Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов

Полезная модель относится к области космической техники. Наиболее эффективно полезная модель может быть использована для определения ориентации КА различного назначения в орбитальной системе координат. Техническим результатом от использования полезной модели является повышение точности и надежности определения положения КА в космосе. Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов включает два одинаковых оптических блока с размещенными на их поверхности чувствительными элементами, при освещении которых Солнцем выдается калиброванный сигнал определенного уровня. Оптический блок представляет собой правильный многогранник, в котором установочные поверхности чувствительных элементов наклонены друг к другу под одним и тем же углом, обеспечивающим при любом положении космического аппарата относительно вектора направления на Солнце, совместное освещение не менее пяти чувствительных элементов. В частных случаях многогранники представляют собой икосаэдр или додекаэдр. 2 з.п. ф-лы, 4 илл.

Полезная модель относится к области космической техники и может быть использована для определения ориентации космических аппаратов (КА) различного назначения в орбитальной системе координат.

Из существующего уровня техники известно устройство определения положения космического аппарата по патенту США 3493765, опубл. 03.02.1970 г., МПК H01J 39/12, 39/00; G01J 1/20, которое и было взято за прототип данной полезной модели.

Чувствительные элементы (ЧЭ) располагаются на поверхности граней КА. Измеряется рассогласование между оптической осью ЧЭ и вектором направления на Солнце. Пары ЧЭ соединены по дифференциальной схеме. При освещении Солнцем каждой грани выдается калиброванный сигнал определенного уровня. Сумма сигналов с освещенных граней дает возможность определять ориентацию КА.

К главным преимуществам такого способа построения прибора для определения ориентации КА можно отнести:

а) простоту, экономичность и легкость монтажа,

б) простое применение к каналу рыскания дифференциальной схемы без использования какой-либо дополнительной вычислительной обработки.

Однако существует и ряд недостатков. Вследствие появления зон нечувствительности, связанных с полным отражением света от стеклянной защитной поверхности ФЭП, поле зрения ЧЭ представляет собой конус с углом при вершине 140°, а следовательно, в случае горизонтально-вертикального размещения ЧЭ, при углах возвышения <20°, прибор имеет слепые зоны.

Дифференциальная схема подключения ЧЭ не обеспечивает точного определения компонентов вектора направления на Солнце, а лишь позволяет оценить величину рассогласования между сигналами ЧЭ.

В основу заявляемой полезной модели положена задача создания прибора для определения ориентации космических аппаратов с большей точностью и лишенного перечисленных выше недостатков, присущих прототипу.

Техническим результатом от использования полезной модели является повышение точности и надежности определения положения КА в космосе.

Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов, включающий два одинаковых оптических блока с размещенными на их установочных поверхностях чувствительными элементами, при освещении которых Солнцем выдается калиброванный сигнал определенного уровня, отличающийся тем, что оптический блок представляет собой правильный многогранник, в котором установочные поверхности чувствительных элементов наклонены друг к другу под одним и тем же углом, обеспечивающим при любом положении космического аппарата относительно вектора направления на Солнце, совместное освещение не менее пяти чувствительных элементов.

В частных случаях оптический блок представляет собой додекаэдр или икосаэдр. Схема размещения ЧЭ на данных многогранниках обеспечивает однозначное определение координат вектора направления на Солнце, резервирование, с использованием минимального количества ЧЭ, снятие ограничений на определение ориентации КА путем сведения к минимуму слепых зон датчика. Также додекаэдр и икосаэдр обеспечивают совместную освещенность нескольких граней с равномерным сферическим обзором.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг.1 - расположение ЧЭ при дифференциальной схеме включения (по прототипу).

На фиг.2 - связанная система координат (ССК) КА и углы, определяющие положение вектора направления на Солнце.

На фиг.3 - схема расположения ЧЭ на гранях икосаэдра.

На фиг.4 - схема установки оптических блоков заявленной полезной модели.

Примеры реализации полезной модели. Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов включает в себя два одинаковых оптических блока с размещенными на их установочных поверхностях чувствительными элементами, при освещении которых Солнцем выдается калиброванный сигнал определенного уровня. Оптический блок представляет собой правильный многогранник, а именно икосаэдр, который имеет 20 граней, на каждой из которых располагается ЧЭ. В этом случае всегда выполняется условие совместного освещения нескольких ЧЭ, а угол между нормалями к отдельным граням икосаэдра равен 41,81°.

Пример 2 отличается от примера 1 тем, что в качестве многогранника для оптического блока используется додекаэдр, который также обеспечивает совместную освещенность нескольких граней, а угол между нормалями к отдельным граням приблизительно равен 73°.

Принцип работы устройства.

При освещении Солнцем ЧЭ, находящихся на гранях оптического блока, выдается выходное напряжение.

Для определения точности ориентации КА на Солнце необходимо знать компоненты матрицы перехода от ССК КА к ССК ЧЭ. Обозначим эту матрицу через A_u, тогда направляющие косинусы оптических осей ЧЭ можно найти из произведения:

где J - единичный вектор, определяющий положение чувствительной оси ЧЭ в его собственной ССК.

Выходное напряжение ЧЭ пропорционально косинусу угла между его оптической осью и вектором направления на Солнце. Это то же самое, что скалярное произведение двух единичных векторов - вектора направления на Солнце и вектора, определяющего положение оптической оси ЧЭ в ССК КА. Это означает, что для определения трех проекций вектора направления на Солнце на оси ССК КА необходимо иметь систему из трех уравнений. Очевидно, что система трех линейных уравнений с единственным решением получится при совместном освещении трех ЧЭ, расположенных под разными углами:

где S_x, S_y, S _z - проекции вектора направления на Солнце на оси ССК КА,

U₁, U₂, U₃ - нормированные к единице напряжения ЧЭ.

Описанная схема размещения ЧЭ, в пределах верхней полусферы, обеспечивает совместное освещение не менее пяти ЧЭ, а это означает, что в каждом положении мы имеем как минимум два избыточных сигнала.

1. Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов, включающий два одинаковых оптических блока с размещенными на их установочных поверхностях чувствительными элементами, при освещении которых Солнцем выдается калиброванный сигнал определенного уровня, отличающийся тем, что оптический блок представляет собой правильный многогранник, в котором установочные поверхности чувствительных элементов наклонены друг к другу под одним и тем же углом, обеспечивающим при любом положении космического аппарата относительно вектора направления на Солнце совместное освещение не менее пяти чувствительных элементов.

2. Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов по п.1, в котором оптический блок выполнен в форме додекаэдра.

3. Прибор для определения точности ориентации космических аппаратов по п.1, в котором оптический блок выполнен в форме икосаэдра.