Multi-headed star tracker 348K. Final in-earth validation results

全文:

Введение. Концепция многоголового звездного датчика 348К состоит в объединении информации от малогабаритных и малопотребляющих блоков оптических (БО) в общем блоке электронном (БЭ) с целью повышения точности, помехозащищенности и надежности. Однако в отличие от других подобных систем, БО прибора 348К являются автономными звездными датчиками, которые передают кватернион ориентации и угловую скорость по гальванически развязанному интерфейсу RS-485 в БЭ. Такое решение позволяет обеспечить гибкость и простоту работы с прибором 348К со стороны системы ориентации и стабилизации космического аппарата (СОС КА). От СОС КА не требуется управление БО, контроль их работоспособности, адекватности получаемой информации и расчета равноточной ориентации. Все эти задачи решает малогабаритный резервированный БЭ, одинаковый для любого количества БО (до четырех). К некоторому недостатку концепции построения многоголового звездного датчика можно отнести большую (по сравнению с моноблочным прибором) сложность наземной экспериментальной отработки (НЭО). НЭО такого прибора подразумевает больший объем проверок, а значит, требует большего количество рабочих мест и технологического оборудования, а также более сложных методик подтверждения характеристик. 1. Конструкция БО звездного датчика 348К. Состав БО следующий: - объектив в монолитном корпусе, поле зрения 19°; - канал геометрического эталона (КГЭ) [1]; - бленда; - фотоприемная матрица (ФПМ) APS STAR-1000 [2; 3] с термоэлектрическим модулем охлаждения (ТЭМО); - платы вычислительного устройства БО; - вторичные источники питания (ВИП); - куб-призма для привязки БО к системе координат КА. На рис. 1 приведена трехмерная модель БО в разрезе. Из особенностей конструкции стоит выделить монолитный корпус объектива, реализующий одновременно и посадочную плоскость. Также в БО прибора 348К применена специальная система - канал геометрического эталона. КГЭ является нерасстраиваемой оптической системой, состоящей из осветителя (светодиодов) и оптического элемента (пластина-призма), и формирует на фотоприемной матрице БО шесть изображений [4; 5]. При изменении температуры прибора или в результате механических воздействий по ложение КГЭ в приборной системе координат (определяемой посадочной плоскостью) остается неизменным. Изменение положения изображений КГЭ на ФПМ указывает в таком случае на изменение положения самой ФПМ - ее возможный сдвиг поперек поля зрения, угловое перемещение и изменение фокусного расстояния объектива. Таким образом, реализуется автономная оценка и компенсация систематических погрешностей определения ориентации, вызванная термомеханическими воздействиями. Система КГЭ применяется и в других приборах [6] ОАО « НІ II I «Геофизика-Космос» и защищена двумя патентами [7; 8]. ФПМ APS STAR- КГЭ Корпус объект usa І ООО с ТЭМО Рис. 1. Блок оптический прибора 348К в разрезе Масса БО составляет 1,2 кг, включая светозащитную бленду с углом защиты 40° от Солнца и 34° от Земли. Имеются также бленды с углами защиты от Солнца 30° (24° от Земли) и 25° (21° от Земли). При напряжении питания 27 В потребляемая мощность БО без ТЭМО 3 Вт (температура посадочной плоскости от -40 до +5 °С). Потребляемая мощность с включенным ТЭМО менее 5,5 Вт (температура посадочной плоскости от +5 до +50 °С). 2. Конструкция БЭ звездного датчика 348К. БЭ состоит из двух независимых одинаковых вычислительных устройств. К БЭ может быть подключено до 4 БО. Длина кабелей между БЭ и БО до 10 м. БЭ имеет дублированный интерфейс обмена с СОС КА MIL STD 1553B (ГОСТ Р52070-2003). На рис. 2 приведена трехмерная модель БО в разборе. 168 Авиационная и ракетно-космическая техника Масса резервированного БЭ составляет 1,0 кг. Потребляемая мощность БЭ 1,5 Вт (27 В). Допустимая температура посадочной плоскости от -40 до +50 °С задается гарантированной температурой основания. И кни нмтікмшс.ія її \’л ч.смм ммирфсис,! hill І лс[>іч>ю кніи.кі Ь' і К’ож\\ с ('Ml‘kW Рис. 2. Резервированный блок электронный прибора 348К 3. Основные технические характеристики звездного датчика 348К: 1) состав поставки: - 4 БО + резервированный БЭ (базовый вариант); - 3 варианта КПА; - набор светозащитных бленд: 25°, 30°, 40°; 2) габариты и масса: - БО с блендой 40°: 0 132 * 210 мм, 1,2 кг; - резервированный БЭ: 166 * 94 * 37 мм, 1,0 кг; 3) длина кабелей БО-БЭ: 10 м (базовый вариант); 4) частота обновления информации: 5 Гц; 5) погрешность по трем осям (при активных 2 БО с углом между визирными линиями ~90°): - 15 угл. с (максимальная); - 3 угл. с (1с случайная); 6) предельная угловая скорость с сохранением точности и вероятности распознавания: - для 1 БО 0,2 °/с; - для 2...4 БО - больше 0,25 °/с (зависит от взаимного расположения); 7) потребляемая мощность (27 В): - 1 БО: 3,0 Вт (ТЭМО выключен) или 5,5 Вт (ТЭМО включен); - БЭ: 1,5Вт; 8) ресурс: 150 000 часов для варианта 4 БО + резервированный БЭ; 9) температурный диапазон: -40...+50 °С (задается температурой посадочной плоскости); 10) интерфейсы: - БЭ-БЦВК: MIL STD 1553B (ГОСТ Р52070-2003); - БО-БЭ: RS-485; 11) помехозащищенность и некоторые особенности: - БЭ автономно управляет включением-выключением БО и осуществляет контроль данных от БО; - 2 постоянно работающих БО, остальные в холодном резерве; - Луна в поле зрения БО не влияет на функционирование; - специальные алгоритмы для парирования помех (протоны, частицы, звездоподобные объекты, дефектные пиксели и др.) [9-11]; - только радиационно стойкие электронные компоненты. 4. Наземная экспериментальная отработка. Все работы по подтверждению характеристик прибора можно условно разделить на две части - проверки, которым подвергается каждый изготавливаемый прибор, и расширенный набор проверок, которым подвергается первый образец серии или образец для предварительных испытаний. К основным проверкам каждого прибора относятся следующие виды испытаний: а) проверки точности и чувствительности: - при неподвижном основании; - при подвижном основании (до 0,2 °/с); - в условиях вакуума и температур от -40 до +50 °С; б) проверка времени распознавания; в) проверка слежения - 4 ч; г) механические испытания: - термовиброциклирование; - широкополосная случайная вибрация; - синусоидальная вибрация; д) наработка: - 200 ч в условиях термоциклов; - 100 ч в условиях вакуума и термоциклов; е) проверки функционирования в условиях помех по цепям питания; ж) проверки уровня помех, создаваемых прибором; з) проверка светонепроницаемости конструкции. В ходе наземной экспериментальной отработки был также проведен расширенный набор испытаний, включавший: 1) проверки программно-алгоритмического обеспечения: - длительные проверки слежения - до 50 ч подряд; - проверки функционирования при угловых скоростях и ускорениях, превышающих требования ТЗ; - проверки функционирования и на отсутствие сбоев обмена в условиях термоциклов; 2) механические испытания в расширенном объеме: - удар; - широкополосная случайная вибрация с повышенным уровнем воздействий; - синусоидальная вибрация; - транспортировочная тряска; 3) ускоренные ресурсные испытания; 4) проверки на воздействие электростатического разряда; 5) проверки на электромагнитную совместимость; 6) проверки на воздействие синфазных помех (совместно с разработчиком КА); 7) проверки на влияние постоянного магнитного поля (совместно с разработчиком КА); 8) натурные испытания: - испытания при неподвижном основании; - испытания на подвижном основании, в том числе при угловых скоростях, превышающих требования ТЗ; - подтверждение отсутствия влияния Луны в поле зрения на характеристики распознавания и слежения; 9) проверки на боковую засветку в условиях вакуума с полноценным имитатором Солнца; 169 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) 10) испытания на воздействие протонов с энергиями от 50 до 200 МэВ. Вся программа НЭО была успешно выполнена, результаты испытаний положительные. По результатам был выпущен итоговый отчет о НЭО. Далее остановимся на результатах наиболее интересных проверок. 5. Особенности точностных испытаний. Для проведения паспортизации систематических погрешностей определения ориентации и для проверки точностных характеристик был разработан специальный высокоточный оптико-механический стенд. В состав стенда входит гранитное развязанное основание, на котором установлен высокоточный имитатор звезды, и специальная призменная система, которая разделяет световой пучок от имитатора звезды на пять треков. Взаимное угловое расстояние между имитируемыми звездами аттестуется с помощью гониометра с погрешностью менее 1 угл. с. Также имеется возможность разворота призменной системы вокруг оси, параллельной визирной линии имитатора на произвольный угол с точностью ~ 1 угл. с. Таким образом, в поле зрения БО формируется группа звезд. БО прибора 348К устанавливается на высокостабильное посадочное место, закрепленное на высокоточном поворотном столе с электроприводом. Стенд оснащен системой из трех автоколлиматоров для взаимной привязки систем координат БО и стенда (связанной с визирной линией имитатора и осью вращения поворотного стола). Температура помещения, в котором находится стенд, поддерживается в диапазоне (20 ± 2) °С. Класс чистоты помещения 3-й (количество пылинок в 1 м3 не более 1000). Главная особенность методики подтверждения точностных характеристик заключается в проверке максимальных суммарных погрешностей определения ориентации системы координат БО в системе координат стенда (имитируемой геоцентрической системе координат). Такой подход реализует проверку абсолютных погрешностей, а не отдельных их составляющих, как, например, погрешность определения координат одиночной звезды или оценки случайной составляющей погрешности определения ориентации. При испытаниях прибора 348К впервые была внедрена проверка погрешностей в условиях подвижного основания. В этом случае производится программный разворот БО с угловой скоростью 0,2 °/с и фиксируется кватернион ориентации, выдаваемый БО, а также показания датчика угла разворота поворотного стола. На основе этих данных проводится расчет погрешностей определения ориентации на каждом такте получения информации. Одна контрольная задача выполняется ~ 50 с, разворот составляет не более 10°, так как при дальнейшем развороте поворотного стола звезды покинут поле зрения и слежение прекратится. Величины суммарных погрешностей стенда удобнее всего выразить как максимальную ошибку в знании положения системы координат БО в системе координат стенда. С учетом инструментальных и методических погрешностей такие оценки составляют порядка 2...3 угл. с при неподвижном основании и 5... 6 угл. с в условиях динамики. 6. Результаты испытаний на воздействие протонов. Испытания проводились с целью количественной и качественной оценки влияния падающих протонов на изображение с ФПМ APS STAR-1000 [2; 3] в составе БО прибора 348К. Причем оценка проводилась по двум критериям: первый - оценка количества помеховых изображений от падающих на ФПМ протонов и проверка методов парирования их влияния; второй - оценка количества устойчивых дефектных пикселей ФПМ, вызываемых протонами, на конец срока жизни прибора. На рис. 3 показан БО прибора 348К в ходе испытаний на протонном ускорителе ФГУП ГНЦ ИТЭФ (г. Москва). Рис. 3. Блок оптический прибора 348К при испытаниях на протонном ускорителе Испытания проводились для случая воздействия протонов с энергиями 50, 100 и 200 МэВ под различными углами падения на ФПМ. По результатам исследования характера изображений от падающих на ФПМ протонов были доработаны алгоритмы парирования влияния протонов при поиске, распознавании и слежении за звездами. По результатам анализа возникающих устойчивых дефектных пикселей на ФМП было определено, что наибольший прирост дефектов возникает при энергии 200 МэВ. Дальнейшие испытания по набору суммарного флюенса протонов проводились на энергии 200 МэВ. За время проведения испытаний БО набрал суммарный флюенс 1,43 • 1010 протонам2. Используя специальные методики пересчета и математическое моделирование, было оценено, что количество образовавшихся дефектных пикселей к концу срока активного существования на ГСО не повлияет на характеристики распознавания и слежения. 7. Результаты натурных испытаний. Задачей натурных испытаний, прежде всего, являлось подтверждение работоспособности прибора по реальным звездам, т. е. подтверждение правильности выбранных алгоритмических решений [12-14], а также методов обеспечения точности и чувствительности (приборный каталог звезд насчитывает более 2200 звезд [15-18]). На рис. 4 приведены оценки случайных составляющих погрешностей определения ориентации одним БО и двумя БО за 15 мин работы. 170 Авиационная и ракетно-космическая техника Как видно из рис. 4, по показаниям двух БО прибор 348К проводит расчет равноточной ориентации, а СКО погрешностей составляют менее 3 угл. с по всем трем осям. Рис. 4. Оценки случайных погрешностей определения ориентации В ходе натурных испытаний были проведены измерения времени построения начальной ориентации, причем началом отсчета времени являлся момент подачи питаний на БЭ. Таким образом, время построения начальной ориентации включает в себя: - время инициализации, конфигурирования и самопроверки БЭ; - время последовательного включения БО; - время инициализации, конфигурирования и самопроверки БО; - время проведения калибровки БО по КГЭ; - время поиска и селекции световых источников; - время распознавания звезд и расчета кватерниона ориентации. Всего было проведено 30 замеров (при различных ориентациях БО, направлениях вращения и угловых скоростях), причем 10 замеров были проведены при наличии Луны в поле зрения БО. Результаты приведены в таблице. Время построения начальной ориентации Время построения начальной ориентации, с |ю| = 15 "/c Среднее 8,6 Максимальное 11,2 Минимальное 7,8 |ю| = 0,215 °/c Среднее 9,4 Максимальное 14,5 Минимальное 7,8 Отметим, что температура посадочной плоскости во время проведения испытаний составляла около +5 °С. В реальных условиях эксплуатации ко времени построения начальной ориентации может добавиться время охлаждения ФПМ (не более 60 с при температуре посадочной плоскости 50 °С). Заключение. Все испытания из состава НЭО были успешно проведены на специально изготовленном образце прибора 348К. В ходе НЭО были подтверждены все требования ТЗ на прибор, отработаны ме тодики наземной отработки, а также была откорректирована документация. После проведения наземных испытаний первого штатного прибора 348К в составе КА было получено заключение о допуске к летным испытаниям, начало которых состоялось в 2014 году. Библиографические ссылки

作者简介

Andrey Kareiln

Joint Stock Company Scientific & Production Enterprise «Geofizika-Cosmos», Moscow

Email: 1102@geocos.su
chief designer of specialization

Yuriy Zybin

Joint Stock Company Scientific & Production Enterprise «Geofizika-Cosmos», Moscow

Email: 1102@geocos.su
Cand. Sc., main specialist

Vladimir Knyazev

Joint Stock Company Scientific & Production Enterprise «Geofizika-Cosmos», Moscow

Email: 1102@geocos.su
deputy head of department

Alexey Pozdniakov

Joint Stock Company Scientific & Production Enterprise «Geofizika-Cosmos», Moscow

Email: 1102@geocos.su
lead engineer

Nikita Fomichev

Joint Stock Company Scientific & Production Enterprise «Geofizika-Cosmos», Moscow

Email: 1102@geocos.su
engineer

参考

补充文件