|
Сведения о ходе выполнения Проекта №14.604.21.0094
«Разработка и исследование бортовой комплексной системы высокоточной ориентации космических аппаратов по астрономическим ориентирам с подсистемой геометрической взаимной привязки датчиков»
Сведения о Проекте Проект выполняется Московским государственным университетом имени М.В.Ломоносова (подразделение МГУ — Государственный астрономический институт имени П.К.Штернберга) в рамках мероприятия 1.2 Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Транспортные и космические системы».
Проект выполняется по Соглашению № 14.604.21.0094 от «08» июля 2014 года между Минобрнауки России и МГУ, индустриальным партнером по этому Соглашению является ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина (г. Химки, Московская область).
Наименование проекта «Разработка и исследование бортовой комплексной системы высокоточной ориентации космических аппаратов по астрономическим ориентирам с подсистемой геометрической взаимной привязки датчиков».
Уникальный идентификатор Проекта: RFMEFI60414X0094. Срок выполнения Проекта 2014—2016 гг. Проект будет выполнен в 5 этапов.
Цель проекта Первая проблема, исследуемая в настоящем ПНИ — обеспечение контроля взаимной ориентации различных датчиков и целевой аппаратуры космических аппаратов (КА). Системы определения ориентации необходимы КА для выполнения многих задач. Датчики звездной ориентации могут использоваться для определения поправок к показаниям гироскопов, при изменении ориентации КА, а также вместе с другими датчиками при наведении антенн или целевой аппаратуры на заданные объекты (например, фото/видеокамер при дистанционном зондировании Земли). Датчики направления на Солнце используются при ориентации солнечных батарей, для защиты целевой и прикладной аппаратуры от засветки прямым солнечным излучением, для определения моментов входа и выхода в тень Земли. Датчик геовертикали (локальной вертикали Земли) служит для наведения целевой аппаратуры на изучаемые области поверхности Земли и для географической координатной привязки получаемой информации. При этом показания звездных датчиков определяют ориентацию (поворот) конструкционной системы координат относительно выбранной инерциальной системы, другие типы датчиков ориентации определяют направления на соответствующие космические объекты относительно своих конструкционных систем координат.
Уже при точности, достигнутой современными серийными приборами определения ориентации, обеспечить сохранение взаимной ориентации автономных датчиков, установленных на борту КА, на уровне порядка погрешности их измерений только за счет жесткости конструкций КА не представляется возможным. Это приводит к появлению систематического рассогласования реальных и измеряемых показаний датчиков, что не позволяет осуществлять точную ориентацию целевой аппаратуры.
По этой причине дальнейшее повышение точности автономных датчиков ориентации теряет смысл без принятия специальных мер к взаимной геометрической привязке их конструкционных систем координат. Первые приборы определения ориентации были установлены на Спутнике-3, запущенном в мае 1958 г. За прошедшие полвека датчики ориентации существенно прогрессировали. Росла их надежность, уменьшались вес, габариты и энергопотребление, но наиболее важным направлением усовершенствований было повышение их точности. Сегодня точность лучших серийно выпускаемых звездных датчиков составляет несколько угловых секунд, солнечных датчиков — порядка угловой минуты, датчиков геовертикали — порядка 1—10 угловых минут. Современные экспериментальные образцы звездных датчиков ориентации имеют еще в 10—30 раз большую точность.
В настоящее время системы, контролирующие геометрические параметры аппаратуры КА, использовались только в уникальных научных проектах (космические эксперименты Gaia и Hipparcos — оба КА созданы Европейским космическим агентством). Однако даже в этих проектах осуществлялся контроль только за оптическими элементами целевой аппаратуры. Планировались системы геометрического контроля в нереализованных космических проектах SIM (США) и Озирис (Россия) для поддержания стабильности звездных интерферометров.
Систем, реализующих внутренний геометрический контроль автономных датчиков ориентации и целевой аппаратуры КА, в настоящее время нигде не используют и не разрабатывают. В рамках настоящей ПНИ предлагается разработать конструкцию системы для геометрической привязки экспериментальных высокоточных датчиков ориентации, входящих в состав КСВО, реализовать ее в виде макета КСВО и провести лабораторные исследования макета.
Результаты, полученные на этапе 1 Наименование и цель этапа 1: «Сравнительная оценка существующих технических решений по повышению точности ориентации КА и выбор направления исследований» На этапе 1 были получены следующие результаты.
- Составлен аналитический обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы по теме Проекта. Обзор велся по следующим направлениям:
- датчики ориентации (гироскопические, звездные, солнечные, прочие);
- комплексные системы ориентации;
- подсистемы взаимной геометрической привязки датчиков ориентации.
Обзор содержит 73 источника, из них 56 за 2009—2014 гг. - Проведены предварительные патентные (ПИ) исследования. Они касались основных компонентов комплексной системы ориентации, разрабатываемой в рамках Проекта: звездные датчики; солнечные датчик; системы геометрического контроля.
Для дальнейшего изучения отобраны 56 патентов, из которых 29 опубликованы в последние 5 лет.
- Сравнительная оценка существующих технических решений по повышению точности ориентации, данные аналитического обзора и ПИ подтвердили и позволили уточнить выбора направления дальнейших исследований. А именно:
- В качестве звездных датчиков (ЗД) предполагается использовать узкопольные высокоточные ЗД на основе ПЗС-матриц с обратной засветкой.
- В качестве солнечного датчика (СД) предлагается использовать предложенный разработчиками датчик с интерференционным мениском. Однако при его создании возможны технологические проблемы при создании этого прибора (требуется равномерное нанесение интерференционного покрытия на сферическую поверхность). Поэтому в качестве альтернативного варианта рассматривается СД на основе сверхширокоугольного объектива «рыбий глаз».
- Для контроля геометрии предлагается использовать систему механического типа.
- Создана база данных звезд для имитатора звездного неба. Координатная часть этой базы данных является окончательной, а фотометрическая — предварительной. Если кривые спектральной чувствительности ПЗС-матриц звездных датчиков макета будут отличаться от номинальных (опубликованных производителем), звездные величины будут пересчитаны на следующих этапах Проекта. База данных послужит основой для каталогов навигационных звезд звездных датчиков. В базе содержатся сведения о 2 362 384 звездах.
Предполагается зарегистрировать эту базу данных в Росреестре.
- Разработано ПО для управления базой данных звезд для имитатора звездного неба.
Предполагается зарегистрировать разработанное ПО в Росреестре в 2015 г. - Составлена инструкция по формированию и ведению базы данных звезд для имитатора звездного неба. Инструкция оформлена в виде технического документа, утверждена Исполнителем Проекта и передана Индустриальному партнеру.
Результаты, полученные на этапе 2 Наименование и цель этапа 2: «Разработка эскизной конструкторской документации на макет КСВО и ее элементы»
На этапе 2 были получены следующие результаты. - Проведены теоретические исследования по выбору параметров конструкции следующих частей макета комплексной системы высокоточной ориентации (КСВО): высокоточного датчика звездной ориентации (ВДЗО), датчика направления на Солнце (ДНС), подсистемы геометрического контроля (ПГК). Было решено выбрать следующие параметры конструкций:
Для ВДЗО: - исключить их конструкции ВДЗО защитную крышку (со всеми элементами);
- не устанавливать ножи главной бленды ВДЗО;
- не устанавливать ЭВТИ корпуса ВДЗО (внешнюю);
- внести изменения в блок электроники.
Для ДНС
- в качестве фотоприемника использовать КМОП-матрицу EV76C660 или EV76C661 фирмы e2v (Великобритания);
- в качестве оптической системы использовать миниатюрный объектив типа «рыбий глаз»;
- ДНС будет изготавливаться в варианте (а) с интерференционным мениском. В случае технических проблем с нанесением интерференционного покрытия на мениск будут рассмотрены варианты конструкции ДНС (б) с мениском из молочного кварца без покрытия и (в) без мениска с расфокусированным объективом.
Для макета ПГК: - Предполагается использовать дифференциальные датчики смещения D-100.00 фирмы Physik Instrumente (Германия);
- Макет ПГК изготовить в виде равносторонней треугольной пирамиды основание которой является основанием макета КСВО в целом, а на боковые грани устанавливаются датчики (два ВДЗО и один ДНС).
- Доработаны имеющиеся и разработаны новые алгоритмы алгоритмов и программного обеспечения (ПО) для ВДЗО, ДНС и блока управления (БУ) КСВО.
- Создана база данных (БД) навигационных звезд (НЗ) для бортового каталога ВДЗО. Разработано ПО для создания бортового каталога из базы данных всех звезд до заданной звездной величины (такая база используется в имитаторе звездного неба, оба была разработана на этапе № 1 ПНИ). Составлена инструкция по управлению БД БКНЗ.
- Доработана имеющаяся и разработана новая эскизная конструкторская документации на ЭО ВДЗО, ЭО ДНС, ЭО БУ КСВО, макеты ПГК и КСВО.
- Индустриальным партнером (НПО им. С.А. Лавочкина) изготовлены механические детали для ДНС и макета ПГК КСВО.
- Индустриальным партнером разработка программ и методики вибрационных и термовакуумных испытаний ЭО ВДЗО и ДНС.
Результаты, полученные на этапе 3
Наименование и цель этапа 3: «Создание экспериментальных стендов и разработка методического обеспечения испытаний макета КСВО и ее элементов»
На этапе 3 были получены следующие результаты.
- Выполнены разработка и создание фотометрического стенда для калибровки ВЗДО (СФ ВЗДО). Стенд предназначен для проведения следующих калибровок:
- темновых токов и других темновых параметров (шума считывания и гейна) при комнатной или пониженной температурах;
- чувствительности ПЗС (построение кадра «плоского поля») в белом свете;
- оптических аберраций объектива.
Результаты калибровок на СФ ВЗДО в специальном формате записываются в ПЗУ ВЗДО.
Лабораторные исследования на СФ ВЗДО запланированы на 4 этап ПНИ.
-
Выполнены разработка и создание двух идентичных динамических стендов для проведения исследований характеристик ВЗДО (СД ВЗДО). Стенд предназначен для проведения следующих исследований:
- проверки режима начального отождествления;
- исследования уровня шумов (флуктуаций) ориентации;
- исследование повторяемости при умеренных поворотах;
- исследование погрешности при малых поворотах.
Исследования на СД ВЗДО проводятся только после записи калибровок в ПЗУ ВЗДО.
Результаты исследований на СД ВЗДО позволяют определить погрешность датчика, и сравнить ее с требованиями ТЗ на ПНИ.
Лабораторные исследования на СД ВЗДО запланированы на 4 этап ПНИ.
- Выполнены разработка и создание фотометрического стенда для калибровки ДНС (СФ ДНС). Стенд предназначен для проведения следующих калибровок:
- темновых токов и других темновых параметров ДНС (шума считывания и гейна) при комнатной или пониженной температурах;
- чувствительности КМОП (построение кадра «плоского поля») в белом свете.
Результаты калибровок на СФ ДНС в специальном формате записываются в ПЗУ ДНС.
Лабораторные исследования на СФ ДНС запланированы на 4 этап ПНИ.
-
Выполнены разработка и создание динамического стенда для проведения исследований характеристик ДНС (СД ДНС). Стенд предназначен для проведения следующих исследований:
- оценки систематических погрешностей ДНС;
- оценки систематических погрешностей ДНС в зависимости от температуры;
- определения случайной ошибки ДНС;
- исследование повторяемости показаний при умеренных и малых поворотах ДНС.
Карта систематических погрешностей содержит, в том числе, аберрации объектива (типа «рыбий глаз»), входящего в состав ДНС. Эта карта входит в состав калибровок ДНС (хотя и выполняется на СД ДНС).
Исследования на СД ДНС проводятся только после записи калибровок в ПЗУ ДНС.
Результаты исследований на СД ДНС позволяют определить погрешность датчика, и сравнить ее с требованиями ТЗ на ПНИ.
Лабораторные исследования на СД ДНС запланированы на 4 этап ПНИ.
-
Выполнены разработка и создание стенда испытательного для проведения исследований характеристик ПГК КСВО (СИ ПГК). Стенд предназначен для проведения следующих исследований:
- насколько велик шум (флуктуации) в ПГК;
- какова реакция ПГК на механические воздействия;
- какова тепловая стабильность ПГК.
Общим результатом исследования характеристик ПГК должно стать понимание того, насколько успешно функционирует предложенная конструкция ПГК. В частности, насколько хорошо выполняется предположение о малости поворотов вокруг нормалей к боковым граням пирамиды ПГК.
Еще одним выводом исследования ПГК, должны стать требования к тепловым и механическим характеристикам материалов, из которых должны изготавливаться детали ПГК (КТР, механическая жесткость).
Стенд для исследования ПГК должен обеспечивать измерение характеристик при минимальных внешних воздействиях на конструкцию ПГК, а также при заданных механических и тепловых воздействиях.
Результаты исследований на СИ ПГК позволяют определить погрешность макета ПГК КСВО, и сравнить ее с требованиями ТЗ на ПНИ.
Лабораторные исследования на СД ДНС запланированы на 4 этап ПНИ.
-
Изготовлены два экспериментальных образца ВЗДО.
ЭО ВЗДО изготовлен в соответствии с КД на ВЗДО, представленной в отчете о ПНИ за этап 2 [2].
Количество экземпляров ЭО ВЗДО определяется требования ТЗ на ПНИ (п. 4.1.2), в которых сказано, что в состав макета КСВО должны входить два ЭО ВЗДО и один ЭО ДНС.
На этапе 3 проведены промышленные испытания (вибрационные и термовакуумные) одного экземпляра ЭО ВЗДО (см. ниже). Промышленные испытания были проведены на оборудовании ИП НПО им. С.А. Лавочкина. Лабораторные исследования ВЗДО запланированы на 4 этап ПНИ.
- Изготовлен экспериментальный образец ДНС.
ЭО ДНС изготовлен в соответствии с КД на ДНС, представленной в отчете о ПНИ за этап 2 [2].
Количество экземпляров ЭО ВЗДО определяется требования ТЗ на ПНИ (п. 4.1.2), в которых сказано, что в состав макета КСВО должны входить два ЭО ВЗДО и один ЭО ДНС.
На этапе 4 будут проведены промышленные испытания (вибрационные и термовакуумные) одного экземпляра ЭО ДНС. Лабораторные исследования ДНС также запланированы на 4 этап ПНИ.
-
Разработаны программа и методики исследовательских испытаний ЭО ВЗДО.
Программа испытаний состоит из 9 пунктов, выполняемых на СФ и СД ВЗДО. Проведение испытания по разработанной программе и методикам запланировано на 4 этап ПНИ.
-
Разработаны программа и методики исследовательских испытаний ЭО ДНС.
Программа испытаний состоит из 9 пунктов, выполняемых на СФ и СД ДНС. Проведение испытания по разработанной программе и методикам запланировано на 4 этап ПНИ.
-
Разработаны программа и методики исследовательских испытаний макета ПГК СВО.
Программа испытаний состоит из 3 пунктов, выполняемых на СИ ПГК. Проведение испытания по разработанной программе и методикам запланировано на 4 этап ПНИ.
-
Разработаны программа и методики исследовательских испытаний макета КСВО.
Макет КСВО состоит их макета ПГК с высокочувствительными датчиками сдвига на боковых гранях которого установлены два ЭО ВЗДО и один ЭО ДНС. Испытательный стенд включает в себя два СД ВЗДО и один СД ДНС. Программа испытаний состоит из 3 пунктов. Проведение испытания по разработанной программе и методикам запланировано на 4 этап ПНИ.
-
Индустриальным партнером (НПО им. С.А. Лавочкина) проведены вибрационные (вибро-динамические) испытания экспериментального образца ВЗДО.
Испытания проведены с помощью ИП (НПО им. С.А. Лавочкина) и на его испытательной базе. Результаты и заключения по итогам проведения вибрационных испытаний приведены в Части 2 отчета о ПНИ.
-
Индустриальным партнером (НПО им. С.А. Лавочкина) проведены термо-вакуумные испытания экспериментального образца ВЗДО.
Испытания проведены с помощью ИП (НПО им. С.А. Лавочкина) и на его испытательной базе. Результаты и заключения по итогам проведения термо-вакуумных испытаний приведены в Части 2 отчета о ПНИ.
| 
English