Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор решений задачи определения параметров ориентации космических аппаратов 19
1.1. Анализ бортовых комплексов управления космическими аппаратами в части определения параметров ориентации 20
1.2. Анализ состояния и перспектив приборного состава 34
1.2.1. Гироскопические измерительные приборы 34
1.2.2. Звездные приборы 43
1.3. Анализ алгоритмов обработки информации 46
1.4. Выводы по главе 49
1.5. Постановка задачи по итогам анализа 50
Глава 2. Построение системы информационного обеспечения 52
2.1. Анализ работы системы информационного обеспечения 53
2.2. Методика определения точностных характеристик системы информационного обеспечения космического аппарата 58
2.2.1. Системы координат космического аппарата 60
2.2.2. Приборный состав бортового комплекса управления космическим аппаратом 65
2.2.3. Определение суммарной погрешности ориентации космического аппарата 71
2.3. Требования для обеспечения прецизионной точности определения ориентации космического аппарата 80
2.4. Предлагаемый алгоритмический состав системы информационного обеспечения
2.5. Предложения по использованию современных графических средств системного анализа в задачах разработки и отработки программного обеспечения бортовых комплексов управления космическими аппаратами 83
2.5.1. Особенности процесса разработки бортового программного обеспечения 85
2.5.2. Использование современных графических средств системного анализа 86
2.5.3. Примеры применения диаграмм состояний в разработке программного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом 88
2.5.4. Применение диаграмм состояния при анализе нештатных ситуаций 92
2.6. Модули программного обеспечения системы информационного обеспечения 95
2.7. Выводы по главе 99
Глава 3. Разработка алгоритмов системы информационного обеспечения 101
3.1. Структура комплексной обработки информации инерциального измерительного блока и звездного прибора 101
3.2. Алгоритм двухточечной калибровки дрейфов гироскопов 105
3.3. Алгоритм комплексирования 108
3.3.1. Модель углового движения космического аппарата 109
3.3.2. Редуцирование задачи оценивания и вектора состояния 115
3.3.3. Алгоритм оценивания при комплексировании информации 119
3.3.4. Стохастический анализ точности редуцированного алгоритма 124
3.3.5. Описание функционирования алгоритма комплексирования 129
3.4. Комплексирование информации двух звездных приборов 131 Стр.
3.5. Циклограмма работы алгоритмов системы информационного обеспечения 135
3.6. Выводы по главе 138
Глава 4. Исследование работы прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космического аппарата научного назначения 140
4.1. Применяемые моделирующие стенды и модели 140
4.1.1. Стенд математического моделирования 140
4.1.2. Имитационное программное обеспечение стенда математического моделирования 145
4.1.3. Модели движения центра масс космического аппарата 146
4.1.4. Модели движения космического аппарата вокруг центра масс 146
4.1.5. Прототипы бортового программного обеспечения 148
4.1.6. Модель инерциального измерительного блока 149
4.1.7. Модель звездного прибора 151
4.2. Исследуемый объект 153
4.3. Экспериментальная отработка алгоритмов 158
4.4. Выводы по главе 174
Общие выводы и заключение 176
Список сокращений и условных обозначений 181
Список литературы
- Гироскопические измерительные приборы
- Системы координат космического аппарата
- Алгоритм комплексирования
- Модели движения космического аппарата вокруг центра масс
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с расширением космической научной программы и постановкой новых задач для целевой аппаратуры (ЦА) космических аппаратов (КА) актуальна проблема создания космических аппаратов научного назначения, в которых требуется обеспечить прецизионное определение ориентации и наведения научного КА.
Задача наведения и ориентации КА связана с наведением визирной системы координат (ВСК), связанной с ЦА, и решается служебным бортом, включающим в себя бортовой комплекс управления (БКУ), который и обеспечивает требуемую точность ориентации.
Требования к точности ориентации КА научного назначения выше требований для КА других типов. Это связано с тем, что астрономические исследования требуют более высокого разрешения.
Отсутствие приборов для прецизионной ориентации КА, невозможность воспроизведения некоторых приборов, высокая стоимость ОКР по замещению приборов аналогами и время разработки нового прибора-аналога определяют необходимость поиска новых аппаратно-программных и конструктивных решений для обеспечения требований ТЗ к КА научного назначения, тем самым характеризуя задачу, поставленную в работе, как актуальную.
В настоящее время основным разработчиком КА научного назначения в России является НПО имени С. А. Лавочкина. Программа создания аппаратов, направленных на изучение космического пространства, реализована серией КА «Спектр», основанных на унифицированной платформе «Навигатор». Проект был начат еще в 80 годах, однако, по ряду обстоятельств, первый аппарат данной серии КА «Спектр-Р» был запущен только 18 июля 2011 года.
КА проекта «Спектр» отличают высокие требования к точности определения ориентации и стабилизации, которые согласно требованиям технического задания (ТЗ) для БКУ КА «Спектр-Р» составляют 18 угловых секунд для случайной ошибки ориентации и 5 угловых секунд на стабилизационные отклонения. Эти требования были успешно обеспечены в БКУ КА (разработки МОКБ «Марс») за счет комплексной обработки измерительной информации прибора ГИВУС КИНД34-020 (разработки НИИ прикладной механики имени Кузнецова) и звездного прибора (ЗП) АД-1 (разработки МОКБ «Марс»).
Требования к остальным КА серии «Спектр»: «Спектр-РГ», «Спектр-УФ», «Спектр-М», «Гамма-400» - в части точности определения и поддержания ориентации еще более высокие. Однако невозможность воспроизведения ЗП АД-1 определяет необходимость поиска новых решений для обеспечения требований ТЗ к КА серии «Спектр».
Решением задачи определения и расчета данных об ориентации ВСК К А в БКУ КА серии «Спектр» занимается система информационного обеспечения (СИО). СИО является функциональным объединением датчиков первичной информации и программного обеспечения (ПО), размещаемого в бортовой вычислительной системе (БВС) БКУ. СИО предназначена для формирования
необходимой измерительной и расчетной информации, обеспечивающей решение задач управления и контроля во всех режимах функционирования КА.
В связи с вышеизложенным, проблема разработки СИО БКУ КА научного назначения, отвечающей заданным требованиям по точности определения ориентации КА, является актуальной.
В настоящей работе представлено решение следующей задачи: разработка и исследование СИО БКУ КА серии «Спектр», обеспечивающей заданные требования по точности определения ориентации. Принимая во внимание имеющийся технический задел МОКБ по алгоритмам БКУ КА серии «Спектр», разработка должна основываться на ранее разработанных алгоритмах смежных СИО подсистем БКУ, протоколах взаимодействия программных подсистем БКУ и не затрагивать смежные системы.
Бортовой комплекс управления КА научного назначения должен обеспечивать определение ориентации ВСК КА относительно второй экваториальной системы координат (2ЭСК) (без учета погрешности взаимной привязки приборных систем координат (ПСК) командных приборов (КП) и ВСК) с предельной погрешностью (Зо) не более 10" по каждой из осей ВСК при неподвижных элементах конструкции КА, вне участков коррекции орбиты и разгрузки двигателей-маховиков. Выходная информация СИО должна обеспечивать разность между максимальным и минимальным значениями стабилизационного отклонения по угловой координате в инерциальном пространстве не должна превышать 5".
Целью диссертационной работы является разработка прецизионной системы информационного обеспечения, отвечающей заданным требованиям по точности определения ориентации бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения.
Объектом исследования являются бортовые комплексы управления космическими аппаратами, в частности системы информационного обеспечения и системы измерений БКУ КА.
Предметом исследования являются алгоритмы и способы обеспечения точностных требований к системе информационного обеспечения бортовых комплексов управления космическими аппаратами.
Для достижения цели в данной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследованы существующие алгоритмы, обеспечивающие точное определение параметров ориентации. Определены недостатки исследованных алгоритмов, сформулированы требования к необходимым алгоритмам;
-
Проведен анализ существующих приборов и определена возможность создания системы, обеспечивающей прецизионное определение параметров ориентации, на основе этих приборов. Определены перспективы развития приборов для системы прецизионного определения параметров ориентации;
-
Разработана методика оценки точности определения ориентации БКУ КА различного назначения, которая обобщает частные задачи оценки точности параметров ориентации;
-
Разработана структурно-функциональная схема системы информационного обеспечения, включающая в себя имеющийся задел по алгоритмам СИО и вновь разработанные алгоритмы;
-
Разработан алгоритм комплексирования информации инерциального измерительного блока и звездных приборов, отличающийся низкими требованиями к вычислительным ресурсам БКУ;
-
Разработана модель виртуального звездного прибора. Модель использует природу распределения высокочастотной погрешности звездного прибора на оси приборной системы координат, обеспечивая формирование данных об ориентации виртуального прибора по информации от двух работающих звездных приборов;
-
Разработаны вспомогательные алгоритмы обеспечения точности определения ориентации: алгоритм калибровки дрейфов ИИБ и алгоритм фильтрации высокочастотной погрешности звездных приборов. Алгоритмы также отличаются низкими требованиями к вычислительным ресурсам БКУ;
-
Проведено моделирование функционирования разработанных алгоритмов в составе бортового комплекса управления космического аппарата на стенде математического моделирования. Подтверждена правильность принятых при разработке алгоритмов допущений. Подтверждено выполнение требований по точности определения параметров ориентации.
К числу новых научных результатов относятся:
-
Комплекс алгоритмов, обеспечивающих автономное (без связи с наземным комплексом управления) прецизионное определение ориентации, эффективную фильтрацию высокочастотной шумовой погрешности различных звездных приборов с применением информации от различных инерциальных измерительных блоков;
-
Алгоритм комплексирования информации звездных приборов и инерциальных измерительных блоков в системе информационного обеспечения, основанный на редуцированном фильтре Калмана. Алгоритм позволяет применять различный по характеристикам набор инерциальных измерительных блоков и звездных приборов. Отличительной чертой алгоритма является то, что оценивается только вектор малого поворота между истинной (по данным ЗП) и рассчитанной (по данным ИИБ) ориентацией в совокупности с расчетом ковариационных матриц и матрицы коэффициентов усиления с тактом меньшим такта формирования оценки;
-
Алгоритм фильтрации высокочастотной шумовой погрешности звездных приборов на базе совместной обработки информации с двух одновременно работающих звездных приборов. Особенностью алгоритма является фильтрации измерительной информации звездных приборов за счет использования модели виртуального звездного прибора без внесения дополнительного запаздывания;
-
Алгоритм двухточечной калибровки дрейфов гироскопов инерциальных измерительных блоков. Отличие алгоритма заключается в автономной оценке дрейфов гироскопов по двум точкам получения данных об ориентации КА от ЗП.
Теоретическая ценность работы заключается в разработанных новых алгоритмах прецизионного определения ориентации, фильтрации высокочастотной шумовой погрешности звездных приборов и комплексирования информации в системах информационного обеспечения широкого класса КА. Алгоритмы разработаны на основе обоснованной редукции и использовании природы распределения погрешностей измерителей.
Практическая ценность работы заключается в реализации в бортовом программном обеспечении разработанных алгоритмов, обеспечивающих выполнение требований по точности ориентации и эффективную надежную фильтрацию высокочастотной погрешности различных звездных приборов при использовании различных инерциальных измерительных блоков, а также в снижении требований к вычислительным ресурсам БКУ КА.
При решении задач диссертационной работы широко применялись методы и методики теории оценивания и фильтрации, обработки информации, математического моделирования и аналитических вычислений.
Достоверность результатов подтверждается результатами
математического моделирования, результатами отработки и испытаний, проведенных на стендах моделирования, результатами летно-конструкторских испытаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы применены в разработанных ФГУП МОКБ «Марс» БКУ КА «Спектр-РГ», «Спектр-УФ», «Казсат-2», «Обзор-О», докладывались и обсуждались на ряде научных конференций:
1. II Всероссийская научно-техническая конференция МОКБ «Марс»,
(Москва, 2012 г.)
2. XXXVII Академические чтения по космонавтике, (Москва, 2013 г.)
3. Современные технологии в задачах управления, автоматики и
обработки информации. XXII Международный научно-технический семинар,
(Алушта, 2013 г.)
-
XXXVIII Академические чтения по космонавтике, (Москва, 2014 г.)
-
XVIII Международная научная конференция «Решетневские чтения», (Красноярск, 2014 г.)
-
XXXIX Академические чтения по космонавтике, (Москва, 2015 г.)
7. III Всероссийская научно-техническая конференция МОКБ «Марс»,
(Москва, 2015 г.)
8. XL Академические чтения по космонавтике, (Москва, 2016 г.)
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 10 научных
работах, в том числе в 5 статьях, опубликованных в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК РФ. По результатам исследований получены четыре патента Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 200 страницах, содержит 64 рисунка и 15 таблиц. Библиографический список содержит в себе 165 наименований.
Гироскопические измерительные приборы
КА проекта «Спектр» отличают высокие требования к точности определения ориентации и стабилизации. Требования технического задания на БКУ КА «Спектр-Р» составляют 18 угловых секунд для случайной ошибки ориентации и 5 угловых секунд на стабилизационные отклонения. Эти требования были успешно обеспечены, во многом благодаря реализованной в БКУ КА (разработки МОКБ «Марс») комплексной обработке измерительной информации приборов ГИВУС КИНД34-020 (разработки НИИ прикладной механики имени Кузнецова) и звездных приборов АД-1 (разработки МОКБ «Марс»).
Требования к другим КА серии «Спектр» («Спектр-УФ», «Спектр-М») в части точности определения и поддержания ориентации выше требований к КА «Спектр-Р», что связано с требованиями по функционированию устанавливаемой на КА ЦА.
Однако, невозможность воспроизведения ЗП АД-1, высокая стоимость ОКР по замещению прибора АД-1 аналогом и время разработки нового прибора-аналога определяют необходимость поиска новых решений для обеспечения требований ТЗ к КА серии «Спектр».
Решением задачи определения и расчета данных об ориентации ССК КА в БКУ КА серии «Спектр» на платформе «Навигатор» занимается система информационного обеспечения (СИО). СИО является функциональным объединением датчиков первичной информации и программного обеспечения (ПО), размещаемого в БВС БКУ. СИО предназначена для формирования необходимой измерительной и расчетной информации, обеспечивающей решение задач управления и контроля во всех режимах функционирования КА.
В настоящее время, основными приборами определения ориентации во многих БКУ КА являются инерциальные измерительные блоки (ИИБ) и звездные приборы (ЗП). ИИБ – гироскопический прибор, определяющий проекции угловой скорости приборной системы координат. ЗП – оптический прибор, определяющий ориентацию приборной системы координат в инерциальном пространстве. Основными источниками погрешностей при применении ИИБ и ЗП являются: дрейф измерительных каналов ИИБ; перекосы систем координат измерительных каналов ИИБ; ошибки масштабных коэффициентов измерительных каналов ИИБ; высокочастотная ошибка определения ориентации ЗП.
Для компенсации погрешностей существует набор разработанных методик и алгоритмов. Так во многих работах зарубежных авторов для КА научного назначения предлагаются алгоритмы калибровки ИИБ [99], [100], [101], [102], [103], [104], [105], [106], [107], [108]. Эти алгоритмы используют модели высокого порядка и не могут применяться в условиях ограничений вычислительных ресурсов БКУ.
Существуют решения по фильтрации измерений ЗП для компенсации высокочастотной ошибки определения ориентации ЗП [65], [66], [67]. Иногда для компенсации предлагается использовать ИИБ [9], [10], [29], [43], [136].
Перечисленные алгоритмы предложены при решении определенных задач, возникающих при разработке КА. Однако применение этих решений в составе БКУ КА серии «Спектр» невозможно из-за значительных вычислительных ресурсов, требуемых при реализации в БКУ, которыми не располагает вычислительная система БКУ КА серии «Спектр». Для обеспечения в БКУ КА серии «Спектр» прецизионного определения ориентации необходимо разработать алгоритмы, обладающие относительной вычислительной простотой и не требующие значительных вычислительных ресурсов.
В настоящей работе представлено решение следующей задачи: разработка и исследование системы информационного обеспечения бортового комплекса управления КА серии «Спектр», обеспечивающей заданные требования по точности определения ориентации. Принимая во внимание имеющийся технический задел МОКБ по алгоритмам БКУ КА серии «Спектр», разработка должна основываться на существующих алгоритмах смежных СИО подсистем БКУ, протоколах взаимодействия программных подсистем БКУ и не затрагивать смежные системы, и минимальными доработками БКУ в целом (Рисунок В.2). Предложенные автором в работе алгоритмы, обеспечивающие прецизионное определение параметров ориентации, отличаются от известных вектором оцениваемых параметров, принципами фильтрации высокочастотной шумовой погрешности звездного прибора и относительной вычислительной простотой.
Бортовой комплекс управления космическим аппаратом научного назначения, с вновь разработанной СИО, должен обеспечивать определение ориентации ВСК КА относительно 2ЭСК (без учета погрешности взаимной привязки ПСК КП и ВСК) с предельной погрешностью (3) не более 10" по каждой из осей ВСК при неподвижных элементах конструкции КА, вне участков коррекции орбиты и разгрузки двигателей-маховиков. Разность между максимальным и минимальным значениями стабилизационного отклонения по угловой координате в инерциальном пространстве не должна превышать 5".
Системы координат космического аппарата
После включения прибора ИИБ и получения его функциональной готовности СИО осуществляет пересчет информации ИИБ в необходимую систему координат и передачу потребителям. Так же начинается процесс интегрирования угловых скоростей для реализации навигационного трехгранника.
При отсутствии априорной информации об ориентации связанной с космическим аппаратом системы координат процесс интегрирования и управление КА осуществляется в условной инерциальной системе координат.
На различных участках работы КА реализуется различный набор допустимых к включению приборов. Так на начальном участке в условиях ограничения потребляемых нагрузок, включение приборов допустимо по командам от системы управления движением или от наземного комплекса управления. В условиях полета в автономном режиме включение определенных приборов может происходить без команд от СУД или НКУ по необходимости коррекции навигационной информации.
При наличии в составе БКУ космического аппарата приборов ориентации по Солнцу, режим поиска Солнца может реализовываться по информации от данных приборов.
Дополнительно к приборному составу программное обеспечение позволяет производить расчет вектора направления на Солнце в инерциальной системе координат, соответствующей эпохе J2000. При наличии на борту достоверной информации о текущем времени, ПО СИО выдает в СУ информацию о векторе на Солнце.
Для повышения автономности КА при функционировании КА в условиях ограничений на тракт НКУ - БКУ - НКУ, необходимо устанавливать и задействовать приборы ориентации по Солнцу. Такое воплощение контура навигационной информации целесообразно для КА ДЗЗ, функционирующих на низких орбитах; НКА, включение и реализация начального участка функционирования которых может происходить на низких участках высокоэллиптических орбит либо на отлетных траекториях. Для космических аппаратов, функционирующих на орбитах ГСО и на орбитах без ограничений на наблюдаемость КА, допустимо реализовывать контур управления космическим аппаратом без использования приборов ориентации по Солнцу.
В последнем случае циклограмма начального участка космического аппарата может включать в себя следующие операции: - инициализация СИО; - включение ИИБ для демпфирования угловых скоростей после отделения от разгонного блока; - включение звездных приборов для получения априорной информации об ориентации связанной с КА системы координат в инерциальной СК; - передача на борт КА достоверного значения текущего времени для начала расчет вектора на Солнце в инерциальной системе координат; - наведение КА нормалью к поверхности солнечных батарей на направление на Солнце по совокупной информации, полученной после реализации описанных выше операций.
Разработка интегрированных систем, функционирующих на разных физических принципах, основана на комплексной обработке первичной информации из различных источников в целях повышения автономности, надежности и точности системы. Среди схем комплексирования систем ориентации различных типов наибольшее распространение нашли инвариантные схемы, которые оценивают не параметры ориентации, а их погрешности [1], [2], [10], [26], [136]. Примерами таких систем являются системы коррекции ИНС по данным от звездных приборов [94], [95], [96], [97]. Неинвариантные алгоритмы требуют дополнительного привлечения информации о динамике объекта и командах управления. В неинвариантных схемах информация с датчиков используется только для формирования вектора измерения и не учитывает то, что данные ДУС позволяют определить изменение именно тех параметров, которые характеризует отклонение ориентации объекта. Принимая во внимание, что КА является уникальным и штучным изделием, для разработки БКУ должны использоваться отработанные и надежные решения, как с точки зрения приборного состава, так и с точки зрения программно-математического обеспечения. Задача комплексирования измерительной информации ИИБ и ЗП является основной задачей СИО БКУ, и решение этой задачи должно достигаться так надежными и отработанными средствами.
Отработанным и проверенным инструментом комплексирования информации является фильтр Калмана, прекрасно зарекомендовавший себя в решении множества прикладных задач. Широкое применение фильтра Калмана в задачах определения ориентации КА началось в середине 80-х годов 20 века. Однако, вычислительная сложность фильтра Калмана является препятствием для бортовой реализации алгоритмов комплексирования и фильтрации, поэтому каждое применение фильтра связано с его вычислительной адаптацией под конкретную задачу. Практические требования к алгоритмам комплексной обработки приводят к задачам обоснованной редукции алгоритма оценивания и последующего применения субоптимальных, редуцированных фильтров. Построение и описание алгоритмов СИО, предназначенных для построения прецизионного определения ориентации КА, в том числе в части комплексирования информации ИИБ и ЗП, описывается в следующей главе настоящей работы.
Алгоритм комплексирования
Измерительный тракт СИО при использовании в составе БКУ НКА ИИБ и ЗП представлен на Рисунке 3.1. На схеме предложен состав алгоритмов СИО, образующих измерительный тракт ИИБ и ЗП и направленных на выработку точной информации о параметрах ориентации КА. В состав алгоритмов входят как ранее разработанные, так и предложенные автором алгоритмы.
Алгоритмы предварительной обработки информации (ПОИ) ИИБ предназначены для реализации преобразования первичной информации от ИИБ, выраженной некоторым сигналом U, в вектор приращений углов измерительных каналов ИИБ. Для достижения высокой точности определения параметров ориентации должна быть решена задача контроля первичной информации от измерителей, с целью обеспечения бессбойной информацией и быстрого переключения на резерв. Такая задача решена и итогом решения задачи явились патенты, в которых можно найти подробное описание алгоритмов ПОИ ИИБ [113], [114], [154], [155].
В структуру измерительного тракта входят алгоритмы, не находящиеся в сфере ответственности автора, но их описание необходимо для понимания работы системы в целом. Ниже приведено описание этих алгоритмов.
Алгоритмы расчета параметров ориентации. Выходная информация ПОИ ИИБ в виде вектора приращений углов измерительных каналов ИИБ за время между опросами ИИБ поступает на вход алгоритмов расчета параметров ориентации. Данные алгоритмы представляют собой алгоритмы интегрирования кватерниона ориентации ВСК КА (согласно [44]) и подробно описывается в [6].
Алгоритмы ПОИ ЗП предназначены для проведения функционального контроля измерительной информации ЗП и преобразования кватерниона, измеренного ЗП, из ПСК ЗП в ВСК КА. Соответственно, выходом алгоритмов ПОИ ЗП является кватернион ориентации ВСК КА относительно ИСК, рассчитанный по кватерниону ориентации ПСК ЗП. Подробное описание алгоритмов можно найти в [6].
Назначение алгоритма грубой астрокоррекции заключается в коррекции ухода базиса ориентации под действием некомпенсированных дрейфов ИИБ на начальном участке полета КА. Алгоритмы представляют собой механизм коррекции начальных условий для интегрирования угловых скоростей от ИИБ и в настоящей работе подробно не описываются.
Алгоритм астрокоррекции предназначен для периодической коррекции ухода базиса ориентации, вызванных некалибруемыми дрейфами ИИБ, на участке штатного функционирования КА. Выходом алгоритмов астрокоррекции является рассчитанный с высокой точностью кватернион ориентации ВСК КА относительно ИСК, который используется как для коррекции начальных условий интегрирования ориентации КА, так и для алгоритмов калибровки дрейфов ИИБ. Подробное описание алгоритмов астрокоррекции можно найти в [6], [117].
Алгоритм подготовки данных для коррекции погрешностей масштабных коэффициентов и перекосов измерительных осей ИИБ предназначен для предварительной обработки измерительной информации ИИБ и ЗП и упаковки этой информации и передачи в составе ТМИ в НКУ. На основании данных бортового алгоритма наземная часть производит расчет поправок к матрице установке измерительных осей ИИБ в ВСК КА и поправок к масштабным коэффициентам измерительных каналов ИИБ. Подробно алгоритм и процедура описана в [118].
Для выполнения требований по точности определения параметров ориентации автором предлагаются следующие алгоритмы.
Алгоритм двухточечной калибровки дрейфов ИИБ осуществляет компенсацию остаточных дрейфов ИИБ, вызванных нестабильностью дрейфа измерительных каналов ИИБ. Алгоритм применяется на участке штатного функционирования КА [115], [116]. Отличительной чертой алгоритма калибровки дрейфов является расчет дрейфов гироскопов по двум точкам получения данных об ориентации КА от ЗП. Описание алгоритма приводится в разделе 3.2.
Алгоритм комплексирования предназначен для совместной обработки данных от ИИБ и ЗП с целью компенсации ухода ориентации ВСК КА относительно ИСК, рассчитанной по данным от ИИБ, под действием остаточных дрейфов измерительных каналов ИИБ и минимизации высокочастотной шумовой погрешности ЗП. Алгоритм отличается от известных, аналогичных алгоритмов оценкой вектора малого поворота между истинной и рассчитанной ориентациями в совокупности с расчетом ковариационных матриц и матриц коэффициентов усиления с тактом меньшим такта формирования оценки. Данный алгоритм подробно описывается в следующем разделе 3.3.
Алгоритм модели виртуального звездного прибора осуществляет фильтрацию высокочастотной шумовой погрешности ЗП на базе интегральной обработки информации от одновременно работающих ЗП. Алгоритм отличает отсутствие запаздывания информации при фильтрации шумов ЗП за счет использования модели виртуального звездного прибора. Подробно описывается в разделе 3.4.
Модели движения космического аппарата вокруг центра масс
Для демонстрации работы алгоритмов комплексирования вместе с алгоритмами астрокалибровки проведено моделирование функционирования КА с остаточным дрейфом ИИБ 0.02 /ч по каждой оси чувствительности ИИБ. Стоит отметить, что моделируемая величина дрейфа 0.02 /ч на порядок превосходит величину дрейфа при штатной работе БКУ (0.002 /ч), которая была принята при проведении редуцирования модели оценивания (3.18). На Рисунке 4.22 представлен график ошибки ориентации в случае действия указанного нескомпенсированного дрейфа. Как видно из графика, в момент времени 8000 происходит срабатывание алгоритмов астрокоррекции, направленные на схлопывание ошибки ориентации, рассчитанной по информации ИИБ. Наблюдается скачкообразное изменение величины ошибки ориентации с момент времени 8000 секунд, что вызвано работой алгоритмов астрокоррекции.
Работа алгоритма астрокалибровки дрейфов ИИБ видна также на графике на Рисунке 4.23 после 8000 секунд изменением характера поведения оценки вектора малого поворота. Моделирование происходит с остаточным дрейфом ИИБ в 0.02 /ч, который учитывается в алгоритмах БКУ после 8000 секунд по итогам работы алгоритма астрокалибровки дрейфов ИИБ. На графики на Рисунке 4.23 отображены элементы оценки вектора малого поворота между ориентацией ИИБ и ЗП, являющегося выходом алгоритмов комплексирования. Наблюдается скачкообразное изменение величины оценки вектора малого поворота с момент времени 8000 секунд, что вызвано работой алгоритмов астрокоррекции. После 8000 секунд наблюдается изменение характера изменения компонент оценки вектора малого поворота между ориентацией ИИБ и ЗП, вызванное работой алгоритмов калибровки дрейфов и учета дрейфа в алгоритмах расчета ориентации.
Как было написано в третьей главе настоящей работы, на алгоритм комплексирования и фильтрации налагаются существенные ограничения по вычислительной нагрузке на БКУ, в связи с этим ограничением была предложена схема с уточнением коэффициентов усиления алгоритма раз в пять тактов работы алгоритма. На Рисунке 4.24 представлен график коэффициентов усиления алгоритма, соответствующих ошибке определения ориентации, представленной на графиках на Рисунках 4.16 – 4.18. Как видно из графика на Рисунке 4.24 изменение элементов матрицы усиления происходит ступенчато на каждом пятом такте работы алгоритма и на каждом 10 такте работы БКУ. На графике Рисунка 4.24 представлен начальных участок работы алгоритма фильтрации и комплексирования при котором происходит уточнение начальных условий работы алгоритма. При такой схеме работы алгоритмов происходит снижение требований к вычислительным ресурсам БКУ в 2,7 раза, по сравнению с полным фильтром.
На графике, представленном на Рисунке 4.25, представлена ошибка определения ориентации с моделированием возрастания ВШП определения ориентации ЗП. Моделирование возрастание ошибки происходит в момент времени 12000 секунд. Величины моделируемых ошибок представлены Таблицей 4.3. Как видно из представленного графика, ошибка определения ориентации КА не изменяет своего характера поведения. Это доказывает адаптивность разработанного в настоящей работе алгоритма фильтрации и комплексирования информации ИИБ и ЗП к изменению высокочастотной ошибки определения ориентации ЗП, вызванной воздействием ВВФ и ИИКП.
На графике, представленном на Рисунке 4.26, представлены стабилизационные отклонения КА при работе ЦА при использовании разработанных в настоящей работе алгоритмов комплексирования и фильтрации измерительной информации ИИБ и ЗП. Уровень стабилизационных отклонений соответствует уровню, представленном на графике на Рисунке 4.12, и удовлетворяет заданным требованиям не более 0,0007 угл. градусов.
Необходимость применения алгоритмов подготовки данных для коррекции ошибок масштабных коэффициентов и ошибок установки осей чувствительности вызвана влиянием этих ошибок на работу алгоритмов комплексирования. В Таблице 4.4 содержатся величины моделируемых ошибок. Ошибка определения ориентации при моделировании с ошибками ИИБ отображена на графике на Рисунке 4.27.
На графике на Рисунке 4.27 наглядно видно, что величина ошибки ориентации выше случая, при котором скомпенсированы моделируемые ошибки. Представленный график погрешности ориентации демонстрирует необходимость применения алгоритма подготовки данных для калибровки масштабов и перекосов для уменьшения погрешности определения параметров ориентации БКУ КА научного назначения.
Разработка предложенных в главе 3 алгоритмов проведена с учетом модульного принципа построения программно-алгоритмического обеспечения БКУ. Это требование в том числе включает требование к инвариантности алгоритмов: возможности применения разработанных алгоритмов для ИИБ и ЗП с различными характеристиками и БКУ КА различного назначения. Это требование включает необходимость минимальной настройки алгоритмов. Продемонстрируем инвариантность алгоритмов для случая телекоммуникационного КА, в составе которого применяется ИИБ Astrix-120 на базе волоконно-оптических гироскопов. Характеристики ИИБ отображены в Таблице 4.5. Характеристики звездного прибора SED26 для этого КА отображены в Таблице 4.6.