Звездный датчик для космического аппарата в режиме закрутки

(ОЦИАДИСТИЧЕСКИХ РЕСПУт.1 ИК ГОсудАРстВетПОе пА тентнОеВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СГС ЕНИЯ г) О НИЕ ИЗОБ авторскому свидетельству%25мических исследований АН ССС Зиман ЯЛ, Красиков ВА, Рой 3609374. кп 250-203 Р,3827807 кп 356-1 ДАТЧИК ДЛЯ РЕЖИМЕ ЗАК относится к уст аппаратов в р - повышение КОСМИЧЕСКОРУТКИойствам навигаежиме закрутки очности опреде(21) 4618934/22(191 ЯЗ (11) 1623374 11 т 1.А 1 пения координат звезд и увеличг.ние исоа измов ряемых параметров звезды Даннач цель Настига ется тем, что в известном датчике содержащсм жестко закрепленные на космическом аппарате оп - тическую систему 1, щепевую диафрагму 2, и фотоприемник 3, диафрагма до олнительно с габжена второй Ч-образной парой щелей Две центральные щели диафрагмы размещены на одинаковом рагстоянии от оптической оси и ориентированы вдо ь оси закрутки, а две другие параллельны и размещены от первых двух на расс оянии равном половине расстояния мекду первыми двумя щелями Я электрическую сеть схемы введены дла триггера 8, 17, два счетчика 12, 20, генератор импульсов 11 два блока памяти 13, 21, два гюгических .пемента НЕ 9 18 блок дифференцирования 14, ограничи тель 14 ограничитель 15 и инвертор 16, 2 зп лы,4 ил1 зОГ)рееене сносися к оцеико;лг.ктноглу цриГорг)строению, л ч;стносги к ,;: 1)с)ис е и:)м неп 1 дСии кс)сглическ 1 Х зпсз- Гзтое (КА 1 по звезд;)м н рг.жиг 1 е зчкрутки,1 ель полыепг ни точц Г ти определен и , с) О р д 1 н з г и у е) е ) и ч еи е ч и с л 3 и 3 м Р р с мьх цзрзмет ров звезд.1-1 з фи,1 приведена Г)лок (;хг глд Г)Г)едчзе земого звездногп датчика, нд фи 2 - целевая дидфрзгглд; нз фиг.З диаграммы изменения сигнала при прохождении еео через схему обработки сигнала; нд фг.4 графические построения для математического обоснования сущности изобретения,Знездныи ддтчик содержит оптическуо систему 1, щелевую диафрде му 2, фотоприемник 3, ндгример, ФЭУ, ус:илитель 4, пороговый блок 5, первый триггер 6, первый логи еский элемент И 7, второй триггер 8, , Грпыи логический элемент 111- 9, второй логически 1 элемент И 10, генератор иглчуль. сов 11, е,"оный счетчик 12, перныи блок памяти 13, дифференцирующиЙ блок 14, параллельный диодный ограничитель 15, инпертор 16, третий триггер 17, второй логический элемент НЕ 18, третий ло 1 е кий элемент И 19, второй счетчик 20 второи блок пдмяти 21, четвертый логический элемент И 22, третий счетчик 23, детектор 24, цЕрНЫИ СуММЗтОр 25, ПЕрнцй бЛОК НЕ,гИдния 26, зддатчик 27 числа дна, перныи блок гмножения 28, задатчик 29 числя з - углопо о расстояния между щелями нз координате Х, седьмой блок умгожения 30, пергзьй блок деления 31, третий блок умножения 32, чете)ертый блок умножения 33, здддтчик 31 числз гр - углз наклона первой и четвертой щелей к оси координат У, блок 35 вычисления котзнгенсз угла, трети блок деления 36, пятый блок умножения 37 второй блок вычитания 38, блок 39 ньчис.ления котангенсд угла наклона тг- траектории движения звезды к координатной оси Х, вычислител 40 косинуса угла, восьмой блок умножения 41, второй блок углножения 42, второй дели тель 43, ееестой блок умножения 44, второй сумматор 45, треий сумматор 46, блок 47 индикации или телеметрическ 1 Й канал передачи информации.Функционально блоки с первого цо пятый могут быть обьединены н 0 птико-электронный узел формирования импульсного сигнала 1, н котором гроисхориг формирование оптического изображения звезды, проецируемого оптическои систеглол 1, преобразованногоо в последовательность им. пульсньх электрических сигнзлоп фотоприемником 3, усиление их усилителем 4 и вьде;ленс. )1)ямоуГОльных 1 лг 1 соп 5 10 15 20 2 30 чГ 40 45 50 55 цороесы 1 Г;с см 5 1 с 1)змстрь усилителя и цо)цгопог 0 Глг)кд еод 1 рд 0 тск, ч) О крипизнс)й 1 ронтд игл)ул,сд ер;)ктически мож ц рене. 61 г1 лои с; 6 4 схемы пыцс)лняют функци 0 пдг;лг;НЕя прегс)нньх итервзлов, длительнос, цеорых пропорциональна нрегенем интрпзлчгл проходени сигнала ог з)ездь между велями диафрагмы, и глогут бьть обьедингны п единый узел 11. Гзк, з выходе цепочки из последовательно цор люченных блоков: ) ригеер 6, первый злее. - .нт И 7, блок дифференцирондния 14, параллельный диодный ограничитель 15, инпертор 16, триггер 17, етвертый элемент И 22, счегчик 23 горми 1 зуется сигнал, пропорциональный 1 нтерпдлу времени между цересече ием сизлом от звезды третьей и чеспертой ц 1 елей Тл тз. Нз выходе цепочки блоков е: ооой логи Гский э)емент И 10, тг)с)ск логическии злелент И 19, счетчик 20 1 ОРЕЛРУЕТСЯ СИГНаЛ, ЦРОЦОРЦИОНЗЛЬНЫй инте 1)валу времени с 2 -1 ьНд пелхоеее блоков; триггер 3 с параллель О подкпоченным элементом НЕ 9, второй 0 ический элемент И 10, счетчики 12, тормир Отсе сигнал, пропорциональный нрсглени ез - с, Таким образом, на выходах узла 11,:,:лс)гаощгего блоки 6- 24, осуществлется выделение из последовательности цглцул.соп цт сь)гдлд звезды во временные интергдль, длительность которых пропорциональна интерналзгл времени прохождения изображения от одной цели диафрагмы До ДРУ 0 й,1 лои с 25-46 обьединегы н узел 111 и выполняют функцио вычисления параметрон перемс;щениязображения звезды в плоскости цриборнои системы координат, которые спззы с параметрами перемещения КА а именно угловую скорость перемещения звезды по плоскости диафрагмы о, уол наклонд траектории звезды тн приборной системе координат, жестко снязаннои с сисгемои координат КА, и координату пересечения трдек Ории звезды и оси У (ОК) приборной системы координат, Наличие этой инфорглзции гозноляет однозначно судить об ориентации КА Каждый из перечисленных цзрдмеероп вычисляется сосцветстнуюпеи группс;и блоков. Сумматор 25, олок пычитани 26, зддагчик 27 числа днд, блок умно,е 1 28 блок деления 31. первый 32 и второй 33 бе 0 и умножения, здддтчик чиса ) 34, пыислйтель котзнгенсз 35, пятый бд , у .1 н Ок Гэ н Я 3 I е) то Г) Г) и г0 к и ы чд н и я 38, бЛОК ПЫЧИСЛЕНИ дрктдцЕНСа уЛЗ )39, пто,")Ои блок дельпи 43, е)ес;тОи бок умнО- жни 44 ссселе) ян; блгспеция коор динат звезды 111 в плоскости приборнои системы координат. На выход блока 39 получают угол у наклона траектории движения звезды относительно оси Х приборной системы координат, а на выходе блока 44 координату У - 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 КА, Блок 29 - задатчик числа а (расстояния между щелями диафрагмы), блок умножения 30, блок деления 36, блок умножения 41, и блок вычисления косинуса угла у позволяют вычислить линейную скорость перемещения иэображения звезды Ч, а вместе с блоком 45 - задатчиком расстояния В и блоком деления 44 позволяют вычислить угловую скорость п 1 перемещения звезды, которая эквивалентна угловой скорости вращения КА, так как перемещение звезды по полю зрения осуществляется путем вращения КА в режиме закрутки, и составляют вычислитель угловой скорости вращения звезды 1 К Полученные данные могут быть выведены на индикатор 47 или переданы по каналу телеметрии на Землю, По ним известными методами можно определить угловое положение КА 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 у с осью абсцисс Х приборной системы координат ХОУ и пересекающая четыре щели диафрагмы в моменты времени 11, 12, 13, 14,Для удобства вывода формул на фиг.4 в качестве вспомогательного построения изображена условная щель, проходящая через начало отсчета и составляющая угол - р с осью ординат. Момент пересечения изображением звезды этой условной оси обозначают 12.Из треугольника 1212 В по теореме синусов следу:.т 5 (С г 2 51 п(90 (7 ф) ) Г 051 - ) о со 5(т+:)51 пГЯО в (У+Рл -д4 ЗСду = -- сСдрь +д4 Э40 Поскольку точность определения угла у зависит от временного интервала. то вводят весовые коэффициенты Р 1 и Р 2С - С -С+С2 1 2 2 2 1 Р = Сдз = -- сСдр4 1гФ-С4 2г4 1 45 50 Ф4 3 Э 2гс Сдр554 2С -С -С +С2 2 2 1СЮСр4 12 С -2 С -С +Сг 4 1сСйр1 4 3 Э 2сСщ4 1 Аналогично из соседнего треугольника35 получают. -1 ) 1 +1 -211 3 2 1,к 402 а-За совУ +з гз г или х тает следующ Звездный датчик раазом.При закрутке КА сображение звезды,ния оптической систплоскость щелево2) и при вращении.есекает щели диафраотоприемником, в ка угловой скоростью находящейся в поле емы 1, проецирует- диафрагмы 2 (см. КА в режиме закруткигмы и преобразуетчестве которого исфиг пер сяф( -21; -1 +(,3 2 4 1у = агс 1 д с(,дрСР Угловую скорость й) можно определитьиз соотношения 5 е (13- 1 г)сов Уср - 2 а: Для определения точки пересечения траекторий звезды оси У записывают следующее соотношение; ОК = (1 -(. )ц сову -За 1 ру + з СР 1+1,Ц В 1 ПУ21 -21 -1 +Ф, 3 2 4 1 а с(.ур45 (1 -1 )(1 -1 )-(1 -1 )(т, -1; ) 2 1 4 2 3 1 4 3 - тг:т.п г:т т -3 2 пользуется фотоумножитель, о электрические импульсы, которые усиливаются, проходя через усилитель 4 (см, фиг,За), а затем преобразуются пороговым блоком 5, срабатывающим по заданному порогу, в прямоугольные илпульсы (см. фиг.Зб),Г 1 оследоодтельность импульсов поступдег нд первый триггер 6, По первому импульсу триггер перебрасывается. а по второму возврдщае 1 ся в исходное состояние, На выходе триггера образуются два и лпульса, равных по времени 12-11 и 14-13 (см, фиг.Зв), т.е. выделяются импульсы, длительность которых пропорциональна интервалам времени между прохождением сигнала от звезды от одной соседней щели дидфрдг 1 лы до другой.Первый (нечетный) импульс вызывает срабатывание второго триггера 8 (см, фиг,Зг), д второй (четный) возвращают в исходное положение. Сформированный импульс поступает нэ второй вход второго логического элемента И 10, к первому входу которого подключен первый логический элемент НЕ 9, д к третьему входу - генератор импульсов, Когда с первого триггера 6 сигнал не поступает, с выхода элемента НЕ 9 имеется сигнал (см. фиг,Зл), когда сигналы с отгрого триггера совпадают по времени с сигналом с генератора импульсоо 11 и с сигналом с элемента НЕ 9, на выходе элемента И 10 будет последовательность импульсов. по времени равная интервалу 1 з - 12 (см, фиг,Зм), Счетчик импульсов 12 пересчитает количество импульсоо, пропорциональное временному интероалу 13-12, а элемент памяти 13 запомнит значение временного интервала, С первого триггера 6 импульсы поступают также на вход первого элемента И 7, чэ другой вход которого подаются импульсы с генератора импульсоо 11, При их временном совпадении с выхода элемента И 7 поступают дое последовательности импульсоо равных по времени (1 з) и (13-14) (см. фиг,Зк), 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 нд фиг.Зе.Параллельный диодный ограничитель 15 срезает импульсы положительной полярности (см, фиг,Зж), а инвертор 16 обесточиоэет отрица ельные импульсы в аналогичные положитель,ые(см, фиг,Зз), по которыл третий триггер 17 формирует импульс, равный по времени (1,1-13), т.е. интероалу времени между пересечением звезды третьей и четоергой щелей диафрагмы, и подаст его нд четоеотьй элеглент И 22, При(1 -1 )(1 -1 ) 4 1 3 2 х 2 а с 1 ду 30 35 40 50 55 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 (14 - 13)(см,фиг.Зп), третий счетчик 23 подсчитывает количество импульсов. Кроме этого, последовательность импульсов подается на детектор 24, который преобразует их в сигнал, запускающий элемен гы 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.Зн), при совпадении с импульсами с первого элемента И 7, а это происходит на интервале 12-11 (см. фиг.Зо), с выхода третьего элемента И 19 последовательность импульсов поступает на счетчик 20, где подсчитывается их количество, пропорциональное длительности временного интервала (12-11). 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(14 - 11), Интервал (13 - 12) в первом блоке умножения 28 умножается на два и в первом блоке вычитания 26 из него вычитается интервал (14 - 11) и полученная разность делится в делителе 31 на интервал (14-11) Умножая полученный результат на с 19 фи вычисляя арктангенс в блоке 39, получают значение угла наклона у траектории звезды к оси Х 2, которое выводится на индикатор 47 или передается по каналу телеметрии и на Землю. Реализованная формула для вычисления угла у имеет видФормула 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 Ч-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 вычисЗадатчик расстояния между щелями а - блок 29, второй умножитель 30, третий делитель Зб, восьмой умножитель 41, вычислитель косинуса угла у . вычисляот линейную скорость ч перемещения иэображения звезды в плоскости диафрагмы, Поскольку изображение звезды перемещается благодаря движению КА, то эта скорость характеризует движение КА и равна 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 У (ОК) 1 Г. -С ) 11, -С )-(С -1 ) ( - ) 2 1 4 2 3 1 4 3Информация 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 КА. Предварительные расчеты показывают, что точность датчика при фокусном расстоянии обьектива 100 мм и угле поля зрения порядка 30 град, составит порядка 1 О угл,с. ления 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 Ч-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, кроме11 1623374 гУтого, в электрическую часть звездного числа два, эадатчика улового расстоядатчика дополнительно введены три ло- ния между щелями, вычислителя котангических элемента И, два логических генса угла наклона щелей диафрагмы, элемента НЕ, два триггера, два счетчи- вычислителя арктангенса угла наклона ка, генератор импульсов, два блока па траектории звезды, при этом выход эамяти, а также последовательно связан- датчика числа два подключен к посленые по первым входам блоки довательно соединенным, по первым дифференцирования, ограничения, ин- входам первому блоку умножения, первертор, третий триггер, четвертым логи- вому блоку вычитания и первому блоку ческим элементом И, третьим счетчи деления, а выход задатчика угла наклоком, выходом соединенным с третьим на щелей подключен к входу вычисли- входом блока вычисления координат теля котангенса этого угла, выход звезды, при этом вход первого триггера которого соединен с первым входом одновременно соединен с входами бло- четвертого блока умножения, вторым ка дифференцирования, первого логиче- входом соединенного с выходом перво- ского элемента НЕ, с первым входом го блока деления, а выходом через вылогичесого элемента И и с входом числитель арктангенса угла наклона травторого триггера, выход которого соеди- ектории звезды соединен с первым нен с вторым входом второго логиче входом вычислителя координат звезды, ского элемента И, с первым входом ко- который также содержит последовательторого соединен выход первого но соединенные по первым входам трелогического элемента НЕ, а с третьим тии сумор третий блок умножения, входом логического элемента И - выход второй блок вычитания, второй блок дегенератора импульсов, связанный также 25 пения и шестой блок умножения, выход с вторым входом первого логического оорого является вторым выходом блоэлемента И, выходом подключенного ка вычисления координат звезды, при одновременно к второму входу четвер- этом второй вход второго блока деле- того логического элемента И и к перво- ния подключен к выходу второго блока му входу третьего логического элемента 30 умножения, первым входом соединенно- И, второй вход которого через второй го с выходом первого сумматора, кото- логический элемент НЕ связан с выхо- Рыи одновременно связан с вторыми дом третьего триггера, а выходы второ- входами первого блока вычитания и го и третьего логических элементов И первого блока деления, а второй вход соответственно через последовательно дорого блока умножения соединен с35соединенные первый счетчик и первый первым входом блока вычисления коорблок памяти, а также второй счетчик и динат звезды, при этом второй вход второй блок памяти соединены с пер- шестого блока умножения соединен с вым и вторым входами вычислителя ко выходом блока вычисления котангенса ординат звезды, причем вторые входы угла наклона щелей, а третий вход шепервого и второго блоков памяти сое- сого блока умножения соединен с четдинены с общим выходом детектора, вертым входом блока вычисления вход которого подключен к выходу чет- координат звезды, причем пятый блок вертого элемента И, при этом третий 45 уожения соединен по первому входу выход вычислителя координат звезды " третьим входом блока вычисления косвязан с вторым входом блока вычисле- ординат звезды, который соединен такния угловой скорости звезды, первым же с вторым входом второго входом связанного с выходом первого сумматора а по второму входу пятый блока памяти, а первый выход блока 50 блок умножения соединен с выходом вычисления угловой скорости соединен второо сумма 1 ора, при этом выход пяс блоком индикации, а второй его оы- того блока умножения соединен с втоход подключен к четвертому входу бло- Рым входом второго блока вычитания, а ка вычисления координат. второй вход третьего блока умножения2 Датчик по П 1 отлиающиися д юен к второму воду блока вы55 по ключен к втотем, что вычислитель координат звезды оординат звезды, которыи сочисления коо инат звез ыединен также с вторым входом второго с у м м а т о р а и о д н о в р е е н о с в т о р ы мя, д ух блоков вычитания, задатчика су щкоторого связан с первым входом блока1 б 23374 14 иг 3 вычисления координл звезды а третий вход сумматора связан с третьим входом зтого блока, причем второй выход зэдатчика числа два является третьим выходом блока вычисления координат 5 звезды.3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок вычисления угловой скорости вращения выполнен в виде последовательно соединенных задатчика 1 О 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 у ла наклона траектории звезды, восьмогп блока умножения, первый вход которогс 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 скоро- сти1623374 ФиГ 4 Составитель И,ЗуевскаяТехред М.Моргентал Корректор О, Кравцова Редактор Т.Иванова Подписное Тираж НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская Заказ 791 наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101