L6a_Mag

Л6(19). ИСОН на основе БИСО на электростатических гироскопах для орбитальных космических аппаратов

Содержание

Введение

1.Состав и структура построения БИСО на ЭСГ

2.Существующие проблемы в математическом обеспечении

3.Уточнение модели дрейфов БЭСГ

4.Основное содержание алгоритмов режима калибровки в условиях орбиты

5.Результаты летных испытаний Выводы

Введение

Выполнение современных требований по точности решения задач ориентации и навигации подвижных объектов посредством использования БИИМ в автономном режиме работы на длительном интервале времени является сложной проблемой, решение которой требует значительных финансовых и временных затрат. Поэтому, исходя из критерия стоимости, как показывает мировой опыт, решение данной проблемы принято искать на путях интеграции информации бескарданных инерциальных модулей с приемной аппаратурой (ПА) GPS/ГЛОНАСС и другими средствами навигации. То есть на путях построения интегрированных систем ориентации и навигации (ИСОН) на базе БИИМ, информационно и даже конструктивно интегрированных с ПА GPS/ГЛОНАСС и другими навигационными измерителями. При этом преследуется цель обеспечения не только начальной выставки и периодической коррекции выходных данных БИИМ, но и решение задачи калибровки чувствительных элементов (ЧЭ) БИИМ после запуска системы на интервалах времени возможного использования средств коррекции для повышения информационной автономности (времени автономной работы) БИИМ.

Особенностью решения задачи ориентации подвижного объекта гироскопической системой в условиях пассивного участка полета КА является практически отсутствие значений кажущегося ускорения (сила тяготения Земли скомпенсирована центробежной силой из-за орбитального вращения КА; незначительный уровень значений кажущегося ускорения практически обусловлен только торможением объекта в остатках атмосферы). Это приводит к неэффективности использования акселерометров БИИМ при решении задачи ориентации в этих условиях и, как следствие, к отсутствию собственных (шулеровских) колебаний в погрешностях системы. Погрешности БИИМ в решении задачи ориентации носят нарастающий во времени характер, что обусловлено дрейфами гироскопов.

Кроме того, в условиях орбитального КА в отличие от наземных условий неэффективно использование данных стандартной ПА GPS/ГЛОНАСС для интеграции с БИИМ в решении задачи ориентации.

Поэтому в составе ИСОН для КА необходимо применение для коррекции погрешностей БИИМ либо классической астросистемы определения углового положения, построенной на астродатчиках, либо мультиантенной ПА GPS/ГЛОНАСС, использующей фазовые измерения на несущей частоте.

К настоящему времени пока не создана мультиантенная ПА GPS/ГЛОНАСС для применения на КА и обеспечивающая измерение углов ориентации КА с требуемой точностью. Поэтому на современных орбитальных КА используются астровизирующие устройства (АВУ).

БИИМ на электростатических гироскопах со сплошным ротором (БЭСГ) для орбитальных КА (точнее бескарданная инерциальная система ориентации - БИСО, т.к. в ее составе отсутствуют акселерометры и не решается задача навигации) разработана в ЦНИИ «Электроприбор». В настоящее время она успешно эксплуатируется на ряде КА дистанционного зондирования Земли (рис.В.1).

2

Рис.В.1. Общий вид орбитального КА «Ресурс-ДК1»

3

1.Состав и структура построения БИСО на ЭСГ

Всостав БИСО, структурная схема которой представлена на рис. 1.3, входят [1]:

блок чувствительных элементов (БЧЭ);

блок электроники (БЭ).

БЧЭ (рис.1.1) (300х300х150 мм, масса около 9 кг) содержит три БЭСГ (резервирование для обеспечения требований по надежности), блоки электроники систем подвеса гироскопов, электропитания и спецвычислители измерительных каналов (СВИК).

Рис. 1.1. Блок чувствительных элементов (со снятым кожухом)

Два БЭСГ с ортогонально расположенными векторами кинетических моментов (что обеспечивается при разгоне роторов гироскопов) обеспечивает построение автономного гироскопического трехгранника q1q2 q3 , начальная ориентация которого

относительно заданной инерциальной системы координат in1,in2,in3 вычисляется по

данным АВУ, а дрейф в инерциальном пространстве прогнозируется по априорным значениям коэффициентов модели уходов (КМУ) каждого из ЭСГ.

В приборе БЭСГ (масса около 1.5 кг) сплошной 10-мм бериллиевый сферический ротор взвешен в электрическом поле, создаваемом тремя парами ортогонально расположенных электродов электростатического подвеса (рис. 1.2; 1.3).

Опорное напряжение на электродах при испытаниях в наземных условиях составляет около 450В (что обеспечивает перегрузочную способность электростатического подвеса до 10…15g), для повышения точности в условиях невесомости это напряжение снижается до 200 В.

Вращение ротора с частотой около 3000 Гц (180000 об/мин) и демпфирование его нутационных колебаний в любой из трех ортогональных ориентаций обеспечивается с

4

помощью 6-ти симметрично расположенных катушек с дальнейшей стабилизацией скорости вращения электрическими силами подвеса.

Рис.1.2. Ротор БЭСГ

Рис.1.3. БЭСГ со снятым кожухом

Для обеспечения и поддержания вакуума предусмотрен магниторазрядный насос, который создает в рабочем зазоре вакуум 10-6…10-7 мм рт. ст. В целях исключения влияния уводящих моментов магнитной природы как сам насос, так и чувствительный элемент гироскопа помещены в системы магнитных экранов.

5

ЭЭСГС Г

Рис.1.3a. БЭСГ

Списывание информации об угловом положении ротора в неограниченном диапазоне углов осуществляется с помощью 6-ти ортогонально расположенных оптических датчиков по нанесенному на роторе растровому рисунку.

В непосредственной близости от ЭСГ находятся блоки электроники подвеса, служащие для обеспечения левитации ротора и стабилизации его скорости вращения.

Информация с датчиков угла, блоков подвеса и от магниторазрядного насоса поступает в спецвычислитель (СВ-ИК), решающий задачу точного вычисления угловой ориентации ротора в осях корпуса ЭСГ с использованием модели погрешностей системы съема и задачу преобразования аналоговых сигналов подвеса и тока насоса в цифровую форму. Дальнейшая обработка гироскопической информации осуществляется в центральном вычислителе инерциальной системы, входящем в блок электроники системы.

Блок электроники системы (прибор БЭ) (рис.1.4) включает дублированный центральный спецвычислитель системы (СВ-БИС) и блок автоматики пуска и отключения.

БЭ осуществляет следующие функции:

списывание информации ( hknS _ i - векторов измеренных значений направляющих косинусов ортов кинетических моментов ЭСГ i в их корпусных осях) с измерительных каналов БИСО и вычисление углового положения корпуса БЧЭ и связанного с ним корпуса КА относительно инерциальной системы координат (ИСК), начальное положение которой формируется по данным АВУ. Т.е. вычисление элементов кватерниона Linpr,c ;

обеспечение информационного обмена между БИСО и бортовым комплексом управления (БКУ) КА;

формирование и выдача телеметрической информации;

управление работой БИСО (запуск, отключение, переключение режимов).

6

Рис.1.4. Структурная схема БИСО на ЭСГ

Блок автоматики

В состав блока автоматики входят два блока разгона и демпфирования нутационных колебаний ротора (БРР), вторичные блоки электропитания, дублированный

7

блок приема команд управления от БКУ и блоки реле, осуществляющие коммутацию цепей питания и привода приборов БЭСГ и электронных блоков.

Спецвычислитель СВ-БИС

Центральный вычислитель СВ-БИС решает следующие задачи: прием и выполнение команд управления от БКУ, информационная связь с тремя СВ-ИК блока БЧЭ по CAN интерфейсу, прием команд, данных и меток времени (для синхронизации работы БИСО и АВУ) от БКУ по интерфейсу МПИ, выдача телеметрической информации, включение и отключение резервных устройств. Основной задачей СВ-БИС является определение угловой ориентации КА относительно ИСК.

Для решения этих задач в СВ-БИС применена быстродействующая одноплатная ЭВМ, выполненная в стандарте PC/104+ и построенная на базе процессора Pentium-75.

2. Существующие проблемы в математическом обеспечении

Проведенные исследования и результаты летных испытаний БИСО на ЭСГ на борту орбитального КА показали, что:

известная к настоящему времени модель дрейфов ЭСГ со сплошным ротором для бескарданного применения не в полной мере соответствует реальным уходам гироскопа, выявлена необходимость ее уточнения;

имеют место существенные изменения значений КМУ ЭСГ при каждом новом запуске системы, что обусловлено неравножесткостью каналов подвеса, изменением наведѐнного потенциала и потенциала, обусловленного зарядом ротора;

значения КМУ ЭСГ, определенные при стендовых испытаниях системы, требуют новой калибровки при запуске в условиях орбитального КА;

после запуска БИСО в условиях орбитального КА вследствие погрешностей привязки баз ЭСГ и АВУ и деформаций КА необходимо уточнение ориентации измерительных осей каждого ЭСГ относительно опорных осей астровизирующего устройства;

имеют место существенные изменения значений некоторых КМУ ЭСГ при изменении ориентации корпуса ЭСГ относительно плоскости орбиты или ухода вектора кинетического момента ЭСГ от плоскости орбиты;

отсутствует полная наблюдаемость (и, как следствие, возможность разделения оценок) КМУ для ЭСГ с ориентацией вектора кинетического момента, ортогонального плоскости орбиты КА;

математическая модель и методика калибровки в условиях стенда погрешностей системы списывания углового положения ротора ЭСГ требуют совершенствования.

3.Уточнение модели дрейфов БЭСГ

Внастоящее время в качестве базовой принята детерминированная модель ухода ЭСГ, которая представляется в виде аналитических функций, связывающих геометрические параметры несферичного и несбалансированного ротора с параметрами физических полей – источников уводящих моментов. При этом зависимости строятся с учѐтом произвольной ориентации ротора, а проекции ускорений характеризуются управляющими напряжениями на электродах, которые являются реакциями подвеса на силовые воздействия.

Так, скорость дрейфа в проекции на одну из осей xk корпуса гироскопа имеет вид

[см. Л.8]:

(КМУ) ЭСГ ( k0 характеризует не зависящий от ускорения уход под действием момента от взаимодействия 4-й гармоники формы ротора с полем подвеса; k1 характеризует зависящий от ускорения уход под действием момента от взаимодействия 1-й гармоники формы ротора с полем подвеса; k2 – от 2-й гармоники формы ротора; k3 – от 3-й гармоники формы ротора; k4 – зависящий от ускорения уход от 4-й гармоники формы

коэффициента поляризуемости ротора; отнесѐнные к величине кинетического момента гироскопа; ij - коэффициенты, характеризующие консервативную часть момента от

взаимодействия неравножесткого подвеса с радиально несбалансированным ротором, а коэффициенты ij - диссипативную часть данного момента.

При космической эксплуатации (в условиях невесомости) преобладающими становятся составляющие ухода, не зависящие от ускорения, а именно: от четвертой гармоники формы ротора, от остаточных магнитных полей и от взаимодействия радиально несбалансированного ротора с неравножестким подвесом [2]. Поэтому принята

При этом вследствие малости влияние остаточных магнитных полей в настоящее время не учитывается.

4. Основное содержание алгоритмов режима калибровки в условиях орбиты

Вследствие непрогнозируемых дрейфов ЭСГ погрешности выработки параметров ориентации КА будут, как известно, расти во времени. Для определения начального и текущего положения ортов кинетических моментов ЭСГ в ИСК, оценки их КМУ и погрешностей привязки измерительных осей каждого ЭСГ к осям КА используется выходная (эталонная для БИСО) информация от АВУ в виде текущих значений

кватерниона Letin,c L0 L1 L2 L3 T , характеризующего положение связанных осей xс yс zс (ССК) КА относительно инерциальных осей in1in2in3 (измерительные оси АВУ

приводятся к осям КА).

Основные обозначения систем координат и кинематических параметров движения КА, используемые в работе:

9

ИСК – инерциальная система координат ( in1in2in3 ), правый ортогональный трехгранник с началом в ц.м. (т. Oe ) Земли (ось in3 направлена по оси суточного вращения Земли, ось in1 - в точку весеннего равноденствия), (рис.4.1);

ОСК – орбитальная система координат ( xor yor zor ), правый ортогональный трехгранник с началом в ц.м. (т. M ) КА (ось yor направлена по радиус-вектору, ось xor - лежит в плоскости орбиты по направлению движения), (рис.4.1);

xb yb zb - оси БЧЭ, которые должны совпадать с осями xс yс zс КА. К осям КА приводятся оси АВУ;

xkni ykni zkni - оси, связанные с корпусом ЭСГi (i 1,2) .

При описании движения КА используется и так называемая система орбитальных элементов (рис.4.1), где введены следующие обозначения: i - наклонение орбиты; -

перигей; p - фокальный параметр; Vr ,V - радиальная и трансверсальная составляющие

вектора линейной скорости КА; C1, C2 , C3 - составляющие вектора момента C количества движения КА в проекциях на оси ИСК; t - время прохождения КА через восходящий узел орбиты (за начальный момент времени t0 принимается момент прохождения КА через восходящий узел орбиты).

10

A

Рис. 4.1. Ориентация ОСК xor yor zor НСi относительно ИСК in1in2in3

Точную начальную выставку ЭСГ (определение начального положения ортов их кинетических моментов в ИСК), калибровку дрейфов ЭСГ (уточнение их стендовых значений) и оценку погрешностей привязки измерительных осей каждого ЭСГ к осям АВУ осуществляют после запуска БИСО на орбите при реализации специального режима работы системы (режима калибровки). Это требует практически непрерывного (дискретность порядка 1 мин) поступления данных от АВУ. При этом для обеспечения полной наблюдаемости искомых оценок необходимо осуществлять изменение углового положения КА относительно орбитальной системы координат (например, по углу крена).

В условиях стенда начальное определение значений КМУ ЭСГ осуществляется при его экваториальной ориентации по методике идентификации методом гармонического анализа. В экваториальной ориентации гироскопа (вектор кинетического момента расположен в плоскости, параллельной плоскости земного экватора, оси корпуса - в экваториальной системе координат, связанной с плоскостью меридиана места) коэффициенты разложения в ряд Фурье составляющей ухода, ортогональной плоскости экватора, однозначно связаны с КМУ или их линейными комбинациями: коэффициенты k1; линейная комбинация k2 , k4 , ij , коэффициенты k3, k0 (и т.д.) вычисляются из амплитуд первой, второй, третьей и т.д. гармонических составляющих ряда Фурье. Так для нахождения предварительных оценок КМУ при выставке оси zk корпуса по оси Мира

используются следующие выражения: