Звездный датчик для космического аппарата в режиме закрутки

 

Изобретение относится к устройствам навигации космических аппаратов в режиме закрутки. Цель изобретения повышение точности определения координат звезд и увеличение числа измеряемых параметров звезды. Данная цель достигается тем, что в известном датчике, содержащем жестко закрепленные на космическом аппарате оптическую систему 1, щелевую диафрагму 2, и фотоприемник 3, диафрагма дополнительно снабжена второй V-образной парой щелей. Две центральные щели диафрагмы размещены на одинаковом расстоянии от оптической оси и ориентированы вдоль оси закрутки, а две другие параллельны и размещены от первых двух на расстоянии, равном половине расстояния между первыми двумя щелями. В электрическую сеть схемы введены два триггера 8, 17, два счетчика 12, 20, генератор импульсов 11, два блока памяти 13, 21, два логических элемента НЕ 9, 18, блок дифференцирования 14, ограничитель 14, ограничитель 15 и инвертор 16, 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к устройствам навигации космических аппаратов (КА) по звездам в режиме закрутки. Цель повышение точности определения координат и увеличение числа измеряемых параметров звезд. На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого звездного датчика; на фиг.2 щелевая диафрагма; на фиг.3 диаграммы изменения сигнала при прохождении его через схему обработки сигнала; на фиг.4 графические построения для математического обоснования сущности изобретения. Звездный датчик содержит оптическую систему 1, щелевую диафрагму 2, фотоприемник 3, например, ФЭУ, усилитель 4, пороговый блок 5, первый триггер 6, первый логический элемент И 7, второй триггер 8, первый логический элемент НЕ 9, второй логический элемент И 10, генератор импульсов 11, первый счетчик 12, первый блок памяти 13, дифференцирующий блок 14, параллельный диодный ограничитель 15, инвертор 16, третий триггер 17, второй логический элемент НЕ 18, третий логический элемент И 19, второй счетчик 20, второй блок памяти 21, четвертый логический элемент И 22, третий счетчик 23, детектор 24, первый сумматор 25, первый блок вычитания 26, задатчик 27 числа два, первый блок умножения 28, задатчик 29 числа а углового расстояния между щелями на координате Х, седьмой блок умножения 30, первый блок деления 31, третий блок умножения 32, четвертый блок умножения 33, задатчик 34 числа ϕ угла наклона первой и четвертой щелей к оси координат Y, блок 35 вычисления котангенса угла, третий блок деления 36, пятый блок умножения 37, второй блок вычитания 38, блок 39 вычисления котангенса угла наклона γ- траектории движения звезды к координатной оси Х, вычислитель 40 косинуса угла, восьмой блок умножения 41, второй блок умножения 42, второй делитель 43, шестой блок умножения 44, второй сумматор 45, третий сумматор 46, блок 47 индикации или телеметрический канал передачи информации. Функционально блоки с первого по пятый могут быть объединены в оптико-электронный узел формирования импульсного сигнала 1, в котором происходит формирование оптического изображения звезды, проецируемого оптической системой 1, преобразованного в последовательность импульсных электрических сигналов фотоприемником 3, усиление их усилителем 4 и выделение прямоугольных импульсов пороговым блоком 5. Параметры усилителя и порогового блока подбирают так, что кривизной фронта импульса практически можно пренебречь. Блоки с 6-24 схемы выполняют функцию выделения временных интервалов, длительность которых пропорциональна временным интервалам прохождения сигнала от звезды между щелями диафрагмы, и могут быть объединены в единый узел II. Так, на выходе цепочки из последовательно подключенных блоков: триггер 6, первый элемент И 7, блок дифференцирования 14, параллельный диодный ограничитель 15, инвертор 16, триггер 17, четвертый элемент И 22, счетчик 23 формируется сигнал, пропорциональный интервалу времени между пересечением сигналом от звезды третьей и четвертой щелей t₄-t₃. На выходе цепочки блоков: второй логический элемент И 10, третий логический элемент И 19, счетчик 20 формируется сигнал, пропорциональный интервалу времени t₂-t₁. На выходе блоков: триггер 3 с параллельно подключенным элементом НЕ 9, второй логический элемент И 10, счетчики 12, формируется сигнал, пропорциональный времени t₃-t₂. Таким образом, на выходах узла II, включающего блоки 6-24, осуществляется выделение из последовательности импульсов от сигнала звезды во временные интервалы, длительность которых пропорциональна интервалам времени прохождения изображения от одной щели диафрагмы до другой. Блоки с 25-46 объединены в узел III и выполняют функцию вычисления параметров перемещения изображения звезды в плоскости приборной системы координат, которые связаны с параметрами перемещения КА, а именно угловую скорость перемещения звезды по плоскости диафрагмы ω угол наклона траектории звезды γ в приборной системе координат, жестко связанной с системой координат КА, и координату пересечения траектории звезды и оси Y (OK) приборной системы координат. Наличие этой информации позволяет однозначно судить об ориентации KA. Каждый из перечисленных параметров вычисляется соответствующей группой блоков. Сумматор 25, блок вычитания 26, задатчик 27 числа два, блок умножения 28, блок деления 31, первый 32 и второй 33 блоки умножения, задатчик числа ϕ 34, вычислитель котангенса 35, пятый блок умножения 37, второй блок вычитания 38, блок вычисления арктангенса угла γ 39, второй блок деления 43, шестой блок умножения 44 составляют блок вычисления координат звезды III в плоскости приборной системы координат. На выходе блока 39 получают угол γ наклона траектории движения звезды относительно оси Х приборной системы координат, а на выходе блока 44 координату Y точку пересечения траектории движения звезды с осью ординат приборной системы координат. Полученные величины характеризуют положение звезды на каждый текущий момент времени в приборной системе координат KA. Блок 29 задатчик числа а (расстояния между щелями диафрагмы), блок умножения 30, блок деления 36, блок умножения 41, и блок вычисления косинуса угла γ позволяют вычислить линейную скорость перемещения изображения звезды V, а вместе с блоком 45 задатчиком расстояния R и блоком деления 44 позволяют вычислить угловую скорость ω перемещения звезды, которая эквивалентна угловой скорости вращения KA, так как перемещение звезды по полю зрения осуществляется путем вращения KA в режиме закрутки, и составляют вычислитель угловой скорости вращения звезды IV. Полученные данные могут быть выведены на индикатор 47 или переданы по каналу телеметрии на Землю. По ним известными методами можно определить угловое положение KA на заданный момент времени. Щелевая диафрагма (см. фиг.2) состоит из четырех щелевидных прорезей, выполненных в плоской непрозрачной пластине, попарно параллельных одна другой. Две центральные щели расположены вертикально и параллельны оси ординат, а две другие находятся по разные стороны от них на равном расстоянии а по оси абсцисс и расположены под острым углом относительно оси ординат, а расстояние между параллельными щелями равно удвоенному расстоянию от каждой вертикальной щели до наклонной. Ниже дано обоснование математических зависимостей, характеризующих такую конструкцию диафрагмы. На фиг.4 изображена траектория звезды, составляющая угол γ с осью абсцисс Х приборной системы координат XOY и пересекающая четыре щели диафрагмы в моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄. Для удобства вывода формул на фиг.4 в качестве вспомогательного построения изображена условная щель, проходящая через начало отсчета и составляющая угол ϕ с осью ординат. Момент пересечения изображением звезды этой условной оси обозначают t₂^*. Из треугольника t₂t₂^*B по теореме синусов следует ; , отсюда получают tgγ ctgϕ, обозначив t₂^* t₂ Δ₂; t₂ t₁ Δ₁, получают tgγ₁= ctgϕ. Аналогично из соседнего треугольника получают tgγ₂= ctgϕ Поскольку точность определения угла γ зависит от временного интервала, то вводят весовые коэффициенты P₁ и Р₂ P₁= ,
tgγ₁= ctgϕ,
P₂= ;
tgγ₂= _ ctgϕ;
tgγ_ср= ctgϕ ctgϕ. γ_ср= arctg ctg
Угловую скорость ω можно определить из соотношения
ω (t₃ t₂)cos γ_ср 2а;
ω ,
Для определения точки пересечения траекторий звезды оси Y записывают следующее соотношение:
ОК (t₃-t₁)ω cosγ_ср-3actgϕ + t sinγ. Подставив вместо ω полученное выражение
ω , получают
(t₃-t₁) 3a ctgϕ + . Подставив вместо tg γ полученное выражение, имеют
· 2a-3a cosϕ + · a ctgϕ или
Y ОК × 2a ctgϕ. Звездный датчик работает следующим образом. При закрутке KA с угловой скоростью ω изображение звезды, находящейся в поле зрения оптической системы 1, проецируется в плоскость щелевой диафрагмы 2 (см. фиг.2) и при вращении KA в режиме закрутки пересекает щели диафрагмы и преобразуется фотоприемником, в качестве которого используется фотоумножитель, в электрические импульсы, которые усиливаются, проходя через усилитель 4 (см. фиг.3а), а затем преобразуются пороговым блоком 5, срабатывающим по заданному порогу, в прямоугольные импульсы (см. фиг.3б). Последовательность импульсов поступает на первый триггер 6. По первому импульсу триггер перебрасывается, а по второму возвращается в исходное состояние. На выходе триггера образуются два импульса, равных по времени t₂-t₁ и t₄-t₃ (см. фиг.3в), т.е. выделяются импульсы, длительность которых пропорциональна интервалам времени между прохождением сигнала от звезды от одной соседней щели диафрагмы до другой. Первый (нечетный) импульс вызывает срабатывание второго триггера 8 (см. фиг. 3г), а второй (четный) возвращают в исходное положение. Сформированный импульс поступает на второй вход второго логического элемента И 10, к первому входу которого подключен первый логический элемент НЕ 9, а к третьему входу генератор импульсов. Когда с первого триггера 6 сигнал не поступает, с выхода элемента НЕ 9 имеется сигнал (см. фиг.3л), когда сигналы с второго триггера совпадают по времени с сигналом с генератора импульсов 11 и с сигналом с элемента НЕ 9, на выходе элемента И 10 будет последовательность импульсов, по времени равная интервалу t₃-t₂ (см. фиг.3м). Счетчик импульсов 12 пересчитает количество импульсов, пропорциональное временному интервалу t₃-t₂, а элемент памяти 13 запомнит значение временного интервала. С первого триггера 6 импульсы поступают также на вход первого элемента И 7, на другой вход которого подаются импульсы с генератора импульсов 11. При их временном совпадении с выхода элемента И 7 поступают две последовательности импульсов, равных по времени (t₃-t₁) и (t₃-t₄) (см. фиг.3к), которые проходят на входы третьего 19 и четвертого 22 логических элементов И. С выхода первого триггера 6 импульсы поступают на блок дифференцирования 14, который преобразует их к виду, изображенному на фиг.3е. Параллельный диодный ограничитель 15 срезает импульсы положительной полярности (см. фиг.3ж), а инвертор 16 обесточивает отрицательные импульсы в аналогичные положительные (см. фиг.3з), по которым третий триггер 17 формирует импульс, равный по времени (t₄-t₃), т.е. интервалу времени между пересечением звезды третьей и четвертой щелей диафрагмы, и подает его на четвертый элемент И 22. При совпадении, т.е. при пересечении звездой третьей и четвертой щелей, с импульсами с первого элемента И 7 на выходе элемента И 22 будет последовательность импульсов, равная интервалу времени (t₄-t₃) (см. фиг. 3п), третий счетчик 23 подсчитывает количество импульсов. Кроме этого, последовательность импульсов подается на детектор 24, который преобразует их в сигнал, запускающий элементы памяти 13 и 21 для считывания с них информации одновременно с информацией со счетчика 23. Когда с третьего триггера 17 импульсы не поступают на второй элемент НЕ 18, с него подается сигнал на третий элемент И 19 (см. фиг.3н), при совпадении с импульсами с первого элемента И 7, а это происходит на интервале t₂-t₁ (см. фиг.3о), с выхода третьего элемента И 19 последовательность импульсов поступает на счетчик 20, где подсчитывается их количество, пропорциональное длительности временного интервала (t₂-t₁), и подается на второй элемент памяти 21, где запоминается до того момента, когда поступит сигнал на их считывание. Когда сигнал на считывание поступает, три временных интервала складываются в сумматоре 25, что соответствует временному интервалу (t₄-t₁). Интервал (t₃-t₂) в первом блоке умножения 28 умножается на два и в первом блоке вычитания 26 из него вычитается интервал (t₄-t₁) и полученная разность делится в делителе 31 на интервал (t₄-t₁). Умножая полученный результат на ctg ϕ и вычисляя арктангенс в блоке 39, получают значение угла наклона γ траектории звезды к оси Х₂, которое выводится на индикатор 47 или передается по каналу телеметрии на Землю. Реализованная формула для вычисления угла γ имеет вид
γ arctg ctg. Задатчик расстояния между щелями а блок 29, второй умножитель 30, третий делитель 36, восьмой умножитель 41, вычислитель косинуса угла γ вычисляют линейную скорость v перемещения изображения звезды в плоскости диафрагмы. Поскольку изображение звезды перемещается благодаря движению KA, то эта скорость характеризует движение KA и равна
ω . Второй 45 и третий 46 сумматоры, третий 32, пятый 37, второй 42 и шестой 44 блоки умножения, второй блок вычитания 38 и второй блок деления 43 позволяют реализовать формулу определения координаты пересечения изображением звезды оси Y (OK)
Y × 2a ctgϕ. Информация о параметрах перемещения звезды отображается на индикаторе 49 или передается по каналу телеметрии на Землю. Предложенный звездный датчик позволяет получить достаточно высокую точность измерения параметров звезды и угловой скорости ее перемещения и тем самым увеличить точность построения ориентации KA. Предварительные расчеты показывают, что точность датчика при фокусном расстоянии объектива 100 мм и угле поля зрения порядка 30 град. составит порядка 10 угл.с.

Формула изобретения

1. ЗВЕЗДНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В РЕЖИМЕ ЗАКРУТКИ, содержащий жестко закрепленные на космическом аппарате и последовательно расположенные оптическую систему, в фокальной плоскости которой размещена V-образная двухщелевая диафрагма, одна из щелей которой параллельна оси закрутки, а другая расположена под острым углом к ней, фотоприемник электрически связанный через усилитель с пороговым блоком, триггером, детектором и блоком вычисления координат звезды, первый и второй выходы которого соединены с блоком индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения координат и увеличения числа измеряемых параметров звезды, диафрагма дополнительно снабжена второй V-образной парой щелей, при этом две центральные щели размещены на одинаковом расстоянии от оптической оси и ориентированы вдоль оси закрутки, а две другие параллельны, размещены по разные стороны от первых двух на расстоянии, равном половине расстояния между первыми двумя щелями, кроме того, в электрическую часть звездного датчика дополнительно введены три логических элемента И, два логических элемента НЕ, два триггера, два счетчика, генератор импульсов, два блока памяти, а также последовательно связанные по первым входам блоки дифференцирования, ограничения, инвертор, третий триггер, четвертым логическим элементом И, третьим счетчиком, выходом соединенным с третьим входом блока вычисления координат звезды, при этом вход первого триггера одновременно соединен с входами блока дифференцирования, первого логического элемента НЕ, с первым входом логического элемента И и с входом второго триггера, выход которого соединен с вторым входом второго логического элемента И, с первым входом которого соединен выход первого логического элемента НЕ, а с третьим входом логического элемента И выход генератора импульсов, связанный также с вторым входом первого логического элемента И, выходом подключенного одновременно к второму входу четвертого логического элемента И и к первому входу третьего логического элемента И, второй вход которого через второй логический элемент НЕ связан с выходом третьего триггера, а выходы второго и третьего логических элементов И соответственно через последовательно соединенные первый счетчик и первый блок памяти, а также второй счетчик и второй блок памяти соединены с первым и вторым входами вычислителя координат звезды, причем вторые входы первого и второго блоков памяти соединены с общим выходом детектора, вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, при этом третий выход вычислителя координат звезды связан с вторым входом блока вычисления угловой скорости звезды, первым входом связанного с выходом первого блока памяти, а первый выход блока вычисления угловой скорости соединен с блоком индикации, а второй его выход подключен к четвертому входу блока вычисления координат. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что вычислитель координат звезды выполнен в виде трех сумматоров, двух блоков деления, шести блоков умножения, двух блоков вычитания, задатчика числа два, задатчика углового расстояния между щелями, вычислителя котангенса угла наклона щелей диафрагмы, вычислителя арктангенса угла наклона траектории звезды, при этом выход задатчика числа два подключен к последовательно соединенным по первым входам первому блоку умножения, первому блоку вычитания и первому блоку деления, а выход задатчика угла наклона щелей подключен к входу вычислителя котангенса этого угла, выход которого соединен с первым входом четвертого блока умножения, вторым входом соединенного с выходом первого блока деления, а выходом через вычислитель арктангенса угла наклона траектории звезды соединен с первым входом вычислителя координат звезды, который также содержит последовательно соединенные по первым входам третий сумматор, третий блок умножения, второй блок вычитания, второй блок деления и шестой блок умножения, выход которого является вторым выходом блока вычисления координат звезды, при этом второй вход второго блока деления подключен к выходу второго блока умножения, первым входом соединенного с выходом первого сумматора, который одновременно связан с вторыми входами первого блока вычитания и первого блока деления, а второй вход второго блока умножения соединен с первым входом блока вычисления координат звезды, при этом второй вход шестого блока умножения соединен с выходом блока вычисления котангенса угла наклона щелей, а третий вход шестого блока умножения соединен с четвертым входом блока вычисления координат звезды, причем пятый блок умножения соединен по первому входу с третьим входом блока вычисления координат звезды, который соединен также с вторым входом второго сумматора, а по второму входу пятый блок умножения соединен с выходом второго сумматора, при этом выход пятого блока умножения соединен с вторым входом второго блока вычитания, а второй вход третьего блока умножения подключен к второму входу блока вычисления координат звезды, который соединен также с вторым входом второго сумматора и одновременно с вторым входом первого сумматора, первый вход которого связан с первым входом блока вычисления координат звезды, а третий вход сумматора связан с третьим входом этого блока, причем второй выход задатчика числа два является третьим выходом блока вычисления координат звезды. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок вычисления угловой скорости вращения выполнен в виде последовательно соединенных задатчика углового расстояния между щелями и по первым входам седьмого блока умножения, третьего блока деления, выход которого является первым выходом блока вычисления угловой скорости, связанным с входом блока индикации, а также блока вычисления косинуса угла наклона траектории звезды, восьмого блока умножения, первый вход которого является первым входом вычислителя угловой скорости, а второй вход седьмого блока умножения вторым входом этого блока, при этом выход седьмого блока умножения является вторым выходом блока вычисления угловой скорости, причем выход восьмого блока умножения связан с вторым входом третьего блока деления, а второй вход восьмого блока умножения через блок вычисления косинуса угла наклона траектории звезды связан с третьим входом блока вычисления угловой скорости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 14-2002

Извещение опубликовано: 20.05.2002        

---