Алгоритмы определения ориентации низковысотных космических аппаратов на основе комплексирования спутниковых радионавигационных и магнитометрических измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.09, кандидат технических наук Крамлих, Андрей Васильевич

• Крамлих, Андрей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крамлих, Андрей Васильевич

Введение.

Глава 1 Задача определения пространственной ориентации космического аппарата.

1.1 Характеристика проблемы определения пространственной ориентации космического аппарата.

1.2 Математические модели, используемые в задаче определения ориентации космического аппарата.

1.3 Формализация задачи определения ориентации космического аппарата по радионавигационным и магнитометрическим измерениям.

1.3.1 Радионавигационные измерения.

1.3.2 Магнитометрические измерения.

1.3.3 Математическая постановка задачи.

1.4 Обзор методов определения пространственной ориентации космического аппарата.

1.4.1 Характеристика интегральных методов определения ориентации.

1.4.2 Локальные методы определения ориентации.

Глава 2 Алгоритмы определения пространственной ориентации космического аппарата по анализу пространственного положения видимых/невидимых навигационных спутников.

2.1 Математическая постановка задачи.

2.2 Алгоритм определения пространственной ориентации продольной оси космического аппарата.

2.3 Исследование эффективности алгоритма определения пространственной ориентации продольной оси космического аппарата.

2.4 Алгоритм определения пространственной ориентации космического аппарата.

2.5 Исследование эффективности алгоритма определения пространственной ориентации космического аппарата.

Выводы по второй главе.

Глава 3 Алгоритмы определения пространственной ориентации космического аппарата на основе комплексирования магнитометрических и спутниковых радионавигационных измерений.

3.1 Схемы комплексирования магнитометрических и спутниковых радионавигационных измерений.

3.1.1 Сильносвязанная схема комплексирования магнитометрических и спутниковых радионавигационных измерений.

3.1.2 Слабосвязанная схема комплексирования магнитометрических и спутниковых радионавигационных измерений.

3.2 Метод определения ориентации космического аппарата на основе сильносвязанной схемы комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации.

3.2.1 Математическая постановка задачи.

3.2.2 Алгоритм определения ориентации космического аппарата (Алгоритм 2).

3.2.3 Исследование эффективности алгоритма на модельной задаче.

3.3 Метод определения ориентации космического аппарата на основе слабосвязанной схемы комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации.

3.3.1 Математическая постановка задачи.

3.3.2 Алгоритм определения ориентации космического аппарата (Алгоритмы 3,4)

3.3.3 Исследование эффективности алгоритма на модельной задаче.

3.4 Сравнительный анализ схем комплексирования.

Выводы по третьей главе.

Глава 4 Восстановление ориентации микрогравитадионой космической платформы «Фотон-М2».

4.1 Описание миссии микрогравитадионой космической платформы «Фотон-М2».

4.1.1 Назначение микрогравитадионой космической платформы «Фотон-М2».

4.1.2 Описание эксперимента «НАВИГАТОР».

4.2 Восстановление ориентации микрогравитационой космической платформы «Фотон-М2».

4.2.1 Отбраковка аномальных измерений.

4.2.2 Восстановление ориентации МКП «Фотон-М2».

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы определения ориентации низковысотных космических аппаратов на основе комплексирования спутниковых радионавигационных и магнитометрических измерений»

Среди космических аппаратов (КА), функционирующих в настоящее время, большинство являются низковысотными (высота полета менее 1000 км). Это обусловлено широкой областью их использования - научные, технологические и образовательные КА.

Для контроля и управления полетом и экспериментами, проводимыми на борту низковысотных КА в режиме времени, близком к реальному, возникает необходимость в создании системы контроля движения, позволяющей оперативно и автономно решать задачу навигации и определения ориентации. Так, например, информация о векторе состоянии КА, на борту которого проводятся научные и технологические эксперименты необходима для правильной интерпретации их результатов. При этом, требования к точности знания некоторых элементов вектора состояния КА (например, ориентации) могут быть невысокими (погрешности порядка 5°).

Использование навигационных приёмников (НП), работающих по спутниковым радионавигационным системам (СРНС) ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) позволяет решать задачу навигации (определение параметров движения центра масс) автономно и с высокой степенью точности [1,2]. Поэтому НП является в настоящее время обязательным элементом навигационной системы. Это

НП используют два типа измерений: фазовые и кодовые. НП, использующие фазовые измерения, могут быть применены так же для определения ориентации КА на основании принципов интерферометрии [3].

Система контроля движения, основанная на фазометрических измерениях, имеет как достоинства - высокая точность решения задач навигации и ориентации, так и недостатки - высокая стоимость, необходимость разрешения фазовой неоднозначности, конструктивная сложность реализации на КА (большая антенная база), поскольку точность определения ориентации при фазовых измерениях в значительной мере зависит от размеров антенной базы [3].

Следует отметить, что не вся спутниковая радионавигационная информация в НП используется в полном объеме. Существует определенный информационный резерв, использование которого совместно с информацией от дополнительного измерительного устройства (магнитометр, солнечный датчик, датчики горизонта, ионные ловушки, звездные фотометры, акселерометры, датчики угловых скоростей и т.п.) позволит решить одномоментно задачу определения ориентации.

Наибольшее распространение в системах контроля ориентации получили магнитометры и солнечные датчики, что вызвано их высокой надежностью и экономичностью.

Разработке методов определения ориентации по магнитометрическим измерениям посвящено большое количество работ [4-11].

Важно отметить, что однозначное одномоментное определение ориентации только по магнитометрическим измерениям невозможно.

Задача снятия неоднозначности определения ориентации по магнитометрическим измерениям решается либо путем использования модели движения относительно центра масс, либо комплексированием магнитометрической информации с информацией от дополнительного измерительного устройства.

Существующие на настоящий момент методы определения ориентации можно разделить на два класса: методы с использованием моделей движения относительно центра масс (ЦМ) (интегральные методы) и методы их не использующие (локальные) [12].

1. Интегральные методы. В основу интегральных методов положена идея использования математической модели движения относительно ЦМ для объединения измерений, полученных на достаточном для обработки мерном интервале времени.

Определение ориентации с использование математической модели движения относительно ЦМ может быть выполнено и на основе измерений одного направления. При этом, однако, необходимо, чтобы измеряемый вектор существенно изменял на мерном интервале свое направление, иначе ориентация КА может быть определена лишь с точностью до произвольного поворота вокруг этого вектора.

Интегральные методы определения ориентации не применимы в случае действии на КА значительных, не поддающихся точному учету, возмущающих моментов. Так же данный метод определения ориентации не применим для решения задачи определения ориентации в масштабе времени, близком к реальному.

2. Локальные методы. В основу локальных методов одномоментного определения ориентации положен метод согласования измерений двух и более векторов в двух системах координат. В качестве измеряемых парамегров при расчете углового положения КА используются величины, характеризующие в связанной с КА системе координат некоторые направления, известные априорно в,базовой (абсолютной, орбитальной или в другой удобной) системе координат. Если на КА одновременно определяется несколько направлений, то число измеряемых функций оказывается достаточным для расчета матрицы ориентации в каждый отдельный момент времени получения измерений.

Локальные методы определения ориентации являются предпочтительными для решения задачи оперативного определения ориентации на борту КА.

Для многих низковысотных КА приемная антенна НП устанавливается непосредственно на корпусе КА, при этом его поверхность ограничивает область видимости иавигационных спутников (НС). Таким образом, среди НС есть спутники, невидимые из-за конструкционных ограничений. Это можно использовать для решения задачи определения ориентации, что ранее не исследовалось.

Использование данного информационного резерва, позволит снять неоднозначность одномоментного решения задачи по магнитометрическим измерениям.

Комплексирование информации от магнитометра и навигационного приёмника в части видимых/невидимых НС для решения задачи оперативного определения ориентации КА ранее не рассматривалась.

На основании вышеизложенного формируется решаемая цель и задача диссертационной работы.

Цель диссертационной работы: разработка алгоритмов определения ориентации низковысотных КА, на основе комплексирования данных, поступающих от многоканального приемника сигналов спутниковых радионавигационных систем и трехосного магнитометра.

Основные задачи исследования:

1. Разработать схемы комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации.

2. Разработать алгоритм определения ориентации оси КА по анализу пространственного расположения навигационных спутников СРНС ГЛОНАСС/GPS (определение двух углов ориентации при наличии одной антенны).

3. Разработать алгоритмы определения ориентации КА на основе комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации.

4. Разработать алгоритм определения ориентации КА по анализу пространственного расположения навигационных спутников СРНС ГЛОНАСС/GPS (определение трех углов ориентации при наличии трех антенн) без использования принципа интерферометрии.

5. Сформулировать область применимости каждого алгоритма и оценить методические погрешности.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 32 наименования.

Заключение диссертации по теме «Динамика, баллистика, дистанционное управление движением летательных аппаратов», Крамлих, Андрей Васильевич

Выводы по четвертой главе

Результаты восстановления ориентация продольной оси МКП «Фотон-М2», полученной путём обработки измерительной информации полученной с аппаратуры «МИРАЖ-М» с использованием алгоритма, основанного на сильносвязанной схеме ком-плексирования близки к результатам, полученным другими исследователями.

Эксперимент «НАВИГАТОР» показал, что выбранный состав измерительных средств (многоканальный навигационный приёмник и трёхосный магнитометр) и разработанное алгоритмическое обеспечение на основе схем комплексирования могут быть использованы для построения системы оперативного контроля движения и ориентации низковысотных КА.

Заключение

1 Разработан алгоритм определения ориентации оси низковысотного космического аппарата по анализу пространственного положения навигационных спутников спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS (определение двух углов ориентации при наличии одной антенны). Рассмотрены различные варианты построения целевой функции, отражающей условие видимости/невидимости навигационных спутников. Проведен анализ эффективности алгоритма.

2 Разработан алгоритм определения ориентации низковысотного космического аппарата по анализу пространственного положения навигационных спутников спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS (определение трёх углов ориентации при наличии трёх антенн) без использования известного принципа интерферометрии. Рассмотрены различные варианты построения целевой функции, отражающей условие видимости/невидимости навигационных спутников с учётом дополнительных условий и связей между направляющими косинусами фазовых центров трёх антенн. Проведен анализ эффективности алгоритма.

3 Разработаны сильносвязанная и слабосвязанные схемы комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации.

4 Разработан алгоритм определения ориентации низковысотного космического аппарата на основе сильносвязанной схемы комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации. Проведен анализ эффективности алгоритма.

5 Разработан алгоритм определения ориентации низковысотного космического аппарата на основе слабосвязанной схемы комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации. Проведен анализ эффективности алгоритма.

6 Определены области применимости алгоритмов, основанных на сильносвязанной и слабосвязанной схемах комплексирования магнитометрической и спутниковой радионавигационной информации.

7 Предложена схема построения алгоритмического обеспечения для системы контроля ориентации низковысотного космического аппарата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крамлих, Андрей Васильевич, 2008 год

1. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ (третья редакция). М.: КНИЦ ВКС, 1995.

2. Global Positioning System. Standard positioning service. Signal specification. 2-nd editions. June 2, 1995.

3. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации: Сборник статей и докладов. -СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2001. -235 с.

4. Сидоров, И.М. Определение углового положения искусственного спутника Земли с помощью датчиков магнитного поля. Текст./ И.М. Сидоров, В.П. Прохоренко// Космические исследования.-1968. т. VI., Вып. 2. -С.175-185.

5. Титов, A.M. Определение углового положения неориентированных ИСЗ по данным магнитометрических измерений Текст./ A.M. Титов, В.В. Антоненко, В.П. Щукин// Космические исследования,-1971- т. IX., Вып. 3. С. 397-407.

6. Хацкевич, И.Г. Определение ориентации ИСЗ по магнитометрическим измерениям Текст./И.Г. Хацкевич/Жосмические исследования.-1972. т. X., Вып. 1. - С. 3-12.

7. Голубков, В.В. Определение локальной ориентации космических аппаратов Текст./В.В. Голубков//Космические исследования.- 1970-т. VIII., Вып. 6.-С. 811-822.

8. Титов, A.M. Определение ориентации по двухвекторной системе измерений Текст./А.М. Титов, В.П. Щукин//Космические исследования.-1978.-т. XVI., Вып. 1— С.3-9.

9. Wertz, J.R. Spacecraft Attitude Determination and Control. Dordrecht Текст.Я.Я. Wertz/ -The Netherland, 1978.

10. Shuster, M.D. Three-Axis Attitude Determination from Vector Observations Текст./ M.D. Shuster, S.D. Oh//Journal of Guidance and Control.-1981.-Vol.4.,№l.-pp. 70-77.

11. Беляев, М.Ю. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях Текст./ М.Ю. Беляев. М.: Машиностроение, 1984.-264 с.

12. Бранец, В.Н. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела Тескт./ В.Н. Бранец, И.П. Шмыглевский М.: Наука, 1973.-320 с.

13. Параметры общего земного эллипсоида и гравитационного поля Земли (Параметры Земли 1990 года) Текст. -М.: Ред.-изд. отдел Военнно-топографического управления генерального штаба, 1991.-68 с.

14. Коваленко, А.П. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами Текст./ А.П. Коваленко. М.: Машиностроение, 1976.-250 с.

15. Белецкий В.В. Определение ориентации искусственных спутников по данным измерений Текст./В.В. Белецкий. М.: Изд. Института прикладной математики АН СССР, 1972.-196 с.

16. Wahba, G.A Least Squares Estimate of Spacecraft Attitude Текст./ G.A. Wahba //SIAM Review. 1965., Vol.7. - №3. - p. 409.

17. Крамлих, A.B. Комплексирование измерений навигационного приемника и магнитометра для определения пространственной ориентации КА Текст./А.В. Крам-лих//Научная сессия ГУАП: сб. докладов. Часть II. Технические науки.-Санкт-Петербург, 2006.-С.120-122.

18. Крамлих, A.B. Алгоритм определения ориентации космического аппарата при слабосвязанной схеме комплексирования радионавигационных и магнитометрических измерений Текст./А.В. Крамлих//Аэрокосмическое приборостроение. Москва, 2008.-№ 7-С. 9-13.

19. Крамлих, A.B. Магнитометрическая навигация КА и её использование в эксперименте «НАВИГАТОР» на КА «Фотон-М» №2 Текст./А.В. Крамлих//УШ Королевские чтения: тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции.-Самара, 2005.-С.17.

20. Эльясберг, П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли Текст./ П.Е. Эльясберг.-М.: Наука, 1965.

21. Кринецкий, Е.И. Летные испытания ракет и космических аппаратов Текст.: учебное пособие/Е.И. Кринецкий.-М.: Машиностроение, 1979.