close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОСТАЦИОНАРНЫМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ С НЕПОЛНЫМ ВЕКТОРОМ ИЗМЕРЕНИЙ, НАПРИМЕР, БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ УГЛОВЫХ СКОРОСТЯХ

код для вставкиСкачать
На стр.8 в формуле (В3) следует читать: r сверху с волной = интеграл от 0 до t (dr сверху с волной /dt)dt На стр.14 в 11 строке сверху следует читать p с "волной" вместо р с "крышкой". В данной работе приведено описание алгоритмов управл
 АЛГОРИТМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
ГЕОСТАЦИОНАРНЫМ КОС
МИЧЕСКИМ АППАРАТОМ С НЕПОЛНЫМ ВЕКТОРОМ ИЗМЕРЕНИЙ
,
НАПРИМЕР
,
БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И
ЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОР
МАЦИИ ОБ УГЛОВЫХ СКОРО
СТЯХ
Посвящается 40
-
летию запуска первого в мире ИСЗ
.
Мельников В.
Н
. ©
“ 4 ” октября 1997 г.
г. Москва
1997 г.
2
Аннотация
П
редлагаемая
работа
посвящен
а
рассмотрению возможностей парирования нештатных ситуаций в системах управления движением (
СУД
)
космических аппаратов (
КА
)
при отказе двух и
ли более измерительных каналов четырехканального гироскопического измерителя вектора угловой скорости (
ГИВУС
)
.
Алгоритмы, приведенные в работе
,
могут использ
оваться
при разработке программного обеспечения (
ПО
)
СУДН КА типа «Экспресс
-
М», «
Ямал
-
100
-
400», «К
азСат»
и др.
При отказе измерительных каналов ГИВУС в процессе эксплуатации КА
, использующего при управлении четырехканальный ГИВУС,
возможно проведение перепрошивки ПО бортовой цифровой вычислительной системы (Б
Ц
ВС) по командной радиолинии (КРЛ) и продолж
ение эксплуатации СУД КА при неполном векторе измерительной информации.
Предлагаемые алгоритмы можно использовать для построения бескарданной измерительной системы ориентации (БИСО) на основе дискретной измерительной информации
,
в частности, измерений угло
вого положения КА с частотой менее 0,1 Гц. При этом, по измеренной угловой информации БИСО может формировать информацию о текущей угловой скорости КА, матрицу
/
кватернион текущей ориентации без использования прямого измерения вектора угловой скорости
КА.
3
С
одержание
Аннотация
2
Реферат 4
Введение 5
B
1 Принцип построения корректируемой системы управления на примере
одноканальной системы ориентации космического аппарата 7
1. Алгоритмы бортовой системы управления 11
1
.1. Уравнения ошибок
11
1.2. Корректируемые кинематические уравнения углового
движения КА относительно орбитальной системы координат (ОСК)
11
1.3. Угловые скорости коррекции
13
1.4. Корректируемые динамические уравнений углового дви
жения КА
1
4
1.5. Моменты коррекции динамических уравнений
1
5
1.6. Оценка кинетического момента инерционных
исполнительных органов
1
7
1.7. Управление исполнительными органами
20
1.8. Управление разгрузкой кинетического момента
22
2. Модель углового движения КА
2
7
2.1. Модель кинематики углового движения КА
2
7
2.2. Модель динамики углового движения КА
29
2.3. Модель управления инерционными исполнительными
органами –
маховиками
3
0
2.4. Модель формирования сигнал
ов измерений прибора ИКВ
256К
29
3. Результаты численного моделирования
3
5
3.1.Управление по измерениям углов крена и тангажа
без использования информации с ГИВУС
3
5
3.2.Управление по измерениям углов крена, тангажа и рыскания
без использования
информации с ГИВУС
3
8
3.3.Управление по измерениям углов крена, тангажа и рыскания
без использования информации с ГИВУС при проведении
коррекции орбиты с использованием тяговых модулей
4
0
3.4. Управление по измерениям углов крена,
тангажа с исп
ользованием
информации от ГИВУС
4
1
3.5. Управление по измерительной информации от одного
прибора ИКВ 256К с использованием информации с ГИВУС
4
3
4. Вопросы по доработке штатного программного обеспечения и программы
полета в части введения алгоритмов управления
СУД без информации
об угловой скорости 4
5
Заключение
4
6
Литература 4
8
4
Реферат
©
Мельников В.Н. Алгоритмы управления геостационарным космическим аппаратом с неполным вектором измерений, например, без использования измерительной информации об угловых скоростях:
-
М., 1997 г.
-
4
8
л., 13
иллюстраций.
В данной работе приведено описание алгоритмов управления системы управления угловым движением (СУД) космического аппарата (КА) на геостационарной орбите (ГС
О).
Приводятся результаты численного моделирования с использованием разработанных алгоритмов, делается вывод о полном подтверждении работоспособности разработанных алгоритмов.
Предлагаемое построение СУД позволяет повысить надежность функционирования КА св
язи на ГСО за счет обеспечения выполнения следующих задач управления:
*
трехосная ориентация КА относительно орбитальной системы координат (ОСК) без использования измерительной информации с гироскопического измерителя вектора угловой скорости (ГИВУС) при нал
ичии угловых измерений по каналам крена, тангажа
*
трехосная ориентация КА относительно ОСК без ограничений на величину смещения кинетического момента маховиков при наличии угловых измерений по каналам крена, тангажа, рыскания с дискретностью обновления угло
вой информации до 10…12 с
*
трехосная ориентации КА относительно ОСК с одновременным проведением коррекции орбиты с использованием тяговых модулей (ТМ)
*
трехосная ориентация КА относительно ОСК без ограничений на величину смещения кинетического момента махови
ков при наличии угловых измерений по каналам крена, тангажа и угловых скоростей с дискретностью обновления угловой информации до
10…12 с
*
трехосная ориентация КА относительно ОСК без ограничений на величину смещения кинетического момента маховиков при налич
ии информации только от одного прибора ИКВ 256К и измерительной информации об угловых скоростях КА.
Разработанные алгоритмы управления позволяют выполнить требования к
КА связи типа «Экспресс
-
М», «
Ямал
-
100
-
400», «КазСат
» и д
р
.
5
Введение.
Анализ отечественных и зарубежных источников информации [1]
-
[3] показывает, что поддержание трехосной ориентации в орбитальной системе координат (ОСК) без использования приборов типа ГИВУС является основным режимом управления подавляющег
о большинства отечественных и зарубежных геостационарных КА связи. Этим достигается повышение надежности, упрощение приборного состава СУД КА с длительным сроком активного существования 10...15 лет. Так например, отечественные геостационарные КА связи “Рад
уга”, “Экран” и др., разработанные в НПО “Прикладной механики” (
ОАО ИСС имени М.Ф.Решетнева, г.
Краснояск
-
26), снабжены одним дублированным измерителем угловой скорости в канале тангажа, который применяется только в начальных режимах ориентации на Солнце
и Землю [2], [3].
Целью предлагаемо
й
работы
является разработка алгоритмов управления геостационарным КА, обеспечивающих поддержание трехосной ориентации в ОСК при неполной или даже отсутствии измерительной информации об угловых скоростях. Такое построени
е управления позволяет нейтрализовать нештатные ситуации (НШС) при отказе двух или более каналов гироскопического измерителя вектора угловой скорости (ГИВУС). Использование предлагаемых ал
г
оритмо
в
упр
а
в
ления повышают
надежность, потребительские свойства и конкурентоспособность КА п
о сравнению с зарубежными и отечественными аналогами.
В р
або
т
е
максимально использован опыт разработки СУД на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) [4], [5]. Основные отличия реализации кинематического контура заключаются в дополнительном введении командно
-
информационных связей с динамическим контуром и модели корректируемых динамических уравнений. Такое построение СУД позволяет обеспечить трехосную ориентацию относительно ОСК как при полном, так и усече
нном векторе измерений. Например, дополнительно к вышеупомянутым свойствам разработанные алгоритмы управления при наличии угловых измерений по каналам крена, тангажа, рыскания, в частности, с использованием непрерывно включенных блока измерения координат Солнца (
БОКС
)
или/и блока измерений координат звезд (
БОКЗ
)
позволяют поддерживать трехосную ориентацию без ограничений на величину смещения кинетического момента маховиков с дискретностью обновления угловой информации до 10…12
с. При уменьшении дискретност
и до 3...5 секунд -
обеспечивается трехосная ориентация в режиме коррекции орбиты с помощзью реактивных двигателей (РД), в частности,
ионных реактивных тяговых модулях (ТМ). При наличии измерительной информации об угловых скоростях КА алгоритмы управления обеспечивают трехосную ориентацию КА с заданной точностью, а при наличии информации только от одного одноканального прибора инфракрасной вертикали (ИКВ) с линейным сканированием типа ИКВ 256К -
с несколько замедленными переходными процессами и худшими точн
остными характеристиками.
Численные значения коэффициентов, приведенные в отчете, обеспечивают устойчивое управление геостационарного КА как при отсутствии, так и при наличии информации об угловых скоростях с ГИВУС во всех режимах. Однако, на 6
этапе рабочег
о проектирования конкретного КА численные значения некоторых коэффициентов могут быть уточнены для улучшения характеристик СУД.
Предлагаемая структура СУД может применяться для различных по назначению КА с диапазоном высот орбит от 180 до 40000 км с соотве
тствующим изменением численных значений коэффициентов в алгоритмах управления.
В отчете использовалось традиционное расположение осей трехгранника ОСК:
“X” -
ось крена направлена по касательной к траектории орбиты против вектора линейной скорости КА (прот
ив направления полета), “Y” -
ось рыскания направлена по радиусу
-
вектору “центр Земли
-
КА” (по направлению от Земли), “Z” -
ось тангажа направлена по вектору угловой орбитальной скорости (на северный полюс орбиты).
При другом
расположени
и
осей КА, ОСК
, напр
имер
:
“X” -
ось рыскания направлена по радиусу
-
вектору “КА
-
центр Земли” (по направлению к Земле), “Y” -
ось крена направлена по вектору линейной скорости (по направлению полета), “Z” -
ось тангажа направлена против направления вектора угловой орбитальной с
корости (на южный полюс орбиты)
, -
следует учесть эти отличия при использовании
результатов данной работы
.
Результаты численного моделирования, полностью подтвердили работоспособность разработанных алгоритмов управления и выполнение требований техническог
о задания по обеспечению точностных характеристик при использовании штатного приборного состава системы управления угловым движением (СУД) геостационарного КА.
7
BI
Принцип построения корректируемой системы управления на примере одноканальной системы орие
нтации космического аппарата.
Предлагаемый алгоритм
управления обеспеч
ивает поддержание ориентации КА
при отсутствии измерительной информации ГИВУС.
Это достигается формированием корректируемых оценок угловых скорости и углов отклонения КА с последующим ис
пользованием полученных оценок для формирования управляющих воздействий
(моментов), уменьшающих измеренные ошибки по углам и угловым скоростям КА. Упомянутая коррекция выполняется с использованием средств измерений (датчиков) параметров углового движения К
А.
Для управления КА используется информация:
о длительности и величинах управляющих ускорений при работе исполнительных органов (т.е., реактивных двигателей, тяговых модулей, приводов СБ, гиромаховиков, гиродинов и т.п.),
о текущем измеренном значении век
тора кинетического момента (угловой скорости) маховичных и т.п. исполнительных органов.
Таким образом, предполагается априорное знание информации о начале, продолжительности, об окончании и величинах действующих управляющих команд на включение исполнительн
ых органов и управляющих воздействий (прогнозируемые номиналы тяг реактивных двигателей, тяговых модулей
с заданной погрешностью), координаты расположения исполнительных органов на корпусе КА, моментов инерций КА и СБ и т.п. формируемых динамическим контур
ом, для последующего расчета управляющих и возмущающих ускорений.
Такое построение управления повышает надежнос
ть СУД
. Отказ двух и более каналов ГИВУС (двух, трех или четырех каналов) компенсируются введением коррекции от оптических приборов определения углового отклонения КА. Предлагаемый алгоритм практически не требует доработок программ управления кинематического и динамического контура.
BI
.
I
. Уравнения движения.
Для пояснения на рис.
BI
.
I
приведена структурная схема системы управления угловым движени
ем КА по одному каналу, совпадающему с осью чувствительности одного из измерительных каналов ГИВУС. Блок
-
схема построена на основе нижеприведенных уравнений углового движения КА. При этом в уравнениях используются проекции угловых скоростей, ускорений, упр
авляющих воздействий на упомянутую ось чувствительности ГИВУС. Для упрощения изложения используется линейный закон формирования управляющих воздействий. То есть, управляющие моменты формируются пропорционально линейной комбинации рассогласований по углово
й скорости, углу и интегралу угла. Интеграл угла (изодромное управление) вводится для компенсации статических ошибок, возникающих, например, из
-
за отклонений истинных величин тяг, моментов от их расчетных номинальных значений, используемых в предлагаемом а
лгоритмов.
Уравнения имеют следующий вид.
8
где -
оценка (моделируемое значение) угла отклонения КА по каналу тангажа;
-
истинное значение угла отклонения КА по каналу тангажа;
-
сигнал измерения углового отклонения, формируемый в программном обеспечении (ПО) СУД по информации от одного или нескольких бортовых средств измерения углов: ИКВ 256К, БОКС, БОКЗ или угловой скорости, например, прибора ГИВУС;
-
предварительная оценка (моделируемое значение) угловой скорости КА по каналу тангажа по результатам первой коррекции;
-
оценка (моделируемое значение) угловой скорости КА по каналу тангажа;
-
истинное значение угловой скорости КА по каналу тангажа;
-
сигнал измерения угловой скорости, формируемый в программном обеспечении (ПО) СУД по информации от средства измерения угловой скорости, например, прибора
ГИВУС;
–
коэффициенты первой и второй коррекции по угловому отклонению;
-
коэффициент коррекции по угловой скорости;
–
коэффициенты пропорциональности линейного за
кона формирования управляющих ускорений КА.
9
Примечания.
1.Коррекция по угловой скорости выполняется непрерывно на каждом такте.
2.Коррекция по угловому отклонению может выполняться дискретно, например, один раз в 4…20 секунд (необходимы дополнительные ис
следования для уточнения).
3.Коррекция по угловой скорости и угловому отклонению может выполняться как одновременно так и по отдельности (в пространственном случае –
в различных сочетаниях в зависимости от исправности конкретных каналов измерения по углово
й скорости и по угловому отклонению).
4.Для устранения статической ошибки в (
B
.2) можно использовать изодромную коррекцию, то есть к коррекции по угловому отклонению добавить коррекцию по интегралу от угловой ошибки:
B
.
II
. Условия у
стойчивости.
В первом приближении полагаем равными прикладываемые и моделируемые ускорения , а также истинное и измеряемое отклонения =
.
Запишем уравнение в отклонениях в следующем виде
.
Обозначим .
Вычитаем из (
B
.
5) (
B
.
6). Получим:
.
Подставляем (
B
.2) и (
B
.3) в (
B
.4), дифференцируем и из полученного уравнения вычитаем (
B
.7). С учетом (
B
.10) получим:
.
Решением хар
актеристического уравнения
является выражение:
Условие асимптотической сходимости моделируемых и измеряемых параметров выполняется при положительных коэффициентах в (
B
.12) и отрицатель
ных вещественных частей корней характеристического уравнения (
B
.13). Отрицательность корней обеспечивается при:
10
Рис. B
.1.Структурная схема системы управления угловым движением КА по измерительной
информации от датчика угла (без использования
измерений
угловой
скорости)
11
1. Алгоритмы бортовой системы управления.
Система уравнений, реализующая алгоритмы управления КА с использованием измерительной информации только об угловом отклонении, а так
же с одновременным использованием измерений углов и угловых скоростей, имеет следующий вид.
1.1. Уравнения ошибок
(1.1)
где -
оценки (моделируемые значения) углов отклонения КА соответственно по каналам крена,
рыскания, тангажа,
-
истинные значения углов крена, рыскания, тангажа (при моделировании определяются по алгоритму, изложенному в разделе 2),
-
сигналы об угловых отклонениях по каналам крена, рыскания, тангажа, ф
ормируемые в программном обеспечении (ПО) СУД по информации от одного или нескольких бортовых средств измерения углов: ИКВ 256К, БОКЦ, БОКС, БОКЗ и т.п. и пропорциональные проекциям единичного вектора направления на центр Земли и/или Солнца и/или осей трех
гранника второй экваториальной системы координат на оси ССК КА (см. раздел 2.4.),
1.2. Корректируемые кинематические уравнения углового движения КА относительно орбитальной системы координат (ОСК)
1.2.1. Для моделирования углового движ
ения КА относительно ОСК решаются кинематические уравнения (1.2.1.1):
(1.2.1.1) 12
где -
оценка (моделируемое значение) кватерниона углового рассогласования связанной с КА системы координат (ССК) относительно ОСК,
=0,85 -
коэффициент пропорциональности для обеспечения корректировки нормы кватерниона ,
(1.2.1.2)
-
оценки (моделируемые значения) угловых скоростей КА соответственно по каналам крена, рыскания, тангажа,
-
угловые скорости коррекции соответственно по каналам крена, рыскания, танг
ажа.
1.2.2. Для определения оценок углов крена, рыскания, тангажа представим кватернион в виде произведения двух кватернионов (1.2.2.1). Произведение указанных кватернионов характеризует следующую последовательность поворотов КА от ОСК
к ССК:
первый поворот –
на угол рыскания (кватернион ,
второй и третий повороты –
на углы тангажа и крена (кватернион :
,
(1.2.2.1)
где ,
,
13
,
(1.2.2.2)
/
,
/
.
1.2.3. С учетом допущений о малости углов тангажа и крена (не более 10...15 градусов) оценки углов ориентации КА относительно ОСК с использован
ием (1.2.2.2) определяются из (1.2.3.1):
,
,
(1.2.3.1)
.
1.3. Угловые скорости коррекции.
Угловые скорости для коррекции кинематических уравнений формируются согласно выражениям (1.3.1):
(1.3.1)
где =0,00418 град/с –
моделируемая орбитальная угловая скорость,
=0,035+0,05
·
,
=0,035,
=0,75
·
(1
–
)
·
(1
–
),
= 1 (0) -
признак наличия (отсутствия) информации об угловых скоростях КА,
= 1 (0) -
признак управления с дополнительным использованием (не использованием) информации об угле рыскания КА,
= 1(0) -
признак выполнения (невыполнения) коррекции орбиты с использованием ТМ (см. раздел 1.8.),
14
=0,175+0,3
·
,
=0,25 -
коэффициенты пропорциональности, выбираемые из условий обеспечения усто
йчивости, точности, качества переходных процессов.
1.4. Корректируемые динамические уравнений углового движения КА
Модель корректируемых динамических уравнений углового движения КА описывается уравнениями (1.4.1):
(1.4.1)
,
где
предварительные моделируемые значения (оценки) угловых скоростей после первой коррекции, =685 кг·м·c
2 ±40%,
=700 кг·м·c
2 ±40%,
=110 кг
·м·c
2 ±40% -
моделируемые (расчетные) значения моментов инерции КА относительно осей,
-
моделируемые значения (оценки) кинетических моментов инерционных исполнительных органов (ИИО) -
маховиков и др. в проекциях на ССК КА,
-
моменты первой коррекции модели динамических уравнений,
15
,
,
(1.4.2)
,
=0,03…0,06 кг·м –
оценки величин моментов при включении газореактивных двигателей (ГД) в проекц
иях на ССК КА (формируются динамическим контуром),
= 0…0,0014 кг·м -
оценки величин моментов при включении в различных сочетаниях тяговых модулей (ТМ) в проекциях на ССК КА (формируются динамическим контуром),
-
фо
рмируемые динамическим контуром функции управления ГД, принимающие значения “1” -
момент положительной полярности, “
-
1” -
момент отрицательной полярности, “0” –
ГД выключены.
-
формируемые динамическим контуром функции управления ТМ, пр
инимающие значения “1” -
момент положительной полярности, “
-
1” -
момент отрицательной полярности, “0” –
нулевой момент от ТМ (ТМ –
выключены или включена пара ТМ, при работе которых суммарный момент –
близок к нулю),
-
оценки возмущающи
х моментов, на первом этапе полагаются равными 0.
1.5. Моменты коррекции бортовой модели динамических уравнений
Коррекция бортовой модели динамических уравнений выполняется в два этапа. Первый –
при формировании оценок угловых ускорений КА, второй –
после
интегрирования модели динамических уравнений. Такое построение алгоритма коррекции позволяет без использования прямой измерительной информации об угловых скоростях КА формировать асимптотически устойчивый алгоритм приведения моделируемых углов и угловых с
коростей к их истинным (с
точностью до расчетных погрешностей) значениям.
1.5.1. На первом этапе момент коррекции бортовой модели динамических уравнений формируются следующим образом.
16
(1.5.1.1)
где -
проекции измеренного ГИВУС вектора угловой скорости КА на оси крена, рыскания, тангажа, сформированные после обработки программой “Управление ГИВУС”:
,
,
,
p, q, r
–
ис
тинные угловые скорости КА по каналам крена, рыскания, тангажа,
=0,75+2
·
,
=7+55
·
,
=0,92+2 ,
=7+25
·
,
=0,75+2
·
,
=7+10
·
–
коэффициенты пропорциональности, выбираемые из условий обеспечения устойчивости, точности, качества переходных процессов,
= 1(0) -
пр
изнак выполнения (невыполнения) коррекции орбиты с использованием ТМ (см. раздел 1.8.),
1.5.2. С учетом уравнений (1.5.1.1) выполняется интегрирование динамических уравнений (1.4.1):
17
(
1.5.2.1)
.
1.5.3. На втором этапе момент коррекции бортовой модели динамических уравнений формируются следующим образом:
(1.5.3.1)
где =7+55
·
,
=7+25
·
,
=7+10
·
–
коэффициенты пропорциональности, выбираемые из условий обеспечения устойчивости, точности, качества переходных процессов,
= 1(0) -
признак выполнения (невыполнения) коррекции орбиты с использованием ТМ (см. раздел 1.8.).
1.5.4. Второй этап коррекции бортовой модели динамических уравнений заключается в коррекции оценок угловых скоростей (1.5.2.1) моментами (1.5.3.1) и выполняе
тся согласно (1.5.4.1) следующим образом:
(1.5.4.1)
.
1.6. Оценка кинетического момента инерционных исполнительных органов 1.6.1. Бортовая модель формирования управляющих моментов для из
менения кинетического момента ИИО.
18
Управляющие сигналы , , для формирования моментов с помощью ИИО формируются с учетом ограничений на максимальную величину модуля управляющего момента, создаваем
ого реальным ИИО. Указанная величина не превышает =0,01 кг·м.
Управляющие сигналы , , формируются согласно уравнениям (1.6.1.1) следующим образом:
,
,(1.6.1.1)
,
где =1,25,
=3
–
2,5
·
+3
·
,
=1 (0) -
признак использования измерительной информации о трех -
тангаж, крен, рыскани
е (двух -
тангаж, крен) углах ориентации КА,
=2,5,
=37,7,
=25,7,
=37,7,
=0,005,
=0,005
·
,
=0,005 –
коэффициенты пропорциональности, выбираемые из условий обеспечения устойчивости, точности, качества переходных процессов,
=
, если > ,
19
=
–
, если <
–
,
=
, если >
,
=
–
, если <
–
,
(1.6.1.2)
=
, если >
,
=
–
, если <
–
.
1.6.2. Формирование бортовой модели кинетических моментов инерционных исполнител
ьных органов -
маховиков.
Оценки (моделируемые значения) кинетических моментов ,
,
формируются с учетом ограничений на максимальную величину модуля кинетического момента, создаваемого реальным ИИО. Указанная величина ограничения для каждого маховика не превышает 1,8 кг·м·с.
Оценки кинетических моментов ,
,
формируются согласно уравнениям (1.6.2.1) следующим образом:
,
,
(1.6.2.1)
,
где =0,05,
=0,05,
=0,05 -
коэффициенты пропорциональности, выбираемые из условий обеспечения фильтрации случайных ошибок измерения,
=
(
),
=
(
),
= (
) –
измеренные с помощью тахометров величины. кинетических моментов ИИО в
проекциях на ССК КА,
20
= , если
>
,
= –
, если
<
–
, = , е
сли
>
,
= –
, если
<
–
, (1.6.2.2)
= , если
>
,
= –
, если
<
–
,
= 1,8 кг·м·с –
оценка максимальной величины кинетического момента маховика,
, , -
истинные зна
чения кинетических моментов ИИО.
1.7. Управление исполнительными органами.
1.7.1. СУД, согласно предлагаемому алгоритму, осуществляет управление КА на основе информации о неполном векторе измерений, включающем информацию об углах тангажа и крена. При этом динамический контур формирует управляющие моменты в функциональной зависимости от оценок угловых ошибок, угловых скоростей и интегралов угловых ошибок ориентации, сформированных кинематическим контуром, и смещенный кинетический момент в канале тангажа.
Для
обеспечения поддержания устойчивой трехосной ориентации в ОСК при отсутствии измерительной информации об угловой скорости с ГИВУС и использовании для управления измерительной информации о единичном векторе направления на ориентир (углы тангажа и крена) ки
нематический контур, формирует признаки =0, =0 и признак
-
требование =1 по которому динамический контур устанавливает смещение номинала кинетического момента маховика в канале
тангажа в направлении оси КА, ориентируемой в ОСК по вектору орбитальной угловой скорости и предельно допустимые для выполнения разгрузки ИИО минимальное значения кинетического момента маховика в канале тангажа , максимальное (см. раздел 1.8).
1.7.2. Динамический контур формирует на входах ИИО
–
маховиков управляющий векторный сигнал:
= (
, , )
T
.
21
Управляющие векторный сигнал должен формирова
ться с учетом ограничений на максимальную величину модуля управляющего момента каждого маховика порядка 0,01 кг·м.
Управляющий векторный сигнал формируется согласно уравнениям (1.7.2.1) следующим образом:
,
, (1.7.2.1)
,
где =1,25,
=3
–
2,5
·
+3
·
,
=1 (0) -
признак использования измерительной информации о трех углах ориентации КА: тан
гажа, крена, рыскания (двух:
-
тангажа, крена),
=2,5,
=37,7,
=25,7,
=37,7,
=0,005,
=0,005
·
,
=0,00
5 –
коэффициенты пропорциональности, выбираемые из условий обеспечения устойчивости, точности, качества переходных процессов,
=
, если > ,
= –
, если < –
,
22
= , если >
,
(1.7.2.2)
= –
, если < –
,
= , если >
,
= –
, если < –
,
=0,01 кг
·
м.
1.7.3. Алгоритмы управления с испо
льзованием ГД могут обеспечить устойчивую ориентацию КА без дополнительных доработок путем замены в законах управления ГД измерительной информации от ГИВУС на оценки величин угловых скоростей (1.5.4.1), формируемые кинематическим контуром.
1.8. Управление разгрузкой кинетического момента
1.8.1. Разгрузка кинетического момента системы “КА
-
ИИО” осуществляется с использованием газовых реактивных (
ГД
)
, ТМ после достижения предельного допустимого уровня кинетического момента системы. Разгрузка выполняется путем
создания внешних управляющих моментов, которые вызывают небольшие угловые отклонения КА с требуемой полярностью относительно опорной системы координат (при поддержании орбитальной ориентации –
ОСК). СУД компенсирует ошибки ориентации, от возмущений измен
ением кинетического момента до номинального значения. Для управления разгрузкой кинетического момента активно маневрирующего КА, как правило, используется информация о полном кинетическом моменте системы “КА
-
ИИО”. Для геостационарного КА связи, основными р
ежимами которого с использованием маховиков является сначала поддержание ориентации на Солнце, а затем в течение 99,9% времени срока активного существования -
трехосная ориентация на Землю, для обеспечения разгрузки достаточно измерительной информации толь
ко об угловых скоростях маховиков. Информация об угловых скоростях стабилизированного в ОСК КА является избыточной, так как угловые скорости по каналам крена и рыскания близки к нулевым, а по каналу тангажа поддерживается орбитальная угловая скорость.
Расс
мотрим КА
, на котором реализован алгоритм разгрузки, основанн
ый
на использовании информации об угловых скоростях КА и маховиков. При отсутствии информации с ГИВУС упомянутый алгоритм разгрузки не требует доработки, так как вместо измерений угловой скорос
ти могут использоваться формируемые кинематическим контуром оценки угловой скорости КА (1.5.4.1). Если
управляющий момент ГД превышает располагаемый момент маховиков
,
то разгрузка должна осуществляться в импульсном режиме включения ГД (длительность импуль
са 50 мс). Эффективное (среднее) значение момента от ГД при разгрузке не должно превышать 0,002 кг
·
м. Для этого соотношение между 23
включенным (50 мс) состоянием ГД и паузой должно находиться в пределах 1/10...1/30. 1.8.2. Для обеспечения поддержания устойч
ивой трехосной ориентации в ОСК при отсутствии измерительной информации об угловой скорости с ГИВУС и использования для управления измерительной информации о единичном векторе направления на ориентир (углы тангажа и крена) кинематический контур уст
анавливает признак
-
требование =1 по которому динамический контур устанавливает:
*
предельно допустимые для выполнения разгрузки ИИО минимальное значения кинетического момента маховика в канале тангажа , максимальное ,
*
смещение номинала кинетического момент маховика в канале тангажа в направлении оси КА, ориентируемой в ОСК по вектору орбитальной угловой скорости,
= 0,5·(
+
),
(1.8.2.1)
где = 10...12 Н·м·с,
= 18 Н·м·с,
= 14...15 Н·м·с.
При достижении кинетическим моментом или динамический контур выполняет включение соответствующих реактивных дви
гателей для разгрузки ИИО до номинального значения = 14...15 Н·м·с.
1.8.3. Для проведении коррекции орбиты с помощью ТМ и одновременной разгрузки ИИО динамический контур предварительно выставляет требование
= 1 на под
ключение дополнительного средства измерения углового положения (БОКЗ, БОКС), позволяющего(
-
их) сформировать информацию об угле рыскания, и изменение коэффициентов управления (см. раздел 1.5.) в кинематическом контуре для обеспечения требуемой точности при
наличии возмущений от работы ТМ. Кинематический контур выставляет требование =1 и после получения сигнала о готовности информации об угле рыскания переходит в режим управления по трем углам, изменяет соответствующие коэффициенты управ
ления (см. разделы 1.3., 1.5.) и устанавливает признак =0 -
разрешение использования динамическим контуром без ограничений реализуемых диапазонов изменения кинетических моментов каждого из маховиков. В указанном режиме кинематический ко
нтур 24
обеспечивает формирование оценок трех углов и угловых скоростей для обеспечения устойчивого поддержания трехосной ориентации в ОСК динамическим контуром без ограничений на введение смещения кинетического момента в канале тангажа.
Динамический контур п
ри проведении коррекции орбиты осуществляет управление ИИО, ТМ, ГД без изменений (в части введения управления без информации с ГИВУС) в разработанных для КА типа «Экспресс
-
М», «
Ямал
-
100
-
400», «КазСат» и др.
алгоритмах и без ограничений на реализуемую облас
ть изменения кинетического момента ИИО. После завершения коррекции орбиты динамический контур обнуляет признак = 0 и далее
,
либо продолжается управление по информации о трех углах ориентации (
=1), либо вновь осущест
вляется переход на управление со смещенным кинетическим моментом (
=1) и неполном векторе измерений на основе измерительной информацией об углах тангажа и крена (
=0). При наличии признака =1 смеще
ние номинала кинетического момента маховика в канале тангажа может осуществляться автоматически путем разгрузки на ГД.
С целью снижения расхода рабочего тела ГД можно рекомендовать ввести в алгоритм управления работой ТМ при коррекции орбиты небольшое изме
нение. На завершающем этапе перед окончанием коррекции орбиты предусмотреть расчетное последовательное отключение ТМ с обеспечением разгрузки маховика в канале тангажа до уровня = 14...15 Н·м·с.
1.8.4. Модель алгоритма управления ГД для
разгрузки кинетического момента маховиков без использования угловых скоростей описывается уравнениями (1.8.4.1):
если ,
то
,
если
,
то
25
,
(1.8.4.1)
если
,
то
,
где , , величины смещения номиналов кинетических моментов маховиков в проекциях на ССК КА:
= 0,5·(
+
) =0,
= 0,5·(
+
) = 0,
(1.8.2.1)
= 0,5·(
+
) = 14...15 Н·м·с,
= –
18 Н·м·с,
= 18 Н·м·с,
= –
18 Н·м·с,
= 18 Н·м·с,
= –
18·(1
–
)+(10...12)·
Н·м·с,
= 18 Н·м·с,
, =0, -
признаки наличия смещений номиналов кинетических моментов по соответствующим осям ССК КА (по осям “
X
”, “
Y
” на КА
типа «Экспресс
-
М», «Ямал
-
100
-
400», «КазСат» и др. смещение кинетического момента может понадобиться для некоторых специальных режимов ориентации типа «
ОСК плю
с
постоянное угловое смещение вокруг осей крена и/или рыскания
»
):
26
= 0 -
отсутствие смещения по оси “
X
”,
= 1 -
наличие смещения по оси “
X
”,
=0 -
отсутствие смещения по оси “
Y
”,
=1 -
наличие смещения по оси “
Y
”,
0 -
отсутствие смещения по оси “
Z
”,
=1 -
наличие смещения по оси “
Z
”,
= 0,95,
= 0,95,
= 0,95 -
коэффициенты запаса, устана
вливающие границы предельно
-
допустимых величин кинетических моментов маховиков для включения разгрузки меньше максимальных значений.
27
2. Модель углового движения КА.
2.1. Модель кинематики углового движения КА.
2.1.1. Для моделирования углового движения КА
относительно ОСК решаются кинематические уравнения (2.1.1):
(2.1.1)
где -
кватернион углового рассогласования ССК КА относительно ОСК,
=0,85 -
коэффициент пропорциональности для обеспечения кор
ректировки нормы кватерниона ,
(2.1.2)
-
угловые скорости по
ворота вращающейcя опорной системы координат, относительно которой выполняется ориентация ССК КА, вокруг осей “X”, “Y”, “Z” (в частности, для ОСК =0, ).
2.1.2. Для определения углов крена, рыскания, тангажа представи
м кватернион в виде произведения двух кватернионов (2.1.2.1), характеризующих последовательность поворотов КА от ОСК к ССК:
28
*
первый поворот –
на угол рыскания, кватернион ,
*
второй и третий повороты –
на углы тангажа и крена (кватернион ,
,
(2.1.2.1)
где ,
/
,
,
/
,
,
(2.1.2.2)
/
,
/
.
2.1.3. С учетом допущений о малости углов тангажа и крена (не более 10...15 градусов) оценки углов ориентации КА относительно ОСК с использованием (2.1.2.2) определяются из (2
.1.3.1):
,
,
(2.1.3.1)
.
29
2.2. Модель динамики углового движения КА.
Модель динамических уравнений углового движения КА описывается уравнениями (2.2.1):
(2.2.1)
,
где A
=685 кг·м·c
2 ±10%,
B =700 кг·м·c
2 ±10%,
C =110 кг·м·c
2
±10% -
моменты инерции КА относительно осей “X”, “Y”, “Z”,
-
величины кинетических моментов инерционных исполнительных органов (ИИО) -
маховиков и др. в проекциях на ССК КА,
,
,
(2.2.2)
,
=0,03...0,06 кг·м,
=0,03...0,06 кг·м,
=0,03...0,06 кг·м -
управляющие моментов ГД, в проекци
ях на ССК КА, формируемые динамическим контуром при разгрузке ИИО, при коррекции орбиты, при управлении КА с помощью ГД.
=0...0,0014 кг·м,
=0...0,0014 кг·м,
30
=0...0,0014 кг·м -
управляющие моменты
ТМ, в проекциях на ССК КА, формируемые динамическим контуром при управлении КА с помощью ТМ -
при разгрузке ИИО, при коррекции орбиты,
-
формируемые динамическим контуром функции управления ГД, принимающие значения “1” -
момент положи
тельной полярности, “
-
1” -
момент отрицательной полярности, “0” –
ГД выключены.
-
формируемые динамическим контуром функции управления ТМ, принимающие значения “1” -
момент положительной полярности, “
-
1” -
момент отрицательной полярност
и, “0” –
нулевой момент от ТМ (ТМ –
выключены или включена пара ТМ, при работе которых суммарный момент –
близок к нулю),
-
моделируемые возмущающие моменты, на первом этапе полагаются равными:
,
,
(2.2.3)
,
-
постоянные составляющие возмущающих моментов от солнечного давления и т.п.,
-
амплитуды переменных составляющих возмущающих моментов от солнечного давления и т.п.
2.3. Модель управл
ения инерционными исполнительными органами –
маховиками
2.3.1. Динамический контур формирует на входах инерционных исполнительных органов
(ИИО) –
маховиков управляющий векторный сигнал для изменения кинетического момента ИИО:
= (
, , )
T .
Управляющий векторный сигнал должен формироваться с учетом ограничений на максимальную величину модуля управляющего момента, создаваемого реальным маховиком, которая составляет величину порядка 0,01 кг·м.
31
Управляющий векторный сигнал формируется согласно уравнениям (1.7.2.1) с учетом нижеприведенных ограничений на модуль управляющего момента маховиков:
=
, если > ,
=
–
, если <
–
,
=
, если >
,
=
–
, если <
–
,
(2.3.1.1)
=
, если >
,
=
–
, если <
–
,
=0
,01 кг·м.
2.3.2. Кинетический момент ИИО формируется путем интегрирование уравнений (1.7.2.1) с учетом ограничений (2.3.1.1) и (2.3.2.2):
,
,
(2.3.2.1)
с учетом нижеприведенных ограничений (2.
3.2.2) на модуль величины кинетического момента каждого маховика:
32
=
, если
>
, = –
, если
<
–
, =
, если
>
,
= –
, если
<
–
,
(2.3.2.2)
=
, если
>
,
= –
, если
<
–
,
= 1,8 кг·м·с.
2.4. Модель формирования сигналов измерений одноканального прибора ИКВ 256К
Для наземной отработки СУД т
ребуется разработка максимально приближенных к реальным приборам моделей формирования измерительной информации. Формирование угловой измерительной информации может выполняться с использованием измерений различных приборов, входящих в состав СУД КА, по отде
льности и в различных сочетаниях: БОКЗ, БОКС, ИКВ 256К
и т.п.
2.4.1. Для моделирования формирования трех углов ориентации, например, с использованием измерений БОКЗ, дополнительных к ИКВ 256К измерений вектора направления на Солнце с помощью БОКС,
-
в работ
е
использовалась упрощенная модель. Входной информацией для этой модели является истинный угол рыскания (2.1.3.1), который преобразуется в измерительный сигнал с учетом дискретности формирования выходной информации
реальным прибором. Например, для проверки работоспособности алгоритма поддержания ориентации в ОСК с использованием информации об углах крена, рыскания, тангажа при моделировании использовалась несколько завышенная величина дискретности обработки измерени
й БОКЗ 10...12 с.
2.4.2. Ниже приведено описание упрощенной модели формирования измерительной информации с использованием одноканального измерительного прибор
а
ИКВ 256К, на первом этапе моделирования достаточной для подтверждения работоспособности предлага
емых алгоритмов.
2.4.2.1. В состав СУД КА включены два прибора ИКВ 256К. Угловое положение связанной с первым (вторым) прибором системы координат“
OA
1
B
1
C
1
” (“
OA
2
B
2
C
2
”) определим следующей последовательностью поворотов от ССК “
OXYZ
”, при условии начального с
овпадения осей “
OA
1
” (“
OA
2
”), “
OB
1
” (“
OB
2
”), “
OC
1
” (“
OC
2
”) соответственно с осями “
OX
”, “
OY
”, “
OZ
”. Первый поворот -
вокруг оси “
OZ
” на 270 градусов, второй поворот -
вокруг нового положения оси “
OX
” на угол = 225 градусов (
= 135 градусов). Первый (второй) прибор осуществляет сканирование по двум траекториям: “А
1
” (“А
2
”), “Б
1
” (“Б
2
”). Траектория “А
1
” (“А
2
”) 33
образуется пересечением плоскости сканирования, смещенной на 3 градуса от плоскости “
OA
1
C
1
” (“
OA
2
C
2
”) в положите
льном направлении оси “
OB
1
” (“
OB
2
”), с плоскостью “
OB
1
C
1
” (“
OB
2
C
2
”). Траектория “Б
1
” (“Б
2
”) образуется пересечением плоскости сканирования, смещенной на 3 градуса от плоскости “
OA
1
C
1
” (“
OA
2
C
2
”) в отрицательном направлении оси “
OB
1
” (“
OB
2
”), с плоскостью “
O
B
1
C
1
” (“
OB
2
C
2
”). Угол между плоскостями сканирования первого и второго приборов составляет 90 градусов. Каждый прибор измеряет одну угловую координату в плоскости сканирования -
проекцию единичного вектора направления на Землю на ось “
OC
1
” (“
OC
2
”):
*
первый прибор:
,(2.4.2.1.1)
*
второй прибор:
. (2.4.2.1.2)
С учетом малости угловых отклонений:
,
(2.4.2.1.3)
,
(2.4.2.1.4)
где
, -
истинные у
глы крена и тангажа, определяемые из (2.1.3.1),
= 1(0), = 1 (0) -
признаки использования (не использования) измерительной информации соответственно первого, второго приборов ИКВ 256К.
Прибор 256К измеряет угловое отк
лонение один раз за период сканирования Т
ск =0,225...0,28 с, с дискретностью 2,5 угловые минуты. Поэтому, при численном моделировании после формирования угловых отклонений (2.4.2.1.1), (2.4.2.1.2) необходимо пропустить их через блоки квантования.
Кроме то
го, необходимо учесть ограничения по предельным угловым отклонениям сигналов (2.4.2.1.1), (2.4.2.1.2):
*
если угол отклонения в направлении, перпендикулярном плоскости сканирования
,
где i
=1, 2 -
номер прибора,
34
= 8,5 градусов -
угловой радиус Земли на геостационарной орбите (ГСО),
то величина отклонения = 0,
*
если угол отклонения в плоскости сканирования
, где = 170 (64) градусов -
большая (малая) амплитуда с
канирования -
на ГСО используется малая амплитуда сканирования,
то величина отклонения = 0.
2.4.2.2. При использовании первого или второго или одновременно двух приборов 256К модель формирования измерительной информации можно представи
ть в следующем виде: ,
(2.4.2.2.1)
.
Выбор режимов работы по измерениям только одного или одновременно двух приборов ИКВ 256К осуществляется заданием специально предусмотренных в кинематическом контуре признаков =1(0), =1 (0). 2.4.3. При необходимости в сигналы измерений могут добавляться случайные составляющие ошибок, согласно приведенным в техническом описании характеристикам конкретных приборов.
35
3. Результаты численного
моделирования.
При моделировании использовались численные значения коэффициентов, приведенные в разделах 1 и 2 отчета. Интегрирование выполнялось с шагом 1 с.
Внешние возмущающие моменты от солнечного давления моделировались следующим образом:
г
·
см,
г
·
см,
г
·
см.
При моделировании сигналов прибора ИКВ 256К дискретность формирования углов ориентации задавалась равной 2,5 угловых минуты.
Оценки параметров углового движения КА (см. раздел 1.) выполн
ялись с учетом погрешностей знания величин моментов инерции КА -
50%, реактивных тяг ГД и ТМ -
40%, кинетического момента маховиков ±
0,08 Н
·
м
·
с.
Начальные угловые отклонения по углам тангажа и крена выбирались от 0 до 6 градусов. Начальные угловые отклонен
ия по углу рысканию от 0 до 180 градусов.
Моделировалась импульсная работа ГД при выполнении разгрузки кинетических моментов маховиков: 1 с -
включение ГД, 19 с -
пауза. Такой режим является более «
жестким
»
с точки зрения обеспечения требуемой
точности в пе
реходном процессе по сравнению с реализованной в штатном ПО КА типа «Экспресс
-
М», «
Ямал
» и др. разгрузки при
работе ГД в импульсном режиме
:
«…
включени
е
-
пауза
-
включение»
с длительностью включения ГД -
порядка 50 мс.
3.1.Управление по измерениям углов крена
и тангажа без использования информации с ГИВУС.
Перед началом моделирования формировались требования на смещение кинетического момента в канале тангажа до 14 Н
·
м
·
с (
=1) и на использование информации об угловом отклонении КА по каналам тангажа и крена (
=0, =1,
=1). На момент начала построения ориентации задавались нулевые начальные кинетические моменты маховиков.
Результаты моделирования, приведенные на рис.3.1.1
-
3.1.4, полностью
подтвердили работоспособность разработанного алгоритма управления. Обеспечиваются устойчивое приведение ССК КА к ОСК и дальнейшее поддержание трехосной ориентации. Исследования показывают, что устойчивое приведение по каналу рысканию выполняется при начал
ьных угловых отклонениях 36
вокруг местной вертикали до 140 градусов. При некоторых параметрах системы при начальных условиях по углу рыскания от 140 до 180 градусов приведение по рысканию завершалось при курсовом угле 180 градусов (второе устойчивое положени
е равновесия). При уменьшении диапазонов допустимых значений изменения кинетического момента в каналах крена и рыскания до ±
2 Н
·
м
·
с приведение всегда завершалось при угле рыскания, равным нулю.
Рис.3.1.1. Переходный процесс в канал
е рыскания при управлении по информации об углах тангажа и крена без использования ГИВУС.
Длительность приведения по каналу рыскания до величины менее 0,5 градуса составляет немногим более одной четвертой периода обращения КА на ГСО, т.е. около 6...9 часов
. Переходные процессы отработки начальных угловых отклонений по каналам крена и тангажа с учетом раскрутки маховика до достижения смещенного значения величины кинетического момента 14 Н
·
м
·
с составляют от 5 до 6 минут.
Амплитуда ошибки ориентации по каналу рыскания при поддержании ориентации в ОСК изменяется с орбитальной частотой и не превышает в установившемся процессе величины 0,15...0,2 градусов. Ошибки ориентации по каналам тангажа и крена поддерживаются в пределах 0,02 градусов относительно нулевого си
гнала прибора ИКВ 256К.
37
Рис.3.1.2. Переходные процессы в каналах крена и тангажа при управлении по информации об углах тангажа и крена без использования ГИВУС.
Рис.3.1.3. Установившаяся ориентация -
канал р
ыскания при управлении по информации об углах тангажа и крена без использования ГИВУС (третьи сутки от начала построения ОСК).
38
Рис.3.1.4. Установившаяся ориентация -
каналы тангажа и крена при управлении по информации об углах танг
ажа и крена без использования ГИВУС (третьи сутки от начала построения ОСК).
3.2.
Управление по измерениям углов крена, тангажа и рыскания без использования информации ГИВУС.
Отличие данного режима управления от предыдущего заключается в задании приз
нака измерения третьего угла -
рыскания (
=1). Устойчивое приведение и поддержание ОСК реализуется без ограничения на смещение кинетического момента маховиков (
=0) при любых его значениях в пределах области изменения кинетического момента. Обеспечивается поддержание ориентации в ОСК при включении ТМ для коррекции орбиты и разгрузки кинетического момента маховиков.
Время приведения ориентации к ОСК при начальном угловом отклонении по углу рыскания 180 градусов около 50 минут, рис. 3.2.1. Ошибки ориентации по каналам крена, тангажа относительно нулевого уровня сигнала прибора ИКВ 256К и измерительного средства по каналу рыскания не более 0,02...0,03 градусов при дискретности обновления измерительной информации до 10 с, р
ис 3.2.2.
39
Рис. 3.2.1. Построение ориентации по каналам рыскания, крена, тангажа при управлении по информации об углах тангажа, крена и рыскания без информации от ГИВУС (первые сутки).
Рис. 3.2.2. Поддержание ориентации в ОСК при управлении по инфор
мации об углах тангажа, крена и рыскания без информации от ГИВУС, интервал обновления измерительной информации 10 с (вторые сутки).
40
3.3.Управление по измерениям углов крена, тангажа и рыскания без использования информации ГИВУС при проведении коррекции ор
биты с использованием тяговых модулей.
Для выполнения коррекции орбиты с использованием ТМ динамический контур формирует для кинематического контура признак = 1 (см. раздел 1.8.) Отличие данного режима управления от предыдущего заключа
ется в изменении коэффициентов управления (см. раздел 1.5.) с целью обеспечения заданных точностей ориентации при возмущениях от работы ТМ и установлении максимальных допусков области изменения кинетических моментов маховиков.
Моделирование коррекции орбит
ы с использованием ТМ выполнялось путем задания одновременной работы ТМ в каждом из каналов по закону прямоугольного синуса с периодом 3600 с (1800 с возмущение от ТМ 0,0014 кг
·
м , следующие 1800 с возмущающий момент –
0,0014 кг
·
м).
Как следует из рис. 3.
3.1. ошибки ориентации составляют:
*
канал тангажа -
от –
0,025 до 0,025 градусов,
*
канал крена -
от –
0,075 до 0,075 градусов,
*
канал рыскания -
от –
0,075 до 0,075 градусов.
Рис. 3.3.1. Поддержание ориентации в ОСК при проведении ко
ррекции орбиты с использованием для управления информации об углах тангажа, крена и рыскания без информации от ГИВУС, интервал обновления измерительной информации 5 с.
41
Таким образом, предлагаемый алгоритм обеспечивает поддержание ориентации в ОСК при вкл
ючении ТМ для коррекции орбиты и разгрузки кинетического момента маховиков с требуемыми точностями.
3.4. Управление по измерениям углов крена, тангажа с использованием информации от ГИВУС.
Управление КА с использованием информации об углах тангажа, крена и
измерений от ГИВУС задается признаками:
=1, =0, =1,
=1.
Приведение к ОСК выполняется методом гирокомпассирования без ограничения на смещение кинетического момента маховиков (
=0), то есть, при любых значениях кинетических моментов маховиков в пределах заданной области, рис.3.4.1. Длительность построения ОСК при начальном угле рыскания 60 градусов около 3 часов.
Рис. 3.4.1. Построение ориентации при управлении
с использованием информации об углах тангажа, крена и угловых скоростях от ГИВУС.
Ошибки ориентации по каналам крена и тангажа при уходах ГИВУС 0,2
градуса/час и использовании прибора ИКВ 256К составляют не более 0,022
градусов относительно нулевого
сигн
ала прибора, рис.3.4.2.
42
Рис.3.4.2 Ориентация по каналам тангажа и крена при использовании информации об углах тангажа, крена и угловых скоростях при уходах ГИВУС 0,2 градус/час (3
-
4
сутки).
Рис. 3.4.3. Ориентация по каналу рыскания при использ
овании информации об углах тангажа,
крена и угловых скоростях при уходах ГИВУС 0,2 градус/час (3
-
4 сутки).
По каналу рыскания при нулевых уходах ГИВУС ошибка ориентации по 43
рысканию не более 0,03 градусов. При уходах ГИВУС 0,2 градуса/час ошибка увелич
ивается до 0,8...1 градуса, рис.3.4.3.
3.5. Управление по измерительной информации от одного прибора ИКВ 256К с использованием информации ГИВУС.
Данный режим может позволяет обеспечить трехосную ориентацию для выполнения операций по приведению КА в заданн
ую точку стояния на ГСО и может использоваться в качестве резервного в случае отказа одного из приборов 256К при построении ОСК.
Впервые информация об алгоритм
е
построения ОСК с использованием неполного вектора измерений, включающего вектор угловой скорост
и и одну угловую координату, озвучена на одном из семинаров
в 1982 году. Для его реализации плоскость сканирования прибора типа ИКВ 256К располагается под углом 45 градусов к осям крена и тангажа. Приведение и поддержание ОСК выполняется методом гирокомпас
сирования, рис 3.5.1, без ограничения на смещение кинетического момента маховиков (
=0) при любых его значениях в пределах заданной области изменения кинетического момента.
Р
ис. 3.5.1. Построение ориентации по каналам рыскания, крена, тангажа при управлении от одного прибора ИКВ 256К и уходах ГИВУС 0,1 градус/час (первые сутки).
Длительность приведения ориентации по каналам крена, тангажа и рыскания по сравнению с предыдущими режимами значительно затянута и с
оставляет от одного до двух периодов обращения на ГСО, т.е. от 24 до 48 часов.
44
Р
ис. 3.5.2. Ориентация по каналам рыскания, крена, тангажа при управление от одного прибора ИКВ 256К и уходах ГИВУС 0,1 градус/час (11
-
18 сутки
).
Рис. 3.5.3. Ориентация по каналам рыскания, крена, тангажа при управление от одного прибора ИКВ 256К при нулевых уходах ГИВУС (2
-
5 сутки).
Точность ориентации зависит от уходов ГИВУС. Как следует из рис.3.5.2 при уходах ГИВУС по всем трем каналам 0,1 градус/час ошибки ориентации по крену и тангажу составляют около 1,5 градусов, по рысканию -
около 0,5 градуса. В момент включения ГД для разгрузки приращение ошибки ориентации в переходном процессе может составлять 0,2...0,3 граду
са на
несколько десятков секунд.
При отсутствии уходов ГИВУС ошибки ориентации не превышают 0,05 градусов, рис.3.5.3.
45
4.
Вопросы по доработке штатного программного обеспечения и программы полета в части введения алгоритмов управления СУД без информации об
угловой скорости.
4.1.Предполагается, что разработанные алгоритмы вводятся в состав кинематического контура КА, использующего информацию ГИВУС, без изменения других режимов и будут использоваться в дополнение к основным при ориентации в ОСК или на Солнце.
Управление КА без информации об угловых скоростях может использоваться в качестве резервного режима поддержания ОСК в случае аппаратных и/или программных отказов/сбоев в технологическом процессе формирования и обработки информации ГИВУС. Предлагаемый алго
ритм может работать в фоновом режиме обработки и формирования выходной информации. В случае обнаружения упомянутого отказа в части формирования угловых скоростей в СУД выставляется заявка, по которой динамический контур при управлении двигателями ориентаци
и и маховиками использует формируемые алгоритмом оценки углов и угловых скоростей.
Объем доработок динамического контура минимален.
Основные изменения связаны с введением возможности задания смещения номинала кинетического момента маховика по оси тангажа и
регулированием допустимой величины изменения кинетического момента, организацией дополнительного командно
-
информационного обмена между кинематическим и динамическим контурами в части обеспечения управления без информации об угловой скорости.
4.2. В качест
ве постановки задачи укажем на возможность обеспечения полного цикла ориентации КА на ГСО без ГИВУС или при наличии средства измерения угловой скорости в канале тангажа при существующем приборном составе измерителей углов.
После отделения от ракеты
-
носител
я гашение угловых скоростей выполняется в два этапа. Первый этап -
развертывание панелей СБ. За счет увеличения моментов инерции угловые скорости в каналах крена и рыскания снижаются примерно в 7...8 раз, то есть не будут превышать величины 0, 5 градус/с.
Второй этап осуществляется следующим образом.
При наличии измерителя угловой скорости в канале тангажа -
демпфирование выполняют по показаниям этого измерителя. При его отсутствии -
используют информацию от БОКС. Предварительно создается ненулевой кинетич
еский момент маховиков в канале тангажа для упорядочения вращения КА. При попадании Солнца в поле обзора БОКС формируют оценки угловых скоростей, по которым динамический контур осуществляет гашение угловых скоростей. Далее формируется калиброванный импульс
(включение ГД на фиксированное время и/или фиксированное изменение угловой скорости маховиков) для закрутки КА вокруг оси тангажа для поиска и ориентации СБ на Солнце с использованием измерений БОКС.
Поиск и ориентация на Землю выполняется “захватом” поле
м обзора прибора ИКВ 256К Земли в процессе орбитального движения КА в режиме постоянной ориентации на Солнце. При ориентации осью «
-
X
»
на Солнце ориентация на Землю завершается около 12 часов дня местного времени в точке стояния КА на ГСО.
46
Заключение
Резу
льтаты моделирования полностью подтвердили работоспособность разработанных алгоритмов управления. Предлагаемое построение СУД позволяет повысить надежность функционирования КА связи на ГСО за счет обеспечения выполнения следующих задач управления.
1. Трехо
сная ориентация КА относительно ОСК без использования измерительной информации с ГИВУС по крену и тангажу с точностями 0,025
градуса относительно нулевого сигнала прибора ИКВ 256К и с амплитудой до 0,15...0,2 градусов по каналу рыскания (ошибка ориентации изменяется по гармоническому закону с орбитальной частотой). Для этого в канал тангажа дополнительно вводится смещение кинетического момента величиной от 10 до 18
Н·м·с ).
2. Трехосная ориентация КА относительно ОСК с точностями 0,03 градуса по всем канала
м без ограничений на величину смещения кинетического момента маховиков при наличии угловых измерений по каналам крена, тангажа, рыскания, например, от непрерывно включенного БОКЗ с дискретностью обновления угловой информации до 10…12 с.
3. Трехосная ориент
ация КА относительно ОСК с одновременным проведением коррекции орбиты и разгрузки кинетического момента маховиков с использованием ТМ с точностями:
*
канал тангажа -
0,025 градусов,
*
канал крена -
0,075 градусов,
*
канал рыскания -
0,075 градусов.
Для этого на время проведения коррекции подключается дополнительное средство для определения угла рыскания, например, БОКЗ и/или БОКС. Возмущающие моменты при включении одного из симметрично расположенных ТМ могут привести к незначительному увеличению ошибок ориентации
в переходном процессе. Следует отметить, что увеличение ошибок ориентации в переходном процессе имеет место и при управлении с использованием информации ГИВУС. Поэтому требуются дополнительные исследования и разработка методов компенсации ошибок, наприме
р, путем подбора оптимальных коэффициентов.
3. Трехосная ориентация КА относительно ОСК с точностями 0,03 градуса по каналам тангажа и крена и до 0,5 градусов -
по каналу рыскания при наличии угловых измерений по каналам крена, тангажа и угловых скоростей с дискретностью обновления угловой информации до 10…12 с. При этом отсутствуют ограничения на величину смещения кинетического момента маховиков
5. Трехосная ориентация КА относительно ОСК по информации только от одного прибора ИКВ 256К и измерительной инфо
рмации об угловых скоростях КА с несколько замедленными переходными процессами и ухудшением точностей ориентации до 1,5 градусов по каналам крена и тангажа и до 0,5...1 градуса по 47
каналу рыскания при уходах ГИВУС 0,1 градус/час. При этом отсутствуют ограни
чения на величину смещения кинетического момента маховиков.
Таким образом, разработанные алгоритмы управления позволяют полностью выполнить требования по обеспечению точностных характеристик ориентации КА при использовании штатного приборного состава систе
мы управления угловым движением (СУД) геостационарного КА типа «Экспресс
-
М», «
Ямал
-
100
-
400
», «КазСат» и др.
в том числе и при отсутствии измерительной информации ГИВУС.
48
Литература
1.Системы управления движением космического аппарата на геостационарной ор
бите: Аналитический обзор. -
М., 1994 г.
2.Системный проект. Шифр “Комплекс
-
ПМ”. Том 27, книга 2 “Космические комплексы систем связи и телевизионного вещания”/ НПО “Прикладной механики”; Под техническим руководством М.Ф. Решетнева. -
Красноярск
-
26,
-
1990.
3.Мирошниченко Л.А., Раевский В.А. и др. Система ориентации и стабилизации спутника телевизионного вещания “Экран” // Изв.АН СССР. Техническая кибернетика. -
М.: Наука, 1977.
-
№ 4.
-
с.18
-
27.
4.Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задач
ах ориентации твердого тела. -
М.: Наука, 1973.
5.Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. -
М.: Наука, 1992.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа