Д.С. Иванов (ИПМ им. М.В. Келдыша РАН)

Моделирование и
полунатурные испытания
систем ориентации
микроспутников на
лабораторном стенде
Н.А. Ивлев (ООО “СПУТНИКС”) - докладчик
C.О. Карпенко (ООО “СПУТНИКС”)
М.Ю. Овчинников (ИПМ им. М.В. Келдыша РАН)
Д.С. Иванов (ИПМ им. М.В. Келдыша РАН)
С.С. Ткачев (ИПМ им. М.В. Келдыша РАН)
Микроспутник Чибис-М,
разработка ИКИ РАН




Миссия:
Исследование физических
процессов при атмосферных
грозовых разрядах
Масса: 36 кг
Орбита:
наклонение орбиты
i=51.7º,
высота орбиты
h= ~ 500 км.
Моменты инерции:
Jx= 1.16 кг·м2,
Jy= 1.61 кг·м2,
Jz= 1.86 кг·м2.
2
Система ориентации и стабилизации
Состав системы:
 Датчики определения
ориентации:
o Магнитометр,
o Солнечный датчик,
o Датчик угловой скорости.
 Исполнительные элементы:
o Электромагнитные катушки,
o Маховики.
 Бортовой компьютер.
3
Режимы управления и
режимы определения ориентации
Режим
Датчики
Управляющие
органы
Демпфирование угловой
скорости
Магнитометр
Электромагнитные
катушки
Ориентация солнечных
батарей на Солнце
Солнечные датчики
Маховики
Стабилизация
относительно
орбитальной системы
координат
•Солнечные
датчики,
•Магнитометр,
•Датчики угловой
скорости
Маховики
Разгрузка маховиков
•Солнечные
•Маховики
датчики,
•Магнитометр,
•Датчики угловой
скорости
•Электромагнитные
катушки
4
Численное моделирование:
алгоритм -B-dot (демпфирование угловой
скорости)
m  kB
5
Численное моделирование: алгоритм
маховичной стабилизации


h  KJ CQ  DJCΩCco  ΩCcw  J CΩCcw  h

Численное моделирование: алгоритм
маховичной стабилизации
Ось X – значения коэффициента K, ось Y –
значение коэффициента D,
градация цвета показывает время,
которое ушло на стабилизацию аппарата
при заданных начальных условиях
Ось X – модуль абсолютной угловой скорости, ось Y –
модуль векторной части кватерниона ориентации
связанной СО
относительно орбитальной. Синяя область начальных
условий,
при выборе значений из которой стабилизация
с использованием маховиков не гарантируется;
красная - область начальных условий,
при выборе значений из которой стабилизация с
использованием маховиков гарантируется
7
Численное моделирование: алгоритм
маховичной стабилизации
Эксперименты на
лабораторном стенде
9
Состав лабораторного стенда






Макет малого космического
аппарата (МКА);
Имитатор магнитного поля;
Имитатор Солнца;
Аэродинамический подвес
с управляемым арретиром;
Система независимых
измерений (видеокамера,
инклинометр);
Персональный компьютер;
Имитаторы
Грузоподъёмность
Аэродинамический
подвес
Имитатор Солнца
Имитатор
магнитного
поля
Возможность
поворота:
25 кг
-относительно
вертикальной оси
360°
-относительно
горизонтальных осей
±30°
Мощность лампы
1000 Вт
Угол раскрытия луча
12°
Сила света
290000 кд
Освещенность на расстоянии 1,55м
120700 лк
Максимальная амплитуда генерируемого поля, без
учёта магнитного поля Земли
160 000 нТл
Дискретность реализации поля
50 нТл
Размер стороны катушек
2м; 1,9м; 1,8м
СКО генерируемого поля относительно заданной
величины
100 нТл
Диаметр сферы однородности, с неоднородностью
поля: - По величине: менее 1%,
- По направлению: менее 1°.
650 мм
Зона однородности пары катушек имитатора
магнитного поля
Z=0.45мм
Z=0.25мм
Z=0.3мм
Z=0.4мм
Z=0.35мм
Z=0.2мм
Z=0.1мм
Z=0.15мм
Z=0.05мм
Z=0мм
X=0.25мм
X=0.3мм
X=0.4мм
X=0.35мм
X=0.2мм
X=0.1мм
X=0.15мм
X=0.05мм
X=0мм
Состав макета






ПК
АБ
АБ
АБ
Wi-Fi
Одноплатный
компьютер
12В
USB
Плата
актуаторов
АК
X
USB
АК
Y
12В
12В
АК
Z
CPU
USB
ИНКЛ
УДМ
X0
УДМ
Y0
УДМ
Z0
УДМ
X1
УДМ
Y1
УДМ
Z1
X1П
USBCAN
CAN
X4П
CPUBus
Х3П
FPGA
CPUBus
CPUBus

Система ориентации и стабилизации
(СОС);
Крепёжная плита;
Одноплатный компьютер с
беспроводным каналом связи;
Переходник USB-CAN;
Источники питания (аккумуляторы);
Плата питания
Инклинометр;
Система балансировки.
FLASH
K1
K2
K3
ЭМУ
Х
ЭМУ
Y
ЭМУ
Z
Х2П
SPI

СД
МАГ
ДУС
+X
ДУС
+Y
ДУС
+Z
БУСОС
COC
Обозначения
Устройства
макета
Платы БУСОС
Исполнительные
элементы
Датчики
ориентации
Ключи
питания
13
Возможные области применения стенда





Отработка систем ориентации различных подвижных объектов
Калибровка датчиков (магнитометров, солнечных датчиков)
Определение магнитного момента
Определение моментов инерции и положения центра масс
Обучение навыкам управления микроспутником
15