Результаты летных испытаний многоголового звездного датчика 348К Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетнеескцие чтения. 2015

УДК:629.78

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ МНОГОГОЛОВОГО ЗВЕЗДНОГО ДАТЧИКА 348К

Н. И. Фомичев1, Ю. А. Андронников2, О. И. Иванова2, А. Ю. Карелин1, В. О. Князев1, И. С. Кружилов1, А. В. Овчинников2, А. А. Поздняков1

1АО «НПП «Геофизика-Космос» Российская Федерация, 107497, г. Москва, ул. Иркутская, 11-1. E-mail: 1102@geocos.su 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Звездный датчик 348К состоит из нескольких (от 2-х до 4-х) оптических блоков, использующих в качестве фотоприемника APS-матрицу, и резервированного блока электронного. Звездный датчик 348К обеспечивает одинаковую точность по всем трем осям за время одновременной работы двух разнонаправленных оптических блоков. Изложены результаты летных испытаний датчика 348К в составе КА производства «АО «ИСС имени академика М. Ф. Решетнева» на геостационарной орбите в 2014-2015 годах.

Ключевые слова: звездный прибор, КМОП, оптический блок, кватернион, ориентация.

FLIGHT EXPERIENCE OF 348K STAR TRACKER

N. I. Fomichev1, Y. A. Andronnikov2, O. I. Ivanova2, A. Y. Karelin1, V. O. Knyazev1, I. S. Kruzhilov1,

A. V. Ovchinnikov2, A. A. Pozdniakov1

Joint Stock Company Scientific & Production Enterprise «Geofizika-Cosmos» 11-1, Irkutskaya Str., Moscow, 107497, Russian Federation. E-mail: 1102@geocos.su 2JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

348K is an autonomous multiple-head APS-based star sensor including from 2 to 4 optical heads and backed-up electronic module. 348K provides attitude determination of equal accuracy by all 3 axes because of 2 constantly active optical heads. The article presents the flight experience of348K star tracker in the geostationary orbit within the year.

Keywords: sensor, APS-detector, optical head, quaternion, satellite attitude determination.

Введение

Задачей звездного датчика является определение положения его собственной (приборной) системы координат относительно инерциальной геоцентрической системы координат на основе анализа участков звездного неба, проецируемых на фоточувствительную матрицу. Положение одной системы координат относительно другой задается последовательностью поворотов (углы Эйлера), матрицей поворота или нормированным кватернионом.

Звездные датчики являются наиболее точными приборами определения положения КА, значительно превосходя по этим показателям гироскопы, системы ориентации по Солнцу и Земле.

Звездный датчик, выполненный в виде моноблока, не может обеспечить одинаковую точность ориентации по всем трем осям. Из-за малого поля зрения погрешность по оси 02 значительно превышает погрешность по другим осям. Кроме того, датчик не может функционировать во время засветки от Солнца или Земли. Для устранения этого эффекта на КА устанавливаются несколько звездных датчиков, угол между визирными осями которых составляет порядка 90°. Такая компоновка позволяет получать одинаковую точность ориентации по всем трем осям и избегать полной засветки прибора Солнцем. Эта идея по-

лучила дальнейшее развитие в создании многоголовых звездных датчиков, в которых несколько оптических голов управляются единым блоком. Такой подход дает преимущества в сравнении с установкой нескольких датчиков на КА. Во-первых, упрощается интерфейс взаимодействия КА и звездного датчика, поскольку многоголовый прибор является одним оконченным устройством, во-вторых, часть задач бортового вычислителя КА (анализ достоверности информации, диагностика неисправности, логика включения/ выключения БО) перераспределяется на звездный датчик, что упрощает тестирование и настройку оборудования КА.

Технические характеристики звездного датчика 348К

В состав датчика 348К входит до четырех оптических блоков (БО) и резервированный блок электронный (БЭ). Каждый БО представляет собой законченный прибор, состоящий из бленды, оптического тракта, фоточувствительной матрицы и вычислителя и позволяющий определять ориентацию в автономном режиме. БЭ служит для координации работы разных БО и совместной обработки данных, поступающих с каждого БО.

Масса одного БО с блендой 40° - 1,25 кг, потребляемая мощность - 5,5 Вт. Для БО может быть ис-

Системы управления, космическая навигация и связь

пользован набор светозащитных бленд 25°, 30°, 40°. Масса резервированного БЭ - до 1,0 кг, потребляемая мощность - 1,5 Вт. Температурный диапазон от -40 до 50 °С. Для двух и более БО погрешность ориентации по каждой из осей во всем температурном диапазоне не превосходит 15 угл. секунд при СКО случайной составляющей погрешности 3 угл. с. Такая точность гарантирована при угловой скорости вращения КА до 0,25 °/с.

Летные испытания датчика 348К

Все испытания из состава наземной экспериментальной отработки (НЭО) были успешно проведены. В ходе наземной экспериментальной отработки были подтверждены все требования ТЗ на прибор. После проведения наземных испытаний первого штатного прибора 348К в составе КА было получено заключение о допуске к летным испытаниям [1].

Звездный датчик 348К проходит летные испытания в составе КА АО «ИСС» на геостационарной орбите с октября 2014. В состав датчика входят 4 БО. Визирные оси БО представляют собой ребра равносторонней пирамиды. Визирные оси двух соседних БО перпендикулярны. Такое взаимное расположение БО позволяет получать максимальную точность определения ориентации по всем трем осям.

348К создан с использованием радиационно-стойких компонентов. Кроме того, в датчике предусмотрены программные и аппаратные методы борьбы со сбоями. Благодаря этому в период прохождения летных испытаний датчик функционировал надежно, в том числе в периоды повышенной солнечной активности. На первом этапе летных испытаний имелись случаи некорректной выдачи телеметрических данных, вызванные ошибками в программном обеспечении, которые были впоследствии устранены. Звездный датчик успешно функционировал во время прохождения маневров КА.

При орбитальном движении по геостационарной орбите угловая скорость вращения КА составляет 0,25 угл. мин/с. Во время корректировки положения КА угловая скорость может достигать 3 угл. мин/с, что значительно меньше скорости, при которой гарантируются точностные характеристики датчика.

Анализ работы звездного датчика 348К проводился на основании анализа телеметрической информации, которая включает обобщенный кватернион ориентации, оценку угловой скорости движения КА и другие характеристики.

В эксплуатируемой версии 348К два БО являются активными, а два находятся в резерве. Различные оптические блоки датчика регулярно засвечивались Солнцем. Во время этого, согласно логике работы прибора, автоматически происходила смена работающих оптических блоков.

Оценка случайной составляющей погрешности ориентации в ходе летных испытаний

Для оценки погрешности углов ориентации по ТМ-информации использовалась методика, опробованная при анализе данных телеметрии звездного датчика 329К [2].

За погрешность ориентации принимались случайные составляющие изменения трех углов Эйлера ф, 9

и соответствующих кватерниону ориентации. Углы Эйлера ф, 9 и ¥ задают последовательные повороты вокруг осей ОХ, ОУ и 02, осуществляющие переход из системы координат КА в геоцентрическую систему координат. Положение каждого БО звездного датчика относительно системы координат КА задается программно и может быть скорректировано во время полета.

Поскольку истинное значение кватерниона ориентации в процессе полета неизвестно, то истинное значение углов Эйлера также неизвестно. В связи с этим в ходе обработки летных данных прибора была использована методика приближенной оценки истинных значений углов ориентации. Идея методики основана на том, что изменение ориентации спутника по орбите происходит плавно, в то время как ошибки прибора имеют в основном случайный характер. Используемый при анализе данных метод основан на вычитании линейного тренда, определяемого методом наименьших квадратов с последующим вычитанием нескольких гармонических низкочастотных составляющих с помощью преобразования Фурье.

Все измерения делятся на интервалы по 50 измерений. Для каждого интервала в процессе сглаживания строится и вычитается линия тренда, таким образом, остается только высокочастотная составляющая погрешности. Результаты оценки СКО случайной составляющей погрешности измерений приведены в таблице.

СКО случайной составляющей оценки углов ориентации и угловой скорости

аф, угл. с а0, угл. с аТ, угл. с аю, угл. мин./с

1,5 2,8 4,0 0,03

Полученные оценки погрешности случайной составляющей углов ориентации с учетом погрешности метода оценки соответствуют требованиям ТЗ, аналогичные результаты были достигнуты во время наземной экспериментальной отработки [1]. Разница в СКО погрешностей для трех углов связана со спецификой движения КА по орбите.

Библиографические ссылки

1. Многоголовый звездный датчик 348К. Результаты наземной экспериментальной отработки / А. Ю. Карелин, Ю. Н. Зыбин, В. О. Князев и др. // Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С. 167-172.

2. Flight experience of 329K star tracker / I. Kruz-hilov, V. Kuniaev, V. Fedoseev et al // Proc. SPIE. 2013. Vol. 8889. P. 888920-1 - 888920-11.

References

1. Multi-headed star tracker 348K. Final in-earth validation results, Vestnik SibGAU. 2014, N 4(56), P. 167-172.

2. Flight experience of 329K star tracker / Kruzhilov I., Kuniaev V, Fedoseev V. et al // Proc. SPIE, 2013, Vol. 8889. p. 888920-1 - 888920-11.

© Фомичев Н. И., Андронников Ю. А., Иванова О. И., Карелин А. Ю., Князев В. О., Кружилов И. С., Овчинников А. В., Поздняков А. А., 2015