автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Бесплатформенная измерительная система для определения вектора угловой скорости космического аппарата на базе поплавковых интегрирующих гироскопов

005010264

На правах рукописи

ШУСТОВ Игорь Евгеньевич

БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕКТОРА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА БАЗЕ ПОПЛАВКОВЫХ ИНТЕГРИРУЮЩИХ ГИРОСКОПОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 0ЕЗ т

Москва - 2012

005010264

Работа выполнена в филиале Федерального государственного унитарного предприятия «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» «Научно-исследовательский инстшуг прикладной механики имени академика В.И. Кузнецова» и в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса» (ФГБОУ ВПО «МГУЛ»),

Научный ПУКОВСЛНТбЛЬ! ^диттгтат трушголлуиу uotw пппАалллп

»vww^«« 1 ««(MI tvmiu iwvium 1 IjjІД^/VWV

Есаков Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Котов Юрий Терентьевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ачильдиев Владимир Михайлович

Ведущая организация: ФГУП «Научно-производственное объединение

имени С.А. Лавочкина»

Защита состоится «5» 03 2012 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.146.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУЛ».

Автореферат разослан <Q§> 04 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совет*

Тарасенко П.А.

Актуальность работы.

В настоящее время в космической отрасли России уделяется большое внимание разработке спутников дистанционного зондирования Земли и космических телескопов, таких как «Спекгр-УФ», требующих высокой точности измерения вектора угловой скорости для управления ориентацией и угловым движением космического аппарата (КА) на большом измерительном диапазоне с малым дискретом информации. В связи с этим большую актуальность приобретает задача создания и совершенствования высокопрецизионных гироскопических бссплатформснных йнсрциальных блоков типа гироскопйчсскии измеритель вектора угловой скорости (ГИВУС).

На современном этапе развития приборы типа ГИВУС на базе поплавковых гироскопов с газодинамической опорой ротора и магнитным центрированием поплавка являются уникальными по точностным и потенциальным ресурсным характеристикам и по-прежнему активно используются при создании систем управления космических аппаратов различных назначений. Однако, применяемые в настоящее время в КА приборы этого типа содержат ряд особенностей конструкционного и схемотехнического характера, которые делают невозможным их применение в будущем без ряда существенных изменений.

Традиционно прецизионные ГИВУС на поплавковых гироскопах по структуре измерительного канала (ИК) строятся на базе одноконтурной системы обратной связи. Это накладывает ряд ограничений на возможность увеличения диапазона измеряемой угловой скорости без увеличения цены информационного импульса (масштабного коэффициента ИК). До недавнего времени от этих приборов не требовалось обеспечивать измерение угловой скорости с достаточно малым дискретом на большом диапазоне измерения.

Для решения этой задачи при построении нового прибора необходимо использовать двухконтурную систему обратной связи, работающую по принципу двухотсчетной измерительной системы. Этот принцип до настоящего времени не нашел в России широкого распространения при разработке ГИВУС высокого класса точности.

Целью диссертационного исследования является разработка ГИВУС с двухконтурной системой обратной связи на базе поплавковых интегрирующих

гироскопов, предназначенного для повышения точности определения вектора угловой скорости с расширением диапазона его измерения при использовании в системах управления спутников связи, космических телескопов, спутников дистанционного зондирования Земли и космических станций.

Задачи исследования. В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

- разработана двухотсчетная измерительная система с расширенным диапазоном измерения угловой скорости и малой ценой дискрета информации на базе

плттттаот/'лилгл гттл^г'гтттА/’глгг* пятится ч/гттпвлй готмчплтм*

ИУ1И1.Ш»ииУ1 V/ Л *»»*"'* «/ И»» »**“« J »«»N/**4»«» .1№рУ*ИД)

- разработаны алгоритмы управления двухконтурной системой обратной связи на всем диапазоне угловых скоростей, обеспечивающие устойчивость ее работы;

- проведены теоретические исследования и экспериментальная отработка измерительной системы при воздействии на нее постоянных угловых скоростей;

- дана оценка погрешностей, возникающих в результате взаимодействия двух контуров двухотсчетной измерительной системы при воздействии на нее постоянных угловых ускорений.

Объектом исследования является ГИВУС, разработанный с применением двухотсчетной измерительной системы.

Предметом исследования является двухконтурная система обратной связи ГИВУС, работающая по принципу двухотсчетной измерительной системы.

Научная новизна проведенной работы заключается в:

- разработке математической модели измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой, позволяющей проводить анализ динамических характеристик и осуществлять выбор параметров прибора, исходя из требований по точности;

- разработке методики экспериментального исследования динамических свойств на примере макета разрабатываемого прибора с двухотсчетной измерительной системой;

- расширении точностных возможностей модели погрешностей прибора с целью увеличения точности определения вектора угловой скорости КА.

Практическая значимость проведенной работы состоит в том, что с использованием ее результатов:

- разработанная математическая модель ИК ГИВУС позволяет имитировать основные процессы, происходящие в нем, и проводить исследования свойств ИК при изменении характеристик электронных устройств, входящих в его состав, а также снизить трудоемкость и сократить длительность проведения испытаний ГИВУС;

- математическая модель ИК ГИВУС, используемая в бортовом комплексе управления спутником, позволяет вести исследование динамики углового движения КА и снизить накапливающуюся погрешность по углу поворота спутника;

- разработанный ГИВУС КИНД34-064 с повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками позволяет при работе на спутниках дистанционного зондирования Земли не только с высокой точностью стабилизировать спутник при съемке наземных объектов, но и обеспечивать точную стабилизацию КА при съемке в режиме сканирования на скорости до 2 7с, с дискретом выходной информации до 0,004 " и точностью стабилизации угловой скорости КА лучше 10'4 %.

Достоверность и обоснованность основных научных результатов подтверждается хорошей сходимостью результатов, полученных путем математического моделирования, с результатами, подтвержденными экспериментально на макете измерительного канала (МИК) ГИВУС, использованием отработанных методов исследования и испытания ГИВУС.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались с привлечением:

- положений классической теории систем автоматического управления;

- методов математического моделирования систем автоматического управления;

- стандартных методик исследования приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации;

- основ теории измерения в технике;

- основ теории погрешностей.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертационного исследования были использованы в составных частях ОКР «Разработка

гироскопического измерителя вектора угловой скорости для бортового комплекса управления КА «Спектр-УФ»» и «Разработка гироскопического измерителя вектора угловой скорости для ЗИП МКС» в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», целью которых является разработка прецизионных ГИБ УС для отечественных КА.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования были доложены на следующих конференциях:

- XVI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (ТНТТРФ ТТНИИ «Яткмгтппппиппгт

v Г- - —,----------—-л---

Санкт-Петербург, 2009 г);

- Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-

преподавательского состава, студентов и аспирантов (МГУ леса, Мытищи, 2009, 2010, 2011 гг);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс»», Самара, 2009 г).

- VII, VIII и IX научно-практические конференции молодых специалистов и студентов памяти Главного конструктора академика В.И. Кузнецова (ФГУП «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И.Кузнецова», Москва, 2009, 2010,2011 гг);

- Молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетнокосмической технике» (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2011 г).

Публикации. По теме диссертации имеется 5 публикаций, включая 2 статьи в журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней. Список опубликованных работ приведен на последних страницах автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех разделов, и заключения. Список литературы включает 51 отечественный и 2 зарубежных источника. Содержит 13 таблиц и 72 рисунка. Объем диссертации 151 страница, приложение представлено на 7 страницах.

Результаты, выносимые на защиту:

1 Разработанная двухотсчетная измерительная система измерительного канала гироскопического измерителя вектора угловой скорости с повышенной точностью и диапазоном измерения на базе поплавкового гироскопа.

2 Математическая модель измерительного канала ГИВУС, позволяющая проводить оценку величины динамической погрешности измерительного канала и исследовать динамические процессы, возникающие в нем.

3 Результаты испытаний макета измерительного канала ГИВУС с "Е^хотсчетной измерительной системой.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности работы, определяются объект и предмет исследования, формулируются цель и задачи исследования, дается научная новизна и практическая ценность работы, приводится краткое содержание работы.

Первый раздел посвящен анализу современного состояния ГИВУС с различными чувствительными элементами, применяемыми в космической технике, такими как динамически настраиваемый гироскоп, поплавковый гироскоп, волоконно-оптический гироскоп, микромеханический вибрационный гироскоп. Также в нем приведены основные характеристики точных ГИВУС, используемых в настоящее время на космических аппаратах.

В разделе описана основная техническая особенность современных ГИВУС на базе поплавкового гироскопа - управление током датчика момента гироскопа по принципу широтно-импульсной модуляции, что позволяет значительно повысить точность прибора.

Также приведены основные направления по улучшению характеристик ГИВУС, примененные при создании нового прибора:

- уменьшение цены импульса выходной информации;

- увеличение диапазона измеряемой угловой скорости;

- уменьшение шумовой составляющей в выходной информации измерительного канала.

Даются основные методы осуществления указанных направлений, основным из которых является использование при разработке прибора двухконтурной системы обратной связи, работающей по принципу двухотсчетной измерительной системы.

Характеристики нового прибора в сравнении с характеристиками прибора-прототипа представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики Прибор КИНД34-020 Прибор КИНД34-064

1. Диапазон измерения входной угловой скорости, % 0,5 2,0

2. Цена дискрета младшего разряда информации," 0,036 0,004

3. Стабильность масштабного коэффициента в течение не менее 3-х месяцев, % 0,01 0,01

4. Стабильность нулевого сигнала в запуске 24 ч, °/ч 0,003 0,002

5. Шум при интервале осреднения 0,1 - Юс, "(ст) 0,15 0,03 - Мл .Л

6. Время функциональной готовности, мин 20 5

В конце раздела дается обоснование выбора основных задач диссертационного исследования, в частности, необходимость повышения показателя информационной добротности прибора.

Во втором разделе приводится анализ основных требований к ИК разработанного прибора, описание принципа его работы и функциональный анализ устройств, входящих в его измерительный канал. В разделе разработана математическая модель нового прибора, а также основные алгоритмы управления, разработанные для стабильной работы ИК прибора на базе двухотсчетной системы.

Двухотсчетная измерительная система, положенная в основу ИК прибора КИНД34-064, построена На базе двухконтурной системы обратной связи, состоящей из старшего контура (старшая линейки) и младшего контура (младшая линейка). При этом старший контур системы измеряет угловую скорость в полном диапазоне и имеет ступенчатую характеристику. Младший контур системы дополняет измерения старшего контура, измеряя угловую скорость внутри одной его ступени. Благодаря малой цене дискрета информации младшего контура, его характеристика может считаться линейной и обеспечивать высокую точность. Угловая скорость, измеренная системой, складывается из результатов измерений старшего и младшего контуров: физм ~ (0измст + 0изммл ’ (1)

где аиш - угловая скорость, измеренная системой, [7с];

аизмст ' Угловая скорость, измеренная старшим контуром, ["/с]; аизммл ‘ Угловая скорость, измеренная младшим контуром, ["/с]. Принцип работы подобной системы представлен на рис. 1.

С*

Рис.1. Характеристика измерительного канала на базе двухотсчетной измерительной системы.

На рисунке представлены:

Р“Ф > Р:Ф' выходная информация ИК в виде частоты импульсов по младшей и старшей линейкам соответственно, [Гц];

й)вх - входящая угловая скорость, ["/с];

мл > ^»ст ■ угловая скорость, измеренная младшей и старшей линейками соответственно, ["/с].

Для того, чтобы разработанная система устойчиво функционировала и точно измеряла входящую угловую скорость космического аппарата, для нее были разработаны алгоритмы, препятствующие появлению автоколебаний, ложных срабатываний и потерь информации:

- установка пороговых значений переключения старшего контура (около 80 % диапазона измерения младшего контура);

- разнесение порогов начисления и списания ступени старшего контура;

- введение времени задержки между двумя последовательными

переключениями старшей линейки;

- введение автоматического увеличения времени задержки между переключениями старшего контура на начальном этапе работы ИК.

Процесс взаимодействия контуров двухотсчетной измерительной системы представлен на рис, 2,

Математическая динамическая модель ИК на базе двухотсчетной системы измерения представлена ниже в виде функции частоты по младшей и старшей линейкам.

(Г2Р +1)

(7’1р + 1)(7’3р + 1)

т1'тз=^ <т1-т3)=(т2+^-); Т2 =Т2’

, (2)

где:

ь-мл

со

(Vй)

(г1Р+1Хг3р+1)

изображение выходного сигнала младшей линейки в вцде частоты, пропорциональной входной угловой скорости;

коэффициент передачи младшей линейки (крутизна);

передаточная функция системы без учета динамических звеньев с малыми постоянными времени;

т* т*

*1’ *2

швх(Р)

постоянные времени двух апериодических звеньев частотно-корректирующего контура в системе обратной связи;

изображение входной угловой скорости;

изображение компенсирующей скорости, вырабатываемой старшей линейкой.

Р (р) = Ксп - а (р), (3)

сл г/ а вхкг'

где:

Рсл(р) - изображение выходного сигнала старшей линейки в

виде частоты, пропорциональной входной угловой скорости;

Ксг = УВ * коэффициент передачи старшей линейки (крутизна);

со '

При этом оператор компенсирующей скорости выражается следующим образом:

(4)

* Ко> Кф

где:

N(k) - количество импульсов старшей линейки за «к»-й такт опроса информации [имп./такт], который представляется в следующем виде:

ед = 2 Y (N(i -1) + Ш(пЦ -1))), (5)

где:

Л^(і) - сосчитанное число бит информации за «і-й» период

работы ШИМ младшей линейки (при том, что

/сл = 2. /мл ''шгш ^гиым”

Л1М(?і(г-1)) - приращение числа бит информации старшего контура

за «і-й» такт работы /сл , зависящее от числа шим

импульсов младшего контура, полученного за предыдущий (і-1) такт работы

гсл гш - частоты ШИМ старшей и младшей линеек

•'шим’-'шим

соответственно, [Гц].

Функция ДМ(и(;'-1)) выражает собой алгоритм переключения старшей линейки и записывается следующим образом:

— 1)) • (1 —1(/ — / ) + 1(/~/ +т ))

пер пер 3"

при |и(/ -1)| > «П0Р

О при (|и(/-1)| < иП0Р)

,(6)

ппор - величина порога переключения старшей линейки (в

импульсах младшей линейки);

1пер - момент времени переключения старшей линейки;

т3 - время задержки в обработке информации младшей линейки,

отсчитывающееся от момента переключения старшей линейки, введенное в систему для предотвращения

автоколебательного процесса, в секундах.

Основной особенностью взаимодействия двух контуров двухотсчетной

системы измерения является процесс переключения старшего контура при

достижении младшим контуром порогового значения (рис. 3).

При достижении показаниями младшего контура порогового значения, старший контур подключает очередную ступень компенсации, в результате

воздействия которой показания младшего контура начинают стремиться к нулю. В связи с тем, что младший контур обладает инерционностью, он не может мгновенно сброситься в ноль, следовательно, с подключением ступени компенсации начинается переходный процесс, который является причиной возникновения динамической погрешности (ошибки) измерительной системы по угловой скорости и по углу.

Уровни порога

^вх ’ Iс срабатывания

Рис. 2. Временная диаграмма взаимодействия контуров двухотсчетной измерительной системы.

На рисунке представлены:

ДмМ1М„ - величина ступеньки компенсации старшего контура, ["/с]; шпор - пороговое значение переключения старшего контура.

®ВХ’°^С

старшего контура.

На рисунке представлены:

1пср - момент переключения старшего контура;

тпп - время переходного процесса младшего контура после единичного ступенчатого воздействия, [с];

(овх- входящая угловая скорость, [7с];

юизм - измеренная системой угловая скорость, ["/с];

©и, - скорость, измеренная старшим контуром ИК, ["/с];

мНл - скорость, измеренная младшим контуром ИК, ["/с];

Да - накапливающаяся ошибка по углу поворота, ["].

В третьем разделе приводятся результаты исследования динамических свойств ИК прибора на базе двухотсчетной системы измерения с помощью разработанной математической модели ИК. В частности, по математической модели проводится определение значения динамической ошибки переключения старшего контура штатного ИК прибора КИНД34-064.

Условно можно разделить динамическую ошибку системы по углу поворота

На ДВС СССТаБЛЯЮЩИС! На СОСТаБЛЯЮЩуЮ, ВОЗНККыЮЩуЮ 3 рСЗуЛЬТйТС ЗППйЗДЫВйКЯл

системы Даз, и на составляющую, возникающую в результате переключения старшего контура обратной связи Дадин.

Аа = Аа3 + Аадин. (7)

Составляющая динамической ошибки запаздывания по угловой скорости Айз линейно зависит от углового ускорения е, действующего на систему, и ее можно легко компенсировать в математической модели для каждого из заданных тестовых входных воздействий. Линейная зона графика зависимости Аюз(е) была определена максимальным быстродействием системы при измерении угловой скорости.

Для определения составляющей динамической ошибки АаДИн был зафиксирован процесс переключения старшего контура ИК при действии на него постоянного углового ускорения в виде динамической ошибки по угловой скорости. Значение динамической ошибки переключения старшего контура по углу поворота было найдено путем интегрирования динамической ошибки по скорости за время переходного процесса системы т„„ (рис. 4).

Г +Г

пер пп

Даг*«(/гО= ¡Ь°дтЛ • (8)

г

тер

Рис. 4. Вычисление значения динамической ошибки переключения старшего контура с помощью математической модели ИК.

На рисунке:

Да - ошибка по углу поворота, ["];

Да] - значение ошибки по углу в момент переключения старшего контура, ["];

Да! - значение ошибки по углу после окончания переходного процесса, ["];

Дю -ошибка по угловой скорости, ["/с].

В четвертом разделе представлены результаты проведенного исследования характеристик ИК нового прибора, полученные макетированием его измерительного канала.

В процессе экспериментальной отработки системы с использованием макета были подтверждены такие заложенные в систему параметры, как частота среза РЖ, форма и параметры переходного процесса Ж после единичного ступенчатого воздействия.

Была определена стабильность составляющей нулевого сигнала ИК, не зависящей от перегрузки, в запуске. Измерение стабильности нулевого сигнала

проводилось на неподвижном относительно Земли основании в течение 6-ти часов. Нестабильность сигнала макета, достигшего точностной готовности, по среднеквадратичному отклонению от установившегося значения с осреднением 15 минут не превысила 0,0004 "/с (рис.5) (¡а).

Была определена величина шумовой составляющей выходной информации МИК, измеряемая на неподвижном относительно Земли основании с тремя осреднениями (0,1с; 1с и Юс). Величина шумовой составляющей определялась как среднеквадратичное отклонение информации ИК от ее установившегося значения.

По результатам измерения, шумовая составляющая выходной информации РЖ не превышает:

- 0,013 " при осреднении 0,1 с;

- 0,015 " при осреднении 1 с;

- 0,030 " при осреднении 10 с.

Стабильность нулевого сигнала начиная со времени достижения точностной готовности

Рис. 5. Стабильность составляющей нулевого сигнала, не зависящей от перегрузки.

Было проведено определение чувствительности ИК к приращению угловой скорости в окрестности нуля. Для этого МИК устанавливался на неподвижное

17

относительно Земли основание и выставлялся в положение, при котором собственный уход ИК полностью компенсировался горизонтальной составляющей скорости Земли. Путем серии последовательных поворотов МИК на малые углы (Д<р = 6 ') в плоскости горизонта, макету задавались малые угловые скорости, с помощью которых был построен график зависимости измеренной угловой скорости от входящей вблизи нуля (рис. 6). С помощью этих измерений было определено, что построенный ИК не имеет зон нечувствительности вблизи нуля, превышающих 0,00025 "/с.

Была определена экспериментальным путем величина динамической ошибки

ЛтП»мГ»апЛ Т'ПТМЧТМП ТТтт(Т г\>тлг>П А *7ПГ 1>лт<11ЯПт<пл«ля А ~ п—.

V хмр/хх!VI лип1)уи. -;1и1и 1*ши у иаапаолпвалС'Л па испиоагтп,

способном воспроизводить постоянное угловое ускорение. С помощью этого основания был записан процесс переключения старшего контура МИК (рис. 7) и произведено вычисление величины динамической ошибки через вычисление площади между кривой информации и осью времени за время переходного процесса (рис. 8).

Рис. 6. График зависимости измеренной угловой скорости от входной.

Процесс переключения старшего контура

Такты опроса 4 мс

Рис. 7. Процесс, возникающий в результате переключения старшего контура в положительном направлении.

Рис. 8. Процесс, возникающий в результате переключения старшего контура с учетом «функции поправки».

Значение динамической ошибки, возникающей в результате переключения старшего контура, полученное на МИК, вошло в границы допуска, полученные с помощью математической модели. Таким образом, полученные результаты

подтвердили работоспособность математической модели в части динамики взаимодействия контуров двухотсчетной измерительной системы. Это позволит при изготовлении штатных образцов приборов определять и паспортизовать значение динамической ошибки переключения старшего контура системы с помощью разработанной математической модели Ж, подставляя в нее паспортные значения характеристик электронных устройств, входящих в канал, сократив тем самым длительность процесса испытаний прибора и количество используемого оборудования.

Также было определено максимальное быстродействие системы при измерении угловой скорости. Максимальное быстродействие системы, полученное экспериментальным путем, сошлось с графиком максимального быстродействия, полученного с помощью математической модели, что дало возможность определить границы линейной зоны графика зависимости динамической ошибки запаздывания системы от величины углового ускорения, действующего на прибор.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1 Разработаны аналитические выражения математической модели Ж на базе двухотсчетной измерительной системы.

2 Разработаны алгоритмы взаимодействия контуров двухотсчетной измерительной системы, обеспечивающие ее стабильную работу.

3 Разработана математическая модель Ж прибора, позволяющая моделировать динамические процессы, возникающие в нем, а также производить вычисление динамической ошибки Ж реального прибора по характеристикам устройств, входящих в него, без проведения дополнительных испытаний и привлечения специфического оборудования. Модель реализована с помощью пакета БтиНпк.

4 Проведены исследования механизма возникновения динамической ошибки системы в Ж прибора, позволившие совершенствовать математическую модель в направлении снижения накапливающейся ошибки по углу, возникающей в системе в результате динамических процессов по скорости.

5 Создан макет измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой, позволивший провести ее лабораторную отработку и подтвердить ее характеристики.

Список опубликованных по теме диссертации работ

1 Волынцев А.А., Воробушкин В.В., Казаков Б.А., Тидеман H.A.,

Шустов И.Е. Повышение точности и диапазона измерения прецизионных гироскопических измерителей вектора угловой скорости на базе поплавковых чувствительных элементов // СПб: XVI Санкт-Петербургская международная

конференция по интегрированным навигационным системам, Сборник трудов, 2009,-С. 114-123.

2 Волынцев A.A., Казаков Б.А., Шустов И.Е. Повышение точности и диапазона измерения гироскопических измерителей вектора угловой скорости.//М.: Вестник Московского государственного университета леса. - Лесной вестник 6, 2009,

- С.102-106.*

3 Волынцев A.A., Казаков Б. А., Шустов И.Е. Прецизионный гироскопический измеритель вектора угловой скорости для применения в КА связи и ДЗЗ. // Самара: Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социальноэкономическом развитии общества», Сборник трудов, 2009, - С. 86-87.

4 Шустов И.Е. Двухотсчетная схема построения гироскопических измерителей угловой скорости на базе поплавковых гироскопов.// М.: VII научнопрактическая конференция молодых специалистов и студентов памяти главного конструктора академика В.И. Кузнецова, Сборник докладов, 2010, - С. 64-73.

5 Шустов И.Е. Оценка динамической точности прецизионного гироскопического измерителя вектора угловой скорости. // Казань: Научнотехнический вестник Поволжья № 3, 2011, - С. 182-186.*

* Научная работа опубликована в ведущем рецензируемом журнале, определенном ВАК.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 23.01 2012. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Таймс». Ризография. Уел. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 20.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытшци-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

61 12-5/1714

Филиал Федерального государственного унитарного предприятия «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» «Научно-исследовательский институт прикладной механики

имени академика В.И. Кузнецова»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Бесплатформенная измерительная система для определения вектора угловой скорости космического аппарата на базе поплавковых интегрирующих гироскопов

Специальность: 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления»

На правах рукописи

Шустов Игорь Евгеньевич

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук, проф. Есаков В.А.

Москва-2011

Оглавление

Перечень сокращений и условных обозначений 4

Введение 6

1 Гироскопические приборы на базе поплавковых чувствительных элементов, предназначейные для измерения вектора угловой скорости космических аппаратов

1.1 Состав прецизионных приборов 11

1.2 Чувствительные элементы, применяемые в настоящее время в приборах космического назначения 15

1.3 Основные технические особенности современных ГИВУС 20

1.4 Основные направления улучшения характеристик Российских ГИВУС на базе поплавкового гироскопа и пути их реализации 23

1.5 Постановка задач исследования 26

Выводы 27

2 Разработка ГИВУС на базе двухотсчетной измерительной системы.

2.1 Анализ точностных требований к системе и построение системы обратной связи измерительного канала 28

2.2 Функциональный анализ измерительного канала на базе двухотсчетной измерительной системы 46

2.3 Разработка алгоритмов управления старшим контуром измерительной системы ' 55

2.4 Разработка математической модели измерительного канала 66

Выводы 76

3 Теоретическое исследование измерительного канала на базе двухотсчетной измерительной системы

3.1 Математическая модель измерительного канала прибора 78

3.2 Оценка динамической точности системы при действии 80

внешних угловых ускорений

Выводы 94 4 Экспериментальные исследования измерительного канала на базе двухотсчетной системы измерения

4.1 Макет измерительного канала 96

4.2 Определение динамических свойств измерительной системы 100

4.3 Определение характеристик системы на неподвижном основании 112

4.4 Определение характеристик системы на основании, движущемся с постоянным угловым ускорением 130

Выводы 145

Заключение 146

Список литературы 149

Приложения * 152

Перечень сокращений и условных обозначений

БИБ - бесплатформенный инерциальный блок; Бит инф. - бит информации;

БКУ КА - бортовой комплекс управления космическим аппаратом;

БПИ - блок преобразования информации;

БУСТ - блок усилителей системы термостатирования;

БЭ - блок электроники;

ВИЛ - вторичный источник питания;

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп;

ГИВУС - гироскопический измеритель вектора угловой скорости; ГТС - готовность тепловой системы; ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли; ДМ - датчик момента;

ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп;

ДУ - датчик угла;

ИК - измерительный канал;

имп. - импульсы;

КА - космический аппарат;

КР - контроллер;

ЛАХ - логарифмическая амплитудная характеристика;

ЛАЧХ - логарифмическая амплитудо-частотная характеристика;

ЛФЧХ - логарифмическая фазо-частотная характеристика;

МТБ - модуль гироблока;

МИК - макет измерительного канала;

МКС - международная космическая станция;

ММВГ - микромеханический вибрационный гироскоп;

МПИ - магистральный последовательный интерфейс;

МС - модуль сопряжения;

НИИ ПМ - Научно-исследовательский институт прикладной механики; ОТТ - охладитель термотоковый;

ПГБ - поплавковый гироблок;

ПУ - предварительный усилитель;

СВИ — сумма временных интервалов;

СОС - система обратной связи;

СТ - стабилизатор тока;

СТС - система термостатирования;

УД - усилитель дискриминатор;

УОС - усилитель обратной связи; *

УТС-ГБ - усилитель термостатирования гироблока;

УТС-ИК - усилитель термостатирования измерительного канала;

ЧЭ - чувствительный элемент;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

ЭРИ - электрорадиоизделия.

Введение

В настоящее время в космической отрасли России уделяется большое внимание разработке спутников дистанционного зондирования Земли и космических телескопов, таких как «Спектр-УФ», требующих высокой точности измерения вектора угловой скорости для управления ориентацией и угловым , движением космического аппарата (КА) на большом измерительном диапазоне с малым дискретом информации. В связи с этим большую актуальность приобретает задача создания и совершенствования высокопрецизионных гироскопических бесплатформенных инерциальных блоков типа гироскопический измеритель вектора угловой скорости (ГИВУС).

На современном этапе развития приборы типа ГИВУС на базе поплавковых гироскопов с газодинамической опорой ротора и магнитным центрированием поплавка являются уникальными по точностным и потенциальным ресурсным характеристикам и по-прежнему активно ^ используются при создании систем управления космических аппаратов различных назначений. Однако применяемые в настоящее время в КА приборы этого типа содержат ряд особенностей конструкционного и схемотехнического характера, которые делают невозможным их применение в будущем без ряда существенных изменений.

Традиционно прецизионные ГИВУС на поплавковых гироскопах по структуре измерительного канала (ИК) строятся на базе одноконтурной системы обратной связи. Это накладывает ряд ограничений на возможность увеличения диапазона измеряемой угловой скорости без увеличения цены информационного _ импульса (масштабному коэффициенту ИК). До недавнего времени от этих приборов не требовалось обеспечивать измерение угловой скорости с достаточно малым дискретом на большом диапазоне измерения.

Для решения этой задачи при построении нового прибора необходимо использовать двухконтурную систему обратной связи, работающую по принципу двухотсчетной измерительной системы. Этот принцип до настоящего времени не

нашел в России широкого распространения при разработке ГИВУС высокого класса точности.

Таким образом, основной целью диссертационного исследования является разработка ГИВУС с двухконтурной системой обратной связи на базе поплавковых интегрирующих гироскопов, предназначенного для повышения точности определения вектора угловой скорости с расширением диапазона его измерения при использовании в системах управления спутников связи, космических телескопов, спутников дистанционного зондирования Земли и космических станций.

Объектом исследования является ГИВУС, разработанный с применением двухотсчетной измерительной системы. Предметом исследования является двухконтурная система обратной связи ГИВУС, работающая по принципу двухотсчетной измерительной системы.

Поставленная в работе задача решалась с привлечением:

- положений классической теории систем автоматического управления [см. 3, 17,36,39,49,53];

- методов математического моделирования систем автоматического управления;

- стандартных методик исследования приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации [см. 11, 28, 35];

- основ теории измерения в технике [см. 24, 50];

- основ теории погрешностей [см. 27, 30, 37].

Работа в структурном плане состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения.

Первый раздел посвящен анализу состояния ГИВУС с различными чувствительными элементами, применяемыми в космической технике. В нем рассмотрены основные гироскопические чувствительные элементы, применяемые в космической технике. Также в нем приведены характеристики прибора-прототипа нового ГИВУС и основные направления по доведению этих характеристик до необходимого уровня.

Во втором разделе приводится анализ основных требований к системе разработанного прибора, описание принципа его работы и функциональный анализ устройств, входящих в его измерительный канал. В разделе приводится вывод математической модели ИК прибора на двухотсчетной измерительной системе, а также основные алгоритмы управления, разработанные для его стабильной работы.

В третьем разделе приводятся результаты исследования динамических свойств ИК прибора на базе двухотсчетной измерительной системы с помощью разработанной математической модели ИК.

В четвертом разделе представлены результаты проведенного исследования характеристик ИК прибора на базе двухотсчетной измерительной системы, полученные с помощью его макета.

В приложении представлены схемы разработанной математической модели ИК, с помощью которой проводились теоретические исследования прибора, и схемы ее составных частей.

В процессе проведенного исследования получены следующие результаты, выносимые на защиту:

1 Разработанная двухотсчетная измерительная система измерительного канала гироскопического измерителя вектора угловой скорости с повышенной точностью и диапазоном измерения на базе поплавкового гироскопа.

2 Математическая модель измерительного канала ГИВУС, позволяющая проводить оценку величины динамической погрешности измерительного канала и исследовать динамические процессы, возникающие в нем.

3 Результаты испытаний макета измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой.

Научная новизна проведенной работы заключается в:

- разработке математической модели измерительного канала ГИВУС с двухотсчетной измерительной системой, позволяющей проводить анализ динамических характеристик и осуществлять выбор параметров прибора, исходя из требований по точности;

- разработке методики экспериментального исследования динамических свойств на примере макета разрабатываемого прибора с двухотсчетной измерительной системой;

- расширении точностных возможностей модели погрешностей прибора с целью увеличения точности определения вектора угловой скорости КА.

Практическая значимость проведенной работы состоит в том, что с использованием ее результатов:

- разработанная математическая модель ИК ГИВУС позволяет имитировать основные процессы, происходящие в нем и проводить исследования свойств ИК при изменении характеристик электронных устройств, входящих в его состав, а также снизить трудоемкость и сократить длительность проведения испытаний ГИВУС;

- математическая модель ИК ГИВУС, используемая в бортовом комплексе управления спутником, позволяет вести исследование динамики углового движения КА и снизить накапливающуюся погрешность по углу поворота спутника;

- разработанный ГИВУС КИНД34-064 с повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками позволяет при работе на спутниках дистанционного зондирования Земли не только с высокой точностью стабилизировать спутник при съемке наземных объектов, но и обеспечивать точную стабилизацию КА при съемке 6 режиме сканирования на скорости до 2 %, с дискретом выходной информации до 0,004 " и точностью стабилизации угловой скорости КА лучше 10"4 °/с.

Достоверность и обоснованность основных научных результатов подтверждается хорошей сходимостью результатов, полученных путем математического моделирования, с результатами, подтвержденными экспериментально на макете измерительного канала ГИВУС, использованием отработанных методов исследования и испытания ГИВУС.

Основные положения диссертационного исследования были доложены на XVI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным

навигационным системам (ГНЦРФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009 г), на Ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов (МГУ леса, Мытищи, 2009, 2010, 2011 гг), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс»», 2009 г), на VII, VIII и IX научно-практических конференциях молодых специалистов и студентов памяти Главного конструктора академика В.И. Кузнецова (ФГУП «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И.Кузнецова», 2009, 2010, 2011 гг), на Молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической технике» (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2011 г).

Материалы диссертационного исследования были использованы в составных частях ОКР «Разработка гироскопического измерителя вектора угловой скорости для бортового комплекса управления КА «Спектр-УФ»» и «Гироскопический измеритель вектора угловой скорости» на ФГУП «ЦЭНКИ» «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», целью которых является разработка прецизионных ГИВУС для отечественных КА (см. Приложение 2). _

По теме диссертации имеется 6 публикаций, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней.

1 Гироскопические приборы на базе поплавковых чувствительных элементов, предназначенные для измерения вектора угловой скорости космических аппаратов.

1.1 Состав прецизионных приборов.

В связи с расширением и усложнением круга задач, решаемых с помощью космических аппаратов, в настоящее время возрастают требования к точности, габаритно-массовым характеристикам и срокам активного существования приборов и устройств систем управления высокого класса точности.

Начиная с конца 70-х годов в Советской гироскопической технике, предназначенной для управления угловым движением космических аппаратов (КА), наметился переход от традиционных платформенных инерциальных систем к инерциальным системам бесплатформенного типа, что означало не только значительное уменьшение массы гироскопических систем ориентации, но и начало освоения нового принципа построения систем управления. Этот переход стал возможен благодаря внедрению в аппаратуру КА бортовых цифровых вычислительных комплексов, позволивших решить задачи определения параметров углового движения объекта в инерциальной системе координат по информации от гироскопических чувствительных элементов, жёстко устанавливаемых на объекты управления. Также это давало возможность проводить учет систематических * ошибок гироскопического прибора, определяемых во время его наземных испытаний.

Переход к бесплатформенным инерциальным системам также поставил перед разработчиками гироприборов принципиально новые задачи, связанные с обеспечением высокой точности измеряемой угловой скорости одновременно с большим диапазоном измерения, а также с высокими требованиями по стойкости к внешним механическим воздействиям, возникшими из-за необходимости жесткого крепления чувствительных элементов к объекту управления. [33, 42]

Первый разработанный в СССР прецизионный бесплатформенный инерциальный блок (БИБ) - КИ34-2А (Рис. 1.1) разработки НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова - был установлен на космической станции «МИР» и успешно

отработал на орбите 7,4 года в непрерывном запуске при гарантийном сроке эксплуатации данного БИБ, равном 3 годам. [10, 20]

С того момента в НИИ ПМ, который был и остался единственным в России разработчиком прецизионных гироскопических измерителей вектора угловой скорости, было разработано более 7 модификаций данного прибора, большая часть из которых по сей день успешно эксплуатируется на различных космических аппаратах связи прикладного назначения и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). В число этих КА входит МКС, «Ямал», «Экспресс» и т.д. [9]

В таблице 1.1 представлены основные технические характеристики БИБ, разработанных в НИИ ПМ до 2010 года и прошедших натурную эксплуатацию. [9] Таблица 1.1.Технические характеристики приборов БИБ

Характеристики БИБ Модификации БИБ

кинд 34-020 КИНД 34-027 кинм 34-001 КИНМ 34-002 КИНД 34-011 34-027-01

Год создания 1985 1997 ' 1999 1999 1999 2002 2002

Головное предприятие «Энергия», ГКНЦ им. Хруничева РКК «Энергия» НПО i IM КНР КНР НПО им. Лавочкина НПО пм •

Число измерительных каналов (гироблоков) 3 4 4 3 6 " 6 : . V •■• 4

Диапазон, % 6 0,5 0,5 1,0 0,5 0,2 0,5

Масштабный коэффициент (дискрет информации), 7имп. 2,2 0,036 0,040 0,3 0,07 •. 0,008 0,04

Стабильность масштабного коэффициента, % 0,03 0,005 0,005 0,03 0,01 0,02 0,005

Стабильность нулевого сигнала, °/ч 0,03 ■ 0,003 0,003 - 0,01 : 0,01 0,01 0,003

Стабильность ориентации измерительных осей," 60 30 mj.\f 45 30 30 Щ 30

Ресурс, ч 30 000 100 000 100 000 50 000 100000 100 000 100 000

Масса, кг 32 12,5 13,5 14 21 20 13,5

Из указанных выше прецизионных гироприборов наивысшими точностными и эксплуатационными характеристиками обладают приборы

КИНД34-020 (Рис. 1.2) и КИНД34-027 (Рис. 1.3), которые имеют различия только в плане конструкции и информационного обмена. Таким образом, приборы КИНД34-020/027 по всем основным параметрам являются лучшими в России представителями прецизионных измерителей угловой скорости, предназначенных для бесплатформенных инерциальных систем