекция, астронавигация и определение положения (индикации) осей КА. В настоящее время сложилось общепризнанное распределение приборов астроориентации на типы. Прежде всего, приборы разделяются по характеру использования их в составе КА — автоматические и визуальные. Существует и другое разделение астроприборов по типам, а именно в зависимости от используемых ими астроориентиров. По этому признаку выделяются три типа приборов — приборы ориентации и навигации по звездам, по Земле, по Солнцу (более кратко — звездные, земные и солнечные астроприборы). Основной материал взят из 1 главы книги В.И.Федосеева «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов».

Развитие космической техники во многом связано с совершенствованием систем управления космическими аппаратами (КА). В связи с высокими и постоянно возрастающими требованиями к точности таких систем, с необходимостью обеспечения автономности их функционирования в качестве датчиков первичной информации используются оптико-электронные приборы (астроприборы). Они определяют угловое положение аппарата относительно астрономических источников излучения (астроориентиров) — звезд, Солнца, планет (в том числе Земли). Эти приборы на современных КА могут обеспечивать в составе системы управления решение четырех основных задач — астроориентации, астрокоррекции, астронавигации и определения положения (индикации) осей КА. Задача aстроориентации состоит в том, чтобы по показаниям астроприборов ориентировать КА (или какое-либо устройство на КА, например телескоп, солнечные батареи) в инерциальном пространстве для выполнения того или иного эксперимента, измерения, маневра; при этом астроприборы непосредственно входят в контур управления КА и должны функционировать в течение всего времени поддержания режима ориентации. В задаче астрокоррекции показания астроприборов используются для коррекции положения осей КА или осей его гироплатформы (реальной или виртуальной, реализованной программными средствами в бортовом компьютере), которые предварительно были соорентированы, но с течением времени их положение изменилось. В отличие от предыдущего случая астроприборы здесь не входят непосредственно в контур управления системы ориентации КА, а лишь периодически выдают корректирующую информацию. Поэтому время работы этих астроприборов при решении задачи астрокоррекции значительно меньше, чем при решении задачи астроориентации.

Наиболее распространенный метод навигации в околоземном пространстве — измерение с КА в известный момент времени для двух астроориентиров углов между направлением на астроориентир и центр Земли и последующее вычисление параметров орбиты. В качестве астроориентиров могут выступать звезды и Солнце. Задача индикации положения осей КА предполагает точное определение направления осей аппарата для «привязки» к инерциальной системе координат результатов измерения аппаратуры грубо ориентированного КА.

Для решения задачи астроориентации существуют типовые схемы — солнечно-звездная, солнечно-земная и звездно-земная. В солнечно-звездной схеме построение ориентации начинается с вращения КА вокруг некоторой оси, поиска Солнца соответствующим датчиком и последующей стабилизации одной из осей КА относительно направления на Солнце. Затем КА закручивается вокруг этой оси и осуществляет поиск заранее выбранной звезды, расположенной относительно Солнца под углом, близким к 90°. После обнаружения звезды система управления обеспечивает стабилизацию второй оси КА относительно направления на звезду. В результате одна ось КА оказывается «привязанной» к направлению на Солнце, вторая — к направлению на звезду. Аналогично этому обстоит дело в схеме солнечно-земной ориентации (с заменой звезды в предыдущей схеме на Землю) и в схеме звездно-земной ориентации (Земля используется в качестве первого ориентира). Для последнего случая следует отметить вариант звездно-земной ориентации, в котором звездой-ориентиром служит Полярная звезда. Такой вариант довольно часто используется для КА, находящихся на геостационарной орбите, поскольку направление на Полярную звезду близко к нормали к плоскости геостационарной орбиты. В задачах астроориентации, астрокоррекции, индикации положения речь идет об установлении связей между системой координат КА и инерциальной системой координат, определяемой астроориентирами. В отличие от этого в задаче астронавигации необходимо определить местоположение КА на орбите и параметры орбиты. Для этого не нужна «привязка» измерений астроприборов к направлению осей КА. Для определения навигационных параметров достаточно в известные моменты времени найти углы между направлением на центр Земли и направлениями на два других астроориентира (звезды, Солнце). Такую процедуру необходимо проделать в нескольких точках орбиты (чем больше, тем выше точность определения навигационных параметров). Решая затем уравнения и выполняя фильтрацию, можно получить необходимую навигационную информацию. Особенности использования астроприборов в задаче астронавигации состоят, во-первых, в необходимости многократной выдачи информации на витке, фактически в реализации слежения за астроориентирами, и, во-вторых, в достаточности измерения углов между направлением на центр Земли и на ориентир без «привязки» к системе координат КА. К современным приборам ориентации и навигации КА предъявляется комплекс достаточно сложных технических требований, основными из которых являются:

• высокая точность угловых измерений;

• необходимая чувствительность — способность работать по излучению тех астроориентиров, которые обеспечивают проведение требуемых измерений;

• помехоустойчивость — устойчивость к воздействию различных помеховых излучений как естественного, так и искусственного происхождения;

• функционирование при различных движениях КА (работа наподвижном основании) со значительными угловыми скоростями и ускорениями;

• выполнение набора сложных функций — поиск и обнаружение астроориентиров, их селекция на фоне помех, слежение за астроориентирами, точное измерение угловых координат; особо здесь следует отметить функции распознавания групп звезд и определения трехосной ориентации, требующие больших интеллектуальных ресурсов;

• работоспособность в условиях воздействия факторов космического пространства (глубокий вакуум, солнечная радиация, ионизирующие излучения, газопылевое окружение) в течение длительного времени (до 10–15 лет и более);

• воздействие различных факторов со стороны космического аппарата — механических, тепловых, электрических и др.

Все эти требования должны учитываться при проектировании современных приборов ориентации и навигации КА.

Основные типы приборовориентации и навигации КА.

За пять десятилетий космической эры было разработано несколько десятков разновидностей приборов ориентации и навигации КА, отличающихся назначением, принципами построения, особенностями использования, конструктивными особенностями и т.д. К настоящему времени сложилось более или менее общепризнанное разделение астроприборов на типы. Прежде всего, приборы разделяются по характеру использования их в составе КА — автоматические и визуальные. Первые предназначены для работы в составе автоматических систем управления, вторые — для визуального наблюдения оператором-космонавтом результатов измерения, с целью последующего управления пилотируемым КА. Общепризнанным является разделение астроприборов по типам используемых ими астроориентиров. По этому признаку выделяются три типа приборов — приборы ориентации и навигации по звездам, по Земле, по Солнцу (более кратко — звездные, земные и солнечные астроприборы). Поскольку Земля как тип астроориентира может выступать двояко в зависимости от диапазона длин волн используемого излучения, земные приборы еще подразделяются на приборы видимого диапазона и приборы инфракрасного (ИК) диапазона. В видимом диапазоне Земля представляется в виде либо светлого круглого диска, либо серпа, либо вообще не видна в зависимости от угла Солнце–КА–центр Земли. Это создает определенные ограничения в получении информации с прибора, работающего по Земле в видимом диапазоне. В ИК-диапазоне Земля представляет собой круглый излучающий диск вне зависимости от каких-либо условий. Поэтому земные приборы ИК-диапазона свободны от ограничений в возможности получения с них информации, благодаря чему они находят, гораздо более широкое применение, чем земные приборы видимого диапазона. В видимом диапазоне работают звездные и солнечные приборы.