Алгоритм расчёта «Гиросолнца» в системе управления ориентацией и стабилизацией космической платформы

Введение

Определение направления на Солнце относительно корпуса космического аппарата (КА) – базовая задача СУОС, от точности и непрерывности которой зависят энергобаланс КА, выбор режима работы бортовой аппаратуры и построение опорных систем координат [1]. Основной источник этой информации – солнечный датчик (СД), недоступный на участках тени Земли и при выходе Солнца за пределы поля зрения датчика вследствие конструктивных ограничений [2, с. 45-53].

Для устранения перерывов в информации применяется расчётная модель «Гиросолнце»: на интервалах достоверных измерений СД она синхронизируется с фактическим положением Солнца, а при отсутствии информативности СД – интегрируется по данным БИУС. Цель статьи – систематизировать алгоритм расчёта «Гиросолнца», его математическую основу и механизмы контроля достоверности.

1. Функциональное назначение алгоритма

Алгоритм «Гиросолнце» выполняется в цикле СПО УОС с тактом 0,1 с и решает следующие задачи:

• начальную выставку направляющих косинусов «Гиросолнца» по первому достоверному измерению СД;
• коррекцию «Гиросолнца» по текущим показаниям СД при достоверной видимости Солнца;
• автономное интегрирование «Гиросолнца» на участках тени КА или потери информативности СД по данным БИУС;
• вычисление углов отклонения оси Z визирной системы координат (ВСК) от направления на Солнце;
• контроль достоверности оценки и формирование диагностического признака при её потере.

В отличие от рекурсивных схем фильтрации (например, фильтра Калмана [3, с. 1501-1506]), алгоритм реализует детерминированную схему: прямую подстановку измерения при его достоверности и интегрирование без коррекции при его отсутствии, что упрощает реализацию на бортовом вычислителе, но требует отдельного контроля накопленной погрешности. Общая логика алгоритма представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Укрупнённая схема алгоритма расчёта «Гиросолнца»

2. Математическая модель и этапы алгоритма

Направление на Солнце представляется единичным вектором  в осях ВСК КА [4]. На каждом такте выполняются этапы, представленные на рисунке 1: выставка, коррекция/интегрирование, нормирование с вычислением углов отклонения и контроль достоверности.

Выставка. Пока признак выставки «Гиросолнца» Пгс=0, при информативности СД Исд=1 вектор инициализируется измерением:

, (1)

Интегрирование. При тени или потере информативности СД (Пт=1 или Исд=0) вычисляется половина угла поворота КА за такт:

, (2)

Где θ(i) – параметры (приращения) ориентации КА, поступающего от БИУС, а сравнение с порогом flt_min защищает от накопления вклада незначимых шумовых составляющих угловой скорости.

Далее компоненты вектора «Гиросолнца» последовательно обновляются шестикратным применением векторного произведения вида:

, (3)

В программной реализации указанное соотношение раскрывается по компонентам. Последовательность вычислений выполняется дважды: сначала в порядке (0→1→2), затем в обратном порядке (2→1→0), что соответствует симметризованной (центральной) схеме интегрирования кинематического уравнения dS/dt = S × ω.

При достоверной видимости Солнца вектор заменяется измерением СД (прямая коррекция).

Нормирование. Независимо от способа обновления, вектор приводится к единичной норме:

, (4)

При норма принимается равной 1 для защиты от деления на ноль. Затем вычисляются углы отклонения оси Z ВСК от Солнца:

, (5)

, (6)

И полный угол отклонения:

, (7)

3. Контроль достоверности «Гиросолнца»

Механизм контроля основан на геометрическом и временном критериях [3, с. 1501-1506]. Поле зрения СД разбивается на четыре зоны по знакам , , каждая – со своей границей незатенённости (рис. 2):

Рис. 2. Зоны обзора СД по четвертям

Если ни одно условие не выполняется – направление вне зоны обзора СД. Если направление в зоне обзора, , СД включён, но неинформативен – запускается счётчик Count_ISDout. Контроль раздельный: в баллистическом режиме сравнение с уставкой TinfSD, в режиме ПСО – с ISDout_PSO (табл.). При превышении уставки Пгс сбрасывается в 0, в буфер записывается код события.

Таблица

Условия контроля достоверности

Заключение

Рассмотренный алгоритм «Гиросолнце» реализует детерминированную гибридную схему восстановления направления на Солнце, комбинирующую прямую коррекцию по данным СД и кинематическое интегрирование по БИУС, что обеспечивает непрерывность оценки при отсутствии достоверных измерений. Раздельный контроль достоверности по геометрическому и временному критериям для баллистического режима и режима ПСО позволяет гибко настраивать допустимую продолжительность автономной работы без изменения программного кода. Направлением развития алгоритма может стать переход к статистически обоснованным схемам оценивания, например на основе фильтра Калмана.