420_Мо Ли

Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии»
ИСТ-2014
СЕКЦИЯ 5.2 ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА (ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ)
МО ЛИ (магистрант)
(Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана)
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И
СТАБИЛИЗАЦИИ МАЛОГО СПУТНИКА «ЯСНОВИДЕЦ-1»
Введение. Данная работа посвящена актуальной задаче исследования системы управления
угловым движением малого космического аппарата (миниспутника) типа «Ясновидец-1» (КНР).
Система ориентации и стабилизации обеспечивает определённое положение осей связанной системы координат (ССК) аппарата относительно заданных направлений, а также режим демпфирования. Учитывая задачи спутника и разные особенности датчиков, в данной работе на основе проведённого сравнительного анализа выбраны датчики и исполнительные элементы. На основании
анализа процесса демпфирования угловой скорости и моделирования функционирования реактивного двигателя разработан метод управления для режима демпфирования угловой скорости и режима захвата ориентации.
Результаты исследования. В настоящей работе на примере миниспутника типа «Ясновидец1» рассматривается задача приборного синтеза и разработки математико-алгоритмического обеспечения для системы ориентации и стабилизации.
Основные характеристики космического аппарата «Ясновидец-1» следующие:
■ тип орбиты –
■ высота орбиты –
■ наклонение орбиты –
■ тип системы ориентации и стабилизации –
■ масса –
■ срок активного существования –
солнечно-синхронная
450 км
98°
активная, трёхосная
300-400 кг
5 лет
Система ориентации и стабилизации миниспутника – одна из его важных бортовых систем,
обеспечивающая определённое положение связанных осей аппарата относительно заданных
направлений.
Система ориентации и стабилизации должная обеспечивать следующие режимы работы миниспутника:
 режим демпфирования: демпфирование угловой скорости вращения миниспутника вокруг
центра масс после отделения от средств выведения, а также в случае нештатной ситуации;
 режим захват/восстановление ориентации: захват/восстановление ориентации – это перевод
миниспутника из неориентированного положения к ориентации в орбитальной системе координат
(ОСК) после завершения режима демпфирования его угловой скорости;
 рабочий режим: трёхосная ориентация миниспутника в ОСК таким образом, что оси связанной с аппаратом системы координат совпадают с одноименными осями ОСК, т.е. стабилизация
спутника в течение длительного времени при съемке поверхности Земли;
 плановое изменение режима ориентации: режим ориентации в заданном направлении в
инерциальной системе координат (ИСК), используемый, в частности, для ориентации нормалей к
поверхностям освещаемых батарей в направлении на Солнце.
Системы миниспутника – это, прежде всего, приборы системы ориентации и стабилизации:
датчики ориентации, усилительно-преобразующая аппаратура, БЦВМ, исполнительные элементы,
соответствующее программно-алгоритмическое обеспечение.
Используются следующие датчики определения ориентации: звёздные датчики, солнечные
датчики, земные датчики (земные приборы ИК-диапазона и земные приборы видимого диапазона),
магнитометр, датчики угловой скорости (например, микромеханические гироскопы), датчики линейных ускорений (акселерометры). Поскольку, в общем случае однотипные датчики не могут
решить все задачи, то возможно рассмотреть их различные комбинации.
Для приборного синтеза (выбора оборудования), прежде всего, были проанализированы
функции и основные режимы управления, которые будет выполнять спутник. В данном случае, в
420
Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии»
ИСТ-2014
СЕКЦИЯ 5.2 ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА (ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ)
первую очередь, – это обеспечение выведения спутника на околоземную орбиту и его стабилизация в направлении на Землю, для обеспечения наблюдения земной поверхности.
В качестве измерительных датчиков для системы управления ориентацией миниспутника
выбраны: микромеханические гироскопы, трехосный магнитометр, солнечные датчики (грубый и
точный) и звездный датчик. В качестве исполнительных элементов системы управления ориентацией в составе миниспутника предлагается использовать управляющие двигатели-маховики, электромагнитные устройства и малые реактивные двигатели.
Бортовой комплекс управления (БКУ) миниспутника представляет собой совокупность приборов и устройств с информационным и программным обеспечением, предназначенным для
управления движением центра масс аппарата и управления функционированием бортового оборудования, а также для взаимодействия с наземным комплексом управления.
Основные задачи БКУ: управление движением центра масс миниспутника; получение и обработка навигационной информации; командно-логическое управление служебными системами и
целевым оборудованием; сбор, обработка и анализ контрольно-диагностической информации,
принятие решения о парировании возникающих нештатных ситуаций, в том числе, автоматическое управление выбором резервного комплекта оборудования; выбор наиболее безопасных режимов функционирования с учетом конкретного технического состояния бортовых систем космического аппарата.
В работе предложены и исследованы алгоритмы управления в режиме демпфирования угловой скорости вращения миниспутника вокруг центра масс после отделения от средств выведения и
захвата ориентации.
В системах управления космическими аппаратами для демпфирования колебаний необходимо иметь информацию об его угловой скорости. Для этого на борту миниспутника необходимо
установить датчики угловых скоростей. В качестве ДУС предлагается использовать МЭМСгироскопы. В качестве исполнительных органов для реализации данного режима могут быть использованы малые реактивные двигатели или электромагнитные катушки.
В работе проведён сравнительный анализ двух способов управления системой малых реактивных двигателей: релейное управление и широтно-импульсная модуляция (ШИМ) на основе
триггеров Шмита. Анализ показал, что использование способа ШИМ позволяет в значительной
степени сэкономить топливо.
После отделения миниспутника от средств выведения необходимо как можно быстрее реализовать демпфирование угловой скорости, чтобы обеспечить последующий захват Солнца.
В режиме захвата ориентации могут использоваться грубые солнечные датчики, точные солнечные датчики, звездные датчики и МЭМС-гироскопы. После режима демпфирования угловой
скорости, грубые солнечные датчики начинают работать, используя информацию об угловой скорости, получаемой МЭМС-гироскопами. В данном режиме в качестве исполнительных органов
могут быть использованы малые реактивные двигатели.
Вокруг заданной оси связанной системы координат миниспутник вращается с определенной
угловой скоростью до тех пор, пока на выходе солнечных датчиков не возникнет сигнал «1», означающий факт обнаружения Солнца. После обнаружения Солнца спутник выполняет ориентацию
на светило. Далее, при помощи звездных датчиков реализуется его трехосная ориентация.
Выводы. В данном работе рассмотрена задача построения системы ориентации и стабилизации для миниспутника типа «Ясновидец-1». Проведён анализ разнообразных измерительных датчиков, на основе которого в качестве измерителей выбраны солнечные и звездные датчики,
МЭМС-гироскопы и магнитометры. В качестве исполнительных устройств предлагается использовать управляющие двигатели-маховики, электромагнитные катушки и малые реактивные двигатели. Проанализированы процессы демпфирования угловой скорости и смоделировано функционирование реактивного двигателя, разработан метод управления для демпфирования угловой скорости и захвата ориентации.
E-mail: moli.hit.cn@gmail.com
421