Содержание к диссертации
Введение 1
Глава 1. Активная магнитная система ориентации спутника,
стабилизируемого собственным вращением 17
Уравнения движения спутника 17
Алгоритм управления магнитными катушками, требующий измерения угловой скорости спутника (первый алгоритм) 19
Управление ориентацией оси вращения спутника 20
Управление скоростью вращения спутника 22
Алгоритм гашения нутационного движения спутника 22
1.3 Алгоритм управления магнитными катушками, не требующий
измерения угловой скорости спутника (второй алгоритм) 25
Управление ориентацией оси вращения спутника 26
Управление скоростью вращения спутника 27
Алгоритм гашения нутационного движения спутника 28
Определение скорости вращения спутника на основании
измерений магнитометров 29
Глава 2. Исследование динамики спутника при использовании
магнитного управления 30
Асимптотическое решение для быстро вращающегося спутника в гравитационном и магнитном полях 30
Осредненная модель геомагнитного поля и используемые системы координат 41
Уравнения возмущенного движения 43
2.4. Исследование алгоритмов управления ориентацией 46
Уравнения движения при управлении ориентацией спутника 47
Осредненные уравнения по переменной vj/ 50
Случай вращения спутника вокруг оси симметрии 52
Осреднение уравнений движения по быстрой переменной х 53
Анализ уравнений, осредненных по быстрой переменной % 58
Анализ динамики спутника, использующего первый
алгоритм, в случае малости угла р 62
Способы преодоление режима перерегулирования 69
Характерные особенности динамики спутника,
использующего второй алгоритм, в случае малости угла р 75
2.5. Использование пассивного нутационного демпфера для
гашения нутационных колебаний оси симметрии спутника 78
Глава 3. Моделирование работы активной магнитной системы
ориентации на спутнике ТНС-1 83
3.1.0 спутнике ТНС-1 83
Программный комплекс для моделирования движения спутника относительно центра масс 86
Моделирование вращательного движения спутника с магнитной системой ориентации, использующей первый алгоритм 87
Использование первого алгоритма при вычислении ориентации и угловой скорости спутника с помощью магнитометра и солнечного датчика 96
Определение ориентации и угловой скорости спутника
локальным методом с помощью магнитометра и солнечного
датчика 96
Моделирование вращательного движения спутника с
магнитной системы ориентации, использующей первый
алгоритм, при вычислении угловой скорости с помощью
показаний магнитометров и солнечного датчика 100
3.5. Моделирование вращательного движения спутника с
магнитной системой ориентации, использующей второй алгоритм 104
Глава 4. Динамика спутника ТНС-0 относительно центра масс 109
4.1.0 цели запуска спутника ТНС-0 109
Пассивная магнитная система ориентации спутника ТНС-0 111
Задача определение параметров движения наноспутника ТНС-0 по измерениям солнечных датчиков 114
Обработка кратковременных измерений при быстром вращении спутника 116
Движение быстро вращающегося спутника с постоянным магнитом 126
Асимптотическая устойчивость вращающегося спутника
с постоянным магнитом и гистерезисными стержнями 131
4.7. Определение параметров движения спутника по измерениям,
сделанным в течение одного витка 137
Основные результаты и выводы диссертационной работы 140
Литература 141
Введение к работе
В настоящей работе рассматриваются задачи управления ориентацией и анализа вращательного движения спутников с различными магнитными системами ориентации. Спутники предполагаются малым, то есть имеет место множество ограничений: по энергетике, по измерительным и исполнительным элементам, по вычислительным ресурсам, что необходимо учитывать при разработке систем ориентации.
Малые спутники используют, как правило, простые алгоритмы различных систем, включая систему ориентации - одну из самых дорогих систем любого спутника. Поэтому сейчас становятся актуальны идеи, которые легли в основу простых алгоритмов, разработанных на заре «космической науки», когда создание сложных алгоритмов не представлялось возможным из-за низкого уровня развития вычислительной техники.
Первой рассматриваемой в настоящей работе задачей являлась задача обеспечения ориентации осесимметричного спутника, стабилизируемого собственным вращением, при помощи активной магнитной системы. Одним из наиболее простых и часто используемых способов обеспечения заданного углового движения спутника заключается в том, что аппарат, закрученный вокруг оси с наибольшим моментом инерции, сохраняет достаточно долго неизменную ориентацию оси закрутки в инерциальном пространстве [33]. Системы ориентации, построенные по такому принципу, рассматриваются например в работах [1,42]. Для ориентации оси вращения и регулирования скорости собственного вращения можно использовать магнитную систему, использующую токовые катушки для создания магнитного дипольного момента спутника. Магнитная система обладает тем преимуществом, что она не требует расхода рабочего тела, что особенно важно для малогабаритных недорогих спутников, связанных множеством ограничений. Кроме того, отсутствие подвижных частей значительно повышает надежность, а,
следовательно, и продолжительность активного функционирования такого аппарата.
Однако, система управления, построенная по такому принципу, обладает как минимум двумя недостатками: магнитное торможение и потеря осью вращения первоначальной ориентации из-за ряда возмущений. Спутник, вращаясь в магнитном поле Земли, теряет часть своей кинетической энергии за счет индуцирования вихревых токов в токопроводящих материалах, гистерезисных потерь и потерь на вихревые токи в магнитном материале. Например, скорость вращения спутника "Vanguard" (1958 02) уменьшилась в течение года с 2.7 до 0.55 рад/сек в основном за счет индуцирования вихревых токов в алюминиевом корпусе [1]. За счет потерь на гистерезис скорость вращения спутника (1960, 01) упала от 0.785 до менее чем 0.002 рад/сек за 24 дня.
Применение метода стабилизации собственным вращением (или просто -вращением) предполагает наличие инерционной конфигурации спутника, близкой к маховику, то есть ось вращения является осью динамической симметрии и осью максимального момента инерции. После отделения спутника от носителя он вращается с некоторой угловой скоростью. При помощи управляющих моментов, создаваемых магнитной системой, ось вращения спутника прецессирует до тех пор, пока не станет перпендикулярной к плоскости орбиты и спутник не будет закручен с заданной скоростью вокруг оси симметрии. С этого момента спутник будет казаться катящимся по орбите вокруг Земли. Если ориентация оси симметрии осуществляется на Солнце, направление на которое составляет некий угол с нормалью к плоскости орбиты (на солнечно-синхронной орбите этот угол практически не меняется), то спутник будет катиться "боком".
Для поворота оси симметрии спутника используется токовая катушка, установленная параллельно этой оси. Для управления скоростью вращения спутника вокруг оси симметрии используются токовые катушки, лежащие в
плоскости, ей перпендикулярной.
Рассматривается еще один возможный режим ориентации спутника собственным вращением, когда ось направлена на Солнце [7]. В отличие от первого режима, когда ось вращения параллельна нормали к плоскости орбиты и гравитационный момент играет стабилизирующую роль, здесь гравитационный момент, вообще говоря, возмущает движение. Причем, чем ниже скорость собственного вращения, тем больше его влияние на точность ориентации. Для выбора одного из этих двух возможных режимов в качестве рабочего в данной работе предлагается оценить минимально-необходимый дипольный момент спутника, требуемый для поддержания выбранной ориентации.
Другая проблема, подлежащая решению, - это приведение и удержание оси вращения спутника в инерциальном пространстве при недостаточной точности определения текущего фазового состояния (ориентации и угловой скорости). Вопрос о точности становится критическим, когда спутник подходит к расчетному режиму движения и точность измерений становится сравнимой с требуемой точностью ориентации. Представляется, что существует, по крайней мере, два пути ее решения. Первый путь - это использование более точных датчиков ориентации (магнитометра и солнечного датчика) и повышение точности обработки их показаний. Второй путь -использовать на заключительном этапе приведения пассивный нутационный демпфер, рассеивающий энергию нутационных колебаний. Его принцип действия основан на рассеивании энергии относительного движения установленного на спутнике элемента под действием переносных сил инерции, возникающих при нутационном движении аппарата относительно вектора кинетического момента.
Ранее в системах управления вращением спутников использовалось
несколько способов стабилизации скорости вращения. На двух аппаратах -
метеорологического АЕ-В (The Atmosphere Explorer satellite) и спутника
прямых измерений ДМЕ-А (The Direct Measurements Explorer satellite)
использовалась магнитная система функционирующая, следующим образом
[33]. Введем связанную со спутником систему координат Ох\Х2Хт). съ 0*3 является осью вращения спутника. Векторные магнитометры измеряют напряженность магнитного поля по осям Ох\ и 0x2 спутника. Сигнал с магнитометра, установленного на оси Ох\, усиливается и подается на обмотку электромагнита оси 0x2 Подобным образом сигнал с магнитометра оси Ох2 усиливается, инвертируется и поступает на обмотку электромагнита оси Ох\.
Если проекция индукции магнитного поля Земли в плоскости Ох\Х2 спутника - Bj2 то система, включающая в себя магнитометры и электромагниты, создаст магнитный диполь 1113, перпендикулярный В^. В зависимости от того, в какую сторону вращается спутник, момент тз будет
увеличивать или уменьшать скорость вращения. При работе системы возникает гироскопический момент тзхВ, вызывающий прецессию спутника. Если
скорость вращения спутника велика, а произведение тзхВ мало, то
прецессионное движение спутника можно сделать медленным.
Если требуется поддержать постоянную скорость вращения, то в систему добавляются устройства измерения скорости вращения. Например, скорость можно определить путем подсчета числа нулевых показаний магнитометра.
При полете спутников «АЕ-В» и «ДМЕ-А» требовалось, чтобы ось вращения была перпендикулярна плоскости орбиты. Так как эти аппараты двигались по полярным орбитам, напряженность магнитного поля Земли в требуемой плоскости достигает значительных величин, поэтому была возможность создавать заданную прецессию спутника.
Для функционирования большинства спутников требуется определенным образом ориентировать ось их вращения. Например, спутник "Tiros" ориентировался так, чтобы получить наилучшие условия наблюдения за метеорологических обстановкой [18]. Метеорологические спутники этой серии представляли из себя 18-угольный многоугольник около метра в диаметре и около полуметра высотой. Весил этот спутник 122 кг.
Решение о стабилизации аппарата посредством вращения было принято в процессе разработки первоначальной конструкции спутника "Tiros". Несмотря на ограничения, был выбран этот довольно простой метод. Телевизионные камеры были смонтированы на аппарате так, чтобы их оптические оси были направлены параллельно оси вращения, за которою была принята ось минимального момента инерции космического аппарата. Спутник был выведен на орбиту, вращающимся относительно оси, лежащей в плоскости орбиты, направленной по касательной в точке вывода с номинальной скоростью около 10 об/мин. При стабилизации аппарата выбранным способом его поведение подобно простому идеальному гироскопу, который при отсутствии возмущающих моментов сохраняет фиксированное направление в инерциальном пространстве.
Медленное снижение скорости вращения спутника, вызываемое влиянием магнитного поля Земли, возмещалось включением небольших твердотопливных двигателей, смонтированных на спутнике. Поэтому, в первом приближении, можно считать, что ось вращения спутника сможет поддерживать в инерциальном пространстве примерно постоянное направление, по крайней мере, в течение нескольких месяцев. Кинематика вывода и отделения спутника от носителя была выбрана такой, чтобы в течении первых нескольких недель ось вращения спутника при пролете над Северным полушарием была бы направлена всегда вниз. Такая ориентация позволяет получить информацию о состоянии облачного покрова и инфракрасном излучении Земли. Однако прецессия орбитальной плоскости со скоростью приблизительно 5 градусов в день уже через две недели так изменила положение плоскости орбиты, что ось вращения спутника перестала лежать в ее плоскости, а зона полезного оборота исчезла. Явление непрерывной прецессии плоскости орбиты приводит к периодическому восстановлению полезных условий, при которых снова можно получать полезные снимки. Таким образом, создавалась ситуация, при которой
последовательно чередуются промежутки времени, когда, например, в течении 2-х недель имеется хорошая зона обзора затем зона плохого обзора и т.д.
Было решено включить в конструкцию спутника средства для точного измерения положения оси вращения в инерциальном пространстве. Детальное изучение этой информации привело к ряду точных расчетов, которые показали, что эффект, наблюдаемый после нескольких месяцев полета, мог бы быть очень точно рассчитан, если предположить, что аппарат имеет направленное вдоль оси вращения остаточное магнитное поле.
Основные источники внешних моментов имеют гравитационную и магнитную природу [9]. Несимметричное твердое тело будет испытывать в гравитационном поле ощутимый момент, если главные моменты инерции тела не равны между собой. У спутника "Tiros I" главный момент инерции относительно оси собственного вращения больше, чем остальные главные моменты инерции. Оценка величины результирующего гравитационного момента показала, что, несмотря на очевидное влияние момента на спутник, этим моментом можно пренебречь. Выяснилось, что основное возмущающее воздействие является по своей природе магнитным.
Уравнения движения спутника, составленные для последующего использования их в вычислительной машине, основываются на представлении геомагнитного поля в виде диполя и учитывают второстепенное влияние гравитационного момента на движение спутника.
Уравнения получены на базе теоремы об изменении кинетического момента. При выводе уравнений был принят ряд упрощающих допущений. Используемые уравнения имели следующую форму [9]:
— =—є (s n)(s х n) + и(Ъ х s), dt 2
3u>q I-j M V0
o)s I Io)s r3
где s - единичный вектор скорости вращения спутника вокруг центра масс, coq - угловая скорость радиус-вектора, характеризующего положение спутника на орбите, G)s - скорость вращения спутника вокруг его центра масс, / - момент
инерции спутника относительно оси собственного вращения, J - поперечный момент инерции спутника, п - единичный вектор нормали к орбите, М -составляющая момента магнитного диполя спутника вдоль его оси вращения, Vq - магнитная постоянная для диполя в центре Земли, R - радиус орбиты, b -
нормализованный вектор геомагнитного диполя.
Рассматривался идеальный гипотетический случай, когда направление момента от взаимодействия магнитных полей спутника и Земли было таким, что вызывало прецессию оси вращения спутника, которая в течении существования спутника на орбите улучшала ориентацию телевизионных камер и исключала периоды плохой видимости.
Когда задача реализации указанного вида управления была изучена, то сразу стало очевидно, что система должна обеспечивать управляемую прецессию оси вращения со скоростью приблизительно около 25 градусов в день. Поскольку была рассмотрена наипростейшая из возможных систем (а именно система, в которой по катушке, размещенной параллельно оси вращения, протекает постоянный ток) то, естественно, было несколько жестких ограничений на направление, в котором ось вращения могла бы прецессировать. Эта простая схема управления позволила устранить интервалы плохих зон обзора и каждый день получать качественные снимки.
Такая управляющая система использовалась на спутнике "Tiros-П" и всех последующих спутников, вплоть до "Tiros-VIH". Позднее такая же система стабилизации вращением была применена на связном спутнике-ретрансляторе "Relay" и спутнике "Telstar".
Применение другого метода стабилизации на "Tiros-IX" предполагает конфигурацию космического аппарата, выполненного в форме маховика. Этот метод пространственной стабилизации оси вращения по-прежнему использует
стабилизацию вращением. Ось вращения спутника после расцепки с носителем направляется по касательной в плоскости орбиты. Затем при помощи управляющих моментов, создаваемых магнитной системой, ось вращения спутника прецессирует до тех пор, пока не станет перпендикулярной к плоскости орбиты. С этого момента спутник будет казаться катящимся по орбите вокруг Земли. Отсюда и появилось название "спутник-колесо".
Система организации магнитного управляющего момента, посредством которого ось разворачивается на 90 градусов и аппарат переводится в режим «колеса», использует тот же самый тип катушки, что и в предыдущих конструкциях спутника, имеющих дипольный момент, направленный параллельно оси вращения. Если обеспечить реверсирование тока протекающего по катушке через каждую четверть орбиты (для круговой орбиты), то можно организовать прецессию в желаемом направлении. Такой прием позволил устранить ограничения, присущие схеме, используемой на ряде первых спутников. На "Tiros-IX" имеется дополнительная магнитная катушка, плоскость которой совпадает с осью вращения. Ее назначение состоит в том, чтобы создавать моменты которые можно было использовать для управления скоростью вращения спутника.
Преимущества режима «колеса» для спутника, несущего телевизионные камеры которые передают снимки облачного покрова Земли, заключается в том, что в процессе каждого оборота спутника оптические оси камер, расположенные перпендикулярно к оси вращения, всегда направлены на Землю. При этом всякий раз, когда оптические оси инфракрасного датчика пересекают линию горизонта, последний вырабатывает импульсный сигнал. Импульсы в определенный момент времени приводят в действие затвор камеры. В результате непрерывно производится серия снимков по направлению местной вертикали.
Поскольку система управления пространственным положением оси
вращения содержит катушку, в которой производится изменение направления
тока через каждую четверть орбиты, то ее принято называть сокращенно
QOMAC (the Quarter-Orbit Magnetic Attitude Control system). Аналогично система управления скоростью вращения спутника сокращенно называется MASC (the Magnetic Attitude Spin Control).
Система QOMAC может работать в двух режимах: грубом и точном. Грубый режим работы с большим по величине магнитным моментом используется для грубой коррекции больших ошибок и выполнения таких быстрых движений оси вращения, которые, например, требуются при начальной ориентации спутника-колеса.
Магнитный момент в грубом режиме, который способен обеспечить прецессию со скоростью около 10 градусов за орбиту, оценивается величиной диполя равной 30 Ам2. Величина диполя в точном режиме оценивается 6 Ам 2, а скорость, развиваемая моментом прецессии, около 2 градусов за орбиту. Более поздние спутники этой серии [15] использовали для ориентации помимо токовых катушек также маховики и жидкостные демпферы.
Приведем краткий обзор по системам ориентации, используемых на некоторых современных малых спутниках [56].
Oersted - датский микроспутник изготовлен кооперацией фирм и университетов во главе с CRI, имеет размеры 720x340x450 мм и массу 62 кг [63]. Корпус спутника имеет в разрезе форму буквы Н, где на одной стороне перекладины смонтированы блоки электроники, а на другой - механизм развертывания штанги гравитационной стабилизации. Система ориентации также включает: магнитные катушки, звездный датчик, солнечный датчик и магнитометр. Задачи, решаемые спутником: изучение и съемка магнитного поля Земли.
Наноспутник Берлинского университета Tubsat-N размерами
320x320x104 мм и массой 8.5 кг использует систему ориентации, состоящую из
магнитных катушек, магнитометра, силового маховика и звездного датчика
[57]. Основное назначение - слежение за перемещениями крупно- и
среднеразмерными млекопитающими, угнанными машинами, сбор данных с
радиобуев.
Sapphire - микроспутник Стентфортского Университета, имеет форму шестигранного цилиндра шириной 60 см и весит 18 кг [58]. Для его ориентации используется пассивная магнитная система, состоящая из постоянного магнита и гистерезисных стержней. Цель запуска спутника - проверить работоспособность в космосе нового инфракрасного датчика.
Sunsat - микроспутник ЮАР, создан в Стелленбосхском Университете, имеет размеры 45x54x62 см и массу 59 кг [64]. Система ориентации состоит из штанги гравитационной стабилизации, маховиков и магнитометров.
Starshine - микроспутник создан военно-морской исследовательской лабораторией США, имеет форму сферы диаметром 48 см и массой 39.3 кг [59]. Поверхность спутника покрыта 877 полированными алюминиевыми зеркалами диаметром 25 мм. Спутник ориентируется осью вращения вдоль линий магнитного поля с помощью постоянного магнита и закручивается посредством «фотонного флюгера» - пластин, части которых окрашены отражающей и поглощающей красками. Скорость вращения спутника около 1 об/мин.
Спутник TERRIERS разработан Бостонским университетом, служебный борт изготовлен AeroAstro Inc. [65]. Масса спутника 124 кг, служебный борт -75 кг. Спутник имеет прямоугольную форму. Его длина составляет 97 см, поперечный размер 51 см. Используется стабилизация вращением 1-10 об/мин. Система ориентации состоит из двух магнитометров, 6 грубых солнечных датчиков и магнитной катушки. Цель запуска - исследование ионосферы.
DLR-Tubsat - немецкий микроспутник [66]. Полезная нагрузка изготовлена институтом технологии космических датчиков, служебный борт -институтом аэронавтики и астронавтики технического университета Берлина. Имеет форму параллелепипеда 32x32x27 см. Его масса составляет 45 кг. Система ориентации включает звездный датчик, три волоконно-оптических лазерных гироскопа и три маховика. Когда спутник не ведет съемку, он стабилизируется собственным вращением.
ASUSat-1 - наноспутник Аризонского университета изготовлен в виде призмы с 14 боковыми гранями высотой 25.4 см и максимальным поперечным размером основания 34.3 см [67]. Масса спутника составляет 5.9 кг. Система определения ориентации состоит из фотодиодов (простейших солнечных датчиков), размещенных группами по 4 на каждой боковой грани корпуса (один датчик Солнца и три датчика Земли), и фотодиодов, размещенных на основаниях призмы. Система ориентации состоит из гравитационной штанги и жидкостного демпфера.
TiungSat-І - малазийский микроспутник, построенный SSTL. Его масса составляет 54 кг [68]. Размеры спутника 69x36.6x36.6 см. Система ориентации имеет штангу гравитационной ориентации развертываемая в полете. Спутник оснащен четырьмя камерами для съемки поверхности Земли в разных диапазонах и с разным разрешением, цифровым процессором для обработки данных, оборудованием для мониторинга радиационной обстановки.
Munin - наноспутник, разработанный Шведским институтов космической физики и студентами университетов Умеа и Лулеа [2,60]. Масса спутника: 7.5 кг, размеры: 20x20x25 см. Этот спутник ориентируется по магнитному полю с помощью постоянного магнита. Спутник предназначен для изучения полярных сияний и «космической погоды» над северным и южным полушариями.
QuikToms - малый спутник, изготовленный компанией OSC для изучения и прогнозирования озонового слоя [61]. Масса спутника -162 кг. Спутник представляет собой два кольцевых модуля, расположенных рядом. Система ориентации включает датчик Земли, солнечный датчик, GPS приемник, гироскопический блок, три маховика, магнитометры и токовые катушки и обеспечивает стабилизацию по трем осям с точностью 0.5 град по направлению и 0.01 град/с по скорости, а также определение фактической ориентации с точностью 0.25 град.
«Колибри» - научно-образовательный спутник, предназначенный для
исследования электромагнитной обстановки в районе геомагнитного экватора с
помощью анализатора частиц и полей и трехкомпонентного ферромагнитного
магнитометра [62]. Спутник создан РІКИ РАН при участии школьников Обнинска и Сиднея. Масса спутника составляет 20.5 кг. Аппарат имеет форму шестиугольной призмы (высота 51.5 см, диаметр описанной окружности 37 см) с четырьмя раскрывающимися двусторонними панелями солнечных батарей. Система ориентации - магнитно-гравитационная.
Как видно из приведенного обзора, на малых спутниках довольно часто используются магнитные катушки или постоянные магниты, хотя другие подходы к обеспечению ориентации также имеют место. Помимо спутников, стабилизируемых собственным вращением, магнитное управление может быть использовано для спутников с маховиками [40]. На таких спутниках магнитные катушки часто используются для разгрузки маховичной системы [37]. В работе [41] рассматриваются возможности одновременного использования маховиков и магнитных катушек для минимизации расходуемой энергии при поддержании требуемой ориентации. С помощью активной магнитной системы можно осуществлять трехосную ориентацию спутника [44]. Для синтеза управления, осуществляющего трехосную ориентацию спутника, удобно рассматривать линеаризованную систему, как это сделано в работах [45,53]. В работе [54] вращательное движение спутника описывается линейной дискретной периодической системой, и осуществляется поиск оптимального управления.
Ранее на практике использовались различные способы управления
токовыми катушками, для обеспечения заданного углового движения спутника,
