Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование бортовой комплексной системы высокоточной ориентации космических аппаратов по астрономическим ориентирам с подсистемой геометрической взаимной привязки датчиков

Докладчик: Прохоров Михаил Евгеньевич

Должность: заведующий лабораторией ГАИШ МГУ

Цель проекта:
Целью выполнения прикладного научного исследования является разработка бортовой комплексной системы высокоточной ориентации космического аппарата. Такая система позволяет выполнять следующие функции: ─определять ориентацию подсистемы геометрической привязки относительно инерциальной системы координат, задаваемой звездными ориентирами с точностью не хуже 0,1 секунды дуги; ─привязывать оси целевого прибора к инерциальной системе координат с той же точностью; ─определять в конструкционной системе координат направление на Солнце и/или на центр небесного тела, вблизи которого происходит движение КА с точностью не хуже 1 секунды дуги.

Основные планируемые результаты проекта:
1 Задачи проекта
1.1 Выбор конструкции и характеристик звездных датчиков.
1.2 Выбор конструкции и характеристик датчика направления на Солнце.
1.3 Выбор принципов функционирования и разработка конструкции системы контроля геометрии.
1.4 Метод автономного определения баллистической траектории.
1.5 Разработка конструкции и изготовление лабораторного макета КСВО.
1.6 Разработка и изготовление стендов для лабораторных исследований макета КСВО.
1.7 Разработка эскизного проекта КСВО.
1.8 Подготовка эскизной документации на экспериментальный образца КСВО.

Звездные датчики ориентации.
В качестве прототипа высокоточного звездного датчика ориентации предполагается использовать датчик, разработанный в 2010–2012 гг. ходе выполнения государственного контракта № 14.740.11.0153 от 13.09.2010 «Высокоточные звездные датчики для систем космической ориентации», выполненного Исполнителем.
Особенностью этого датчика является существенное снижение погрешности определения ориентации по сравнению с серийно выпускаемыми приборами при высокой частоте опроса и сравнимых массогабаритных характеристиках. Повышение точности достигается одновременным применением следующих решений. Главное из них – переход к узкому (порядка 1–2 градусов) полю зрения, для чего используется длиннофокусная оптическая система. Узкое поле зрения требует перехода к использованию более тусклых навигационных звезд – 9–11 звездной величины. Для надежной регистрации таких тусклых звезд при высокой частоте опроса (т.е. при коротком времени
экспозиции) необходима оптическая система с большой апертурой (большого диаметра) – порядка 100 мм. Это определяет выбор для оптической системы зеркальной конструкции.
Вторая часть решения, обеспечивающего повышение точности, состоит в создании изображения звезды диаметром 1,5–2 пикселя, которое позволяет измерять положение центра (фотоцентра) изображения с точностью до 1/10 пикселя и лучше (в зависимости от отношения согнала к шуму в изображении звезды).
Этой же цели служит попиксельный учет неоднородности темновых шумов и неоднородности чувствительности матричного фотоприемника, а также использование фотоприемников с обратной засветкой.

Система контроля геометрии
Предполагается использовать результаты НИР № 8239 «Бортовые метрологические системы для космических аппаратов», выполненной Исполнителем в 2012–2013 гг. в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. В этой НИР была показана возможность создания системы, с высокой точностью контролирующей направления осей целевой аппаратуры и датчиков на борту КА. Система контроля геометрии может быть основана на механических, оптических или оптических интерференционных сенсорах. Механические системы обеспечивают контроль углов с точностью до 0,3–0,5 секунды дуги, оптические – лучше 0,1 секунды дуги,
интерференционные – лучше 0,01 секунды дуги.

Описание проблемы. Актуальность
В предлагаемом ПНИ будут исследованы две проблемы. Первая из них связана с тем, что систематические погрешности взаимной геометрической привязки датчиков ориентации установленных на борту КА, а также датчиков ориентации и целевой аппаратуры, намного превышают погрешности самих датчиков ориентации.
Системы определения ориентации необходимы космическому аппарату (КА) для выполнения практически любой задачи. Датчики звездной ориентации необходимы при изменении ориентации КА, для определения поправок к показаниям гироскопов, при наведении антенн и фото/видеокамер на заданные объекты. Датчики направления на Солнце используются при ориентации солнечных батарей, для защиты целевой и
прикладной аппаратуры от засветки прямым солнечным излучением, для определения моментов входа и выхода в тень Земли. Датчик геовертикали (локальной вертикали Земли) служит для наведения приборов (камер) дистанционного зондирования Земли на изучаемые области ее поверхности и для географической координатной привязки получаемых изображений.
Сегодня точность лучших серийно выпускаемых звездных датчиков составляет несколько угловых секунд, солнечных датчиков – порядка угловой минуты, датчиков геовертикали – порядка 1–10 угловых минут.
Современные экспериментальные образцы датчиков, разработанные участниками проекта, имеют в 10–30 раз бóльшую точность.
Уже при точности, достигнутой современными серийными приборами, обеспечить сохранение взаимной ориентации датчиков, установленных на борту КА, на уровне погрешности их измерений только за счет жесткости конструкций КА не представляется возможным. По этой же причине возникает существенная погрешность при переносе ориентации на целевую аппаратуру КА. Эти причины приводит к появлению
систематического рассогласования реальных и измеряемых показаний датчиков, что не позволяет осуществлять ориентацию целевой аппаратуры с той точностью, которую могут обеспечить датчики ориентации. При этом дальнейшее повышение точности датчиков ориентации без принятия специальных мер к их привязке теряет смысл.
Отметим, что характеристики датчиков ориентации серийно выпускаемых в России примерно совпадают с характеристиками датчиков ориентации зарубежного производства. Ни в отечественных, ни в зарубежных КА не используются средства взаимной геометрической привязки датчиков ориентации или привязки датчиков и целевой аппаратуры.
Негативные последствия невозможность снижения погрешности определения ориентации КА и ее передачи на целевую аппаратуру проявляются в развитии следующих областей космической техники:
─контроль космического пространства: определение орбит космических аппаратов околоземной спутниковой группировки, слежение за «космическим мусором», обнаружение объектов Солнечной системы, представляющих астероидно-кометную опасность для Земли;
─дистанционное зондирование Земли: метеорология, геологическая, биологическая, транспортная и пр. картография высокого разрешения (порядка 100 м и лучше с геостационарной орбиты); географическая привязка изображений Земли;
─системы связи КА–КА и КА–Земля высокой направленности (в первую очередь лазерные) для широкополосной или дальней передачи данных.

В рамках предлагаемого ПНИ предлагается разработать конструкцию комплексной системы высокоточной ориентации (КСВО) КА в состав которой входят датчики различных типов (звездные, солнечные и др.), а также подсистема геометрической привязки датчиков ориентации, которая осуществляет взаимную геометрическую привязку датчиков и может осуществлять перенос ориентации на целевую аппаратуру КА.

Предполагаемые результаты ПНИ сравнимы по уровню с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения планируемых результатов:
─высокоточные системы ориентации КА и целевой аппаратуры;
─автономные системы навигации и высокоточной ориентации.

Способы использования ожидаемых результатов:
─создание высокоточной системы для звездной и солнечной ориентации с взаимной геометрической привязкой датчиков.
─создание системы для автономного определения баллистической траектории КА в межпланетном пространстве на основе высокоточных датчиков звездной и высокоточных широкоугольных датчиков направления на Солнце.
─создание системы для автономного определения баллистической траектории околоземного КА на основе высокоточных датчиков звездной ориентации и геовертикали.

Возможные потребители ожидаемых результатов:
─предприятия Роскосмоса и ОРКК;
─Министерство обороны РФ;
─зарубежные предприятия космической отрасли.

Перспективы использования ожидаемых результатов - разработка комплексных систем ориентации в космосе следующего поколения.

Оценка влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений:
─разработка новых технических решений в космической отрасли;
─изменения структуры производства и потребления товаров и услуг не ожидается.
Влияние планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества не ясно.

Текущие результаты проекта:
1 Составлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по теме ПНИ.
2 Проведена сравнительная оценка существующих технических решений по повышению точности ориентации КА.
3 Проведены предварительные патентные исследования.
4 Создана база данных звезд для имитатора звездного неба.
5 Ведется разработка ПО для управления базой данных звезд для имитатора звездного неба.