Исследование характеристик алгоритмов определения углового и относительного поступательного движения малых космических аппаратов

27 ноября 2024 года
Д.С.Иванов
(Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН)

Бурное развитие малых космических аппаратов обусловило возникновение новых задач в области определения углового движения в одиночных миссиях и определения относительного поступательного движения в миссиях группового полёта. В настоящей работе предложена аналитическая методика исследования точностных характеристик алгоритмов определения движения на основе расширенного фильтра Калмана для космических аппаратов с активной системой управления ориентации и набором бортовых измерительных средств. Результаты аналитического исследования сравниваются с результатами численных и лабораторных исследований. Разработанные алгоритмы определения движения были реализованы на более 30-ти отечественных малых космических аппаратах, лётные испытания показали адекватность полученных аналитических оценок и надёжность предложенных алгоритмов для решения поставленных задач.

В рамках настоящей работы построены алгоритмы определения углового движения малых спутников для бортового компьютера с ограниченными вычислительными ресурсами, принимающие во внимание влияние неучтенных в модели движения возмущений со следующими комбинациями датчиков:

·     солнечные датчики, магнитометр и датчик угловой скорости;

·     только измерения магнитометра;

·     звездный датчик и датчик угловой скорости;

·     измерения индукционных токов в магнитных катушках.

Алгоритмы апробированы на задачах определения движения макета системы ориентации, подвешенного на струне, на аэродинамическом подвесе и в условиях орбитального полёта. Установлена зависимость точности определения движения от возмущений, действующих на систему, но неучтенных в модели движения.

Разработана методика проведения лабораторных испытаний на стендах с аэродинамическим подвесом и аэродинамическим столом, которые позволили оценить точность работы бортовых алгоритмов определения движения макетов малых КА.

Предложены алгоритмы определения относительного движения малых КА в задачах группового полёта на основе обработки видеоизображения. Точностные характеристики этих алгоритмов были оценены для задачи оценки относительного движения микроспутника «Чибис-М» после отделения от грузового корабля, а также для задачи определения движения КА относительно орбитального объекта в миссии по наблюдению за объектами космического мусора.

Разработаны и реализованы алгоритмы определения трехосной ориентации малых спутников «Чибис-М», «ТаблетСат-Аврора», «Сириус-Сат», «Орбикрафт-Зоркий» и многих других аппаратов. Определена зависимость точности и времени сходимости оценок вектора состояния от параметров алгоритмов.

Предположена методика оценки параметров модели движения малых КА, с помощью которой были получены оценки магнитных моментов КА «ТНС-0№2», «BEESAT-3», «AlfaCrux», и проведена реконструкция углового движения на этапах вывода на орбиту, установившегося движения и на этапе входа в плотные слои атмосферы.