по межпредметному семинару на тему: «Приборы ориентации и навигации космических аппаратов» Московский физико-технический институт (Государственный университет) по межпредметному семинару на тему: «Приборы ориентации и навигации космических аппаратов». Выполнили студенты 752гр. Казанкова Е.А. 753гр. Иванова Д.А. 2010 Долгопрудный подготовили студентки 3 курса факультета физической и квантовой электроники МФТИ Казанкова Екатерина Анатольевна (752 гр.) и Иванова Дарья Александровна (753 гр.). подготовлен по докладу Н.В. Куприяновой и С.С. Ткачева "Европейское образование в области космических исследований. Опыт сотрудничества с университетами Европы". Информация о докладчике: Степан Сергеевич Ткачёв, аспирант 2го года МФТИ, ассистент кафедры теоретической механики МФТИ, м.н.с. Института Прикладной Математики им.М.В.Келдыша РАН. Большую благодарность вырожаем С.С Ткачеву за помощь в поиске актуальной на сегодняшний день информации. В е описаны основные типы систем управления КА. Так же определены основные задачи, решение которых могут обеспечивать системы управления: астроориентация, астрокоррекция, астронавигация и определение положения (индикации) осей КА. В настоящее время сложилось общепризнанное распределение приборов астроориентации на типы. Прежде всего, приборы разделяются по характеру использования их в составе КА — автоматические и визуальные. Существует и другое разделение астроприборов по типам, а именно в зависимости от используемых ими астроориентиров. По этому признаку выделяются три типа приборов — приборы ориентации и навигации по звездам, по Земле, по Солнцу (более кратко — звездные, земные и солнечные астроприборы). Основной материал взят из 1 главы книги В.И.Федосеева «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов». Развитие космической техники во многом связано с совершенствованием систем управления космическими аппаратами (КА). В связи с высокими и постоянно возрастающими требованиями к точности таких систем, с необходимостью обеспечения автономности их функционирования в качестве датчиков первичной информации используются оптико-электронные приборы (астроприборы). Они определяют угловое положение аппарата относительно астрономических источников излучения (астроориентиров) — звезд, Солнца, планет (в том числе Земли). Эти приборы на современных КА могут обеспечивать в составе системы управления решение четырех основных задач — астроориентации, астрокоррекции, астронавигации и определения положения (индикации) осей КА. Задача aстроориентации состоит в том, чтобы по показаниям астроприборов ориентировать КА (или какое-либо устройство на КА, например телескоп, солнечные батареи) в инерциальном пространстве для выполнения того или иного эксперимента, измерения, маневра; при этом астроприборы непосредственно входят в контур управления КА и должны функционировать в течение всего времени поддержания режима ориентации. В задаче астрокоррекции показания астроприборов используются для коррекции положения осей КА или осей его гироплатформы (реальной или виртуальной, реализованной программными средствами в бортовом компьютере), которые предварительно были соорентированы, но с течением времени их положение изменилось. В отличие от предыдущего случая астроприборы здесь не входят непосредственно в контур управления системы ориентации КА, а лишь периодически выдают корректирующую информацию. Поэтому время работы этих астроприборов при решении задачи астрокоррекции значительно меньше, чем при решении задачи астроориентации. Наиболее распространенный метод навигации в околоземном пространстве — измерение с КА в известный момент времени для двух астроориентиров углов между направлением на астроориентир и центр Земли и последующее вычисление параметров орбиты. В качестве астроориентиров могут выступать звезды и Солнце. Задача индикации положения осей КА предполагает точное определение направления осей аппарата для «привязки» к инерциальной системе координат результатов измерения аппаратуры грубо ориентированного КА. Для решения задачи астроориентации существуют типовые схемы — солнечно-звездная, солнечно-земная и звездно-земная. В солнечно-звездной схеме построение ориентации начинается с вращения КА вокруг некоторой оси, поиска Солнца соответствующим датчиком и последующей стабилизации одной из осей КА относительно направления на Солнце. Затем КА закручивается вокруг этой оси и осуществляет поиск заранее выбранной звезды, расположенной относительно Солнца под углом, близким к 90°. После обнаружения звезды система управления обеспечивает стабилизацию второй оси КА относительно направления на звезду. В результате одна ось КА оказывается «привязанной» к направлению на Солнце, вторая — к направлению на звезду. Аналогично этому обстоит дело в схеме солнечно-земной ориентации (с заменой звезды в предыдущей схеме на Землю) и в схеме звездно-земной ориентации (Земля используется в качестве первого ориентира). Для последнего случая следует отметить вариант звездно-земной ориентации, в котором звездой-ориентиром служит Полярная звезда. Такой вариант довольно часто используется для КА, находящихся на геостационарной орбите, поскольку направление на Полярную звезду близко к нормали к плоскости геостационарной орбиты. В задачах астроориентации, астрокоррекции, индикации положения речь идет об установлении связей между системой координат КА и инерциальной системой координат, определяемой астроориентирами. В отличие от этого в задаче астронавигации необходимо определить местоположение КА на орбите и параметры орбиты. Для этого не нужна «привязка» измерений астроприборов к направлению осей КА. Для определения навигационных параметров достаточно в известные моменты времени найти углы между направлением на центр Земли и направлениями на два других астроориентира (звезды, Солнце). Такую процедуру необходимо проделать в нескольких точках орбиты (чем больше, тем выше точность определения навигационных параметров). Решая затем уравнения и выполняя фильтрацию, можно получить необходимую навигационную информацию. Особенности использования астроприборов в задаче астронавигации состоят, во-первых, в необходимости многократной выдачи информации на витке, фактически в реализации слежения за астроориентирами, и, во-вторых, в достаточности измерения углов между направлением на центр Земли и на ориентир без «привязки» к системе координат КА. К современным приборам ориентации и навигации КА предъявляется комплекс достаточно сложных технических требований, основными из которых являются: • высокая точность угловых измерений; • необходимая чувствительность — способность работать по излучению тех астроориентиров, которые обеспечивают проведение требуемых измерений; • помехоустойчивость — устойчивость к воздействию различных помеховых излучений как естественного, так и искусственного происхождения; • функционирование при различных движениях КА (работа наподвижном основании) со значительными угловыми скоростями и ускорениями; • выполнение набора сложных функций — поиск и обнаружение астроориентиров, их селекция на фоне помех, слежение за астроориентирами, точное измерение угловых координат; особо здесь следует отметить функции распознавания групп звезд и определения трехосной ориентации, требующие больших интеллектуальных ресурсов; • работоспособность в условиях воздействия факторов космического пространства (глубокий вакуум, солнечная радиация, ионизирующие излучения, газопылевое окружение) в течение длительного времени (до 10–15 лет и более); • воздействие различных факторов со стороны космического аппарата — механических, тепловых, электрических и др. Все эти требования должны учитываться при проектировании современных приборов ориентации и навигации КА. Основные типы приборовориентации и навигации КА. За пять десятилетий космической эры было разработано несколько десятков разновидностей приборов ориентации и навигации КА, отличающихся назначением, принципами построения, особенностями использования, конструктивными особенностями и т.д. К настоящему времени сложилось более или менее общепризнанное разделение астроприборов на типы. Прежде всего, приборы разделяются по характеру использования их в составе КА — автоматические и визуальные. Первые предназначены для работы в составе автоматических систем управления, вторые — для визуального наблюдения оператором-космонавтом результатов измерения, с целью последующего управления пилотируемым КА. Общепризнанным является разделение астроприборов по типам используемых ими астроориентиров. По этому признаку выделяются три типа приборов — приборы ориентации и навигации по звездам, по Земле, по Солнцу (более кратко — звездные, земные и солнечные астроприборы). Поскольку Земля как тип астроориентира может выступать двояко в зависимости от диапазона длин волн используемого излучения, земные приборы еще подразделяются на приборы видимого диапазона и приборы инфракрасного (ИК) диапазона. В видимом диапазоне Земля представляется в виде либо светлого круглого диска, либо серпа, либо вообще не видна в зависимости от угла Солнце–КА–центр Земли. Это создает определенные ограничения в получении информации с прибора, работающего по Земле в видимом диапазоне. В ИК-диапазоне Земля представляет собой круглый излучающий диск вне зависимости от каких-либо условий. Поэтому земные приборы ИК-диапазона свободны от ограничений в возможности получения с них информации, благодаря чему они находят, гораздо более широкое применение, чем земные приборы видимого диапазона. В видимом диапазоне работают звездные и солнечные приборы. Звездные приборы. Звездные приборы универсального типа разделяются на приборы с подвижным угловым полем (с подвижной визирной линией) и с неподвижным угловым полем (статические). Приборы с подвижным угловым полем — достаточно узкопольные (угловое поле — единицы квадратных градусов и менее). Так как положение углового поля может меняться относительно базы прибора и осей КА, для их работы достаточно сравнительно небольшого количества звезд (до 3–3,5 звездной величины). Благодаря малому угловому полю эти приборы обладают высокой помехозащищенностью по отношению к световым помехам всех видов. Однако конструкция этих приборов достаточно сложна, так как в состав их входят прецизионные поворотные устройства, приводы, устройства преобразования углов поворота в код. Поэтому в таких приборах сложнее достичь высокой точности, надежности и большого срока службы. Приборы с неподвижным угловым полем конструктивно менее сложны, что упрощает достижение высокой точности и надежности. Размер углового поля таких приборов — до десятков и сотен квадратных градусов. Так как угловое поле не может наводиться в произвольную область небесной сферы, для их работы требуется больше рабочих звезд (до 5–6 звездной величины и более) приводит к большой чувствительности к световым помехам. Специализированные звездные приборы отличаются большим разнообразием, но в настоящее время можно выделить три группы, различающиеся как по назначению и выполняемым функциям, так и по конструктивным особенностям: • звездные ОЭП солнечно-звездных систем ориентации КА; • звездные ОЭП для ориентации по Полярной звезде в системе управления КА с геостационарной орбитой; • приборы для КА, стабилизированных вращением. Земные приборы ИК-диапазона. Приборы ориентации по Земле (ПОЗ) по функциональному назначению, возможностям и особенностям применения можно разделить на три типа: – датчики наличия Земли (ДНЗ); – построители местной вертикали (ПМВ); – измерители угла отклонения. Датчики наличия Земли определяют присутствие Земли в одном из двух угловых полей, неподвижно расположенных относительно КА и развернутых одно относительно другого на 180°. В этих приборах отсутствуют сканирующие устройства, а модулятор выполняет модулирование падающего на приемник излучения. Построители местной вертикали определяют отклонение оси прибора от направления на центр Земли в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в пределах небольшой зоны углов отклонения и формируют выходной управляющий сигнал U — линейный или ступенчатый в зависимости от угла отклонения α(рис. 1.1). Определение углов отклонения производится сканированием углового поля прибора по круговой траектории (поэтому приборы этого типа называют также приборами с круговым сканированием) и формированием выходных сигналов с помощью фазовых детекторов. При отсутствии рассогласования траектория сканирования совпадает с горизонтом Земли. Размер зоны линейности выходных сигналов небольшой, как правило, 1–2°, наименьшая погрешность достигается при отсутствии рассогласования, при его увеличении — погрешность возрастает. Серьезным недостатком приборов этого типа является большая методическая погрешность, вызванная неравномерностью излучения. Рис. 1.1. Варианты характеристик управляющих сигналов ПМВ Земли. Угловой размер Земли, наблюдаемый с орбиты КА, зависит от высоты аппарата над Землей и может меняться для разных орбит от примерно 153° для высоты 180 км до примерно 17° для высоты 36 000 км (геостационарная орбита) и до еще меньших размеров на больших высотах. Поэтому конструкция оптической системы ПОЗ и прибора в целом существенно зависит от его рабочей высоты. Существуют приборы для одной рабочей высоты, для дискретного набора высот, для широкого или узкого диапазона высот. Чем шире диапазон рабочих высот ПОЗ, тем при прочих равных условиях сложнее его конструкция. При проектировании земных приборов ИК-диапазона, как и при проектировании звездных приборов, существует серьезная проблема выделения полезной информации из помех, которая решается на основе общих принципов обработки пространственно временных сигналов. Солнечные приборы. Приборы ориентации по Солнцу (ПОС) отличаются большим разнообразием вариантов конструктивных и оптических схем, способов формирования выходной информации. Это связано с тем, что Солнце настолько мощный источник излучения, что вопрос о выделении полезного сигнала из помех практически не стоит. Поэтому при создании приборов отсутствуют ограничения, вытекающие из требований оптимизации пространственно-временной обработки по критерию минимизации влияния помех. Проектировщик солнечных приборов имеет гораздо большую свободу выбора вариантов, чем проектировщик звездных и земных приборов. По функциональным возможностям и особенностям использования среди солнечных приборов можно выделить четыре группы: • датчики направления на Солнце грубые (ДНС-Г); • датчики направления на Солнце точные (ДНС-Т); • измерители угловых координат Солнца грубые; • измерители угловых координат Солнца точные. Обособленной группой являются датчики наличия Солнца, которые применяются для определения нахождения Солнца в их угловом поле. Эти датчики, как правило, устанавливаются соосно блендам звездных приборов и вырабатывают управляющий сигнал на закрытие шторки, установленной за блендой. Датчики направления на Солнце грубые используются в основном для ориентации солнечных батарей на Солнце путем управления разворотом либо самих солнечных батарей, либо КА в целом (так называемый режим постоянной солнечной ориентации КА). Зависимость выходного сигнала прибора от угла разворота (характеристика управляющего сигнала) относительно направления на Солнце обычно имеет релейный или релейно-подобный характер с большой зоной нечувствительности — несколько градусов. Типичная характеристика управляющего сигнала ДНС-Г представлена на рис. 1.2, а, б. Главное достоинство таких приборов — конструктивная простота, высокая надежность, большой срок службы. Типичный вариант их применения обеспечение постоянной ориентации на Солнце при межпланетных полетах. Датчики направления на Солнце точные используются для ориентации КА относительно направления на Солнце при выполнении целевых задач. Эти приборы имеют небольшую угловую зону (несколько градусов), где обеспечивается высокая точность определения направления на Солнце (несколько угловых минут), и большую угловую зону поиска — до ±90°, в которой определяются лишь наличие Солнца и знак отклонения оси прибора от направления на Солнце. Типичная характеристика управляющего сигнала ДНС-Т представлена на рис. 1.2, в. Приборы-измерители угловых координат Солнца относительно приборной базы определяют соответствующие углы в большом угловом поле — вплоть до полусферы или даже полной сферы. Рис. 1.2. Варианты характеристик управляющих сигналов датчиков направления на Солнце ДНС-Г (а, б) и ДНС-Т (в) Грубые приборы этого типа (точность — единицы градусов) строились на основе дискретного набора чувствительных зон. В точных приборах (точность до 1′) используются широкопольные сканирующие или многоэлементные обзорные системы, в которых благодаря применению вычислительных средств и методов интерполяции удается получить точность 10−4 от размера поля обзора. Земные приборы видимого диапазона. Земные приборы видимого диапазона имеют ограниченное применение из-за их серьезного основного недостатка — ограничения по времени работы, вызванного изменением в течение суток размеров и формы освещенной Солнцем наблюдаемой поверхности Земли вплоть до полного затенения. На начальном периоде создания астроприборов, когда погрешность земных приборов ИК-диапазона составляла десятки угловых минут, проектирование земных приборов видимого диапазона было оправдано, так как их погрешность не превышала 2–3′. Сегодня, когда погрешность приборов ИК-диапазона доведена до 3–5′, преимущество приборов видимого диапазона практически отсутствует. Астроориентиры и оптические помехи для приборов ориентации и навигации КА. В целом оптические помехи астроприборов подразделяются на боковые, фоновые и точечные. Источники боковых помех располагаются вне углового поля астроприбора, но из-за светорассеяния в оптической системе их мешающее влияние проявляется в пределах углового поля. При приближении источника этих помех к угловому полю их влияние усиливается, поэтому принимаются те или иные меры, исключающие их недопустимое воздействие на прибор. Фоновые помехи находятся в угловом поле астроприбора. Как правило, им приписывают одинаковую яркость по всему угловому полю. Однако на практике они всегда обладают тем или иным градиентом по полю. Точечные помехи также могут располагаться в угловом поле прибора. Следует иметь в виду, что одни и те же астрономические источники излучения могут быть как астроориентирами, так и оптическими помехами. Например, звезды в угловом поле звездного прибора могут быть либо астроориентирами, либо точечными помехами. Солнце для солнечных приборов астроориентир, а для звездных приборов — боковая помеха. Звездные камеры. В настоящее время большое развитие и широкое применение на малых спутниках получили звездные камеры. Принцип их действия таков : чтобы распознать звездную картину, компас использует активный датчик пикселей (APS) в широком поле обзора (WFOV) и миниатюрные звездные камеры. APS представляет собой новый тип компактных устройств визуализации с массивом фотосенсоров. APS использует часть мощности, которая используется прибором с зарядовой связью, что позволяет существенно сократить мощность, размер, вес и стоимость обработки изображений . Все это делает APS очень привлекательным для использования на небольших кораблях низкой мощности. Рис.1.3. Звездная камера. Звездна камера WFOV будет наблюдать широкий кусок неба и фотографировать звездную картину в поле зрения. Звездная камера определит положение звезд и сообщит о них космическому аппарату. Снимки затем будут сравнены с небесной картой, хранящейся в памяти компьютера космического корабля. Датчик звездной камеры будет отслеживать светлые и тусклые объекты в поле зрения. Это делается для того, чтобы избежать засвечивания заснятых объектов очень яркими Луной и Землей. Звездная камера передает данные на гироскопы. Звездная камера и гироскопы поддерживают корабль ориентированным в правильном направлении. Схема определения положения КА: 1) Звездная камера WFOV наблюдает широкий кусок неба 2) Фотографирует звездную картину в поле зрения 3) Определяет положение звезд 4) Сообщает о них космическому аппарату 5) Снимки сравниваются с небесной картой 6) Звездная камера передает данные на гироскопы Задача aстроориентации состоит в том, чтобы по показаниям астроприборов ориентировать космические аппараты. В наши дни в космической технике активно развиваются оптические датчики астроориентации. Если в прошлом каждая астрокоррекция требовала прервать плановую работу КА, то оптикоэлектронные астродатчики последнего десятилетия предоставляют возможность измерить параметры астроориентации практически в любой момент времени по изображениям звезд произвольного участка небесной сферы. Малые габариты интегрированных приборов позволяют создавать недорогие испытательные стенды, моделирующие внешние для прибора условия на всех этапах космического полета. Такая комплексная отработка позволяет исключить ошибки алгоритмического и программного обеспечения приборов, и тем самым повысить их надежность. Литература: 1. В.И.Федосеев «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов», Москва Логос, 2007 2. Информационные спутниковые системы, №5 2008 3. Официальный сайт NASA http://nmp.nasa.gov/st6/TECHNOLOGY/star_camera.html И сточники фотографий: 1. Информационные спутниковые системы, №5 2008 2. Официальный сайт Finmeccanica http://www.finmeccanica.com/Holding/EN/Business/Spazio/Prodotti/AA_Star_Tracker_Galileo_Avionica/index.sdo