ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И ТОЧНОСТИ АСТРОИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И ТОЧНОСТИ
АСТРОИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ
А.Б.Гавриленко, И.В. Меркурьев,
Московский энергетический институт (технический университет)
А.Г. Гладыревский, Е.Е.Семенов
ФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро «Марс»
Докладчик
Меркурьев Игорь Владимирович
доктор технических наук,
заведующий кафедрой теоретической механики и мехатроники МЭИ (ТУ)
MerkuryevIV@mpei.ru
Введение
Унифицированная космическая платформа
исполнительные
подсистемы
целевая
аппаратура
Модульный принцип построения
комплекс
измерительных
приборов
служебный
борт
интегрированная
система
управления
наземный комплекс
управления
Бортовой цифровой вычислительный комплекс
Контроль и
диагностика
Управление
движением
агрегаты
двигательной
установки
звездные
датчики
Калибровка
параметров
модели датчиков
Решение задач
ориентации и
навигации
система
электроснабжения
датчики
Солнца и
планет
Парирование
отказов
Коррекция
приборного
базиса
средства
передачи
телеметрии
Формирование
телеметрии
Управление
целевой
аппаратурой
целевая
аппаратура
гироскопы
аппаратура
спутниковой
навигации
...
С.П.Королев,
Б.В.Раушенбах,
Б.Е.Черток,
В.П.Легостаев,
А.Ю.Ишлинский,
В.Д.Андреев,
Е.А.Девянин,
Д.М.Климов,
Н.А.Парусников,
2
Новые перспективные датчики инерциальной и внешней информации
микромеханический,
волновой твердотельный и
Маятник Фуко, эффект Брайана
Теория вибрационных гироскопов
Л.Д.Лисовский, Е.Л.Смирнов, П.Сейвет, Л.З.Новиков,
Л.И.Брозгуль, В.А.Матвеев, М.А.Павловский, А.В.Збруцкий,
Ю.К.Жбанов, В.Я.Распопов и др.
Теория волнового твердотельного гироскопа
В.Ф.Журавлев, Д.М.Климов, Ю.К.Жбанов, Д. Линч,
В.А.Матвеев, В.В.Подалков, Г.М.Виноградов, Б.С. Лунин,
А.М.Павловский, М.Ю.Шаталов, С.А. Сарапулов и др.
Теория электростатического гироскопа
Ю.Г.Мартыненко, В.Г.Пешехонов, В.В.Подалков, Б.Е.Ландау,
В.З.Гусинский, А.С.Анфиногенов, В.Н.Комаров и др.
Теория оптико-электронных звездных приборов
Л.Ф. Порфирьев, В.В. Малинин, В.Ф.Худов и др.
электростатический гироскоп,
звездные датчик
3
Новые космические программы
Кассини-Гюйгенс (Cassini-Huygens) —
первый искусственный спутник Сатурна
с навигационной системой на базе ВТГ.
Запущен 15.10.1997 г. Полетное задание до 2012г.
Бюджет проекта более $3 млрд.
NASA,ESA,
Northrop Grumman,
Litton Guidance,
Sagem, BAE,
Draper Laboratory,
Systron Donner,
Analog Devices, Murata,
Rockwell,
ClearView и NextView —
программы дистанционного зондирования Земли
сверхвысокого разрешения,
эксперимент по проверке общей теории относительности
с помощью спутника с навигационной системой на ЭСГ. Фед.косм. агентство
РКК «Энергия»,
Nanospace experiment program —
РНИИ КП, ЦНИИмаш,
сверхмалые спутники на базе технологии
ЦСКБ «Прогресс»,
микроэлектромеханических систем (МЭМС)
и др.
с навигационной системой на базе ММГ.
КРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ РФ
Авиационная и ракетно-космическая техника,
Микросистемная техника
4
Структура доклада
1. Динамика и модели погрешностей микромеханического
вибрационного гироскопа с кольцевым резонатором.
2. Динамика волнового твердотельного гироскопа с
полусферическим резонатором. Результаты стендовых испытаний
3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения
навигационной системы малого космического аппарата
5
Динамика кольцевого резонатора волнового твердотельного
гироскопа с учетом нелинейных упругих свойств материала
Bryan, G.H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell.
-Proc. Camb. Phil. Soc. Math. Phys Sci., 1890, vol.7, pp. 101-111
Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп
Журавлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная
система минимальной размерности. Изв.РАН МТТ, 2005






EI
RS v  2w  Vx  cos   V y  sin   Vx sin   V y cos   3 w III  v  e* w III  v =
  0,
R
EI
SR w  2v  Vx  sin   V y  cos   Vx cos   V y sin   3  w IV  v III  e* w IV  v III   cw  c*w    Rq  0,

R 



6
6
Уравнения колебаний резонатора по первой и второй форме
b
f1  2g1  1 f1  12 f f1  V y  Vx  u1,
2
b
g1  2f1  1g1  12g g1  Vx  V y  u1,
2





k=1
8
2
f 2  g 2   2 f 2  22 f f 2   bu2 ,
5
5
8
2
g2  f 2   2 g 2  22 g g 2  bu2 ,
5
5





k=2
Амплитудно-частотные характеристики
Влияние упругой анизотропии монокристалла
на собственные частоты резонатора
Монокристалл гексагональной симметрии
Величина раздвоения частот от ориентации резонатора
в кристаллографических осях
f k  ω k2 [1  ε(k  k ) f k ]  0,
g k  ω 2k [1 + ε(k  k ) g k ]  0.
8
8
Динамика волнового твердотельного гироскопа
x,y
3000
2000
1000
1000
10
20
30
40
50
60
N
2000
3000
Нормальные формы упругих колебаний свободной кромки резонатора
9
9
Идентификация параметров математической модели
волнового твердотельного гироскопа
Вектор измерения x  ( f , g )T
q   С  N  H  x   D  G  F  x&
1
С  c
0
1
D  
0
Gi
4
0
 0
, N  n

1
 1
0
 0
, G  

1
 1
1
 cos 2 sin 2 
, H  h
,


0
 sin 2  cos 2 
1
 cos 2 sin 2 
, F  g
,


0
 sin 2  cos 2 
Gi
3
2
0.005
1
50
1
100
150
200
t с
50
100
150
200
t
0.005
2
3
Экспериментальные данные предоставлены
ЗАО «Инерциальные технологии Технокомплекса» г.Раменское
10
Разработка алгоритмического и программного обеспечения
навигационной системы космического аппарата
Алгоритмы обработки первичной измерительной информации звездного датчика
Треки навигационных звезд в поле зрения
звездного датчика
Звездный датчик, Московское КБ «Марс»
11
Алгоритмы обработки телеметрии космического аппарата
12
Калибровка инструментальных погрешностей звездного датчика
Разработка модели систематических
ошибок измерений звездного датчика
Расчетные и измеренные координаты на
фотоприемной матрице
x =  1   3 x - 1 xy   2 x 2   3 y  (μ1 + μ 2 s + μ 3 s 2 ) x 1  s 2 ,
y =  2   3y - 1 y 2   2 xy   3 x  (μ1 + μ 2 s + μ 3 s 2 ) y 1  s 2 ,
(18)
s2  x2  y 2
13
Методика полетной калибровки звездного датчика
1596
354
532
0.06
325
r  ( x, y,1)T , r  ( x, y,1)T
0.04
449
1545
0.02
1  xxj  yi y j
ri, rj   (1  ( x)2  ( y)i2 )(1
 ( xj ) 2  ( y j ) 2 )
i
i
581
468
533
x  x  x , y  y   y ,

929
0
-0.02
(i , j )
7424
452
-0.04
 ri, rj   ri , rj 
242
150
962
-0.06
-0.1
-0.075
-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
60
20
40
40
60
80
100
-0.5
20
-1
2
4
6
8
10
-1.5
-20
-2
-40
-60
Невязки в определении углов между звездами
-2.5
Поправки к эквивалентному
фокусному расстоянию
14
Заключение
•Построены математические модели микромеханического и волнового
твердотельного гироскопов.
•Рассчитаны уходы из-за нелинейных упругих свойств материала, конечных
деформаций резонатора.
•Предложены меры направленные на повышение точности гироскопа:
- алгоритмы аналитической компенсации систематического ухода в режиме
свободных колебаний.
- алгоритмы обработки измерений и управления в режиме вынужденного и
управляемого движения.
•Получены расчетные формулы для масштабного коэффициента, собственной
частоты анизотропного резонатора.
•Сформулированы требования по точности изготовления анизотропного
резонатора.
Разработана методика обработки первичных измерительных данных гироскопов и
оптико-электронных приборов в целях аналитической компенсации
систематических погрешностей.
•Разработан испытательный стенд для комплексной отладки бортового
программного обеспечения астроинерциальной навигационной системы
15
15
Внедрение
Алгоритмическое и программное обеспечение
•цифрового имитатора комплекса командных приборов РБ «Бриз-М»,
•оптико-электронного звездного датчика,
•автономных и комплексных стендовых испытаний датчиков МКА
Московское КБ «Марс» Федерального космического агентства РФ
Алгоритмическое и программное обеспечение
калибровки параметров модели уходов ММГ и ВТГ.
обработка экспериментальных данных ММГ и ВТГ.
«Инерциальные технологии Технокомплекса» г.Раменское
Монитор-Э
КазСат
Электро-Л
Спектр-Р