Способ определения вектора угловой скорости собственного вращения космического аппарата вокруг его центра масс

Изобретение относится к системам управления движением космических аппаратов (КА) вокруг центра масс. Способ заключается в том, что в течение заданного интервала времени (Δ), не менее двух раз, определяют проекции на связанные оси КА единичного вектора, направленного из центра масс КА на звезду, например Солнце. При этом используют рабочие характеристики бортового прибора ориентации на Солнце и факт равенства единице модуля указанного вектора. Рассчитывают углы между этим вектором и осями КА, а также разность величин этих углов на заданном интервале времени Δ. В результате деления этой разности углов на Δ определяют значения и знаки проекций вектора собственной средней угловой скорости КА на его связанные оси. Техническим результатом изобретения является возможность определения вектора угловой скорости собственного вращения КА по результатам измерения направления на Солнце или другие звезды в связанной системе координат. 1 ил.

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в системах управления движением (СУД) вокруг центра масс космических аппаратов (КА).

Известно, что направление на звезды, и как частный случай на Солнце, практически неизменно по отношению к центру масс КА для околоземных орбит.

Из патентной литературы известны способы определения относительной угловой скорости движения КА при колебательном процессе управления ориентацией объекта на подвижный ориентир, позволяющие определить относительную угловую скорость движения КА вокруг его центра масс по отношению к подвижному ориентиру (см. например, авторские свидетельства СССР №1819832 от 1990 года, №1819831 от 1990 года).

Однако эти способы не позволяют определять СОБСТВЕННУЮ угловую скорость вращения КА вокруг своего центра масс без использования специальных приборов, выполняющих эти измерения.

Задачей данного изобретения является создание способа с достижением технического результата - без использования специальных приборов, непосредственно измеряющих вектор угловой скорости вращения КА вокруг его центра масс, рассчитывать величину вектора угловой скорости собственного вращения КА вокруг его центра масс по результатам измерений направления на Солнце или на другую звезду в связанной с КА системе координат.

Эта задача решается тем, что в способе определения вектора угловой скорости собственного вращения космического аппарата вокруг его центра масс, заключающемся в том, что в течение интервала времени Δ, не менее двух раз, определяют проекции на связанные оси космического аппарата Х_КА; Y_КА; Z_КА единичного вектора, направленного из центра масс на звезду, по формулам:

;

;

где β_ПОС - проекция на ось Х_КА космического аппарата единичного вектора направления на звезду,

α_ПОС - проекция на ось Z_КА космического аппарата единичного вектора направления на звезду,

γ_КА - проекция на ось Y_КА космического аппарата единичного вектора направления на звезду,

β и α - результаты измерения текущего направления на звезду, например Солнце,

Х_ПОС - максимальная величина β, измеряемая прибором ориентации на Солнце по оси X_КА,

Z_ПОС - максимальная величина α, измеряемая указанным прибором по оси Z_КА,

рассчитывают углы φ_КА(t); ψ_КА(t); ϑ_КА(t) между проекциями единичного вектора на плоскости связанных с космическим аппаратом осей и этими осями, рассчитывают разность величин этих углов на интервале времени Δ и в результате деления их на величину Δ определяют значения и знаки проекций ω_X, ω_Y, ω_Z вектора собственной средней угловой скорости (ω_КА) космического аппарата на его связанные оси Х_КА, Y_КА, Z_КА.

Далее изобретение поясняется с использованием фигуры, показывающей положение Солнца в поле обзора прибора ориентации на Солнце (ПОС), установленного определенным образом по отношению к связанным осям космического аппарата, а также расположение его измерительных осей относительно осей X_КА, Y_КА, Z_КА космического аппарата (КА).

Для простоты изложения способ рассмотрен на примере использования прибора ориентации на Солнце (ПОС).

При этом введены следующие обозначения:

- единичный вектор направления на Солнце, модуль которого равен единице (безразмерная величина);

X_КА, Y_КА, Z_КА - связанные оси с началом в центре масс КА;

φ_КА - угол, образованный плоскостью X_КА, 0, Y_КА и проекцией единичного вектора на плоскость Y_КА, 0, Z_КА;

ψ_КА - угол, образованный плоскостью X_КА, 0, Y_КА и проекцией единичного вектора на плоскость Z_КА, 0, X_КА;

ϑ_КА - угол, образованный плоскостью Y_КА, 0, Z_КА и проекцией единичного вектора на плоскость X_КА, 0, Y_КА;

Х_ПОС - измерительная ось ПОС, ориентированная по оси X_КА, позволяющая измерить максимальную величину Х_ПОС направления на Солнце;

Z_ПОС - измерительная ось ПОС, ориентированная по оси Z_КА, позволяющая измерить максимальную величину Z_ПОС направления на Солнце;

Х_ПОС - максимальная величина β, измеряемая ПОС по приборной оси Х_ПОС, при ориентации единичного вектора направления на Солнце по этой оси;

Z_ПОС - максимальная величина α, измеряемая ПОС по приборной оси Z_ПОС, при ориентации единичного вектора направления на Солнце по этой оси;

α_ПОС - проекция единичного вектора направления на Солнце по осям Z_ПОС и Z_КА;

βпос - проекция единичного вектора направления на Солнце по осям Х_ПОС и X_КА;

γ_КА - рассчитанная проекция единичного вектора направления на Солнце на ось Y_КА;

γ - рассчитанный угол между осью γ_КА космического аппарата и единичным вектором.

Учитывая, что направления на Солнце и звезды практически неизменны по отношению к центру масс КА для околоземных орбит, следовательно, изменение значения углов φ_КА, ψ_КА, ϑ_КА (см. чертеж) за интервал времени Δ соответствует проекциям вектора угловой скорости собственного вращения КА (ω_КА) вокруг центра масс. Плоскость измерения ПОС, образованная осями Х_ПОС и Z_ПОС, совпадает с плоскостью, образованной осями X_КА и Z_КА КА. Оси Х_ПОС, Z_ПОС измерительных устройств ПОС совпадают по направлению со связанными с КА осями X_КА и Z_КА соответственно. Из чертежа следует равенство:

следовательно:

Значения проекций «единичного» вектора на связанные оси КА X_КА и Z_КА можно получить из равенств:

где β и α результаты измерения ПОС текущего направления на Солнце;

1/Х_ПОС - нормировочный коэффициент по оси Х_ПОС;

1/Z_ПОС - нормировочный коэффициент по оси Z_ПОС.

Знаки α_ПОС, β_ПОС и γ_КА присваиваются согласно компоновке ПОС в осях КА.

Направление единичного вектора в связанной с КА системе координат можно задать и через направляющие косинусы:

cos βx=β_ПОС, где β_Х - угол, образованный единичным вектором и осью Х_КА;

cos α_Z=α_ПОС, где α_Z - угол, образованный единичным вектором и осью Z_КА;

cos γ=γ_КА, где γ - угол, образованный единичным вектором и осью Y_КА.

Используя равенства (2, 3, 4), можно получить значения:

- угла φ_КА, образованного плоскостью Х_КА, 0, Y_КА и проекцией единичного вектора на плоскость Y_КА, 0, Z_КА.

- угла ψ_КА, образованного плоскостью Х_КА, 0, Y_КА и проекцией единичного вектора на плоскость Z_КА, 0, Х_КА:

- угла ϑ_КА образованного плоскостью Y_КА, 0, Z_КА и проекцией единичного вектора на плоскость «Х_КА», 0, «Y_КА» КА:

Значения проекций вектора ω_КА на связанные с КА оси Х_КА, Y_КА, Z_КА можно рассчитать на основании (5), (6), (7) следующим образом:

Используя значения ω_х, ω_Y, ω_Z, полученные по измерениям α_ПОС, β_ПОС и рассчитанному γ_КА, можно проводить как демпфирование угловой скорости КА, так и его ориентацию в заданной системе координат.

Описанный в качестве примера вариант реализации способа определения характеристик вектора угловой скорости собственного вращения космического аппарата вокруг его центра масс при использовании в качестве звезды Солнца может быть использован только на «солнечной» части витка. В общем случае, когда используются другие звезды, никаких ограничений на применение способа нет, и описанный способ позволяет получать значения ω_X, ω_Y, ω_Z без использования специальных приборов непосредственного измерения вектора угловой скорости вращения КА вокруг его центра масс.

Изобретение позволяет также уменьшить массу и упростить конструкцию КА за счет уменьшения количества приборов, устройств и кабелей, их соединяющих, а также расширить номенклатуру технико-методических средств в этой области техники.

Способ определения вектора угловой скорости собственного вращения космического аппарата вокруг его центра масс, заключающийся в том, что в течение интервала времени Δ не менее двух раз определяют проекции на связанные оси космического аппарата (Х_КА, Y_КА, Z_КА) единичного вектора, направленного из центра масс на звезду, по формулам



где β_ПОС - проекция на ось Х_КА космического аппарата единичного вектора направления на звезду,
α_ПОС - проекция на ось Z_КА космического аппарата единичного вектора направления на звезду,
γ_КА - проекция на ось Y_КА космического аппарата единичного вектора направления на звезду,
β и α - результаты измерения текущего направления на звезду, например Солнце,
Х_ПОС - максимальная величина β, измеряемая прибором ориентации на Солнце по оси Х_КА;
Z_ПОС - максимальная величина α, измеряемая указанным прибором по оси Z_КА, рассчитывают углы φ_КА(t), ψ_КА(t), ϑ_КА(t) между проекциями единичного вектора на плоскости связанных с космическим аппаратом осей и этими осями, рассчитывают разность величин этих углов на интервале времени Δ и в результате деления их на величину Δ определяют значения и знаки проекций ω_Х, ω_Y, ω_Z вектора собственной средней угловой скорости (ω_КА) космического аппарата на его связанные оси X_КА, Y_КА, Z_КА.