Investigation of the possibility of estimating the angular rotation velocity of a small spacecraft using data on the current from solar cell

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In the work, the parameters of the rotational motion of the flight and prototypes of the small spacecraft "Aist" were simulated. At the first stage of operation, when the battery is working, the simulation was carried out according to the data of standard measuring instruments - magnetometers. The estimation of motion parameters is carried out according to the data on the current from solar panels. The results of this assessment are compared with those obtained from magnetometer data and those of other authors. At the second stage of operation, after the degradation of the battery, the assessment is carried out only according to the data on the current from the solar panels. Conclusions are made about the nature of the rotational motion of the flight and prototypes of the small spacecraft "Aist".

Full Text

Сравнительно недавнее использование малых космических аппаратов (МКА) не позволяет говорить о том, что их движение в околоземном космическом пространстве достаточно хорошо изучено. Это связано не только с короткой историей широкой эксплуатации МКА, но и рядом объективных причин, из которых можно выделить две основные. На космические объекты большой массы (орбитальные космические станции, космические аппараты (КА) среднего класса и т.д.) основное внешнее воздействие в околоземном космическом пространстве с высотой орбиты выше 400 км оказывают возмущения гравитационного характера [1, 2]. Согласно исследованиям [3, 4], основными внешними возмущениями для МКА являются возмущения магнитного характера.

Второй важной причиной можно считать чрезвычайно плотную компоновку МКА по сравнению с КА других классов [5]. Это накладывает свой отпечаток как на динамику движения МКА вокруг центра масс [4, 6] (поскольку взаимодействие внутренних магнитных полей от работы бортовой аппаратуры с магнитным полем Земли порождает возмущения), так и на корректность работы средств измерений, находящихся под воздействием внутренних магнитных полей [7, 8].

В работе проводится оценка параметров вращательного движения лётного (ЛО) и опытного (ОО) образцов МКА «Аист» на основе данных штатных средств измерений (магнитометров) в период работоспособности аккумуляторной батареи и данных о токе с панелей солнечных батарей после деградации аккумуляторной батареи и неработоспособности вследствие этого штатных средств измерений.

Решение поставленной задачи важно как для исследования вращательного движения МКА, эксплуатирующихся в неориентированном полёте, так и для оценки возможности эксплуатации МКА при нештатных ситуациях [4, 9] или в режиме частичной работоспособности [10, 11].

Условия и методы исследования

ЛО и ОО МКА «Аист» были выведены на орбиты 21.04.2013 путём отделения от космического аппарата «Бион – М» № 1 и 28.12.2013 с космодрома «Плесецк» в рамках испытаний ракеты-носителя «Союз-2-1в» путём отделения от разгонного блока «Волга» соответственно. Они имеют схожие массово-габаритные характеристики и оснащены одинаковым набором средств измерений и научной аппаратуры, что позволяет вести совместный анализ динамики вращательного движения этих МКА. Телеметрическая информация с ЛО и ОО МКА «Аист» поступала до конца лета 2019 года.

Штатные средства измерений – магнитометры входили в состав научной аппаратуры МАГКОМ [12], разработанной в институте комического приборостроения Самарского университета. Вся внешняя поверхность ЛО и ОО МКА «Аист» была обклеена фотопреобразователями, которые образовывают панели солнечных батарей. Данные о токе с панелей использовались для оценки параметров вращательного движения МКА. Для моделирования параметров вращательного МКА на первом этапе эксплуатации, при котором функционировали штатные средства измерений (рисунок 1), были выбраны телеметрические данные: 02.05.2013 с 18:12:41 по 19:16:43; 20.05.2013 с 19:48:43 по 20:49:45 – для ЛО МКА «Аист» и 12.03.2014 с 19:21:37 по 19:52:01; 24.05.2014 с 10:14:46 по 10:45:55 – для ОО МКА «Аист».

Моделирование компонентов вектора угловой скорости по данным измерений компонентов вектора индукции магнитного поля Земли осуществлялось по следующей рекуррентной зависимости:

ωki+1=arccosBki+1/Bi+1arccosBki/Biti+1ti ,

где i и i+1 – два последовательных измерения;  – вектор магнитной индукции, k = x, y, z.

Оценка угловой скорости с помощью данных о токе с панелей солнечных батарей проводилась при справедливости следующих упрощающих предположений [9]:

– только три из шести граней малого космического аппарата освещены;

– косинус угла между нормалью к поверхности фотопреобразователей и направлением на Солнце определяется приближённой зависимостью:

cosαj=ijijmax,                                                         

 где ij – измеренное значение силы тока; ijmax– максимальное значение силы тока (при αj=0);

– максимальное значение силы тока считается постоянным и одинаковым для всех граней малого космического аппарата;

– рассматривается только солнечное излучение;

– размеры МКА пренебрежимо малы.

Считается, что оси главной связанной системы координат совпадают с нормалями к трём рассматриваемым граням МКА. Направление на Солнце в главной связанной системе координат задаётся тремя углами: γj=±αjj=1...3. При освещении Солнцем других граней малого космического аппарата к углам следует прибавлять π2. Условием для прибавления служит нулевое значение тока. Таким образом:

γj=±αjifij0±π2+αjifij=0.

Тогда модуль угловой скорости оценивается следующим образом:

ωi=1titi1γ1iγ1i12+γ2iγ2i12+γ2iγ2i12.

Результаты и их обсуждение

Моделирование проводилось в среде Mathcad с использованием дискретного преобразования Фурье и ряда Котельникова для восстановления непрерывного сигнала. На рисунке 1 показаны спектры в частотном диапазоне 0,π60 рад/с для ЛО и ОО МКА «Аист». Особенностью ОО МКА «Аист» является существенная начальная угловая скорость МКА, которую он получил при отделении от разгонного блока «Волга» [13].

 

Рисунок 1. Амплитудные частотные характеристики модуля угловой скорости, смоделированной с помощью измерений магнитометров (левый столбец – магнитометр 1, средний столбец – магнитометр 2) и данных о токе с панелей солнечных батарей (правый столбец): а) ОО МКА «Аист» 12.03.2014 с 19:21:37 по 19:52:01; б) ОО МКА «Аист» 24.05.2014 с 10:14:46 по 10:45:55; в) ЛО МКА «Аист» 02.05.2013 с 18:12:41 по 19:16:43; г) ЛО МКА «Аист» 20.05.2013 с 19:48:43 по 20:49:45

 

Рисунок 2. Зависимости модуля угловой скорости от времени, смоделированные по измерениям магнитометров (z1(t) – магнитометр 1, z3(t) – магнитометр 2) и данных о токе с панелей (z2(t)):а) ОО МКА «Аист» 12.03.2014 с 19:21:37 по 19:52:01;б) ОО МКА «Аист» 24.05.2014 с 10:14:46 по 10:45:55;в) ЛО МКА «Аист» 02.05.2013 с 18:12:41 по 19:16:43;г) ЛО МКА «Аист» 20.05.2013 с 19:48:43 по 20:49:45

 

Из рисунка 4 видно, что присутствуют значимые различия в спектрах оценок угловой скорости, полученных с помощью измерений магнитометров и данных о токе. Эти различия наблюдаются как для ЛО, так и для ОО МКА «Аист». На рисунке 1 б) различия между оценками угловой скорости по измерениям двух разных магнитометров сравнимы с различиями между магнитометрами и данными о токе. Восстановленные рядом Котельникова зависимости угловой скорости от времени приведены на рисунке 2.

Заключение

Таким образом, поученные оценки в целом соответствуют данными других авторов, приведённым в работах [14–17]. Таким образом, можно констатировать наличие существенных различий между оценками угловой скорости с помощью измерений магнитометров и данных о токе. Они вызваны несколькими причинами: влиянием бортовой аппаратуры на измерения магнитометров, упрощённостью оценки угловой скорости с помощью данных о токе, не учитывающей отражение солнечного света Землёй, возможные затенения панелей элементами МКА, деградацию свойств фотопреобразователей и т.д. Однако, если в динамике оценок угловой скорости присутствуют существенные различия, то числовые характеристики – среднее выборочное значение и выборочная дисперсия – этих оценок довольно хорошо согласуются. Поэтому после деградации аккумуляторной батареи можно использовать данные о токе для оценки статистических характеристик угловой скорости вращения МКА.

×

About the authors

Tatiana Andreevna Ivashova

Samara University

Author for correspondence.
Email: itanya970@gmail.com

student IV course of the Samara University Faculty of Electronics and Instrumentation

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Proceedings of young scientists and specialists of the Samara University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Proceedings of young scientists and specialists of the Samara University

ISSN 2782-2982 (Online)

Publisher and founder of the online media, journal: Samara National Research University, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russian Federation.

The online media is registered by the Federal Service for Supervision of Communications, Information Technology and Mass Communications, registration number EL No. FS 77-86495 dated December 29, 2023

Extract from the register of registered media

Regulation of the online media

Editor-in-chief: Andrey B. Prokof'yev, Doctor of Science (Engineering), associate professor,
head of the Department of Aircraft Engine Theory

2 issues a year

0+. Free price. 

Editorial address: building 22a, room 513, Soviet of Young Scientists and Specialists, 1, Academician Pavlov Street, Samara, 443011, Russian Federation.

Address for correspondence: room 513, building 22a, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russian Federation.

Tel.: (846) 334-54-43

e-mail: smuissu@ssau.ru

Domain name: VMUIS.RU (Domain ownership certificate), Internet email address: https://vmuis.ru/smus.

The previous certificate is a printed media, the journal “Bulletin of Young Scientists and Specialists of Samara University”, registered by the Office of the Federal Service for Supervision of Communications, Information Technologies and Mass Communications in the Samara Region, registration number series PI No. TU63-00921 dated December 27, 2017.

© Samara University

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies