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.СеменовФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро «Марс»

Докладчик Меркурьев Игорь Владимировичдоктор технических наук,заведующий кафедрой теоретической механики и мехатроники МЭИ (ТУ)

MerkuryevIV@mpei.ru

Модульный принцип построения

2

Унифицированная космическая платформа

исполнительныеподсистемы

целеваяаппаратура

служебныйборт

комплексизмерительных

приборов

интегрированнаясистема

управления

наземный комплексуправления

гироскопы

Контроль идиагностика

аппаратураспутниковой

навигации

звездныедатчики

датчикиСолнца и

планет

Решение задачориентации и

навигации

...

Коррекцияприборного

базиса

Калибровкапараметров

модели датчиков

Бортовой цифровой вычислительный комплекс

Парированиеотказов

Управлениедвижением

Формированиетелеметрии

Управлениецелевой

аппаратурой

агрегатыдвигательной

установки

системаэлектроснаб-

жения

целеваяаппаратура

средствапередачи

телеметрии

Введение

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,

и др.

Новые перспективные датчики инерциальной и внешней информации

микромеханический,

волновой твердотельный и электростатический гироскоп, звездные датчик 3

Маятник Фуко, эффект БрайанаТеория 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 гироскопаВ.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 приборовЛ.Ф. Порфирьев, В.В. Малинин, В.Ф.Худов и др.

Кассини-Гюйгенс (Cassini-Huygens) — первый искусственный спутник Сатурнас навигационной системой на базе ВТГ. Запущен 15.10.1997 г. Полетное задание до 2012г.Бюджет проекта более $3 млрд.

Новые космические программы

ClearView и NextView — программы дистанционного зондирования Земли сверхвысокого разрешения,эксперимент по проверке общей теории относительностис помощью спутника с навигационной системой на ЭСГ.

Nanospace experiment program — сверхмалые спутники на базе технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС)с навигационной системой на базе ММГ.

4

NASA,ESA,Northrop Grumman, Litton Guidance, Sagem, BAE,Draper Laboratory, Systron Donner, Analog Devices, Murata, Rockwell,

Фед.косм. агентствоРКК «Энергия», РНИИ КП, ЦНИИмаш,ЦСКБ «Прогресс», и др.

КРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ РФАвиационная и ракетно-космическая техника,Микросистемная техника

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

66

Динамика кольцевого резонатора волнового твердотельного гироскопа с учетом нелинейных упругих свойств материала

6

*

3

3

*

*

cos sin sin cos

sin cos co

2 0,

s sin2 0,

III III

IV III IV III

x y x y

x y x y

V V V V

V V V V cw

v w w v e w v

SR w v

EI

w v e w

RSR

EIRc qwv

R

=

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. 101-111Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскопЖуравлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная система минимальной размерности. Изв.РАН МТТ, 2005

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

21

2

2 ,2

2 ,2

f x

x yg

yV V

V V

bf g f f u

bg f g g u

2 2 2 2 2 2

2

22

222 2 2 2 2

8 2

5 58 2

5

,

,5

f

g

f g f f bu

g f g g bu

Уравнения колебаний резонатора по первой и второй форме

k=1

k=2

Амплитудно-частотные характеристики

88

Влияние упругой анизотропии монокристаллана собственные частоты резонатора

2

2

ω [1 ] 0,ε( )

+ω [1 ] 0ε( ) .

k k

k

k

k

k k

k k k

f

g

f

g

Величина раздвоения частот от ориентации резонатора в кристаллографических осях

8

Монокристалл гексагональной симметрии

99

Динамика волнового твердотельного гироскопа

9

10 20 30 40 50 60N

3000

2000

1000

1000

2000

3000

x,y

Нормальные формы упругих колебаний свободной кромки резонатора

5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0t с

3

2

1

1

2

3

4G i

Идентификация параметров математической модели волнового твердотельного гироскопа

10

Вектор измерения

Экспериментальные данные предоставлены ЗАО «Инерциальные технологии Технокомплекса» г.Раменское

( , )Tf gx

С N H D G F q x x&

1 0 0 1 cos2 sin 2, , ,

0 1 1 0 sin 2 cos2

0 0 1 cos2 sin 2, , ,

0 1 1 0 sin 2 cos

1

2

С c N n H h

D G F g

5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0t

0 .0 0 5

0 .0 0 5

G i

Разработка алгоритмического и программного обеспечения навигационной системы космического аппарата

Алгоритмы обработки первичной измерительной информации звездного датчика

11

Треки навигационных звезд в поле зрениязвездного датчика

Звездный датчик, Московское КБ «Марс»

Алгоритмы обработки телеметрии космического аппарата

12

Расчетные и измеренные координаты на фотоприемной матрице2 2 2

1 3 1 2 3 1 2 3

2 2 22 3 1 2 3 1 2 3

2 2 2

x = - (μ + μ + μ ) 1 ,

= y - (μ + μ + μ ) 1 ,

x xy x y s s x s

y y xy x s s y s

s x y

Разработка модели систематических ошибок измерений звездного датчика

Калибровка инструментальных погрешностей звездного датчика

13

(18)

2 2 2 2

1,

(1 ( ) ( ) )(1 ( ) ( ) )i j i j

i ji i j j

x x y y

x y x y

r r

, ,x x x y y y

( , ,1) , ( , ,1)T Tx y x y r r

-0.1 -0.075 -0.05 -0.025 0 0.025 0.05

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

150242

325

452

354532

449

468533

7424581

962

1545

1596

929

150242

325

452

354532

449

468533

7424581

962

1545

1596

929

( , ) , ,i ji j i j r r r r

Методика полетной калибровки звездного датчика

2 4 6 8 10

-60

-40

-20

20

40

6020 40 60 80 100

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

Невязки в определении углов между звездамиПоправки к эквивалентному фокусному расстоянию 14

1515

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

Внедрение

Монитор-Э КазСат Электро-Л Спектр-Р

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