Одной из приоритетных задач современной космонавтики является развитие высокоточных и высокоинформативных космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [1−3,6,62]. Мониторинг окружающей среды является актуальной задачей для научных, народнохозяйственных и оборонных применений. Системы мониторинга направлены на решение таких глобальных проблем, как изменение климата, предупреждение возникновения лесных пожаров и наводнений, слежение за состоянием нефтепроводов, наблюдение в районах катастроф, проведение поисковых и спасательных работ. Большую значимость приобретает использование данных дистанционного зондирования Земли, как в интересах картографии, геодезии, поиска полезных ископаемых, экологии, природных наблюдений, сельского хозяйства, так и в военной видовой разведке.
Современные информационные технологии позволяют эффективно использовать данные дистанционного зондирования земной поверхности за счет автоматического приема, регистрации и обработки изображений. В связи с быстрым доступом к получаемым изображениям и их оперативной обработкой большое внимание уделяется системам космического мониторинга земной поверхности [4,5]. Существенно возрастает роль военно-космических средств в обеспечении эффективности ведения боевых действий в локальных вооруженных конфликтах, при этом особую важность приобретают задачи создания и совершенствования систем космической разведки.
В настоящее время наибольшим спросом пользуются данные ДЗЗ высокого и сверхвысокого пространственного разрешения [7]. Использование данных ДЗЗ для решения различного рода задач дает значимый экономический эффект.
Современные спутники дистанционного зондирования земной поверхности для качественного выполнения своей целевой задачи требуют точного определения пространственной ориентации. Погрешности определения ориентации космического аппарата непосредственно влияют на точность наведения оси целевой аппаратуры на заданные объекты наблюдения. Ошибка определения угла в 2' с орбиты высотой 300 км, вызовет ошибку наведения порядка 200 метров, что может стать критичным для некоторых приложений.
К числу наиболее значимых факторов, определяющих особенность и сложность управления низкоорбитальными высокоинформативными КА ДЗЗ, относятся:
— необходимость решения на борту КА задачи высокоточного наведения оси целевой аппаратуры на любой объект наблюдения из заданной их совокупности;
— необходимость многократного быстрого и прецизионного перенацеливания КА в одном сеансе наблюдения: с одного наблюдаемого объекта (маршрута) на, другой, произвольно расположенный относительно трассы полёта;
— необходимость плавного управления КА с целью исключения «смазов» изображения.
Основные принципы формирования программ управления угловым движением, исходя из эффективного проведения процесса зондирования, можно свести к следующим:
— использование параметров движения центра масс КА, определяемых системой автономной навигации на момент времени, максимально приближенный к началу планируемого интервала проведения съёмки маршрутов;
— формирование программ управления угловым движением КА (программного движения), исходя из обеспечения требований по точности определения скорости компенсации сдвига изображения по маршруту и непрерывности параметров управления в процессе полёта КА как на маршрутах, так и между маршрутами съёмки.
В свою очередь, необходимые для системы управления движением КА параметры угловой ориентации определяются, как правило, гироскопическими системами ориентации, от характеристик которых в значительной степени зависит качество решения целевой задачи КА ДЗЗ. С целью компенсации погрешностей гироскопических систем ориентации, накапливающихся с течением времени, в систему управления КА вводят систему коррекции по объектам небесной сферы. В настоящее время эту задачу решают системы астроориентации — астровизирующие устройства, которые могут с высокой точностью определять ориентацию осей КАпо произвольному участку звездного неба.
Задача повышения точности ориентации осей КА ДЗЗ может быть решена наиболее эффективно при использовании высокоточной автономной системы ориентации на базе позиционных гироскопов, с периодическими коррекциями по информации от астровизирующих устройств (АВУ).
Совместное использование высокоточных позиционных гироскопов и АВУ позволит:
— увеличить интервал времени между астрокоррекциями и упростить их планирование;
— упростить требования к чувствительности средств астронавигации, уменьшить их вес и габаритыуменьшить каталог звезд, используемых при астронавигации, и, соответственно, вычислительные ресурсыповысить устойчивость работы системы управления КА при сбоях в каналах управления за счет «пространственной памяти" — существенно повысить точность и разрешающую способность устройств, используемых для мониторинга поверхности Земли;
— практически полностью снять ограничения на угловую динамику КА, что позволит реализовать специальные режимы съемки: съемка площадки, стереосъемка, съемка с произвольным азимутом;
Бесконкурентными по точности в настоящее время, в том числе для космического применения, являются гироскопы с электростатическим подвесом сферического ротора (ЭСГ) [8].
На протяжении последних десятилетий в ЦНИИ «Электроприбор» разработаны прецизионные карданные инерциальные системы на ЭСГ для морских навигационных комплексов. В последнее время в ЦНИИ «Электроприбор» создана бескарданная инерциальная система на электростатических гироскопах (БИС-ЭГ) для систем управления движением космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.
Проведены летно-конструкторские испытания бескарданной инерциальной системы ориентации на ЭСГ на различных КА, которые показали возможность достижения высоких точностей определения угловой ориентации КА. Однако, при летной отработке выявились проблемы связанные с решением задачи идентификации коэффициентов модели ухода (КМУ) и определении привязок измерительных осей гироскопов к измерительным осям корректирующих устройств.
В карданных инерциальных системах на ЭСГ решаются аналогичные задачи привязки баз и калибровки КМУ в условиях морских объектов [32]. Однако, ввиду специфики космического применения эти решения не могут быть непосредственно перенесены, что и определяет актуальность темы диссертации. Результаты проведенных работ подготовили базу для решения поставленных в работе задач.
Целью настоящей диссертации является разработка алгоритмов и методик калибровки бескарданной инерциальной системы ориентации (БИСО) на ЭСГ для использования на высокодинамичных КА ДЗЗ.
Объектом исследования является система определения ориентации на ЭСГ для КА дистанционного зондирования Земли, а предметом исследования являются алгоритмы совместной обработки данных БИСО на ЭСГ и АВУ при штатной эксплуатации КА ДЗЗ.
Основные задачи исследования:
1. Разработка алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при неизвестном взаимном положении баз ЭСГ и астровизира.
2. Исследование наблюдаемости коэффициентов модели ухода ЭСГ и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира на основе анализа аналитических решений уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального полета с учетом динамики КА.
3. Оценка эффективности алгоритмов калибровки системы ориентации на ЭСГ по результатам моделирования и летных испытаний.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Аналитические решения уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА.
2. Методика обеспечения наблюдаемости коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями. ЭСГ и астровизира.
3. Алгоритмы калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при неизвестном взаимном положении баз ЭСГ и астровизира.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы системного • анализа и обработки информации, методы математического моделирования, теории гироскопов и инерциальных навигационных систем, основы теории статистического оценивания и дифференциальных уравнений. Адекватность полученных результатов подтверждена как компьютерным моделированием алгоритмов, так и результатами натурных испытаний бескарданной инерциальной системы ориентации на ЭСГ.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Разработан алгоритм калибровки системы ориентации на ЭСГ в условиях космической эксплуатации для одновременного определения коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и измерительными осями астровизира.
2. Определены условия полной наблюдаемости коэффициентов модели ухода и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира.
3. Разработан алгоритм коррекции системы ориентации на ЭСГ с уточнением коэффициентов модели ухода по данным астровизира, поступающих в произвольные моменты времени.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработанные алгоритмы позволили расширить возможности применения систем ориентации на позиционных электростатических гироскопах в системах управления движением КА дистанционного зондирования Земли.
2. Разработано программное обеспечение, в котором реализованы алгоритмы калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ при штатной эксплуатации на КА.
3. Предлагаемые методики и алгоритмы коррекции погрешностей позволили существенно повысить точность определения ориентации и качество решения целевой задачи КА.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается:
1. Результатами лётных испытаний на 7 КА различных типов.
2. Имитационным и полунатурным моделированием системы ориентации на ЭСГ.
3. Положительной оценкой работы при критическом обсуждении результатов работы на научно-технических конференциях.
Внедрение и практическое применение.
На основе алгоритмов разработано и используется ПО камеральной обработки данных прибора БИС-ЭГ для уточнения КМУ каждого ЭСГ и определения привязок измерительных осей с последующей их закладкой на борт КА. Предлагаемые алгоритмы калибровки ЭСГ планируется использовать в штатном ПО бескарданной инерциальной системы БИС-ЭГ с целью повышения точности определения углового положения КА ДЗЗ.
Основные результаты использованы при сопровождении летно-конструкторских испытаний и эксплуатации КА различных модификаций.
В первой главе выполнен обзор и приведено описание существующих систем ориентации для системы управления движением космических аппаратов. Рассмотрен принцип построения бескарданной системы ориентации на электростатических гироскопах. Представлена математическая модель движения ротора ЭСГ, обосновывается упрощение модели в условиях невесомости, приведен принцип определения ориентации по данным бескарданной инерциальной системы ориентации на электростатических гироскопах и описан алгоритм определения угловой ориентации. Рассмотрены проблемы, связанные с калибровкой системы БИС-ЭГ. Показано, что совместное использование БИС-ЭГ и АВУ позволит повысить точность и автоматизировать процесс определения ориентации. С целью повышения точности определения ориентации поставлена задача калибровки электростатических гироскопов прибора БИС-ЭГ по данным АВУ.
Во второй главе разработан алгоритм калибровки на основе фильтра Калмана для определения КМУ и привязок измерительных осей ЭСГ с использованием эталонной информации об угловом положении от АВУ. Исходя из движения ротора «полярного» и «экваториального» ЭСГ рассмотрена задача идентификации коэффициентов модели ухода на основе аналитических методов. Произведена оценка влияния невязок измерительных осей ЭСГ относительно измерительных осей АВУ на точность определения угловой ориентации. На основе аналитических решений проведен анализ наблюдаемости коэффициентов модели ухода и привязок измерительных осей ЭСГ при орбитальном движении КА.
В третьей главе решается задача коррекции с целью калибровки остаточных дрейфов системы ориентации на ЭСГ. Рассмотрен алгоритм компенсации постоянных составляющих ухода электростатических гироскопов и алгоритм коррекции КМУ с использованием фильтра Калмана.
Предложена методика и порядок калибровочных работ с целью обеспечения наблюдаемости КМУ каждого ЭСГ, и, как следствие, повышение точности их идентификации.
В четвертой главе приведены результаты исследований алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ. Разработано программное обеспечение для отработки алгоритмов калибровки и коррекции. Приведены результаты имитационного моделирования и калибровки по данным летных испытаний приборов БИС-ЭГ, входящих в систему управления движением КА ДЗЗ типа «Ресурс-ДК», 11Ф695, 14Ф138. Показано, что уточнение КМУ и определение привязок измерительных баз позволяет повысить точность определения ориентации КА. На основании проведенных исследований сделаны выводы о возможности внедрения алгоритма калибровки ЭСГ в штатное программное обеспечение прибора БИС-ЭГ.
В заключении перечисляются основные результаты работы и сформулированы общие выводы по работе.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались и докладывались на: международных конференциях по интегрированным навигационным системам (ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург): ХШ (2006г.) XV (2008г.) — XIII Международной конференции Системный анализ, управление и навигация, Евпатория 2008; конференциях памяти H.H. Острякова (ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург): XXV (2006г.) XXVI (2008г.) XXVII (2010г.) — конференциях молодых ученых (ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург): VI (2004г.) X (2007г.) — на XVIII (2008г.) конференции молодых ученых и специалистов (РКК «Энергия» С. П. Королева, Москва).
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из списка рекомендованного ВАК и 5 докладов на научно-технических конференциях.
4.5 Выводы по главе 4.
1) По результатам моделирования подтверждена эффективность разработанных алгоритмов калибровки и коррекции системы ориентации на ЭСГ в условиях орбитального движения КА. На интервале моделирования 23 витков орбитального обращения погрешность оценивания КМУ и привязок измерительных осей гироскопов составляет 5−10%.
2) Экспериментально подтверждено, что калибровка системы ориентации на интервале 2−3 витков орбитального обращения КА позволяет на порядок повысить точность определения ориентации за счет определения привязок измерительных осей электростатических гироскопов и уточнения коэффициентов модели ухода.
3) Моделированием и экспериментально подтверждено, что при орбитальном движении КА привязка ЭСГ по углу тангажа и ряд коэффициентов модели ухода не проявляются. Поэтому, на этапе калибровки системы ориентации на ЭСГ предложено выполнять специальные развороты КА.
4) По результатам экспериментальной проверки показано, что алгоритмы коррекции обеспечивают точность определение угловой ориентации в течение всего времени работы КА на уровне точности оптической системы съема информации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе получены следующие основные результаты:
1. Разработан алгоритм совместной калибровки коэффициентов модели ухода бескарданных электростатических гироскопов и углов рассогласования между измерительными осями ЭСГ и астровизира в условиях орбитального полета КА.
2. Разработан алгоритм коррекции системы ориентации на ЭСГ с уточнением коэффициентов модели ухода по данным АВУ, поступающих в произвольные моменты времени.
3. Получены аналитические решения уравнений движения ротора ЭСГ в условиях орбитального движения КА с учетом дрейфа орбиты и угловых колебаний КА.
4. На основе анализа аналитических решений проведены исследования наблюдаемости КМУ и привязок измерительных осей ЭСГ и выработаны требования к специальным движениям КА на этапе калибровки системы ориентации на ЭСГ, позволяющие обеспечить наблюдаемость калибруемых параметров.
5. По результатам имитационного моделирования и обработки летных данных показано, что использование разработанного алгоритма калибровки системы ориентации на ЭСГ позволяет повысить на порядок и более точность определения ориентации КА. Использование разработанного алгоритма коррекции позволяет обеспечить точность определение угловой ориентации на уровне точности оптической системы съема информации.
6. Разработано и проверено программное обеспечение для определения коэффициентов модели ухода и привязок измерительных осей ЭСГ, позволяющее автоматизировать процедуру калибровки и повысить точность ориентации КА.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
1. Одинцов Б. В., Белаш A.A., Егоров Е. А. «Аппаратно-программный комплекс для испытаний бескарданной инерциальной системы определения ориентации» / Навигацияи управление движением. Материалы V конференции. молодых ученых, ГНЦ-ЦНИИ «Электроприбор». — СПб, 2004, с. 192−195.
2. Ландау Б. Е., Емельянцев FJ0L, Левин С Л-, Романенко C.F., Гуревич С. С., Одинцов Б. В. «Основные результаты разработки и испытаний системы определения ориентации на электростатических гироскопах для низкоорбитальных космических аппаратов», Гироскопия и навигация № 2, 2007, с.3−12.
3. Одинцов Б. В. «Особенности программно-математического обеспечения для. определения угловой ориентации объекта по данным электростатических гироскопов» / Навигация и управление движением. Материалы X конференции молодых ученых, ГНЦ-ЦНИИ «Электроприбор». — СПб, 2007, с.47−54.
4. Ландау Б. Е., Гуревич С. С., Емельянцев F.H., Левин СЛ., .Одинцов Б. В., Романенко С. Г. «Результаты калибровки электростатических гироскопов в бескарданной инерциальной системе ориентации» / Юбилейная XV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам — СПб, 2008, с.122−129.
5. Емельянцев Г. И., Ландау Б. Е., Левин СЛ., Одинцов Б. В., Романенко C.F. «Повышение точности БИСО на ЭСГ с применением автоматического уточнения коэффициентов модели ухода в процессе космической эксплуатации» / Рефераты докладов XXVI конференции памяти Н-Н. Острякова — СПб, 2008, с.74−75.
6. Завгородний В. И., Одинцов Б. В. «Влияние электромагнитных, полей на параметры бескарданного ЭСГ со сплошным ротором» / Рефераты докладов XXVI конференции памяти Н: Н. Острякова — СПб, с.22−25.
7. Ландау Б. Е., Емельянцев Г. И., Одинцов Б. В. «Калибровка ЭСГ системы ориентации в условиях орбитального полета» / XIII Международная конференции «Системный анализ, управление и навигация», Евпатория 2008, с.22−25.
8. Одинцов Б. В., Белаш A.A. «Наземные испытания алгоритма уточнения коэффициентов модели ухода электростатического гироскопа для космического применения» / Материалы XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, РКК «Энергия» им. С. П. Королева, Королев, 2010, с. 79−82.
9. Одинцов Б. В. «К задаче повышения точности определения ориентации космического аппарата дистанционного зондирования Земли» / Гироскопия и навигация № 2, 2010, с.5−15.
10. B.Ye.Landau, G.I.Yemelyantsev, B.V.Odintsov «Electrostatic Gyroscopes in Attitude Reference Systems for Orbital Spacecrafts» / China International Conference on Inertial Technology and Navigation, Nanjing, China, 2010.
И.Ландау Б. Е., Буравлев А. П., Гуревич C.C., Емельянцев Г. И., Романенко С. Г., Левин С. Л., Одинцов Б. В. «О модели дрейфов и калибровке БИСО на ЭСГ в условиях орбитального космического аппарата» / Рефераты докладов XXVII конференции памяти H.H. Острякова, СПб, 2010, с.82−83.
