автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Калибровка системы ориентации на электростатических гироскопах в условиях орбитального полета космического аппарата

На нравах рукописи

4851171

Одинцов Борис Владимирович

КАЛИБРОВКА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ НА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПАХ В УСЛОВИЯХ ОРБИТАЛЬНОГО ПОЛЕТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Специальность 05.11.03 «Приборы навигации»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

2 3 ИЮН 2011

4851171

Работа выполнена в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» -Государственный научный центр Российской Федерации

Научный руководитель: Борис Ефимович Ландау,

доктор технических наук

Официальные оппоненты: Юрий Аронович Литманович,

доктор технических наук

Александр Михайлович Боронахин, кандидат технических наук

Ведущая организация: ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс"

Защита диссертации состоится 28 июня 2011 года в 14 часов на заседай;» диссертационного совета ДС А И.007.01 при ОАО «Концерн «ДНИ! «Электроприбор» по адресу: 197046, Санкт-Петербург, ул. Мала Посадская, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотек ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Автореферат разослан «_»___2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета ДС 411.007.01

доктор технических наук, профессор р КолесовН.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время одной из приоритетных задач современной космонавтики является мониторинг поверхности Земли в интересах картографии, геодезии, поиска полезных ископаемых, экологии, природных наблюдений, сельского хозяйства, военной разведки. Для качественного выполнения целевой задачи космическим аппаратам (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) требуется точное определение пространственной ориентации, необходимое для наведения оптической оси целевой аппаратуры наблюдения КА на заданные объекты.

К числу наиболее значимых факторов, которые определяют особенность и сложность управления низкоорбитальными высокоинформативными КА наблюдения, относятся:

- необходимость решения на борту КА задачи высокоточного наведения оси целевой аппаратуры на любой объект (маршрут) наблюдения;

- необходимость многократного быстрого и прецизионного перенацеливания КА в одном сеансе наблюдения с одного наблюдаемого объекта (маршрута) на другой, произвольно расположенный относительно трассы полёта;

- необходимость плавного управления КА с целью исключения «смаза» изображения.

Требуемые для системы управления движением параметры угловой ориентации КА определяются гироскопической системой ориентации, от характеристик которой, в значительной степени, зависит качество результатов ДЗЗ.;

Использование высокоточных гироскопических датчиков позволяет увеличить автономность системы ориентации (в частности, увеличить интервалы между коррекциями от астродатчиков) и, за счет этого, снизить ограничения на режимы функционирования КА. Отмеченные обстоятельства определили интерес к созданию автономных прецизионных систем ориентации КА ДЗЗ.

Традиционно системы управления движением К А базируются на гироскопических ориентаторах, построенных на инерциальных датчиках угловой скорости (поплавковые, лазерные, волоконно-оптические и др. гироскопы). Использование таких систем, в связи с их более низкой точностью, требует непрерывной работы астровизира и интегрирования уравнений Пуассона, что накладывает ряд ограничений на угловое движение КА, на плавность поворотов КА, на быстроту перенацеливания аппаратуры наблюдения. В свою очередь, астородатчики имеют существенные ограничения по ресурсу работы, по запомненному каталогу

звезд, по невозможности работы при солнечной засветке. Все это приводит к ограниченным возможностям такой системы ориентации.

Большинство указанных проблем решаются путем использования в системе управления движением не гироскопического измерителя угловой скорости, а гироскопических приборов непосредственного измерения угловой ориентации КА. При этом высокие требования по надежности при больших ресурсах работы на орбите и ограничения на вес, габариты и энергопотребление определили бескарданный принцип построения инерциальных систем ориентации. Основной узел такой системы -гироскопический модуль, состоящий из нескольких гироскопов, связанных между собой жесткой высокостабильной базой.

Новой по своему космическому применению является задача определения ориентации КА системой на базе электростатических гироскопов (ЭСГ). В основе алгоритма определения угловой ориентации лежит построение автономного инерциального трехгранника по наблюдениям за векторами кинетических моментов как минимум двух гироскопов.

Использование ЭСГ в системах ориентации позволяет:

- уменьшить каталог звезд, используемых при астронавигации, и, соответственно, вычислительные ресурсы;

- повысить устойчивость работы системы управления КА при сбоях в каналах управления за счет «пространственной памяти»;

- существенно повысить точность и разрешающую способность устройств, используемых для мониторинга поверхности Земли;

- обеспечить достаточно большую угловую динамику КА, позволяющую реализовать специальные режимы съемки: съемка площадки, стереосъемка, съемка с произвольным азимутом;

- обеспечить плавность управления КА, т.е. отсутствие «смазов» полученного изображения;

- существенно повысить скорость «перенацеливания» аппаратуры наблюдения К А.

В ЦНИИ «Электроприбор» на протяжении последних десятилетий разработаны электростатические гироскопы разных классов, сначала нашедшие применения в высокоточных карданных навигационных системах морского базирования. В последнее время в ЦНИИ «Электроприбор» создана инерциальная система на бескарданных электростатических гироскопах (БИС-ЭГ) для систем управления движением космических аппаратов дистанционного зондирования Земли типа «Ресурс ДК». Проведены ее летно-конструкторские испытания на различных космических аппаратах, которые показали возможность достижения высоких точностей определения угловой ориентации КА.

Для использования ЭСГ в прецизионных системах ориентации принципиально важно определить точную привязку их измерительных

осей к базовым осям объекта или измерительным осям корректирующих устройств, и производить калибровку гироскопов в каждом новом запуске.

В карданных инерциальных системах на ЭСГ решаются аналогичные задачи привязки баз и калибровки коэффициентов модели ухода (КМУ) в условиях морских объектов. Однако, ввиду специфики космического применения эти решения не могут быть непосредственно перенесены, что и определяет актуальность темы диссертации.

Целью настоящей диссертации является разработка алгоритмов и методик калибровки системы ориентации на ЭСГ для использования на высокодинамичных КА ДЗЗ.

Основные задачи исследования

1. Разработка алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при неизвестном взаимном положении баз ЭСГ и астровизира.

2. Исследование наблюдаемости коэффициентов модели ухода ЭСГ и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира на основе анализа аналитических решений уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального полета с учетом динамики КА.

3. Оценка эффективности алгоритмов калибровки системы ориентации на ЭСГ по результатам моделирования и летных испытаний.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Аналитические решения уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА.

2. Методика обеспечения наблюдаемости коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира.

3. Алгоритмы калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при неизвестном взаимном положении баз ЭСГ и астровизира.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа и обработки информации, методы математического моделирования, теории гироскопов и инерциальных навигационных систем, основы теории статистического оценивания и дифференциальных уравнений. Адекватность полученных результатов подтверждена как компьютерным моделированием алгоритмов, так и результатами натурных испытаний бескарданной инерциальной системы ориентации на ЭСГ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм калибровки системы ориентации на ЭСГ в условиях космической эксплуатации для одновременного определения коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и измерительными осями астровизира.

2. Определены условия полной наблюдаемости коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира.

3. Разработан алгоритм коррекции системы ориентации на ЭСГ с уточнением коэффициентов модели ухода по данным астровизира, поступающих в произвольные моменты времени.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритмы позволили расширить возможности применения систем ориентации на позиционных электростатических гироскопах в системах управления движением КА дистанционного зондирования Земли.

2. Разработано программное обеспечение, в котором реализованы алгоритмы калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при штатной эксплуатации на КА.

3. Предлагаемые методики и алгоритмы коррекции погрешностей позволили существенно повысить точность определения ориентации и качество решения целевой задачи КА.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается:

1. Результатами лётных испытаний на 7 КА различных типов.

2. Имитационным и полунатурным моделированием системы ориентации на ЭСГ.

3. Положительной оценкой работы при критическом обсуждении результатов работы на научно-технических конференциях.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались: ХШ, XV международных конференциях по интегрированным навигационным системам; XXV, XXVI, XXVII всероссийских конференциях памяти H.H. Острякова; VI, X, XVIII конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2004-2010г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из списка рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора, списка использованной литературы из 83 источников. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, в тексте имеется 102 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту. Дается краткий обзор содержания диссертации. Основной материал диссертации распределен по четырем главам.

В первой главе выполнен обзор и приведено описание существующих систем определения ориентации для комплексов управления движением космических аппаратов. Приведено описание бескарданной системы ориентации на электростатических гироскопах, разрабатываемой в ЦНИИ «Электроприбор».

Описан известный алгоритм определения угловой ориентации КА по наблюдениям за векторами кинетических моментов двух ЭСГ (TRIAD). На основе известных значений направляющих косинусов ортов кинетических моментов гироскопов в соответствии с правилом, представленным на рисунке 1, моделируется в пространстве гироскопический трехгранник ЯЛгЧг■

где Л, (¿ = 1,2) - направляющие косинусы ортов кинетических моментов гироскопов. При этом гироскоп, на котором строится орт цг считается опорным.

В соответствии с правилом построения гироскопического трехгранника рассчитываются матрица Ссл, характеризующая положение приборной системы координат относительно гироскопической системы координат и матрица С9,„, характеризующая положение гироскопической системы координат относительно инерциальной. Искомая матрица положения приборной относительно инерциальной системы координат вычисляется как Сс ,.„ = С, ,„ • Сс я.

Рисунок 1 - Правило построения гироскопического трехгранника

Для компенсации ухода ЭСГ в работе применяется модель дрейфа для условий невесомости в проекциях на корпусные оси.

«о* = кЛ(~ (1 - + К + А34)+ - ^зЛ2)+ Мэ^з

«V = М2(- (1 - А2>2 + К + Л,4)+ - л,Л2)+ (1)

= Мэ(" (1 - Л,2 К2 + Л.4 + Л2 )+ лД/'зЛ2 - ^23^:)+ Л,Л2у12

В выражении (1):

- /¡ь й2, й3 - направляющие косинусы, характеризующие положение оси вращения ротора относительно корпуса;

- коэффициент к0 характеризует взаимодействие четвертой гармоники формы ротора с полем подвеса;

- коэффициенты Уу обусловлены консервативными и диссипативными составляющими момента от взаимодействия радиально несбалансированного ротора и неравножесткого подвеса.

Коэффициенты кц, V; подлежат определению.

В алгоритме определения угловой ориентации необходимо учитывать рассогласование измерительных осей ХкУк2к ЭСГ относительно измерительных осей корректирующего устройства ХсУ(7с, которое представляется в виде кососимметрической матрицы:

8С1,

О

АЛ? -ДА?

-ДА« ДА« О -&Л<0

ДА'

О

(2)

где:

ДА1,", АА?, ДА1,' 0=1,2) - погрешности углового положения измерительных осей каждого ЭСГ относительно соответствующих измерительных осей астровизира.

В условиях КА для определения ориентации используются опорный полярный, вектор кинетического момента которого ортогонален плоскости орбиты, и экваториальный ЭСГ, вектор кинетического момента которого лежит в плоскости орбиты.

Перед началом первых летных испытаний системы ориентации на ЭСГ предполагалось, что в связи со стабильностью и прогнозируемостью КМУ электростатического гироскопа, имеется возможность достаточно эффективно использовать значения КМУ, полученные при калибровке на Земле и последующего пересчетом на условия космической невесомости. Оставшуюся угловую погрешность предполагалось устранить с помощью относительно редких астрокоррекций. Однако лётные испытания показали

необходимость в использовании астрокоррекций не только для внесения угловых поправок, но и для решения задач уточнения КМУ гироскопов и определения привязок измерительных осей ЭСГ и астровизира.

Поставлена задача одновременной калибровки ЭСГ и определения привязок измерительных осей ЭСГ к измерительным осям астровизира. Использование такого алгоритма позволит существенно снизить требования к изготовлению КА с обеспечением взаимной точности привязки баз основных приборов определения углового положения КА на орбите.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма калибровки коэффициентов модели ухода ЭСГ и определения привязок измерительных осей ЭСГ к измерительным осям астровизира. Алгоритм построен на основе фильтра Калмана с использованием данных от астровизирующего устройства.

Особенность алгоритма калибровки заключается в следующем:

- для эталонирования углового положения используется кватернион углового положения от астровизирующего устройства;

- прогнозирование уходов ЭСГ осуществляется в инерциапьной системе координат, однако расчетная модель погрешностей описана в квазиинерциальной системе координат int, int2 int3, дискретно (в моменты астрокоррекции) учитывающей прецессию гироскопического трехгранника;

- измерения формируются с дискретностью Гг и с использованием текущих значений кватерниона положения от системы ориентации на ЭСГ и эталонного кватерниона положения от астровизирующего устройства;

- в качестве измерений используются внешние измерения, получаемые на основе сравнений показаний системы ориентации на ЭСГ и показаний астровизира, и автономные измерения, формируемые по наблюдениям за углом между векторами кинетических моментов ЭСГ.

—int 1 -int -Ь\ —Ы ч л „

2«vi = (Ая- • Ал )-(А •h ) = cosöR-coses

— — int 2 —int 2 „ i . i "2

гг = Ь- -h„- =CmM-{K- -C'c'M-Cl-h )

zov, - скалярное измерение, представляющее собой разность косинусов расчетного вк и измеренного ös углов между гироскопами;

z, - (i=l,2) разностные измерения для полярного и экваториального гироскопов;

А'-'- измеренные значения направляющих косинусов гироскопов;

<*,)> Ьг)г

K~'>K,J - расчетные и эталонные значения направляющих косинусов гироскопов в проекциях на оси инерциальной системы координат;

расчетные и эталонные значения направляющих косинусов гироскопов в проекциях на оси квазиинерциальной системы координат;

- в вектор состояния системы включены погрешности положения ЭСГ, погрешности априорных значений коэффициентов модели ухода и погрешности выставки измерительных осей ЭСГ относительно измерительных осей астровизира.

х= К0' Д^" ^ М0(" Ди® ДДАу{? AVjj' Д< ДЛ<"

ДА« ДЛ™ М0т Дfi¡? Ди»> Д< Ду® Д< Д< ДЛ<2> ДА® ДЛ<32)Г

Построенная на уходящих гироскопах гироскопическая система координат фиксируется на промежутке времени между двумя астрокоррекциями. В этой системе координат начальное положение векторов кинетических моментов гироскопов на момент астрокоррекции имеет вид:

"0" 0

—>п( 1 —int 2

h ' = 1 , h ~ = eos в

0 sin в

При работе алгоритма вычисляются поправки к положению калибруемых ЭСГ, поправки к коэффициентам модели и привязки измерительных осей. Далее поправки к положению гироскопов проектируются на оси инерциальной системы координат и вместе с уточненными значениями КМУ и привязками поступают в задачу программного движения гироскопов с учетом модели дрейфа.

В главе получены уравнения прецизионных движений гироскопов, вектор кинетического момента одного из которых при запуске лежит в плоскости орбиты («экваториальный» ЭСГ), а вектор кинетического момента второго гироскопа ортогонален плоскости орбиты («полярный» ЭСГ). Уравнения движений выведены для условий орбитального КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА. На основе анализа решений проведен анализ движения гироскопов при орбитальном вращении КА для исследования наблюдаемости коэффициентов модели ухода и привязок измерительных осей гироскопов.

Показано, что для полярного гироскопа характерны биения, возникающие при колебаниях КА по углу рысканья с частотой

орбитального обращения, и, следовательно, обусловленные наличием двух близких частот: частоты орбитального обращения и частоты прецессии гироскопа.

Для экваториального гироскопа характерны низкочастотные колебания, обусловленные дрейфом орбиты и дрейфом гироскопа.

Частота прецессионного движения полярного {сор) и экваториального (со.) гироскопов связана с КМУ соответствующих гироскопов следующими соотношениями:

сор * со0 + к0 + - - полярного ЭСГ (3)

со, »соа ———-^ii- - экваториального ЭСГ (4)

64й)0 1бй)0

где со0 - частота орбитального обращения КА.

С учетом движения гироскопов получена зависимость косинуса угла между векторами кинетических моментов гироскопов, которая запишется в виде:

COS(VЬ) т .Ь-(COS 4ву - 1) + (COS 2co.t -1) (5)

16 со. 4 со.

Частота биений определяется из разности частот прецессионного движения полярного гироскопа и орбитального движения КА, т.е. частота биений полярного гироскопа содержит линейную комбинацию k0,^n,fi1}. Следовательно, в условиях эксплуатации на КА получить из аналитических выражений оценки отдельных КМУ полярного гироскопа не представляется возможным.

Формула (3) объясняет плохую наблюдаемость КМУ полярного гироскопа.

Таким образом, отсутствие полной наблюдаемости КМУ приводит к недостаточной компенсации дрейфа при отклонении векторов кинетических моментов гироскопов от начальных положений.

В главе выведена зависимость погрешности ориентации при орбитальном движении КА от погрешностей привязки полярного и экваториального гироскопов.

S. =

ар ■ cos co0t + у • sin co0t ap ■ sin a0t - yp ■ cos co0t

P.

(7)

То есть, при орбитальном движении ошибки ориентации по рысканью и крену КА определяются ошибками привязки полярного гироскопа по углам крена и рысканья ар,ур. Ошибка по тангажу КА является постоянной величиной и зависит только от ошибки привязки экваториального гироскопа по оси тангажа р,.

Показано, что для обеспечения полной наблюдаемости привязок измерительных осей одновременно полярного и экваториального гироскопов необходимо проводить вращение КА относительно двух осей.

В третьей главе рассматривается задача коррекции системы ориентации на ЭСГ по редким данным астровизира в процессе штатной эксплуатации КА.

Используемый в настоящее время алгоритм основан на определении квазипостоянных дрейфовых поправок по данным от астровизира в одной и той же точке орбиты, один раз на одном или нескольких витках орбитального обращения КА.

Основной недостаток алгоритма - необходимо планировать астрокоррекции в одной точке орбиты для исключения влияния рассогласования измерительных осей ЭСГ и астровизира на периоде орбитального обращения.

В работе предложен алгоритм коррекции системы ориентации на основе представленного во 2 главе алгоритма фильтра Калмана и предназначен для уточнения коэффициентов модели ухода по астрокоррекциям в произвольные моменты времени.

На основе анализа наблюдаемости коэффициентов модели ухода и привязок измерительных осей ЭСГ предложена методика проведения калибровки системы ориентации.

Выработаны рекомендации по оценке оптимального использования данных от астровизирующего устройства. Целесообразно использовать информацию от астровизирующего устройства так, чтобы шумы измерений были соизмеримы с накопленной угловой погрешностью системы ориентации на ЭСГ на интервалах между коррекциями углового положения. Описан алгоритм обработки эталонных данных от астровизирующего устройства с целью отбраковки грубых измерений и защиты от сбоев.

В четвертой главе представлены результаты имитационного моделирования, экспериментальных исследований и отладки разработанных алгоритмов калибровки и коррекции на системах ориентации БИС-ЭГ, в том числе при летно-конструкторских испытаниях в составе КА типа «Ресурс-ДК».

Критерием эффективности работы алгоритма уточнения КМУ электростатических гироскопов и определения привязок измерительных осей гироскопов к измерительным осям астровизира является повышение точности определения ориентации после проведения калибровки.

Имитационное моделирование

По заданным значениям коэффициентов модели ухода и невязкам измерительных осей ЭСГ и астровизира с учетом начальных значений при орбитальном движения КА и ошибок формирования моделируются направляющие косинусы ЭСГ. Эталонный кватерниона астровизира формируется по данным начального положения осей КА и частоты орбитального обращения КА с учетом ошибок формирования. На интервале 3-5 витков орбитального движения по смоделированным направляющим косинусам гироскопов и кватерниону астровизира по разработанным алгоритмам калибровки определяются коэффициенты модели ухода и привязки между измерительными осями ЭСГ и астровизира.

На рисунках 2,3 приведены оценки коэффициента ко для ЭСГ 1 (полярного) и ЭСГ2 (экваториального), пунктирной линией отмечены истинные значения коэффициента ко. На рисунках 4,5 - оценки элементов матриц, характеризующих привязки измерительных осей ЭСГ1 и ЭСГ2 к измерительным осям астровизира, пунктирными линиями отмечены истинные значения привязок. На рисунках 2,3 по оси абсцисс - оценки к0 в °/ч., по оси ординат - время в минутах. На рисунках 4,5 по оси абсцисс -оценки привязок в угловых минутах, по оси ординат - время в минутах.

Рис.2 Оценка к0 ЭСГ 1

Рис.3 Оценка к0 ЭСГ2

Рис.4 Оценка привязок ЭСГ1

200 25П ППП \ ячп 400 450

50 100 150 ™_2£И_ат, 350 400 450 К1 12 1Э|

Рис.5 Оценка привязок ЭСГ2

Таким образом, моделирование алгоритма при орбитальном движении КА с отклонением от плоскости орбиты на постоянный угол, показало, что привязки гироскопов оцениваются в течение 1 витка орбитального обращения, а КМУ оцениваются в течение 2-3 витков. При этом погрешность оценки коэффициентов модели ухода составляет не более 0.2°/ч., погрешности оценки привязок по всем углам составляют не более 5'. Погрешность определения ориентации с использованием оцененных значений коэффициентов модели ухода и привязок гироскопов находится на уровне ошибок формирования модельных данных.

Калибровка при первом запуске

Начальными условиями являются единичные матрицы привязок измерительных осей ЭСГ к измерительным осям астровизира и нулевые значения КМУ. Калибровка проводится при совместной обработке данных ЭСГ и астровизира, при которой кватернион углового положения от астровизира поступает с дискретностью 1мин на интервале 3-5 витков орбитального обращения. Основная задача при калибровке системы ориентации при первом запуске - определить КМУ гироскопов и привязки измерительных осей ЭСГ к измерительным осям астровизира.

На рисунках 6,7 приведены оценки коэффициента ко для ЭСГ 1 (полярного) и ЭСГ2 (экваториального), а на рисунках 8,9 - оценки элементов матриц, характеризующих привязки измерительных осей ЭСГ1 и ЭСГ2 к измерительным осям астровизира соответственно. На рисунках 6,7 по оси абсцисс - оценки ко в °/ч., по оси ординат - время в минутах. На рисунках 8,9 по оси абсцисс - оценки привязок в угловых минутах, по оси ординат - время в минутах.

2 1.6 1.2

-0.4 -0.8 -1.2

„50_____100___150 200 250

Рис.6 Оценка ко ЭСГ1

Рис.8 Оценка привязок ЭСГ1

Рис.7 Оценка к0ЭСГ2

50 100 ™ 250 300

_ 1-й -1-2 дз |_

Рис.9 Оценка привязок ЭСГ2

Из приведенных рисунков видно, что переходной процесс оценки к0 для ЭСГ1, ЭСГ2 на интервале наблюдения (350 минут) не заканчивается. Привязки измерительных осей ЭСГ к измерительным осям астровизира оцениваются в течение одного витка орбитального обращения.

Имеет место колебательность при стремлении оценок к установившимся значениям. Поэтому в ряде случаев требуется увеличивать интервал наблюдения.

При орбитальном движения КА привязка по углу тангажа Ь2 не проявляется и, следовательно, не может быть определена достоверно при калибровке при орбитальном движении КА.

Рис. 10а Погрешности ориентации до калибровки с начальными значениями КМУ и привязках.

0 аО 80 120 160 200 240 280 320

Рис. 106 Погрешности ориентации после калибровки с вычисленными значениями КМУ и привязках.

На рисунках 10а, 106 приведены погрешности определения ориентации по углам крена, рысканья и тангажа до и после уточнения КМУ и привязок гироскопов.

Из рисунка 10а видно, что имеет место колебательность в ошибках по углам крена и рысканья, обусловленная неточностью начальных значений КМУ и привязок опорного (полярного) гироскопа. Ошибка по углу тангажа носит трендовых характер и обусловлена неточностью начальных значений КМУ экваториального гироскопа.

После уточнения КМУ и привязок колебательная составляющая погрешности снизилась с 50' до 10' (рисунок 106). Трендовая составляющая снизилась с 0.3 °/час до уровня 0.02 °/час.

Повторная калибровка

Калибровка при повторных запусках. В данном случае известны априорные значения КМУ гироскопов и элементы матриц привязок измерительных осей ЭСГ к измерительным осям астровизира, полученные при калибровке в предыдущем запуске системы ориентации на ЭСГ. Кватернион углового положения от астровизира также поступает с дискретностью 1мин на интервале 3-5 витков орбитального обращения.

Особенность режима заключается в том, что уточняются только КМУ пары ЭСГ. Матрицы привязок при повторных запусках не оцениваются, т.к. погрешности их оценок от запуска к запуску составляют 1-1.5' и находятся на уровне точности определения ориентации.

На рисунках 11,12 приведены оценки коэффициента к0 для ЭСГ1 и ЭСГ2 соответственно. Оценки привязок измерительных осей ЭСГ1 и ЭСГ2 к измерительным осям астровизира не приводятся, поскольку погрешности оценок находятся на 1', что соответствует уровню точности оценок.

Рис.11 Оценка к0 ЭСГ1

Рис.12 Оценка к0 ЭСГ2

Рис. 13а Погрешности ориентации до калибровки с априорными значениями КМУ и привязках.

Рис.136 Погрешности ориентации после повторной калибровки с уточненными значениями КМУ

Из рисунка 13а видно, что колебательность по углам крена и рысканья по сравнению с начальной погрешностью (рисунок 10а) уменьшилась до 10'. Наличие трендовых составляющих обусловлено нестабильностью КМУ от запуска к запуску.

При повторной калибровке (рисунок 136) уровень погрешности определения ориентации по углам крена, курса и тангажа снизился примерно до 3'.

Коррекция при штатной эксплуатации КА

Известны априорные значения КМУ гироскопов и определены матрицы привязок измерительных осей гироскопов к измерительным осям астровизира.

Используется алгоритм фильтра Капмаиа, с целью уточнения КМУ исходной модели дрейфа в процессе работы системы ориентации на ЭСГ при штатной эксплуатации КА. Особенность заключается в том, что в этом режиме данные от астровизира поступают периодически (например, один раз на нескольких витках) в течение короткого интервала времени, равного примерно 5-10 минут, с дискретностью 1 минута. В остальное время фильтр не работает и уточнение КМУ и привязок измерительных осей не производится. Т.е. алгоритм уточнения КМУ гироскопов работает только при наличии на входе системы эталонного кватерниона от астровизира.

На рисунках 14,15 приведены оценки коэффициента к0 для ЭСГ1 и ЭСГ2 соответственно.

Рис. 14 Оценка к0 ЭСГ1 Рис. 15 Оценка к0 ЭСГ2

Рис. 13а Погрешности ориентации до калибровки с априорными значениями КМУ и привязках.

Рис.136 Погрешности ориентации при штатной работе алгоритма ФК.

Из рисунка 136 видно, что использование алгоритма коррекции на основе фильтра Калмана при использовании серии разовых АК в произвольные моменты времени позволяет значительно повысить точность определения угловой ориентации. Такой режим позволяет уточнять КМУ гироскопов в режиме штатной эксплуатации КА и. удерживать погрешность определения ориентации. на уровне 3-4' с накоплением ошибки не более 0.01°/ч, что соизмеримо с уровнем погрешности оптической системы съема угловой информации с гироскопов.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан алгоритм совместной калибровки коэффициентов модели ухода бескарданных электростатических гироскопов и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира в условиях орбитального полета КА.

2. Разработан алгоритм коррекции системы ориентации на ЭСГ с уточнением коэффициентов модели ухода по данным астровизира, поступающих в произвольные моменты времени.

3. Получены аналитические решения уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального движения .КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА. •

4. На основе анализа аналитических решений проведены исследования наблюдаемости КМУ и привязок измерительных осей ЭСГ и выработаны требования к специальным движениям КА на этапе калибровки системы ориентации на ЭСГ, позволяющие обеспечить наблюдаемость калибруемых параметров.

5. По результатам имитационного моделирования и обработки летных данных показано, что использование разработанного алгоритма калибровки системы ориентации на ЭСГ позволяет повысить на порядок и более точность определения ориентации КА. Использование разработанного алгоритма коррекции позволяет обеспечить точность определение угловой ориентации на уровне точности оптической системы съема информации.

6. Разработано и проверено программное обеспечение для определения коэффициентов модели'ухода И привязок измерительных осей ЭСГ, позволяющее автоматизировать процедуру калибровки и повысить точность ориентации КА. -' 1 •......

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

]. Одинцов Б.В., Белаш A.A., Егоров Е.А. "Аппаратно-программный комплекс для испытаний бескарданной инерциальной системы определения ориентации" / Навигация и управление движением. Материалы V конференции молодых ученых, ГНЦ-ЦНИИ «Электроприбор». - СПб, 2004, с.192-195.

2. Ландау Б.Е., Емельянцев Г.И., Левин СЛ., Романенко С.Г., Гуревич С.С., Одинцов Б.В. "Основные результаты разработки и испытаний системы определения ориентации на электростатических гироскопах для низкоорбитальных космических аппаратов", Гироскопия и навигация №2,2007, с.3-12.

3. Одинцов Б.В. "Особенности программно-математического обеспечения для определения угловой ориентации объекта по данным электростатических гироскопов" / Навигация и управление движением. Материалы X конференции молодых ученых, ГНЦ-ЦНИИ «Электроприбор». - СПб, 2007, с.47-54.

4. Ландау Б.Е., Гуревич С.С., Емельянцев Г.И., Левин С.Л., Одинцов Б.В., Романенко С.Г. "Результаты калибровки электростатических гироскопов в бескарданной инерциальной системе ориентации" / Юбилейная XV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам - СПб, 2008, с.122-129.

5. Емельянцев Г.И., Ландау Б.Е., Левин СЛ., Одинцов Б.В., Романенко С.Г. "Повышение точности БИСО на ЭСГ с применением автоматического уточнения коэффициентов модели ухода в процессе космической эксплуатации" / Реферата докладов XXVI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов H.H. Острякова - СПб, 2008, с.74-75.

6. Завгородний В.И., Одинцов Б.В. "Влияние электромагнитных полей на параметры бескарданного ЭСГ со сплошным ротором" / Рефераты докладов XXVI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов H.H. Острякова -СПб, 2008, с.75.

7. Ландау Б.Е., Емельянцев Г.И., Одинцов Б.В. "Калибровка ЭСГ системы ориентации в условиях орбитального полета" / XIII Международная конференции «Системный анализ, управление и навигация», Евпатория 2008, с.22-25.

8. Одинцов Б.В., Белаш A.A. "Наземные испытания алгоритма уточнения коэффициентов модели ухода электростатического гироскопа для космического применения" / Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, РКК «Энергия» им. С.П. Королева, г.Королев, 2010, с. 79-82.

Го

9. Одинцов Б.В. "К задаче повышения точности определения ориентации космического аппарата дистанционного зондирования Земли" / Гироскопия и навигация №2, 2010, с.5-15.

10. B.Ye.Landau, G.I.Yemelyantsev, B.V.Odintsov "Electrostatic Gyroscopes in Attitude Reference Systems for Orbital Spacecrafts" / China International Conference on Inertial Technology and Navigation, Nanjing, China, 2010.

11. Ландау Б.Е., Буравлев А.П., Гуревич C.C., Емельянцев Г.И., Романенко С.Г., Левин С.Л., Одинцов Б.В. "О модели дрейфов и калибровке БИСО на ЭСГ в условиях орбитального космического аппарата" / Рефераты докладов XXVII конференции памяти Н.Н. Острякова, СПб, 2010, с.82-83.

ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛАХ ИЗ ПЕРЕЧНЯ ВАК

1, Ландау Б.Е., Емельянцев Г.И., Левин С.Л., Романенко С.Г., Гуревич С.С., Одинцов Б.В. "Основные результаты разработки и испытаний системы определения ориентации на электростатических гироскопах для низкоорбитальных космических аппаратов", Гироскопия и навигация №2,2007, с.3-12.

2. Одинцов Б.В. "К задаче повышения точности определения ориентации космического аппарата дистанционного зондирования Земли" / Гироскопия и навигация №2,2010, с.5-15.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ НА ЭСГ.

1.1 Обзор систем ориентации космических аппаратов.

1.2 Принципы построения системы ориентации на электростатических гироскопах.

1.3 Особенности работы системы ориентации на ЭСГ при орбитальном движении космического аппарата.

1.4 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА КАЛИБРОВКИ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ НА ЭСГ.

2.1 Постановка задачи калибровки системы ориентации на ЭСГ.

2.2 Комплексирование системы ориентации на ЭСГ и астровизирующего устройства.

2.3 Анализ наблюдаемости коэффициентов модели ухода из видимого движения роторов ЭСГ.

2.4 Анализ наблюдаемости привязок баз ЭСГ и оценка влияния погрешности привязки на точность определения угловой ориентации.

2.5 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА КОРРЕКЦИИ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ НА ЭСГ В ПРОЦЕССЕ ШТАТНОЙ РАБОТЫ.

3.1 Исследование алгоритма компенсации постоянных составляющих ухода электростатических гироскопов.

3.2 Разработка алгоритма коррекции с уточнением параметров модели дрейфа.

3.3 Разработка методики калибровки системы ориентации на ЭСГ.

3.4 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ КАЛИБРОВКИ И КОРРЕКЦИИ.

4.1 Методы испытаний и реализация алгоритма калибровки электростатических гироскопов.

4.2 Исследование алгоритмов калибровки и коррекции по результатам имитационного моделирования.

4.3 Исследование и отработка алгоритмов калибровки и коррекции по данным летных испытаний.

4.4 Проверка программного обеспечения реального времени, реализующие алгоритмы калибровки и коррекции.

4.5 Выводы по главе 4.

Одной из приоритетных задач современной космонавтики является развитие высокоточных и высокоинформативных космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [1-3,6,62]. Мониторинг окружающей среды является актуальной задачей для научных, народнохозяйственных и оборонных применений. Системы мониторинга направлены на решение таких глобальных проблем, как изменение климата, предупреждение возникновения лесных пожаров и наводнений, слежение за состоянием нефтепроводов, наблюдение в районах катастроф, проведение поисковых и спасательных работ. Большую значимость приобретает использование данных дистанционного зондирования Земли, как в интересах картографии, геодезии, поиска полезных ископаемых, экологии, природных наблюдений, сельского хозяйства, так и в военной видовой разведке.

Современные информационные технологии позволяют эффективно использовать данные дистанционного зондирования земной поверхности за счет автоматического приема, регистрации и обработки изображений. В связи с быстрым доступом к получаемым изображениям и их оперативной обработкой большое внимание уделяется системам космического мониторинга земной поверхности [4,5]. Существенно возрастает роль военно-космических средств в обеспечении эффективности ведения боевых действий в локальных вооруженных конфликтах, при этом особую важность приобретают задачи создания и совершенствования систем космической разведки.

В настоящее время наибольшим спросом пользуются данные ДЗЗ высокого и сверхвысокого пространственного разрешения [7]. Использование данных ДЗЗ для решения различного рода задач дает значимый экономический эффект.

Современные спутники дистанционного зондирования земной поверхности для качественного выполнения своей целевой задачи требуют точного определения пространственной ориентации. Погрешности определения ориентации космического аппарата непосредственно влияют на точность наведения оси целевой аппаратуры на заданные объекты наблюдения. Ошибка определения угла в 2' с орбиты высотой 300 км, вызовет ошибку наведения порядка 200 метров, что может стать критичным для некоторых приложений.

К числу наиболее значимых факторов, определяющих особенность и сложность управления низкоорбитальными высокоинформативными КА ДЗЗ, относятся:

- необходимость решения на борту КА задачи высокоточного наведения оси целевой аппаратуры на любой объект наблюдения из заданной их совокупности;

- необходимость многократного быстрого и прецизионного перенацеливания КА в одном сеансе наблюдения: с одного наблюдаемого объекта (маршрута) на, другой, произвольно расположенный относительно трассы полёта;

- необходимость плавного управления КА с целью исключения «смазов» изображения.

Основные принципы формирования программ управления угловым движением, исходя из эффективного проведения процесса зондирования, можно свести к следующим:

- использование параметров движения центра масс КА, определяемых системой автономной навигации на момент времени, максимально приближенный к началу планируемого интервала проведения съёмки маршрутов;

- формирование программ управления угловым движением КА (программного движения), исходя из обеспечения требований по точности определения скорости компенсации сдвига изображения по маршруту и непрерывности параметров управления в процессе полёта КА как на маршрутах, так и между маршрутами съёмки.

В свою очередь, необходимые для системы управления движением КА параметры угловой ориентации определяются, как правило, гироскопическими системами ориентации, от характеристик которых в значительной степени зависит качество решения целевой задачи КА ДЗЗ. С целью компенсации погрешностей гироскопических систем ориентации, накапливающихся с течением времени, в систему управления КА вводят систему коррекции по объектам небесной сферы. В настоящее время эту задачу решают системы астроориентации — астровизирующие устройства, которые могут с высокой точностью определять ориентацию осей КА- по произвольному участку звездного неба.

Задача повышения точности ориентации осей КА ДЗЗ может быть решена наиболее эффективно при использовании высокоточной автономной системы ориентации на базе позиционных гироскопов, с периодическими коррекциями по информации от астровизирующих устройств (АВУ).

Совместное использование высокоточных позиционных гироскопов и АВУ позволит:

- увеличить интервал времени между астрокоррекциями и упростить их планирование;

- упростить требования к чувствительности средств астронавигации, уменьшить их вес и габариты; уменьшить каталог звезд, используемых при астронавигации, и, соответственно, вычислительные ресурсы; повысить устойчивость работы системы управления КА при сбоях в каналах управления за счет «пространственной памяти»; существенно повысить точность и разрешающую способность устройств, используемых для мониторинга поверхности Земли;

- практически полностью снять ограничения на угловую динамику КА, что позволит реализовать специальные режимы съемки: съемка площадки, стереосъемка, съемка с произвольным азимутом;

Бесконкурентными по точности в настоящее время, в том числе для космического применения, являются гироскопы с электростатическим подвесом сферического ротора (ЭСГ) [8].

На протяжении последних десятилетий в ЦНИИ «Электроприбор» разработаны прецизионные карданные инерциальные системы на ЭСГ для морских навигационных комплексов. В последнее время в ЦНИИ «Электроприбор» создана бескарданная инерциальная система на электростатических гироскопах (БИС-ЭГ) для систем управления движением космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.

Проведены летно-конструкторские испытания бескарданной инерциальной системы ориентации на ЭСГ на различных КА, которые показали возможность достижения высоких точностей определения угловой ориентации КА. Однако, при летной отработке выявились проблемы связанные с решением задачи идентификации коэффициентов модели ухода (КМУ) и определении привязок измерительных осей гироскопов к измерительным осям корректирующих устройств.

В карданных инерциальных системах на ЭСГ решаются аналогичные задачи привязки баз и калибровки КМУ в условиях морских объектов [32]. Однако, ввиду специфики космического применения эти решения не могут быть непосредственно перенесены, что и определяет актуальность темы диссертации. Результаты проведенных работ подготовили базу для решения поставленных в работе задач.

Целью настоящей диссертации является разработка алгоритмов и методик калибровки бескарданной инерциальной системы ориентации (БИСО) на ЭСГ для использования на высокодинамичных КА ДЗЗ.

Объектом исследования является система определения ориентации на ЭСГ для КА дистанционного зондирования Земли, а предметом исследования являются алгоритмы совместной обработки данных БИСО на ЭСГ и АВУ при штатной эксплуатации КА ДЗЗ.

Основные задачи исследования:

1. Разработка алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при неизвестном взаимном положении баз ЭСГ и астровизира.

2. Исследование наблюдаемости коэффициентов модели ухода ЭСГ и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира на основе анализа аналитических решений уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального полета с учетом динамики КА.

3. Оценка эффективности алгоритмов калибровки системы ориентации на ЭСГ по результатам моделирования и летных испытаний.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Аналитические решения уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА.

2. Методика обеспечения наблюдаемости коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями.ЭСГ и астровизира.

3. Алгоритмы калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при неизвестном взаимном положении баз ЭСГ и астровизира.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы системного • анализа и обработки информации, методы математического моделирования, теории гироскопов и инерциальных навигационных систем, основы теории статистического оценивания и дифференциальных уравнений. Адекватность полученных результатов подтверждена как компьютерным моделированием алгоритмов, так и результатами натурных испытаний бескарданной инерциальной системы ориентации на ЭСГ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм калибровки системы ориентации на ЭСГ в условиях космической эксплуатации для одновременного определения коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и измерительными осями астровизира.

2. Определены условия полной наблюдаемости коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира.

3. Разработан алгоритм коррекции системы ориентации на ЭСГ с уточнением коэффициентов модели ухода по данным астровизира, поступающих в произвольные моменты времени.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанные алгоритмы позволили расширить возможности применения систем ориентации на позиционных электростатических гироскопах в системах управления движением КА дистанционного зондирования Земли.

2. Разработано программное обеспечение, в котором реализованы алгоритмы калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при штатной эксплуатации на КА.

3. Предлагаемые методики и алгоритмы коррекции погрешностей позволили существенно повысить точность определения ориентации и качество решения целевой задачи КА.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается:

1. Результатами лётных испытаний на 7 КА различных типов.

2. Имитационным и полунатурным моделированием системы ориентации на ЭСГ.

3. Положительной оценкой работы при критическом обсуждении результатов работы на научно-технических конференциях.

Внедрение и практическое применение.

На основе алгоритмов разработано и используется ПО камеральной обработки данных прибора БИС-ЭГ для уточнения КМУ каждого ЭСГ и определения привязок измерительных осей с последующей их закладкой на борт КА. Предлагаемые алгоритмы калибровки ЭСГ планируется использовать в штатном ПО бескарданной инерциальной системы БИС-ЭГ с целью повышения точности определения углового положения КА ДЗЗ.

Основные результаты использованы при сопровождении летно-конструкторских испытаний и эксплуатации КА различных модификаций.

В первой главе выполнен обзор и приведено описание существующих систем ориентации для системы управления движением космических аппаратов. Рассмотрен принцип построения бескарданной системы ориентации на электростатических гироскопах. Представлена математическая модель движения ротора ЭСГ, обосновывается упрощение модели в условиях невесомости, приведен принцип определения ориентации по данным бескарданной инерциальной системы ориентации на электростатических гироскопах и описан алгоритм определения угловой ориентации. Рассмотрены проблемы, связанные с калибровкой системы БИС-ЭГ. Показано, что совместное использование БИС-ЭГ и АВУ позволит повысить точность и автоматизировать процесс определения ориентации. С целью повышения точности определения ориентации поставлена задача калибровки электростатических гироскопов прибора БИС-ЭГ по данным АВУ.

Во второй главе разработан алгоритм калибровки на основе фильтра Калмана для определения КМУ и привязок измерительных осей ЭСГ с использованием эталонной информации об угловом положении от АВУ. Исходя из движения ротора «полярного» и «экваториального» ЭСГ рассмотрена задача идентификации коэффициентов модели ухода на основе аналитических методов. Произведена оценка влияния невязок измерительных осей ЭСГ относительно измерительных осей АВУ на точность определения угловой ориентации. На основе аналитических решений проведен анализ наблюдаемости коэффициентов модели ухода и привязок измерительных осей ЭСГ при орбитальном движении КА.

В третьей главе решается задача коррекции с целью калибровки остаточных дрейфов системы ориентации на ЭСГ. Рассмотрен алгоритм компенсации постоянных составляющих ухода электростатических гироскопов и алгоритм коррекции КМУ с использованием фильтра Калмана.

Предложена методика и порядок калибровочных работ с целью обеспечения наблюдаемости КМУ каждого ЭСГ, и, как следствие, повышение точности их идентификации.

В четвертой главе приведены результаты исследований алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ. Разработано программное обеспечение для отработки алгоритмов калибровки и коррекции. Приведены результаты имитационного моделирования и калибровки по данным летных испытаний приборов БИС-ЭГ, входящих в систему управления движением КА ДЗЗ типа «Ресурс-ДК», 11Ф695, 14Ф138. Показано, что уточнение КМУ и определение привязок измерительных баз позволяет повысить точность определения ориентации КА. На основании проведенных исследований сделаны выводы о возможности внедрения алгоритма калибровки ЭСГ в штатное программное обеспечение прибора БИС-ЭГ.

В заключении перечисляются основные результаты работы и сформулированы общие выводы по работе.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались и докладывались на: международных конференциях по интегрированным навигационным системам (ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург): ХШ (2006г.) XV (2008г.); XIII Международной конференции Системный анализ, управление и навигация, Евпатория 2008; конференциях памяти H.H. Острякова (ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург): XXV (2006г.) XXVI (2008г.) XXVII (2010г.); конференциях молодых ученых (ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург): VI (2004г.) X (2007г.); на XVIII (2008г.) конференции молодых ученых и специалистов (РКК «Энергия» С.П. Королева, Москва).

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из списка рекомендованного ВАК и 5 докладов на научно-технических конференциях.

4.5 Выводы по главе 4

1) По результатам моделирования подтверждена эффективность разработанных алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ в условиях орбитального движения КА. На интервале моделирования 23 витков орбитального обращения погрешность оценивания КМУ и привязок измерительных осей гироскопов составляет 5-10%.

2) Экспериментально подтверждено, что калибровка системы ориентации на интервале 2-3 витков орбитального обращения КА позволяет на порядок повысить точность определения ориентации за счет определения привязок измерительных осей электростатических гироскопов и уточнения коэффициентов модели ухода.

3) Моделированием и экспериментально подтверждено, что при орбитальном движении КА привязка ЭСГ по углу тангажа и ряд коэффициентов модели ухода не проявляются. Поэтому, на этапе калибровки системы ориентации на ЭСГ предложено выполнять специальные развороты КА.

4) По результатам экспериментальной проверки показано, что алгоритмы коррекции обеспечивают точность определение угловой ориентации в течение всего времени работы КА на уровне точности оптической системы съема информации.

119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан алгоритм совместной калибровки коэффициентов модели ухода бескарданных электростатических гироскопов и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира в условиях орбитального полета КА.

2. Разработан алгоритм коррекции системы ориентации на ЭСГ с уточнением коэффициентов модели ухода по данным АВУ, поступающих в произвольные моменты времени.

3. Получены аналитические решения уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального движения КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА.

4. На основе анализа аналитических решений проведены исследования наблюдаемости КМУ и привязок измерительных осей ЭСГ и выработаны требования к специальным движениям КА на этапе калибровки системы ориентации на ЭСГ, позволяющие обеспечить наблюдаемость калибруемых параметров.

5. По результатам имитационного моделирования и обработки летных данных показано, что использование разработанного алгоритма калибровки системы ориентации на ЭСГ позволяет повысить на порядок и более точность определения ориентации КА. Использование разработанного алгоритма коррекции позволяет обеспечить точность определение угловой ориентации на уровне точности оптической системы съема информации.

6. Разработано и проверено программное обеспечение для определения коэффициентов модели ухода и привязок измерительных осей ЭСГ, позволяющее автоматизировать процедуру калибровки и повысить точность ориентации КА.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Одинцов Б.В., Белаш A.A., Егоров Е.А. "Аппаратно-программный комплекс для испытаний бескарданной инерциальной системы определения ориентации" / Навигация- и управление движением. Материалы V конференции. молодых ученых, ГНЦ-ЦНИИ «Электроприбор». - СПб, 2004, с. 192-195.

2. Ландау Б.Е., Емельянцев FJ0L, Левин С Л;, Романенко C.F., Гуревич С.С., Одинцов Б.В. "Основные результаты разработки и испытаний системы определения ориентации на электростатических гироскопах для низкоорбитальных космических аппаратов", Гироскопия и навигация №2, 2007, с.3-12.

3. Одинцов Б.В. "Особенности программно-математического обеспечения для. определения угловой ориентации объекта по данным электростатических гироскопов" / Навигация и управление движением. Материалы X конференции молодых ученых, ГНЦ-ЦНИИ «Электроприбор». - СПб, 2007, с.47-54.

4. Ландау Б.Е., Гуревич С.С., Емельянцев F.H., Левин СЛ., .Одинцов Б.В., Романенко С.Г. "Результаты калибровки электростатических гироскопов в бескарданной инерциальной системе ориентации" / Юбилейная XV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам — СПб, 2008, с.122-129.

5. Емельянцев Г.И., Ландау Б.Е., Левин СЛ., Одинцов Б.В., Романенко C.F. "Повышение точности БИСО на ЭСГ с применением автоматического уточнения коэффициентов модели ухода в процессе космической эксплуатации" / Рефераты докладов XXVI конференции памяти Н;Н. Острякова - СПб, 2008, с.74-75.

6. Завгородний В.И., Одинцов Б.В. "Влияние электромагнитных, полей на параметры бескарданного ЭСГ со сплошным ротором" / Рефераты докладов XXVI конференции памяти Н:Н. Острякова - СПб, с.22-25.

7. Ландау Б.Е., Емельянцев Г.И., Одинцов Б.В. "Калибровка ЭСГ системы ориентации в условиях орбитального полета" / XIII Международная конференции «Системный анализ, управление и навигация», Евпатория 2008, с.22-25.

8. Одинцов Б.В., Белаш A.A. "Наземные испытания алгоритма уточнения коэффициентов модели ухода электростатического гироскопа для космического применения" / Материалы XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, РКК «Энергия» им. С.П. Королева, Королев, 2010, с. 79-82.

9. Одинцов Б.В. "К задаче повышения точности определения ориентации космического аппарата дистанционного зондирования Земли" / Гироскопия и навигация №2, 2010, с.5-15.

10. B.Ye.Landau, G.I.Yemelyantsev, B.V.Odintsov "Electrostatic Gyroscopes in Attitude Reference Systems for Orbital Spacecrafts" / China International Conference on Inertial Technology and Navigation, Nanjing, China, 2010.

И.Ландау Б.Е., Буравлев А.П., Гуревич C.C., Емельянцев Г.И., Романенко С.Г., Левин С.Л., Одинцов Б.В. "О модели дрейфов и калибровке БИСО на ЭСГ в условиях орбитального космического аппарата" / Рефераты докладов XXVII конференции памяти H.H. Острякова, СПб, 2010, с.82-83.

122

1. Kozlov D.I, Anshakov G.P., Antonov Yu.G., Makarov V.P., Somov Ye.I. Precision Flight Control Systems of Russian Remove Sensing Spacecraft // Space Technology, 1999, vol. 19, no. 3-4, pp. 149-163.

2. Аншаков Т.П., Кирилин А.Н., Лапутин Ю.А. и др. Космический комплекс дистанционного зондирования Земли высокого линейного разрешения на местности «Ресурс-ДК». // Труды 4-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2005». М.:2005. с. 94-95.

3. Аншаков Г.П., Мантуров А.И., Усталов Ю.М., Горелов Ю.Н. Управление угловым движением космических аппаратов дистанционного зондирования. // «Полет», 2006, №6, с. 12-18.

4. Anshakov G.P., Makarov V.P., Manturov A.I., Mostovoy Ya.A. Techniques and facilities to control high-resolution imaging of the earth from space. //14th

5. Saint Petersburg international conference on integrated navigation systems, 2007, pp.178

6. Пешехонов В.Г. Гироскопы начала XXI века. //Гироскопия и навигация, 2003, № 4(43), с.5

7. Hadfield M .J. Hollow Rotor ESG Technology.-IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Systems.-. 1984, v.20, N.4, pp. 424-425

8. McLeod D.L. Miniaturization of the Solid Rotor Electrostatic Gyro.- The Matherials of Conference "NAECON-79", 1979, pp. 1199-1205

9. Leger P., Bihan F. A la recherché du gyroscope parfait: a suspension électrostatique. Navigation (France)< 1984< v.32, N.126, pp.223-238

10. Анфиногенов A.C. и др. Электростатический гироскоп.- Материалы 2 советско-китайской конференции по инерциальной технике, 1991

11. Гусинский В.З., Ландау Б.Е., Пешехонов В.Г. Electrostatic gyro in spacecraft strapdown inertial'orientation» system.- Second Int. Symp. On Inert. Tech.- China, Beijing, Oct. 1998, pp. 104-113

12. Elwell D.F. An attitude reference system with electrically suspended gyros //Navigation (USA), Winter, 1973-74, № 4, p.321-328

13. Schiff, L. I., "Possible Now Experimental Test of General Relativity Theory," Physical Review Letters, Vol. 4, No. 5 (March 1, 1960), 21S-217.

14. Fairbank, W. M. and L. I. Schiff, "Proposed Experimental Test of General Relativity," Letter to Dr. Abe Silverstein, NASA Office of Space Flight Programs, January 27, 1961.

15. Everitt, C. W. F., "The Gyroscope Experiment I: General Description and Analysis of Gyroscope Performance," Experimental Gravitation (B. Bertotti, ed.)» New York, Academic Press (1973), 361-380.

16. Everitt, W. W. Hansen Laboratories of Physics and the Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University (June 1980).

17. Ландау Б.Е., Дюгуров С.М., Завгородний В.И., Левин С.Л., Романенко С.Г., Цветков В.Н. Электростатический гироскоп со сплошным ротором для бескарданных систем навигации и ориентации. //Гироскопия и навигация, 2000; № 4(31), с.50

18. Ландау Б.Е. Электростатический гироскоп со сплошным ротором. //Гироскопия и навигация, 1993, № 1, с.6.

19. Дмитриев С.П., Ландау Б.Е., Левин СЛ., Мартыненко Ю.Г. ЭСГ со сплошным ротором и система ориентации КА.на его основе. Материалы II международной конференции по гироскопической технике, СПб., 1995.

20. Дюгуров С.М. Об измерительном трехграннике бескарданного электростатического гироскопа. // Гироскопия и навигация №1, 1999

21. Мартыненко Ю.Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. // М: "Наука", 1988 368 с.

22. Буравлев А.П., Демидов А.Н., Ландау Б.Е., Левин С.Л., Шевелева И.И. Модель дрейфа свободного ЭСГ и методы идентификации ее параметров. Материалы IV российско-китайского форума по инерциальной технике, СПб., 1993.

23. Аванесов Г.А. и др. Звездный координатор БОКЗ-М и перспективы его развития. // XIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 2007.

24. Романенко С.Г., Ландау Б.Е., Левин С.Л. О движении роторов электростатических гироскопов бескарданной системы ориентации космического аппарата. Гироскопия и навигация №3, 2000.

25. Романенко С.Г., Гуревич С.С., Левин С.Л., Ландау Б.Е. Движение бескарданного электростатического гироскопа под действием консервативных и неконсервативных сил. Гироскопия и навигация №3,1996.

26. Gusinsky V.Z., Lesyuchevsky V.M., Litmanovich Yu.A. Calibration and Alignment of Inertial Navigation Systems with Multivariate Error State '*:iL

27. Vector. 4 Saint-Petersburg International Conference on Integrated Systems,1997. r

28. Романенко С.Г., Левин С.Л., Панич T.B. Прецессионное движение ротора ЭСГ в условиях космоса. Рефераты докладов XXVI конференции памяти Н.Н.Острякова, СПб, 2008.

29. Емельянцев Г.И., Ландау Б.Е., Левин С.Л., Романенко С.Г. Об уточнении модели дрейфов ЭСГ бескарданной инерциальной системы ориентации и о методике их калибровки на стенде и в условиях орбитального КА. Гироскопия и навигация, 2008.

30. Анучин О.Н., Ландау Б.Е., Левин С.Л., Романенко С.Г., Уварова О.Р. Учет дрейфа трехстепенных неуправляемых гироскопов в задаче ориентации объекта. Гироскопия и навигация №2, 1998.

31. Гуревич С.С., Гусинский В.З., Загородний В.И., Ландау Б.Е., Левин С.Л., Романенко С.Г. Определение коэффициентов модели уходабескарданного электростатического гироскопа по результатам стендовых испытаний. Гироскопия и навигация №2, 1999.

32. Ландау Б.Е. и др. Результаты калибровки электростатических гироскопов в бескарданной инерциальной системе ориентации. Юбилейная XV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам-2008.-С. 122-129.

33. Буравлев А.П., Ландау Б.Е., Левин С.Л., Романенко С.Г. Модель дрейфа бескарданного ЭСГ и идентификация ее параметров. Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент, 2002.

34. Бабич O.A. Обработка информации в навигационных комплексах М.: Машиностроение, 1991.

35. Беллантони И., Додж К. Новый метод фильтрации Калмана-Шмидта. — «Ракетная техника и космонавтика», т.5, №7, 1967.

36. Ландау Б.Е., Гуревич С.С., Емельянцев Г.И. и др. «Калибровка погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условиях орбитального полета» //Гироскопия и навигация-2010.-№ 1 .-с.З6-46.

37. Брайсон А., Хо-Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Мир, 1972.

38. Горенштейн И.А., Шульман И:А. Инерциальные навигационные системы. М.: Машиностроение, 1970.46,47.48,49