Спосіб орієнтації космічного апарата

Реферат: Винахід належить до космічної техніки, а саме до способу визначення тривісної орієнтації космічного апарата. Спосіб тривісної орієнтації, який полягає в тому, що в умовах відсутності орієнтації космічного апарата після забезпечення обмеження по кутових швидкостях обертання космічного апарата для роботи ширококутного астродатчика виконується цикл астровимірювань у першому демпфованому положенні космічного апарата, за відсутності інформативного виміру ширококутного астродатчика через деякий час астровимірювань робиться припущення про засвічування поля зору ширококутного астродатчика одним з джерел засвічування (підсвічена Сонцем Земля, підсвічений Сонцем Місяць або Сонце), далі застосовується уникнення засвічування поля зору ширококутного астродатчика за допомогою послідовних кутових маневрів (пласких розворотів) космічного апарата відносно двох взаємно ортогональних осей, які ортогональні положенню оптичної осі ширококутного астродатчика у першому демпфованому положенні космічного апарата, після кожного маневру виконується демпфування кутових швидкостей космічного апарата, цикл астровимірювань та перевірка UA 111093 C2 (12) UA 111093 C2 наявності інформативного виміру ширококутного астродатчика, кути розворотів космічного апарата мають функціональну залежність від висоти орбіти космічного апарата, таким чином, в одному з п'яти положень космічного апарата та відповідно оптичній осі ширококутного астродатчика засвічування поля зору ширококутного астродатчика відсутнє, завдяки чому можливе визначення тривісної орієнтації космічного апарата за допомогою астровимірювань ширококутного астродатчика. Винахід дає можливість будувати тривісну орієнтацію без наявності первісної грубої базової орієнтації космічного апарата та додаткової балістичної інформації про положення джерел засвічування, зменшення у системі управління космічного апарата кількості командних приладів для визначення тривісної орієнтації, зменшення енергоспоживання, масових характеристик, вартості космічного апарата. UA 111093 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до космічної техніки і може бути використаний для побудови тривісної орієнтації космічного апарата. Функціонування космічного апарата на орбіті відбувається переважно у тривісній орієнтації. У тривісній орієнтації космічний апарат виконує зондування поверхні Землі, спостереження за космічним простором, корегування орбіти та інші функції. Для вирішення задачі побудови тривісної орієнтації існують типові схеми - сонячно-зоряна, сонячно-земна, зоряно-земна та зоряна. Відомий спосіб, у якому побудова тривісної орієнтації розпочинається з обертання космічного апарата навколо деякої осі, пошуку Сонця відповідним датчиком та подальшої стабілізації однієї з осей космічного апарата відносно напряму на Сонце. Далі космічний апарат закручується навколо цієї осі та здійснює пошук заздалегідь вибраної зірки, розташованої відносно Сонця під відомим кутом. Після виявлення зірки система управління забезпечує стабілізацію другої осі космічного апарата відносно напряму на зірку. В результаті одна вісь космічного апарата виявляється «прив'язаною» до напряму на Сонце, друга - до напряму на зірку (див. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. М.: Машиностроение, 1977, с. 104-105). Аналогічно сонячно-зоряній йде справа в схемі сонячно-земної орієнтації (із заміною зірки в попередній схемі на Землю) і в схемі зоряно-земної орієнтації (див. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. - М.: Наука, 1974, с. 83-89). Недоліками цих способів є застосування двох датчиків, необхідність додаткової апріорної інформації про положення орієнтирів та відносно низька точність побудови базової орієнтації космічного апарата. Також при застосуванні сонячно-зоряної та сонячно-земної схем недоліком є відсутність можливості їх застосування при розташуванні космічного апарата в тіні Землі. Відомий найбільш близький за технічною суттю спосіб побудови тривісної орієнтації космічного апарата за вимірами ширококутного астродатчика, в основу роботи якого покладений принцип орієнтації по зоряному полю, тобто по групі зірок. Після відділення космічного апарата від ракети-носія чи втрати орієнтації система управління космічного апарата будує первісну грубу базову орієнтацію космічного апарата для забезпечення відсутності засвічування та обмеження по кутових швидкостях обертання космічного апарата для роботи нерухомо встановленого на космічному апараті ширококутного астродатчика. Далі ширококутним астродатчиком виконується цикл астровимірювань за допомогою яких визначається тривісна орієнтація космічного апарата (див. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. - М.: Машиностроение, 1977, с. 44-45). Недоліком такого способу побудови тривісної орієнтації є необхідність наявності первісної грубої базової орієнтації космічного апарата та додаткової балістичної інформації про положення джерел засвічування. Також недоліком цього способу є необхідність залучення до системи управління космічного апарата додаткових датчиків для побудови базової орієнтації космічного апарата. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу побудови тривісної орієнтації космічного апарата за вимірами ширококутного астродатчика шляхом застосування додаткових маневрів космічного апарата для уникнення засвічування поля зору ширококутного астродатчика підсвіченою Сонцем Землею, підсвіченим Сонцем Місяцем, Сонцем. Запропонований спосіб працює в умовах відсутності інформації про кутове положення космічного апарата, Землі, Сонця, Місяця у просторі та застосовує для цього лише один нерухомо встановлений ширококутний астродатчик. Поставлена задача вирішується тим, що у відомий спосіб додатково в умовах відсутності орієнтації космічного апарата після забезпечення обмеження по кутових швидкостях обертання космічного апарата для роботи ширококутного астродатчика виконується цикл астровимірювань у першому демпфованому положенні космічного апарата, за відсутності інформативного виміру ширококутного астродатчика через деякий час астровимірювань робиться припущення про засвічування поля зору ширококутного астродатчика одним з джерел засвічування (підсвічена Сонцем Земля, підсвічений Сонцем Місяць або Сонце), далі застосовується уникнення засвічування поля зору ширококутного астродатчика за допомогою послідовних кутових маневрів (пласких розворотів) космічного апарата відносно двох взаємно ортогональних осей, які ортогональні положенню оптичної осі ширококутного астродатчика у першому демпфованому положенні космічного апарата, після кожного маневру виконується демпфування кутових швидкостей космічного апарата, цикл астровимірювань та перевірка наявності інформативного виміру ширококутного астродатчика, кути розворотів космічного апарата мають функціональну залежність від висоти орбіти космічного апарата, таким чином, в одному з п'яти положень космічного апарата та відповідно оптичній осі ширококутного 1 UA 111093 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 астродатчика засвічування поля зору ширококутного астродатчика відсутнє, завдяки чому можливе визначення тривісної орієнтації космічного апарата за допомогою астровимірювань ширококутного астродатчика. Таким чином, в одному з п'яти положень космічного апарата та відповідно оптичній осі ширококутного астродатчика засвічування поля зору ширококутного астродатчика відсутнє, завдяки чому можливе визначення тривісної орієнтації космічного апарата за допомогою астровимірювань ширококутного астродатчика. Кут маневрів від першого демпфованого положення космічного апарата (точка 1 на фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3) розраховується згідно з умовами відсутності одночасного засвічування підсвіченою Сонцем Землею поля зору ширококутного астродатчика у трьох положеннях космічного апарата. При недотримуванні цього правила існує імовірність засвічування поля зору ширококутного астродатчика в усіх п'яти положеннях космічного апарата. При відтворенні небесної сфери на площині така ситуація показана на фіг. 1. На фіг. 1 точками 1-5 позначено положення оптичної осі ширококутного астродатчика у відповідних положеннях космічного апарата. У положеннях 1, 3, 4 поле зору ширококутного астродатчика засвічене підсвіченою Сонцем Землею, у положенні 2 - Сонцем, у положенні 5 підсвіченим Сонцем Місяцем. Забезпечити хоча б одне незасвічене положення поля зору ширококутного астродатчика можливо, якщо сторона уявного квадрата, вершинами якого є положення 2, 3, 4, 5 оптичної осі ширококутного астродатчика, не менше діаметра зони засвічування підсвіченої Сонцем Землі. Приклад такої ситуації зображений на фіг. 2 та фіг. 3. На фіг. 2 та фіг. 3 положення 2 засвічене Сонцем, положення 5 - підсвіченим Сонцем Місяцем, а підсвічена Сонцем Земля одночасно може засвічувати положення 1, 4 (фіг. 2) чи 1, 3 (фіг. 3), але при цьому одне з положень (3 (фіг. 2) чи 4 (фіг. 3)) виявляється не засвічене, завдяки чому можливе визначення тривісної орієнтації космічного апарата за допомогою астровимірювань ширококутного астродатчика. На фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3 зони засвічування підсвіченою Сонцем Землею, підсвіченим Сонцем Місяцем, Сонцем зображені з урахуванням кутів β паразитного засвічування у відношенні до оптичної вісі ширококутного астродатчика. Для Сонця кут паразитного засвічування складає 30 град, для підсвіченого Сонцем Місяця та підсвіченої Сонцем Землі 20 град. Кутовий розмір d підсвіченої Сонцем Землі залежить від висоти орбіти космічного апарата. Ця залежність має вигляд:  R  , (1) d  2  arcsin  Rh де R - радіус Землі; h - висота орбіти космічного апарата. Для прикладу на фіг. 1 та фіг. 2 представлено зони засвічування для висоти орбіти космічного апарата 650 км. При розрахунках радіус Землі приймався рівним 6371 км. Розрахований кутовий розмір підсвіченої Сонцем Землі складе приблизно 130 град. Кутовий розмір dE зони засвічування підсвіченої Сонцем Землі з урахуванням паразитного засвічування можна розрахувати за формулою: dE  d  2 , (2) де d - кутовий розмір підсвіченої Сонцем Землі;  - кут паразитного засвічування для підсвіченої Сонцем Землі. З урахуванням паразитного засвічування кутовий розмір dE зони засвічування підсвіченої Сонцем Землі складе приблизно 170 град. 6 Маючи інформацію про радіус Сонця (R = 696000 км), відстань до Сонця (h = 149,610 км), радіус Місяця (R = 1737 км), відстань до Місяця (h = 384400 км) кутові розміри Сонця та Місяця можна розрахувати також за формулою (1). Розраховані кутові розміри Сонця та Місяця складуть приблизно 0,5 град. Застосовуючи формулу (2) та підставивши замість параметрів d та β відповідні параметри для Сонця та підсвіченого Сонцем Місяця, кутовий розмір зони засвічування з урахуванням паразитного засвічування Сонцем складе приблизно 60,5 град, а підсвіченого Сонцем Місяця складе приблизно 40,5 град. Кутові маневри космічного апарата для уникнення засвічування виконуються за допомогою послідовних пласких розворотів відносно взаємно ортогональних осей, які ортогональні положенню оптичної осі ширококутного астродатчика у першому демпфованому положенні космічного апарата (точка 1 на фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3) наступним чином: робиться переорієнтація оптичної осі ширококутного астродатчика з положення 1 у положення 2, далі з положення 2 у 2 UA 111093 C2 5 положення 3, далі з положення 3 у положення 1, далі з положення 1 у положення 4, далі з положення 4 у положення 5. Після кожного кутового маневру здійснюється демпфування кутових швидкостей космічного апарата для забезпечення циклу астровимірювань. Кут  маневру космічного апарата від положення 1 (точка 1 на фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3) оптичної осі ширококутного астродатчика до положення 2 (точка 2 на фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3) розраховується за допомогою формули: 2dE , 2 де dE - кутовий розмір зони засвічування підсвіченої Сонцем Землі з урахуванням паразитного засвічування. Для розглянутого прикладу кут маневру космічного апарата від положення 1 оптичної вісі ширококутного астродатчика до положення 2 складе приблизно 120 град. Враховуючи властивості квадрата кути маневру з положення 3 у положення 1, положення 1 у положення 4 складуть також приблизно 120 град, а з положення 2 у положення 3 та положення 4 у положення 5 складуть приблизно 240 град. Запропонований спосіб дозволяє будувати тривісну орієнтацію без наявності первісної грубої базової орієнтації космічного апарата та додаткової балістичної інформації про положення джерел засвічування, зменшити у системі управління космічного апарата кількість командних приладів для визначення тривісної орієнтації, а саме, застосовувати лише один ширококутний астродатчик, що дозволяє зменшити енергоспоживання, масові характеристики, вартість космічного апарата.  10 15 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 Спосіб тривісної орієнтації космічного апарата, який полягає в тому, що після відділення космічного апарата від ракети-носія чи втрати орієнтації система управління космічного апарата будує первісну грубу базову орієнтацію космічного апарата для забезпечення відсутності засвічування та обмеження по кутових швидкостях обертання космічного апарата для роботи нерухомо встановленого на космічному апараті ширококутного астродатчика, далі ширококутним астродатчиком виконується цикл астровимірювань, за допомогою яких визначається тривісна орієнтація космічного апарата, який відрізняється тим, що в умовах відсутності орієнтації космічного апарата після забезпечення обмеження по кутових швидкостях обертання космічного апарата для роботи ширококутного астродатчика виконується цикл астровимірювань у першому демпфованому положенні космічного апарата, за відсутності інформативного виміру ширококутного астродатчика через деякий час астровимірювань робиться припущення про засвічування поля зору ширококутного астродатчика одним з джерел засвічування (підсвічена Сонцем Земля, підсвічений Сонцем Місяць або Сонце), далі застосовується уникнення засвічування поля зору ширококутного астродатчика за допомогою послідовних кутових маневрів (пласких розворотів) космічного апарата відносно двох взаємно ортогональних осей, які ортогональні положенню оптичної осі ширококутного астродатчика у першому демпфованому положенні космічного апарата, після кожного маневру виконується демпфування кутових швидкостей космічного апарата, цикл астровимірювань та перевірка наявності інформативного виміру ширококутного астродатчика, кути розворотів космічного апарата мають функціональну залежність від висоти орбіти космічного апарата, таким чином, в одному з п'яти положень космічного апарата та відповідно оптичній осі ширококутного астродатчика засвічування поля зору ширококутного астродатчика відсутнє, завдяки чому можливе визначення тривісної орієнтації космічного апарата за допомогою астровимірювань ширококутного астродатчика. 3 UA 111093 C2 4 UA 111093 C2 5 UA 111093 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6