Перечислите основные компоненты СУДН космического аппарата и опишите их основные задачи.

Основные компоненты СУДН космического аппарата: солнечные датчики, магнитные датчики, датчики горизонта Земли, гироскопические датчики, маховики, магнитные исполнительные органы, двигатели малой тяги.

В целом СУДН КА вне зависимости от его назначения состоит из датчиков ориентации и исполнительных органов. Датчики ориентации по назначению разделяются на датчики углового положения и датчики угловой скорости. Исполнительные органы разделяются на инерционные исполнительные органы, электромагнитные исполнительные органы и реактивные двигатели.

Основные существующие на данный момент датчики углового положения функционируют на основе анализа информации из внешнего по отношению к корпусу КА пространства. К ним относят все датчики, использующие для своей работы оптическое излучение внешних по отношению к КА тел (Солнца, Луны, звезд, инфракрасное излучение Земли), а также датчики, измеряющие магнитное поле Земли, движение КА относительно окружающей Землю среды и т.п.

В составе современных СУДН КА различного назначения в качестве датчиков углового положения используются такие приборы, как:

- звездный датчик, определяющий свою ориентацию в пространстве на основе анализа текущего снимка звездного неба и его сопоставления с бортовым звездным каталогом;

- солнечный датчик, определяющий угловые координаты Солнца относительно системы координат прибора на основе выходных данных чувствительных элементов датчика, в качестве которых обычно используются ПЗС-матрицы, ПЗС-линейки и фотоэлектрические преобразователи;

- магнитный датчик, определяющий значение компонент вектора магнитной индукции магнитного поля Земли в результате функционирования чувствительных магнитных катушек прибора;

- датчик горизонта Земли, определяющий положение инфракрасного горизонта Земли в системе координат прибора в результате сканирования космического пространства с помощью специальных чувствительных элементов.

Из всех перечисленных датчиков углового положения наиболее точным является звездный датчик, кроме того это единственный датчик, который может давать в качестве выходного параметра текущее угловое положение КА.

Датчики угловой скорости - приборы, неподвижно установленные на корпусе КА и позволяющие измерять составляющую его вектора угловой скорости, параллельную оси чувствительности соответствующего датчика угловой скорости.

- инерционные исполнительные органы - маховики. В СУО с маховиками используется инерционное свойство вращающегося твердого тела. Управляющий момент маховика создается путем изменения скорости вращения самого маховика. Три таких маховика с осями, расположенными во взаимно-перпендикулярных направлениях, обеспечивают трехосную ориентацию и стабилизацию КА;

- электромагнитные исполнительные органы - магнитные катушки, магнитные контуры и гистерезисные стержни используются как для управления угловым положением, так и для управления угловой скоростью КА. Чаще всего они

используются для демпфирования колебаний КА и разгрузки маховиков. Выработка вращающего момента осуществляется в результате взаимодействия магнитных полей Земли и магнитного исполнительного органа;

- реактивные двигатели, производящие тягу за счет выброса топлива в сторону, противоположную движению КА. Использование парных малых реактивных двигателей в каждом канале управления КА может обеспечить его трехосную ориентацию.

14. Перечислите известные вам методы определения ориентации КА и опишите их особенности.

Для обеспечения правильной ориентации космического аппарата необходимо использовать внешние ориентиры для определения абсолютного (в инерциальном пространстве) углового положения аппарата. К таким ориентирам относятся Солнце, инфракрасный горизонт Земли, направление вектора индукции магнитного поля Земли в данной точке пространства и звезды. Кроме того, для кратковременного (в промежутках между внешней коррекцией) предоставления информации об инерциальной ориентации космического аппарата могут использоваться инерциальные (гироскопические) датчики. Положение внешних ориентиров (например, углы Солнца) обычно измеряется как углы между векторами с началом в центре масс космического аппарата. Такие измерения дают для каждого ориентира только два независимых параметра из трех, необходимых для определения ориентации космического аппарата. Это обстоятельство приводит к необходимости использования на борту большинства космических аппаратов нескольких датчиков различных типов.

Управление ориентацией космического аппарата с помощью электромагнитных исполнительных органов чаще всего используется для компенсации внешних возмущений и успокоения вращательного и колебательного движения с большой скоростью. Наиболее известным методом управления магнитным моментом катушек ЭМИО для успокоения сильных колебаний космического аппарата является например метод «B-dot», который позволяет уменьшить кинетическую энергию вращения и значительно снизить угловую скорость космического аппарата за короткий промежуток времени.

Трехосная ориентация КА может быть напрямую определена на основании измерений звездного датчика, так как все современные звездные датчики имеют в качестве выходных параметров кватернион ориентации КА в инерциальной системе координат или его углы Эйлера – углы, определяющие положение связанных осей КА относительно инерциальной системы координат.

Трехосная ориентация КА (т.е. его углы Эйлера или кватернион ориентации) может быть также определена на основе измерений нескольких датчиков, входящих в СУДН – солнечных датчиков, магнитных датчиков, гироскопических датчиков и т.д.

Определение ориентации КА на основе измерений нескольких датчиков производится с помощью таких алгоритмов как TRIAD, использующий два векторных измерения, QUEST и фильтр Калмана, использующие несколько векторных измерений.