Раздел 2
Методы исследования и способы повышения точности ориентации космического
аппарата и его элементов
2.1. Повышение точности определения ориентации КА с использованием оптимальной
фильтрации информации звёздных датчиков
Для рассматриваемых в работе классов космических аппаратов (КА), например,
предназначенных для дистанционного зондирования поверхности Земли, разработка
которых предусматривается Национальной космической программой Украины,
выдвигаются высокие требования к точности управления ориентацией и к точности
определения ориентации аппарата. Чтобы удовлетворить этим требованиям,
приходится использовать в составе КА звездные датчики (астродатчики) [66].
Астродатчики (АД) принципиально могут обеспечить высокую точность определения
ориентации КА, т.к. звезды можно считать точечными источниками света, а их
координаты на небесной сфере определены с очень высокой точностью.
В ряде случаев с помощью информации АД осуществляют коррекцию положения
гиростабилизированной платформы (ГСП) или бесплатформенной инерциальной
системы. В этих случаях ГСП или БИНС используют в качестве командных приборов
(чувствительных элементов).
Астрономические методы определения ориентации КА реализуют либо путем
визирования некоторого поля звезд, либо путем слежения за одиночными звездами
[19]. В таких случаях АД устанавливают соответственно неподвижно на корпусе КА
или в двухстепенном кардановом подвесе.
Важным фактором, определяющим схему построения АД, является применение того или
иного фотоприемного устройства (ФПУ). В качестве ФПУ на многих АД нашли
применение фотоэлектронные умножители, телевизионные трубки типа видикон,
диссектор. В последнее время все большее распространение получают АД, ФПУ
которых основаны на использовании матриц фоточувствительных элементов,
изготовленных из кремния по интегральной технологии на приборах с зарядовой
связью [118].
Независимо от способа получения изображений звездного неба применяется
следующая схема определения ориентации по звездам. На изображениях участков
звездного неба опознаются изображения звезд и определяются их координаты в
системе координат прибора. Звезды с измеренными координатами идентифицируются в
звездном каталоге, т.е. определяются их координаты в экваториальной системе
координат. Используя координаты опознанных звезд в инерциальной системе
координат и их координаты в приборной системе координат, определяют ориентацию
КА на момент фиксации звезд. Для распознавания звезд наиболее приемлемым при
астроориентации является способ, основанный на анализе рисунка звездного неба,
т.е. по их взаимному расположению.
Погрешность определения ориентации КА с использованием АД во многом
определяется погрешностями определения координат звезд в приборной системе
координат. На погрешность определения координат звезд АД оказывают влияние
различные факторы, состав которых определяется схемой его построения. Например,
для АД, расположенных неподвижно на корпусе КА, в состав суммарной погрешности
определения координат звезд входят погрешность определения геометрического
центра звезды, вызванная дискретным характером ФПУ, погрешность, вызванная
флуктуационными шумами ФПУ, погрешность, вызванная нестабильностью фокусного
расстояния из-за колебания температуры, погрешность, вызванная флуктуациями
магнитного поля Земли (для ФПУ на телевизионных трубках). В случае подвижных АД
необходимо также учитывать возможность захвата не навигационной звезды или
помехи, а также ошибки из-за люфтов в конструкции привода.
В итоге суммарная погрешность определения координат звезд в приборной системе
координат может быть представлена в виде систематической и случайной
составляющих. При этом систематическая составляющая принципиально может быть
скомпенсирована.
Следует отметить, что разработанные в последнее время образцы АД позволяют
определять ориентацию с достаточно высокой точностью. Однако из-за высокой
стоимости и значительной длительности разработки таких приборов в настоящее
время не исключается возможность использования ранее разработанных АД, имеющих
относительно невысокие точностные характеристики.
В этой связи актуальной является задача повышения точности определения
ориентации КА при использовании относительно грубых АД.
Для повышения точности и надежности обнаружения звезд применяют различные
специальные режимы работы АД, например, многоступенчатую процедуру анализа
пространства изображений. Наличие электронного сканирования позволяет
использовать различные законы обзора поля зрения для различных режимов работы
астроприбора [119]. Для устранения нестабильности фокусного расстояния
объектива используют его динамическую калибровку. Используют также алгоритмы,
основанные на переходе от определения геометрического центра звезды к
определению энергетического центра изображения звезды, который дает
преимущества особенно при фиксации звезд пороговых звездных величин.
Дополнительным путем повышения точности определения ориентации КА с
использованием АД является использование различных видов фильтрации сигналов,
получаемых с этих приборов, но результаты работ в этом направлении недостаточно
освещены в печати. Один из возможных достаточно простых вариантов такой
фильтрации рассмотрен ниже в настоящей работе.
Постановка задачи. Предлагается для уменьшения погрешности измерения координат
звезд использовать информацию нескольких работающих параллельно АД. Такая
возможность, как правило, имеется, в виду резервирования командных приборов с
целью повышения надежности систем ориентации или определения ориентации.
Наличие
- Київ+380960830922