RU2817003C1 - Способ калибровки датчика микроускорений в космическом полете - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к космической технике. Способ калибровки датчика микроускорений в космическом полете содержит этапы, на которых измеряют и фиксируют расстояние между чувствительным элементом датчика и центром масс датчика микроускорений, определяют и фиксируют прогнозируемое значение угловой скорости датчика микроускорений, соответствующее калибруемому уровню микроускорений, осуществляют запуск датчика микроускорений с фиксированным прогнозируемым значением угловой скорости внутри объема космического аппарата с известными параметрами движения, регистрируют движение датчика микроускорений и определяют его угловую скорость и угловое ускорение по перемещению реперных линий, нанесенных на датчик микроускорений, определяют калибровочное значение микроускорения и, сравнивая калибровочное значение микроускорения и измеренное значение, определяют погрешность в измерениях датчика микроускорений. Технический результат – повышение точности калибровки.

Description

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при определении погрешности датчика микроускорений на космическом аппарате (КА).

Для измерения ускорений используются специальные датчики и приборы - акселерометры. В процессе их использования вследствие различных причин происходит ухудшение точности измерений и появляется необходимость установления величины погрешности прибора, т.е. его калибровка. Такая задача возникает и перед началом использования прибора.

Известен способ калибровки акселерометров, реализуемый устройством для создания нормированных ускорений при поверке акселерометров: патент RU 2393488 с 1 по заявке 20091127 07/28 от 06.04.2009. Данный способ не применим в космическом полете, где возникают и измеряются малые ускорения ~10^-3-10^-11g, где g=9.8^м/c² (М.Ю.Беляев. «Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях», М., «Машиностроение», 1984). Их точное измерение является весьма сложной технической задачей и для ее решения используются различные датчики микроускорений (Д.М.Климов, В.И.Полежаев, М.Ю.Беляев, А.И.Иванов, С.Б.Рябуха, В.В.Сазонов. «Проблемы и перспективы использования невесомости в экспериментах на орбитальных станциях». РКТ, серия 12, выпуск 1-2, 2011).

Известен другой способ калибровки датчика в космическом полете, основанный на сравнении измерений с калиброванными значениями и определении погрешностей в измерениях датчика (Способ тарировки датчика микроускорений в космическом полете. Патент на изобретение RU 2583882 С1, 10.05.2016. Заявка №20141424 25/28 от 21.10.2014). В данном способе, взятом автором за прототип, калиброванные значения микроускорений получаются по измерениям угловой скорости, углового ускорения космического аппарата (КА) и орбиты КА.

В процессе полета возникают неизбежные погрешности в показаниях используемых датчиков и появляется необходимость выполнения их калибровки. Известные способы, включая способ-прототип, не позволяют решить задачу калибровки датчиков микроускорений в космическом полете. Недостаток прототипа связан с тем обстоятельством, что в нем при определении калиброванного значения микроускорений не учитываются микровозмущения, возникающие на КА из-за работы бортовых систем и действий экипажа КА. Кроме того, определение микроускорения за счет воздействия на КА атмосферы не является точным из-за неизбежных ошибок в значении определяемой плотности атмосферы. Следует также отметить, что значение микроускорения за счет воздействия атмосферы может значительно превышать калибруемые значения датчика микроускорения, что не позволит выполнять калибровку датчика.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является парирование источников неучитываемых возмущений при определении погрешностей датчика микроускорений в космическом полете, что позволяет повысить точность калибровки, и произвести калибровку, если значения парируемых возмущений превышают чувствительность калибруемого датчика микроускорений.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе калибровки датчика микроускорений в космическом полете, включающем сравнение измерений с калиброванными значениями и определение погрешностей в измерениях датчика микроускорений, измеряют и фиксируют расстояниемежду чувствительным элементом датчика и центром масс датчика микроускорений, снабженного встроенными источником питания и устройством записи измерений, определяют и фиксируют прогнозируемое значение угловой скорости датчика микроускорений, соответствующее калибруемому уровню микроускорений, осуществляют запуск датчика микроускорений с фиксированным прогнозируемым значением угловой скорости внутри объема космического аппарата с известными параметрами движения, регистрируют движение датчика микроускорений с помощью регистрирующей фотовидеоаппаратуры и определяют его угловую скоростьи угловое ускорение по перемещению реперных линий, нанесенных на датчик микроускорений, определяют калибровочное значение микроускорения по соотношению:

где

μ_е -гравитационный параметр Земли;

r - расстояние от центра Земли до центра масс датчика микроускорений,

и, сравнивая калибровочное значение микроускорения и измеренное значение, определяют погрешность в измерениях датчика микроускорений.

За счет выполнения предлагаемых действий возможна калибровка датчика микроускорений в космическом полете. Главная проблема в выполнении калибровки на КА заключается в создании калиброванных значений микроускорений малой величины (до 10^-10g). В предлагаемом способе калиброванные значения микроускорений создаются за счет отличительных действий способа, приводящих, в том числе, к движению датчика микроускорений внутри корпуса КА. При этом бортовые системы, экипаж и внешняя атмосфера не действуют на датчик микроускорений. Для анализа процессов, происходящих в аппаратуре космических экспериментов по микрогравитации, главным образом необходимо знать квазипостоянные величины микроускорений. Квазипостоянные значения микроускорений обусловлены вращением КА вокруг центра масс, неоднородностью гравитационного поля в пределах конструкции КА и действием на КА сопротивления атмосферы. Причем, если значения микроускорений, обусловленные вращением КА и неоднородностью гравитационного поля в пределах конструкции КА можно регулировать путем управления ориентацией КА вплоть до обеспечения их значений требуемому минимальному уровню, то снизить значения микроускорений за счет сопротивления атмосферы ниже определенного уровня не представляется возможным. Предложенный способ дает возможность исключить влияние работы бортовых систем, действий экипажа КА, а также сопротивления атмосферы на датчик микроускорений и, благодаря этому выполнить его калибровку в космическом полете КА. Измеряя угловую скорость и угловое ускорение КА можно для заданного вектором положения датчика микроускорений точно определить составляющую калиброванного значения микроускорений за счет вращения КА вокруг центра масс. Измерив угловое положение КА, можно точно определить составляющую, возникающую за счет неоднородности гравитационного поля в пределах конструкции КА. Сложив эти составляющие, получим калиброванное значение микроускорений. Сравнение калиброванного значения микроускорений с измеренным значением, позволит определить погрешность в измерениях датчика микроускорений.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа на КА, например, на орбитальной станции (ОС). Следует заметить, что вследствие большой разности скорости движения ОС по орбите и ее площади миделя по сравнению со скоростью движения датчика микроускорений внутри ОС и его размерами, влиянием атмосферы внутри пилотируемой станции на движение датчика микроускорений можно пренебречь. При необходимости, для исключения влияния атмосферы внутри КА на движение датчика микроускорений, можно использовать на ОС прозрачный герметичный корпус, откачав из него воздух. Для измерения микроускорений на КА могут использоваться датчики типа ИМУ, ИМУ-Ц, MAMS и др. В составе датчика микроускорений может быть размещено устройство записи измерений и источник питания, что предусматривается сделать для измерителей микроускорений на ОС. Регистрация движения датчика микроускорений и определение его угловой скорости могут осуществляться с помощью имеющейся фото-видеоаппаратуры. С этой целью используются широко известные методы технического зрения, позволяющие определить по фото и видеоинформации параметры движения датчика микроускорений. Для удобства определения угловой скорости на датчик наносятся реперные линии. При определении движения самого датчика микроускорений внутри КА может размещаться специальный экран с нанесенной сеткой. Причем регистрирующая аппаратура может быть установлена в нескольких точках (позициях). Начальное положение датчика микроускорений внутри КА определяется и обеспечивается с помощью стандартных измерителей положения. Для определения углового положения КА могут использоваться датчики ориентации: солнечный датчик, звездный датчик, магнитометр и т.д. Подобные приборы используются, например, на орбитальных станциях. Для определения орбиты КА могут использоваться высокоточные измерения радиоконтроля орбиты, или измерения спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Приемники GPS и ГЛОНАСС уже установлены, например, на ОС. Для выполнения расчетов прогнозируемого значения угловой скорости датчика микроускорений, соответствующего калибруемому уровню микроускорений, и сравнения калибровочных значений микроускорений с измеренными могут использоваться вычислительные средства орбитальной станции.

Claims (6)

1. Способ калибровки датчика микроускорений в космическом полете, включающий сравнение измерений с калиброванными значениями и определение погрешностей в измерениях датчика микроускорений, отличающийся тем, что измеряют и фиксируют расстояниемежду чувствительным элементом датчика и центром масс датчика микроускорений, снабженного встроенными источником питания и устройством регистрации измерений, определяют и фиксируют прогнозируемое значение угловой скорости датчика микроускорений, соответствующее калибруемому уровню микроускорений, осуществляют запуск датчика микроускорений с фиксированным прогнозируемым значением угловой скорости внутри объема космического аппарата с известными параметрами движения, регистрируют движение датчика микроускорений с помощью регистрирующей фотовидеоаппаратуры и определяют его угловую скоростьи угловое ускорение по перемещению реперных линий, нанесенных на датчик микроускорений, определяют калибровочное значение микроускорения датчика микроускорений по соотношению:
3. где
4. μ_е - гравитационный параметр Земли;
5. r - расстояние от центра Земли до центра масс датчика микроускорений,
6. и, сравнивая калибровочное значение микроускорения и измеренное значение, определяют погрешность в измерениях датчика микроускорений.