[go: up one dir, main page]

RU2318188C1 - Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts - Google Patents

Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts Download PDF

Info

Publication number
RU2318188C1
RU2318188C1 RU2006125701/28A RU2006125701A RU2318188C1 RU 2318188 C1 RU2318188 C1 RU 2318188C1 RU 2006125701/28 A RU2006125701/28 A RU 2006125701/28A RU 2006125701 A RU2006125701 A RU 2006125701A RU 2318188 C1 RU2318188 C1 RU 2318188C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spacecraft
orientation
orbit
navigation
stars
Prior art date
Application number
RU2006125701/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владислав Иванович Кузнецов (RU)
Владислав Иванович Кузнецов
Тамара Валентиновна Данилова (RU)
Тамара Валентиновна Данилова
Original Assignee
Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского filed Critical Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
Priority to RU2006125701/28A priority Critical patent/RU2318188C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2318188C1 publication Critical patent/RU2318188C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: onboard system for controlling spacecrafts for autonomous estimation of orbit and orientation of spacecraft body.
SUBSTANCE: method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts includes computer calculation of position in three-dimensional space of ort of radius-vector of support (calculated, a priori assumed) orbit, rigid attachment of optical-electronic device on the body of spacecraft and measurement of coordinates and brightness of stars, which are in the field of view during navigational sessions, in it.
EFFECT: increased number of performed tasks, expanded capabilities of method application environment for any orbits, reduced number of measuring devices and mass and size characteristics of onboard system for controlling a spacecraft.
2 dwg

Description

Изобретение относится к бортовой системе управления космическими аппаратами для автономной (не зависящей от наземного комплекса управления - НКУ) оценки орбиты и ориентации корпуса КА.The invention relates to an onboard spacecraft control system for an autonomous (independent of the ground control complex - GCC) orbit assessment and orientation of the spacecraft hull.

Известны способы автономной навигации, применяемые как на пилотируемых, так и беспилотных КА. Первый способ был реализован на пилотируемых станциях "Салют". Он включал в себя измерение моментов восхода (захода) звезд за горизонт планеты при орбитальном движении станции. С целью увеличения точности навигации дополнительно измерялась скорость перемещения относительно наземных радиотехнических маяков и высота полета. Теоретические основы этой системы изложены в статье Ю.Н.Зыбина "Об одном методе автономной навигации искусственных спутников" (журнал "Космические исследования", т.VII, вып.2, 1969 г.). Второй способ применялся на аппаратах 11 Ф624 и заключался в измерении зенитных расстояний двух звезд с помощью двух астровизирующих устройств (АВУ) и радиотехнического построителя местной вертикали. Дополнительно для измерения высоты полета построитель местной вертикали снабжался еще одним приемно-передающим устройством. Этот способ описан в книге "Математическое и программное обеспечение системы автономной навигации КА 11 Ф624", под редакцией Ю.Г.Антонова и С.И.Маркова, МО СССР, 1986 г.Known methods of autonomous navigation, used both on manned and unmanned spacecraft. The first method was implemented at the Salyut manned stations. It included measuring the moments of sunrise (sunset) of stars beyond the horizon of the planet during the orbital motion of the station. In order to increase navigation accuracy, we additionally measured the speed of movement relative to terrestrial radio beacons and the flight altitude. The theoretical foundations of this system are described in the article by Yu.N. Zybin "On a Method of Autonomous Navigation of Artificial Satellites" (Cosmic Research Journal, vol. VII, issue 2, 1969). The second method was used on 11 F624 devices and consisted in measuring the zenith distances of two stars with the help of two astroizing devices (AVU) and a radio engineering local vertical builder. Additionally, to measure the flight altitude, the local vertical builder was equipped with one more transmitter-receiver. This method is described in the book "Mathematical and Software of the Autonomous Navigation System KA 11 F624", edited by Yu.G. Antonov and S. I. Markov, Ministry of Defense of the USSR, 1986.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать второй способ, который принят за прототип. Общим признаком прототипа и заявляемого способа является наличие на борту двух оптико-электронных устройств. Кроме указанных устройств в известном способе используется радиотехнический построитель вертикали, работа которого ограничивается высотой полета порядка 500 км. Этот построитель необходим потому, что для решения навигационной задачи кроме направления на бесконечно удаленную звезду требуется иметь второе направление, связанное именно с орбитальным движением КА.The closest in technical essence to the claimed invention should be considered the second method, which is adopted as a prototype. A common feature of the prototype and the proposed method is the presence on board two optoelectronic devices. In addition to these devices in a known method uses a radio vertical builder, whose work is limited to a flight altitude of about 500 km. This builder is necessary because in order to solve the navigation problem, in addition to the direction to the infinitely distant star, it is necessary to have a second direction, which is associated precisely with the orbital motion of the spacecraft.

Алгоритм работы АВУ построен на совмещении оптической оси визира с изображением заданной НКУ звезды. Для этого АВУ помещается в карданов подвес.The algorithm of the AVU operation is based on combining the optical axis of the sight with the image of the specified star of the NKU. To do this, the AVU is placed in a gimbal.

Недостатком известного способа является вынужденный разнос по корпусу КА мест расположения карданова подвеса и крепления построителя вертикали, что снижает точность измерения зенитного расстояния звезды из-за температурных деформаций корпуса КА. Для поддержания точности навигации дополнительно измеряется высота полета над Мировым океаном. Однако количество измерений из-за сдвига следа орбиты по поверхности Земли меняется со временем. Кроме того, количество измерений зависит и от наклона орбиты. Работоспособность радиотехнического высотомера, как отмечалось, ограничивается высотой полета КА. В результате для поддержания требуемой точности определения орбиты необходима периодическая коррекция со стороны НКУ информации автономной системы, то есть такая система фактически автономна лишь частично, что признают и ее разработчики. Кроме того, с помощью построителя местной вертикали грубо (с точностью до нескольких десятков угловых минут) определяют только два угла ориентации корпуса (тангаж и крен) и не определяют угол рыскания. В результате ориентация КА не может быть определена полностью и с достаточно высокой точностью.The disadvantage of this method is the forced spacing on the spacecraft body of the cardan suspension and mounting of the vertical builder, which reduces the accuracy of measuring the zenith distance of the star due to temperature deformations of the spacecraft body. To maintain navigation accuracy, flight altitude over the oceans is additionally measured. However, the number of measurements due to the shift of the orbit trace on the Earth's surface varies with time. In addition, the number of measurements depends on the inclination of the orbit. The operability of the radio altimeter, as noted, is limited by the altitude of the spacecraft. As a result, to maintain the required accuracy in determining the orbit, periodic correction by the NKU of the information of the autonomous system is necessary, that is, such a system is actually only partially autonomous, which its developers also acknowledge. In addition, with the help of the local vertical builder, only two angles of body orientation (pitch and roll) are roughly determined (up to several tens of arc minutes) and the yaw angle is not determined. As a result, the orientation of the spacecraft cannot be determined completely and with sufficiently high accuracy.

Целью данного изобретения является повышение точности навигационных оценок и получение полных оценок ориентации при уменьшении массогабаритных характеристик бортовой системы управления КА, а также расширение среды применения данного способа автономной навигации и ориентации для КА на любых орбитах (до высот геостационара и более и любых наклонений).The aim of this invention is to increase the accuracy of navigation estimates and obtain complete orientation estimates while reducing the weight and size characteristics of the onboard spacecraft control system, as well as expanding the application environment of this method of autonomous navigation and orientation for spacecraft in any orbits (up to heights of the geostationary station and more and any inclinations).

Предложенный способ состоит в том, что вместо АВУ используют оптико-электронный прибор (ОЭП), позволяющий не только визировать звезду, но и измерять приборные координаты звезд, попавших в поле зрения прибора, а радиотехнический построитель вертикали заменяют компьютерным расчетом орта радиус-вектора опорной (априори полагаемой) орбиты. Этот орт выступает в качестве линии, связанной с орбитальным движением КА, и позволяет рассчитать зенитное расстояние звезды.The proposed method consists in using an optical-electronic device (OED) instead of the AVU, which allows not only to sight the star, but also to measure the instrumental coordinates of stars that have fallen into the field of view of the device, and the vertical radio plotter is replaced by computer calculation of the unit vector of the reference radius vector ( a priori assumed) orbits. This unit acts as a line associated with the orbital motion of the spacecraft, and allows you to calculate the zenith distance of the star.

При жестком креплении ОЭП на корпусе КА и отслеживании системой стабилизации КА, хотя бы грубо (в пределах ±5°), направления на центр планеты, возможно решить совместно задачи навигации и ориентации.With the OEP fixed on the spacecraft’s hull and tracking by the spacecraft’s stabilization system, at least roughly (within ± 5 °), directions to the center of the planet, it is possible to solve navigation and orientation problems together.

В этом случае в координатах рабочей звезды (то есть наиболее яркой из звезд, попавших в поле зрения прибора) содержится информация как о месте нахождения КА в инерциальном пространстве (ибо координаты изменяются по мере движения по орбите), так и информация о фактической ориентации корпуса КА (оси связанной системы координат) относительно осей текущей орбитальной системы координат (ТОСК), принимаемой за базовую. Проблема заключается в том, как использовать эту информацию совместно с данными об опорной орбите, и решить обе задачи: навигации и ориентации.In this case, the coordinates of the working star (that is, the brightest of the stars that fell into the field of view of the instrument) contain information about the location of the spacecraft in inertial space (because the coordinates change as you move in orbit), and information about the actual orientation of the spacecraft’s body (axis of the associated coordinate system) relative to the axes of the current orbital coordinate system (TOSK), taken as the base. The problem is how to use this information together with the data about the reference orbit, and solve both problems: navigation and orientation.

Для корректного решения обеих задач измеряют координаты и яркость звезд, попавших в поле зрения прибора, и, используя данные об опорной орбите и базу звезд, распознают рабочую звезду, то есть определяют ее положение в геоцентрической экваториальной инерциальной системе координат (ГЭИСК). После этого рассчитывают угол "ось ТОСК-звезда" в текущей системе координат, принимают этот угол за угол в системе ГЭИСК и, при наличии минимум двух таких углов в навигационном сеансе, решают задачу навигации по совокупности навигационных сеансов.For the correct solution of both problems, the coordinates and brightness of the stars that fall into the field of view of the device are measured, and using the data about the reference orbit and the base of stars, the working star is recognized, that is, its position is determined in the geocentric equatorial inertial coordinate system (GEISC). After that, calculate the angle "axis TOSK-star" in the current coordinate system, take this angle as the angle in the GEISK system and, if there are at least two such angles in the navigation session, solve the navigation problem for the totality of navigation sessions.

На фиг.1 показана схема измерений в ОЭП. В приборной системе координат ξ, η, ζ из подобия параллелепипедов, построенных на координатах орта звезды (-ξ0, -η0, ζ0) и координатах изображения этой звезды (ξ, η, ζ), определяют, с одной стороны, значение измеренных координат:Figure 1 shows the measurement scheme in the EIA. In the instrument coordinate system ξ, η, ζ from the similarity of parallelepipeds built on the coordinates of the unit vector of the star (-ξ 0 , -η 0 , ζ 0 ) and the image coordinates of this star (ξ, η, ζ), determine, on the one hand, the value measured coordinates:

Figure 00000001
Figure 00000001

и, соответственно, с другой, значения координат орта звезды:and, accordingly, on the other hand, the coordinates of the unit vector

Figure 00000002
Figure 00000002

где ξ0, η0, ζ0 - координаты орта звезды,where ξ 0 , η 0 , ζ 0 are the coordinates of the unit vector,

ξ, η, f - координаты изображения звезды,ξ, η, f are the coordinates of the star image,

Figure 00000003
, f - фокусное расстояние.
Figure 00000003
, f is the focal length.

При жестком закреплении ОЭП под углами α и β относительно строительных осей КА (Xс вYс вZс в; Хс в - по продольной оси КА; Yсв - по боковой оси) орт звезды в связанной системе определяют:When the EIA is rigidly fixed at angles α and β relative to the spacecraft axes (X s in Y s in Z s in ; X s in - along the longitudinal axis of the spacecraft; Y st - along the lateral axis) the unit vector in the associated system determines:

Figure 00000004
Figure 00000004

где МП1 - матрица перехода от приборной к связанной системе координат:where MP1 is the transition matrix from the instrument to the associated coordinate system:

Figure 00000005
Figure 00000005

В начале расчетов, когда неизвестны погрешности ориентации, их полагают нулевыми, поэтому орт звезды

Figure 00000006
непосредственно переводят в орт звезды в ТОСК
Figure 00000007
с учетом различного направления осей связанной и текущей систем координат (ТОСК: ось S - по радиус-вектору, ось Т - по трансверсали, ось W - по бинормали орбиты):At the beginning of the calculations, when the orientation errors are unknown, they are assumed to be zero, therefore the unit vector
Figure 00000006
directly translate into orth stars in TOSK
Figure 00000007
taking into account the different directions of the axes of the connected and current coordinate systems (TOSK: the S axis is along the radius vector, the T axis is along the transversal, the W axis is along the binormal of the orbit):

Figure 00000008
Figure 00000008

После выработки углов ориентации формируют матрицу МП2. Тогда:After working out the orientation angles, an MP2 matrix is formed. Then:

Figure 00000009
Figure 00000009

где МП2 - матрица перехода от связанной к ТОСК опорной орбиты. Одна из возможных приближенных форм этой матрицы, удобная для дифференцирования:where MP2 is the transition matrix from the reference orbit connected to TOSK. One of the possible approximate forms of this matrix, convenient for differentiation:

Figure 00000010
Figure 00000010

где ϑ - угол тангажа,where ϑ is the pitch angle,

ψ - угол рыскания,ψ is the yaw angle,

γ - угол крена.γ is the angle of heel.

Из фиг.2 ясно, что если искомый угол φ определять в ГЭИСК, то различное пространственное положение осей S' и S приведет к погрешности расчета измеряемой величины. Если же расчет φ осуществить в ТОСК, то очевидно: как в системе S'W'Т', так и в системе STW орты соответствующих осей S0, T0, W0 будут состоять из единиц и нулей.From figure 2 it is clear that if the desired angle φ is determined in GEISK, then the different spatial position of the axes S 'and S will lead to an error in the calculation of the measured value. If the calculation of φ is carried out in TOSK, then it is obvious: both in the S'W'T 'system and in the STW system, the unit vectors of the corresponding axes S 0 , T 0 , W 0 will consist of ones and zeros.

Например, орт

Figure 00000011
запишется
Figure 00000012
. Поэтому косинус угла между соответствующей осью ТОСК и направлением на звезду будет в точности равен соответствующей координате орта
Figure 00000013
например:For example, ort
Figure 00000011
will be recorded
Figure 00000012
. Therefore, the cosine of the angle between the corresponding TOSC axis and the direction to the star will be exactly equal to the corresponding unit vector coordinate
Figure 00000013
eg:

Figure 00000014
Figure 00000014

При этом, к какой орбите - опорной или истинной - отнести угол φi, зависит от вектора

Figure 00000015
, и поскольку последний сформирован на основе фактических измерений в ОЭП (формулы (2÷6)), ясно, что это и есть значение виртуального измерения зенитного расстояния звезды на фактической (истинной) орбите.At the same time, to which orbit - reference or true - the angle φ i belongs , depends on the vector
Figure 00000015
, and since the latter is formed on the basis of actual measurements in the EIA (formulas (2 ÷ 6)), it is clear that this is the value of the virtual measurement of the zenith distance of a star in the actual (true) orbit.

Поскольку и ТОСК, и ГЭИСК - ортогональные системы, то величина угла при переходе между ними сохраняется. Это означает, что рассчитав таким образом угол, мы обходим вопрос о фактическом рассогласовании осей ТОСК опорной орбиты в сравнении с ТОСК истинной орбиты.Since both TOSK and GEISK are orthogonal systems, the angle value is preserved during the transition between them. This means that by calculating the angle in this way, we circumvent the issue of the actual mismatch of the TSC axes of the reference orbit in comparison with the TSC of the true orbit.

Последнее обстоятельство является основой утверждения о практической реализуемости алгоритма решения навигационной задачи по виртуальным измерениям. Иными словами, несмотря на то, что все решение навигационной задачи идет в ГЭИСК (как и предусматривает классический подход), расчет угла осуществляют в ТОСК.The latter circumstance is the basis of the statement on the practical feasibility of the algorithm for solving the navigation problem in virtual measurements. In other words, despite the fact that the entire solution to the navigation problem goes to the SEISC (as the classical approach provides), the angle is calculated in TOSK.

В свою очередь, исключение из расчета угла φi перехода между ТОСК и ГЭИСК приводит к значительному повышению точности этого расчета и, в конечном итоге, к росту точности навигации.In turn, the exclusion from the calculation of the angle φ i of the transition between TOSK and GEISK leads to a significant increase in the accuracy of this calculation and, ultimately, to an increase in navigation accuracy.

Расчет местных градиентов угла φi осуществляют в ГЭИСК с использованием опорной орбиты. Поскольку в ГЭИСК

Figure 00000016
, где
Figure 00000017
- радиус-вектор орбиты,
Figure 00000018
, то градиенты рассчитываются таким образом:The calculation of the local gradients of the angle φ i is carried out in GEISK using the reference orbit. Since in GEISK
Figure 00000016
where
Figure 00000017
is the radius vector of the orbit,
Figure 00000018
, then the gradients are calculated as follows:

Figure 00000019
,
Figure 00000019
,

где

Figure 00000020
- орт опорной орбиты в ГЭИСК,Where
Figure 00000020
- orth of the reference orbit in GEISK,

Figure 00000021
- орт направления на звезду в ГЭИСК,
Figure 00000021
- direction direction star in GEISK,

q - элемент массива параметров опорного положения КА в ГЭИСК, q={x,y,z}.q is an element of the array of parameters of the spacecraft reference position in GEISC, q = {x, y, z}.

После расчета угла и его градиентов собственно навигационную задачу решают традиционно, используя выбранный сглаживающий фильтр. Например, при применении метода наименьших квадратов поправки к начальной точке опорной орбиты определяют по формуле:After calculating the angle and its gradients, the navigation task itself is traditionally solved using the selected smoothing filter. For example, when applying the least squares method, the corrections to the starting point of the reference orbit are determined by the formula:

Figure 00000022
,
Figure 00000022
,

где j - номер навигационного сеанса,where j is the number of the navigation session,

n - число навигационных сеансов на мерном интервале,n is the number of navigation sessions on the measured interval,

G0j=Gj·Ф0j - начальные градиенты, то есть производные от текущей измеряемой функции φij по начальным параметрам опорной орбиты q0,G 0j = G j · Ф 0j are the initial gradients, that is, the derivatives of the current measured function φ ij with respect to the initial parameters of the reference orbit q 0 ,

Figure 00000023
- текущие (местные) градиенты,
Figure 00000023
- current (local) gradients,

i=1, 2 - число измерений в навигационном сеансе,i = 1, 2 - the number of measurements in the navigation session,

Figure 00000024
- весовая матрица измерений на j-м навигационном сеансе,
Figure 00000024
- weighted matrix of measurements on the j-th navigation session,

Кφj - матрица вторых моментов погрешностей измерений,To φj is the matrix of the second moments of measurement errors,

Figure 00000025
- баллистические (изохронные) производные,
Figure 00000025
- ballistic (isochronous) derivatives,

q0, qj - соответственно начальные и текущие параметры опорной орбиты,q 0 , q j - respectively, the initial and current parameters of the reference orbit,

Δq - поправка к начальным параметрам опорной орбиты на с-й итерации,Δq 0s - an amendment to the initial parameters in the reference orbit with the first iteration,

Δφijij измij расч - невязка измерений, Δφj={Δφ1j, Δφ2j}.Δφ ij = φ ij ismij calculation is the measurement discrepancy, Δφ j = {Δφ 1j , Δφ 2j }.

Матрицу Kφj и невязки измерений рассчитывают с учетом влияния углов отклонения корпуса КА относительно осей ТОСК:The matrix K φj and the residuals of measurements are calculated taking into account the influence of the angles of deflection of the spacecraft relative to the axes TOSK:

Figure 00000026
Figure 00000026

где σS, ΔS - средняя квадратическая и систематическая погрешности расчета орта радиус-вектора орбиты,where σ S , ΔS is the mean square and systematic errors of calculation of the unit vector of the radius vector of the orbit,

σоэп, Δоэп - аналогичные погрешности измерений в ОЭП.σ OEP , Δ OEP - similar measurement errors in the OEP.

Для независимых осей:For independent axes:

Figure 00000027
,
Figure 00000027
,

Figure 00000028
,
Figure 00000028
,

где σϑ, σψ, σγ, Δϑ, Δψ, Δγ - соответствующие погрешности системы стабилизации КА, для бортового алгоритма должны задаваться априори.where σ ϑ , σ ψ , σ γ , Δϑ, Δψ, Δγ are the corresponding errors of the spacecraft stabilization system, for the on-board algorithm they must be specified a priori.

Конечные выражения для расчета производных, близких к истинному, получают, используя выражения для орта оси ОЭП в связанной системе координат и выражения для координат оси S из матрицы перехода (МП2)T.The final expressions for calculating close to true derivatives are obtained using the expressions for the unit vector of the OED axis in the associated coordinate system and the expressions for the coordinates of the S axis from the transition matrix (MP2) T.

По этой же исходной информации: измеренные координаты распознанных рабочих звезд в двух ОЭП и опорная орбита - решают задачу ориентации.According to the same initial information: the measured coordinates of the recognized working stars in two EIAs and the reference orbit solve the orientation problem.

Для этого определяют значение матрицы (МП2)Т путем расчета матриц координат ортов одних и тех же звезд на истинной и опорной орбитах.To do this, determine the value of the matrix (MP2) T by calculating the coordinate matrices of the unit vectors of the same stars in the true and reference orbits.

Согласно (6):According to (6):

Figure 00000029
Figure 00000029

где В - матрица координат измеренных ортов трех звезд в системе Хс в, Yc в, Zс в истинной орбиты,where B is the coordinate matrix of the measured unit vectors of three stars in the system X c in , Y c in , Z c in the true orbit,

С - матрица координат рассчитанных ортов тех же звезд в системе ТОСК опорной орбиты. В матрицах координаты ортов располагают в столбцах.C is the coordinate matrix of the calculated unit vectors of the same stars in the TOSK system of the reference orbit. In the matrices, the coordinates of the unit vectors are arranged in columns.

На основе координат изображения звезды ξ, η согласно (2) и (3) рассчитывают В. Расчетные значения столбцов матрицы С формируют так:Based on the coordinates of the image of the star, ξ, η according to (2) and (3) calculate B. The calculated values of the columns of the matrix C are formed as follows:

Figure 00000030
,
Figure 00000030
,

где

Figure 00000031
- орты проекций осей ТОСК опорной орбиты в ГЭИСК, которые определяют на основе соотношений:Where
Figure 00000031
- the unit vectors of the projections of the TOSK axes of the reference orbit in the GEISK, which are determined on the basis of the relations:

Figure 00000032
,
Figure 00000032
,

где

Figure 00000033
- вектор скорости.Where
Figure 00000033
is the velocity vector.

Хотя для решения (10) требуются орты трех звезд, фактически достаточно измерить координаты двух рабочих звезд соответственно в двух ОЭП. Орт третьей звезды получают расчетным путем, полагая, что виртуальная звезда находится на перпендикуляре к плоскости, содержащей две измеряемые звезды, и опорное положение КА.Although solutions of (10) require the unit vectors of three stars, in fact, it suffices to measure the coordinates of two working stars in two OEDs, respectively. Orth of the third star is obtained by calculation, assuming that the virtual star is perpendicular to the plane containing two measured stars and the reference position of the spacecraft.

Произведение матриц В·С-1 дает численные значения элементов матрицы (МП2)T, но элемент 1,3 этой матрицы равен sinψ. При малых значениях углов ориентацииThe product of the matrices B · -1 gives the numerical values of the elements of the matrix (MP2) T , but the element 1.3 of this matrix is equal to sinψ. For small values of orientation angles

Figure 00000034
.
Figure 00000034
.

Аналогично, используя выражения элементов 2,3 и 1,2, находят значения γ и ϑ. Рассчитанную согласно (10) матрицу проверяют на ее ортогональность. При нарушении ортогональности более чем на 10% измерение отбраковывают.Similarly, using the expressions of elements 2,3 and 1,2, the values of γ and ϑ are found. The matrix calculated according to (10) is checked for its orthogonality. If the orthogonality is violated by more than 10%, the measurement is rejected.

Описанный алгоритм дает мгновенное значение углов ориентации, их используют в алгоритме решения навигационной задачи, формируя (7).The described algorithm gives an instantaneous value of the orientation angles; they are used in the algorithm for solving the navigation problem, forming (7).

Поскольку задачи навигации и ориентации решают в одном общем алгоритме практически одновременно, то уточнение ориентации корпуса КА зависит от уточнения опорной орбиты и наоборот. Поэтому используют циклический режим решения этих задач.Since the navigation and orientation problems are solved in one general algorithm almost simultaneously, the refinement of the orientation of the spacecraft hull depends on the refinement of the reference orbit and vice versa. Therefore, a cyclic mode of solving these problems is used.

На первом цикле (и последующих нечетных циклах) решают параллельно обе задачи: определяют поправки к опорной орбите и углы ориентации. После окончания итераций первого цикла (и последующих нечетных циклов) углы ориентации сглаживают по методу наименьших квадратов и запоминают. При этом весовая матрица погрешностей измерений определяется как сумма погрешностей ориентации оси и погрешности измерения координат звезд в ОЭП (9). На втором цикле корректируют начальную точку опорной орбиты на величину поправок и решают только задачу навигации с учетом выработанных на первом цикле углов ориентации. Весовую матрицу погрешностей измерений определяют только погрешностями ОЭП. Как правило, это приводит к улучшению оценок опорной орбиты в смысле приближения ее параметров к истинным (фактическим) параметрам. Третий цикл начинают с уточненной начальной точки опорной орбиты, оценки ориентации обнуляют и решают снова обе задачи. С учетом вновь выработанных оценок ориентации проводят четвертый цикл, на котором решают только задачу навигации. На четных циклах суммируют невязки измерений Δφk по всем итерациям этих циклов. По такому алгоритму чередуют и далее четные и нечетные циклы. Окончание расчетов производят по достижению условия:On the first cycle (and subsequent odd cycles), both problems are solved simultaneously: corrections to the reference orbit and orientation angles are determined. After the end of the iterations of the first cycle (and subsequent odd cycles), the orientation angles are smoothed by the least squares method and stored. In this case, the weight matrix of measurement errors is defined as the sum of the errors of the axis orientation and the errors of measuring the coordinates of the stars in the EIA (9). In the second cycle, the starting point of the reference orbit is corrected by the amount of corrections and only the navigation problem is solved taking into account the orientation angles developed in the first cycle. The weight matrix of measurement errors is determined only by the EIA errors. As a rule, this leads to an improvement in the estimates of the reference orbit in the sense of approximating its parameters to the true (actual) parameters. The third cycle begins with the specified starting point of the reference orbit, orientation estimates nullify and solve both problems again. Given the newly developed orientation estimates, the fourth cycle is carried out, on which only the navigation problem is solved. On even cycles, the residuals of measurements Δφ k are summed over all iterations of these cycles. According to this algorithm, even and odd cycles are alternated further. The end of the calculations is made upon reaching the conditions:

Δφk+2>Δφk,Δφ k + 2 > Δφ k ,

где k - номер четного цикла.where k is the number of the even cycle.

Количество циклов не может превышать десяти. За окончательные результаты решения задач принимают результаты k-го (или 8-го) цикла. При этом собственно измерения моделируют только на нулевой итерации первого цикла. Все расчеты проводят на изменяющейся в каждой итерации каждого цикла опорной орбите.The number of cycles cannot exceed ten. For the final results of solving problems, take the results of the kth (or 8th) cycle. In this case, the actual measurements are simulated only at zero iteration of the first cycle. All calculations are carried out on a reference orbit that varies in each iteration of each cycle.

Моделирование решения задач навигации и ориентации с помощью двух ОЭП при циклическом режиме показало высокую точность и устойчивость получения оценок при больших (до 3-5°) погрешностях системы стабилизации КА, значительной начальной неопределенности в знании орбиты (до нескольких сотен километров), как для околокруговых орбит, так и при их значительной эллиптичности (эксцентриситет порядка 0,7).Simulation of solving navigation and orientation problems using two OEPs in a cyclic mode showed high accuracy and stability of obtaining estimates for large (up to 3-5 °) errors of the spacecraft stabilization system, significant initial uncertainty in orbital knowledge (up to several hundred kilometers), as for near-circular orbits, and with their significant ellipticity (eccentricity of the order of 0.7).

Результаты моделирования приведены в прилагаемом акте испытания модели автономной навигации и ориентации КА.The simulation results are given in the attached test report of the autonomous navigation model and spacecraft orientation.

Claims (1)

Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов (КА), включающий вычисление зенитных расстояний двух звезд, отличающийся тем, что измеряют приборные координаты и яркость звезд, попавших в поле зрения жестко закрепленных на корпусе КА оптико-электронных приборов (ОЭП), звезды распознают, а для определения зенитного расстояния рабочих, то есть самых ярких звезд, решения навигационной задачи, определения ориентации корпуса КА относительно текущей орбитальной системы координат, кроме информации ОЭП, используют пространственное положение радиус-вектора опорной (априори полагаемой) орбиты и другие элементы этой орбиты, которые определяют компьютерным расчетом, а также априори полагаемые (паспортные) данные о параметрах функционирования системы стабилизации КА; задачи навигации и ориентации решают параллельно, и поскольку уточнение ориентации корпуса КА относительно текущей орбитальной системы координат приводит к повышению точности решения навигационной задачи и наоборот, решение обеих задач осуществляют в циклическом режиме.A method for autonomous navigation and orientation of spacecraft (SC), including the calculation of the zenith distances of two stars, characterized in that they measure the instrumental coordinates and brightness of stars that have fallen into the field of view of optoelectronic devices (OEDs) rigidly fixed to the SC’s body, the stars recognize, and to determine the zenith distance of the workers, that is, the brightest stars, to solve the navigation problem, to determine the orientation of the spacecraft’s hull relative to the current orbital coordinate system, in addition to the EIA information, spatial the position of the radius vector of the reference (a priori assumed) orbit and other elements of this orbit, which are determined by computer calculation, as well as a priori assumed (passport) data on the functioning parameters of the spacecraft stabilization system; navigation and orientation problems are solved in parallel, and since the refinement of the orientation of the spacecraft’s hull relative to the current orbital coordinate system leads to an increase in the accuracy of solving the navigation problem and vice versa, the solution of both problems is carried out in a cyclic mode.
RU2006125701/28A 2006-07-17 2006-07-17 Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts RU2318188C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125701/28A RU2318188C1 (en) 2006-07-17 2006-07-17 Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125701/28A RU2318188C1 (en) 2006-07-17 2006-07-17 Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2318188C1 true RU2318188C1 (en) 2008-02-27

Family

ID=39279045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006125701/28A RU2318188C1 (en) 2006-07-17 2006-07-17 Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2318188C1 (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375680C1 (en) * 2008-07-03 2009-12-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Integrated inertial-satellite orientation and navigation system for objects moving on ballistic trajectory with rotation around longitudinal axis
RU2454631C1 (en) * 2010-10-28 2012-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Method for autonomous navigation and orientation of spacecraft based on virtual measurements of zenith distances of stars
RU2566379C1 (en) * 2014-04-14 2015-10-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method for determining value of atmospheric refraction under conditions of space flight
RU2623667C1 (en) * 2016-04-18 2017-06-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России" (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") Method of navigational astronomical measurements of the coordinate of the location of a mobile object and the device for its implementation
RU2624408C2 (en) * 2015-12-01 2017-07-03 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации Method of autonomous estimation of orbit changes of sighted spacecraft
RU2680858C1 (en) * 2015-11-10 2019-02-28 Сафран Электроникс Энд Дифенс Method of creating navigation and the method of orienting the guidance device with the help of this navigation
RU2701194C2 (en) * 2014-10-29 2019-09-25 Сафран Электроникс Энд Дифенс Method of estimating navigation state in conditions of limited possibility of observation
RU2732652C1 (en) * 2019-10-03 2020-09-21 Российская Федерация от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Method of assembling optoelectronic devices of spacecraft
RU2767449C1 (en) * 2021-01-12 2022-03-17 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Method for astronomical correction of aircraft navigation parameters
CN114577221A (en) * 2022-01-27 2022-06-03 北京空间飞行器总体设计部 Observability analysis and judgment method of autonomous navigation system only using observation information
RU2776096C1 (en) * 2021-11-18 2022-07-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и Механики (ФГУП "ЦНИИХМ") Method for autonomous navigation and orientation of space vehicles
CN115752514A (en) * 2020-06-08 2023-03-07 中国科学院微小卫星创新研究院 Autonomous optical navigation verification system for deep space small celestial body

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3417661A1 (en) * 1983-05-13 1984-11-15 Mitsubishi Denki K.K., Tokio/Tokyo System for controlling the orientation of an artificial satellite
US5054719A (en) * 1988-10-06 1991-10-08 Aerospatiale Societe Nationale Industrielle Active three-axis attitude control system for a geostationary satellite
RU2033949C1 (en) * 1993-02-09 1995-04-30 Севастиян Дмитриевич Гнатюк Self-contained on-board control system for space vehicle
RU2247945C1 (en) * 2003-06-09 2005-03-10 Военный инженерно-космический университет им. А.М. Можайского Method of orientation of spacecraft

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3417661A1 (en) * 1983-05-13 1984-11-15 Mitsubishi Denki K.K., Tokio/Tokyo System for controlling the orientation of an artificial satellite
US5054719A (en) * 1988-10-06 1991-10-08 Aerospatiale Societe Nationale Industrielle Active three-axis attitude control system for a geostationary satellite
RU2033949C1 (en) * 1993-02-09 1995-04-30 Севастиян Дмитриевич Гнатюк Self-contained on-board control system for space vehicle
RU2247945C1 (en) * 2003-06-09 2005-03-10 Военный инженерно-космический университет им. А.М. Можайского Method of orientation of spacecraft

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Антонов Ю.Г., Марков С.И. Математическое и программное обеспечение системы автономной навигации. МО СССР, 1986. *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375680C1 (en) * 2008-07-03 2009-12-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Integrated inertial-satellite orientation and navigation system for objects moving on ballistic trajectory with rotation around longitudinal axis
RU2454631C1 (en) * 2010-10-28 2012-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Method for autonomous navigation and orientation of spacecraft based on virtual measurements of zenith distances of stars
RU2566379C1 (en) * 2014-04-14 2015-10-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method for determining value of atmospheric refraction under conditions of space flight
RU2701194C2 (en) * 2014-10-29 2019-09-25 Сафран Электроникс Энд Дифенс Method of estimating navigation state in conditions of limited possibility of observation
RU2680858C1 (en) * 2015-11-10 2019-02-28 Сафран Электроникс Энд Дифенс Method of creating navigation and the method of orienting the guidance device with the help of this navigation
RU2624408C2 (en) * 2015-12-01 2017-07-03 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации Method of autonomous estimation of orbit changes of sighted spacecraft
RU2623667C1 (en) * 2016-04-18 2017-06-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России" (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") Method of navigational astronomical measurements of the coordinate of the location of a mobile object and the device for its implementation
RU2732652C1 (en) * 2019-10-03 2020-09-21 Российская Федерация от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Method of assembling optoelectronic devices of spacecraft
CN115752514A (en) * 2020-06-08 2023-03-07 中国科学院微小卫星创新研究院 Autonomous optical navigation verification system for deep space small celestial body
RU2767449C1 (en) * 2021-01-12 2022-03-17 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Method for astronomical correction of aircraft navigation parameters
RU2776096C1 (en) * 2021-11-18 2022-07-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и Механики (ФГУП "ЦНИИХМ") Method for autonomous navigation and orientation of space vehicles
CN114577221A (en) * 2022-01-27 2022-06-03 北京空间飞行器总体设计部 Observability analysis and judgment method of autonomous navigation system only using observation information
CN114577221B (en) * 2022-01-27 2024-03-26 北京空间飞行器总体设计部 Observability analysis and judgment method of autonomous navigation system only using observation information

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2454631C1 (en) Method for autonomous navigation and orientation of spacecraft based on virtual measurements of zenith distances of stars
Chatfield Fundamentals of high accuracy inertial navigation
Rad et al. Optimal attitude and position determination by integration of INS, star tracker, and horizon sensor
CN101788296A (en) SINS/CNS deep integrated navigation system and realization method thereof
CN102116628A (en) High-precision navigation method for landed or attached deep sky celestial body detector
RU2318188C1 (en) Method for autonomous navigation and orientation of spacecrafts
CN105571578A (en) In-situ rotating modulating north-seeking method utilizing pseudo-observation instead of precise turntable
CN109489661B (en) Gyro combination constant drift estimation method during initial orbit entering of satellite
CN108490973A (en) Spacecraft formation relative orbit determines method and device
CN116105730A (en) Angle-only optical integrated navigation method based on cooperative target satellite very short arc observation
CN106643726A (en) Unified inertial navigation calculation method
Schilling et al. Preliminary design of the dragonfly navigation filter
CN102519454B (en) Selenocentric direction correction method for sun-earth-moon navigation
RU2713582C1 (en) Method for optimal estimation of errors of an inertial navigation system and its correction on a fixed ground landmark with known geographical coordinates
RU2723199C1 (en) Method and system for determining orientation of spacecraft in space with autonomous correction of light aberration effect
Ward Spacecraft attitude estimation using GPS: Methodology and results
Shirenin et al. Development of a high-precision selenodetic coordinate system for the physical surface of the Moon based on LED beacons on its surface
Yuan et al. A robust multi-state constraint optimization-based orientation estimation system for Satcom-on-the-move
Parikh et al. Pose estimation of cubesats via sensor fusion and error-state extended kalman filter
RU2620448C1 (en) Method and device for determining orientation of space or air crafts
Kim et al. Satellite celestial navigation using star-tracker and earth sensor
Jovanovic et al. Towards star tracker geolocation for planetary navigation
RU2374609C2 (en) Method of determining angular motion parametres of pilotless aircraft
RU2428659C2 (en) Method for satellite correction of gyroscopic navigation systems of naval objects
CN117310765B (en) Methods, equipment, media, and products for single-target orbit determination based on multi-satellite observations.

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080718