RU2618664C1 - Method of spacecraft orientation and device for the method realisation - Google Patents

Method of spacecraft orientation and device for the method realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2618664C1
RU2618664C1 RU2016102249A RU2016102249A RU2618664C1 RU 2618664 C1 RU2618664 C1 RU 2618664C1 RU 2016102249 A RU2016102249 A RU 2016102249A RU 2016102249 A RU2016102249 A RU 2016102249A RU 2618664 C1 RU2618664 C1 RU 2618664C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spacecraft
flywheel
pitch
orientation
engine
Prior art date
Application number
RU2016102249A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Иванович Глухов
Сергей Григорьевич Макеич
Леонид Иосифович Нехамкин
Михаил Юрьевич Овчинников
Дмитрий Сергеевич Ролдугин
Виктор Сергеевич Рябиков
Михаил Владимирович Туманов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ")
Priority to RU2016102249A priority Critical patent/RU2618664C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2618664C1 publication Critical patent/RU2618664C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/32Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using earth's magnetic field

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: group of inventions refers to the methods and means of satellites magnetic orientation, mainly of small spacecrafts (SC). The method includes measuring the Earth's magnetic field induction vectors and kinetic moment, accumulated by the "KA-flywheel" system. The signals to the executive electromagnetic devices for the preliminary spacecraft calming are formed according to the measured parameters. The gyrostabilization and the spacecraft motion control are carried out in the pitch with the help of the engine-flywheel (installed along the pitch axis). The flywheel unloading is carried out by means of the indicated electromagnetic devices. These processes are controlled by the microcomputer, interacting with the on-board computer, connected through the telemetry channel to the ground center.
EFFECT: improving of the technical and operational characteristics and the orientation system reliability, mainly of small spacecrafts.
2 cl, 1 dwg

Description

НазначениеAppointment

Изобретение относится к космической технике, в частности к средствам ориентации малых космических аппаратов (КА), движущихся по орбите в магнитном поле и оснащенных системой ориентации с использованием магнитного поля Земли.The invention relates to space technology, in particular to means of orientation of small spacecraft (SC), moving in orbit in a magnetic field and equipped with an orientation system using the Earth's magnetic field.

Уровень техникиState of the art

Важнейшей задачей современной космической техники является создание маломассогабаритных КА. В настоящее время востребованы малые космические аппараты, масса которых составляет менее 100 кг. Причины, вызвавшие бурное развитие данного класса спутников, заключаются в сравнительно низкой стоимости и незначительном времени, требующемся для проектирования и изготовления малого космического аппарата, возможности осуществлять попутный запуск при низкой стоимости вывода на орбиту. Класс задач, выполняемых с помощью малых космических аппаратов, очень широк. Например, микроспутники могут использоваться для съемки Земли в детальном режиме с разрешением 6-10 м, а также в широкой полосе с разрешением от сотен метров до 2 км. Такие спутники могут решать задачи обнаружения пожаров, вести съемку зон стихийных бедствий, проводить экологический мониторинг, могут быть использованы для отработки новых технологий и проведения экспериментов в космосе. Особенно актуальным является использование их для научных исследований и дистанционного зондирования земли, где требуется разработка научно-технических решений и методов создания малых (сверхмалых) КА многоярусной системы мониторинга, например, радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве и определение их облика (см. Боярчук К.А., Карелин А.В., Макриденко Л.А. «Перспективы мониторинга из космоса радиоактивных загрязнений на поверхности Земли и в нижних слоях атмосферы». Вопросы электромеханики. - 2005. - Т. 102. - С. 183-209).The most important task of modern space technology is the creation of small-sized spacecraft. Currently, small spacecraft, the mass of which is less than 100 kg, are in demand. The reasons for the rapid development of this class of satellites are the relatively low cost and the insignificant time required for the design and manufacture of a small spacecraft, the ability to launch alongside at a low cost of launching into orbit. The class of tasks performed with the help of small spacecraft is very wide. For example, microsatellites can be used to capture the Earth in detailed mode with a resolution of 6-10 m, as well as in a wide band with a resolution of hundreds of meters to 2 km. Such satellites can solve fire detection tasks, conduct surveys of natural disaster zones, conduct environmental monitoring, and can be used to develop new technologies and conduct experiments in space. Of particular relevance is their use for scientific research and remote sensing of the earth, where the development of scientific and technical solutions and methods for creating small (ultra-small) spacecraft of a multi-tiered monitoring system, for example, the radiation situation in near-Earth space and determining their shape, is required (see Boyarchuk K. A., Karelin A.V., Makridenko L.A. “Prospects for monitoring radioactive contaminants from outer space on the Earth's surface and in the lower atmosphere”. Electromechanics. - 2005. - T. 102. - P. 183-209).

Например, многоярусная группировка может состоять из 3 (4) КА, функционирующих на орбитах:For example, a multi-tiered grouping may consist of 3 (4) spacecraft operating in orbits:

- один КА на орбите высотой 650-700 км с наклонением 85-95°;- one spacecraft in orbit with an altitude of 650-700 km with an inclination of 85-95 °;

- один (два) КА на орбите высотой 1500-2000 км с наклонением 65-70° (110-115°);- one (two) spacecraft in orbit with an altitude of 1500-2000 km with an inclination of 65-70 ° (110-115 °);

- один КА на орбите высотой 7500-8000 км с наклонением 45-50° (130-135°).- one spacecraft in orbit at an altitude of 7500-8000 km with an inclination of 45-50 ° (130-135 °).

Наряду с требованиями по точности ориентации и стабилизации малых КА при одновременном изготовлении нескольких малых КА выдвигаются высокие технико-эксплуатационные требования:Along with the requirements for the accuracy of orientation and stabilization of small spacecraft with the simultaneous manufacture of several small spacecraft, high technical and operational requirements are put forward:

- минимальные масса, габариты, энергопотребление и стоимость;- minimum weight, dimensions, power consumption and cost;

- высокая надежность (срок активного существования МКА - не менее 5 лет);- high reliability (the life of the MCA is at least 5 years);

- максимальная простота;- maximum simplicity;

- высокая технологичность;- high technology;

- минимальное время наземной отработки, испытаний и подготовки к пуску.- minimum time for ground mining, testing and preparation for launch.

Анализируя альтернативные варианты применительно к решению поставленной задачи, рассмотрим наиболее известную систему - систему с газореактивными соплами или микрореактивными двигателями. Эти исполнительные органы, отбрасывая холодный или горячий газ через сопло в космическое пространство, создают силу, воздействующую на аппарат. Поскольку запасы рабочего газа на борту космического летательного аппарата ограничены и не восполняются, то для длительного полета для малых КА данная система неприемлема из-за требуемых больших запасов рабочего газа, приводящих к значительному увеличению массы и габаритов.Analyzing alternative options in relation to solving the problem, we consider the most famous system - a system with gas-jet nozzles or micro-jet engines. These executive bodies, throwing cold or hot gas through a nozzle into outer space, create a force acting on the device. Since the reserves of working gas on board the spacecraft are limited and not replenished, for a long flight for small spacecraft this system is unacceptable because of the required large reserves of working gas, leading to a significant increase in mass and dimensions.

Системам, использующим гравитационные поля, аэродинамическое давление, силы солнечной радиации, характерна лишь функция стабилизации КА в одном базовом положении: по местной вертикали у гравитационных систем; в направлении вектора скорости полета у аэродинамических систем и, наконец, в направлении на Солнце у систем с «солнечными парусами». Эти системы, хотя и обладают принципиальной возможностью выполнения иных функций (предварительного успокоения, пространственных разворотов и т.д.), тем не менее никогда для этого не используются в виду явной нецелесообразности из-за чрезмерного их усложнения (см. Гущин В.Н. Системы ориентации и стабилизации // Основы устройства космических аппаратов: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 2003. - С. 241-257. - 272 с.).For systems using gravitational fields, aerodynamic pressure, solar radiation forces, only the stabilization function of the spacecraft in one basic position is characteristic: in the local vertical of gravitational systems; in the direction of the flight velocity vector for aerodynamic systems and, finally, in the direction to the Sun for systems with “solar sails”. These systems, although they have the fundamental ability to perform other functions (preliminary reassurance, spatial turns, etc.), are nevertheless never used for this in view of their apparent inappropriateness due to their excessive complexity (see Gushchin V.N. Orientation and stabilization systems // Fundamentals of spacecraft: Textbook for high schools. - M .: Mashinostroenie, 2003. - S. 241-257. - 272 p.).

В настоящее время широкое распространение получила магнитно-маховиковая система ориентации, которая является одной из основных бортовых систем КА, обеспечивающая определенное положение корпуса КА в пространстве. В качестве исполнительных органов одним из основных элементов данной системы ориентации являются двигатели-маховики. С его помощью генерируются управляющие моменты для получения требуемой ориентации КА. Известные в настоящее время электромеханические исполнительные органы на основе двигателей-маховиков состоят из 3-х двигателей, установленных на жестком основании. Оси вращения их образуют ортогональную систему координат и совпадают с главными осевыми моментами инерции КА (см., например, А.Г. Иосифьян. Электромеханика в космосе. - «Космонавтика, астрономия», 1977, №3, стр. 20).At present, the flywheel magnetic orientation system, which is one of the main spacecraft onboard systems that provides a certain position of the spacecraft's hull in space, is widely used. As the executive bodies, one of the main elements of this orientation system are flywheel engines. With its help, control moments are generated to obtain the required spacecraft orientation. Currently known electromechanical actuators based on flywheel engines consist of 3 engines mounted on a rigid base. Their rotation axes form an orthogonal coordinate system and coincide with the main axial moments of inertia of the spacecraft (see, for example, A. G. Iosifyan. Electromechanics in space. - “Cosmonautics, Astronomy”, 1977, No. 3, p. 20).

Двигатель-маховик представляет собой электрический двигатель, на валу которого установлен массивный маховик. Однако системы, у которых в качестве исполнительных органов используются двигатели-маховики, не могут управлять величиной общего кинетического момента инерционной механической системы «корпус КА - маховики», поскольку не способны создавать внешние к КА моменты.The flywheel engine is an electric motor with a massive flywheel mounted on its shaft. However, systems in which flywheel engines are used as executive bodies cannot control the magnitude of the total kinetic moment of the inertial mechanical system “SC body - flywheels”, since they are not able to create moments external to the SC.

Для этих целей наиболее подходящими для КА подходят магнитные системы, которые не очень уступая в смысле функциональных возможностей широко известным реактивным системам (за исключением того, что не могут создавать управляющий момент относительно направления, совпадающего с вектором индукции магнитного поля Земли, и независимые моменты одновременно относительно всех осей управления). Они имеют по сравнению с ними неоспоримые преимущества в том, что в качестве магнитных исполнительных органов можно использовать, например, электромагниты. Они совсем не потребляют горючего или газа, т.е. рабочего тела (см. А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 9).For these purposes, magnetic systems that are not much inferior in terms of functionality to widely known reactive systems (except that they cannot create a control moment relative to the direction coinciding with the Earth's magnetic field induction vector, and independent moments are simultaneously relatively suitable for spacecraft) all control axes). Compared to them, they have undeniable advantages in that, for example, electromagnets can be used as magnetic actuators. They do not consume fuel or gas at all, i.e. working fluid (see AP Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., "Mechanical Engineering", 1975, p. 9).

Двигатели-маховики наибольшее распространение получили для управления ориентацией малоразмерных КА, масса которых составляет менее 500 кг. Следует отметить, что раскрученный двигатель-маховик с постоянным кинетическим моментом может использоваться в качестве гиростабилизатора. Известно, что гироскоп обладает очень важным свойством сохранять неизменным в инерциальном пространстве направление своей главной оси (см. В.А. Павлов. Гироскопический эффект его проявления и использование, Л., Судостроение, 1985 г., стр. 6).Flywheel engines are most widely used to control the orientation of small spacecraft, the mass of which is less than 500 kg. It should be noted that the untwisted engine-flywheel with a constant kinetic moment can be used as a gyrostabilizer. It is known that a gyroscope has a very important property to maintain the direction of its main axis unchanged in inertial space (see V. A. Pavlov. Gyroscopic effect of its manifestation and use, L., Shipbuilding, 1985, p. 6).

Известны способ использования гироскопического момента для управления летательным аппаратом (транспортным средством) и устройство управления летательным аппаратом (патент РФ №2495789).A known method of using the gyroscopic moment for controlling an aircraft (vehicle) and an aircraft control device (RF patent No. 2495789).

Способ управления летательным аппаратом, т.е. изменения его ориентации в пространстве и/или его стабилизации, заключается в использовании гироскопического момента, создаваемого гироскопом без необходимости проведения «разгрузки» гироскопов, а также применением гироскопов, имеющих небольшую массу относительно самого летательного аппарата в сравнении с другими системами ориентации и стабилизации, использующих гироскопический момент.A method of controlling an aircraft, i.e. changes in its orientation in space and / or its stabilization consists in using the gyroscopic moment created by the gyroscope without the need for “unloading” gyroscopes, as well as using gyroscopes having a small mass relative to the aircraft itself in comparison with other orientation and stabilization systems using gyroscopic moment.

Устройство управления летательным аппаратом, работа которого осуществляется с применением указанного способа, состоящее из корпуса, в котором через систему дополнительного момента вращения закреплена центральная ось со штангами, к каждой штанге крепятся два гироскопа, имеющих идентичные размеры и массу.The control device of the aircraft, the operation of which is carried out using the specified method, consisting of a housing in which a central axis with rods is fixed through a system of additional torque, two gyroscopes having identical sizes and weights are attached to each rod.

Векторы вращения первого и второго гироскопов противоположны друг другу. Векторы моментов первого и второго гироскопов также имеют взаимопротивоположные направления и нейтрализуют обратные действия друг друга. Соответственно действие момента одного гироскопа на другой порождает возникновение сил Кориолиса, которые создают моменты каждого гироскопа Сумма данных моментов создает момент, который вращает центральную ось устройства. Таким образом, если центральную ось устройства жестко соединить с КА, то под действием данного момента, он будет поворачиваться в направлении этого момента.The rotation vectors of the first and second gyroscopes are opposite to each other. The moment vectors of the first and second gyroscopes also have opposite directions and neutralize the reverse actions of each other. Accordingly, the action of the moment of one gyroscope on another gives rise to the appearance of Coriolis forces that create the moments of each gyroscope. The sum of these moments creates the moment that rotates the central axis of the device. Thus, if the central axis of the device is rigidly connected to the spacecraft, then under the influence of this moment, it will turn in the direction of this moment.

Изобретение позволяет исключить необходимость проведения «разгрузки» гироскопа, однако в устройстве присутствуют два гироскопа, с требованием идентичности по размерам и массе, а также дополнительные электромеханические устройства (дополнительные масса и габариты). С учетом управления по трем ортогональным осям X, Y, Z (главными осевыми моментами инерции КА) необходимы гироскопы, расположенным по данным ортогональным осям (см. Е.Р. Рахтеенко. Гироскопические системы ориентации. М., «Машиностроение», 1989 г., стр. 10-12).The invention eliminates the need for "unloading" of the gyroscope, however, there are two gyroscopes in the device, with the requirement of identity in size and weight, as well as additional electromechanical devices (additional weight and dimensions). Taking into account the control along the three orthogonal axes X, Y, Z (the main axial moments of inertia of the spacecraft), gyroscopes located along these orthogonal axes are necessary (see ER Rakhteenko. Gyroscopic orientation systems. M., "Engineering", 1989 , p. 10-12).

Поэтому использование данной системы, даже при отсутствии дублирования, для малых (сверхмалых) КА с выдвигаемыми к ним технико-эксплуатационными требованиями, описанными выше, не является рациональным решением.Therefore, the use of this system, even in the absence of duplication, for small (ultra-small) spacecraft with the technical and operational requirements put forward to them, described above, is not a rational solution.

Этот недостаток можно исключить путем использования наиболее подходящих для этих целей магнитных систем, которые, как было сказано выше, практически не уступают по функциональным возможностям реактивным системам и совсем не расходуют рабочего тела.This disadvantage can be eliminated by using the most suitable magnetic systems for these purposes, which, as mentioned above, are practically inferior in functionality to reactive systems and do not consume a working fluid at all.

Такой принцип ориентации и стабилизации осуществляется в способе ориентации и системе ориентации для реализации способа по патенту РФ №2150412, взятом за прототип.This principle of orientation and stabilization is carried out in the orientation method and the orientation system for implementing the method according to the patent of the Russian Federation No. 2150412, taken as a prototype.

Данный способ ориентации КА заключается в создании эллипсоида инерции, ориентирующего КА в гравитационном поле Земли в орбитальной системе координат, путем перемещения элементов конструкции КА на заданные расстояния относительно друг друга, в первичном измерении через фиксированные интервалы времени сигналов, пропорциональных проекциям вектора индукции магнитного поля Земли на оси связанной с КА системы координат, запоминании величины и полярности измеренных сигналов до момента следующего первичного измерения, создании демпфирующего магнитного момента вдоль каждой оси КА, вводят вторичные измерения сигналов, пропорциональных проекциям вектора индукции магнитного поля Земли, непрерывно или с временными интервалами, меньшими или равными по величине интервалам запоминания первичных измерений сигналов, сравнивают по каждой оси сигналы вторичных измерений с соответствующими запомненными сигналами первичных измерений, получают сигналы сравнения и создают непрерывно или на временных интервалах между вторичными измерениями демпфирующий магнитный момент по каждой оси КА, величина которого постоянна или пропорциональна величине соответствующего данной оси КА сигнала сравнения, а направление противоположно полярности этого сигнала.This method of orienting the spacecraft consists in creating an ellipsoid of inertia orienting the spacecraft in the Earth's gravitational field in the orbital coordinate system, by moving the structural elements of the spacecraft at predetermined distances relative to each other, in the primary measurement at fixed time intervals of signals proportional to the projections of the magnetic field of the Earth axis associated with the spacecraft coordinate system, storing the magnitude and polarity of the measured signals until the next primary measurement, creating a damping of its magnetic moment along each axis of the spacecraft, secondary measurements of signals are introduced, which are proportional to the projections of the Earth's magnetic field induction vector, continuously or with time intervals shorter or equal to the memory intervals of primary measurements of signals, and secondary signals are compared on each axis with the corresponding stored primary signals measurements, receive comparison signals and create continuously or at time intervals between secondary measurements a damping magnetic moment for each Axis of the spacecraft, the value of which is constant or proportional to the magnitude of the corresponding signal comparison spacecraft axis, and the direction opposite to the polarity of the signal.

Система ориентации, реализующая данный способ, содержит гравитационное устройство и три канала демпфирования, в которые введены блоки сравнения. Эти блоки связаны с выходами магнитометров, блоками памяти и устройствами создания магнитных моментов КА.The orientation system that implements this method contains a gravity device and three damping channels into which comparison blocks are introduced. These blocks are associated with the outputs of the magnetometers, memory blocks and devices for creating magnetic moments of the spacecraft.

Недостатки, которые ограничивают использование данного патента в малых КА:Disadvantages that limit the use of this patent in small spacecraft:

- достаточно большие масса и габариты гравитационного устройства и увеличение максимального момента и крутизны моментной характеристики в данной системе приводит к увеличению массы и габаритов;- sufficiently large mass and dimensions of the gravitational device and an increase in the maximum moment and the steepness of the moment characteristics in this system leads to an increase in mass and dimensions;

- низкая крутизна моментной характеристики гравитационной системы, обеспечивающей невысокую точность при возмущающих моментах;- low steepness of the moment characteristics of the gravitational system, providing low accuracy at disturbing moments;

- уникальные сложные механические устройства требуют применение дорогостоящих технологических процессов и приводят к снижению надежности работы системы ориентации КА.- unique complex mechanical devices require the use of expensive technological processes and lead to a decrease in the reliability of the spacecraft orientation system.

Кроме того, устройство гравитационной стабилизации имеет такие эксплуатационные недостатки, как, например, деформация штанг (или других механических деталей) от неравномерного теплового нагрева солнечными лучами (см. патент РФ №2304069), для устранения которых требуются дополнительные оригинальные решения, усложняющие дорогостоящие технологические процессы и увеличивающие габариты, массу и стоимость КА, и приводящие к снижению надежности работы системы ориентации КА.In addition, the gravitational stabilization device has such operational disadvantages as, for example, the deformation of the rods (or other mechanical parts) from uneven thermal heating by the sun's rays (see RF patent No. 2304069), the elimination of which requires additional original solutions that complicate expensive technological processes and increasing the dimensions, mass and cost of the spacecraft, and leading to a decrease in the reliability of the operation of the spacecraft orientation system.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы системы ориентации космического аппарата.The aim of the invention is to increase the reliability of the orientation system of the spacecraft.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Поставленная цель достигается благодаря техническому обеспечению требуемых технико-эксплуатационных характеристик малых КА, движущихся по околоземной орбите Земли, ориентированных в орбитальной системе координат, путем использования магнитной системы ориентации совместно с одним двигателем-маховиком, используемым в качестве гиростабилизатора. Надежная магнитная система, близкая по функциональным возможностям к реактивным системам, не потребляющая рабочего тела, обеспечивает предварительное успокоение КА и, в дальнейшем, управление по координатным осям (крен, рыскание, тангаж). Используемый всего лишь один двигатель-маховик с кинетическим моментом, направленным по бинормали к плоскости орбиты (по оси тангажа КА), в качестве гиростабилизатора и управления по тангажу в незначительных пределах, определяет в целом высокую надежность работы системы ориентации малого КА.This goal is achieved due to the technical support of the required technical and operational characteristics of small spacecraft moving in the Earth’s near-Earth orbit, oriented in the orbital coordinate system, by using a magnetic orientation system in conjunction with one flywheel engine used as a gyro stabilizer. A reliable magnetic system, which is close in functionality to reactive systems, does not consume a working fluid, provides preliminary calming of the spacecraft and, subsequently, control along the coordinate axes (roll, yaw, pitch). Used only one flywheel engine with a kinetic moment directed along the binormal to the plane of the orbit (along the spacecraft axis), as a gyrostabilizer and pitch control to insignificant limits, determines the overall high reliability of the small spacecraft orientation system.

Предлагаемый способ ориентации КА заключается в определении величин магнитной индукции магнитного поля Земли по трем координатным осям X, Y, Z и накопленных кинетических моментов инерционной механической системой «корпус КА - маховик» по крену, рысканью, тангажу, формировании на выходах электромагнитных устройств магнитных моментов, которые взаимодействуя с магнитным полем Земли, создают управляющие механические моменты для предварительного успокоения и управления КА. Кроме того, в гиростабилизации и управлении по тангажу КА с помощью двигателя-маховика, определении накопленного кинетического момента двигателя - маховика, и формировании на выходах электромагнитных устройств магнитных моментов, которые взаимодействуя с магнитным полем Земли, создают управляющий механический момент для сброса кинетического момента двигателя-маховика.The proposed method of orienting the spacecraft is to determine the magnitude of the magnetic induction of the Earth’s magnetic field along the three coordinate axes X, Y, Z and the accumulated kinetic moments of the inertial mechanical system “spacecraft-flywheel body” from roll, yaw, pitch, formation of magnetic moments at the outputs of electromagnetic devices, which, interacting with the Earth’s magnetic field, create controlling mechanical moments for pre-calming and controlling the spacecraft. In addition, in gyro stabilization and spacecraft pitch control using a flywheel engine, determining the accumulated kinetic moment of a flywheel engine, and forming magnetic moments at the outputs of electromagnetic devices that interact with the Earth’s magnetic field, create a controlling mechanical moment to reset the kinetic moment of the engine flywheel.

Устройство ориентации КА включает в себя три датчика магнитометра, выходы которых соединены с входами электронно-вычислительного устройства, выходы которого соединены с входами трех усилительно-преобразовательных устройств, выходы которых соединены с входами трех электромагнитных устройств.The spacecraft orientation device includes three magnetometer sensors, the outputs of which are connected to the inputs of an electronic computing device, the outputs of which are connected to the inputs of three amplification-conversion devices, the outputs of which are connected to the inputs of three electromagnetic devices.

Введение в устройство ориентации космического аппарата трех датчиков компонент кинетического момента, выходы которых соединены с входами электронно-вычислительного устройства, двигателя-маховика, соединенного с выходом электронно-вычислительного устройства через устройство сопряжения, позволяет обеспечить с помощью электромагнитных устройств управляющие магнитные моменты по трем координатным осям X, Y, Z, которые взаимодействуя с векторами индукции магнитного поля Земли создают управляющие моменты для КА.The introduction of three sensors of the kinetic moment component, the outputs of which are connected to the inputs of the electronic computing device, the flywheel engine connected to the output of the electronic computing device through the interface device, into the device for orienting the spacecraft, allows using magnetic devices to control magnetic moments along three coordinate axes X, Y, Z, which interacting with the induction vectors of the Earth's magnetic field create control moments for the spacecraft.

В общем случае управляющий момент М определяется основным уравнением управленияIn the general case, the control moment M is determined by the basic control equation

Figure 00000001
Figure 00000001

где L - вектор создаваемого магнитного момента электромагнитными устройствами;where L is the vector of the generated magnetic moment by electromagnetic devices;

В - вектор магнитной индукции магнитного поля Земли.B is the vector of magnetic induction of the Earth's magnetic field.

В проекциях да оси управления КА выражение (1) принимает видIn projections and control axes of the spacecraft, expression (1) takes the form

Figure 00000002
Figure 00000002

(см. А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 21-22).(see AP Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., "Mechanical Engineering", 1975, pp. 21-22).

Первая особенность магнитной системы управления КА, как это следует из формулы (1), заключается в том, что вектор управляющего момента М перпендикулярен вектору В и поэтому нельзя создать управляющий момент в направлении поля, т.е. все возможные положения М заключены в плоскости, нормальной В. Поэтому на неоптимальных участках полета КА по орбите (управляющий момент в направлении поля) влияние возмущений на КА не могут быть устранены и точность его управления невысока. Данный недостаток магнитной системы управления, а именно, его неспособность создавать управляющий момент по направлению вектора индукции магнитного поля Земли "компенсируется" введением в устройство двигателя-маховика, работающего в режиме гиростабилизатора и позволяющего ослабить влияние на точность ориентации указанного недостатка. Установка гиростабилизатора на КА придает последнему способность сопротивляться, подобно гироскопу, действию возмущающего момента. Это свойство оказывается особенно полезным на тех участках орбиты, на которых вектора индукции геомагнитного поля и возмущающего момента оказываются почти параллельными. Более того, изменением скорости вращения маховика в небольших пределах относительно номинальной скорости вращения создается дополнительный управляющий момент, позволяющий корректировать движения КА (по тангажу). Выбор расположения гиростабилизатора по тангажу связан с тем, что КА аппарат в орбитальном полете, ориентированный в орбитальной системе координат, вращается относительно оси тангажа. При таком расположении гиростабилизатора он не препятствует такому вращению КА (не создает гироскопического момента). В то же время, при появлении под воздействием возмущающих моментов, проекции скорости, перпендикулярной оси вращения гиростабилизатора, он создает гироскопический момент, препятствующий изменению направления вектора скорости.The first feature of the spacecraft’s magnetic control system, as follows from formula (1), is that the vector of the control moment M is perpendicular to the vector B and therefore it is impossible to create a control moment in the direction of the field, i.e. all possible positions of M are enclosed in a plane normal to B. Therefore, in non-optimal sections of the spacecraft’s flight in orbit (control moment in the field direction), the influence of disturbances on the spacecraft cannot be eliminated and its control accuracy is low. This drawback of the magnetic control system, namely, its inability to create a control moment in the direction of the Earth's magnetic field induction vector, is “compensated” by introducing into the device a flywheel engine operating in the gyrostabilizer mode and allowing to weaken the influence on the orientation accuracy of this drawback. The installation of a gyrostabilizer on a spacecraft gives the latter the ability to resist, like a gyroscope, the action of a disturbing moment. This property turns out to be especially useful in those parts of the orbit in which the induction vectors of the geomagnetic field and the disturbing moment turn out to be almost parallel. Moreover, by changing the speed of rotation of the flywheel within small limits relative to the nominal speed of rotation, an additional control moment is created that allows you to adjust the motion of the spacecraft (pitch). The choice of the gyrostabilizer location by pitch is related to the fact that the spacecraft in orbital flight, oriented in the orbital coordinate system, rotates relative to the pitch axis. With this arrangement of the gyrostabilizer, it does not interfere with such a rotation of the spacecraft (does not create a gyroscopic moment). At the same time, when disturbing moments appear, the projection of the velocity perpendicular to the axis of rotation of the gyrostabilizer, it creates a gyroscopic moment that prevents the direction of the velocity vector from changing.

Применяя управляющий двигатель-маховик, путем изменения скорости вращения маховика в небольших пределах относительно его номинальной скорости поддерживается требуемый управляющий момент по оси тангажа.Using the flywheel control engine, by changing the speed of the flywheel in small limits relative to its rated speed, the required control moment along the pitch axis is maintained.

Сочетание основного управления с помощью магнитных моментов, создаваемых электромагнитами с управлением двигателем-маховиком обеспечивает полную управляемость по оси тангажа. По оси крена и рыскания обеспечивается управляемость системы в среднем за орбитальный период. Это объясняется тем, что в процессе полета КА по орбите В меняется как по величине, так и по направлению относительно осей управления, при этом всякий раз создаются новые условия для управления. Если в данный момент эти условия в некотором смысле неоптимальны, то через некоторое время они окажутся близкими к оптимальным. Стабилизирующие свойства гиростабилизатора обеспечивают в течение орбитального периода удержание углов отклонения КА в допустимых пределах.The combination of basic control with the help of magnetic moments created by electromagnets with flywheel motor control provides complete controllability along the pitch axis. On the roll and yaw axis, the system is controllable on average over the orbital period. This is explained by the fact that during the spacecraft’s flight in orbit B changes both in magnitude and direction relative to the control axes, and new conditions for control are created each time. If at the moment these conditions are in some sense not optimal, then after a while they will be close to optimal. The stabilizing properties of the gyrostabilizer during the orbital period keep the angles of deviation of the spacecraft within acceptable limits.

Следует отметить, что с помощью управляющих магнитных моментов по трем координатным осям X, Y, Z, создаваемых электромагнитными устройствами, и трехкомпонентного датчика кинетического момента КА можно легко обеспечивать как предварительное успокоение КА, так и разгрузку кинетического момента инерционных исполнительных органов (см. В.И. Боевкин и др. Ориентация искусственных спутников в гравитационных и магнитных полях. «Наука», М., 1976, стр. 211).It should be noted that with the help of controlling magnetic moments along the three coordinate axes X, Y, Z created by electromagnetic devices and a three-component KA kinetic moment sensor, it is easy to provide both pre-calming of the KA and unloading the kinetic moment of inertial actuators (see B. I. Boyevkin et al. Orientation of artificial satellites in gravitational and magnetic fields. Nauka, Moscow, 1976, p. 211).

С учетом тенденции развития микроэлектроники и программного обеспечения, миниатюризация электроники, переход к цифровым технологиям в управлении, наиболее оптимальным является использование в качестве электронно-вычислительного устройства микроЭВМ. Этому способствуют и требования ГОСТ Р 52070-2003 по применению стандартизированных интерфейсов последовательных мультиплексных каналов обмена (МКО), включающих в себя бортовую вычислительную машину с системным и локальными контроллерами.Given the development trend of microelectronics and software, miniaturization of electronics, the transition to digital technologies in control, the most optimal is the use of microcomputers as an electronic computing device. This is facilitated by the requirements of GOST R 52070-2003 on the use of standardized interfaces of serial multiplexed communication channels (MCO), which include an on-board computer with system and local controllers.

Таким образом, благодаря введению новых признаков - трехкомпонентного датчика кинетического момента, совместно с электромагнитными устройствами обеспечивается предварительное успокоение КА и сброс кинетического момента инерционной механической системы, а введением двигателя-маховика, работающего в режиме гиростабилизатора, существенно уменьшается влияние возмущающего момента на КА, обеспечиваются более высокие точности ориентации и поддерживается заданное угловое движение корпуса КА.Thus, due to the introduction of new features - a three-component kinetic moment sensor, together with electromagnetic devices, the spacecraft is pre-calmed down and the kinetic moment of the inertial mechanical system is reset, and the introduction of the flywheel engine operating in the gyrostabilizer mode significantly reduces the influence of the disturbing moment on the spacecraft, more high orientation accuracy and the specified angular motion of the spacecraft hull is supported.

Кроме того, в предлагаемом устройстве обеспечивается всесторонняя с высокой достоверностью телеметрия и микропроцессорное управление режимами работы устройства, достигается заданная точность ориентации с использованием надежного двигателя-маховика и надежной активной магнитной системы ориентации, обладающей максимальной простотой и минимальными массоинерционными параметрами, энергопотреблением и стоимостью, - в целом это определяет высокую надежность работы бортовой аппаратуры системы ориентации.In addition, the proposed device provides comprehensive telemetry and microprocessor control of the device’s operating modes with high reliability, the specified orientation accuracy is achieved using a reliable flywheel engine and a reliable active magnetic orientation system, which has maximum simplicity and minimal mass inertia parameters, energy consumption and cost, - In general, this determines the high reliability of the onboard equipment of the orientation system.

Графические иллюстрацииGraphic illustration

Фиг. 1. Структурная схема устройства ориентации космического аппарата.FIG. 1. The structural diagram of the device orientation of the spacecraft.

Описание способа ориентации космического аппаратаDescription of the spacecraft orientation method

Определяют величины магнитной индукции магнитного поля Земли по трем координатным осям X, Y, Z и накопленных кинетических моментов инерционной механической системой «корпус КА-маховик» по крену, рысканью, тангажу, формируют управляющие электрические сигналы для электромагнитных устройств по каждой координатной оси X, Y, Z, на выходах которых формируются магнитные моменты, которые при взаимовоздействии с геомагнитным полем создают управляющие механические моменты для предварительного успокоения и управления КА, поддерживают постоянную скорость вращения ротора двигателя-маховика для обеспечения роли гиростабилизатора КА, в дальнейшем регулируют скорость двигателя-маховика, управляя по частоте вращения ротора с помощью микроЭВМ, для поддержания необходимой угловой скорости КА по тангажу, определяют кинетический момента двигателя-маховика и осуществляют его сброс с помощью электромагнитных устройств.The magnitude of the magnetic induction of the Earth’s magnetic field is determined by the three coordinate axes X, Y, Z and the accumulated kinetic moments by the inertial mechanical system “KA-flywheel body” by roll, yaw, pitch, form control electric signals for electromagnetic devices on each coordinate axis X, Y , Z, at the outputs of which magnetic moments are formed, which, when interacting with a geomagnetic field, create controlling mechanical moments for pre-calming and controlling the spacecraft, maintain a constant the rotational speed of the rotor of the flywheel engine to ensure the role of the spacecraft gyrostabilizer, further regulate the speed of the flywheel engine by controlling the rotational speed of the rotor using a microcomputer, to maintain the necessary angular velocity of the spacecraft in pitch, determine the kinetic moment of the flywheel engine and reset it using electromagnetic devices.

Описание работы устройстваDevice Description

Устройство ориентации космического аппарата с использованием магнитного поля земли содержит составляющие, обозначенные позициями на Фиг. 1:The device for orienting a spacecraft using the earth’s magnetic field contains the components indicated by the positions in FIG. one:

- датчики компонент геомагнитной индукции по трем координатным осям X, Y, Z (Mx, My, Mz) - 1, 2, 3;- sensors of components of geomagnetic induction along the three coordinate axes X, Y, Z (M x , M y , M z ) - 1, 2, 3;

- микроЭВМ (электронно-вычислительное устройство) - 4;- microcomputers (electronic computing device) - 4;

- усилительно-преобразующие устройства по трем координатным осям X, Y, Z (УПУx, УПУy, УПУz) - 5, 6, 7;- amplifier-converting devices along the three coordinate axes X, Y, Z (UPU x , UPU y , UPU z ) - 5, 6, 7;

- электромагнитные устройства по координатным осям X, Y, Z (ЭМx, ЭМy, ЭМz) - 8, 9, 10;- electromagnetic devices along the coordinate axes X, Y, Z (EM x , EM y , EM z ) - 8, 9, 10;

- датчики компонент кинетического момента (ДККМ) по крену, рысканью, тангажу - 11, 12, 13;- sensors of the components of the kinetic moment (DKKM) roll, yaw, pitch - 11, 12, 13;

- двигатель-маховик (ДМ) - 14;- engine-flywheel (DM) - 14;

- устройство сопряжения (УС) - 15;- interface device (CSS) - 15;

- ИИМ (информационный интерфейсный модуль) - 16.- IIM (information interface module) - 16.

При отделении КА от ракеты или разгонного блока осуществляются процесс успокоения и последующая стабилизация КА в орбитальной системе координат OXOYOZO:When the spacecraft is separated from the rocket or the booster block, the process of calming down and the subsequent stabilization of the spacecraft in the orbital coordinate system OX O Y O Z O :

- начало координат совпадает с центром масс МКА;- the origin coincides with the center of mass of the MCA;

- ось YO направлена по радиусу-вектору орбиты МКА от центра Земли;- the axis Y O is directed along the radius vector of the orbit of the MCA from the center of the Earth;

- ось XO направлена в сторону вектора линейной скорости МКА, находится в плоскости орбиты и ортогональна оси YO;- the X O axis is directed towards the linear velocity vector of the MCA, is in the orbit plane and is orthogonal to the Y O axis;

- ось ZO дополняет систему координат до правой ортогональной.- the axis Z O complements the coordinate system to the right orthogonal.

Вначале автоматически запускается режим начального демпфирования, предназначенный для снижения кинетического момента (гашение угловых скоростей вращения) КА, возникающего при отделении, и стабилизации КА относительно произвольной инерциальной системы координат, определяемой на момент отделения, то есть обнуления начального кинетического момента КА.Initially, the initial damping mode is automatically started, designed to reduce the kinetic moment (quenching of the angular velocity of rotation) of the spacecraft that occurs during separation and to stabilize the spacecraft with respect to an arbitrary inertial coordinate system determined at the time of separation, i.e., zeroing the initial kinetic moment of the spacecraft.

Это осуществляется следующим образом.This is as follows.

Датчики компонент геомагнитной индукции Mx, My, Mz - 1, 2, 3 вырабатывают сигналы компонент магнитной индукции Вх, By, Bz, а датчики компонент кинетического момента по крену, рысканью, тангажу - 11, 12, 13 измеряют кинетические моменты КА и вырабатывают сигналы Кх, Ку, Kz.The sensors of the components of geomagnetic induction M x , M y , M z - 1, 2, 3 generate the signals of the components of the magnetic induction B x , B y , B z , and the sensors of the components of the kinetic moment by roll, yaw, pitch - 11, 12, 13 measure kinetic moments of the spacecraft and generate signals K x , K y , K z .

В качестве датчиков компонент геомагнитной индукции можно использовать, например, разработанный АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» магнитометр цифровой трехкомпонентный МЦТ-8.As sensors, components of geomagnetic induction can be used, for example, a three-component digital magnetometer MTTs-8 developed by Ramenskoye Instrument-Making Design Bureau JSC.

В качестве датчиков компонент кинетического момента по крену, рысканью, тангажу - 11, 12, 13 (см. патент РФ №2281232) можно использовать датчики угловых скоростей, например, датчики, основанные на микроэлектромеханических системах (МЭМС), выпускаемых Компанией «Лаборатория Микроприборов», г. Зеленоград.The angular velocity sensors, for example, sensors based on microelectromechanical systems (MEMS) manufactured by the Laboratory of Microdevices ”can be used as sensors for the components of the kinetic moment in roll, yaw, and pitch — 11, 12, 13 (see RF patent No. 2281232). , Zelenograd.

На основе поступающих сигналов микроЭВМ 4 вырабатывает сигналы, равныеBased on the incoming signals, the microcomputer 4 generates signals equal to

Figure 00000003
Figure 00000003

МикроЭВМ 4 включает в себя следующие неотъемлемые элементы: микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, устройства ввода и вывода данных (см. патент РФ №106768).Microcomputer 4 includes the following integral elements: microprocessor, RAM, ROM, data input and output devices (see RF patent No. 106768).

Микропроцессор осуществляет все функции по организации работы микроЭВМ 4, синхронизации взаимодействия его составных частей и выполнению необходимых вычислительных операций, производит выборку команд и данных из памяти программ ПЗУ и памяти данных, производит арифметические и логические операции над данными, управляет сигналами на внутренней шине адреса данных. Микропроцессор - основной программно-управляемый элемент, осуществляющий процесс обработки цифровой информации. Он генерирует адресные сигналы и управляющие импульсы, необходимые для обращения к памяти и устройству ввода вывода, а также отвечает на запросы прерываний.The microprocessor performs all the functions of organizing the operation of the microcomputer 4, synchronizing the interaction of its components and performing the necessary computational operations, selects instructions and data from the ROM program memory and data memory, performs arithmetic and logical operations on the data, and controls the signals on the internal data address bus. A microprocessor is the main program-controlled element that implements the process of processing digital information. It generates address signals and control pulses necessary to access the memory and input / output device, and also responds to interrupt requests.

В соответствии с программным обеспечением, заложенным в ПЗУ, микропроцессор организует работу по нескольким жестким циклам.In accordance with the software embedded in the ROM, the microprocessor organizes the work in several hard cycles.

При обращении микропроцессора к ОЗУ происходят запись информации в ячейки памяти ОЗУ или передача информации из ячеек памяти ОЗУ, при отсутствии обращения - ячейки ОЗУ находятся в режиме хранения информации.When the microprocessor accesses the RAM, information is written to the RAM memory cells or information is transferred from the RAM memory cells; in the absence of circulation, the RAM cells are in the information storage mode.

В качестве микроЭВМ можно использовать, например, отечественные однокристальные микроЭВМ серии 1816. Использование однокристальных микроЭВМ обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности (осуществляются все вычислительные алгоритмы по обработке входной информации и формированию требуемых управлений электромагнитных устройств, двигателя-маховика) при низкой стоимости.As a microcomputer, you can use, for example, domestic single-chip microcomputers of the 1816 series. The use of single-chip microcomputers ensures the achievement of exceptionally high performance indicators (all computational algorithms for processing input information and generating the required controls for electromagnetic devices, a flywheel engine are implemented) at a low cost.

Командно-программная информация (КПИ) и навигационные данные (НД) в микроЭВМ 4 поступает через информационный интерфейсный модуль 16 (с учетом телеметрических данных, например, по ГОСТ Р 52070-2003). Магистральная шина линии передачи информации выполняется из кабеля с витой экранированной парой проводов в защитной оболочке, к которым с обоих концов кабеля подключаются согласующие элементы. В качестве информационного интерфейсного модуля 16 может быть использован, например, модуль сопряжения USB TA1-USB с мультиплексным каналом по ГОСТ Р 52070-2003 (MIL-STD-1553 В). Данный информационный интерфейсный модуль способен обрабатывать около 500 сообщений в секунду. В интерфейсах мультиплексных каналов обмена обмен информацией осуществляется по принципу команда-ответ с временным разделением сообщений, состоящих из командных, информационных и ответных слов. По мультиплексному каналу обмена передаются команды управления от локального контроллера (бортового комплекса управления), а также телеметрическая информация (через центральную ЭВМ) по работе всех ключевых элементов устройства и микроЭВМ 4 (и наоборот, считывать информацию в центральную ЭВМ, которая по телеметрии (ТМ) связана с центром наземного управления).Command and program information (KPI) and navigation data (ND) to the microcomputer 4 is received through the information interface module 16 (taking into account telemetry data, for example, according to GOST R 52070-2003). The main bus of the information transmission line is made of a cable with a twisted shielded pair of wires in a protective sheath, to which matching elements are connected from both ends of the cable. As the information interface module 16, for example, a USB TA1-USB interface module with a multiplex channel according to GOST R 52070-2003 (MIL-STD-1553 V) can be used. This information interface module is capable of processing about 500 messages per second. In the interfaces of multiplex communication channels, information is exchanged according to the command-response principle with time division of messages consisting of command, information and response words. Control commands from a local controller (on-board control complex), as well as telemetry information (via a central computer) on the operation of all key elements of the device and microcomputer 4 (and vice versa, read information into a central computer that is telemetry (TM), are transmitted via a multiplexed communication channel) connected to the ground control center).

Полученные сигналы σx, σy, σz с устройства вывода данных ЭВМ 4 поступают на входы усилительно-преобразовательных устройств УПУх, УПУy, УПУz - 5, 6, 7, которые обеспечивают формирование токов в катушках электромагнитных устройств ЭМx, ЭМy, ЭМz - 8, 9, 10. В результате на выходах электромагнитных устройств ЭМx, ЭМy, ЭМz - 8, 9, 10 генерируются магнитных моменты относительно координатных осей КА - Lx, Ly, Lz., которые взаимодействуя с векторами магнитной индукции магнитного поля Земли Вх, By, Bz в соответствии с формулами (2) создают управляющие моменты Mx, My, Mz по осям управления КА.The received signals σ x , σ y , σ z from the computer 4 data output device are fed to the inputs of the amplification-conversion devices UPU x , UPU y , UPU z - 5, 6, 7, which provide the formation of currents in the coils of electromagnetic devices EM x , EM y , EM z - 8, 9, 10. As a result, at the outputs of electromagnetic devices EM x , EM y , EM z - 8, 9, 10, magnetic moments are generated relative to the coordinate axes of the spacecraft - L x , L y , L z ., which interacting with the vectors of magnetic induction of the Earth’s magnetic field B x , B y , B z in accordance with formulas (2) create control moments M x , M y , M z along the control axes of the spacecraft.

В качестве магнитных исполнительных органов можно использовать, например, электромагниты стержневого типа с сердечником из магнитно-мягкого материала с обмотками из медного провода (см. А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 178). Описание работы реверсивных коммутаторов УПУх, УПУy, УПУz - 5, 6, 7, например, в виде мостового переключателя, приведено в патенте РФ №2140128.As magnetic actuators, for example, rod-type electromagnets with a core of magnetically soft material with windings of copper wire can be used (see A. P. Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., "Engineering", 1975 ., p. 178). A description of the operation of reversible switches UPU x , UPU y , UPU z - 5, 6, 7, for example, in the form of a bridge switch, is given in RF patent No. 2140128.

Длительность процесса демпфирования зависит от начальной скорости отделения КА, инерционных характеристик КА, высоты орбиты и мощности магнитопривода (алгоритмы управления микроЭВМ - данные, записанные в ПЗУ).The duration of the damping process depends on the initial speed of separation of the spacecraft, the inertial characteristics of the spacecraft, the height of the orbit and the power of the magnetic drive (microcomputer control algorithms are data recorded in ROM).

Затем осуществляется процесс приведения и последующая стабилизация КА в орбитальной системе координат OXOYOZO. При этом оси орбитальной системы координат OXOYOZO и оси связанной системы координат КА OXsYsZs (начало координат совпадает с центром масс КА; остальные оси расположены вдоль строительных осей КА) должны быть совмещены. В связанной системе координат КА OXsYsZs определяются следующие углы:Then, the reduction process and subsequent stabilization of the spacecraft in the orbital coordinate system OX O Y O Z O are carried out. In this case, the axes of the orbital coordinate system OX O Y O Z O and the axis of the associated spacecraft coordinate system OXsYsZs (the origin coincides with the center of mass of the spacecraft; the remaining axes are located along the spacecraft construction axes) must be aligned. The following angles are determined in the associated coordinate system of the spacecraft OXsYsZs:

- крен - вращение вокруг оси OXs;- roll - rotation around the axis OXs;

- рыскание - вращение вокруг оси OYs;- yaw - rotation around the axis OYs;

- тангаж - вращение вокруг оси OZs- pitch - rotation around the axis OZs

(при орбитальной ориентации размером корпуса можно пренебречь).(with orbital orientation, the size of the body can be neglected).

Процесс приведения запускается автоматически, или по команде бортовой ЭВМ.The casting process starts automatically, or by command of the onboard computer.

На основании навигационных данных, периодически получаемых из бортовой ЭВМ через ИИМ 16, определяется текущее положение центра масс КА в географической системе координат в привязке к текущему значению универсального кодированного времени (UTS) и вычисляется вектор геомагнитной индукции по международной модели геомагнитного поля IGRF (International geomagnetic reference field).Based on the navigation data periodically obtained from the on-board computer via IMI 16, the current position of the spacecraft center of mass in the geographical coordinate system is determined in relation to the current value of universal encoded time (UTS) and the geomagnetic induction vector is calculated according to the international geomagnetic field model IGRF (International geomagnetic reference field).

Поскольку на территории России отсутствует сеть опорных измерений векового хода геомагнитного поля, для целей интерпретации используется мировая модель нормального поля. Эта модель основана на представлении нормального поля в виде ряда по сферическим функциям, коэффициенты которого определяются каждые 5 лет на основе мировой сети магнитных обсерваторий (см. патент РФ №2447405).Since there is no network of supporting measurements of the secular course of the geomagnetic field in Russia, the world model of the normal field is used for interpretation purposes. This model is based on representing the normal field as a series of spherical functions, the coefficients of which are determined every 5 years on the basis of a global network of magnetic observatories (see RF patent No. 2447405).

Figure 00000004
Figure 00000004

где X, Y, Z - соответственно северная, восточная и вертикальная составляющие;where X, Y, Z are the northern, eastern, and vertical components, respectively;

R - средний радиус Земли, R is the average radius of the Earth,

r - расстояние от точки до центра Земли;r is the distance from the point to the center of the earth;

λ - долгота, θ=π/2-ϕ - дополнение до широты;λ - longitude, θ = π / 2-ϕ - complement to latitude;

Pn m(cosθi) - присоединенная функция Лежандра первого рода;P n m (cosθ i ) is the associated Legendre function of the first kind;

gn m, hn m - сферические гармонические коэффициенты.g n m , h n m - spherical harmonic coefficients.

На основании получаемых данных и с использованием матрицы преобразования из географической системы координат в орбитальную систему ориентации микроЭВМ 4 формирует сигналы σx, σy, σz для формирования на выходах электромагнитных устройств ЭМx, ЭМy, ЭМz - 8, 9, 10 управляющих магнитных моментов относительно координатных осей КА - Lx, Ly, Lz, обеспечивающих заданное управление КА для переориентация КА в орбитальную СК, разгон КА по тангажу до орбитальной угловой скорости.Based on the data obtained and using the transformation matrix from the geographic coordinate system to the orbital orientation system, the microcomputer 4 generates signals σ x , σ y , σ z to form at the outputs of electromagnetic devices EM x , EM y , EM z - 8, 9, 10 control magnetic moments relative to the coordinate axes of the spacecraft - L x , L y , L z , providing a given control of the spacecraft for reorientation of the spacecraft to the orbital spacecraft, acceleration of the spacecraft in pitch to the orbital angular velocity.

Осуществляется раскрутка двигателя-маховика 14 (гиростабилизатора) до номинальной скорости, при этом электромагнитные устройства ЭМx, ЭМy, ЭМz - 8, 9, 10 постоянно осуществляют корректировку отклонения движения КА, возникающую за счет создаваемого кинетического момента ДМ 14. Двигатель-маховик 14 «вморожен» в корпус КА, т.е. не совершает никаких движений относительно корпуса, участвует вместе с тем в движении последнего. Характеристики ДМ 14 определяются его основным параметром - носимым кинетическим моментом (максимальным кинетическим моментом, который ДМ 14 может накопить). Двигатель-маховик 14 используется не только как гиростабилизатор с постоянным кинетическим моментом, но и для управления по тангажу (в некоторых пределах). Поэтому еще одним выбираемым параметром является максимальный механический (управляющий) момент, который ДМ 14 может создавать. Управление величиной управляющего момента ДМ 14 и контроль значения его текущей скорости вращения осуществляет микроЭВМ 4. В качестве двигателя-маховика можно использовать, например, ДМ 1-20, выполненный на основе управляемого моментного бесконтактного двигателя постоянного тока, выпускаемого в АО "Корпорация "ВНИИЭМ", г. Москва. Этот двигатель-маховик имеет импульсный интерфейс, вход для управления частотой вращения ротора и встроенный датчик частоты вращения ротора, по которому микроЭВМ 4 в постоянном режиме фиксирует частоту вращения ротора ДМ 14. Устройство сопряжения 15 обеспечивает подачу напряжения питания на ДМ 14 и сопряжение сигнала с выхода микроЭВМ 4, определяющего значения частоты вращения ротора, устанавливая таким образом требуемые значения частоты вращения маховика ДМ 14.The flywheel engine 14 (gyro stabilizer) is unwound to the rated speed, while electromagnetic devices EM x , EM y , EM z - 8, 9, 10 constantly carry out correction of the spacecraft movement deviation arising due to the created kinetic moment of DM 14. The flywheel engine 14 is “frozen” into the spacecraft’s hull, i.e. does not make any movements relative to the body; at the same time participates in the movement of the latter. The characteristics of DM 14 are determined by its main parameter - the wearable kinetic moment (the maximum kinetic moment that DM 14 can accumulate). The flywheel engine 14 is used not only as a gyrostabilizer with a constant kinetic moment, but also for pitch control (within certain limits). Therefore, another selectable parameter is the maximum mechanical (control) moment, which DM 14 can create. The magnitude of the control torque DM 14 and the control of the value of its current rotation speed are carried out by the microcomputer 4. As a flywheel engine, for example, DM 1-20, made on the basis of a controlled torque non-contact direct current motor manufactured by JSC "VNIIEM Corporation", can be used. , Moscow, This flywheel engine has a pulse interface, an input for controlling the rotor speed and an integrated rotor speed sensor, by which the microcomputer 4 continuously detects the rotational speed torus DM 14. The interface device 15 provides the supply voltage to the DM 14 and pairing the signal from the output of the microcomputer 4, which determines the rotational speed of the rotor, thus setting the required values of the rotational speed of the flywheel DM 14.

По завершении переориентации КА и разгона гиростабилизатора система ориентации автоматически (или по команде микроЭВМ 4) переключается в штатный режим - основной режим работы для поддержания ориентации и стабилизации КА в орбитальной системе координат:Upon completion of the reorientation of the spacecraft and acceleration of the gyrostabilizer, the orientation system automatically (or by command of the microcomputer 4) switches to the normal mode - the main mode of operation to maintain the orientation and stabilization of the spacecraft in the orbital coordinate system:

- определение текущего положения и скорости КА относительно орбитальной системы координат;- determination of the current position and speed of the spacecraft relative to the orbital coordinate system;

- приведение КА в орбитальную систему координат и поддержание данной ориентации с заданной точностью.- bringing the spacecraft into the orbital coordinate system and maintaining this orientation with a given accuracy.

В данном режиме двигатель-маховик 14 работает, прежде всего, как гиростабилизатор, позволяющий сопротивляться действию возмущающего момента и «удерживает» ориентацию на тех участках орбиты, на которых вектора индукции геомагнитного поля и возмущающего момента оказываются почти параллельными.In this mode, the flywheel engine 14 works primarily as a gyrostabilizer that allows you to resist the action of the disturbing moment and “holds” the orientation in those parts of the orbit in which the induction vectors of the geomagnetic field and the disturbing moment are almost parallel.

Скорость вращения маховика ДМ 14 должна быть постоянной стабилизированной величиной. Поддержание данного режима обеспечивает микроЭВМ 4, путем контроля частоты по встроенному датчику частоты вращения ротора ДМ 14.The speed of rotation of the flywheel DM 14 should be a constant stabilized value. The maintenance of this mode is ensured by the microcomputer 4, by monitoring the frequency using the built-in rotor speed sensor DM 14.

При движении КА, ориентированного определенным образом на Землю, для поддержания данной ориентации он должен постоянно поворачиваться по тангажу. Для этого изменяя частоту вращения маховика относительно стабилизированной скорости, создается кинетический момент К по тангажу и обеспечивается заданное угловое движение корпуса КА. Возвращение к стабилизированной скорости ДМ 14 и сброс кинетического момента осуществляется вторым контуром системы исполнительных органов, способным создавать внешние управляющие моменты, а именно, электромагнитными устройствами ЭМx, ЭМy, ЭМz - 8, 9, 10 (формирование управляющего механического момента рассмотрена выше).During the motion of a spacecraft oriented in a certain way to the Earth, to maintain this orientation, it must constantly rotate in pitch. To do this, changing the frequency of rotation of the flywheel relative to the stabilized speed, creates a kinetic moment K in pitch and provides a given angular motion of the spacecraft's hull. The return to the stabilized speed of DM 14 and the reset of the kinetic moment is carried out by the second circuit of the system of executive bodies, capable of creating external control moments, namely, electromagnetic devices EM x , EM y , EM z - 8, 9, 10 (the formation of the controlling mechanical moment is discussed above) .

Полный кинетический момент G можно представить как сумму двух кинетических моментов: корпуса КА К и гиростабилизатора НThe full kinetic moment G can be represented as the sum of two kinetic moments: the spacecraft K body and the gyrostabilizer Н

Figure 00000005
Figure 00000005

Второй контур системы исполнительных органов работает в следующем режиме. Как только величина вектора кинетического момента Н, развитого гиростабилизатором, станет увеличиваться за счет возрастания кинетического момента G, внешний управляющий момент, созданный вторым контуром системы исполнительных органов, уменьшит G, в результате чего в соответствии с формулой (4) уменьшится потребное значение Н. Уменьшение фактического значения Н будет достигнуто возвращением режима работы гиростабилизатора к предыдущему, при котором величина Н еще не успела вырасти. Благодаря непрерывному включению второго контура и дополнительной корректировке частоты вращения ротора микроЭВМ 4 удерживает обороты маховика ДМ 14 стабильными в допустимых пределах.The second circuit of the system of executive bodies operates in the following mode. As soon as the magnitude of the vector of kinetic momentum H developed by the gyrostabilizer increases due to the increase in kinetic momentum G, the external control moment created by the second circuit of the system of executive organs will reduce G, as a result of which, in accordance with formula (4), the required value of N. will decrease. the actual value of H will be achieved by returning the gyrostabilizer operation mode to the previous one, at which the value of H has not yet managed to grow. Due to the continuous inclusion of the second circuit and additional adjustment of the rotor speed, the microcomputer 4 keeps the speed of the flywheel DM 14 stable within acceptable limits.

Таким образом, достигается высокая надежность системы ориентация КА с заданной точностью.Thus, high reliability of the spacecraft orientation system with a given accuracy is achieved.

При этом обеспечивается высокая достоверность телеметрии, а микропроцессорное управление режимами работы устройства, использование одного надежного двигателя-маховика, надежной активной магнитной системы ориентации позволяют обеспечить технико-эксплуатационные требования, необходимые для малых КА (особенно для многоярусной группировки):This ensures high reliability of telemetry, and microprocessor control of the operating modes of the device, the use of one reliable flywheel engine, a reliable active magnetic orientation system can provide technical and operational requirements necessary for small spacecraft (especially for multi-tiered grouping):

- минимальные масса, габариты, энергопотребление и стоимость;- minimum weight, dimensions, power consumption and cost;

- высокая надежность КА (срок активного существования МКА - не менее 5 лет);- high reliability of the spacecraft (the active life of the MCA is at least 5 years);

- максимальная простота;- maximum simplicity;

- высокая технологичность;- high technology;

- минимальное время наземной отработки, испытаний и подготовки к пуску.- minimum time for ground mining, testing and preparation for launch.

Claims (2)

1. Способ ориентации КА, заключающийся в измерении магнитной индукции магнитного поля Земли по трем координатным осям X, Y, Z, формировании управляющих сигналов для электромагнитных устройств, формировании магнитных моментов на выходах электромагнитных устройств по каждой оси КА, отличающийся тем, что определяют кинетические моменты инерционной механической системы «корпус КА-маховик» по крену, рысканью, тангажу и двигателя-маховика по тангажу, по полученным данным кинетических моментов инерционной механической системы «корпус КА-маховик» осуществляют предварительное успокоение и управление КА по крену, рысканью, тангажу с помощью электромагнитных устройств, поддерживают постоянную скорость вращения ротора двигателя-маховика для использования его в качестве гиростабилизатора КА, в дальнейшем регулируют скорость двигателя-маховика, управляя по частоте вращения ротора с помощью микроЭВМ для поддержания необходимой угловой скорости КА по тангажу, определяют кинетический момент двигателя-маховика и осуществляют его сброс с помощью электромагнитных устройств.1. The method of orientation of the spacecraft, which consists in measuring the magnetic induction of the Earth's magnetic field along the three coordinate axes X, Y, Z, forming control signals for electromagnetic devices, forming magnetic moments at the outputs of electromagnetic devices on each axis of the spacecraft, characterized in that the kinetic moments are determined of the inertial mechanical system “KA-flywheel housing” in roll, yaw, pitch and the flywheel engine in pitch, according to the received data of the kinetic moments of the inertial mechanical system “KA-flywheel housing” ik ”carry out preliminary reassurance and control of the spacecraft by roll, yaw, pitch with the help of electromagnetic devices, maintain a constant rotational speed of the rotor of the flywheel engine to use it as a gyro stabilizer, further regulate the speed of the flywheel engine by controlling the rotor speed using microcomputers to maintain the required angular velocity of the spacecraft in pitch, determine the kinetic moment of the flywheel engine and reset it using electromagnetic devices. 2. Устройство ориентации КА, включающее в себя три датчика магнитометра, выходы которого соединены с устройством ввода микроЭВМ, устройства вывода которой соединены с входами трех усилительно-преобразовательных устройств, выходы которых соединены с входами трех электромагнитных устройств, отличающееся тем, что введены три датчика компонент кинетического момента, выходы которых соединены с устройствами ввода микроЭВМ, двигатель-маховик, информационный интерфейсный модуль и устройство сопряжения, вход которых соединен с устройством вывода микроЭВМ, а выход - с управляющим входом двигателя-маховика, выход с датчика частоты вращения ротора которого по линии передачи информации соединен с информационным интерфейсным модулем, который по линии передачи информации соединен с центральной ЭВМ и микроЭВМ.2. The orientation device of the spacecraft, which includes three sensors of the magnetometer, the outputs of which are connected to the input device of the microcomputer, the output devices of which are connected to the inputs of three amplification-converting devices, the outputs of which are connected to the inputs of three electromagnetic devices, characterized in that three component sensors are introduced kinetic moment, the outputs of which are connected to the input devices of the microcomputer, the engine-flywheel, the information interface module and the interface device, the input of which is connected to the device water of the microcomputer, and the output - with the control input of the flywheel engine, the output of the rotor speed sensor of which is connected via the information transmission line to the information interface module, which is connected to the central computer and microcomputer via the information transmission line.
RU2016102249A 2016-01-25 2016-01-25 Method of spacecraft orientation and device for the method realisation RU2618664C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016102249A RU2618664C1 (en) 2016-01-25 2016-01-25 Method of spacecraft orientation and device for the method realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016102249A RU2618664C1 (en) 2016-01-25 2016-01-25 Method of spacecraft orientation and device for the method realisation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2618664C1 true RU2618664C1 (en) 2017-05-05

Family

ID=58697771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016102249A RU2618664C1 (en) 2016-01-25 2016-01-25 Method of spacecraft orientation and device for the method realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2618664C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2692741C1 (en) * 2018-06-18 2019-06-26 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Apparatus for monitoring parameters of angular motion of a spacecraft from onboard measurements of the state of the geomagnetic field
RU2823985C1 (en) * 2023-11-21 2024-07-31 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) Magnetic system for orientation of nano- and microsatellites

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6471161B1 (en) * 1999-12-27 2002-10-29 Lockheed Martin Corporation Satellite attitude control system
US6685142B1 (en) * 1999-05-31 2004-02-03 Astrium Gmbh Three-axis position control for low-orbiting satellites
RU2356803C2 (en) * 2006-12-01 2009-05-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Control method of kinetic momentum of space vehicle during orbit correction
US9150313B2 (en) * 2012-08-06 2015-10-06 Cal Poly Corporation CubeSat system, method and apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6685142B1 (en) * 1999-05-31 2004-02-03 Astrium Gmbh Three-axis position control for low-orbiting satellites
US6471161B1 (en) * 1999-12-27 2002-10-29 Lockheed Martin Corporation Satellite attitude control system
RU2356803C2 (en) * 2006-12-01 2009-05-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Control method of kinetic momentum of space vehicle during orbit correction
US9150313B2 (en) * 2012-08-06 2015-10-06 Cal Poly Corporation CubeSat system, method and apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2692741C1 (en) * 2018-06-18 2019-06-26 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Apparatus for monitoring parameters of angular motion of a spacecraft from onboard measurements of the state of the geomagnetic field
RU2823985C1 (en) * 2023-11-21 2024-07-31 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) Magnetic system for orientation of nano- and microsatellites

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Searcy et al. Magnetometer-only attitude determination using novel two-step Kalman filter approach
JP2635821B2 (en) Three-axis stabilizing satellite pointing at the earth and method for capturing the attached sun and earth
RU2737644C2 (en) Energy-efficient maneuvering of satellite
CN109445448B (en) Self-adaptive integral sliding-mode attitude controller for wheel-controlled minisatellite
RU2618664C1 (en) Method of spacecraft orientation and device for the method realisation
US4807835A (en) Spacecraft attitude stabilization system
Daffalla et al. Hardware selection for attitude determination and control subsystem of 1U cube satellite
Gravdahl et al. Three axis Attitude Determination and Control System for a picosatellite: Design and implementation
Vega et al. Design and modeling of an active attitude control system for CubeSat class satellites
Mohammed et al. Initial attitude acquisition result of the Alsat-1 first Algerian microsatellite in orbit
Gaber et al. Real-time implementation of a robust simplified intelligent proportional–integral control for CubeSat attitude determination system
JPH09136700A (en) Yaw controller of space ship and its method
Gaber et al. High‐precision attitude determination and control system design and real‐time verification for CubeSats
RU2702932C1 (en) Method for dynamic high-accuracy orientation and stabilization of spacecraft
Hao et al. A practical rapid attitude maneuver control system using control moment gyros for microsatellite tsubame
Karataş Leo satellites: dynamic modelling, simulations and some nonlinear attitude control techniques
Wan et al. High precision satellite attitude control based on feedforward compensation
Mey Development of attitude controllers and actuators for a solar sail Cubesat
Melnik On-board algorithm for nanosatellite orientation and stabilization system
Mulay et al. Attitude determination and control of Pratham, Indian Institute of Technology Bombay's first student satellite
Fonseca et al. SACI-2 attitude control subsystem
Bangert Attitude Determination of UWE-3: Development, Test and Verification
Shams et al. Design and development of attitude control system (ACS) using COTS based components for small satellites
Munusamy et al. Design and Analysis of AAUSAT Cube Satellite Attitude Determination with PID Algorithms and Orbitron TLE
Ovchinnikova et al. aSpace Systems Dynamics Department, Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, bNewSpace Systems, Somerset West, South Africa