Исследование режимов функционирования системы управления ориентацией и стабилизации космического аппарата

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

E.C. Лобусов, А.В. Фомичев, Е.К. Ли  
 
 
 
Исследование режимов функционирования  
системы управления ориентацией  
и стабилизации космического аппарата 

 
Методические указания к выполнению лабораторных работ 
по дисциплине «Системы управления ориентацией  
и стабилизации космических аппаратов»  
 
  
 
 
 
 

 

УДК 681.51, 629.78 
ББК 39.62 
         Л68 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/200/book1441.html 

Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Системы автоматического управления»  
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 

 
 Лобусов, Е. С. 
Исследование режимов функционирования системы управления 
ориентацией и стабилизации космического аппарата: методические 
указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине  
«Системы управления ориентацией и стабилизации космических 
аппаратов» / Е. С. Лобусов, А. В. Фомичев, Е. К. Ли. — Москва:  
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 46, [6] с. : ил. 
 
      ISBN 978-5-7038-4434-2 
 
Представлены материалы для освоения методов исследования систем 
управления движением космических аппаратов. Лабораторный практикум выполняется студентами в целях закрепления теоретических знаний, 
изучения современных методов экспериментального исследования динамики режимов функционирования системы управления ориентацией и 
стабилизации космических аппаратов. При выполнении лабораторных 
работ для математического моделирования исследуемых процессов и для 
обработки результатов экспериментов применяются персональные компьютеры и специальное программное обеспечение, разработанное в среде 
MATLAB. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Системы управления летательными аппаратами». 
 
УДК 681.51, 629.78 
ББК 39.62 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4434-2                              
 
      МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

Л68 

Предисловие 

В рамках лабораторного практикума предусмотрено математическое моделирование и исследование динамики режимов функционирования системы управления ориентацией и стабилизации 
(СУОС) космического аппарата (КА). Для выполнения лабораторных работ используется специальное программное обеспечение 
(СПО), разработанное в среде MATLAB. 
Цель лабораторных работ заключается в освоении методов математического моделирования, приобретении навыков исследования динамики режимов ориентации космических аппаратов, а также навыков синтеза законов управления движением космических 
аппаратов. 
Методические указания составлены по принципу первоначального изложения теоретического материала, где указываются характерные особенности задач управления ориентацией космических аппаратов, общая структура системы управления ориентацией и стабилизации, рассматриваются особенности моделирования режимов функционирования таких систем. Материал хорошо 
проиллюстрирован. 
После теории представлен комплекс лабораторных работ, посвященный исследованиям динамики режимов построения инерциальной и орбитальной ориентаций, а также динамики режима программного разворота. В каждой лабораторной работе дается краткая 
характеристика режима, описывается специальное программное 
обеспечение для его моделирования, предлагаются модели. 
К работам предлагаются задачи с конкретизацией порядка их 
выполнения.  
Показана форма отчета по лабораторной работе. 
Студенты должны знать ответы на вопросы для самоконтроля. 
Все работы полномасштабно снабжены иллюстративным материалом. 
В методических указаниях приводятся списки принятых сокращений и рекомендуемой литературы. 
Выполнив лабораторные работы, студенты смогут закрепить 
теоретические знания в области современных методов экспериментального исследования динамики режимов функционирования 
системы управления ориентацией и стабилизации космических 
аппаратов. 

Список принятых сокращений 

БВС  — бортовая вычислительная система 
БИНС — бесплатформенная инерциальная навигационная  
                    система 
БФЗУ  — блок формирования закона управления 
ВИУС —  векторный измеритель угловой скорости 
ДМТ  —  двигатель малой тяги 
ДПИ   — датчик первичной информации 
ДУ   —  двигательная установка 
ДУС  —  датчик угловой скорости 
ЗЛП    — задача линейного программирования 
ИИС  —  информационно-измерительная система 
ИНТ   — блок интегрирования уравнения кинематики 
ИСК  —  инерциальная система координат 
ИСКТ  — инерциальная система координат по базису Т 
КА 
  — космический аппарат 
КДИН  — контур динамический 
КИН   — уравнение кинематики углового движения 
ККИН  — контур кинематический 
МКА   — малый космический аппарат 
НСК   —  навигационная система координат 
НУ    —  начальные условия 
ОС    — обратная связь 
ОСК   — орбитальная система координат 
ОСК-Р  — орбитальная система координат расчетная 
ОТР   — блок отработки импульсных воздействий двигателей 
ПО   — подвижный объект 
ПР    —  программный разворот 
ПРЕД  — блок предварительного расчета кватернионов началь- 
                          ного и  конечного положений космического аппарата 
РАС   — блок расчета текущего кватерниона рассогласования 
РУ 
 — релейный усилитель 
СИО  — система исполнительных органов 
СК 
 — система координат 
СПО  —  специальное программное обеспечение 
ССК 
— связанная система координат 
СУОС — система управления ориентацией и стабилизации 
ЦМ  
— центр масс 
ШИМ — широтно-импульсная модуляция 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Особенности управления ориентацией  
космических аппаратов 

Характерная особенность задачи управления ориентацией  
КА — большое разнообразие методов, вызванное расширенными 
требованиями, предъявляемыми к объекту и используемыми в системах ориентации технических средств (датчиках, преобразующих 
устройствах, типах исполнительных органов и т. п.). Систематическое изложение проблем, задач и методов активного управления 
ориентацией и стабилизации КА, а также описание приборного состава систем, динамики процессов ориентации дано в работах [2, 10, 
11]. Ряд работ посвящен проблеме оптимального пространственного 
разворота твердого тела и решению некоторых частных задач, 
например:  
по оптимизации плоского разворота вокруг одной из осей 
инерции тела [2];  
по оптимизации управления разворотом быстро вращающегося 
тела [7];  
по оптимальному расходу рабочего тела [1, 2] и быстродействию [1, 2, 6] пространственного разворота твердого тела вокруг 
неподвижной оси Эйлера и т. д.  
Особенности применения БИНС в системах управления ориентацией КА исследовались в работах [3, 4, 8]. 
Для дальнейшего понимания задачи управления ориентацией 
КА приведем следующие пояснения. 
Задачи ориентации и управления движением космических объектов всегда связаны с определенными системами отсчета: СК и 
системой измерения времени. 
Разнообразие задач, решаемых в процессе полета, а также 
большое количество моделей движения предопределяют и множество систем координат (координатных базисов), используемых на 
практике.