RU2620149C1

RU2620149C1 - Method and device (versions) for determining orientation of space or air crafts

Info

Publication number: RU2620149C1
Application number: RU2016105782A
Authority: RU
Inventors: Андрей Игоревич Захаров; Михаил Евгеньевич Прохоров; Олег Юрьевич Стекольщиков; Максим Сергеевич Тучин; Наталия Леонидовна Крусанова; Марат Керимович Абубекеров
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-05-23

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: group of inventions relates to orientation control of the space (SC) and air crafts (AC) by means of sensing elements. The device comprises orientation sensors (S) relative to the inertial coordinate system and relative to the astronomical objects positioned on the base. Wherein each of the mentioned S is equipped with several S of measuring distances between this orientation S and the base (at least 6 S), as well as (in the version) between this S and another one (or several) orientation S. Hinge support of proximity S ends is carried out to provide parallel misalignment of measured segments. Proximity S comprises a mechanical length standard and a displacement S. Management of these displacements (in the data processing unit) is intended to eliminate the influence of errors in orientation S position in body-fixed coordinate axes of SC or AC (e.g., due to deformation of the structure) on the measured parameters of the craft orientation.

EFFECT: increased orientational accuracy of the spacecraft or aircraft without increasing the rigidity and thermal stability of their structure.

15 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Группа изобретений относится к космической и авиационной технике, а именно к технологии повышения точности определения ориентации космических (КА) или летательных аппаратов (ЛА) относительно определенных небесных тел - астрономических космических объектов, в частности таких как таких как Солнце, Земля, Луна, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и т.д.The group of inventions relates to space and aviation technology, namely to technology for increasing the accuracy of determining the orientation of space (SC) or aircraft (LA) relative to certain celestial bodies - astronomical space objects, in particular such as the Sun, Earth, Moon, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, etc.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны технические решения, обеспечивающие высокоточное определение ориентации космических или летательных аппаратов относительно определенных астрономических космических объектов. Эти устройства содержат несколько датчиков определения ориентации одного или различных типов. Конструктивно эти устройства могут иметь вид моноблоков, в которых все датчики и блок обработки данных объединены в единую конструкцию, так и представлять распределенные системы, где датчики ориентации устанавливаются в различных местах космического или летательного аппарата и соединяются с блоком обработки данных с помощью кабельной сети.The prior art technical solutions that provide highly accurate determination of the orientation of spacecraft or aircraft relative to certain astronomical space objects. These devices contain several sensors for determining the orientation of one or various types. Structurally, these devices can be in the form of monoblocks, in which all the sensors and the data processing unit are combined into a single design, and represent distributed systems where orientation sensors are installed in various places of the spacecraft or aircraft and are connected to the data processing unit using a cable network.

Из уровня техники известно решение - прибор для ориентации относительно Солнца (определения направления на Солнце) БОКС-01, разработанный фирмой «Оптэкс» (Россия), в котором установлены два высокоточных двухкоординатных щелевых датчика направления на Солнце и общий блок обработки данных (Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов», Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010 года, стр. 22-23 http://ofo.ikiweb.ru/publ/conf_2010_tez.pdf) (фиг. 1).A solution is known from the prior art - a device for orientation with respect to the Sun (determining the direction to the Sun) BOX-01, developed by Opteks (Russia), in which two high-precision two-coordinate slotted direction sensors for the Sun and a common data processing unit are installed (Second All-Russian Scientific -technical conference "Modern problems of orientation and navigation of spacecraft", Tarusa, Russia, September 13-16, 2010, pp. 22-23 http://ofo.ikiweb.ru/publ/conf_2010_tez.pdf) (Fig. 1) .

Однако у вышеперечисленных устройств определения ориентации была обнаружена проблема, связанная с высокой точностью датчиков ориентации. Наличие этой проблемы было подтверждено в ряде лабораторных и натурных экспериментов [А.В. Никитин, Б.С.Дунаев, В.А. Красиков, Механика, управление и информатика №2. С. 62-69 (2011) и А.Ю. Карелин, Ю.Н. Зыбин, В.О. Князев, А.А. Поздняков, Механика, управление и информатика №19, С. 120-128 (2015)]. Эксперименты имели следующий вид: рядом друг с другом устанавливались два или несколько звездных датчиков, оптические системы которых были направлены примерно одинаково. С этих датчиков одновременно снимались показания. Результаты экспериментов показали, что погрешность измерений каждого из датчиков в ходе всего эксперимента оставалась соответствующей их техническим характеристикам (т.е. 1-3 секунды дуги), но их взаимная ориентация изменялась на несколько угловых секунд, а некоторых экспериментах на 10-20 угловых секунд. Наиболее вероятной причиной этих отклонений являются тепловые деформации и механические воздействия. Результаты экспериментов означают, что устройства определения ориентации, содержащие датчики с погрешностями меньше 3-5 угловых секунд, выдают неверные показания с существенной систематической ошибкой из-за недостаточной механической жесткости конструкций, на которых установлены датчики. Указанные эксперименты проводились на звездных датчиках ориентации, но сегодня точность датчиков определения ориентации относительно Солнца (датчиков определения направления на Солнце) приближается к единицам угловых секунд.However, the aforementioned orientation determining devices have been found to have a problem with the high accuracy of the orientation sensors. The presence of this problem was confirmed in a number of laboratory and field experiments [A.V. Nikitin, B.S. Dunaev, V.A. Krasikov, Mechanics, control and informatics №2. S. 62-69 (2011) and A.Yu. Karelin, Yu.N. Zybin, V.O. Knyazev, A.A. Pozdnyakov, Mechanics, Management, and Computer Science No. 19, P. 120-128 (2015)]. The experiments were as follows: two or more stellar sensors were installed next to each other, the optical systems of which were directed in approximately the same way. These sensors were simultaneously taken readings. The experimental results showed that the measurement error of each of the sensors during the entire experiment remained consistent with their technical characteristics (i.e. 1-3 seconds of arc), but their relative orientation changed by several arc seconds, and in some experiments by 10-20 arc seconds . The most likely cause of these deviations are thermal deformation and mechanical stress. The experimental results mean that orientation determining devices containing sensors with errors of less than 3-5 arc seconds give incorrect readings with a significant systematic error due to insufficient mechanical rigidity of the structures on which the sensors are installed. These experiments were carried out on stellar orientation sensors, but today the accuracy of orientation sensors relative to the Sun (sensors determining the direction to the Sun) is approaching units of arc seconds.

Известен способ решения этой проблемы за счет повышение жесткости конструкций. Такое решение позволяет уменьшить величину описанной систематической ошибки, но приводит к существенному увеличению массы устройства определения ориентации, что во многих космических и летательных аппаратах является неприемлемым. При ожидаемом в ближайшие десятилетия переходе к датчикам определения ориентации с субсекундными погрешностями решению указанной проблемы за счет увеличения жесткости механической конструкции оказывается совершенно неэффективным.A known method of solving this problem by increasing the rigidity of structures. This solution allows to reduce the magnitude of the described systematic error, but leads to a significant increase in the mass of the device for determining orientation, which in many space and aircraft is unacceptable. With the transition to orientation sensors with subsecond errors expected in the coming decades, solving this problem by increasing the rigidity of the mechanical structure is completely ineffective.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства для определения ориентации космических или летательных аппаратов, обеспечивающих точное определение ориентации космического или летательного аппарата относительно астрономических объектов, в частности таких как планеты, спутники и астероиды, (например, Солнце, Земля, Луна, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и т.д.)The present invention is to develop a method and device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, providing accurate determination of the orientation of the spacecraft or aircraft relative to astronomical objects, in particular such as planets, satellites and asteroids, (for example, the Sun, Earth, Moon, Venus, Mars , Jupiter, Saturn, etc.)

Под астрономическим объектом понимается небесное тело - материальный объект, естественным образом сформировавшийся в космическом пространстве.An astronomical object is understood to mean a celestial body - a material object that naturally formed in outer space.

Техническим результатом изобретения является снижение погрешности определения ориентации космического или летательного аппарата относительно астрономических объектов за счет устранения систематической ошибки, связанной с изменением взаимного положения датчиков определения ориентации под действием механических, тепловых и других деформаций конструкций на которых устанавливаются датчики.The technical result of the invention is to reduce the error in determining the orientation of a spacecraft or aircraft relative to astronomical objects by eliminating the systematic error associated with a change in the relative position of the orientation sensors under the influence of mechanical, thermal and other structural deformations on which the sensors are installed.

Поставленная задача решается тем, что устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов содержит основание, по меньшей мере, один датчик определения ориентации относительно астрономических объектов, расположенный на основании, а также, взятые на датчик определения ориентации, по меньшей мере, шесть датчиков измерения расстояний, и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков, при этом датчик измерения расстояния включает механический эталон длины и датчик смещения, один из концов каждого датчика измерения расстояний шарнирно закреплен на датчике определения ориентации, а другой - шарнирно закреплен на основании устройства, при этом закрепление концов датчиков измерения расстояний реализовано с обеспечением отсутствия параллельности измеряемых отрезков.The problem is solved in that the device for determining the orientation of spacecraft or aircraft contains a base, at least one sensor for determining orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as at least six distance measuring sensors taken on the orientation sensor, and a processing unit for receiving data from said sensors, wherein the distance measuring sensor includes a mechanical length standard and a displacement sensor, one of the ends of each measuring sensor Nia distances hinged to determine the orientation of the sensor, and the other - is articulated on the basis of the device, wherein the fixed end distance measuring sensors implemented with software lack of parallelism of measured intervals.

Датчик определения ориентации относительно астрономических объектов может представлять собой датчик направления на Солнце и/или датчик направления на центр Земли.The sensor for determining the orientation relative to astronomical objects may be a sensor of direction to the Sun and / or a sensor of direction to the center of the Earth.

Датчик измерения расстояния может представлять собой оптический или электромеханический, или интерференционный датчик.The distance measurement sensor may be an optical or electromechanical or interference sensor.

Предпочтительно устройство содержит два датчика определения ориентации относительно астрономических объектов и двенадцать датчиков измерения расстояний.Preferably, the device comprises two sensors for determining orientation relative to astronomical objects and twelve sensors for measuring distances.

Концы датчиков измерения расстояний, закрепленных на датчике определения ориентации, могут быть расположены в одной плоскости, а противоположные концы датчиков определения расстояний, закрепленных на основании устройства, также могут быть расположены в одной плоскости.The ends of the distance measuring sensors fixed to the orientation detection sensor can be located in the same plane, and the opposite ends of the distance measuring sensors fixed to the device’s base can also be located in the same plane.

Предпочтительно устройство содержит, по меньшей мере, по семь датчиков измерения расстояний, взятых на датчик определения ориентации.Preferably, the device comprises at least seven distance sensors taken by an orientation sensor.

Также концы датчиков измерения расстояний, закрепленных на датчике определения ориентации, могут быть расположены в разных плоскостях и/или противоположные концы датчиков определения расстояний, закрепленных на основании устройства, могут быть расположены в разных плоскостях.Also, the ends of the distance measuring sensors mounted on the orientation detection sensor may be located in different planes and / or the opposite ends of the distance measuring sensors fixed on the basis of the device may be located in different planes.

Поставленная задача решается тем, что устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов содержит основание, по меньшей мере, два датчика определения ориентации относительно астрономических объектов, расположенных на основании, а также, взятые на каждый датчик определения ориентации, по меньшей мере, шесть датчиков измерения расстояний, и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков, при этом датчик измерения расстояния включает механический эталон длины и датчик смещения, один из концов каждого датчика измерения расстояний шарнирно закреплен на одном из датчиков определения ориентации, а другой - шарнирно закреплен на основании устройства или на другом датчике определения ориентации, закрепление концов датчиков измерения расстояний реализовано с обеспечением отсутствия параллельности измеряемых отрезков, при этом, по меньшей мере, шесть датчиков измерения расстояний выполнены с возможностью измерения расстояний между датчиками определения ориентации и основанием устройства, а остальные выполнены с возможностью измерения расстояний между датчиками определения ориентации.The problem is solved in that the device for determining the orientation of spacecraft or aircraft contains a base, at least two sensors for determining orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as at least six distance measuring sensors taken for each orientation sensor and a processing unit for receiving data from said sensors, wherein the distance measuring sensor includes a mechanical length standard and a displacement sensor, one of the ends of each sensor distance measurement is pivotally mounted on one of the sensors for determining the orientation, and the other is pivotally mounted on the base of the device or on another sensor for determining the orientation, the fixing of the ends of the sensors for measuring the distance is implemented to ensure the absence of parallelism of the measured segments, while at least six distance sensors made with the possibility of measuring distances between the sensors to determine the orientation and the base of the device, and the rest are made with the possibility of measuring the distance Measurement between orientation sensors.

Поставленная задача решается также тем, что способ определения ориентации космических или летательных аппаратов с использованием вышеупомянутых устройств включает:The problem is also solved by the fact that the method of determining the orientation of spacecraft or aircraft using the above devices includes:

- измерение и передачу показаний датчиков определения ориентации и датчиков измерения расстояний в блок обработки данных;- measuring and transmitting readings of orientation sensors and distance measurement sensors to a data processing unit;

- определение значений углов ориентации датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства на основе показаний датчиков измерения расстояний;- determination of the orientation angle values of the orientation determination sensor relative to the structural coordinate system of the device based on the readings of the distance measurement sensors;

- преобразование полученных значений углов для датчика определения ориентации относительно астрономических объектов в матрицу трехмерного поворота R_j, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где j - номер датчика ориентации и номер соответствующего астрономического объекта;- converting the obtained values of the angles for the sensor determining the orientation relative to astronomical objects into a three-dimensional rotation matrix R _j that translates the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device, where j is the number of the orientation sensor and the number of the corresponding astronomical object;

- преобразование показаний датчика определения ориентации относительно астрономических объектов в единичный вектор направления на объект в конструкционной системе координат датчика V_j, где j - номер датчика определения ориентации и номер соответствующего астрономического объекта;- conversion of the readings of the sensor for determining the orientation relative to astronomical objects into a unit vector of direction to the object in the structural coordinate system of the sensor V _j , where j is the number of the sensor for determining the orientation and the number of the corresponding astronomical object;

- определение ориентации устройства путем получения векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат устройства U_j по формуле

;- determining the orientation of the device by obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of the device U _j according to the formula

;

- получение векторов направлений, по которым определяют ориентацию космических и летательных аппаратов, на астрономические объекты в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата O_j по формуле

,- obtaining direction vectors, which determine the orientation of spacecraft and aircraft, to astronomical objects in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft O _j according to the formula

,

где К - известная матрица трехмерного поворота, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси конструкционной системы координат космического или летательного аппарата.where K is the known matrix of three-dimensional rotation translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the structural coordinate system of a space or aircraft.

Значения углов ориентации для датчика определения ориентации можно определить путем решения математической прямой задачи кинематики платформы Стюарта, параметрами которой являются показания шести датчиков измерения расстояния, закрепленных на этом датчике определения ориентации.The values of the orientation angles for the orientation determination sensor can be determined by solving the mathematical direct problem of the kinematics of the Stuart platform, the parameters of which are the readings of six distance measuring sensors fixed to this orientation determination sensor.

Значения углов ориентации для датчика определения ориентации можно определить путем решения математической обобщенной прямой задачи кинематики платформы Стюарта, параметрами которой являются показания всех датчиков измерения расстояния, закрепленных на этом датчике определения ориентации.The values of the orientation angles for the orientation determination sensor can be determined by solving the mathematical generalized direct kinematics problem of the Stuart platform, the parameters of which are the readings of all distance measuring sensors attached to this orientation determination sensor.

Значения углов ориентации для датчика определения ориентации можно определить путем решения линеаризованной системы уравнений взаимного расположения датчиков определения ориентации.The values of the orientation angles for the sensor for determining the orientation can be determined by solving a linearized system of equations for the relative position of the sensors for determining the orientation.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 представлен прототип устройства определения ориентации - солнечный датчик БОКС-01, разработанный фирмой «Оптэкс» (Россия), с двумя оптическими головками;in FIG. 1 shows a prototype of a device for determining orientation — the BOKS-01 solar sensor, developed by Opteks (Russia), with two optical heads;

на фиг. 2 показана схема устройства определения ориентации.in FIG. 2 shows a diagram of an orientation determining apparatus.

Позициями на фигуре 2 обозначены: 1 - датчики определения ориентации, 2 - блок обработки данных, 3 - датчики измерения расстояний.The positions in figure 2 indicate: 1 - sensors for determining orientation, 2 - data processing unit, 3 - sensors for measuring distances.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов, содержит основание, по меньшей мере, один датчик определения ориентации относительно астрономических объектов (таких как Солнце, Земля, Луна, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и т.д), расположенный на основании, а также, по меньшей мере по шесть датчиков измерения расстояний, взятых на датчик определения ориентации и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков.The device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, contains a base, at least one sensor for determining the orientation relative to astronomical objects (such as the Sun, Earth, Moon, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, etc.) located on the base, as well as at least six distance measuring sensors taken by an orientation determination sensor and a processing unit of received data from said sensors.

Конструктивно устройство определения ориентации может представлять собой моноблок - единое устройство, или быть распределенным устройством, части которого устанавливаются в различных местах космического или летательного аппарата. Датчики определения ориентации закреплены в конструкции устройства определения ориентации, но из-за механических, тепловых и других нагрузок могут отклоняться от штатного положения на небольшие углы.Structurally, the device for determining the orientation can be a monoblock - a single device, or be a distributed device, parts of which are installed in various places of a space or aircraft. Sensors for determining the orientation are fixed in the design of the device for determining the orientation, but due to mechanical, thermal and other loads, they can deviate from the normal position by small angles.

Обычно важной бывает ориентация космического или летательного аппарат относительно крупных небесных объектов: Солнца, Земли, Луны, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна и т.д. Перечисленные объекты сильно различаются по своим характеристикам. Поэтому для определения направления на них с малых расстояний, когда они выглядят протяженными телами, при этом с высокой точностью необходимы приборы различной конструкции. Из-за этого направление на каждый объект определяет особый датчик (или группа датчиков). Датчик определения ориентации относительно астрономических объектов может представлять собой датчик направления на Солнце и/или датчик направления на центр Земли.Usually, the orientation of a spacecraft or aircraft relative to large celestial objects: the Sun, Earth, Moon, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, etc., is important. The listed objects vary greatly in their characteristics. Therefore, to determine the direction of them from small distances, when they look like extended bodies, at the same time, devices of various designs are required with high accuracy. Because of this, the direction to each object is determined by a specific sensor (or group of sensors). The sensor for determining the orientation relative to astronomical objects may be a sensor of direction to the Sun and / or a sensor of direction to the center of the Earth.

С каждым датчиком определения ориентации связана своя конструкционная система координат. Обычно это декартова прямоугольная система. У оптических датчиков определения ориентации (звездные датчики, датчики направления на Солнца, Землю или Луну) обычно одна из конструкционных осей координат совпадает с осью визирования оптической системы датчика. У одноосных гироскопических датчиков одна из осей обычно направляется параллельно оси гироскопа.Each orientation sensor has its own structural coordinate system. This is usually a Cartesian rectangular system. In optical sensors for determining orientation (star sensors, direction sensors to the Sun, Earth or Moon), usually one of the structural coordinate axes coincides with the axis of sight of the optical system of the sensor. For uniaxial gyroscopic sensors, one of the axes is usually directed parallel to the axis of the gyroscope.

С устройством определения ориентации в целом связывается своя конструкционная система координат. Если устройство представляет собой моноблок, то обычно конструкционная система координат связана с основанием устройства, которым оно крепится к космическому или летательному аппарату. Конструкционная система координат распределенного устройства определения ориентации может совпадать с конструкционной системой координат самого космического или летательного аппарата.With the device for determining the orientation as a whole associated with its own structural coordinate system. If the device is a monoblock, then usually the structural coordinate system is associated with the base of the device, with which it is attached to a spacecraft or aircraft. The structural coordinate system of a distributed orientation determining device may coincide with the structural coordinate system of the spacecraft or aircraft.

Результатом измерений датчиками определения ориентации относительно астрономического объекта служит направление на некоторую точку соответствующего астрономического объекта (обычно на его центр) в конструкционной системе координат датчика. Это направление может быть представлено двумя углами, тремя направляющими косинусами и т.п. Все эти представления содержат два независимых параметра.The result of measurements by the sensors to determine the orientation relative to the astronomical object is the direction to some point of the corresponding astronomical object (usually its center) in the structural coordinate system of the sensor. This direction can be represented by two angles, three guide cosines, etc. All these views contain two independent parameters.

Помимо значений показаний датчики определения ориентации могут выдавать оценки их погрешностей. Сопровождать каждый акт выполнения измерения оценкой погрешностей важно, если погрешность существенно меняется в зависимости от положения или состояния космического объекта, от направления датчика в пространстве или меняется со временем. В случаях, когда погрешность показаний датчика определения ориентации изменяется мало, ее можно определить заранее и считать известной характеристикой датчика.In addition to the readings, orientation sensors can provide estimates of their errors. It is important to accompany each act of performing a measurement with an estimate of the errors if the error varies significantly depending on the position or condition of the space object, on the direction of the sensor in space, or changes over time. In cases where the error in the readings of the orientation sensor changes little, it can be determined in advance and considered a known characteristic of the sensor.

Результатами функционирования устройства определения ориентации является определение направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат устройства определения ориентации, конструкционной системы координат космического или летательного аппарата и в инерциальной системе координат.The results of the operation of the device for determining the orientation is the determination of directions to astronomical objects in the structural coordinate system of the device for determining the orientation, the structural coordinate system of a space or aircraft and in the inertial coordinate system.

Для определения направлений на астрономические объекты в системе координат космического аппарата необходимо знать матрицу перехода между конструкционными системами координат устройства определения ориентации и космического аппарата. Эта матрица либо считается неизменной за время функционирования космического или летательного аппарата и известной (она определяется при монтаже устройства определения ориентации на борт), либо определяется и контролируется бортовыми системами аппарата, не относящимися к устройству определения ориентации.To determine directions to astronomical objects in the coordinate system of the spacecraft, it is necessary to know the transition matrix between the structural coordinate systems of the orientation determining device and the spacecraft. This matrix is either considered unchanged during the functioning of the spacecraft or aircraft and known (it is determined during installation of the device for determining orientation on board), or it is determined and controlled by the on-board systems of the device that are not related to the device for determining orientation.

Для получения результатов функционирования устройства определения ориентации помимо показаний датчиков определения ориентации, входящих в состав устройства, необходимо знать развороты (ориентацию) датчиков относительно конструкционной системы координат устройства. В современных устройствах определения ориентации эти развороты считаются известными и определяются во время сборки устройства или при установке его на борт. Предполагается, что положение и ориентация датчиков внутри устройств определения ориентации не меняются за время эксплуатации, и что эта неизменность обеспечивается механической жесткостью конструкций моноблочных устройств определения ориентации или жесткостью конструкций самого космического или летательного аппарата для распределенных устройств.In order to obtain the results of the operation of the device for determining the orientation, in addition to the readings of the sensors for determining the orientation included in the device, it is necessary to know the turns (orientation) of the sensors relative to the structural coordinate system of the device. In modern devices for determining orientation, these turns are considered known and are determined during assembly of the device or when installing it on board. It is assumed that the position and orientation of the sensors inside the orientation determining devices do not change during operation, and that this invariability is ensured by the mechanical rigidity of the structures of monoblock orientation determining devices or the rigidity of the structures of the spacecraft or aircraft for distributed devices.

Однако, как показали испытания, механическая жесткость конструкций позволяет удерживать взаимную ориентацию датчиков внутри устройства определения ориентации с погрешностью не менее 3-5 угловых секунд. Если в устройстве определения ориентации устанавливаются более точные датчики, то механические и тепловые деформации конструкций устройства вызывают систематическую ошибку величиной 3-5 угловых секунд или больше. Сегодня такой малой погрешностью обладают наиболее точные гироскопы, а также звездные и солнечные датчики ориентации. В ближайшие десятилетия ожидается появление датчиков определения ориентации с погрешностями около 0,1 угловой секунды. Для таких точностей удержание взаимного положения датчиков в устройстве за счет жесткости механических конструкций будет совершенно недостаточным.However, as tests have shown, the mechanical rigidity of the structures allows you to keep the mutual orientation of the sensors inside the device for determining the orientation with an error of at least 3-5 arc seconds. If more accurate sensors are installed in the orientation determining device, then mechanical and thermal deformations of the device structures cause a systematic error of 3-5 arc seconds or more. Today, the most accurate gyroscopes, as well as stellar and solar orientation sensors, have such a small error. In the coming decades, the appearance of orientation sensors is expected with errors of about 0.1 arc second. For such precision, maintaining the relative position of the sensors in the device due to the rigidity of the mechanical structures will be completely insufficient.

Для решения поставленной задачи устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов, содержит основание, по меньшей мере, один датчик определения ориентации относительно астрономических объектов, расположенный на основании, а также, по меньшей мере по шесть датчиков измерения расстояний, взятых на датчик определения ориентации и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков.To solve the problem, the device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, contains at least one sensor for determining orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as at least six sensors for measuring distances taken on the sensor for determining the orientation and block processing received data from said sensors.

Датчики измерения расстояний в реальном времени будут измерять расстояния между выбранными точками конструкций устройства и датчиков определения ориентации, по этим измерениям будет определяться разворот (ориентация) систем координат датчиков друг относительно друга или относительно конструкционной системы координат устройства определения ориентации. Знание реальной геометрической конфигурации устройства определения ориентации (т.е. угловое положение входящих в нее датчиков определения ориентации) позволяет на основе показаний датчиков определять направления на космические объекты относительно устройства и космического или летательного аппарата с погрешностью близкой к погрешности входящих в нее датчиков.Real-time distance sensors will measure the distances between the selected points of the device’s structures and orientation sensors, these measurements will determine the turn (orientation) of the coordinate systems of the sensors relative to each other or relative to the structural coordinate system of the orientation determination device. Knowing the real geometric configuration of the orientation determining device (i.e., the angular position of the orientation sensors included in it) allows, based on the sensors, to determine the directions to space objects relative to the device and the spacecraft or aircraft with an error close to the error of the sensors included in it.

При этом датчик измерения расстояния включает механический эталон длины и датчик смещения. Один из концов каждого датчика измерения расстояния шарнирно закреплен на датчике определения ориентации, а другой шарнирно закреплен на основании устройства. Механический эталон длины может быть выполнен из материала с малым коэффициентом теплового расширения и высокой механической жесткостью.In this case, the distance measuring sensor includes a mechanical length standard and a displacement sensor. One of the ends of each distance measurement sensor is pivotally mounted on the orientation detection sensor, and the other is pivotally mounted on the base of the device. The mechanical length standard can be made of a material with a low coefficient of thermal expansion and high mechanical rigidity.

Для датчиков измерения расстояний, установленных на конкретном датчике определения ориентации, закрепление их концов реализовано с обеспечением отсутствия параллельности измеряемых отрезков.For distance measuring sensors installed on a specific orientation determining sensor, fixing of their ends is implemented to ensure the absence of parallelism of the measured segments.

При этом также концы датчиков измерения расстояний, закрепленных на датчике определения ориентации, могут быть расположены в разных плоскостях и/или противоположные концы датчиков определения расстояний, закрепленных на основании устройства, могут быть расположены в разных плоскостях.Moreover, the ends of the distance measuring sensors mounted on the orientation detection sensor can be located in different planes and / or the opposite ends of the distance measuring sensors fixed on the device’s base can be located in different planes.

Для корректного функционирования устройства определения ориентации необходимо знать только разворот датчиков определения ориентации относительно системы координат устройства, их линейное перемещение не изменяет показания датчиков определения ориентации и не сказывается на результате функционирования устройства. Поэтому нам важно только угловое положение датчиков определения ориентации относительно устройства. Для определения этих углов можно измерить расстояния между несколькими выбранными контрольными точками с помощью датчиков измерения расстояний и вычислить углы на основе этих показаний. Например, можно выбрать три точки, образующие треугольник, измерить расстояния между его вершинами (между тремя парами точек) и вычислить углы этого треугольника по формулам триангуляции.For the correct functioning of the device for determining the orientation, you only need to know the turn of the sensors for determining the orientation relative to the coordinate system of the device, their linear movement does not change the readings of the sensors for determining the orientation and does not affect the result of the operation of the device. Therefore, it is important for us only the angular position of the sensors to determine the orientation relative to the device. To determine these angles, you can measure the distances between several selected control points using distance sensors and calculate the angles based on these readings. For example, you can select the three points that make up a triangle, measure the distance between its vertices (between three pairs of points), and calculate the angles of this triangle using the triangulation formulas.

Погрешность вычисленных углов должна быть порядка погрешности датчиков определения ориентации, т.е. не больше 1-3 угловых секунд для современных датчиков и не более 0,1-0,3 угловой секунды для высокоточных датчиков определения ориентации следующего поколения. Эти значения определяют допустимые погрешности датчиков измерения расстояний.The error of the calculated angles should be of the order of the error of the sensors for determining the orientation, i.e. no more than 1-3 arc seconds for modern sensors and no more than 0.1-0.3 arc seconds for high-precision sensors for determining the orientation of the next generation. These values determine the permissible errors of the distance sensors.

Тип датчиков измерения расстояний не имеет значения. Могут использоваться механические, интерференционные, электромеханические (емкостные, магнитные, индуктивные и т.д.), оптические и другие типы датчиков измерения расстояний, обладающих необходимой величиной погрешности. На выбор типа датчика могут повлиять требования функционирования в космических или полетных условиях, массогабаритные или энергозатратные ограничения, а также влияние датчиков на другую бортовую аппаратуру.The type of distance sensors does not matter. Mechanical, interference, electromechanical (capacitive, magnetic, inductive, etc.), optical and other types of distance measuring sensors with the required error can be used. The choice of type of sensor may be affected by the requirements for operation in space or flight conditions, weight or energy restrictions, as well as the effect of sensors on other on-board equipment.

Для измерения могут быть выбраны расстояния между точками на отдельном датчике определения ориентации и референсной частью устройства ориентации (например, основанием устройства), в этом случае по результатам этих измерений непосредственно получается положение и разворот системы координат этого датчика относительно системы координат устройства.For measurement, the distances between points on a separate orientation sensor and the reference part of the orientation device (for example, the base of the device) can be selected, in this case, the results of these measurements directly result in the position and turn of the coordinate system of this sensor relative to the coordinate system of the device.

Другой вариант определения ориентации датчиков в системе координат устройства определения ориентации состоит в измерении как расстояний между датчиками и референсной частью устройства определения ориентации, так и между парами датчиков. При этом измерение расстояний относительно референсной части устройства определения ориентации должно быть выполнено хотя бы шести датчиков измерения расстояний. На основе полученного набора измерений расстояний определяется разворот системы координат каждого из датчиков относительно системы координат устройства определения ориентации. Т.е. часть датчиков измерения расстояния выполнена с возможностью измерения расстояния между датчиками ориентации и основанием устройства (не менее шести), а остальные - выполнены с возможностью измерения расстояния между парами датчиков ориентации в составе устройства.Another option for determining the orientation of the sensors in the coordinate system of the device for determining the orientation consists in measuring both the distances between the sensors and the reference part of the device for determining the orientation, and between pairs of sensors. In this case, the measurement of distances relative to the reference part of the device for determining the orientation must be performed at least six sensors for measuring distances. Based on the obtained set of distance measurements, the rotation of the coordinate system of each of the sensors relative to the coordinate system of the orientation determination device is determined. Those. part of the distance measuring sensors is configured to measure the distance between the orientation sensors and the base of the device (at least six), and the rest are configured to measure the distance between the pairs of orientation sensors in the device.

Предпочтительно в одном из вариантов выполнения устройства определения ориентации космических или летательных аппаратов, чтобы оно содержало два датчика определения ориентации относительно астрономических объектов и двенадцать датчиков измерения расстояний, что позволит уменьшить погрешность определения ориентации космического или летательного аппарата относительно астрономических объектов.Preferably, in one embodiment, the device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, so that it contains two sensors for determining the orientation relative to astronomical objects and twelve sensors for measuring distances, which will reduce the error in determining the orientation of the spacecraft or aircraft relative to astronomical objects.

Также предпочтительно в одном из вариантов выполнения устройства определения ориентации космических или летательных аппаратов, чтобы оно содержало по меньшей мере по семь датчиков измерения расстояний, взятых на датчик определения ориентации, что позволит уменьшить погрешность определения ориентации космического или летательного аппарата относительно астрономических объектов.It is also preferable in one embodiment of the device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, so that it contains at least seven distance sensors taken by the sensor for determining the orientation, which will reduce the error in determining the orientation of the spacecraft or aircraft relative to astronomical objects.

Поставленная задача также может решаться за счет второго устройства определения ориентации космических или летательных аппаратов, которое содержит основание, по меньшей мере, два датчика определения ориентации относительно астрономических объектов, расположенных на основании, а также, взятые на каждый датчик определения ориентации, по меньшей мере, шесть датчиков измерения расстояний, и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков, при этом датчик измерения расстояния включает механический эталон длины и датчик смещения, один из концов каждого датчика измерения расстояний шарнирно закреплен на одном из датчиков определения ориентации, а другой - шарнирно закреплен на основании устройства или на другом датчике определения ориентации, закрепление концов датчиков измерения расстояний реализовано с обеспечением отсутствия параллельности измеряемых отрезков, при этом, по меньшей мере, шесть датчиков измерения расстояний выполнены с возможностью измерения расстояний между датчиками определения ориентации и основанием устройства, а остальные выполнены с возможностью измерения расстояний между датчиками определения ориентации.The problem can also be solved by a second device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, which contains a base, at least two sensors for determining orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as at least one sensor for determining orientation six sensors for measuring distances, and a processing unit for receiving data from said sensors, wherein the distance measuring sensor includes a mechanical length standard and a displacement sensor, o one of the ends of each distance measuring sensor is pivotally mounted on one of the orientation detection sensors, and the other is pivotally mounted on the device base or on another orientation determination sensor, the ends of the distance measurement sensors are secured to ensure that the measured segments are not parallel, at least , six distance measurement sensors are configured to measure distances between the orientation detection sensors and the base of the device, and the rest are made with the ability to measure the distance between the sensors determine the orientation.

Отличием от первого устройства является наличие, по меньшей мере, двух датчиков определения ориентации и возможная установка концов датчиков измерения расстояний на другом (втором) датчике определения ориентации.The difference from the first device is the presence of at least two sensors for determining the orientation and the possible installation of the ends of the sensors for measuring distances on another (second) sensor for determining the orientation.

При этом соответственно датчик определения ориентации относительно астрономических объектов может представлять собой датчик направления на Солнце и/или датчик направления на центр Земли.In this case, respectively, the sensor for determining the orientation relative to astronomical objects may be a sensor of direction to the Sun and / or a sensor of direction to the center of the Earth.

При этом соответственно датчик измерения расстояния может представлять собой оптический или электромеханический, или интерференционный датчик.In this case, respectively, the distance measuring sensor may be an optical or electromechanical, or interference sensor.

Способ определения ориентации космических или летательных аппаратов с использованием вышеупомянутых устройств включаетA method for determining the orientation of spacecraft or aircraft using the above devices includes

А) измерение и передачу показаний датчиков определения ориентации и датчиков измерения расстояний в блок обработки данных;A) measuring and transmitting the readings of orientation sensors and distance sensors to the data processing unit;

Показания с датчиков определения ориентации и датчиков измерения расстояний, измеряют и передают в блок обработки данных. Датчики определения ориентации относительно астрономического объекта определяют направление на некоторую точку соответствующего астрономического объекта (обычно на его центр) в конструкционной системе координат датчика. Дополнительно, датчики обоих типов могут выдавать оценку погрешности полученных параметров ориентации.Indications from orientation sensors and distance sensors, measure and transmit to the data processing unit. Sensors for determining the orientation relative to an astronomical object determine the direction to a certain point of the corresponding astronomical object (usually to its center) in the structural coordinate system of the sensor. Additionally, both types of sensors can provide an error estimate of the obtained orientation parameters.

Б) определение значений углов ориентации датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства на основе показаний датчиков измерения расстояний;B) determining the values of the orientation angles of the orientation determination sensor relative to the structural coordinate system of the device based on the readings of the distance measurement sensors;

Один из возможных путей определения ориентации датчика относительно системы координат устройства состоит в следующем. На датчике определения ориентации устанавливают не менее шести датчиков измерения расстояния. Каждый датчик измерения расстояния включает в себя механический эталон длины, представляющий собой стержень из материала с малым коэффициентом теплового расширения и высокой механической жесткостью. Для уменьшения теплового расширения может быть использована термостабилизация механического эталона. Длина эталона несколько меньше измеряемого расстояния. Один из концов эталона совпадает с одним из концов датчика измерения расстояния, между вторым концом эталона и вторым концом концов датчика измерения расстояния устанавливается высокоточный датчик сдвига (емкостный, индукционный, магнитный, интерференционный и т.д.). Концы датчика шарнирно закрепляются в выбранных точках датчика определения ориентации и основания устройства или в выбранных точках двух датчиков определения ориентации. Отрезки, измеряемые датчиками измерения расстояния, установленными на одном датчике определения ориентации, не должны быть параллельны друг другу.One of the possible ways to determine the orientation of the sensor relative to the coordinate system of the device is as follows. At least six distance measuring sensors are installed on the orientation detection sensor. Each distance measuring sensor includes a mechanical length standard, which is a rod made of a material with a low coefficient of thermal expansion and high mechanical rigidity. To reduce thermal expansion, thermal stabilization of a mechanical standard can be used. The length of the standard is slightly less than the measured distance. One of the ends of the standard coincides with one of the ends of the distance measuring sensor, a high-precision shift sensor (capacitive, induction, magnetic, interference, etc.) is installed between the second end of the standard and the second end of the ends of the distance measuring sensor. The ends of the sensor are pivotally fixed at selected points of the orientation determination sensor and the base of the device, or at selected points of two orientation detection sensors. The line segments measured by distance sensors installed on the same orientation sensor should not be parallel to each other.

Для определения углов ориентации каждого датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства могут использоваться следующие методы:The following methods can be used to determine the orientation angles of each sensor for determining the orientation relative to the structural coordinate system of the device:

i) Если концы датчиков измерения расстояний, закрепленных на датчике определения ориентации, расположены в одной плоскости, а противоположные концы датчиков определения расстояний, закрепленных на основании устройства, также расположены в одной плоскости, значения углов ориентации для датчика определения ориентации определяют путем решения математической прямой задачи кинематики платформы Стюарта, параметрами которой являются показания шести датчиков измерения расстояния, закрепленных на этом датчике определения ориентации (т.е. углы ориентации для каждого датчика определения ориентации получаются независимо по показаниям закрепленных на нем датчиков измерения расстояний) [X.S. Gao, D. Lei, Q. Liao, G.-F. Zhang, Generalized Stewart Platforms and Their Direct Kinematics. IEEE Transactions on Robotics. V. 21. P. 141-151. 2005].i) If the ends of the distance sensors mounted on the orientation sensor are located on the same plane and the opposite ends of the distance sensors mounted on the device’s base are also on the same plane, the orientation angles for the orientation sensor are determined by solving a mathematical direct problem kinematics of the Stuart platform, the parameters of which are the readings of six distance measuring sensors mounted on this orientation determination sensor (i.e. orientation for each orientation determination sensor is obtained independently from the readings of the distance measuring sensors attached to it) [X.S. Gao, D. Lei, Q. Liao, G.-F. Zhang, Generalized Stewart Platforms and Their Direct Kinematics. IEEE Transactions on Robotics. V. 21. P. 141-151. 2005].

ii) Если к каждому датчику определения ориентации крепятся концы шести или более датчиков измерения расстояний, а концы датчиков измерения расстояний, закрепленных на датчике определения ориентации, расположены в разных плоскостях и/или противоположные концы датчиков определения расстояний, закрепленных на основании устройства, расположены в разных плоскостях, то значения углов ориентации для датчика определения ориентации определяют путем решения математической обобщенной прямой задачи кинематики платформы Стюарта, параметрами которой являются показания всех датчиков измерения расстояния, закрепленных на этом датчике определения ориентации (т.е. углы ориентации для каждого датчика определения ориентации получаются независимо по показаниям закрепленных на нем датчиков измерения расстояний).ii) If the ends of six or more distance sensors are attached to each orientation sensor, and the ends of the distance sensors mounted on the orientation sensor are in different planes and / or the opposite ends of the distance sensors fixed on the base of the device are different planes, then the values of the orientation angles for the orientation determination sensor are determined by solving the mathematical generalized direct kinematics problem of the Stuart platform, with parameters Ora are indications of distance measuring sensors attached to the sensor determining the orientation (i.e., orientation angles of each sensor, the orientation obtained independently by indications attached thereto distance measuring sensors).

iii) Если посредством системы датчиков измерения расстояний определяются как расстояния между некоторыми датчиками определения ориентации и основанием устройств, так и расстояния между парами датчиков определения ориентации, (т.е. при использовании второго устройства), то значения углов ориентации для датчика определения ориентации определяют путем решения линеаризованной системы уравнений взаимного расположения датчиков определения ориентации (углы ориентации определяются одновременно для всех датчиков определения ориентации путем решения системы уравнений взаимного расположения датчиков определения ориентации). Вид этой системы зависит от конкретного взаимного расположения датчиков определения ориентации и точек крепления датчиков измерения расстояний и не может быть записана в общем виде. Для малых смещений датчиков определения ориентации относительно начального положения исходная система может быть сведена к системе линейных уравнений.iii) If, using a distance sensor system, both the distances between some orientation sensors and the base of the devices and the distances between pairs of orientation sensors are determined (i.e., when using a second device), then the orientation angles for the orientation sensor are determined by solving a linearized system of equations for the relative positioning of orientation sensors (orientation angles are determined simultaneously for all sensors for determining the orientation of the put m solving the system of equations determining the mutual position orientation sensors). The appearance of this system depends on the specific relative positioning of the orientation sensors and the mounting points of the distance measurement sensors and cannot be recorded in general. For small displacements of the sensors for determining the orientation relative to the initial position, the initial system can be reduced to a system of linear equations.

Если расстояние от датчика ориентации до основания устройства составляет 0,3 м, то для регистрации поворотов датчика на 1 угловую секунду необходимо регистрировать измерения расстояний с погрешностью не менее 1,5 мкм, для регистрации поворотов на 0,1 угловую секунду - с погрешностью не менее 150 нм. Смещения такой величины на современном уровне техники регистрируются с помощью промышленно выпускаемых датчиков смещений, например, с помощью высокоточных емкостных датчиков смещений.If the distance from the orientation sensor to the base of the device is 0.3 m, then for registering sensor rotations by 1 arc second, it is necessary to register distance measurements with an error of at least 1.5 μm, and for registering turns by 0.1 angular second - with an error of at least 150 nm. Displacements of this magnitude at the current level of technology are recorded using industrially produced displacement sensors, for example, using high-precision capacitive displacement sensors.

Описанная конструкция датчика измерения расстояний предназначена для регистрации малых смещений датчиков определения ориентации относительно некоторого начального положения, что полностью соответствует решению поставленной задачи. Положения датчиков задаются конструкцией устройства определения ориентации, начальные значения параметров ориентации датчиков определяются при сборке устройства.The described design of a distance measuring sensor is designed to register small displacements of orientation sensors relative to a certain initial position, which is fully consistent with the solution of the problem. The positions of the sensors are determined by the design of the device for determining the orientation, the initial values of the orientation parameters of the sensors are determined during the assembly of the device.

В) преобразование полученных значений углов для датчиков определения ориентации относительно астрономических объектов в матрицу трехмерного поворота R_j, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где j - номер датчика ориентации и номер соответствующего астрономического объекта;C) the conversion of the obtained angle values for the sensors for determining the orientation relative to astronomical objects into a three-dimensional rotation matrix R _j that translates the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device, where j is the number of the orientation sensor and the number of the corresponding astronomical object;

Датчики определения ориентации относительно астрономического объекта определяют направление на некоторую точку соответствующего астрономического объекта (обычно на его центр) в конструкционной системе координат датчика. Дополнительно, датчики обоих типов могут выдавать оценку погрешности полученных параметров ориентации.Sensors for determining the orientation relative to an astronomical object determine the direction to a certain point of the corresponding astronomical object (usually to its center) in the structural coordinate system of the sensor. Additionally, both types of sensors can provide an error estimate of the obtained orientation parameters.

Г) преобразование показаний датчика определения ориентации относительно астрономических объектов в единичный вектор направления на объект в конструкционной системе координат датчика V_j, где j - номер датчика определения ориентации и номер соответствующего астрономического объекта;D) converting the readings of the sensor for determining the orientation relative to astronomical objects into a unit vector of direction to the object in the structural coordinate system of the sensor V _j , where j is the number of the sensor for determining the orientation and the number of the corresponding astronomical object;

Д) определение ориентации устройства путем получения векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат устройства U_j по формуле

;D) determining the orientation of the device by obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of the device U _j according to the formula

;

Е) получение векторов направлений, по которым определяют ориентацию космических и летательных аппаратов, на астрономические объекты в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата O_j по формуле

,E) obtaining direction vectors in which the orientation of spacecraft and aircraft is determined to astronomical objects in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft O _j according to the formula

,

где K - известная матрица трехмерного поворота, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси конструкционной системы координат космического или летательного аппарата.where K is the known matrix of three-dimensional rotation translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the structural coordinate system of the spacecraft or aircraft.

Информация о матрице поворота К зависит от того на какой именной аппарат и в какое его место установлено устройство, причем эта матрица не может быть автономно определена собственными средствами устройства определения ориентации. Поэтому последнее действие не является типичным для устройств определения ориентации и на большинстве космических и летательных аппаратов выполняется средствами бортовых систем.Information about the rotation matrix K depends on which name unit and in which place the device is installed, and this matrix cannot be autonomously determined by the own means of the orientation determining device. Therefore, the latter action is not typical for orientation determining devices and is performed onboard systems by most space and aircraft.

Данная группа изобретений позволяет уменьшить погрешности определения ориентации космического или летательного аппарата относительно инерциальной системы координат и/или относительно астрономических объектов за счет устранения систематической ошибки, связанной с изменением взаимного положения датчиков определения ориентации под действием механических, тепловых и других деформаций конструкций на которых устанавливаются датчики.This group of inventions allows to reduce the errors in determining the orientation of a spacecraft or aircraft relative to the inertial coordinate system and / or relative to astronomical objects by eliminating the systematic error associated with a change in the relative position of the orientation sensors under the influence of mechanical, thermal and other structural deformations on which the sensors are installed.

Математическое обоснование способаThe mathematical justification of the method

Пусть устройство содержит М датчиков определения ориентации относительно космических тел, j=1…M - номера датчиков. В исходном невозмущенном состоянии устройства угловое положение j-го датчика определения ориентации относительно космических тел описывается матрицей трехмерного поворота

, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства. Возмущенные положения отличаются от исходных и имеют вид

, где

- матрица малого трехмерного поворота, описывающая отклонение j-го датчика от невозмущенного положения. Угол этого поворота равен, соответственно, α_j.Let the device contain M sensors for determining orientation with respect to cosmic bodies, j = 1 ... M are the numbers of sensors. In the initial unperturbed state of the device, the angular position of the j-th sensor for determining orientation relative to space bodies is described by a three-dimensional rotation matrix

translating the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device. The perturbed positions differ from the initial ones and have the form

where

- a matrix of small three-dimensional rotation, describing the deviation of the j-th sensor from the unperturbed position. The angle of this rotation is, respectively, α _j .

Показания датчиков определения ориентации относительно космических тел можно представить в виде единичного вектора V_j направления на космический объект (для протяженных объектов - на какую-то их точку, чаще всего - на центр). Погрешность датчика приводит к тому, что направление вектора V_j отличается от истинного направления на объект на малый угол ψ_j.The readings of the sensors for determining the orientation with respect to space bodies can be represented as a unit vector V _{j of the} direction to the space object (for extended objects - to some point of them, most often - to the center). The error of the sensor leads to the fact that the direction of the vector V _j differs from the true direction to the object by a small angle ψ _j .

Матрица R_j позволяет определить координаты единичного вектора направления на j-й космический объект в конструкционной системе координат устройства по формулеThe matrix R _j allows you to determine the coordinates of a unit direction vector to the j-th space object in the structural coordinate system of the device according to the formula

В этой системе координат направление на объект будет отклоняться от истинного направления на объект в среднем на угол

.In this coordinate system, the direction to the object will deviate from the true direction to the object by an average angle

.

Если угол отклонения датчика определения ориентации от исходного положения α_j велик, то повышение точности датчика ориентации не будет приводить к росту точности устройства в целом. Датчики измерения расстояний, включенные с состав устройства, позволяют с некоторой погрешностью измерить отклонения датчика и определить матрицу поворота ΔR_j, являющуюся приближением матрицы

. Разность этих двух матриц

также является матрицей малого трехмерного поворота, а угол этого поворота приблизительно равен погрешности вычисления углов по показаниям датчиков измерения расстояний ε.If the angle of deviation of the orientation determination sensor from the initial position α _{j is} large, then increasing the accuracy of the orientation sensor will not lead to an increase in the accuracy of the device as a whole. Distance measuring sensors included with the device make it possible to measure the sensor deviations with a certain error and determine the rotation matrix ΔR _j, which is the approximation of the matrix

. Difference of these two matrices

it is also a matrix of small three-dimensional rotation, and the angle of this rotation is approximately equal to the error in calculating the angles from the readings of distance measuring sensors ε.

Описанный в изобретении способ предлагает подставлять в формулу (1) не R_j, a

. В этом случае для векторов U_j получается следующее выражениеThe method described in the invention proposes to substitute in the formula (1) not R _j , but

. In this case, for the vectors U _{j the} following expression is obtained

В этом случае погрешности (углы отклонения) векторов U_j будут составлять

и не будут зависеть от величины отклонений датчиков от исходных положений α_j, если они превышают погрешность измерения угла отклонения датчиков ε.In this case, the errors (deviation angles) of the vectors U _j will be

and will not depend on the magnitude of the deviations of the sensors from the initial positions α _j if they exceed the error in measuring the angle of deviation of the sensors ε.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

Пример 1. Способ и устройство для определения ориентации космических или летательных аппаратовExample 1. A method and apparatus for determining the orientation of spacecraft or aircraft

Устройство определения ориентации включает в себя основание устройства, два датчика направления на Солнце, установленные на основании, двенадцать датчиков измерения расстояний, каждый из которых измеряет расстояние между заданной точной на одном из датчиков ориентации и заданной точкой на основании устройства, и блок обработки полученных данных. Показаниями датчиков направления на Солнце являются два сферических угла, определяющих компоненты направление на Солнце в конструкционной системе координат датчика. Показания датчиков определения ориентации сопровождаются оценками погрешностей измерений. Датчики измерения расстояний включает в себя механический эталон длины и датчик смещения. Один конец датчика измерения расстояния шарнирно закреплен на датчике определения ориентации, а другой шарнирно закреплен на основании устройства. Механический эталон длины представляет собой стержень из материала с малым коэффициентом теплового расширения и высокой механической жесткостью длина которого измерена с высокой точностью. К каждому датчику ориентации крепятся концы шести датчиков измерения расстояния. При этом установка датчиков измерения расстояния выполнена таким образом, чтобы обеспечить отсутствие параллельности измеряемых отрезков.The device for determining the orientation includes the base of the device, two direction sensors to the Sun mounted on the base, twelve distance measuring sensors, each of which measures the distance between a given exact on one of the orientation sensors and a specified point on the basis of the device, and a data processing unit. The readings of the direction sensors to the Sun are two spherical angles that determine the components of the direction to the Sun in the construction coordinate system of the sensor. The readings of the sensors for determining the orientation are accompanied by estimates of measurement errors. Distance sensors include a mechanical length standard and a displacement sensor. One end of the distance sensor is pivotally mounted to the orientation sensor, and the other is pivotally mounted to the base of the device. The mechanical length standard is a rod made of a material with a low coefficient of thermal expansion and high mechanical rigidity, the length of which is measured with high accuracy. The ends of six distance sensors are attached to each orientation sensor. At the same time, the installation of distance measurement sensors is performed in such a way as to ensure the absence of parallelism of the measured segments.

В исходном недеформированном состоянии датчики определения ориентации занимают определенное начальное положение. Это положение определяется тремя углами Эйлера, характеризующими разворот конструкционной системы координат датчика относительно конструкционной системы координат устройства, связанной с основанием устройства. В исходном состоянии датчики измерения расстояний показывают определенные начальные расстояния между концами измеряемых ими отрезков. Изменение положения датчика ориентации относительно основания устройства приводит к измерению длин контролируемых отрезков, которое регистрируется датчиками измерения расстояний. Значения длин шести контролируемых отрезков, концы которых расположены на определенном датчике ориентации, позволяют определить (малые) изменения углов Эйлера этого датчика ориентации. Погрешности датчиков измерения расстояния должны позволять регистрировать изменения углов Эйлера не превышают нескольких угловых секунд.In the initial undeformed state, orientation sensors occupy a certain initial position. This position is determined by three Euler angles characterizing the rotation of the structural coordinate system of the sensor relative to the structural coordinate system of the device associated with the base of the device. In the initial state, the distance measurement sensors show certain initial distances between the ends of the segments they measure. A change in the position of the orientation sensor relative to the base of the device leads to the measurement of the lengths of the controlled segments, which is recorded by the sensors for measuring distances. The lengths of the six controlled segments, the ends of which are located on a specific orientation sensor, allow you to determine (small) changes in the Euler angles of this orientation sensor. Errors of distance measuring sensors should allow recording changes in Euler angles not exceeding several arc seconds.

Начальные значения углов Эйлера для каждого датчика ориентации и исходные длины контролируемых отрезков для всех датчиков измерения расстояний определяются в ходе предполетных калибровок устройства и запоминаются в блоке обработки данных. Коэффициенты перехода от изменения длин контролируемых отрезков к поправкам углов Эйлера вычисляются исходя из взаимного расположения элементов датчиков измерения расстояний на основании устройства и на датчиках определения ориентации (т.е. исходя из конструкции устройства), уточняются в ходе предполетных калибровок устройства и также запоминаются в блоке обработки данных.The initial values of the Euler angles for each orientation sensor and the initial lengths of the controlled segments for all distance measurement sensors are determined during the pre-flight calibrations of the device and stored in the data processing unit. The transition coefficients from changing the lengths of the controlled segments to the Euler angle corrections are calculated based on the relative position of the elements of the distance measurement sensors on the basis of the device and on the orientation sensors (i.e., based on the device design), are refined during the pre-flight device calibrations and are also stored in the block data processing.

Во время эксплуатации устройство испытывает механические и тепловые воздействия, которые приводят к деформации устройства. В результате этих деформаций датчики определения ориентации отклоняются от исходных положений. Одновременно с изменением положений датчиков меняются длины контролируемых отрезков, что приводит к изменению показаний датчиков измерения расстояний. Показания всех датчиков измерения расстояний и двух датчиков направления на Солнце измеряют и передают в блок обработки данных.During operation, the device experiences mechanical and thermal influences that lead to deformation of the device. As a result of these deformations, orientation sensors deviate from their original positions. Simultaneously with the change in the position of the sensors, the lengths of the controlled segments change, which leads to a change in the readings of the sensors for measuring distances. The readings of all distance measuring sensors and two direction sensors on the Sun are measured and transmitted to the data processing unit.

Затем, по этим показаниям с использованием коэффициентов, определенных в ходе предполетной калибровки, вычисляются поправки к углам Эйлера для каждого датчика ориентации. Поправки прибавляются к исходным углам Эйлера, что определяет текущее положение датчиков ориентации относительно основания устройства. Для каждого датчика направления на Солнце по его углам Эйлера вычисляется матрица трехмерного поворота Rj, переводящая оси конструкционной системы координат датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где j=1 или 2 - номер датчика ориентации.Then, based on these readings, using the coefficients determined during the pre-flight calibration, the corrections to the Euler angles for each orientation sensor are calculated. Corrections are added to the original Euler angles, which determines the current position of the orientation sensors relative to the base of the device. For each direction sensor on the Sun, a three-dimensional rotation matrix Rj is calculated from its Euler angles, which translates the axes of the structural coordinate system of the sensor in the axis of the structural coordinate system of the device, where j = 1 or 2 is the number of the orientation sensor.

В свою очередь, показания каждого датчика направления на Солнце преобразуются в единичный вектор Vj направления на Солнце в конструкционной системе координат датчика. Затем определяется единичный вектор направления на Солнце Uj в системе конструкционных координат устройства путем перемножения вектора Vj и матрицы R по формуле

.In turn, the readings of each directional sensor on the Sun are converted into a unit direction vector Vj on the Sun in the structural coordinate system of the sensor. Then, the unit direction vector to the Sun Uj in the system of structural coordinates of the device is determined by multiplying the vector Vj and the matrix R by the formula

.

Затем выполняется вычисление векторов направления на Солнце Oj в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата по формулеThen, the direction vectors on the Sun Oj are calculated in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft according to the formula

.

Здесь K - известная матрица трехмерного поворота, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси конструкционной системы координат космического или летательного аппарата;Here K is the well-known matrix of three-dimensional rotation translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the structural coordinate system of a space or aircraft;

После завершения этих действий блок обработки данных передает вектора Oj в блок управления космического или летательного аппарата.After completing these steps, the data processing unit transmits the vectors Oj to the control unit of the spacecraft or aircraft.

Пример 2. Испытания и проверки с использованием компьютерного моделированияExample 2. Tests and checks using computer simulation

Перед тем как изготовить действующую систему проводятся испытания и проверка работы устройства для определения ориентации космических или летательных с использованием компьютерного моделирования. Средства компьютерного моделирования могут также использоваться как часть процесса планирования реального движения КА или ЛА в пространстве.Before making the existing system, tests and verification of the operation of the device for determining the orientation of space or flying using computer simulation are carried out. Computer modeling tools can also be used as part of the process of planning the actual motion of a spacecraft or an aircraft in space.

Для компьютерного моделирования потребуется разработать виртуальную модель устройства определения ориентации в целом, а также входящих в него датчиков направления на Солнце и двумерных датчиков измерения углов. Дополнительно нужна минимальная модель КА или ЛА, на котором установлено устройство, а также модель внешних условий (включая силовые и тепловые воздействия), позволяющая задать или определить деформации устройства.For computer modeling, it will be necessary to develop a virtual model of the device for determining orientation in general, as well as its directional sensors to the Sun and two-dimensional angle measurement sensors. Additionally, we need a minimal model of the spacecraft or aircraft on which the device is installed, as well as a model of external conditions (including power and thermal effects) that allows you to set or determine the deformation of the device.

Компьютерное моделирование используется для испытаний и проверки работоспособности устройства определения ориентации и его отдельных подсистем, а также эффективности способа его использования.Computer simulation is used to test and verify the operability of the device for determining orientation and its individual subsystems, as well as the effectiveness of the method of its use.

Пример 3. Испытания и проверки с использованием физического моделированияExample 3. Tests and checks using physical modeling

Испытания и проверка работы устройства определения ориентации КА или ЛА выполняются с использованием физических моделей или реального оборудования для проверки результатов компьютерного моделирования. Испытания на физических моделях проводятся на специальных наземных лабораторных стендах.Tests and verification of the operation of the device for determining the orientation of the spacecraft or aircraft are performed using physical models or real equipment to verify the results of computer simulation. Tests on physical models are carried out on special ground-based laboratory stands.

Лабораторный испытательный стенд включает в себя имитаторы космических объектов, используемых в качестве ориентиров, а один или два имитатора Солнца.The laboratory test bench includes simulators of space objects used as landmarks, and one or two simulators of the Sun.

Имитатор Солнца представляет собой мощный источник света с угловыми размерами 0,5°. Имитатор солнца устанавливается на подвижном кронштейне, позволяющем устанавливать его в различных точках верхней полусферы над устройством определения ориентации. Изменение положения Солнца относительно испытываемого устройства осуществляется путем перемещения имитатора.The Sun Simulator is a powerful light source with angular dimensions of 0.5 °. The sun simulator is mounted on a movable bracket, allowing it to be installed at various points in the upper hemisphere above the orientation determining device. Changing the position of the Sun relative to the device under test is carried out by moving the simulator.

Помимо имитаторов в состав лабораторного стенда входят устройства теплового и механического нагружения. Тепловое нагружение осуществляется путем несимметричного (одностороннего) облучения испытываемого устройства видимым или инфракрасным излучением. Для механического нагружения используется изменение положения устройства в поле тяготения Земли (наклоны устройства) и подвеска малых калиброванных грузов к различным частям устройства.In addition to simulators, the laboratory bench includes thermal and mechanical loading devices. Thermal loading is carried out by asymmetric (one-sided) irradiation of the tested device with visible or infrared radiation. For mechanical loading, a change in the position of the device in the Earth's gravitational field (device tilts) and the suspension of small calibrated loads to various parts of the device are used.

Был собран лабораторный макет устройства определения ориентации, в состав которого входили два датчика направления на Солнце, двенадцать датчиков измерения расстояний (по шесть на каждый из датчиков направления на Солнце) и блок обработки полученных данных. Макет был собран на оптическом столе, который играл роль основания устройства. Расстояния измерялись между элементами конструкций датчиков ориентации и выбранными точками на оптическом столе. На этом же столе были установлен имитатор Солнца. Положение имитатора было выбрано таким, чтобы он попадал в поля зрения обоих датчиков направления на Солнце.A laboratory model of an orientation determining device was assembled, which included two direction sensors on the Sun, twelve distance sensors (six for each of the direction sensors on the Sun) and a data processing unit. The layout was assembled on an optical table, which played the role of the base of the device. Distances were measured between the structural elements of the orientation sensors and the selected points on the optical table. A simulator of the Sun was installed on the same table. The position of the simulator was chosen so that it fell into the field of view of both direction sensors on the Sun.

Измерения показали, что случайные погрешности датчиков направления на Солнце составляют 5 угловых секунд, а взаимная ориентация этих приборов в ненагруженном состоянии сохраняется с погрешностью 1,5 угловой секунды, которая соответствует погрешности датчиков измерения расстояний. В результате в ненагруженном состоянии случайная погрешность определения направления на Солнце относительно системы координат устройства составила 6 угловых секунд.The measurements showed that the random errors of direction sensors on the Sun are 5 arc seconds, and the relative orientation of these devices in the unloaded state is preserved with an error of 1.5 arc seconds, which corresponds to the error of the distance measurement sensors. As a result, in the unloaded state, the random error in determining the direction to the Sun relative to the coordinate system of the device was 6 arc seconds.

Нагружение макета выполнялось путем подвеса к элементам конструкции малых грузов так, чтобы среднее отклонение звездных и солнечного датчика от исходного положения составляло 15 угловых секунд. В результате, в нагруженном состоянии без учета показаний датчиков измерения расстояний средняя погрешность определения направления на Солнце относительно инерциальной системы координат - 15,8 угловых секунд.The layout was loaded by suspending small loads from the structural elements so that the average deviation of the stellar and solar sensors from the initial position was 15 arc seconds. As a result, in the loaded state, without taking into account the readings of distance measurement sensors, the average error in determining the direction to the Sun relative to the inertial coordinate system is 15.8 arc seconds.

При учете показаний датчиков измерения расстояний по способу, предложенному в настоящем изобретении, погрешность определения направления на Солнце относительно системы координат устройства снизилась до 6,2 угловой секунды, что позволяет сделать вывод о достижении технического результата.When taking into account the readings of distance measurement sensors according to the method proposed in the present invention, the error in determining the direction to the Sun relative to the coordinate system of the device decreased to 6.2 arc seconds, which allows us to conclude that the technical result has been achieved.

Claims

1. A device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, comprising a base, at least one sensor for determining orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as at least six distance measuring sensors and a processing unit for receiving data from said sensors, while the distance measurement sensor includes a mechanical length standard and a displacement sensor, one of the ends of each distance measurement sensor is pivotally closed it is insulated on the orientation detection sensor, and the other is pivotally mounted on the base of the device, while the ends of the distance measurement sensors are secured to ensure that the measured segments are not parallel.

2. The device according to p. 1, characterized in that the sensor for determining the orientation relative to astronomical objects is a direction sensor to the Sun and / or a direction sensor to the center of the Earth.

3. The device according to claim 1, characterized in that the distance measuring sensor is an optical or electromechanical or interference sensor.

4. The device according to p. 1, characterized in that it contains two sensors for determining orientation relative to astronomical objects and twelve sensors for measuring distances.

5. The device according to claim 1, characterized in that the ends of the distance measuring sensors mounted on the orientation detection sensor are located in the same plane, and the opposite ends of the distance sensors fixed on the basis of the device are also located in the same plane.

6. The device according to p. 1, characterized in that it contains at least seven sensors for measuring distances taken on the sensor for determining the orientation.

7. The device according to claim 1, characterized in that the ends of the distance measuring sensors mounted on the orientation detection sensor are located in different planes and / or the opposite ends of the distance sensors fixed on the basis of the device are located in different planes.

8. A device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, comprising a base, at least two sensors for determining orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as at least six distance sensors for measuring the orientation and a processing unit for receiving data from said sensors, while the distance measurement sensor includes a mechanical length standard and a displacement sensor, one of the ends of each distance measurement sensor is pivotally closed insulated on one of the sensors for determining the orientation, and the other is pivotally mounted on the base of the device or on another sensor for determining the orientation, fixing the ends of the sensors for measuring distances is implemented to ensure the absence of parallelism of the measured segments, while at least six sensors for measuring distances are made with the possibility of measuring distances between the sensors for determining the orientation and the base of the device, and the rest are configured to measure the distances between the sensors for determining the orientation ntatsii.

9. The device according to p. 8, characterized in that the sensor for determining orientation relative to astronomical objects is a direction sensor to the Sun and / or a direction sensor to the center of the Earth.

10. The device according to p. 8, characterized in that the distance measuring sensor is an optical, or electromechanical, or interference sensor.

11. The device according to p. 8, characterized in that it contains two sensors for determining orientation relative to astronomical objects and twelve sensors for measuring distances.

12. A method for determining the orientation of spacecraft or aircraft using the device according to claim 1 or 8, including

- measuring and transmitting readings of orientation sensors and distance measurement sensors to a data processing unit;

- determination of the orientation angle values of the orientation determination sensor relative to the structural coordinate system of the device based on the readings of the distance measurement sensors;

- converting the obtained values of the angles for the sensor determining the orientation relative to astronomical objects into a three-dimensional rotation matrix R _j that translates the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device, where j is the number of the orientation sensor and the number of the corresponding astronomical object;

- conversion of the readings of the sensor for determining the orientation relative to astronomical objects into a unit vector of direction to the object in the structural coordinate system of the sensor V _j , where j is the number of the sensor for determining the orientation and the number of the corresponding astronomical object;

- determining the orientation of the device by obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of the device U _j according to the formula U _j = R _j × V _j ;

- obtaining direction vectors, which determine the orientation of space and aircraft, to astronomical objects in the structural coordinate system of a space or aircraft O _j according to the formula O _j = K × U _j ,

where K is the known matrix of three-dimensional rotation translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the structural coordinate system of a space or aircraft.

13. The method for determining the orientation of spacecraft or aircraft according to claim 12, characterized in that when using the device according to claim 5, the values of the orientation angles for the orientation determination sensor are determined by solving the mathematical direct problem of the kinematics of the Stuart platform, the parameters of which are the readings of six distance measurement sensors attached to this orientation detection sensor.

14. The method for determining the orientation of spacecraft or aircraft according to claim 12, characterized in that when using the device according to claim 7, the values of the orientation angles for the orientation determination sensor are determined by solving the mathematical generalized direct kinematics problem of the Stuart platform, the parameters of which are the readings of all measurement sensors distances fixed to this orientation detection sensor.

15. The method for determining the orientation of spacecraft or aircraft according to claim 12, characterized in that when using the device according to claim 8, the values of the orientation angles for the orientation determination sensor are determined by solving a linearized system of equations for the relative position of the orientation determination sensors.