RU2620288C1 - Method and device for determining orientation of space or air crafts - Google Patents

Method and device for determining orientation of space or air crafts Download PDF

Info

Publication number
RU2620288C1
RU2620288C1 RU2016105781A RU2016105781A RU2620288C1 RU 2620288 C1 RU2620288 C1 RU 2620288C1 RU 2016105781 A RU2016105781 A RU 2016105781A RU 2016105781 A RU2016105781 A RU 2016105781A RU 2620288 C1 RU2620288 C1 RU 2620288C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
orientation
sensors
coordinate system
determining
sensor
Prior art date
Application number
RU2016105781A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Игоревич Захаров
Михаил Евгеньевич Прохоров
Олег Юрьевич Стекольщиков
Максим Сергеевич Тучин
Наталия Леонидовна Крусанова
Марат Керимович Абубекеров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2016105781A priority Critical patent/RU2620288C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2620288C1 publication Critical patent/RU2620288C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/36Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
    • B64G1/361Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors using star sensors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/34Sun- or astro-compasses
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/38Testing, calibrating, or compensating of compasses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Navigation (AREA)

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 the device is provided with one-dimensional or two-dimensional (or their combinations) S of angular measurement for each of the mentioned S. S of angular measurement comprises a radiation source and a radiation receiver mounted on the base, and a reflective element - at one of the S of determining orientation. These elements are mounted so that the planes of the incident and reflected radiation beams are not parallel. The angles are measured, for example, between the running axes of orientation S and the base. Management of these angles (in the data processing unit) is intended to eliminate the influence of errors in orientation S position in body-fixed coordinate axes (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 of their structure.
13 cl, 4 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 аппаратов (КА) и летательных аппаратов (ЛА) в инерциальной системе координат и относительно определенных небесных тел небесных тел - астрономических объектов, в частности 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 spacecraft (SC) and aircraft (LA) in an inertial coordinate system and with respect to certain celestial bodies of celestial bodies - astronomical 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 инерциальной системы координат и относительно определенных астрономических 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 high-precision determination of the orientation of spacecraft or aircraft relative to the inertial coordinate system and relative to certain astronomical 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 звездной ориентации Hydra фирмы Sodern (Франция), в котором установлены 3 или 4 высокоточных звездных датчика ориентации с погрешностями порядка 1,5 угловой секунды и блок обработки данных (Всероссийская научно-техническая конференция современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов, Россия, Таруса, 22-25 сентября 2008 года, http://www.iki.rssi.ru/books/2008tarusa.pdf) (Фиг. 1 и 2).A solution is known from the prior art - a Hydra stellar orientation device from Sodern (France), in which 3 or 4 high-precision stellar orientation sensors with errors of the order of 1.5 arc seconds and a data processing unit are installed (All-Russian Scientific and Technical Conference modern problems of determining orientation and spacecraft navigation, Russia, Tarusa, September 22-25, 2008, http://www.iki.rssi.ru/books/2008tarusa.pdf) (Figs. 1 and 2).

Из уровня техники известно решение, представленное в патенте US 6272432 В1 - (опубликовано 07.08.2011, кл. G01C 21/02), в котором предложено устройство определения ориентации, включающее в себя звездный датчик ориентации и три одноосных гироскопических датчика.The prior art solution is presented in patent US 6272432 B1 - (published on 08/07/2011, CL G01C 21/02), which proposed a device for determining the orientation, which includes a stellar orientation sensor and three uniaxial gyroscopic sensors.

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) (см. фиг. 3).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, September 13-16, 2010, pp. 22-23 http://ofo.ikiweb.ru/publ/conf_2010_tez.pdf) (see. Fig. 3).

Из уровня техники известно решение - распределенная система определения ориентации, установленная на Российском сегменте Международной космической станции (МКС). Она включает в себя гироскопический измеритель вектора угловой скорости (ГИВУС), установленный внутри гермоотсека МКС, три звездных датчика БОКЗ и один солнечный датчик БОКС, установленные на наружной поверхности служебного модуля «Звезда». Обработка данных ГИВУС, датчиков БОКЗ и БОКС осуществляется компьютерами бортовой системы Российского сегмента МКС.The prior art solution is known - a distributed orientation determination system installed on the Russian segment of the International Space Station (ISS). It includes a gyroscopic angular velocity vector meter (GIVUS) installed inside the ISS pressurized compartment, three BOKZ star sensors and one BOKS solar sensor installed on the outer surface of the Zvezda service module. GIVUS data, BOKZ and BOKS sensors are processed by computers of the onboard system of the ISS Russian segment.

Однако у всех 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.However, all of the above 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.

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 инерциальной системы координат и/или 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 the inertial coordinate system and / or 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 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.The technical result of the invention is to reduce the error 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 mounted.

Поставленная задача решается тем, что устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов содержит основание, по меньшей мере один датчик определения ориентации относительно инерциальной системы координат и по меньшей мере, один датчик определения ориентации относительно астрономических объектов, расположенные на основании, а также, взятые на каждый датчик определения ориентации, по меньшей мере, три одномерных датчика измерения углов или, по меньшей мере, два двумерных датчика измерения углов, или комбинацию из, по меньшей мере, одного одномерного и, по меньшей мере, одного двумерного датчика измерения углов, и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков, при этом датчики измерения углов включают источник излучения, приемник излучения и отражающий элемент, где источник излучения и приемник излучения установлены на основании устройства или на одном из датчиков определения ориентации, а отражающий элемент установлен на одном из датчиков определения ориентации с обеспечением приема пучка излучения от отражающего элемента, при этом источник излучения, приемник излучения и отражающий элемент датчиков измерения углов установлены с обеспечением отсутствия параллельности плоскостей, определяемых падающим и отраженным пучком излучения.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 the orientation relative to the inertial coordinate system and at least one sensor for determining the orientation relative to astronomical objects located on the base, as well as taken for each an orientation detection sensor, at least three one-dimensional angle measurement sensors, or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or a combination of at least one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensor, and a processing unit for receiving data from said sensors, wherein the angle measurement sensors include a radiation source, a radiation receiver and a reflective element, where the radiation source and radiation receiver are mounted on the base of the device or on one of the sensors for determining the orientation, and the reflecting element is mounted on one of the sensors for determining the orientation with the reception of the radiation beam from the reflecting element, while the radiation source, the radiation receiver and the reflecting element of the angle measuring sensors are installed to ensure the absence of parallelism of the planes determined by the incident and reflected radiation beam.

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.

Датчик определения ориентации относительно инерциальной системы координат может представлять собой гироскопический и/или звездный датчик.The sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system may be a gyroscopic and / or star sensor.

Предпочтительно устройство содержит три датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат, один датчик относительно астрономических объектов и восемь двумерных или двенадцать одномерных датчиков измерения углов.Preferably, the device comprises three sensors for determining orientation relative to the inertial coordinate system, one sensor for astronomical objects, and eight two-dimensional or twelve one-dimensional angle measurement sensors.

Датчики измерения углов могут быть выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства.Angle sensors can be configured to measure angles between orientation sensors and the base of the device.

По меньшей мере, три одномерных датчиков измерения углов или, по меньшей мере, два двумерных датчиков измерения углов, или, по меньшей мере, один одномерный и, по меньшей мере, один двумерный датчики измерения углов могут быть выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства, а остальные выполнены с возможностью измерения углов между разными датчиками определения ориентации.At least three one-dimensional angle measurement sensors or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or at least one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensors can be configured to measure angles between orientation sensors and the base of the device, and the rest are made with the possibility of measuring angles between different sensors to determine the orientation.

Поставленная задача решается также за счет способа определения ориентации космических или летательных аппаратов с использованием вышеупомянутого устройства и включает следующие этапы:The problem is also solved by the method of determining the orientation of spacecraft or aircraft using the aforementioned device and includes the following steps:

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

- определение значений углов ориентации датчиков определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства на основе показаний датчиков измерения углов, установленных на каждом датчике определения ориентации;- determination of the orientation angle values of the orientation determining sensors relative to the structural coordinate system of the device based on the readings of the angle measurement sensors installed on each orientation determination sensor;

- преобразование полученных значений углов для датчиков определения ориентации относительно инерциальной системы координат в матрицу трехмерного поворота Pi, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где i - номер датчика ориентации;- converting the obtained angle values for the sensors for determining the orientation relative to the inertial coordinate system into a three-dimensional rotation matrix P i , translating the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device, where i is the number of the orientation sensor;

- преобразование полученных значений углов для датчиков определения ориентации относительно астрономических объектов в матрицу трехмерного поворота Rj, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где j - номер датчика ориентации и номер соответствующего объекта;- converting the obtained angle values for the sensors for determining the orientation relative to astronomical objects into a three-dimensional rotation matrix R j , translating 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 object;

- преобразование показаний датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат в матрицу трехмерного поворота Si, переводящего оси конструкционной системы координат датчика определения ориентации в оси инерциальной системы координат, а погрешности показаний датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат в погрешности σi матрицы трехмерного поворота Si;- converting the readings of the sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system into a three-dimensional rotation matrix S i , translating the axis of the structural coordinate system of the sensor for determining the orientation in the axis of the inertial coordinate system, and the error in the readings of the sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system in the error σ i of the three-dimensional rotation matrix S i ;

- преобразование показаний каждого датчика определения ориентации относительно астрономических объектов в единичный вектор направления на объект в конструкционной системе координат датчика Vj, где j - номер датчика определения ориентации и номер соответствующего космического объекта;- conversion of the readings of each 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 space object;

- определение ориентации устройства путем получения векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат устройства Uj по формуле Uj=Rj×Vj;- 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 ;

- вычисление матрицы трехмерного поворота Q, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси инерциальной системы координат;- calculation of the matrix of three-dimensional rotation Q, translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the inertial coordinate system;

- получение векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата Oj по формуле- obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft O j according to the formula

Oj=K×Uj,O j = K × U j ,

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 a space or aircraft;

- получение векторов направлений на астрономические космические объекты в инерциальной системе координат устройства Ej по формуле- obtaining direction vectors for astronomical space objects in the inertial coordinate system of the device E j according to the formula

Ej=Q×Uj;E j = Q × U j ;

- получение ориентации космического или летательного аппарата относительно инерциальной системы координат в форме матрицы А, по формуле- obtaining the orientation of the spacecraft or aircraft relative to the inertial coordinate system in the form of matrix A, according to the formula

А=K×Q.A = K × Q.

Матрицу Q возможно вычислить по двум математическим формулам.The matrix Q can be calculated using two mathematical formulas.

Матрицу Q возможно вычислить с помощью Калмановской фильтрации.The matrix Q can be calculated using Kalman filtering.

Матрицу Q возможно вычислить на основе метода «data fusion».It is possible to calculate the Q matrix based on the data fusion method.

Определение значений углов ориентации каждого датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства выполняют на основе показаний всех датчиков измерения углов путем решения системы линейных уравнений взаимной ориентации датчиков определения ориентации и устройства.The determination of the orientation angle values of each orientation determination sensor relative to the structural coordinate system of the device is performed based on the readings of all the angle measurement sensors by solving a system of linear equations of mutual orientation of the orientation determination sensors and the device.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 представлен прототип устройства определения ориентации - звездный датчик Hydra фирмы Sodern (Франция) с тремя оптическими головками;in FIG. 1 shows a prototype device for determining the orientation of the star sensor Hydra company Sodern (France) with three optical heads;

на фиг. 2 представлен прототип устройства определения ориентации - звездный датчик Hydra фирмы Sodern (Франция) с четырьмя оптическими головками;in FIG. 2 shows a prototype of an orientation determining device - a Hydra star sensor from Sodern (France) with four optical heads;

на фиг. 3 представлен прототип устройства определения ориентации - солнечный датчик БОКС-01, разработанный фирмой «Оптэкс» (Россия), с двумя оптическими головками;in FIG. Figure 3 shows a prototype of a device for determining orientation — the BOKS-01 solar sensor, developed by Opteks (Russia), with two optical heads;

на фиг. 4 показана схема устройства определения ориентации.in FIG. 4 shows a diagram of an orientation determining apparatus.

Позициями на фигуре 4 обозначены: 1 - датчики определения ориентации, 2 - блок обработки данных, 3 - датчики измерения углов.The positions in figure 4 indicate: 1 - sensors for determining the orientation, 2 - data processing unit, 3 - sensors for measuring angles.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов, содержащее основание, по меньшей мере один датчик определения ориентации относительно инерциальной системы координат и по меньшей мере, один датчик определения ориентации относительно астрономических объектов (таких как планеты, спутники и астероиды, например Солнце, Земля, Луна, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн), расположенные на основании, а также, по меньшей мере, три одномерных датчика измерения углов или, по меньшей мере, два двумерных датчика измерения углов, или комбинацию из, по меньшей мере, одного одномерного и, по меньшей мере, одного двумерного датчика измерения углов, взятых на каждый датчик определения ориентации, и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков.A device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, containing a base, at least one sensor for determining orientation relative to an inertial coordinate system and at least one sensor for determining orientation relative to astronomical objects (such as planets, satellites and asteroids, for example the Sun, Earth, Moon, Venus, Mars, Jupiter, Saturn) located on the base, as well as at least three one-dimensional angle measurement sensors or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or a combination of at least one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensor taken for each orientation determination sensor, and a processing unit for receiving 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.

Датчики определения ориентации, входящие в устройство, могут быть двух типов:The orientation detection sensors included in the device can be of two types:

1) датчик(и) определения ориентации относительно инерциальной системы координат может представлять собой гироскопический (инерциальный) и/или звездный датчик(и).1) the sensor (s) determining the orientation relative to the inertial coordinate system may be a gyroscopic (inertial) and / or star sensor (s).

2) датчик(и) определения ориентации относительно астрономических объектов может представлять собой датчик(и) направления на Солнце и/или датчик направления на центр Земли.2) the sensor (s) for determining the orientation relative to astronomical objects may be a sensor (s) of the direction to the Sun and / or a sensor of direction to the center of the Earth.

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).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).

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 проведения измерений датчиками определения ориентации первого типа (относительно инерциальной системы координат) служат параметры разворота осей конструкционной системы координат датчика относительно инерциальной системы координат. Эти параметры могут быть представлены в виде трех углов Эйлера, кватерниона поворота, матрицы трехмерного поворота и т.п. Все эти представления содержат три независимых параметра и любое из них может быть получено из других.The result of measurements by the sensors to determine the orientation of the first type (relative to the inertial coordinate system) are the parameters of the rotation of the axes of the structural coordinate system of the sensor relative to the inertial coordinate system. These parameters can be represented in the form of three Euler angles, a quaternion of rotation, a matrix of three-dimensional rotation, etc. All these representations contain three independent parameters and any of them can be obtained from others.

Результатом измерений датчиками определения ориентации второго типа (относительно астрономического объекта) служит направление на некоторую точку соответствующего космического 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 of the second type (relative to the astronomical object) is the direction to a point on the corresponding space 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 являются:The results of the operation of the orientation determination device are:

1) определение параметров разворота осей конструкционной системы координат устройства определения ориентации и конструкционной системы координат космического или летательного аппарата относительно инерциальной системы координат;1) determination of the parameters of the rotation of the axes of the structural coordinate system of the orientation determination device and the structural coordinate system of a space or aircraft relative to the inertial coordinate system;

2) определение направлений на астрономические космические объекты в конструкционной системе координат устройства определения ориентации, конструкционной системы координат космического или летательного аппарата и в инерциальной системе координат.2) determination of directions to astronomical space objects in the structural coordinate system of the orientation determining device, the structural coordinate system of a space or aircraft, and in the inertial coordinate system.

Для определения ориентации самого космического или летательного аппарата и направлений на астрономические объекты в его системе координат 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 the orientation of the spacecraft or aircraft and directions to astronomical objects in its coordinate system, it is necessary to know the transition matrix between the structural coordinate systems of the orientation determination 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.

Датчики измерения углов могут быть одномерными или двумерными. Одномерный датчик измеряет один угол между определенными элементами конструкций устройства или датчиков определения ориентации. Двумерный датчик одновременно измеряет два угла между соответствующими элементами конструкций.Angle sensors can be one-dimensional or two-dimensional. A one-dimensional sensor measures one angle between certain structural elements of a device or orientation sensors. A two-dimensional sensor simultaneously measures two angles between the corresponding structural elements.

Для решения поставленной задачи в состав устройства должны входить, по меньшей мере, по три одномерных датчика измерений углов на каждый датчик определения ориентации или, по меньшей мере, по два двумерных датчика измерений углов на каждый датчик определения ориентации, или комбинацию из, по меньшей мере, по одного одномерного и, по меньшей мере, одного двумерного датчиков измерений углов, взятых на каждый датчик определения ориентации.To solve this problem, the device must include at least three one-dimensional angle measurement sensors for each orientation sensor or at least two two-dimensional angle measurement sensors for each orientation sensor, or a combination of at least , one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensors taken for each orientation determination sensor.

Датчики измерения углов в реальном времени определяют разворот (ориентацию) 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 определить ориентацию устройства с погрешностью близкой к погрешности входящих в нее датчиков.The real-time angle measurement sensors determine the rotation (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 device for determining the orientation (i.e., the angular position of the sensors for determining the orientation included in it) allows, based on the readings of the sensors, to determine the orientation of the device with an error close to the error of the sensors included in it.

Один из возможных вариантов конструкции как одномерного, так и двумерного датчика измерения углов включает источник излучения, приемник излучения и отражающий элемент; источник излучения и приемник излучения установлены на основании устройства или на одном из датчиков определения ориентации. Отражающий элемент установлен на датчике определения ориентации. Взаимное расположение источника излучения и отражающего элемента должно обеспечивать попадание отраженного от отражающего элемента пучка излучения на приемник при всех допустимых изменениях положения отражающего элемента (отражающий элемент установлен на датчике определения ориентации с обеспечением приема пучка излучения от отражающего элемента). В одномерном датчике измерения углов может использоваться как линейные, так и матричные приемники излучения, в двумерном датчике измерения углов - только матричные.One of the possible design options for both a one-dimensional and a two-dimensional angle measurement sensor includes a radiation source, a radiation receiver and a reflective element; the radiation source and the radiation receiver are installed on the basis of the device or on one of the sensors for determining the orientation. A reflective element is mounted on the orientation detection sensor. The relative position of the radiation source and the reflecting element should ensure that the radiation beam reflected from the reflecting element hits the receiver with all permissible changes in the position of the reflecting element (the reflecting element is mounted on the orientation detection sensor to ensure that the radiation beam is received from the reflecting element). In a one-dimensional angle measurement sensor, both linear and matrix radiation detectors can be used; in a two-dimensional angle measurement sensor, only matrix ones.

Для датчиков измерения углов, установленных на конкретном датчике определения ориентации, установка их упомянутых конструктивных элементов выполнена с обеспечением отсутствия параллельности плоскостей, определяемых падающим и отраженным пучком излучения.For angle measurement sensors mounted on a specific orientation detection sensor, the installation of the above-mentioned structural elements is performed with the absence of parallelism of the planes determined by the incident and reflected radiation beam.

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. Эти углы могут измеряться непосредственно, с помощью датчиков измерения углов.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. These angles can be measured directly using angle sensors.

Погрешность измерения углов должна быть порядка погрешности датчиков определения ориентации, т.е. не больше 1-3 угловых секунд для современных звездных датчиков и гироскопов и не более 0,1-0,3 угловой секунды для высокоточных датчиков определения ориентации следующего поколения. Эти значения определяют допустимые погрешности датчиков измерения угла.The error in measuring the angles should be on the order of the error in the sensors for determining the orientation, i.e. no more than 1-3 arc seconds for modern stellar sensors and gyroscopes 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 angle sensors.

Тип датчиков измерения углов не имеет значения. Могут использоваться механические, интерференционные, электромеханические (емкостные, магнитные, индуктивные и т.д.), оптические и другие типы датчиков измерения углов 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 angle measurement sensor does not matter. Mechanical, interference, electromechanical (capacitive, magnetic, inductive, etc.), optical and other types of angle 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 углы между отдельным датчиком определения ориентации и референсной частью устройства ориентации (например, основанием устройства), в этом случае по результатам этих измерений непосредственно определяется разворот системы координат этого датчика относительно системы координат устройства.For measurement, the angles between the individual orientation determination sensor and the reference part of the orientation device (for example, the base of the device) can be selected, in which case the coordinate system of this sensor relative to the coordinate system of the device is directly determined from the results of these measurements.

Другой вариант определения ориентации датчиков в системе координат устройства определения ориентации состоит в измерении как углов между датчиками и референсной частью устройства определения ориентации, так и между парами датчиков.Another option for determining the orientation of the sensors in the coordinate system of the device for determining the orientation is to measure both the angles between the sensors and the reference part of the device for determining the orientation, and between pairs of sensors.

Т.е. по меньшей мере, три одномерных датчиков измерения углов или, по меньшей мере, два двумерных датчиков измерения углов, или, по меньшей мере, один одномерный и, по меньшей мере, один двумерный датчики измерения углов выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства, а остальные выполнены с возможностью измерения углов между разными датчиками определения ориентации.Those. at least three one-dimensional angle measurement sensors or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or at least one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensors are configured to measure angles between the orientation sensors and the base devices, and the rest are made with the possibility of measuring angles between different sensors to determine the orientation.

При этом измерение углов относительно референсной части устройства определения ориентации должно быть выполнено, по меньшей мере, для трех одномерных датчиков измерения углов или, по меньшей мере, для двух двумерных датчиков измерения углов, или, по меньшей мере, одного одномерного и по меньшей мере одного двумерного датчиков измерения углов. На основе полученного набора измерения углов определяется разворот системы координат каждого из датчиков относительно системы координат устройства определения ориентации. Т.е. датчики измерения углов выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства, а остальные - выполнены с возможностью измерения углов между разными датчиками ориентации в составе устройства.In this case, the measurement of the angles relative to the reference part of the orientation determining device must be performed for at least three one-dimensional angle measurement sensors or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or at least one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensors. Based on the obtained set of measurement of the angles, the rotation of the coordinate system of each of the sensors relative to the coordinate system of the orientation determination device is determined. Those. angle measurement sensors are configured to measure angles between orientation sensors and the base of the device, and the rest are configured to measure angles between different orientation sensors in the device.

Предпочтительная конструкция устройства определения ориентации космических или летательных аппаратов содержит три датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат, один датчик определения ориентации относительно астрономического объекта и восемь двумерных или двенадцать одномерных датчиков измерения углов, что позволит уменьшить погрешность определения ориентации космического или летательного аппарата относительно астрономических объектов.The preferred design of the device for determining the orientation of spacecraft or aircraft contains three sensors for determining orientation relative to the inertial coordinate system, one sensor for determining orientation with respect to the astronomical object and eight two-dimensional or twelve one-dimensional sensors for measuring angles, which will reduce the error in determining the orientation of the spacecraft or aircraft with respect to astronomical objects.

Способ определения ориентации космических или летательных аппаратов с использованием вышеупомянутого устройства включает:A method for determining the orientation of spacecraft or aircraft using the aforementioned device includes:

а) измерение и передачу показаний датчиков определения ориентации и датчиков измерения углов в блок обработки данных.a) measuring and transmitting the readings of orientation sensors and angle sensors to the data processing unit.

Показания с датчиков определения ориентации и датчиков измерения углов, измеряют и передают в блок обработки данных. Датчики определения ориентации первого типа (относительно инерциальной системы координат) определяют параметры ориентации датчика относительно инерциальной системы координат. Эти параметры могут быть представлены несколькими эквивалентными способами, например, в виде матрицы трехмерного поворота, который переводит оси конструкционной системы координат в оси инерциальной системы координат. Датчики определения ориентации второго типа (относительно определенного астрономического космического объекта) определяют направление на некоторую точку соответствующего астрономического космического 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 angle sensors, measure and transmit to the data processing unit. Sensors for determining the orientation of the first type (relative to the inertial coordinate system) determine the orientation parameters of the sensor relative to the inertial coordinate system. These parameters can be represented in several equivalent ways, for example, in the form of a three-dimensional rotation matrix, which translates the axes of the structural coordinate system in the axis of the inertial coordinate system. Sensors for determining the orientation of the second type (relative to a certain astronomical space object) determine the direction to a certain point of the corresponding astronomical space object (usually to its center) in the structural coordinate system of the sensor. Additionally, both types of sensors can provide an estimate of the error of the obtained orientation parameters;

б) определение углов ориентации датчиков определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства на основе показаний датчиков измерения углов, установленных на каждом датчике определения ориентации (т.е. определение направления осей конструкционной системы координат каждого из датчиков относительно конструкционной системы координат устройства) на основе показаний датчиков измерения углов, установленных на каждом датчике определения ориентации.b) determining the orientation angles of the orientation determining sensors relative to the structural coordinate system of the device based on the readings of the angle measurement sensors installed on each orientation determining sensor (i.e., determining the direction of the axes of the structural coordinate system of each of the sensors relative to the structural coordinate system of the device) based on the sensors measuring the angles mounted on each orientation sensor.

На каждом датчике определения ориентации устанавливают отражательные элементы (зеркала, отражательные призмы и т.п.). На основании устройства определения ориентации или на других датчиках определения ориентации устанавливают источники излучения (лазеры, лазерные диоды и др.), испускающих узкие коллимированные пучки излучения, и координатно-чувствительные приемники излучения (например, матричные или линейные ПЗС или КМОП приемники излучения. ПЗС - прибор с зарядовой связью; КМОП - комплементарный металл-окисел полупроводник). Пучок излучения от первого источника излучения направляют так, чтобы он попадал на первый отражательный элемент, а после отражения от него падал примерно в центр первого приемника излучения. Аналогично второй и последующих датчиков измерения углов пучок отражается от соответствующего отражательного элемента и попадает в примерно центр соответствующего приемника излучения. На одном датчике определения ориентации должны быть установлены по меньшей мере три одномерных датчика измерения углов или по меньшей мере два двумерных датчика измерения углов, или по меньшей мере один одномерный и один двумерный датчиков измерения углов. В состав каждого из этих датчиков входят по одному источнику и приемнику излучения и один отражательный элемент. При изменении углового положения датчика определения ориентации изображение пучков на приемниках излучения смещаются. Если расстояние от отражательного элемента до приемника излучения составляет 0,3 м, то поворот датчика на 1 угловую секунду приводит к смещению изображения луча на 1,5 мкм. Это смещение составляет 1/10-1/3 пикселя промышленно выпускаемых ПЗС и КМОП матриц или линеек и легко регистрируется при современном уровне техники.Reflection elements (mirrors, reflective prisms, etc.) are installed on each orientation detection sensor. Based on the device for determining the orientation or other sensors for determining the orientation, radiation sources (lasers, laser diodes, etc.) are installed that emit narrow collimated radiation beams and coordinate-sensitive radiation receivers (for example, matrix or linear CCDs or CMOS radiation detectors. CCDs - charge-coupled device; CMOS - a complementary metal-oxide semiconductor). The radiation beam from the first radiation source is directed so that it hits the first reflective element, and after reflection from it falls approximately at the center of the first radiation receiver. Similarly to the second and subsequent angle measuring sensors, the beam is reflected from the corresponding reflective element and enters approximately the center of the corresponding radiation receiver. At least one one-dimensional angle measurement sensor, or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or at least one one-dimensional and one two-dimensional angle measurement sensors must be installed on one orientation detection sensor. Each of these sensors includes one radiation source and receiver and one reflective element. When the angular position of the orientation determination sensor changes, the image of the beams at the radiation detectors is shifted. If the distance from the reflective element to the radiation receiver is 0.3 m, then the rotation of the sensor by 1 arc second leads to a displacement of the beam image by 1.5 μm. This offset is 1 / 10-1 / 3 pixels of industrially produced CCDs and CMOS matrices or rulers and is easily detected with the current level of technology.

Если плоскости, которые задают лучи (до и после отражения) не параллельны друг другу, то по смещению изображения двух лучей на двух матричных приемниках излучения можно определить изменения всех трех параметров ориентации датчика относительно системы координат устройства определения ориентации.If the planes that specify the rays (before and after reflection) are not parallel to each other, then by shifting the image of two rays on two matrix radiation detectors, it is possible to determine changes in all three parameters of the sensor’s orientation relative to the coordinate system of the orientation determination device.

Описанная конструкция датчика измерения углов 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 the angle measurement 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 инерциальной системы координат в матрицу трехмерного поворота Pi, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где i - номер датчика ориентации;c) converting the obtained angle values for the sensors for determining the orientation relative to the inertial coordinate system into a three-dimensional rotation matrix P i 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 i is the number of the orientation sensor;

г) преобразование полученных значений углов для датчиков определения ориентации относительно астрономических объектов в матрицу трехмерного поворота Rj, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где j - номер датчика ориентации и номер соответствующего объекта;d) converting 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 object;

д) преобразование показаний датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат в матрицу трехмерного поворота Si, переводящего оси конструкционной системы координат датчика определения ориентации в оси инерциальной системы координат, а погрешностей показаний датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат в погрешности а матрицы трехмерного поворота Si;d) the conversion of the readings of the sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system into a matrix of three-dimensional rotation S i , which translates the axis of the structural coordinate system of the sensor for determining the orientation in the axis of the inertial coordinate system, and the errors of the readings of the sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system in the errors of the matrix of the three-dimensional rotation S i ;

е) преобразование показаний каждого датчика определения ориентации относительно астрономических объектов в единичный вектор направления на объект в конструкционной системе координат датчика Vj, где j - номер датчика определения ориентации и номер соответствующего космического объекта;f) converting the readings of each 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 space object;

ж) получение векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат устройства Uj по формулеg) obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of the device U j according to the formula

Uj=Rj×Vj;U j = R j × V j ;

з) вычисление матрицы трехмерного поворота Q, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси инерциальной системы координат;h) the calculation of the matrix of three-dimensional rotation Q, translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the inertial coordinate system;

Вычисление матрицы Q может выполняться следующими способами:The calculation of the matrix Q can be performed in the following ways:

i) Если показания i-го датчика определения ориентации сопровождается оценкой погрешности измерения σi и величины этих погрешностей различны, то матрица Q вычисляется по формулеi) If the readings of the ith orientation sensor are accompanied by an estimate of the measurement error σ i and the values of these errors are different, then the matrix Q is calculated by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где N - число датчиков ориентации в устройстве.where N is the number of orientation sensors in the device.

ii) Если погрешности датчиков примерно одинаковы, то матрица Q вычисляется по формулеii) If the errors of the sensors are approximately the same, then the matrix Q is calculated by the formula

Figure 00000002
.
Figure 00000002
.

iii) Способ вычисления матрицы Q, основанный на Калмановской фильтрации, [Zhang Н., Sang Н., Shen X., Adaptive Federated Kalman Filtering Attitude Estimation Algorithm for Double-FOV Star Sensor, Journal of Computational Information Systems 6: 10 (2010) 3201-3208];iii) A method for computing the Q matrix based on Kalman filtering, [Zhang N., Sang N., Shen X., Adaptive Federated Kalman Filtering Attitude Estimation Algorithm for Double-FOV Star Sensor, Journal of Computational Information Systems 6: 10 (2010) 3201-3208];

iv) Способ вычисления матрицы Q на основе метода «data fusion» [Chiang Y.-T., Chang F.R., Wang L.S., Jan Y.W., Ting L.H., Data fusion of three attitude sensors, SICE 2001. Proceedings of the 40th SICE Annual Conference. International Session Papers, P. 234-239 (2001) и Uhlmann J.K., General Data Fusion for Estimates with Unknown Cross Covariances, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, V. 2755, 1996, P. 536-547];iv) A method for computing the Q matrix based on the data fusion method [Chiang Y.-T., Chang FR, Wang LS, Jan YW, Ting LH, Data fusion of three attitude sensors, SICE 2001. Proceedings of the 40th SICE Annual Conference . International Session Papers, P. 234-239 (2001) and Uhlmann JK, General Data Fusion for Estimates with Unknown Cross Covariances, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, V. 2755, 1996, P. 536-547 ];

и) получение векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата Oj по формулеi) obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft O j according to the formula

Oj=K×Uj,O j = K × U j ,

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.

Матрица K считается известной или передается устройству определения ориентации бортовыми системами аппарата, на котором установлено устройство. Информация о матрице поворота K 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;The matrix K is considered known or transmitted to the device for determining the orientation by the on-board systems of the apparatus on which the device is installed. 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 proprietary 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;

к) получение векторов направлений на астрономические космические объекты в инерциальной системе координат устройства Ej по формуле j ) obtaining direction vectors for astronomical space objects in the inertial coordinate system of the device E j according to the formula

Ej=Q×Uj;E j = Q × U j ;

л) получение ориентации космического или летательного аппарата относительно инерциальной системы координат в форме матрицы А, по формулеk) obtaining the orientation of the spacecraft or aircraft relative to the inertial coordinate system in the form of matrix A, according to the formula

А=K×Q.A = K × Q.

При использовании устройства, когда датчики измерения углов выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства, определение значений углов ориентации каждого датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства выполняют на основе показаний датчиков измерения углов, установленных на этом датчике определения ориентации.When using the device, when the angle measurement sensors are configured to measure angles between the orientation sensors and the base of the device, the determination of the orientation angle values of each orientation determination sensor relative to the structural coordinate system of the device is performed based on the readings of the angle measurement sensors installed on this orientation determination sensor.

При использовании устройства, когда по меньшей мере, три одномерных датчиков измерения углов или, по меньшей мере, два двумерных датчиков измерения углов, или, по меньшей мере, один одномерный и, по меньшей мере, один двумерный датчики измерения углов выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства, а остальные выполнены с возможностью измерения углов между разными датчиками определения ориентации, определение значений углов ориентации каждого датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства выполняют на основе показаний всех датчиков измерения углов путем решения системы линейных уравнений взаимной ориентации датчиков определения ориентации и устройства.When using the device, when at least three one-dimensional sensors for measuring angles or at least two two-dimensional sensors for measuring angles, or at least one one-dimensional and at least one two-dimensional sensors for measuring angles are configured to measure angles between the orientation sensors and the base of the device, and the rest are made with the possibility of measuring the angles between different sensors to determine the orientation, determining the values of the orientation angles of each sensor to determine the orientation relative to truktsionnoy device coordinate system is performed based on readings of angle measurement sensors by solving a system of linear equations relative orientation of the sensors and determine the orientation of the device.

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. Математическое обоснование способаThis 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. The mathematical justification of the method

Пусть устройство содержит N датчиков определения ориентации относительно инерциальной системы координат, i=1…N - номера датчиков и М датчиков определения ориентации относительно космических тел, j=1…М - номера датчиков этого типа. В исходном невозмущенном состоянии устройства угловое положение i-го датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат описывается матрицей трехмерного поворота Р(0) i, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства. Показания датчиков определения ориентации относительно инерциальной системы координат можно представить в виде матрицы трехмерного поворота Si, переводящего оси конструкционной системы координат i-го датчика определения ориентации в оси инерциальной системы координат.Let the device contain N sensors for determining the orientation relative to the inertial coordinate system, i = 1 ... N are the numbers of sensors and M sensors for determining the orientation with respect to space bodies, j = 1 ... M are the numbers of sensors of this type. In the initial unperturbed state of the device, the angular position of the ith orientation determination sensor relative to the inertial coordinate system is described by a three-dimensional rotation matrix P (0) i that translates the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device. The readings of the sensors for determining the orientation with respect to the inertial coordinate system can be represented in the form of a matrix of a three-dimensional rotation S i that translates the axis of the structural coordinate system of the i-th sensor for determining the orientation in the axis of the inertial coordinate system.

Ориентация устройства относительно инерциальной системы координат описывается матрицей трехмерного поворота Q, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси инерциальной системы координат. Предположим, что датчики определения ориентации обладают нулевой погрешностью (при этом значения матриц Si абсолютно точны), а сами датчики находятся в исходных невозмущенных положениях P(0) i. В этом случае матрица Q может быть получена из показаний любого из датчиков, все они дают совпадающие результаты:The orientation of the device relative to the inertial coordinate system is described by a three-dimensional rotation matrix Q, translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the inertial coordinate system. Suppose that the sensors for determining the orientation have zero error (the values of the matrices S i are absolutely accurate), and the sensors themselves are in the initial unperturbed positions P (0) i . In this case, the matrix Q can be obtained from the readings of any of the sensors, all of them give matching results:

Figure 00000003
Figure 00000003

В реальных условиях показания датчиков имеют некоторую погрешность σi, в этом случае показания i-го датчика можно представить в виде Si=S(0) i+δSi, где S(0) i - истинная матрица трехмерного поворота, описывающая ориентацию i-го датчика, δSi - матрица малого трехмерного поворота, описывающая отклонение матрицы показаний i-го датчика Si от истинной матрицы ориентации S(0) i, вызванная погрешностью измерений. Произведения Si×Pi в формуле (1) будут давать разные значения для разных датчиков. В этом случае статистически наиболее достоверное значение матрицы вычисляется по формулеIn real conditions, the readings of the sensors have some error σ i , in this case, the readings of the i-th sensor can be represented as S i = S (0) i + δS i , where S (0) i is the true three-dimensional rotation matrix describing the orientation of i -th sensor, δS i is a small three-dimensional rotation matrix describing the deviation of the readings matrix of the i-th sensor S i from the true orientation matrix S (0) i , caused by the measurement error. The products S i × P i in the formula (1) will give different values for different sensors. In this case, the statistically most reliable value of the matrix is calculated by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

Ориентации Si×Pi, определенные по показаниям индивидуальных датчиков, будут отклоняться от Q на величину порядка σi, а среднестатистическая погрешность Q будет составлять <σ>/N1/2 (здесь <σ> - средневзвешенное значение погрешностей σi).The orientations S i × P i determined from the readings of individual sensors will deviate from Q by a value of the order of σ i , and the average error Q will be <σ> / N 1/2 (here <σ> is the weighted average of the errors σ i ).

Эта формула выведена в предположении о том, что все датчики определения ориентации относительно инерциальной системы координат находятся в исходных невозмущенных положениях, т.е. матрицы P(0) i известны точно. Формула остается верной пока отклонения датчиков от исходных положений остаются малыми по сравнению с погрешностями самих датчиков ориентации σi.This formula was derived under the assumption that all the sensors for determining the orientation with respect to the inertial coordinate system are in the initial unperturbed positions, i.e. the matrices P (0) i are known exactly. The formula remains valid as long as the deviations of the sensors from the initial positions remain small compared with the errors of the orientation sensors σ i themselves.

Рассмотрим теперь наиболее общий случай, когда показания датчиков имеют погрешности (как и в предыдущем случае), а сами датчики отклоняются от исходных положений. В этом случае матрица, описывающая положение i-го датчика относительно устройства, будет иметь вид Pi=P(0) i+δPi, где δPi - матрица малого трехмерного поворота, описывающая отклонение датчика от исходного положения, описываемого матрицей Р(0) i. Обозначим угол малого отклонения i-го датчика величиной πi. В этом случае матрица Q вычисляется по формулеLet us now consider the most general case when the readings of the sensors have errors (as in the previous case), and the sensors themselves deviate from their original positions. In this case, the matrix describing the position of the ith sensor relative to the device will have the form P i = P (0) i + δP i , where δP i is the matrix of small three-dimensional rotation describing the deviation of the sensor from the initial position described by the matrix P (0 ) i . Denote the angle of small deviation of the i-th sensor by π i . In this case, the matrix Q is calculated by the formula

Figure 00000005
Figure 00000005

Среднестатистическая погрешность матрицы Q, вычисленной по этой формуле будет составлять ((<σ>2+<π>2)/N)1/2, где <π> - средневзвешенное значение отклонений датчиков πi. Видно, что пока <π> < <σ> погрешность определяется датчиками ориентации и для матрицы Q действует формула (2). Если же <π> > <σ>, а особенно в случае <π> >> <σ>, погрешность ориентации определяется деформациями конструкций устройства. При этом дальнейшее повышение точности датчиков определения ориентации становится бессмысленным, поскольку не приводит к повышению точности устройства в целом.The average error of the matrix Q calculated by this formula will be ((<σ> 2 + <π> 2 ) / N) 1/2 , where <π> is the weighted average of the deviations of the sensors π i . It can be seen that while <π><<σ> the error is determined by orientation sensors and formula (2) is valid for the matrix Q. If <π>><σ>, and especially in the case of <π>>><σ>, the orientation error is determined by the deformations of the device structures. In this case, a further increase in the accuracy of orientation sensors becomes meaningless, since it does not increase the accuracy of the device as a whole.

Датчики измерения углов, включенные с состав устройства, позволяют с некоторой погрешностью измерить отклонения датчика и определить матрицу поворота ΔPi являющуюся приближением матрицы δPi. Разность этих двух матриц δPi-ΔPi=dPi также является матрицей малого трехмерного поворота, а угол этого поворота приблизительно равен погрешности датчиков измерения углов ε.Angle measurement sensors included with the device make it possible to measure sensor deviations with a certain error and determine the rotation matrix ΔP i which is an approximation of the matrix δP i . The difference between these two matrices δP i -ΔP i = dP i is also a small three-dimensional rotation matrix, and the angle of this rotation is approximately equal to the error of the angle measuring sensors ε.

Описанный в изобретении способ предлагает подставлять в формулу (3) не Pi, a (Pi-ΔPi). В этом случае для матрицы Q получается следующее выражениеThe method described in the invention proposes to substitute in the formula (3) not P i , but (P i -ΔP i ). In this case, for the matrix Q, the following expression is obtained

Figure 00000006
Figure 00000006

В этом случае погрешность матрицы Q будет составлять ((<σ>22)/N)1/2 и не зависит от величины отклонений датчиков от исходных положений <π>, если они превышают погрешность измерения угла отклонения датчиков ε.In this case, the error of the matrix Q will be ((<σ> 2 + ε 2 ) / N) 1/2 and does not depend on the magnitude of the deviations of the sensors from the initial positions <π> if they exceed the error in measuring the angle of deviation of the sensors ε.

Для датчиков определения ориентации относительно космических объектов их исходные невозмущенные положения относительно устройства описываются матрицами трехмерных поворотов R(0) j, где j - номер датчика определения ориентации и номер космического объекта, направление на который определяется. Возмущенные положения отличаются от исходных и имеют вид R(0) j=Rj+δRj, где δRj - матрица малого трехмерного поворота, описывающая отклонение j-го датчика от невозмущенного положения. Угол этого поворота равен, соответственно, αj.For sensors for determining the orientation relative to space objects, their initial unperturbed positions relative to the device are described by three-dimensional rotation matrices R (0) j , where j is the number of the sensor for determining the orientation and the number of the space object, the direction to which is determined. The perturbed positions differ from the initial ones and have the form R (0) j = R j + δR j , where δR j is the small three-dimensional rotation matrix describing the deviation of the jth sensor from the unperturbed position. The angle of this rotation is, respectively, α j .

Результаты работы датчиков определения ориентации относительно космических объектов могут быть представлены в виде единичного вектора Vj направления на космический объект (для протяженных объектов - на какую-то их точку, чаще всего - на центр). Погрешность датчика приводит к тому, что направление вектора Vj отличается от истинного направления на объект на малый угол ψj.The results of the operation of the sensors for determining the orientation with respect to space objects 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 Rj 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

Figure 00000007
Figure 00000007

В этой системе координат направление на объект будет отклоняться от истинного направления на объект в среднем на угол (αj 2j 2)1/2. В дальнейшем вектор Uj преобразуется в вектор Ej направления на объект в инерциальной системе координат по формуле Ej=Q×Uj. К погрешности вектора Uj в инерциальной системе координат добавляется погрешность матрицы Q и среднестатистическое отклонение вектора Ej от истинного будет составлять (<σ>2j 2j 2)1/2.In this coordinate system, the direction to the object will deviate from the true direction to the object by an average angle (α j 2 + ψ j 2 ) 1/2 . Subsequently, the vector U j is transformed into the vector E j of the direction to the object in the inertial coordinate system according to the formula E j = Q × U j . The error of the matrix Q is added to the error of the vector U j in the inertial coordinate system, and the average deviation of the vector E j from the true one will be (<σ> 2 + α j 2 + ψ j 2 ) 1/2 .

Если угол отклонения датчика определения ориентации от исходного положения αj велик, то повышение точности датчика ориентации не будет приводить к росту точности устройства в целом. Датчики измерения углов, включенные с состав устройства, позволяют с некоторой погрешностью измерить отклонения датчика и определить матрицу поворота ΔRj являющуюся приближением матрицы δRj. Разность этих двух матриц δRj-ΔRj=dRj также является матрицей малого трехмерного поворота, а угол этого поворота приблизительно равен погрешности датчиков измерения углов 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. Angle measurement sensors included with the device make it possible to measure sensor deviations with some error and determine the rotation matrix ΔR j which is an approximation of the matrix δR j . The difference of these two matrices δR j -ΔR j = dR j is also a small three-dimensional rotation matrix, and the angle of this rotation is approximately equal to the error of the angle measuring sensors ε.

Описанный в изобретении способ предлагает подставлять в формулу (5) не Rj, a (Rj-ΔRj). В этом случае для векторов Uj получается следующее выражениеThe method described in the invention proposes to substitute in the formula (5) not R j , but (R j -ΔR j ). In this case, for the vectors U j the following expression is obtained

Figure 00000008
Figure 00000008

В этом случае погрешности (углы отклонения) векторов Uj будут составлять (ε2j 2)1/2, а векторов Ej, соответственно, (<σ>22j 2)1/2 и не будут зависеть от величины отклонений датчиков от исходных положений αj, если они превышают погрешность измерения угла отклонения датчиков ε.In this case, the errors (deviation angles) of the vectors U j will be (ε 2 + ψ j 2 ) 1/2 , and the vectors E j , respectively, (<σ> 2 + ε 2 + ψ j 2 ) 1/2 and not will 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, три звездных датчика ориентации и один датчик направления на Солнце, установленные на основании, восемь двумерных датчиков измерения углов, измеряющих углы между датчиками ориентации и основанием устройства, и блок обработки данных. Показаниями звездных датчиков является кватернион ориентации конструкционной системы координат датчика относительно инерциальной системы координат, а показаниями датчика 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 углов состоят из отражающего элемента, источника узкого пучка излучения и матричного приемника излучения. Отражающий элемент устанавливается на датчике определения ориентации (звездном датчике ориентации или датчике направления на Солнце), а источник и приемник излучения - на основании устройства. На каждом датчике ориентации установлены по два отражающих элемента. При этом их установка выполнена таким образом, чтобы: 1) испущенный источником излучения пучок после отражения от отражающего элемента попадал примерно в середину матричного приемника излучения и 2) плоскости, определяемые направленными на отражающий элемент и отраженными пучками излучения, для двух отражающих элементов, установленных на одном и том же датчике ориентации, не были параллельны. Угловые погрешности датчиков определения ориентации и датчиков измерения углов не превышают нескольких угловых секунд.An orientation determining device includes a device base, three stellar orientation sensors and one directional sensor to the Sun mounted on the base, eight two-dimensional angle measurement sensors measuring angles between the orientation sensors and the device base, and a data processing unit. The indications of star sensors are the quaternion of the orientation of the structural coordinate system of the sensor relative to the inertial coordinate system, and the readings of the direction sensor to the Sun are two spherical angles that determine the components of the direction to the Sun in the structural coordinate system of the sensor. The readings of the sensors for determining the orientation are accompanied by estimates of measurement errors. Angle measurement sensors consist of a reflective element, a source of a narrow beam of radiation and a matrix radiation receiver. The reflecting element is mounted on the orientation detection sensor (stellar orientation sensor or directional sensor on the Sun), and the radiation source and receiver - on the basis of the device. Each orientation sensor has two reflective elements. At the same time, their installation is made in such a way that: 1) the beam emitted by the radiation source after reflection from the reflecting element falls approximately in the middle of the radiation matrix receiver and 2) the planes defined by the reflected radiation beams directed to the reflecting element for two reflecting elements mounted on the same orientation sensor, were not parallel. The angular errors of orientation sensors and angle sensors do not exceed a few angular seconds.

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 пучки излучения, отраженные от отражающих элементов, попадают в определенные места матричных приемников излучения. Изменение положения датчика ориентации относительно основания устройства приводит к смещению положения отраженного пучка излучения на матричном приемнике в общем случае одновременно в двух направлениях - вдоль строк и вдоль столбцов матрицы. Смещение положения пучков излучения на приемниках двух двумерных датчиков измерения угла, отражательные элементы которых установлены на определенном датчике ориентации, позволяют определить (малые) изменения углов Эйлера этого датчика ориентации.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 radiation beams reflected from the reflecting elements fall into certain places of the matrix radiation detectors. A change in the position of the orientation sensor relative to the base of the device leads to a shift in the position of the reflected radiation beam at the matrix receiver in the general case simultaneously in two directions - along the rows and along the columns of the matrix. The shift of the position of the radiation beams at the receivers of two two-dimensional angle measurement sensors, the reflective elements of which are mounted on a specific orientation sensor, make it possible to determine (small) changes in the Euler angles of this orientation sensor.

Начальные значения углов Эйлера для каждого датчика ориентации и исходные положение пучков излучения на матричных приемников всех датчиков измерения углов определяются в ходе предполетных калибровок устройства и запоминаются в блоке обработки данных. Коэффициенты перехода от смещений положений пучков на матричных приемниках излучения к поправкам углов Эйлера вычисляются исходя из взаимного расположения элементов датчиков измерения углов 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 position of the radiation beams on the matrix receivers of all angle measurement sensors are determined during the pre-flight calibrations of the device and stored in the data processing unit. The transition coefficients from the displacements of the beam positions on the matrix radiation detectors to the Euler angle corrections are calculated based on the relative position of the elements of the angle measurement sensors on the basis of the device and on the orientation sensors (i.e., based on the device design), are refined during pre-flight device calibrations, and also stored in the data processing unit.

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 положения установленных на них отражающих элементов, что приводит к смещению положений отраженных пучков излучения на матричных приемниках излучения. Показания со всех датчиков измерения углов, состоящих в величинах смещений положений пучков излучения вдоль строк и вдоль столбцов матричных приемников излучения, и с трех звездных датчиков и с датчика направления на Солнце измеряют (снимают) 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 positions of the sensors, the positions of the reflecting elements mounted on them change, which leads to a shift in the positions of the reflected radiation beams on the matrix radiation detectors. The readings from all angle measuring sensors, consisting of the displacements of the positions of the radiation beams along the rows and along the columns of the matrix radiation detectors, and from three star sensors and from the direction sensor to the Sun, are measured (taken) and transmitted to the data processing unit.

Затем, по этим смещениям 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 звездного датчика ориентации по его углам Эйлера вычисляется матрица трехмерного поворота Pi, переводящая оси конструкционной системы координат датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где i=1, 2 или 3 - номер звездного датчика ориентации. Для датчика направления на Солнце по его углам Эйлера вычисляется матрица трехмерного поворота R, переводящая оси конструкционной системы координат датчика в оси конструкционной системы координат устройства.Then, based on these offsets, 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 stellar orientation sensor, a three-dimensional rotation matrix Pi 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 i = 1, 2, or 3 is the number of the stellar orientation sensor. For a direction sensor to the Sun, a three-dimensional rotation matrix R 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.

В свою очередь, показания каждого из звездных датчиков преобразуются в матрицу трехмерного поворота Si, переводящего оси конструкционной системы координат звездного датчика в оси инерциальной системы координат, а погрешности показаний - в погрешности σi матрицы трехмерного поворота Si.In turn, the readings of each of the stellar sensors are converted into a three-dimensional rotation matrix Si, which translates the axes of the structural coordinate system of the stellar sensor into the axis of the inertial coordinate system, and the error of readings is the error σi of the three-dimensional rotation matrix Si.

Показания датчика направления на Солнце преобразуются в единичный вектор V направления на Солнце в конструкционной системе координат датчика. Затем определяется единичный вектор направления на Солнце U в системе конструкционных координат устройства путем перемножения вектора V и матрицы R по формуле U=R×V.The readings of the direction sensor on the Sun are converted into a unit vector V of the direction on the Sun in the structural coordinate system of the sensor. Then, the unit direction vector to the Sun U is determined in the structural coordinate system of the device by multiplying the vector V and the matrix R using the formula U = R × V.

Затем выполняется вычисление матрицы трехмерного поворота Q, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси инерциальной системы координат по формулеThen, the matrix of the three-dimensional rotation Q, which translates the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the inertial coordinate system, is calculated by the formula

Figure 00000009
Figure 00000009

После вычисления матрицы Q производятся следующие действия:After calculating the matrix Q, the following actions are performed:

- получение вектора направления на Солнце в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата О по формуле- obtaining the direction vector to the Sun in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft O according to the formula

О=K×U.O = K × U.

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;

- получение вектора направления на Солнце в инерциальной системе координат устройства Е по формуле- getting the direction vector to the Sun in the inertial coordinate system of device E according to the formula

Е=Q×U;E = Q × U;

- получение ориентации космического или летательного аппарата относительно инерциальной системы координат в форме матрицы А, по формуле:- obtaining the orientation of the spacecraft or aircraft relative to the inertial coordinate system in the form of matrix A, by the formula:

A=K×Q.A = K × Q.

После завершения этих действий блок обработки данных передает матрицу А и вектора О и Е в блок управления космического или летательного аппарата.After completing these steps, the data processing unit transmits the matrix A and the vectors O and E 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 звездных датчиков, датчика 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 simulation, it will be necessary to develop a virtual model of the device for determining orientation as a whole, as well as its constituent star sensors, a direction sensor 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 именно три имитатора звездного неба и один имитатор Солнца.The laboratory test bench includes simulators of space objects used as landmarks, namely three simulators of the starry sky and one simulator of the Sun.

Имитатор звездного неба представляет собой компьютерный экран (LCD или светодиодный) на который с помощью управляющего компьютера выводится изображение фрагмента звездного неба и проецирующей оптической системы. Размеры фрагмента несколько превышают поле зрения звездного датчика. Оптическая система и экран устанавливаются вдоль оси визирования звездного датчика. Проецирующая система устанавливается так, чтобы резкое изображение неба на экране располагалось на бесконечности. Фрагменты звездного неба, выводимые на экраны, должны соответствовать взаимному положению оптических осей звездных датчиков. Имитация поворота устройства определения ориентации относительно звездного неба (т.е. относительно инерциальной системы координат) осуществляется путем изменения изображений на экранах без реального поворота устройства и перемещения имитаторов звездного неба на стенде.The starry sky simulator is a computer screen (LCD or LED) on which, using a control computer, an image of a fragment of the starry sky and a projecting optical system is displayed. The dimensions of the fragment slightly exceed the field of view of the stellar sensor. The optical system and the screen are installed along the axis of sight of the stellar sensor. The projection system is set so that the sharp image of the sky on the screen is located at infinity. Fragments of the starry sky displayed on the screens should correspond to the relative position of the optical axes of the stellar sensors. Simulation of the rotation of the device for determining the orientation relative to the starry sky (i.e., relative to the inertial coordinate system) is carried out by changing the images on the screens without real rotation of the device and moving the simulators of the starry sky on the stand.

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 звездных датчика ориентации, один датчик направления на Солнце, шесть двумерных датчиков измерения угла (по два на каждый из датчиков ориентации) и блок обработки данных. Макет был собран на оптическом столе, который играл роль основания устройства. На этом же столе были установлены два имитатора звездного неба и имитатор Солнца. Измерения показали, что случайные погрешности звездных датчиков составляют 3 угловые секунды, погрешность датчика направления на Солнце - 5 угловых секунд, а взаимная ориентация этих приборов в ненагруженном состоянии сохраняется с погрешностью 1 угловая секунда, которая равна погрешности двумерных датчиков измерения углов. В результате в ненагруженном состоянии случайная погрешность определения ориентации устройства в целом относительно инерциальной системы координат составила 3,2 угловых секунды, а направления на Солнце относительно инерциальной системы координат - 6 угловых секунд.A laboratory model of an orientation determination device was assembled, which included two stellar orientation sensors, one direction sensor to the Sun, six two-dimensional angle sensors (two for each of the orientation sensors) and a data processing unit. The layout was assembled on an optical table, which played the role of the base of the device. Two simulators of the starry sky and a simulator of the Sun were installed on the same table. The measurements showed that the random errors of stellar sensors are 3 arc seconds, the error of the direction sensor on the Sun is 5 arc seconds, and the relative orientation of these devices in the unloaded state is preserved with an error of 1 arc second, which is equal to the error of two-dimensional angle measurement sensors. As a result, in the unloaded state, the random error in determining the orientation of the device as a whole relative to the inertial coordinate system was 3.2 arc seconds, and the direction to the Sun relative to the inertial coordinate system 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 углов средняя погрешность определения ориентации устройства в целом относительно инерциальной системы координат составила 16 угловых секунды, а направления на Солнце относительно инерциальной системы координат - 17 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 the angle measurement sensors, the average error in determining the orientation of the device as a whole relative to the inertial coordinate system was 16 arc seconds, and the direction to the Sun relative to the inertial coordinate system was 17 arc seconds.

При учете показаний датчиков измерения углов по способу, предложенному в настоящем изобретении, погрешность определения ориентации устройства в целом относительно инерциальной системы координат уменьшилась до 3,8 угловых секунды, а направления на Солнце относительно инерциальной системы координат - до 6,5 угловых секунд, что позволяет сделать вывод о достижении технического результата.When taking into account the readings of angle measurement sensors according to the method proposed in the present invention, the error in determining the orientation of the device as a whole relative to the inertial coordinate system decreased to 3.8 arc seconds, and the direction to the Sun relative to the inertial coordinate system to 6.5 arc seconds, which allows to conclude that a technical result has been achieved.

Claims (32)

1. Устройство определения ориентации космических или летательных аппаратов, содержащее основание, по меньшей мере один датчик определения ориентации относительно инерциальной системы координат и по меньшей мере один датчик определения ориентации относительно астрономических объектов, расположенные на основании, а также взятые на каждый датчик определения ориентации по меньшей мере три одномерных датчика измерения углов, или по меньшей мере два двумерных датчика измерения углов, или комбинацию из по меньшей мере одного одномерного и по меньшей мере одного двумерного датчиков измерения углов, и блок обработки полученных данных с упомянутых датчиков, при этом датчики измерения углов включают источник излучения, приемник излучения и отражающий элемент, причём источник излучения и приемник излучения установлены на основании устройства или на одном из датчиков определения ориентации, а отражающий элемент установлен на одном из датчиков определения ориентации с обеспечением приема пучка излучения от отражающего элемента, при этом источник излучения, приемник излучения и отражающий элемент датчиков измерения углов установлены с обеспечением отсутствия параллельности плоскостей, определяемых падающим и отраженным пучками излучения.1. A device for determining the orientation of spacecraft or aircraft, comprising a base, at least one sensor for determining orientation relative to an inertial coordinate system and at least one sensor for determining orientation with respect to astronomical objects located on the base, as well as at least one sensor for determining orientation at least three one-dimensional angle measurement sensors, or at least two two-dimensional angle measurement sensors, or a combination of at least one one-dimensional and at least one two-dimensional angle measurement sensors, and a processing unit for receiving data from said sensors, wherein the angle measurement sensors include a radiation source, a radiation receiver and a reflective element, the radiation source and the radiation receiver being installed on the basis of the device or on one of the orientation determination sensors and the reflecting element is mounted on one of the sensors for determining the orientation with the reception of the radiation beam from the reflecting element, while the radiation source, the radiation receiver and a reflective element angle measurement sensors mounted with ensuring a lack of parallelism of the planes defined by the incident and reflected radiation beams. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик определения ориентации относительно астрономических объектов представляет собой датчик направления на Солнце и/или датчик направления на центр Земли.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. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик измерения углов представляет собой оптический, или электромеханический, или интерференционный датчик.3. The device according to claim 1, characterized in that the angle measurement sensor is an optical, or electromechanical, or interference sensor. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик определения ориентации относительно инерциальной системы координат представляет собой гироскопический и/или звездный датчик.4. The device according to p. 1, characterized in that the sensor determines the orientation relative to the inertial coordinate system is a gyroscopic and / or star sensor. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит три датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат, один датчик относительно астрономических объектов и восемь двумерных или двенадцать одномерных датчиков измерения углов.5. The device according to p. 1, characterized in that it contains three sensors for determining orientation relative to the inertial coordinate system, one sensor for astronomical objects and eight two-dimensional or twelve one-dimensional angle measurement sensors. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчики измерения углов выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства.6. The device according to p. 1, characterized in that the angle measurement sensors are configured to measure angles between the orientation sensors and the base of the device. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере три одномерных датчика измерения углов, или по меньшей мере два двумерных датчика измерения углов, или по меньшей мере один одномерный и по меньшей мере один двумерный датчики измерения углов выполнены с возможностью измерения углов между датчиками ориентации и основанием устройства, а остальные выполнены с возможностью измерения углов между разными датчиками определения ориентации.7. The device according to claim 1, characterized in that at least three one-dimensional sensors for measuring angles, or at least two two-dimensional sensors for measuring angles, or at least one one-dimensional and at least one two-dimensional sensors for measuring angles the angles between the orientation sensors and the base of the device, and the rest are made with the possibility of measuring angles between different sensors to determine the orientation. 8. Способ определения ориентации космических или летательных аппаратов с использованием устройства по п.1, включающий8. A method for determining the orientation of spacecraft or aircraft using the device according to claim 1, including - измерение и передачу показаний датчиков определения ориентации и датчиков измерения углов в блок обработки данных;- measuring and transmitting readings of orientation sensors and angle measurement sensors to a data processing unit; - определение значений углов ориентации датчиков определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства на основе показаний датчиков измерения углов, установленных на каждом датчике определения ориентации;- determination of the orientation angle values of the orientation determining sensors relative to the structural coordinate system of the device based on the readings of the angle measurement sensors installed on each orientation determination sensor; - преобразование полученных значений углов для датчиков определения ориентации относительно инерциальной системы координат в матрицу трехмерного поворота Pi, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где i - номер датчика ориентации;- converting the obtained angle values for the sensors for determining the orientation relative to the inertial coordinate system into a three-dimensional rotation matrix P i , translating the axis of the structural coordinate system of the corresponding sensor in the axis of the structural coordinate system of the device, where i is the number of the orientation sensor; - преобразование полученных значений углов для датчиков определения ориентации относительно астрономических объектов в матрицу трехмерного поворота Rj, переводящего оси конструкционной системы координат соответствующего датчика в оси конструкционной системы координат устройства, где j - номер датчика ориентации и номер соответствующего объекта;- converting the obtained angle values for the sensors for determining the orientation relative to astronomical objects into a three-dimensional rotation matrix R j , translating 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 object; - преобразование показаний датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат в матрицу трехмерного поворота Si, переводящего оси конструкционной системы координат датчика определения ориентации в оси инерциальной системы координат, а погрешности показаний датчика определения ориентации относительно инерциальной системы координат в погрешности σi матрицы трехмерного поворота Si;- converting the readings of the sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system into a three-dimensional rotation matrix S i , translating the axis of the structural coordinate system of the sensor for determining the orientation in the axis of the inertial coordinate system, and the error in the readings of the sensor for determining the orientation relative to the inertial coordinate system in the error σ i of the three-dimensional rotation matrix S i ; - преобразование показаний каждого датчика определения ориентации относительно астрономических объектов в единичный вектор направления на объект в конструкционной системе координат датчика Vj, где j - номер датчика определения ориентации и номер соответствующего космического объекта;- conversion of the readings of each 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 space object; - определение ориентации устройства путем получения векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат устройства Uj по формуле Uj=Rj×Vj;- 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 ; - вычисление матрицы трехмерного поворота Q, переводящего оси конструкционной системы координат устройства в оси инерциальной системы координат; - calculation of the matrix of three-dimensional rotation Q, translating the axis of the structural coordinate system of the device in the axis of the inertial coordinate system; - получение векторов направлений на астрономические объекты в конструкционной системе координат космического или летательного аппарата Oj, по формуле- obtaining direction vectors for astronomical objects in the structural coordinate system of a spacecraft or aircraft O j , according to the formula Oj=К×Uj,O j = K × U j , 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 a space or aircraft; - получение векторов направлений на астрономические космические объекты в инерциальной системе координат устройства Ej по формуле- obtaining direction vectors for astronomical space objects in the inertial coordinate system of the device E j according to the formula Ej=Q×Uj;E j = Q × U j ; - получение ориентации космического или летательного аппарата относительно инерциальной системы координат в форме матрицы A по формуле- obtaining the orientation of the spacecraft or aircraft relative to the inertial coordinate system in the form of matrix A according to the formula A=K×Q.A = K × Q. 9. Способ определения ориентации космических и летательных аппаратов по п.8, отличающийся тем, что матрицу Q вычисляют по формуле9. The method for determining the orientation of spacecraft and aircraft according to claim 8, characterized in that the matrix Q is calculated by the formula
Figure 00000010
Figure 00000010
где N - число датчиков определения ориентации относительно инерциальной системы координат в устройстве.where N is the number of sensors for determining the orientation relative to the inertial coordinate system in the device. 10. Способ определения ориентации космических и летательных аппаратов по п.8, отличающийся тем, что матрицу Q вычисляют по формуле10. The method for determining the orientation of spacecraft and aircraft according to claim 8, characterized in that the matrix Q is calculated by the formula
Figure 00000011
,
Figure 00000011
,
где N - число датчиков определения ориентации относительно инерциальной системы координат в устройстве.where N is the number of sensors for determining the orientation relative to the inertial coordinate system in the device. 11. Способ определения ориентации космических и летательных аппаратов по п.8, отличающийся тем, что матрицу Q вычисляют с помощью калмановской фильтрации.11. The method for determining the orientation of spacecraft and aircraft according to claim 8, characterized in that the matrix Q is calculated using Kalman filtering. 12. Способ определения ориентации космических и летательных аппаратов по п.8, отличающийся тем, что матрицу Q вычисляют на основе метода «data fusion».12. The method for determining the orientation of spacecraft and aircraft according to claim 8, characterized in that the matrix Q is calculated based on the data fusion method. 13. Способ определения ориентации космических и летательных аппаратов по п.8, отличающийся тем, что при использовании устройства по п.7 определение значений углов ориентации каждого датчика определения ориентации относительно конструкционной системы координат устройства выполняют на основе показаний всех датчиков измерения углов путем решения системы линейных уравнений взаимной ориентации датчиков определения ориентации и устройства.13. The method for determining the orientation of spacecraft and aircraft according to claim 8, characterized in that when using the device according to claim 7, the determination of the orientation angles of each orientation determination sensor relative to the structural coordinate system of the device is performed based on the readings of all angle measurement sensors by solving a linear system mutual orientation equations of orientation sensors and devices.
RU2016105781A 2016-02-19 2016-02-19 Method and device for determining orientation of space or air crafts RU2620288C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016105781A RU2620288C1 (en) 2016-02-19 2016-02-19 Method and device for determining orientation of space or air crafts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016105781A RU2620288C1 (en) 2016-02-19 2016-02-19 Method and device for determining orientation of space or air crafts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2620288C1 true RU2620288C1 (en) 2017-05-24

Family

ID=58882626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016105781A RU2620288C1 (en) 2016-02-19 2016-02-19 Method and device for determining orientation of space or air crafts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2620288C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107144282A (en) * 2017-06-29 2017-09-08 中国科学院空间应用工程与技术中心 A kind of contactless system and method for determining object space and posture
CN107664510A (en) * 2017-08-30 2018-02-06 中国科学院上海技术物理研究所 A kind of spaceborne two-dimensional pointing mechanism angle measurement accuracy detection means and implementation method
CN113933528A (en) * 2021-08-23 2022-01-14 航天东方红卫星有限公司 Image movement speed calculation method applied to space-ground-based space debris monitoring platform
CN114326831A (en) * 2021-12-24 2022-04-12 上海卫星装备研究所 Method and system for realizing automatic collimation cubic mirror of optical auto-collimation measuring system
RU2813764C1 (en) * 2023-11-20 2024-02-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) Interference element, solar sensor based on it, and method for determining direction vector to sun

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6272432B1 (en) * 1999-05-10 2001-08-07 Hughes Electronics Corporation System and method for correcting star tracker low spatial frequency error in stellar-inertial attitude determination systems
US20050192768A1 (en) * 2004-03-01 2005-09-01 Microsoft Corporation System and method for improving the precision of localization estimates
RU2005120149A (en) * 2002-11-26 2006-01-27 Соларен Корпорейшн (Us) SPACE ENERGY SYSTEM
US20080163504A1 (en) * 2007-01-05 2008-07-10 Smith John E Apparatus and methods for locating and identifying remote objects
US7558688B2 (en) * 2007-04-20 2009-07-07 Northrop Grumman Corporation Angle calibration of long baseline antennas
MX2013014689A (en) * 2013-12-03 2015-06-03 Univ De Sonora Method for the dynamic compensation of drift in heliostats.

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6272432B1 (en) * 1999-05-10 2001-08-07 Hughes Electronics Corporation System and method for correcting star tracker low spatial frequency error in stellar-inertial attitude determination systems
RU2005120149A (en) * 2002-11-26 2006-01-27 Соларен Корпорейшн (Us) SPACE ENERGY SYSTEM
US20050192768A1 (en) * 2004-03-01 2005-09-01 Microsoft Corporation System and method for improving the precision of localization estimates
US20080163504A1 (en) * 2007-01-05 2008-07-10 Smith John E Apparatus and methods for locating and identifying remote objects
US7558688B2 (en) * 2007-04-20 2009-07-07 Northrop Grumman Corporation Angle calibration of long baseline antennas
MX2013014689A (en) * 2013-12-03 2015-06-03 Univ De Sonora Method for the dynamic compensation of drift in heliostats.

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107144282A (en) * 2017-06-29 2017-09-08 中国科学院空间应用工程与技术中心 A kind of contactless system and method for determining object space and posture
CN107664510A (en) * 2017-08-30 2018-02-06 中国科学院上海技术物理研究所 A kind of spaceborne two-dimensional pointing mechanism angle measurement accuracy detection means and implementation method
CN107664510B (en) * 2017-08-30 2023-05-05 中国科学院上海技术物理研究所 Device for detecting angle measurement precision of satellite-borne two-dimensional pointing mechanism and implementation method
CN113933528A (en) * 2021-08-23 2022-01-14 航天东方红卫星有限公司 Image movement speed calculation method applied to space-ground-based space debris monitoring platform
CN113933528B (en) * 2021-08-23 2023-07-14 航天东方红卫星有限公司 Image shift speed calculation method applied to space debris monitoring platform of space foundation
CN114326831A (en) * 2021-12-24 2022-04-12 上海卫星装备研究所 Method and system for realizing automatic collimation cubic mirror of optical auto-collimation measuring system
CN114326831B (en) * 2021-12-24 2024-03-29 上海卫星装备研究所 Method and system for realizing automatic collimation cube of optical auto-collimation measurement system
RU2813764C1 (en) * 2023-11-20 2024-02-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) Interference element, solar sensor based on it, and method for determining direction vector to sun

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Biezad Integrated navigation and guidance systems
RU2620288C1 (en) Method and device for determining orientation of space or air crafts
CN102116641B (en) Semi-physical simulation testing system and method for deep space autonomous navigation star sensor
KR20060127976A (en) Gyroscopic system for boresighting equipment
RU2454631C1 (en) Method for autonomous navigation and orientation of spacecraft based on virtual measurements of zenith distances of stars
RU2318188C1 (en) Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts
CN108548542A (en) A kind of LEO based on atmospheric drag acceleration analysis determines method
Ivanov et al. Methods for the vibration determination and parameter identification of spacecraft with flexible structures
RU2620854C1 (en) Method for determining orientation of space or air crafts and device for its implementation
Kelley et al. Integrated inertial network
Bae et al. Performance of ICESat‐2 precision pointing determination
RU2723199C1 (en) Method and system for determining orientation of spacecraft in space with autonomous correction of light aberration effect
CN109581523B (en) Method and system for calibrating accelerometer by satellite tracking satellite device
Ruel et al. 3DLASSO: Real-time pose estimation from 3D data for autonomous satellite servicing
CN102607563B (en) System for performing relative navigation on spacecraft based on background astronomical information
Ma et al. Autonomous navigation of Mars probes by single X-ray pulsar measurement and optical data of viewing Martian moons
RU2620448C1 (en) Method and device for determining orientation of space or air crafts
Enright et al. On-orbit star tracker recalibration: A case study
RU2620853C1 (en) Method and device (versions) for determining orientation of space or air crafts
Shirenin et al. Development of a high-precision selenodetic coordinate system for the physical surface of the Moon based on LED beacons on its surface
Liebe et al. Spacecraft hazard avoidance utilizing structured light
RU2745364C1 (en) Satellite gravity gradiometry method
RU2620149C1 (en) Method and device (versions) for determining orientation of space or air crafts
Dionne Improving autonomous optical navigation for small body exploration using range measurement
Bae et al. Precision attitude determination (PAD)