Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным

Представлено описание разработанного способа определения ориентации. На основании выполненных обработок телеметрии проведен обобщенный анализ реализованных режимов ориентации космического аппарата “Січ-1М”. Результаты решения использованы при интерпретации измерений аппаратуры “Вариант”....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автор:	Пятак, И.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2010
Назва видання:	Техническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88082
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным / И.А. Пятак // Техническая механика. — 2010. — № 1. — С. 55-60. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-88082
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-880822015-11-08T03:02:17Z Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным Пятак, И.А. Представлено описание разработанного способа определения ориентации. На основании выполненных обработок телеметрии проведен обобщенный анализ реализованных режимов ориентации космического аппарата “Січ-1М”. Результаты решения использованы при интерпретации измерений аппаратуры “Вариант”. Представлений опис розробленого способу визначення орієнтації. На основі виконаних обробок телеметрії проведений узагальнений аналіз реалізованих режимів орієнтації космічного апарата “Січ-1М”. Результати рішення використані при інтерпретації вимірів апаратури “Варіант”. The developed method of the orientation determination is presented. A generalized analysis of realized orientation modes for the Sich-1M” SC is carried out. The results of the solution are used for interpretation of the Variant measuring equipment. 2010 Article Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным / И.А. Пятак // Техническая механика. — 2010. — № 1. — С. 55-60. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88082 629.7.05 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Представлено описание разработанного способа определения ориентации. На основании выполненных обработок телеметрии проведен обобщенный анализ реализованных режимов ориентации космического аппарата “Січ-1М”. Результаты решения использованы при интерпретации измерений аппаратуры “Вариант”.
format	Article
author	Пятак, И.А.
spellingShingle	Пятак, И.А. Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным Техническая механика
author_facet	Пятак, И.А.
author_sort	Пятак, И.А.
title	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным
title_short	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным
title_full	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным
title_fullStr	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным
title_full_unstemmed	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным
title_sort	определение ориентации космического аппарата "січ-1м” по телеметрическим данным
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88082
citation_txt	Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным / И.А. Пятак // Техническая механика. — 2010. — № 1. — С. 55-60. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT pâtakia opredelenieorientaciikosmičeskogoapparatasíč1mpotelemetričeskimdannym
first_indexed	2025-07-06T15:46:59Z
last_indexed	2025-07-06T15:46:59Z
_version_	1836913073599807488
fulltext	УДК 629.7.05 И.А. ПЯТАК ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА “СІЧ-1М” ПО ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ Представлено описание разработанного способа определения ориентации. На основании выполнен- ных обработок телеметрии проведен обобщенный анализ реализованных режимов ориентации космиче- ского аппарата “Січ-1М”. Результаты решения использованы при интерпретации измерений аппаратуры “Вариант”. Представлений опис розробленого способу визначення орієнтації. На основі виконаних обробок те- леметрії проведений узагальнений аналіз реалізованих режимів орієнтації космічного апарата “Січ-1М”. Результати рішення використані при інтерпретації вимірів апаратури “Варіант”. The developed method of the orientation determination is presented. A generalized analysis of realized orientation modes for the Sich-1M” SC is carried out. The results of the solution are used for interpretation of the Variant measuring equipment. Постановка проблемы. Космический аппарат (КА) “Січ-1М” был запу- щен 24.12.2004 г. Конструкция его аналогична конструкции разработанной ГКБЮ серии спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), начиная с КА “Космос-1500” и до “Січ-1”. Система управления ориентацией этих КА включает гравитационный стабилизатор (штангу, выдвигаемую после завер- шения выведения КА на орбиту) и блок гиродемпферов (БГД). Из-за преждевременного отключения двигательной установки третьей ступени ракеты-носителя КА вышел на нерасчетную орбиту, с уменьшенной высотой перигея. Это привело к нарушению работы системы ориентации и к отказу от выполнения ряда научных экспериментов. С другой стороны, полу- ченная орбита позволила создать улучшенные, даже уникальные условия для осуществления международного проекта “Вариант”. Улучшение условий обусловлено тем, что ни один из функционирующих научных спутников не заходит так низко в ионосферу, а при работе только аппаратуры данного про- екта сохранялась чрезвычайно высокая электромагнитная чистота спутника [1]. Возможность интерпретации измерительных данных научной аппаратуры и реализации указанных преимуществ зависела от определения фактической ориентации КА. В этих условиях задача правильного определения ориента- ции приобрела особое значение. Ввиду дополнительных осложнений, связан- ных с потерей части научной информации из-за сбоев, важно было обеспе- чить решение на всех участках, содержащих качественную информацию. Обзор публикаций по теме. Решение задачи производится на основании обработки данных установленных на борту магнитометра и солнечного дат- чика. Обработка позволяет определить угловое положение связанной с КА системы координат (ССК) относительно системы, принятой за базовую. В качестве базовой рассматривается орбитальная система координат (ОСК), оси xoyozo которой расположены следующим образом: ось xo направ- лена по трансверсали – в плоскости орбиты, в сторону полета, перпендику- лярно радиус-вектору центр Земли – КА; ось yo направлена по бинормали, по вектору орбитальной угловой скорости, ось zo направлена по радиус-вектору. Направления осей xyz ССК при правильной ориентации близки к направле- нию одноименных осей ОСК; угловое положение КА характеризуется вели- чиной отклонения осей ОСК от ОСК. В ряде случаев при выполнении про- странственной привязки измерений аппаратуры “Вариант” в качестве базовой выбиралась система координат, связанная с геомагнитным диполем. 55  И.А. Пятак, 2010 Техн. механика. – 2010. – № 1. Построение алгоритмов определения ориентации возможно на основании двух методов – локального или интегрального [2, 3]. Локальный метод преду- сматривает формирование оценки по данным одновременных измерений на- правлений двух неколлинеарных векторов – магнитного поля и солнечного. Очевидно, что такая оценка не может быть получена на теневых участках ор- биты. Интегральный метод основан на определении параметров математиче- ской модели, описывающей процесс ориентации на некотором участке дви- жения. Решение производится по данным неодновременных измерений и мо- жет быть распространено на участки с недостаточным для локального оцени- вания количеством данных, в данном случае – на теневые участки орбиты. Такой подход реализован в программном обеспечении, подготовленном для КА “Січ-1М” [4], и был апробирован при обработке данных спутника с ана- логичным характером движения [5]. Исходной информацией для решения задачи являются измерения магнитометра, солнечного датчика и углы откло- нения гиродемпферов. Правильность решения зависит от степени соответст- вия выбранной модели реальному закону ориентации КА. Задача исследования. В рассматриваемом случае фактически реализо- ванный закон ориентации принципиально отличался от заданного: вместо ожидаемого колебательного процесса с небольшой амплитудой наблюдались хаотические размахи, вплоть до переворотов. На угловое движение КА в про- цессе орбитального полета существенное влияние оказывают изменения воз- мущающих моментов от атмосферы. В связи с увеличенным эксцентрисите- том орбиты и малой высотой перигея плотность атмосферы по витку изменя- ется в ~350 раз , а в перигее она оказалась в ~500 больше ожидаемой. Сами по себе аэродинамические моменты, действующие на КА “Січ-1М”, достаточно малы, однако их периодический характер (удар в перигее) обуславливает по- явление силового воздействия с орбитальной частотой, взаимодействующего с собственными частотами системы ориентации. В результате реальное дви- жение КА может отличаться от того, которое представлено в [4] моделью ориентации. В этих условиях оказалось целесообразным проведение расчетов по определению ориентации с помощью альтернативной методики. Указанные выводы были сделаны на основании предварительного анали- за датчиковых данных. Это обусловило необходимость разработки подхода, основанного на предварительной идентификации модели ориентации по сис- теме измерений. Определение ориентации. Разработанная в ГКБЮ в 1967 г. рабочая ме- тодика определения ориентации по данным измерения направления двух век- торов (известные публикации с описанием подобного алгоритма появились значительно позже [5]) позволяет получить надежное решение вне зависимо- сти от характера ориентации КА и проконтролировать результат работы дру- гих видов математического обеспечения. Применительно к данной задаче ме- тодика расширена на случаи участков с неполным составом измерений. Такой подход включает элементы локального и интегрального методов Определение ориентации производится через вычисление матрицы перехода ОСК–ССК по измеренным значениям векторов и (в данном случае это векторы геомагнитного поля и солнечный) и их расчетным вели- чинам и . A H S oH oS 56 Строится промежуточная система координат ПСК с осями сле- дующим образом. UVW Ось лежит в плоскости , ; можно совместить ее с . Ось ор- тогональна плоскости , ; вектор направления этой оси определяется как (векторное произведение), и ось определяется своим вектором как U H V H S S W H H S S SW  V V SHS  W  VU  B . Ортогональная матрица перехода ПСК–ССК имеет вид , где , , – векторы-столбцы. Для оптимиза- ции точности положение оси может выбираться как промежуточное меж- ду направлениями векторов и , в обратном соотношении между точно- стями их измерения. U U V S W H Аналогично по векторам и строится матрица ПСК–ОСК. oH oS oB Искомая матрица ОСК–ССК определяется как . Заключитель- ная матрица нормируется. Из элементов этой матрицы определяются ха- рактеристики ориентации (углы, кватернион). Качество решения оценивается по величине невязки T oBBA  A oHAHH Δ . Оценивание локальным методом позволяет определить ориентацию в точках, где присутствуют измерения двух векторов (солнечного и геомагнит- ного). Для получения оценок ориентации в отдельных пропущенных точках (сбои телеметрии, теневые участки витка), для экстраполяции оценок произ- водится полиномиальная аппроксимация полученных оценок кватерниона ориентации. Формула аппроксимации на момент времени , выраженная че- рез безразмерное время t  , вычисляемое на интервале аппроксимации через начальное время и конечное время как 0t kt    00 ttt / t k  , имеет вид . VPΛ Здесь – вектор аппроксимирующего полинома степени , – матрица коэффициентов, вычисляемая методом наименьших квадратов по имеющимся на интервале оценкам кватернионов … .  Tn ....1 2V P  t … n k 1 kt 1Λ Λ Если в аппроксимируемой точке t имеется измерение магнитометра ,  T zyx HHHH оно используется для уточнения оценки . Вычисляется расчетное значение измеренного вектора Λ   o! HAH Λ , где  ΛA Λ'Λ – матрица перехода ОСК– ССК, соответствующая оценке , строится кватернион поворота, совме- щающего с измеренным , и окончательное значение кватерниона ори- ентации ' в момент t определяется как . Таким образом, полу- ченная оценка ' извлекает максимум информации из измерительных дан- ных, восполняя недостаток наблюдаемости аппроксимированными значения- ми. Λ H N !H Λ N Λ Представленный математический алгоритм был реализован в виде про- граммного комплекса обработки телеметрических данных об ориентации КА “Січ-1М”. Процесс решения включал: 57  выборку измерительных данных магнитометра и солнечного дат- чика из потока телеметрической информации (ТМИ);  дешифровку данных и получение направлений измеренных век- торов;  интегрирование уравнений орбитального движения по заданным баллистическим данным;  вычисление направления векторов солнечного и геомагнитного поля на моменты измерений;  решение задачи определения и аппроксимации ориентации на за- данный временнόй интервал. Таким образом была проведена обработка ТМИ ряда сеансов, перечис- ленных в [1]. Угловое движение на разных сеансах определялось режимом работы системы ориентации. В пределах одного режима характер движения на разных сеансах оказывается следующим: колебания с большой амплиту- дой при включенном БГД, вращение при отключенном. На рис. 1 представлен график изменения углов ориентации: курса  ψ , тангажа psi   tet , крена   fi на сеансе, полученном при съеме ТМИ на витке 1087 5.03.05 (БГД включен). Однозначно ориентацию характеризует угол , вычисляемый как модуль вектора конечного поворота откло- нения ССК от ОСК. Из графика видно, что движение КА в этом режиме мо- жет быть представлено как колебание по курсу и крену с амплитудой до 40…50; полное отклонение КА от ОСК находится в пределах 10…60.  teta  14000 15000 16000 17000 18000 -80 -40 0 40 80 teta psi tet fi t, s Angles, degrees Рис. 1 На сеансе на витке 1131 (съем ТМИ на витке 1139 8.03.05), наблюдалось изменение углов ориентации в пределах 0…360, что соответствует враще- нию КА относительно ОСК. Ориентация в этом режиме характеризуется на- правлением оси вращения, измеряемым сферическими углами δ (Del) – скло- нение и α (Al) – прямое восхождение, и углом поворота вокруг этой оси. В качестве базовой здесь выбрана плоскость xoyo ОСК, угол δ отсчитывается от 58 этой плоскости, угол α – от оси xo. Значения углов представлены на графике рис. 2. Из графика видно, что направление оси близко к оси yo ОСК и движе- ние КА представляет собой почти чистое вращение по тангажу. Угловая ско- рость вращения составляет (0,2…0,25)/с. (Скачкообразный характер линий графика объясняется тем, что датчики ориентации имеют цифровой выход и оценка параметров вращения производится через вычисление разностей двух близких дискретных величин). 41000 42000 43000 44000 45000 -80 -40 0 40 80 120 Delta Alpha Angles, degrees t, s Рис. 2 Выводы. Результаты обработок измерений датчиков показали, что раз- работанное математическое обеспечение позволило надежно определить ори- ентацию КА, в том числе и в нештатных ситуациях. В большинстве случаев величины невязок соответствовали паспортной погрешности датчиков (1..2), что подтверждает правильность решения. Полученная ТМИ имела хорошее качество и минимальное количество сбоев, в связи с чем подготовленный комплекс исходных числовых данных и результатов решения может найти дальнейшее применение. Вычисленные значения углов ориентации были ис- пользованы при создании каталога данных проекта “Вариант”, предназначен- ного для послеполетной обработки информации установленной на КА “Січ- 1М” научной аппаратуры [1]. Эти значения также могут служить в качестве теста при разработке моделей динамики КА, приближенных к реальным, а совместно с исходной ТМИ – для отработки перспективных принципов опре- деления ориентации. 1. Корепанов В. Є. “Варіант” – перший міжнародний науковий експеримент на борту українського супут- ника / В. Є. Корепанов, В. М. Івченко, Г. В. Лізунов, О. П. Федоров, Ф. Л. Дудкін, А. М. Попель // Космічна наука і технологія. – 2007. – Т. 13, № 4. – С. 3 – 9. 2. Белецкий В. М. Определение ориентации искуственных спутников по данным измерений. В 2 ч. Ч.1. Метод / Белецкий В. М., Голубков В. В., Степанова Е. А. и др. – М. : Ин-т прикл. математики АН СССР, 1967. – 196 с. 59 60 3. Барышев В. А. Контроль ориентации метеорологических спутников / Барышев В. А., Крылов Г. Н. – Л. : Гидрометеорологич. изд-во, 1968. – 210 с. 4. Белецкий В. М. Комплекс определения ориентации космического аппарата “Січ-1М” / Белецкий В. М., Ефименко Н. В., Кудин Н. И. и др. // Космічна наука і технологія. – 2003. – Т. 9, №1. – С. 8 – 14. 5. Зубов В. И. Лекции по теории управления / В. И. Зубов. – М. : Наука, 1975. – 496 с. 6. Зигунов В. Н. Определение ориентации спутника / Зигунов В. Н., Пятак И. А. // Космическая стрела. Оптические исследования атмосферы. – М. : Наука, 1974. – С. 139 – 144. Государственное предприятие Получено 14.12.09, «Конструкторское бюро «Південне», в окончательном варианте 14.12.09 Днепропетровск

Определение ориентации космического аппарата "Січ-1М” по телеметрическим данным

Репозитарії

Схожі ресурси