СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИИС КОНТРОЛЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
1.1 ИИУС ориентации и стабилизации
1.2 Применение различных ИИУС ориентации на различных МКА
1.3 Электромагнитные ИИУС ориентации и ИИС КВД
1.4 Анализ существующих датчиков для ИИС КВД
1.5 Способы снижения влияния возмущающих воздействий на
магнитометры
1.6 Эффективность функционирования ИИС КВД
2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВРАЩЕНИЯ МКА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В ИИС КВД
2.1 Упрощающие допущения при построении модели
2.2 Уравнения модели орбитального движения МКА
2.3 Обоснование необходимости алгоритма непрерывного контроля
угловой скорости МКА
3 РАЗРАБОТКА ИИС КВД С МАГНИТОМЕТРАМИ
3.1 Назначение, область применения и общая структура ИИС КВД
3.2 Бортовой сегмент ИИС КВД
3.3 Наземный сегмент ИИС
3.4 Основные требования и особенности функционирования ИИС КВД
3.5 Метрологический анализ ИИС КВД
3.6 Принцип функционирования магниторезистивного сенсора
3.7 Инструментальная погрешность магнитометра
3.8 Анализ методической погрешности ИИС КВД при использовании корректирующих коэффициентов
4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ И СХЕМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИИС КВД В ПОЛЕТЕ
4.1 Цели разработки методики наземных испытаний и схемы функционирования ИИС КВД в полете
4.2 Анализ существующей методики наземных испытаний ИИС КВД
4.3 Описание существующей схемы функционирования ИИС КВД в
полете и выявление её недостатков
4.4 Методика наземных испытаний ИИС КВД
4.5 Схема функционирования ИИС КВД в полете МКА
4.6 Алгоритм непрерывного контроля угловой скорости МКА
5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИИС КВД И МЕТОДИК
ЕГО ИСПЫТАНИЙ
5.1 Области использования результатов диссертационного исследования
5.2 Практическое использование схемы ИИС КВД в составе магнитной
ИИУС ориентации
5.3 Практическое использование методики наземных испытаний ИИС
КВД
5.4 Оценка эффективности разработанного ИИС КВД в полете
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель, перечислены задачи исследования, дан анализ состояния проблемы, представлены научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведён обзор и анализ существующих ИИС КВД. Рассмотрены основные принципы их построения и функционирования.
Установлено, что для эффективной работы ИИУС ориентации требуется с высокой точностью определять и контролировать угловую скорость вращения МКА с помощью ИИС КВД. При этом эффективность функционирования ИИС КВД можно количественно оценить значениями рисков невыполнения задачи снижения угловой скорости МКА. Целевой диапазон угловой скорости вращения определяет возможность применения МКА для решения различных целевых задач.
Такая ИИС КВД может быть построена на использовании измерений с магнитометров. Их важными преимуществами являются высокая надежность,
простота конструкции, малые масса, габариты и энергопотребление. Это обуславливает их широкое применение на МКА. Однако у магнитометров имеются и недостатки. Например, влияние на измерения собственных магнитных полей МКА, определяющее невысокую точность измерений составляющей МПЗ. В этой связи проведен анализ существующих способов снижения влияния возмущений от БА на магнитометры. Сделан вывод о том, что одним из самых эффективных способов является компенсация магнитных возмущений в цепи обратной связи блока вычисления ИИС КВД. Для оценки величины компенсации возмущений необходимо создать методику испытаний по определению магнитных возмущений от БА.
Для ИИС КВД условия эксплуатации будут отличаться от условий наземных испытаний. Для эффективного функционирования на стадии эксплуатации МКА требуется разработка алгоритма функционирования ИИС КВД в составе ИИУС ориентации.
Во второй главе построена функционально-ориентированная математическая модель определения угловой скорости вращательного движения МКА по данным измерения вектора индукции МПЗ при справедливости следующих допущений:
1 модель движения МКА – пространственное вращение вокруг центра масс;
2 МКА представляет собой абсолютно твёрдое тело;
3 учитываются следующие возмущающие факторы: гравитационный,
аэродинамический, магнитный моменты и управляющий момент МИО. Используем теорему об изменении кинетического момента:

dL  M e ,  dt
где M e – вектор внешних моментов, действующих на КА и определённых допущением 3.
Выражение для кинетического момента будет иметь вид:

LIωmr0 r0, 
ˆ   
где Iˆ – тензор инерции КА в главной связанной системе координат (рисунок 1);  –
вектор угловой скорости МКА в главной связанной системе координат; m – масса  
КА; r0 – радиус-вектор центра масс в главной связанной системе координат; r0 – вектор скорости центра масс в главной связанной системе координат.
При принятых допущениях уравнения модели примут вид:
Рисунок 1 – Используемые системы координат: XYZ – главная связанная
система координат; xс yс zс – строительная система координат магнитометра; С – центр масс МКА; G – направление на центр Земли
   I  m  y 2  z 2      m x y     m x z   m   x   y   z      y 2  z 2   y z   2   2   
xx00y00z00x0z0y0yz0000zy MупрX Gzy0 Gyz0 Bzpy Bypz;
   m x y     I  m  x 2  z 2      m y z   m   y   z   x      z 2  x 2   x z   2   2    x00yy00z00y0x0z0xz0000xz
M G z G x B p B p ;  упрY x0 z0 xz zx
     m x z     m y z     I  m  x 2  y 2    m   z   x   y      x 2  y 2   x y   2   2    x00y00zz 00 z0y0x0xy0000yx
M G x G y B p B p .  упрZ y 0 x 0 y x x y
Согласно допущению No3, правая часть имеет структуру:


Me Mаэр Mгр Mмаг Mупр,
где M аэр , M гр , M маг , M упр – векторы аэродинамического, гравитационного,
магнитного моментов и управляющего момента МИО соответственно.
Проведенные оценки на примере МКА «Аист» показывают, что гравитационный и магнитный возмущающие моменты, действующие на МКА, являются соизмеримыми при доминировании магнитного момента. Аэродинамический возмущающий момент примерно на два порядка ниже. Эти оценки хорошо согласуются с аналогичными оценками, выполненными для других
МКА («Ямал-200», «Ямал-201», «Ямал-202», «Микросат», «Ямал-100», «Egyptsat»). В результате лётных испытаний ЛО и ОО МКА «Аист» выяснилось, что влияние магнитных возмущений, создаваемых БА, привело к существенным различиям измерений двух магнитометров. Использование этих измерений для управления МИО на ЛО МКА «Аист» привело к снижению угловой скорости вращения МКА вокруг центра масс и последующему нахождению ее значений в пределах целевого диапазона. Попытки снижения угловой скорости на ОО МКА «Аист», наоборот, привели к «раскрутке» МКА и выходу значений угловой скорости за целевой диапазон. На рисунке 2 приведены оценки сдвигов средних выборочных значений измерений по соответствующим каналам двух магнитометров для наземных и лётных
испытаний ЛО МКА «Аист» без включения и с включением МИО.
а) – первый канал б) – второй канал
Рисунок 2– Оценка сдвига средних выборочных значений магнитной индукции
по каналам измерений двух магнитометров:
1) лётные испытания; 2) испытания в цехе; 3) испытания на Байконуре

Результаты представленные на рисунке 2 показывают, что средние значения измерений магнитометров имеют значимый сдвиг из-за влияния БА.
С помощью функционально-ориентированной модели установлено, что основным возмущающим фактором, влияющим на угловую скорость МКА является магнитный момент. Это подтверждается результатами эксплуатации ЛО и ОО МКА «Аист».
В третьей главе разработана структура ИИС КВД с магнитометрами (рисунок 3).
Рисунок 3 – Структурная схема бортового сегмента ИИС КВД
Она позволяет снижать погрешность определения угловой скорости вращения МКА. Это достигается за счет реализации алгоритма непрерывного контроля на средствах ИИС КВД, для чего в ее состав введен блок вычислителя. При этом часть вычислительных задач, связанных с формированием массива поправочных коэффициентов, переложена с блока вычислителя на наземный сегмент ИИС КВД. Это позволяет снизить массо-габаритные характеристики бортового сегмента ИИС КВД.
На ИИС КВД получен патент No 2692741 «Устройство контроля параметров углового движения космического аппарата по данным бортовых измерений состояния геомагнитного поля».
Алгоритм функционирования ИИС КВД приведен на рисунке 4. Проведен метрологический анализ измерительных каналов ИИС КВД. Для расчета инструментальных погрешностей разработана модель измерительных каналов магнитометра (рисунок 5). Для определения методических погрешностей при оценке угловой скорости вращения МКА разработана модель измерительного канала ИИС КВД (рисунок 6). Получены выражения для мультипликативной и аддитивной относительных погрешностей измерительных каналов.
Используемый в составе ИИС КВД магнитометр АКПС.411173.100 является модернизированной версией магнитометра бесконтактного ДМ-002 АКПС.411172.002, который внесен в государственный реестр средств измерений рег. номер No38456-08. Модернизация затронула только замену АЦП в связи с прекращением выпуска ЭКБ. Используемый в настоящее время АЦП AD7928 имеет большую разрядность и повышенную частоту дискретизации по сравнению со своей

предыдущей версией. Таким образом, погрешность магнитометра АКПС.411173.100, используемого в разработанной ИИС КВД, не может превышать погрешность магнитометра АКПС.411172.002 и составит ±0,5 мкТл.
Рисунок 4 – Алгоритм функционирования ИИС КВД
U
U НОМ Изм
вх S 1+ Ист Ист
tос S ДТ
S 1+ С C
1+ ДТ
K 1+
1+ АЦП
S 1+ АЦП АЦП
Ист
C
КВ
ДТ

S АЦП
КВ
T НОМ
Изм
УС
УС
Рисунок 5 – Модель измерительных каналов магнитометра
  
ВЛ
H
СК
B ИЗМ Р
T ИЗМ Р
1+ T
К 1+ ПОПР ПОПР
S МОД
1+ МОД
S 1+  
 ИЗМ Р
S T
Рисунок 6 – Структурная модель канала ИИС КВД для определения угловой скорости МКА
В четвёртой главе представлены методика наземных испытаний ИИС КВД и схема функционирования ИИС КВД, включающая процедуру непрерывного контроля угловой скорости МКА.
Отличительной особенностью разработанной методики наземных испытаний является формирование массива поправочных коэффициентов для учёта влияния магнитных возмущений от БА. Дополнительно методика позволяет определить магнитные возмущения от других объектов, присутствующих на испытаниях, например, испытательной оснастки или контрольно-проверочной аппаратуры. Методика предполагает определение поправочных коэффициентов как при работе отдельной БА, так и при работе комплекса БА, определенного штатными режимами функционирования МКА. Сформированный массив поправочных коэффициентов позволяет снизить погрешность измерения индукции МПЗ. Алгоритм проведения испытаний по разработанной методике приведен на рисунке 7.
Рисунок 7 –Алгоритм проведения наземных испытаний ИИС КВД
Разработанная схема функционирования ИИС КВД позволяет учесть возмущения магнитного характера, которые не могли быть учтены на этапе

наземных испытаний. Конечным результатом применения схемы функционирования ИИС КВД является постоянная корректировка сформированных на стадии наземных испытаний поправочных коэффициентов и непрерывный контроль пребывания угловой скорости в целевом диапазоне.
Схема функционирования ИИС КВД представлена на рисунке 8. Алгоритм непрерывного контроля, реализуемый на средствах ИИС КВД, представлен на рисунке 9.
Рисунок 8 – Схема Рисунок 9 – Алгоритм непрерывного функционирования ИИС КВД контроля угловой скорости МКА
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований разработанной ИИС КВД. Структура ИИС КВД была реализована в составе аппаратуры «КМУ-1», которая является ИИУС ориентации МКА «АИСТ-2Д», выведенного на орбиту в 2016г. В результате летно-космических испытаний ИИС КВД показала снижение погрешности оценки угловой скорости по сравнению с предшествующими аналогами.
Предлагаемая методика была реализована при проведении наземных испытаний МКА «АИСТ–2Д», а также запланировано её использование в рамках подготовки КА «Бион–М» No2. Определены поправочные коэффициенты, которые при использовании в полете МКА «АИСТ-2Д» позволили снизить погрешность измерений вектора индукции МПЗ.
Эффективность разработанной ИИС КВД была продемонстрирована при штатной эксплуатации в составе ИИУС МКА «АИСТ-2Д» в сравнении с МКА серии «Аист».
Оценка угловой скорости вращения МКА вокруг центра масс проводилась с помощью магнитометров путём прямых измерений вектора индукции МПЗ и последующей оценки компонентов вектора угловой скорости с помощью формулы Бура.

Оценим погрешность путём сравнения данных различных магнитометров АКПС.411173.012 разработки Самарского университета друг с другом и соотнесём её с погрешностью косвенных измерений угловой скорости. Сравнение разницы оценок магнитометров разных МКА приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнение разницы оценок угловой скорости различных магнитометров
z Без применения методик и корректирующих коэффициентов
0,46 0,89
С применением методик и корректирующих коэффициентов «АИСТ–2Д» 30.06.16 0,5 0,04 0,25 0,2 0,15
Поскольку магнитометры МКА «АИСТ–2Д», ЛО и ОО МКА «Аист» были идентичными, то погрешность косвенных измерений компонентов вектора угловой скорости при инструментальной погрешности магнитометров ±0,5 мкТл приблизительно одинакова и оценивается 0,04 °/с. Разница оценок двух магнитометров в среднем составила 0,25 °/с; 0,20 °/с и 0,15 °/с по соответствующим компонентам вектора угловой скорости. Это существенно ниже, чем для ЛО и ОО МКА «Аист», что подтверждает эффективность разработанного ИИС КВД.
МКА «АИСТ–2Д» имеет полноценную систему ориентации и управления орбитальным движением. Поэтому в данном случае есть возможность сравнения оценок угловой скорости вращения МКА, полученных с помощью ИИС КВД и штатной измерительной аппаратурой системы управления – измерителей угловой скорости (ИУС), имеющих более высокий класс точности.
На рисунке 10 показаны результаты такого сравнения. Выделены участки стабилизации МКА и программных поворотов.
Разница оценок двух магнитометров с ИУС в среднем составила 0,17 °/с; 0,08 °/с; 0,18 °/с (магнитометр No 1) и 0,20 °/с; 0,18 °/с; 0,16 °/с (магнитометр No 2) по соответствующим компонентам вектора угловой скорости. Это существенно ниже, чем для ЛО и ОО МКА «Аист».
С другой стороны, сравнение абсолютных значений невязок оценок угловой скорости по данным двух магнитометров ИИС КВД с аналогичными значениями невязок оценок по данным ИУС показывает корректность оценки погрешности путём сравнения данных друг с другом.
Таким образом, разработанная ИИС КВД позволяет эффективнее контролировать пребывание значений угловой скорости в целевом диапазоне. Это снижает вероятность принятия неверного решения об использовании управления, что в совокупности с уменьшением погрешности измерений индукции МПЗ повышает эффективность обеспечения целевых значений угловой скорости вращения МКА.
МКА
Дата
Инструментальная погрешность магнитометров,
мкТл
Погрешность косвенных измерений, °/с
Разница оценок угловой скорости по компонентам, °/с
х
y
ЛО «Аист»
27.05.13
0,5
0,04
0,48
0,63
ОО «Аист»
26.02.14
0,5
0,04
0,92
0,48

Рисунок 10 – Разность оценок компонентов (1 – магнитометр No 1; 2 – магнитометр No 2) по данным измерений от 26.02.2014
Далее оценим снижение вероятности принятия неверного решения об
использовании управления. ИИС КВД производит оценку компонента вектора
угловой скорости по рекуррентной формуле:

ki1  arccosBk i1 Bi1  arccosBk i Bi ,
ti1 ti
где i и i+1 – два последовательных измерения; k = x, y, z.
Оценки показывают, что магнитные возмущения от БА могут втрое увеличивать погрешности измерения компонентов вектора индукции МПЗ. Поэтому примем:
dBx  dBx1  dBy  dBy1  dBz  dBz1 1,5 МкТл
В этом случае для измерений B(Bx , By , Bz ) от 02.09.2014 модуль погрешности
оценки угловой скорости ОО МКА «Аист» составил:
– 0,229598 °/c без учёта влияния целевой и обеспечивающей аппаратуры;
– 0,0765 °/c с учётом влияния целевой и обеспечивающей аппаратуры.
Согласно техническому заданию на аппаратуру «КМУ-1», целевой диапазон
угловой скорости вращения должен составлять от 0 до 10 °/c. Считая погрешность ошибки измерения нормально распределённой случайной величиной с нулевым математическим ожиданием, получим оценку вероятности принятия верного решения об использовании управления при значениях угловой скорости, близкой к правой границе целевого диапазона (рисунок 11).
На основе оценки вероятности принятия верного решения относительно использования управления можно утверждать, что гарантированный управляющий сигнал на МИО при реальной погрешности ±1,5 мкТл поступит при значении
кр =11,55 °/с, а при ±0,5 мкТл – при значении кр =10,64 °/с. Считая все значения
угловой скорости равновероятными, получим, что вероятности выхода за целевой диапазон будут 0,134 и 0,060 соответственно.
Следовательно, применение разработанной ИИС КВД в составе ИИУС ориентации на борту МКА «АИСТ-2Д» позволило уменьшить (до 20% по сравнению с МКА «Аист») погрешности определения угловой скорости МКА в полёте.
Рисунок 11 – Вероятности принятия верного решения вблизи границы целевого диапазона значений угловой скорости вращения МКА: 1 – ИИС КВД, функци- онировавшая на ЛО и ОО МКА «Аист»;
2 – разработанная ИИС КВД
1 2 0,8
0,6 0,4 0,2
0,9971 1 1
0,5
0,8 0,6
0,8
0,96
0,9 0,7
0,95
10 10,12 10,26 10,42 10,64 10,82 11,55
ω, угловая скорость
Таким образом, в настоящей диссертационной работе получены положения, заключающиеся в разработке новой структуры; методике наземных испытаний; схеме функционирования ИИС КВД, включающей в себя алгоритм непрерывного контроля, и содержащие решение научной задачи контроля угловой скорости вращения МКА, имеющей важное значение для развития и широкого применения МКА в различных областях.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Все задачи исследований, поставленные в диссертации выполнены.
Основные выводы и результаты, полученные в работе:
1. Проведен анализ алгоритмов и структур построения ИИС для контроля угловой скорости МКА. Выявлено, что магнитометры как средство измерения, применяемое в составе ИИС КВД, имеют ряд преимуществ. Показано, что основной причиной невысокой точности магнитометров является влияние на измерения собственных магнитных полей МКА. Для снижения влияния предложено применять корректирующие коэффициенты, величина которых определяется по результатам экспериментальной отработки ИИС КВД.
2. Для анализа влияния возмущений гравитационного, магнитного, аэродинамического характера на угловую скорость вращательного движения МКА разработана функционально-ориентированная на применение в ИИС КВД математическая модель вращения МКА. Предложено использование алгоритма непрерывного контроля угловой скорости МКА.
3. Применительно к МКА в обеспечение применения корректирующих коэффициентов и алгоритма непрерывного контроля на бортовых вычислительных средствах разработана структура ИИС КВД, позволяющая контролировать угловую скорость МКА без применения высокоточных и дорогостоящих систем ориентации и управления движением.
P, вероятность
4. Для определения основных источников магнитных возмущений на борту МКА, а также формирования поправочных коэффициентов, предложена методика наземных испытаний ИИС КВД. Применение данной методики позволяет снизить погрешности измерений вектора индукции МПЗ магнитометрами, связанные с влиянием магнитных возмущений от работы БА. Для аппаратуры «КМУ-1», функционирующей в составе МКА «АИСТ-2Д», удалось снизить погрешность определения индукции МПЗ на 0,9 мкТл – с ±1,5 мкТл до ±0,6 мкТл.
5. С целью учета составляющих внутренних и внешних возмущений магнитных полей, не выявленных при наземных испытаниях и влияющих на измерения магнитометров, разработана методика летных испытаний ИИС КВД. Методика включает в себя новый алгоритм непрерывного контроля для повышения эффективности контроля угловой скорости МКА.
6. Проведены экспериментальные исследования разработанной ИИС КВД при наземных и летных испытаниях в составе реального МКА.
7. Проведена количественная оценка повышения эффективности контроля угловой скорости средствами разработанной ИИС КВД при летных испытаниях МКА «АИСТ-2Д». За счет введения поправочных коэффициентов и применения алгоритма непрерывного контроля обеспечено снижение погрешности определения угловой скорости с 0,2 °/с до 0,04 °/с. Сокращение вероятности выхода угловой скорости за целевой диапазон понижена с 13% до 6%.
Таким образом, достигнута цель работы и полностью решены все поставленные в ней задачи.

Актуальность темы исследования
Широкое применение в различных сферах исследований и доступность малых космических аппаратов (МКА) может существенно ускорить технический прогресс во многих областях науки и техники. МКА, в отличие от космических аппаратов (КА) среднего класса, имеют невысокую стоимость разработки и эксплуатации. Они могут быть созданы и испытаны за относительно короткий срок и выведены на орбиту в качестве попутной нагрузки. В соответствии с «Основными положениями Федеральной космической программы 2016-2025» главным направлением развития космических комплексов являются МКА для мониторинга погоды, фундаментальных космических исследований и отработки новых технологических и схемотехнических решений служебных систем и целевой аппаратуры. Для всех МКА вышеперечисленных направлений необходимо управление ориентацией с помощью информационно-измерительных управляющих систем (ИИУС ориентации) при выполнении следующих целевых задач: мониторинг земной поверхности из космоса, ориентация панелей солнечных батарей относительно Солнца, прием и передача телеметрической информации (ТМИ). Управление ориентацией МКА заключается в обеспечении значений угловой скорости в заданном целевом диапазоне. Данный диапазон определяется техническим заданием на конкретный МКА. В качестве исполнительных органов ИИУС ориентации чаще всего используют магнитные исполнительные органы (МИО). Для оценки значений угловой скорости в составе ИИУС ориентации необходимо наличие информационно-измерительной системы контроля угловой скорости вращательного движения (ИИС КВД). Средствами измерения могут служить тесламетры, датчики угловой скорости, звездные датчики, акселерометры и др. Для МКА широко применяются тесламетры, поскольку они имеют большой ресурс работы, высокую надежность, компактные габариты, низкие массу и стоимость по сравнению с другими видами ИИС КВД [92].
Своевременность проводимых исследований обусловлена растущим интересом к МКА со стороны разработчиков (заказчиков, исследователей). При этом в настоящее время накоплен достаточный опыт реализации проектов МКА для того, чтобы перейти на новый уровень развития космической техники, позволяющий обеспечивать возрастающие требования к её характеристикам и возможностям.
Тесламетр – это прибор для измерения магнитной индукции или напряжённости магнитного поля в неферромагнитной среде. Прибор получил название от тесла – единицы магнитной индукции СИ. Однако, в настоящее время тесламетры более известны как магнитометры [101, 15]. Поэтому далее в тексте будет использоваться именно такой термин – «магнитометр».
Степень разработанности темы исследования
Основу исследований, выполненных в диссертационной работе, составили труды по теории ИИС работы П.П. Орнатского, В.М. Шляндина, О.П. Новоселова, М.П. Цапенко, Э.И Цветкова и др. [63, 98, 99, 105].
Основные принципы работы магнитных ИИУС ориентации изучены достаточно хорошо и изложены в ряде фундаментальных работ Коваленко А.П., Драновского В.И., Овчинникова М.Ю., Ness N. [52, 12, 62, 61, 119]. Однако развитие и миниатюризация космической техники, а также использование в ней новых технологий оставляет тему разработки эффективной ИИУС ориентации актуальной в настоящее время (работы Аншакова Г.П., Сёмкина Н.Д., Сазонова В.В., Olsen N. и др. [13, 90, 72, 121]).
Растущее количество создаваемых МКА придало этой тематике ещё большую актуальность. Плотная внутренняя компоновка и малые размеры МКА не позволяют изолировать магнитометры от влияния бортовой аппаратуры (БА). БА при своем функционировании создает магнитные возмущения, воздействие которых приводит к увеличению погрешности измерений магнитометрами вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ). Это подтвердил опыт эксплуатации двух МКА серии «Аист» [6, 7, 106, 107, 108].

Актуальной остается проблема разработки ИИС КВД, которая при работе учитывает погрешность измерения магнитометров из-за влияния БА. Для решения этой проблемы недостаточно только улучшение технических возможностей ИИС КВД. Необходимо проведение экспериментальной отработки всего комплекса БА с целью выявления влияния магнитных возмущений на измерения магнитометров. Поскольку при наземных испытаниях невозможно учесть все факторы реального космического полета, то для эффективного функционирования ИИС КВД в полете требуется непрерывный контроль корректности измерения магнитометров.
Полномасштабное изучение влияния внутренних магнитных возмущений невозможно провести только путём теоретических исследований или только путём испытаний [53, 79]. Эту сложную задачу можно эффективно решать только комплексно, учитывая существенную зависимость решения от серии МКА, состава БА и выполняемых задач. Ответы на многие вопросы невозможно получить, анализируя опыт реализации одного космического проекта. Так, при воздействии магнитных возмущений на магнитометры, для летного образца (ЛО) МКА «Аист» удалось эффективно снизить угловую скорость вращения МКА, а для опытного образца (ОО) МКА «Аист», полностью идентичного по конструкции, все попытки уменьшения угловой скорости с помощью МИО оказались безуспешными. Необходимость наличия реализованной серии МКА для корректного анализа существенно осложняет решение проблемы, поставленной в данной диссертационной работе.
Сложность решаемой проблемы связана с рядом объективных факторов.
1 Плотная компоновка аппаратуры внутри МКА, не позволяющая исключить её влияние на средства измерений и, как следствие, на качество информации для работы МИО.
2 Особенности работы МИО, не позволяющие применять их при определённой ориентации МКА относительно вектора индукции МПЗ.
3 Существенная ограниченность вычислительных мощностей бортового сегмента ИИС.

4 Невозможность применения полноценных ИИУС ориентации ввиду существенных ограничений по массе и габаритам со стороны МКА;
5 Необходимость повышения качества и достоверности телеметрической информации, поступающей с борта МКА;
6 Расширение границ применения МКА для проведения исследований в различных областях;
7 Обеспечение доступности космической техники в плане стоимости и сроков реализации проектов.
В этой связи необходима разработка новых ИИС КВД или глубокая модернизация существующих. Причём для различных МКА эффективность таких средств может также существенно отличаться. Этот факт открывает широкие возможности для разработки ИИС КВД, их наземных и лётных испытаний с целью достижения требуемой эффективности по обеспечению и контролю целевых значений угловой скорости вращения МКА.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности ИИС КВД с магнитометрами за счет снижения погрешности измерений индукции МПЗ на основе использования новых алгоритмов функционирования и методики наземных испытаний.
Основные задачи диссертационного исследования
Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие
задачи:
1 Анализ структур построения и алгоритмов функционирования информационно-измерительных систем для контроля угловой скорости МКА.
2 Разработка структуры ИИС КВД с магнитометрами, реализующей настраиваемые алгоритмы обработки информации на борту МКА на стадии эксплуатации.
3 Разработка функционально-ориентированной на применение в ИИС КВД математической модели вращения МКА для анализа влияния возмущений

гравитационного, магнитного и аэродинамического характера на угловую скорость вращательного движения МКА.
4 Разработка методики наземных испытаний ИИС КВД, позволяющей по результатам их проведения сформировать массив поправочных коэффициентов для снижения погрешности измерений магнитометров, связанной с влиянием магнитных возмущений от работы БА.
5 Разработка схемы функционирования ИИС КВД в составе ИИУС на борту МКА, включающей в себя алгоритм непрерывного контроля, для повышения эффективности контроля угловой скорости МКА.
6 Количественная оценка повышения эффективности контроля угловой скорости средствами разработанной ИИС КВД при эксплуатации МКА «Аист-2Д».
Объектом исследований является информационно-измерительная система контроля угловой скорости вращательного движения
Предметом исследований является малый космический аппарат с установленной информационно-измерительной системой контроля угловой скорости вращательного движения
Научная новизна заключается в следующем:
1 Разработана функционально-ориентированная математическая модель вращения малого космического аппарата, отличающаяся от известных моделей учетом возмущений от бортовой аппаратуры, которая является методологической основой для разработки структуры ИИС КВД.
2 Разработана структура ИИС КВД, содержащая алгоритм непрерывного контроля с блоком вычислителя, что позволяет снизить погрешность оценки угловой скорости.
3 Разработан метод наземных испытаний ИИС КВД для МКА, отличающийся учетом влияния магнитных возмущений от бортовой аппаратуры на измерения

магнитометров путем формирования массива поправочных коэффициентов, для снижения погрешности измерений индукции магнитного поля Земли.
4 Разработан алгоритм непрерывного контроля угловой скорости малого космического аппарата, который позволяет учесть значимые внутренние и внешние возмущения магнитных полей, не выявленные при наземных испытаниях.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость заключается в следующем:
1 Результаты исследования предложенных методик наземных испытаний и схемы функционирования ИИС КВД в полете расширяют теоретические знания о путях совершенствования ИИС, использующих в своем составе в качестве датчиковой аппаратуры магнитометры, и определения их эффективности;
2 Разработанная структура ИИС КВД с реализованным алгоритмом непрерывного контроля угловой скорости способствует развитию методологии проектирования ИИС КВД МКА.
Практическая значимость заключается в следующем:
1 Разработанная ИИС КВД позволяет контролировать угловую скорость вращения МКА без применения высокоточных и дорогостоящих ИИУС ориентации. 2 Разработанные методика наземных испытаний и схема функционирования ИИС КВД позволяют обеспечивать эффективную работу ИИС КВД с учётом
влияния возмущений от БА на магнитометры для КА различных классов.
3 Разработанный алгоритм непрерывного контроля может использоваться для обеспечения целевого диапазона угловой скорости в различных ИИУС
ориентации.
На ИИС КВД получен патент No2692741 [94]. Методики испытаний,
представленные в работе, используются в деятельности предприятия АО «РКЦ «Прогресс», о чем свидетельствует акт внедрения (Приложение А).
Методология и методы исследования включают в себя методы математического анализа, интегрального и дифференциального исчисления,

теоретической механики, технического контроля, оценивания погрешностей, численного анализа, имитационного моделирования. При выполнении экспериментальных исследований использовались основные положения теории измерений, планирования эксперимента и статистическая обработка полученных результатов.
Положения, выносимые на защиту
1 Функционально-ориентированная на применение в ИИС КВД математическая модель вращения МКА, учитывающая значимые возмущающие факторы.
2 Структура ИИС КВД, содержащая блок вычислителя для реализации алгоритма непрерывного контроля угловой скорости вращения МКА.
3 Методика наземных испытаний ИИС КВД для формирования массива поправочных коэффициентов, учитывающих влияние БА на измерения магнитометров.
4 Схема функционирования ИИС КВД с алгоритмом непрерывного контроля для снижения погрешности оценки угловой скорости вращения МКА.
5 Результаты летно-космических испытаний ИИС КВД в составе магнитной ИИУС ориентации на борту МКА «Аист-2Д» с оценкой точности определения угловой скорости вращения МКА, вероятности её пребывания в целевом диапазоне, вероятности принятия правильного решения об использовании управления, подтверждающие повышение эффективности контроля угловой скорости.
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности «Информационно-измерительные и управляющие системы».
Степень достоверности результатов

Достоверность результатов исследования обеспечивается корректным использованием математического аппарата и вводимых допущений, имитационным моделированием и экспериментальными исследованиями разработанной ИИС КВД, подтверждающими основные теоретические положения работы и не противоречащими известным знаниям в данной области исследований.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11 международных и Всероссийских конференциях, в числе которых:
– третья международная конференция «Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках» (2014, г. Самара);
– ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (2015, г. Казань);
– II Дальневосточный конгресс инженеров «Наука-инженер- промышленность» (2015, г. Комсомольск-на-Амуре);
– Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Орбита молодежи и перспективы развития Российской космонавтики» (2016, г. Самара);
– Международная молодежная научная конференция, посвященная 110- летию со дня рождения академика С.П. Королева, 75-летию КуАИ–СГАУ–СамГУ– Самарского университета и 60-летию со дня запуска первого искусственного спутника Земли «XIV Королевские чтения» (2017, г. Самара);
– V Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (V Козловские чтения) (2017, г. Самара); – 60-я Всероссийская научная конференция МФТИ (2017, г.
Долгопрудный);
– Международная научно-практическая конференция «Информационные
технологии в промышленности и производстве» (2018, г. Томск);
– 2nd International Conference on Mechanical, System and Control Engineering
(2018, г. Москва);

– The 3rd International Conference on Smart Materials Technologies (2018, г. Москва);
– FarEastCon (2020, г. Владивосток).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 работах, в том числе: 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в журналах, входящих в международные базы Web of Science и Scopus, 9 статей в прочих изданиях.
Личный вклад автора. Все результаты, определяющие научную новизну, получены автором лично. В публикациях, выполненных в соавторстве, лично автору принадлежат следующие результаты:
– разработка функционально ориентированной математической модели вращения МКА для использования в ИИС КВД;
– разработка структуры ИИС КВД с магнитометрами;
– разработка методики наземных испытаний и схемы функционирования ИИС КВД в полете;
– разработка алгоритма непрерывного контроля угловой скорости МКА по данным измерений магнитометров;
– исследование эффективности созданной ИИС КВД.
Из работ, опубликованных в соавторстве, в диссертацию включена та их часть, которая получена соискателем лично.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 145 наименований, изложена на 143 страницах текста, содержит 53 рисунка, 7 таблиц и 1 приложения.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Читать

Публикации автора в научных журналах

Анализ вращательного движения малых космических аппаратов серии «Аист»

А.И. Белоусов, Н.Д. Сёмкин, А.В. Седельников, К.Е. Воронов, А.В.Пияков, А.С. Филиппов, Ю.Я. Пузин // Авиакосмическое приборостроение. – 2–№ – С. 3

Разработка эффективной методики наземных испытаний датчиков магнитометров научной аппаратуры «МАГКОМ» на малых космических аппаратах типа «Аист»

А.С. Филиппов // Авиакосмическое приборостроение. – 2– № – С.37

Программно-аппаратное средство контроля параметров вращательного движения малого космического аппарата

А.В. Седельников, А.С.Филиппов, Ю.Я. Пузин, К.Е. Воронов, А.В. Пияков // Приборы и системы.Управление, контроль, диагностика. – 2– № – С. 1

Определение вращательного движения спутника АИСТ по данным бортовых измерений магнитного поля Земли

В.И. Абрашкин, К.Е. Воронов, А.В.Пияков, Ю.Я. Пузин, В.В. Сазонов, Н.Д. Сёмкин, А.С. Филиппов, С.Ю. Чебуков //Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. – 2– № – С. 1

👀 Область наук

✍️ Журнал

ПРЕПРИНТЫ ИПМ ИМ М.В КЕЛДЫША

Определение вращательного движения малого космического аппарата “АИСТ-2Д” по данным научной аппаратуры КМУ–1

В.И. Абрашкин, К.Е.Воронов, А.В. Пияков, А.С. Дорофеев, Ю.Я. Пузин, В.В. Сазонов, Н.Д. Семкин, А.С.Филиппов, С.Ю. Чебуков // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. – 2– № – С. 1

👀 Область наук

✍️ Журнал

ПРЕПРИНТЫ ИПМ ИМ М.В КЕЛДЫША

Методика летной эксплуатации программно-аппаратных средств контроля параметров вращательного движения малых космических аппаратов серии «Аист»

А.В. Седельников, Ю.Я. Пузин, А.С. Филиппов // Омский научныйвестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. – 2– Т.–№ – С. 35

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях

#Кандидатские #Магистерские

495 Выполненных работ

Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - ... Читать все

Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - по социальной работе.

#Кандидатские #Магистерские

260 Выполненных работ

Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной с... Читать все

Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной специальности 12.00.14 административное право, административный процесс.

#Кандидатские #Магистерские

216 Выполненных работ

Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.

#Кандидатские #Магистерские

1077 Выполненных работ

Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все

Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.

#Кандидатские #Магистерские

25 Выполненных работ

Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

566 Выполненных работ

Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфин... Читать все

Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфинансы (Казначейство). Работаю в финансовой сфере более 10 лет. Банки,риски

#Кандидатские #Магистерские

123 Выполненных работы

Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все

Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.

#Кандидатские #Магистерские

9 Выполненных работ

Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все

Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.

#Кандидатские #Магистерские

11 Выполненных работ