СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ОШИБОК ОРБИТАЛЬНОГО ГИРОКОМПАСА Российский патент 2016 года по МПК G01C19/00 

Предлагаемое изобретение относится к области ориентации космических аппаратов (КА), а точнее к способу ориентации КА с использованием орбитального гирокомпаса (ОГК).

Аналогом может служить техническое решение, изложенное в статье авторов А. Брайсона и В. Кортюма «Вычисление местного углового положения орбитального космического аппарата». Труды III Международного симпозиума ИФАК по автоматическому управлению в мирном использовании космического пространства. Управление в космосе т. 2, с. 83-105, Москва, «Наука», 1972 г. Авторы рассматривают способ компенсации ошибок прибора ориентации по Земле (ПОЗ) и дрейфа гироскопов с использованием методов оптимальной фильтрации. Главный недостаток способа - принципиально исключена возможность компенсации влияния детерминированной ошибки ПОЗ в канале тангажа и собственного дрейфа (ГИУС).

Известно также техническое решение, представленное в статье авторов Кэмпбел, Коффи «Цифровые системы отсчета углов». Журнал «Вопросы ракетной техники», 1971 г., №11, стр. 63÷88. В нем рассматривается способ и устройство для управления угловым движением КА с использованием ОГК, в состав которого входит гироскопический измеритель угловой скорости (ГИУС), построитель местной вертикали (ПМВ) и вычислитель. Способ не дает решения задачи компенсации ошибок ПМВ и собственного дрейфа ГИУС.

Наиболее близким аналогом является техническое решение, защищенное патентом РФ №2509690, в котором реализован способ ориентации КА, включающий ориентацию и стабилизацию КА относительно местной вертикали по крену и тангажу с помощью ПМВ и приведение КА по курсу в плоскость орбиты в режиме орбитального гирокомпасирования с использованием показаний ГИУС. Способ не позволяет компенсировать ошибки системы ориентации KA, обусловленные детерминированными ошибками ПМВ по крену и тангажу и собственным дрейфом ГИУС.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно измерение и компенсацию указанных выше ошибок ОГК, используя при этом внутренние ресурсы системы орбитального гирокомпасирования, т.е. ошибки автокомпенсировать.

Для достижения цели, в отличие способа компенсации ошибок ОГК, включающего ориентацию и стабилизацию КА относительно местной вертикали по крену и тангажу с помощью ПМВ и приведение КА по курсу в плоскость орбиты в режиме орбитального гирокомпасирования с использованием показаний ГИУС, установленных по связанным осям КА, выполняют приведенные ниже операции. В установившемся режиме ориентации измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и крена $${\widehat{\epsilon }}_{\beta }^0$$ . Сохраняя режим гирокомпасирования, поворачивают КА по курсу на угол плюс (или минус) сто восемьдесят градусов, дожидаются установившегося режима ориентации и вновь измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции в канале курса и крена $${\widehat{\epsilon }}_{\beta }^{+180}$$ . По результатам измерений рассчитывают и запоминают математические ожидания ошибок ПМВ в канале крена и собственного дрейфа ГИУС в канале курса в соответствии с формулами

где $$\Delta {\widehat{\gamma }}_{ПМВ}$$ - математическое ожидание детерминированной ошибки ПМВ в канале крена, которая включает собственную ошибку ПМВ и ошибку установки ПМВ относительно связанных осей КА;

- математическое ожидание постоянной составляющей собственного дрейфа ГИУС в канале курса;

К₂ - коэффициент коррекции ОГК в канале курса;

- орбитальная угловая скорость движения КА по орбите на моменты измерений.

Поворачивают КА по курсу на плюс девяносто градусов относительно ОСК, дожидаются установившегося режима ориентации, измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и тангажа $${\widehat{\epsilon }}_{\theta }^{+90}$$ , после чего поворачивают КА по курсу относительно ОСК на минус девяносто градусов, дожидаются установившегося режима ориентации и вновь измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и тангажа $${\epsilon }_{\theta }^{-90}$$ . По результатам измерений рассчитывают и запоминают математические ожидания ошибок ПМВ в канале тангажа и собственного дрейфа ГИУС в канале курса в соответствии с формулами

где $$\text{Δ}{\widehat{\vartheta }}_{\text{ПМВ}}$$ - математическое ожидание детерминированной ошибки ПМВ в канале тангажа, которая включает собственную ошибку ПМВ и ошибку установки ПМВ относительно связанных осей КА;

- математическое ожидание постоянной составляющей собственного дрейфа ГИУС в канале курса.

Полученные значения ошибок вводят в выходные сигналы ПМВ по крену на величину и тангажу на величину: $$-\Delta {\widehat{\vartheta }}_{ПМВ}$$ и в выходной сигнал ГИУС в канале курса на величину $$-{\widehat{D}}_Y$$ .

Ниже приведен пример реализации способа.

Уравнения движения ОГК с возможностью поворота КА на неограниченные углы по курсу относительно ОСК имеют вид (см. патент 2509690):

где обозначено

Δγ, $$\Delta \dot{\gamma }$$ , ΔΨ, , Δϑ, $$\text{Δ}\dot{\vartheta }$$ - углы и угловые скорости КА относительно приборных осей ОГК соответственно по крену, курсу и тангажу, поступающие в контур стабилизации КА;

Ψ_КА/ОСК - положение связанных осей КА относительно ОСК по курсу;

Ψ_ПР - угол программного поворота КА по курсу относительно ОСК;

α, β, θ - положение (ошибки) приборных осей ОГК относительно ОСК соответственно в каналах курса, крена и тангажа;

Ψ, γ, ϑ - положение (ошибки) ориентации связанных осей КА относительно программной системы координат (ПСК) соответственно по курсу, крену и тангажу;

γ_ПМВ, ϑ_ПМВ - выходные сигналы ПМВ по крену и тангажу соответственно;

Δγ_ПМВ, Δϑ_ПМВ - детерминированные ошибки ПМВ в каналах крена и тангажа, включая ошибки установки ПМВ относительно связанных осей КА;

K₁, K₂, K₃ - коэффициенты усиления;

, - текущее и программное значения орбитальной угловой скорости движения КА;

ω_X, ω_Y, ω_Z - угловые скорости КА относительно ОСК в каналах крена, курса и тангажа соответственно;

ω_ХГ, ω_YГ, ω_ZГ - показания гироскопических датчиков ГИУС по осям крена, курса и тангажа соответственно;

D_X, D_Y, D_Z - собственные дрейфы гироскопических датчиков ГИУС в каналах крена, курса и тангажа соответственно.

Решая (5-23) последовательно для Ψ_ΠΡ=0°, 180°, +90°, -90° при , найдем искомые решения для сигналов коррекции ОГК в искомой форм (1-4). Математические ожидания сигналов получают путем их обработки вычислений, например, методами наименьших квадратов, скользящего окна, полиминальными фильтрами и др.

Полученные ошибки вводят на выход датчиков ориентации, компенсируя их ошибки:

Для достижения результата по п. 2 формулы изобретения в контур коррекции ОГК вводят интегрально-позиционную коррекцию (изодром - уравнения 5 и 7). В канале танагажа это можно сделать только в положения КА по курсу 0° и 180°, а в канале крена только в положениях ±90°. В противном случае ОГК потеряет устойчивость.

Уравнения движения ОГК для канала тангажа (см. 7):

В установившемся режиме ориентации математические ожидания сигналов интеграторов равны

где , - математические значения сигналов интеграторов изодромов в положениях КА по курсу ноль и сто восемьдесят градусов соответственно. Исходя из (6, 7) математическое ожидание собственного дрейфа гироскопического датчика в канале тангажа равно

В канале крена при Ψ_ПР=±90° уравнения движения ОГК после введения изодрома примут вид (см. 5):

В установившихся режимах ориентации математические ожидания сигналов интеграторов равны

где , - математические ожидания сигналов интеграторов изодромов в положениях КА по курсу +90° и -90° соответственно.

Исходя из (32, 33) математическое ожидание собственного дрейфа гироскопического датчика в канале крена равно

Ошибки ГИУС компенсируют путем ввода поправок в выходные сигналы датчиков ГИУС крена и тангажа соответственно:

Для более точной оценки собственного дрейфа гироскопических датчиков угловой скорости в каналах крена и тангажа измерения и вычисления математических ожиданий пар сигналов интеграторов $${\widehat{J}}_0$$ , и , выполняют на интервалах времени, кратных периоду орбитального движения КА, т.к. в этом случае минимизируется разность , что существенно улучшает оценки математических ожиданий и .

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения и может найти применение для повышения точности угловой ориентации орбитальных космических аппаратов (КА), в которых применяются системы ориентирования с использованием орбитальных гирокомпасов (ОГК). Технический результат - повышение точности. Для этого обеспечивают автокомпенсацию ошибки ОГК, обусловленные собственными детерминированными ошибками построителя местной вертикали (ПМВ) по крену и тангажу, а также ошибки ОГК, обусловленные постоянными составляющими собственного дрейфа гироскопических датчиков измерителя угловых скоростей в каналах курса, тангажа и крена. Измерение указанных ошибок достигается за счет создания условий их наблюдаемости. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ компенсации ошибок орбитального гирокомпаса (ОГК), включающий ориентацию и стабилизацию космического аппарата (КА) относительно местной вертикали по крену и тангажу с помощью построителя местной вертикали (ПМВ) и приведение КА по курсу в плоскость орбиты в режиме орбитального гирокомпасирования с использованием показаний гироскопических измерителей угловой скорости (ГИУС), установленных по связанным осям КА, отличающийся тем, что в установившемся режиме ориентации измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и крена сохраняя режим гирокомпасирования поворачивают КА по курсу на угол плюс или минус сто восемьдесят градусов, дожидаются установившегося режима ориентации и вновь измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции в канале курса и крена по результатам измерений рассчитывают и запоминают математические ожидания ошибок ПМВ в канале крена и собственного дрейфа ГИУС в канале курса в соответствии с формулами:


где - математическое ожидание детерминированной ошибки ПМВ в канале крена, которая включает собственную ошибку ПМВ и ошибку установки ПМВ относительно связанных осей КА;
- математическое ожидание постоянной составляющей собственного дрейфа ГИУС в канале курса;
K₂ - коэффициент коррекции ОГК в канале курса и крена;
- орбитальная угловая скорость движения КА по орбите на моменты измерений,
поворачивают КА по курсу на плюс девяносто градусов относительно ОСК, дожидаются установившегося режима ориентации, измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и тангажа после чего поворачивают КА по курсу относительно ОСК на минус девяносто градусов, дожидаются установившегося режима ориентации и измеряют и запоминают математическое ожидание сигнала коррекции ОГК в канале курса и тангажа по результатам измерений рассчитывают и запоминают математические ожидания ошибок ПМВ в канале тангажа и собственного дрейфа ГИУС в канале курса в соответствии с формулами:


где - математическое ожидание детерминированной ошибки ПМВ в канале тангажа, которая включает собственную ошибку ПМВ и ошибку установки ПМВ относительно связанных осей КА;
- математическое ожидание постоянной составляющей собственного дрейфа ГИУС в канале курса, полученные значения ошибок вводят в выходные сигналы ПМВ по крену на величину и тангажу на величину и в выходной сигнал ГИУС в канале курса на величину

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для положений КА по курсу ноль и сто восемьдесят градусов относительно ОСК в контур ОГК по тангажу вводят интегрально-позиционную (изодромную) коррекцию сигналов ГИУС от ПМВ, в установившихся режимах ориентации для каждого положения КА измеряют и запоминают математические ожидания сигналов интеграторов изодромов, по которым вычисляют математическое ожидание собственного дрейфа ГИУС в канале тангажа в соответствии с формулами:

где

где - математические значения сигналов интеграторов изодромов в положениях КА по курсу ноль и сто восемьдесят градусов соответственно;
ϑ_ПМВ - выходной сигнал ПМВ по тангажу;
θ - ошибка ОГК построения ОСК по тангажу;
Δθ - выходной сигнал ОГК по тангажу;
- текущая орбитальная угловая скорость КА;
- программная орбитальная угловая скорость КА,
таким же образом для положений КА плюс и минус девяносто градусов в контур ОГК по крену вводят интегрально-позиционную (изодромную) коррекцию сигналов ГИУС от ПМВ, в установившихся режимах ориентации для каждого положения КА измеряют и запоминают математические ожидания сигналов интеграторов изодромов, по которым вычисляют математическое ожидание собственного дрейфа ГИУС в канале крена в соответствии с формулами:

где

где - математические значения сигналов интеграторов изодромов в положениях КА по курсу плюс и минус девяносто градусов соответственно;
γ_ПМВ - выходной сигнал ПМВ по крену;
β - ошибка ОГК построения ОСК по крену;
Δβ - выходной сигнал ОГК по крену;
- текущая орбитальная угловая скорость КА;
- программная орбитальная угловая скорость КА, полученные значения ошибок вводят в выходные сигналы ГИУС в канале крена на величину и в канале тангажа на величину

3. Способ по п. 2, отличающий тем, что измерения пар и проводят с временными периодами кратными целому периоду движения КА по орбите.