Ориентация, выведение, сближение и спуск космических аппаратов по измерениям от глобальных спутниковых навигационных систем

 
 
 
 
 
 
  
Управление в технических системах 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

Е.А. Микрин, М.В. Михайлов 

 
 

 

Ориентация, выведение, сближение  
и спуск космических аппаратов  
по измерениям от глобальных спутниковых 
навигационных систем 

 
2-е издание 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УДК 629.7.05 
ББК 39.62 
 
М59 

Рецензенты: 
д-р техн. наук, зав. кафедрой системного анализа  
и управления МАИ В.В. Малышев; 
академик РАН В.Г. Пешехонов 

 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

 
Микрин, Е. А.  
М59   
Ориентация, выведение, сближение и спуск космических аппаратов по измерениям от глобальных спутниковых навигационных систем : учебное пособие / Е. А. Микрин, М. В. Михайлов. — 2-е изд. —
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 357, [3] с. : 
ил.  
ISBN 978-5-7038-4895-1 
Рассмотрены задачи координатно-временного обеспечения космического 
аппарата, решаемые аппаратурой спутниковой навигации, а именно: формирование бортовой шкалы времени; определение ориентации; навигация при 
сближении и спуске космического аппарата в атмосфере, а также навигация 
средств выведения.  
Для студентов и аспирантов авиа- и ракетостроительных специальностей 
высших технических учебных заведений, научных работников и инженеров, 
занимающихся разработкой, проектированием и испытаниями навигационных 
систем космических аппаратов. 
 

 
 УДК 629.7.05 
 
 ББК 39.62 
 

 

 

 
© Микрин Е.А., Михайлов М.В., 2017 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4895-1 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

 

Предисловие 

Учебное пособие посвящено вопросам проектирования, разработки, 
наземных и лётных испытаний аппаратуры спутниковой навигации космического назначения при решении комплекса навигационных задач управления 
космическими аппаратами. Создание аппаратуры спутниковой навигации 
позволяет по-новому рассматривать задачи управления орбитальными космическими аппаратами, начиная от этапа выведения на орбитальном участке 
до участка спуска его в атмосфере.  
Аппаратура спутниковой навигации может заменить всю традиционную 
измерительную аппаратуру космических аппаратов. Это наземный измерительный баллистический комплекс, системы высокоточного временного 
обеспечения КА, гироскопы и акселерометры, гироскопические платформы, 
инфракрасные датчики вертикали, солнечные и звездные датчики ориентации, навигационные системы сближения, измерительный комплекс системы 
управления спуском и многое другое. 
Например, АСН-К, установленная на пилотируемых космических аппаратах «Союз», решает задачи временного обеспечения бортового комплекса 
управления корабля, определения орбиты, ориентации, параметров относительного движения корабля с МКС на участках дальнего и ближнего сближения.  
В учебном пособии рассмотрены задачи координатно-временного обеспечения космического аппарата, решаемые аппаратурой спутниковой навигации: 
– формирование бортовой шкалы времени;  
– определение ориентации; 
– относительной навигации при сближении; 
– навигация при спуске КА в атмосфере; 
– навигация средств выведения; 
– управление движением и ориентацией КА средствами аппаратуры 
спутниковой навигации. 
Указанные задачи подробно рассматриваются в главах 1–5. Глава 6 посвящена вопросам проектирования, разработки наземных и лётных испытаний аппаратуры спутниковой навигации космического назначения, глава 7 — 
перспективам применения аппаратуры спутниковой навигации в области 
управления космическими аппаратами. 
На примере реально существующей аппаратуры корабля «Прогресс-МС» 
показана возможность использования ее не только как навигационной системы корабля, но и как системы управления на основе только собственной информации. При этом процессор может выполнять роль бортовой центральной 
вычислительной системы. Через внешний интерфейс MIL-1553 аппаратура 

Предисловие 

спутниковой навигации имеет связь с исполнительными органами системы 
управления движением (двигателями ориентации и двигателями коррекции) и 
может с их помощью осуществлять управление как движением центра масс 
космического аппарата, так и его ориентацией. В главе рассмотрены различные алгоритмы управления, приведены результаты моделирования, получены 
точностные, динамические и расходные характеристики системы в различных режимах управления. 
В главе 8 приведено описание программных функций, позволяющих существенно сократить сроки разработки как самих систем навигации, так и 
создания инфраструктуры наземной отработки и испытаний этих систем.  
Большая часть этих программных функций разработана авторами совместно с коллегами и учениками. 
 

 

Список основных сокращений 

АМ 
— антенный модуль  
АСН 
— аппаратура спутниковой навигации 
БВС 
— бортовая вычислительная система 
БДУС 
— блок датчиков угловой скорости 
БИЛУ 
— блок интегрирования линейных ускорений 
БИНС 
— бесплатформенная инерциальная навигационная система 
БИТС 
— бортовая измерительная телеметрическая система 
БКУ 
— бортовой комплекс управления 
БНМ 
— бортовой навигационный модуль 
БО 
— бытовой отсек 
БП 
— блок питания 
БЦВК 
— бортовой цифровой вычислительный комплекс 
БЦВС 
— бортовая центральная вычислительная система 
ВЭО 
— высокоэллиптическая орбита 
ГГСК 
— Гринвичская географическая система координат 
ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система  
ГСК 
— гринвичская (прямоугольная) система координат 
ГСНС 
— Глобальная спутниковая навигационная система 
ГСО 
— геостационарная орбита 
ГЧ 
— генератор частоты 
ДО 
— двигатель ориентации 
ДПО 
— двигатель причаливания и ориентации 
ДС 
— делитель сигнала 
ДУС 
— датчик угловой скорости 
ИКВ 
— инфракрасная вертикаль 
ИКД 
— Интерфейсный контрольный документ 
ИП 
— интерфейсная плата 
ИСК 
— инерциальная система координат 
КА 
— космический аппарат 
КД 
— корректирующий двигатель 
КДУ 
— комбинированная двигательная установка 
КК 
— космический корабль 
КРЛ 
— командная радиолиния 
КСВ 
— координаты, скорость, время 
ЛИ 
— лётные испытания 
МБМВ 
— Международное бюро мер и весов 
МБРЛ 
— межбортовая радиолиния 

Список основных сокращений 

МКС 
— Международная космическая станция 
МПВ 
— модуль приемовычислительный 
МСВЗ 
— Международная служба вращения Земли 
МШУ 
— малошумящий усилитель 
НВ 
— навигационный вычислитель 
НВМ 
— навигационный вычислительный модуль 
НИП 
— наземный измерительный пункт 
НКО 
— наземный комплекс отладки 
НМ 
— навигационный модуль 
НП 
— навигационный приемник 
НПМ 
— навигационный приемный модуль 
НС 
— навигационный спутник 
ОС 
— орбитальная станция 
ОСК 
— орбитальная система координат 
ПАО 
— приборно-агрегатный отсек 
ПЗУ 
— постоянно запоминающее устройство 
ПМ 
— приемный модуль 
ПО 
— программное обеспечение 
ПП 
— процессорная плата 
ПС 
— переизлучатели сигналов 
РБ 
— разгонный блок 
РКО 
— радиоконтроль орбиты 
РН 
— ракета-носитель 
СА 
— спускаемый аппарат 
СБ 
— солнечная батарея 
СВЧ 
— сверхвысокая частота 
СВЭО 
— супервысокоэллиптические орбиты 
СКД 
— сближающий корректирующий двигатель 
ССК 
— связанная (с КА) система координат 
СУ 
— система управления 
СУДН 
— система управления движением и навигацией 
СУС 
— система управления спуском 
ТМ 
— телеметрический модуль 
ТОРУ 
— телеоператорный режим управления 
УА 
— устройство антенное 
УСМ 
— усилитель секундной метки 
УУ 
— устройство усилительное 
ЦВМ 
— центральная вычислительная машина 
ЦУП 
— Центр управления полетами 
ШВ 
— шкала времени 
ATV 
— Европейский автоматический корабль 

 
Список основных сокращений 
9 

CP 
— careers phase (интегральная фаза) 
GDOP 
— Geometric Dilution of Precision (геометрический фактор) 
GPS 
— Global Positioning System 
NIST 
— Национальный институт стандартов и технологий 
NRL 
— Военно-морская исследовательская лаборатория 
PR 
— pseudoranges (псевдодальность) 
PVt 
— position, velocity, time (координаты, скорость, время) 
USNO 
— Военно-морская обсерватория 
UT 
— универсальное время 
UTC 
— универсальное международное время 

 

Основные термины и определения 

Акселерометр — устройство, формирующее выходные сигналы, пропорциональные проекциям линейных ускорений КА, обусловленных всеми 
негравитационными силами, на оси чувствительности акселерометра. Акселерометр может быть построен на разных физических принципах и отличаться диапазоном измеряемых линейных ускорений, точностью измерения этих 
ускорений. 
Альманах — набор параметров, по которым могут быть рассчитаны координаты и скорости навигационных спутников на требуемый момент времени с низкой точностью. По альманаху в АСН определяется список видимых 
навигационных спутников. 
БИНС — бесплатформенная инерциальная навигационная система, 
включающая в себя датчик угловой скорости, акселерометры и цифровой вычислитель (как правило, это ЦВМ КА). Интегрируя уравнения движения КА 
с  учетом измерений от датчиков, БИНС определяет ориентацию КА относительно начальной ориентации и текущую орбиту КА. В состав БИНС могут 
не входить акселерометры, тогда БИНС определяет только ориентацию КА. 
ВЭО — высокоэллиптическая орбита КА с периодом 12 или 24 ч, наклонением 63, низким перигеем (1000…2000 км) и высоким апогеем. 
Гиродин — двухстепенной силовой гироскоп, впервые был установлен 
на станции «Мир» как исполнительный орган системы ориентации. 
ГЛОНАСС — российская Глобальная навигационная спутниковая система. 
ГСНС — Глобальная спутниковая навигационная система, обеспечивающая возможность с помощью специальных электронных приемных 
устройств определять параметры движения потребителя. 
ГСО — геостационарная орбита КА, близкая к круговой, совпадает с 
плоскостью экватора и имеет период 24 ч. 
ДУС — датчик угловой скорости — устройство, формирующее выходные сигналы, пропорциональные проекциям угловой скорости КА на оси 
чувствительности. ДУС бывают гироскопическими, оптическими, твердотельными и др. Отличаются ресурсом, диапазоном измеряемых угловых скоростей и точностью измерения угловой скорости. 
Звездный датчик — датчик определения ориентации КА по звездам. 
Современные датчики имеют оптическую трубу с полем зрения 8 и работают по звездам до седьмой звездной величины. При наведении оптической 
трубы на любой участок звездного неба в ее поле зрения всегда попадает несколько звезд. Датчик имеет вычислительную систему, содержащую в памяти 
звездный каталог. По измеренным угловым расстояниям между звездами 
в трубе путем сравнения с каталогом определяются координаты видимых