способ управления ориентацией орбитального космического аппарата с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы земли

Классы МПК:B64G1/28 с использованием инерционного или гироскопического эффекта
B64G1/66 размещение и модификация устройств и приборов или инструментов, не отнесенных к другим рубрикам
B64G1/44 с использованием радиации, например раскрываемые солнечные батареи
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2006-03-06
публикация патента:

Изобретение относится к области управления космическим аппаратом (КА). Предлагаемый способ включает выставку оси визирования прибора зондирования (ПЗ) относительно строительных осей КА и разворот КА до совмещения оси визирования ПЗ с направлением на Солнце. Также производят разворот КА до совмещения оси его минимального момента инерции с плоскостью орбиты. Измеряют высоту орбиты КА, определяя значения углов между направлением на центр Земли и направлениями на нижнюю (способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0) и верхнюю границы исследуемого слоя атмосферы. В зависимости от этих углов выставляют ось визирования ПЗ под определенным углом (способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 ) к оси минимального момента инерции КА в сторону, соответствующую наибольшей освещенности солнечных батарей КА. Данный угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 отвечает минимальному рассогласованию между текущим углом отклонения оси минимального момента инерции КА от местной вертикали и углами отклонений данной оси от местной вертикали в начале и конце сеанса зондирования. Измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА и при его совпадении со значением угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0 измеряют угол возвышения Солнца над видимым с КА горизонтом Земли. При значениях последнего угла, меньших или равных углу возвышения верхней границы исследуемого слоя атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли, разворачивают КА до совмещения оси визирования ПЗ с направлением на Солнце. При этом ось минимального момента инерции КА совмещают с направлением, лежащим в плоскости орбиты и образующим с проекцией на эту плоскость направления на Солнце определенный угол, зависящий от упомянутых углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 . Зондирования атмосферы выполняют в моменты захода Солнца за видимый с КА горизонт Земли, поддерживая неизменную ориентацию КА последовательно в орбитальной и инерциальной системах координат. Технический результат изобретения состоит в увеличении информативности зондирования атмосферы Земли при минимальных энергетических затратах на борту КА. 8 ил. способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Формула изобретения

Способ управления ориентацией орбитального космического аппарата с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы Земли, включающий выставку оси визирования прибора зондирования относительно строительных осей космического аппарата, разворот космического аппарата до совмещения оси визирования прибора зондирования с направлением на Солнце, разворот космического аппарата до совмещения оси его минимального момента инерции с плоскостью орбиты, последовательное поддержание неизменной ориентации космического аппарата в орбитальной и инерциальной системах координат и выполнение зондирования атмосферы Земли в моменты захода Солнца за видимый с космического аппарата горизонт Земли, отличающийся тем, что дополнительно измеряют высоту орбиты космического аппарата и определяют по ней значения угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0 между направлением в центр Земли и направлением на нижнюю границу исследуемого слоя атмосферы Земли, а также угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в между направлением в центр Земли и направлением на верхнюю границу исследуемого слоя атмосферы Земли, выставляют ось визирования прибора зондирования под углом способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 к направлению оси минимального момента инерции космического аппарата в сторону, соответствующую наибольшей освещенности солнечных батарей космического аппарата, причем значение угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 больше или равно значению указанного угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0 и соответствует минимальному значению рассогласования между углом отклонения оси минимального момента инерции космического аппарата в текущей полетной ориентации от местной вертикали и углами отклонений указанной оси космического аппарата от местной вертикали в начале и конце сеанса зондирования способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 1,2, определяемыми по формуле

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 1,2=|arccos(cosспособ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 /cosспособ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0)±arccos(cosспособ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в/cosспособ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0)|,

измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты космического аппарата, при его совпадении со значением угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0 измеряют угол возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли и при значениях данного угла, меньших или равных значению угла возвышения верхней границы исследуемого слоя атмосферы над указанным горизонтом, разворачивают космический аппарат до совмещения оси визирования прибора зондирования с направлением на Солнце и оси минимального момента инерции космического аппарата с направлением, лежащим в плоскости орбиты и образующим с проекцией направления на Солнце на плоскость орбиты угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , определяемый по формуле

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 =arccos(cosспособ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 /cosспособ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0),

поддерживают неизменную ориентацию космического аппарата в инерциальной системе координат и выполняют зондирование атмосферы Земли.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано при зондировании атмосферы Земли с борта космического аппарата (КА). Ряд атмосферных явлений наиболее ярко проявляется при наблюдении из космоса в направлении горизонта Земли. В связи с этим оптические исследования атмосферы у видимого с КА горизонта Земли имеют важное научное и прикладное значение (см. [1], [2], [3]).

Известен способ управления ориентацией КА, принятый за аналог, при котором разворачивают КА до совмещения оси чувствительности закрепленного на КА прибора зондирования (ПЗ) с направлением на Солнце и выполняют зондирование атмосферы Земли в моменты захода Солнца за видимый с КА горизонт Земли (см. [2], стр.107-127). В данном способе строится и поддерживается одноосная ориентация КА относительно инерциальной системы координат. Управление ориентацией КА осуществляется с помощью системы управления движением и навигацией (СУДН) КА (см. [4], стр.175), в состав которой входят: КА, датчики угловых скоростей и углов, усилительно-преобразующее устройство, исполнительные устройства и органы управления.

Недостаток указанного способа управления ориентацией КА заключается в том, что в его действиях не учитывается особенности системы управления ориентацией КА, что не позволяет эффективно расходовать топливо на построение и поддержание требуемой ориентации КА. Рассмотрим КА, в системе управления движением ориентацией которых наряду с реактивными двигателями ориентации (ДО) используются инерционные исполнительные органы - силовые гироскопы (СГ). При выполнении разворота и поддержании ориентации таких КА происходит накопление кинетического момента (КМ) ГС и по достижении КМ заданных граничных значений выполняется операция «разгрузки» ГС - приведения КМ в допустимые пределы с помощью ДО. При этом при выполнении разгрузки ГС требуется дополнительное рабочее тело (топливо) для работы ДО КА.

Известны способы управления ориентацией КА при выполнении программы полета и экспериментов на КА, обеспечивающие благоприятные условия для работы системы СГ - такие, чтобы максимально уменьшать эффект «насыщения» СГ и тем самым избегать необходимость их разгрузки (см. [5]; [6], стр.41; [7], стр.295-298).

Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является способ управления ориентацией КА, описанный в [10], стр.217-220. В данном способе при построении ориентации КА для выполнения полетных операций осуществляют разворот КА до совмещения оси минимального момента инерции (ММИ) КА с плоскостью орбиты КА и последовательное поддержание неизменной ориентации КА в орбитальной и инерциальной системах координат. При такой ориентации оси ММИ КА в пространстве действующий на КА гравитационный момент минимален и, как следствие, эффект «насыщения» СГ незначителен и требуется минимальный расход рабочего тела на их разгрузку. При этом поддержание неизменной ориентации КА в орбитальной системе координат является текущей «дежурной» полетной ориентацией КА, а выполнение эксперимента (в частности, зондирование атмосферы Земли) осуществляется при поддержании неизменной ориентации КА в инерциальной системе координат. Данные ориентации широко использовались при выполнении полетных операций на орбитальной станции «Мир» и используются на международной космической станции (МКС) (см. [11], [9]).

Данный способ реализуется активной комбинированной системой ориентации и стабилизации КА с двигателями и блоком трехстепенных гироскопов (см. [6], стр.194), включающей измерительное устройство (ИУ), усилительно-преобразующее устройство (УПУ), двигатели-маховики (ДМ), тахометры двигателей-маховиков (ТДМ), переключающее устройство (ПУ), разгрузочное устройство (РУ), КА с установленным на нем прибором для выполнения эксперимента.

Способ, принятый за прототип, имеет существенный недостаток: он не позволяет учитывать различия сеансов выполняемых экспериментов по объему получаемой в них полезной информации. Объем полезной научной информации, получаемый в экспериментах по зондированию атмосферы Земли с КА, пропорционален длительности зондирования - длительности «прохождения» Солнца через атмосферу Земли, при этом данная длительность может существенно различаться в разных сеансах зондирования.

На фиг.1 представлена схема прохождения Солнца через атмосферу Земли при проведении ее зондирования с КА и обозначено:

D - видимый с КА горизонт Земли;

С - верхняя граница атмосферы Земли;

Аi , Bi - точки, соответственно «входа» Солнца в атмосферу Земли и «захода» Солнца за горизонт Земли для различных возможных реализаций сеансов зондирования.

При этом объем получаемой в сеансе зондирования атмосферы полезной информации пропорционален длине отрезка [Аi, B i].

Кроме того, для применения данного способа необходимо, чтобы прибор зондирования мог быть повернут относительно строительных осей КА, находящегося в указанной ориентации, до совмещения оси чувствительности прибора зондирования с направлением на Солнце - т.е. допускал установку, в общем случае, в произвольное положение относительно строительных осей КА. Но на практике прибор зондирования либо устанавливается так, что его ось визирования (чувствительности) принимает фиксированные положения относительно КА, либо ось визирования прибора имеет ограниченные углы «прокачки» относительно строительных осей КА. Данный способ не позволяет учитывать особенности установки прибора зондирования, что существенно ограничивает область его применения.

Наряду с этим, для обеспечения функционирования КА при реализации сеанса зондирования атмосферы требуется наличие необходимого количества электроэнергии, вырабатываемой СБ КА. Данное техническое решение не позволяет учитывать этот фактор, что может привести к необходимости расхода дополнительных энергетических ресурсов КА, а при их недостаточном количестве - к срыву реализации или отказу от выполнения сеанса зондирования.

Задачей, стоящей перед предлагаемым способом, является увеличение объема получаемой при зондировании атмосферы Земли полезной информации при минимизации требуемых энергетических затрат орбитального КА, движущегося по околокруговой орбите, с инерционными исполнительными органами.

Технический результат достигается тем, что в способе управления ориентацией орбитального космического аппарата с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы Земли, включающем выставку оси визирования прибора зондирования относительно строительных осей космического аппарата, разворот космического аппарата до совмещения оси визирования прибора зондирования с направлением на Солнце, разворот космического аппарата до совмещения оси его минимального момента инерции с плоскостью орбиты, последовательное поддержание неизменной ориентации космического аппарата в орбитальной и инерциальной системах координат и выполнение зондирования атмосферы Земли в моменты захода Солнца за видимый с космического аппарата горизонт Земли, дополнительно измеряют высоту орбиты космического аппарата и определяют по ней значения угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o между направлением в центр Земли и направлением на нижнюю границу исследуемого слоя атмосферы Земли и угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в между направлением в центр Земли и направлением на верхнюю границу исследуемого слоя атмосферы Земли, выставляют ось визирования прибора зондирования в сторону, соответствующую наибольшей освещенности солнечных батарей космического аппарата, под углом способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 к направлению оси минимального момента инерции космического аппарата, значение которого равно или более значения угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o и соответствует минимальному значению рассогласования между углом отклонения оси минимального момента инерции космического аппарата в текущей полетной ориентации от местной вертикали и углами отклонений оси минимального момента инерции космического аппарата от местной вертикали в начале и конце сеанса зондирования способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 1,2, определяемыми по формуле

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты космического аппарата, при его совпадении со значением угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o измеряют угол возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли и при значениях данного угла, меньших либо равных значению угла возвышения верхней границы исследуемого слоя атмосферы над видимым с космического аппарата горизонтом Земли, разворачивают космический аппарат до совмещения оси визирования прибора зондирования с направлением на Солнце и оси минимального момента инерции космического аппарата с направлением, лежащим в плоскости орбиты и образующим с проекцией направления на Солнце на плоскость орбиты угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , определяемый по формуле

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

поддерживают неизменную ориентацию космического аппарата в инерциальной системе координат и выполняют зондирование атмосферы Земли.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1-8, на которых приведены: на фиг.1 - возможные схемы прохождения Солнца через атмосферу Земли при зондировании атмосферы по способу-прототипу; на фиг.2 - схема прохождения Солнца через атмосферу Земли при зондировании атмосферы по предлагаемому способу; на фиг.3 - схема, поясняющая действия предлагаемого способа по выбору момента выполнения зондирования и выставке оси визирования прибора зондирования (ПЗ); на фиг.4 и 5 - схемы, поясняющие определение углов возвышения верхней и нижней границ исследуемого слоя атмосферы над Землей; на фиг.6 - схема, поясняющая определение угла возвышения линии визирования ПЗ над Землей в моменты выполнения зондирования атмосферы; на фиг.7 - схема, поясняющая построение ориентации КА для выполнения зондирования; на фиг.8 - схема, поясняющая выбор величины угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 .

На фиг.2, представляющей схему прохождения Солнца через атмосферу по предлагаемому способу, в дополнение к обозначениям фиг.1 обозначено:

О - центр Земли;

R z - радиус Земли;

Р - нижняя граница исследуемого слоя атмосферы Земли;

Нo, Н в - высоты соответственно нижней и верхней границ исследуемого слоя атмосферы Земли, измеряемые от поверхности Земли;

А, В - точки «входа» и «выхода» Солнца из исследуемого слоя атмосферы Земли при наблюдении с КА за прохождением Солнца через исследуемый слой атмосферы Земли.

Исследуемый слой атмосферы задается высотой своих нижней и верхней границ от поверхности Земли, а объем получаемой полезной информации пропорционален длине пути «прохождения» Солнца по исследуемому слою атмосферы Земли, а именно длине линии [А, В].

На фиг.3, поясняющей выбор момента выполнения зондирования и выставку оси визирования ПЗ, в добавление к обозначениям фиг.1 и 2 обозначено:

N - нормаль к плоскости орбиты КА;

S - вектор направления на Солнце;

KK * - плоскость витка орбиты КА;

K - положение КА в противосолнечной точке витка орбиты;

K* - положение КА в подсолнечной точке витка орбиты;

Z - Земля;

О - центр Земли;

Rz - радиус Земли;

Норб - высота орбиты КА.

Qz - видимый с КА угловой полураствор Земли;

L - вектор направления оси визирования ПЗ;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o - угол возвышения нижней границы исследуемого слоя атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o - угол между направлением на нижнюю границу исследуемого слоя атмосферы и направлением в центр Земли;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты.

На фиг.4, поясняющей определение угла возвышения нижней границы исследуемого слоя атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли, в добавление к обозначениям фиг.1-3 обозначено:

F 1 - положение КА в момент касания линией визирования L нижней границы исследуемого слоя атмосферы;

E 1 - точка касания линией визирования L нижней границы исследуемого слоя атмосферы;

G1 - точка видимого из положения КА F1 горизонта Земли, расположенная в плоскости, образованной радиус-вектором КА и линией визирования L;

На фиг.5, поясняющей определение угла возвышения верхней границы исследуемого слоя атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли, в добавление к обозначениям фиг.1-3 обозначено:

F2 - положение КА в момент касания линией визирования L верхней границы исследуемого слоя атмосферы;

Е2 - точка касания линией визирования L верхней границы исследуемого слоя атмосферы;

G 2 - точка видимого из положения КА F2 горизонта Земли, расположенная в плоскости, образованной радиус-вектором КА и линией визирования L;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в - угол возвышения верхней границы исследуемого слоя атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в - угол между направлением на верхнюю границу исследуемого слоя атмосферы и направлением в центр Земли.

На фиг.6, поясняющей определение угла возвышения линии визирования ПЗ над Землей в момент выполнения зондирования атмосферы, в добавление к обозначениям фиг.1-3 обозначено:

F - положение КА в момент зондирования;

G - точка видимого из положения КА F горизонта Земли, расположенная в плоскости, образованной радиус-вектором КА и линией визирования L;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол возвышения линии визирования L над видимым с КА горизонтом Земли;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между направлением линии визирования L и направлением в центр Земли.

На фиг.7, поясняющей построение ориентации КА для выполнения зондирования, в добавление к обозначениям фиг.1-3 обозначено:

J - орбита КА;

M1 M2 - линия оси ММИ КА;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между осью визирования ПЗ L и направлением оси ММИ КА;

Sp - проекция направления на Солнце на плоскость орбиты;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между направлением оси ММИ КА и направлением S p.

Угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 одновременно является минимальным значением, которое может принимать угол между направлением на Солнце и направлением в центр Земли в течение текущего витка орбиты КА, и равен значению угла между направлением на Солнце и направлением в центр Земли в противосолнечной точке витка (см. фиг.3). Поэтому на витках, когда угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 равен способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0:

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

направление на Солнце в противосолнечной точке витка совпадает с направлением от КА на нижнюю границу исследуемого слоя атмосферы Земли. На фиг.3 это иллюстрируется совпадением направлений векторов S и L. При этом

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Условие нахождения в течение сеанса зондирования оси ММИ КА в плоскости орбиты соответствует нахождению угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 между осью визирования ПЗ L (направленной по S) и осью ММИ КА в диапазоне от значения способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 (равного способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o) до 90° (см. фиг.7):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

В предлагаемом способе зондирование атмосферы Земли выполняется на витках, на которых выполняется условие (1), так как только на данных витках реализуется максимально «долгое» прохождение Солнца через исследуемый слой атмосферы Земли - погружение Солнца в атмосферу Земли при заходе Солнца, непрерывно переходящее восходящее движение Солнца через атмосферу - линия [А, В] на фиг.2.

Моменты зондирования определяются как моменты, соответствующие положениям F между положениями F2-F 1-F2 (см. фиг.4-6), когда угол возвышения линии визирования L над видимым с КА горизонтом Земли способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 находится в интервале:

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Учитывая, что на витках (1) способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 всегда больше способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0, то (4) принимает вид

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Положение КА F1 (фиг.4) соответствует положению КА в противосолнечной точке К (фиг.3), точка E1 (фиг.4) - середине линии [А, В] (фиг.2), точка E2 (фиг.5) - точкам А и В (фиг.2).

Углы способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o, способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в определяются по формулам (см. фиг.4, 5):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в определяется по формуле (см. фиг.5):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

В предлагаемом способе осуществляется построение ориентации КА, при которой ось визирования ПЗ направлена на Солнце, а ось ММИ КА находится в плоскости орбиты. Данная ориентация задается следующим построением:

- ось визирования ПЗ совмещается с направлением на Солнце;

- ось ММИ КА совмещается с направлением, лежащим в плоскости орбиты КА и отстоящим от проекции направления на Солнце на плоскость орбиты КА Sp на расчетный угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 .

Значение угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 определяется из сферического треугольника, образованного векторами L, Sp и М1 М2, приведенными к общему началу в точке К (см. фиг.7):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

При этом на практике допускается определенное рассогласование оси ММИ КА и плоскости орбиты, величина которого определяется точностью задания угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o и точностью сравнения (1) углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 .

В соответствии с соотношением (10) осуществляется одновременный выбор двух взаимозависимых углов: способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 . В зависимости от текущей полетной ориентации КА на витке зондирования предлагается осуществлять выбор угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 исходя из минимизации разворотов КА из текущей полетной ориентации в ориентацию для зондирования и обратно.

Например, в качестве текущей полетной ориентации орбитальных космических станций используется режим поддержания неизменной ориентации КА в орбитальной системе координат, при котором поддержание оси ММИ КА в плоскости орбиты осуществляется при углах между осью ММИ и направлением местной вертикали, составляющих 0° или 90° (положение гравитационного равновесия).

Также возможен вариант, когда угол между осью ММИ и направлением местной вертикали составляет 45° (см. [11], стр.63-65). При данном режиме КМ ГС, возникающий в результате компенсации гравитационного момента, накапливается по оси, перпендикулярной плоскости орбиты КА, и носит синусоидальный характер с периодом 1/2 витка. При этом в зависимости от начального гравитационного момента меняется локальный максимум КМ ГС. Локальный максимум КМ ГС имеет наименьшее значение при максимальном начальном гравитационном моменте. Поскольку начальный гравитационный момент максимален при угле 45° между осью ММИ и направлением местной вертикали, то при таких углах режим поддержания ориентации длится максимальное время.

Перечисленные варианты являются возможными «дежурными» ориентациями КА - ориентациями, благоприятными для длительного поддержания. Это не исключает возможности использования и других значений углов отклонения оси ММИ КА относительно местной вертикали.

На фиг.8, поясняющей выбор величин углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , в добавление к обозначениям фиг.1-7 обозначено:

F3 - положение КА вне времени сеанса зондирования;

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между радиус-векторами КА в противосолнечной точке (F1) и в точке начала (конца) сеанса зондирования (F2);

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между осью ММИ КА и местной вертикалью.

Значение угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 определяется из сферического треугольника, образованного векторами S, Sp и F2 O, приведенными к общему началу в точке F2 (см. фиг.8):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

или, учитывая (1),

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Значения способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 1,2 углов между осью ММИ КА и местной вертикалью в начале и конце сеанса зондирования определяются по формуле (см. фиг.8):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

или, учитывая (10) и (12),

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Обозначим способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 - угол между осью ММИ КА и местной вертикалью в текущей полетной ориентации КА на витке зондирования. Выбор значения углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , исходя из минимизации разворота КА из текущей полетной ориентации в ориентацию для зондирования и обратно, задается требованием минимизации суммы рассогласований между способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 1,2:

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

Для этого при определении угла выставки оси визирования ПЗ в строительных осях КА выбирают способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 =способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 *, где способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 * является решением (15) из области значений способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 (3):

способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310

В самом общем случае, когда полетные ориентации КА до и после сеанса зондирования могут быть различными, требуем минимизацию суммы рассогласований между способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 1,2 и углами способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 для полетных ориентации КА до и после сеанса зондирования.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

По соотношениям (6), (7), (9) вычисляют значения углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 0, способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в. Фиксируют значение способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 угла отклонения оси ММИ КА в текущей полетной ориентации от местной вертикали. Определяют решение (3), (16) способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 *. Выставляют ось визирования ПЗ в строительных осях КА на угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 =способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 * от оси ММИ КА в сторону, соответствующую наибольшей освещенности СБ КА.

Измеряют значение угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 . Определяют витки выполнения сеансов зондирования атмосферы путем сравнения (1) углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o. При выполнении (1) выполняют измерения угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и сравнивают значения способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в. По результатам их сравнения осуществляют построение ориентации КА для зондирования, стабилизируют КА в инерциальной системе координат и выполняют зондирование атмосферы Земли в моменты времени, определяемые условием (5).

Для построения ориентации КА рассчитывают по соотношению (10) угол способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 и построение требуемой ориентации осуществляют разворотом КА до совмещения оси визирования ПЗ с направлением на Солнце и оси ММИ КА - с направлением, лежащим в плоскости орбиты КА и отстоящим от проекции направления на Солнце на плоскость орбиты КА на величину угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 .

Построение требуемой ориентации и последующая стабилизация КА при выполнении сеанса зондирования обеспечивается функционированием контура управления СУДН КА, включающим маховики, которые создают управляющие моменты по осям КА в соответствии с сигналами ИУ, предварительно обработанными УПУ. УПУ вычисляет командные сигналы, обеспечивающие управление рамами кардановых подвесов блока гироскопов при выполнении требуемого поворотного маневра КА. Если блок гироскопов, снимая насыщение маховиков, «насытится», то с помощью реактивных ДО РУ осуществится его разгрузка: в соответствии с сигналами тахометров о величине КМ маховиков ПУ определяет факт насыщения и уставки для работы РУ, по которым РУ создает требуемый внешний момент. Но учитывая, что в данном способе ось ММИ КА находится в плоскости орбиты КА, то, как отмечалось ранее, разгрузка СГ в течение времени реализации эксперимента не требуется (см. [10], [11]).

Операции измерения значений способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , Норб могут быть выполнены на основе оптических визиров и датчиковой аппаратуры СУДН КА и системы орбитальных траекторных измерений (см. [4], [8]). Операции вычисления углов способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 o, способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в, способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 в, способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 , вычисление угла способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 =способ управления ориентацией орбитального космического аппарата   с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы   земли, патент № 2325310 * и определения моментов времени по результатам выполнения сравнений (1), (5) могут быть выполнены в виде вычислителя на базе бортовой цифровой вычислительной системы КА.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемый способ позволяет за один сеанс зондирования атмосферы Земли получить максимально большой объем полезной информации. Увеличение информативности зондирования достигается за счет обеспечения «прохождения» Солнца через атмосферу Земли по касательной к линии горизонта (или нижней границе исследуемого слоя атмосферы), что в несколько раз увеличивает длительность и, следовательно, информативность зондирования по сравнению с прототипом.

Кроме того, при выполнении сеанса зондирования ось ММИ КА располагается в плоскости орбиты КА, что позволяет не расходовать топливо на разгрузку ГС.

При этом выбором угла выставки оси визирования ПЗ минимизируется разворот КА из текущей полетной ориентации КА в ориентацию для выполнения зондирования, что также обеспечивает экономию ресурсов на ориентацию КА.

Наряду с этим, для обеспечения функционирования КА при реализации сеанса зондирования требуется наличие необходимого количества электроэнергии, вырабатываемой СБ КА. Операция выставки оси визирования ПЗ обеспечивает ее выставку в направлении, соответствующем наибольшей освещенности СБ КА. Поскольку в сеансе зондирования ось визирования ПЗ ориентируется на Солнце, то этим гарантируется необходимый съем электроэнергии с СБ КА в течение сеанса зондирования. Например, на КА типа орбитальных станций «Салют», «Мир», МКС (см. [9]) СБ установлены таким образом, что обеспечивается их максимальная освещенность Солнцем с направлений, соответствующих условию (3), и предложенная выставка оси визирования ПЗ гарантирует благоприятный режим обеспечения КА электроэнергией.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет за один сеанс зондирования атмосферы Земли получить максимально большой объем полезной информации при минимальных энергетических затратах КА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Демин Л.С., Сарафанов Г.В. Наблюдения из космоса // Авиация и космонавтика, 1975, №9.

2. Оптические исследования излучения атмосферы, полярных сияний и серебристых облаков с борта орбитальной станции "Салют-4" // Издательство АН ЭССР, Тарту, 1977.

3. Лазарев А.И., Коваленок В.В., Авакян С.В. Исследование Земли с пилотируемых космических кораблей // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987.

4. Инженерный справочник по космической технике // Изд-во МО СССР, М., 1977.

5. Ковтун B.C., Платонов В.Н., Суханов Н.А., Величкин С.Б., Гусев С.И. Система управления ориентацией космического аппарата с силовыми гироскопами. Патент РФ 2006430 по заявке 5032611/22 от 17.03.92 г.

6. Бебенин Г.Г., Скребушевский B.C., Соколов Г.А. Системы управления полетом космических аппаратов // М.: Машиностроение, 1978.

7. Скребушевский Б.С. Управление полетом беспилотных космических аппаратов // М.: «Владмо», 2003.

8. Система управлением движением и навигации КА. Техническое описание. 300ГК.12Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.

9. Спецификация Российского сегмента. Программа Международная космическая станция. SSP 41163. Редакция Н, 27.01.2001.

10. Сарычев В.А., Беляев М.Ю., Зыков С.Г., Сазонов В.В., Тесленко В.П. Математическое моделирование процессов поддержания ориентации орбитальной станции «Мир» с помощью гиродинов. // Космические исследования, 1991, т.29, вып.2.

11. Сарычев В.А., Беляев М.Ю., Зыков С.Г., Зуева Е.Ю., Сазонов В.В., Сайгираев Х.У. Математическое моделирование режимов ориентации орбитального комплекса "Мир" с дополнительными научными модулями // Труды XXIV Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». - М.: ИИЕТ АН СССР, 1990.

Класс B64G1/28 с использованием инерционного или гироскопического эффекта

способ измерения вектора угловой скорости космического аппарата и устройство для его реализации -  патент 2519603 (20.06.2014)
способ ориентации космического аппарата и устройство для его реализации -  патент 2519288 (10.06.2014)
способ автоматической компенсации ошибок бесплатформенной системы ориентации в системе управления ориентацией космических аппаратов, и устройство, реализующее этот способ -  патент 2517018 (27.05.2014)
способ переориентации и управления тягой вращающегося космического аппарата с солнечным парусом -  патент 2480387 (27.04.2013)
способ прогнозирования и обеспечения срока нормального функционирования космического аппарата -  патент 2446997 (10.04.2012)
многороторное гироскопическое устройство и способ управления пространственным положением космического аппарата -  патент 2403190 (10.11.2010)
способ управления кинетическим моментом космического аппарата в процессе коррекции орбиты -  патент 2356803 (27.05.2009)
способ поддержания трехосной ориентации космического аппарата с силовыми гироскопами и целевой нагрузкой -  патент 2341419 (20.12.2008)
способ управления космическим аппаратом с помощью силовых гироскопов и расположенных под углами к осям связанного базиса реактивных двигателей -  патент 2341418 (20.12.2008)
способ управления ориентацией орбитального космического аппарата с инерционными исполнительными органами при зондировании атмосферы земли и система для его осуществления -  патент 2325309 (27.05.2008)

Класс B64G1/66 размещение и модификация устройств и приборов или инструментов, не отнесенных к другим рубрикам

шариковый замок -  патент 2529250 (27.09.2014)
страховочное устройство для условий невесомости -  патент 2528504 (20.09.2014)
устройство фиксации предметов в невесомости -  патент 2528497 (20.09.2014)
сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с космическим аппаратом -  патент 2514083 (27.04.2014)
стабилизация движения неустойчивых фрагментов космического мусора -  патент 2505461 (27.01.2014)
способ космического захоронения радиоактивных отходов в дальнем космосе и космический аппарат для его осуществления -  патент 2492537 (10.09.2013)
устройство для изготовления объемных деталей и конструкций в космическом пространстве -  патент 2438939 (10.01.2012)
устройство для демонтажа и монтажа заменяемого агрегата пневмогидросистемы со сменными частями гидроразъемов (варианты) -  патент 2429169 (20.09.2011)
арретирующее устройство для электродвигателя привода руля ракеты -  патент 2427798 (27.08.2011)
арретир рулевого электропривода ракеты -  патент 2426071 (10.08.2011)

Класс B64G1/44 с использованием радиации, например раскрываемые солнечные батареи

солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов и способ ее изготовления -  патент 2525633 (20.08.2014)
способ управления ориентацией солнечной батареи космического аппарата с ограничением угла поворота солнечной батареи -  патент 2509694 (20.03.2014)
способ управления ориентацией солнечной батареи космического аппарата с контролем направления вращения и непрерывности изменения информации углового положения солнечной батареи -  патент 2509693 (20.03.2014)
способ управления ориентацией солнечной батареи космического аппарата с защитой от кратковременных сбоев информации об угловом положении солнечной батареи -  патент 2509692 (20.03.2014)
подкос солнечной батареи -  патент 2499751 (27.11.2013)
солнечная космическая электростанция и автономная фотоизлучающая панель -  патент 2492124 (10.09.2013)
солнечная батарея -  патент 2485026 (20.06.2013)
стенд раскрытия панелей солнечной батареи -  патент 2483991 (10.06.2013)
система поворота солнечной батареи -  патент 2466069 (10.11.2012)
способ управления положением солнечной батареи космического аппарата при частичных отказах датчика угла -  патент 2465180 (27.10.2012)
Наверх