ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И ТОЧНОСТИ АСТРОИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ А.Б.Гавриленко, И.В. Меркурьев, Московский энергетический институт (технический университет) А.Г. Гладыревский, Е.Е.Семенов ФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро «Марс» Докладчик Меркурьев Игорь Владимирович доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретической механики и мехатроники МЭИ (ТУ) MerkuryevIV@mpei.ru Введение Унифицированная космическая платформа исполнительные подсистемы целевая аппаратура Модульный принцип построения комплекс измерительных приборов служебный борт интегрированная система управления наземный комплекс управления Бортовой цифровой вычислительный комплекс Контроль и диагностика Управление движением агрегаты двигательной установки звездные датчики Калибровка параметров модели датчиков Решение задач ориентации и навигации система электроснабжения датчики Солнца и планет Парирование отказов Коррекция приборного базиса средства передачи телеметрии Формирование телеметрии Управление целевой аппаратурой целевая аппаратура гироскопы аппаратура спутниковой навигации ... С.П.Королев, Б.В.Раушенбах, Б.Е.Черток, В.П.Легостаев, А.Ю.Ишлинский, В.Д.Андреев, Е.А.Девянин, Д.М.Климов, Н.А.Парусников, 2 Новые перспективные датчики инерциальной и внешней информации микромеханический, волновой твердотельный и Маятник Фуко, эффект Брайана Теория вибрационных гироскопов Л.Д.Лисовский, Е.Л.Смирнов, П.Сейвет, Л.З.Новиков, Л.И.Брозгуль, В.А.Матвеев, М.А.Павловский, А.В.Збруцкий, Ю.К.Жбанов, В.Я.Распопов и др. Теория волнового твердотельного гироскопа В.Ф.Журавлев, Д.М.Климов, Ю.К.Жбанов, Д. Линч, В.А.Матвеев, В.В.Подалков, Г.М.Виноградов, Б.С. Лунин, А.М.Павловский, М.Ю.Шаталов, С.А. Сарапулов и др. Теория электростатического гироскопа Ю.Г.Мартыненко, В.Г.Пешехонов, В.В.Подалков, Б.Е.Ландау, В.З.Гусинский, А.С.Анфиногенов, В.Н.Комаров и др. Теория оптико-электронных звездных приборов Л.Ф. Порфирьев, В.В. Малинин, В.Ф.Худов и др. электростатический гироскоп, звездные датчик 3 Новые космические программы Кассини-Гюйгенс (Cassini-Huygens) — первый искусственный спутник Сатурна с навигационной системой на базе ВТГ. Запущен 15.10.1997 г. Полетное задание до 2012г. Бюджет проекта более $3 млрд. NASA,ESA, Northrop Grumman, Litton Guidance, Sagem, BAE, Draper Laboratory, Systron Donner, Analog Devices, Murata, Rockwell, ClearView и NextView — программы дистанционного зондирования Земли сверхвысокого разрешения, эксперимент по проверке общей теории относительности с помощью спутника с навигационной системой на ЭСГ. Фед.косм. агентство РКК «Энергия», Nanospace experiment program — РНИИ КП, ЦНИИмаш, сверхмалые спутники на базе технологии ЦСКБ «Прогресс», микроэлектромеханических систем (МЭМС) и др. с навигационной системой на базе ММГ. КРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ РФ Авиационная и ракетно-космическая техника, Микросистемная техника 4 Структура доклада 1. Динамика и модели погрешностей микромеханического вибрационного гироскопа с кольцевым резонатором. 2. Динамика волнового твердотельного гироскопа с полусферическим резонатором. Результаты стендовых испытаний 3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения навигационной системы малого космического аппарата 5 Динамика кольцевого резонатора волнового твердотельного гироскопа с учетом нелинейных упругих свойств материала Bryan, G.H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell. -Proc. Camb. Phil. Soc. Math. Phys Sci., 1890, vol.7, pp. 101-111 Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп Журавлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная система минимальной размерности. Изв.РАН МТТ, 2005 EI RS v 2w Vx cos V y sin Vx sin V y cos 3 w III v e* w III v = 0, R EI SR w 2v Vx sin V y cos Vx cos V y sin 3 w IV v III e* w IV v III cw c*w Rq 0, R 6 6 Уравнения колебаний резонатора по первой и второй форме b f1 2g1 1 f1 12 f f1 V y Vx u1, 2 b g1 2f1 1g1 12g g1 Vx V y u1, 2 k=1 8 2 f 2 g 2 2 f 2 22 f f 2 bu2 , 5 5 8 2 g2 f 2 2 g 2 22 g g 2 bu2 , 5 5 k=2 Амплитудно-частотные характеристики Влияние упругой анизотропии монокристалла на собственные частоты резонатора Монокристалл гексагональной симметрии Величина раздвоения частот от ориентации резонатора в кристаллографических осях f k ω k2 [1 ε(k k ) f k ] 0, g k ω 2k [1 + ε(k k ) g k ] 0. 8 8 Динамика волнового твердотельного гироскопа x,y 3000 2000 1000 1000 10 20 30 40 50 60 N 2000 3000 Нормальные формы упругих колебаний свободной кромки резонатора 9 9 Идентификация параметров математической модели волнового твердотельного гироскопа Вектор измерения x ( f , g )T q С N H x D G F x& 1 С c 0 1 D 0 Gi 4 0 0 , N n 1 1 0 0 , G 1 1 1 cos 2 sin 2 , H h , 0 sin 2 cos 2 1 cos 2 sin 2 , F g , 0 sin 2 cos 2 Gi 3 2 0.005 1 50 1 100 150 200 t с 50 100 150 200 t 0.005 2 3 Экспериментальные данные предоставлены ЗАО «Инерциальные технологии Технокомплекса» г.Раменское 10 Разработка алгоритмического и программного обеспечения навигационной системы космического аппарата Алгоритмы обработки первичной измерительной информации звездного датчика Треки навигационных звезд в поле зрения звездного датчика Звездный датчик, Московское КБ «Марс» 11 Алгоритмы обработки телеметрии космического аппарата 12 Калибровка инструментальных погрешностей звездного датчика Разработка модели систематических ошибок измерений звездного датчика Расчетные и измеренные координаты на фотоприемной матрице x = 1 3 x - 1 xy 2 x 2 3 y (μ1 + μ 2 s + μ 3 s 2 ) x 1 s 2 , y = 2 3y - 1 y 2 2 xy 3 x (μ1 + μ 2 s + μ 3 s 2 ) y 1 s 2 , (18) s2 x2 y 2 13 Методика полетной калибровки звездного датчика 1596 354 532 0.06 325 r ( x, y,1)T , r ( x, y,1)T 0.04 449 1545 0.02 1 xxj yi y j ri, rj (1 ( x)2 ( y)i2 )(1 ( xj ) 2 ( y j ) 2 ) i i 581 468 533 x x x , y y y , 929 0 -0.02 (i , j ) 7424 452 -0.04 ri, rj ri , rj 242 150 962 -0.06 -0.1 -0.075 -0.05 -0.025 0 0.025 0.05 60 20 40 40 60 80 100 -0.5 20 -1 2 4 6 8 10 -1.5 -20 -2 -40 -60 Невязки в определении углов между звездами -2.5 Поправки к эквивалентному фокусному расстоянию 14 Заключение •Построены математические модели микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. •Рассчитаны уходы из-за нелинейных упругих свойств материала, конечных деформаций резонатора. •Предложены меры направленные на повышение точности гироскопа: - алгоритмы аналитической компенсации систематического ухода в режиме свободных колебаний. - алгоритмы обработки измерений и управления в режиме вынужденного и управляемого движения. •Получены расчетные формулы для масштабного коэффициента, собственной частоты анизотропного резонатора. •Сформулированы требования по точности изготовления анизотропного резонатора. Разработана методика обработки первичных измерительных данных гироскопов и оптико-электронных приборов в целях аналитической компенсации систематических погрешностей. •Разработан испытательный стенд для комплексной отладки бортового программного обеспечения астроинерциальной навигационной системы 15 15 Внедрение Алгоритмическое и программное обеспечение •цифрового имитатора комплекса командных приборов РБ «Бриз-М», •оптико-электронного звездного датчика, •автономных и комплексных стендовых испытаний датчиков МКА Московское КБ «Марс» Федерального космического агентства РФ Алгоритмическое и программное обеспечение калибровки параметров модели уходов ММГ и ВТГ. обработка экспериментальных данных ММГ и ВТГ. «Инерциальные технологии Технокомплекса» г.Раменское Монитор-Э КазСат Электро-Л Спектр-Р