Экспериментальное исследование режимов неуправляемого вращательного
движения КА 'Прогресс'
|
|
|
В уравнениях вращательного движения КА учитываются
гравитационный и восстанавливающий аэродинамический моменты. Эти уравнения
имеют вид
|
|
|
|
| (1) |
|
|
|
|
|
|
Здесь wi и vi (i=1,2,3) - компоненты абсолютной угловой скорости КА и его скорости относительно поверхности Земли в системе Ox1x2x3, параметры pi характеризуют действующий на КА аэродинамический момент, w0 - модуль абсолютной угловой скорости орбитальной системы координат, Ii - моменты инерции КА относительно осей Oxi, me - гравитационный параметр Земли, r - геоцентрическое расстояние точки O, ra - плотность атмосферы в этой точке, E- масштабирующий множитель.
Первые три уравнения системы (1) представляют собой динамические уравнения Эйлера, остальные - кинематические уравнения Пуассона для направляющих косинусов осей OX1 и OX3 в системе координат Ox1x2x3. При численном интегрировании системы (1) единицей измерения времени служит 1000 с, единицей измерения длины - 1000 км, скорость выражается в км/с, единица измерения угловой скорости - 0.001 с-1, плотность атмосферы рассчитывается в кг/м3 согласно модели [3], E=1010. Недостающие элементы матрицы перехода ||aij || вычисляются по формулам a21=a32a13-a33a12 и т. п.
Переменные a1i и a3i не являются независимыми, они связаны условиями ортогональности матрицы ||aij ||. По этой причине начальные условия для a1i и a3i выражаются через углы g, d и b.
Поскольку КА "Прогресс" имеет сравнительно простую
форму, действующий на него аэродинамический момент можно учесть более точно,
чем в уравнениях (1). Для рассматриваемых режимов движения можно использовать
уравнения, получающиеся из (1) заменой первых трех уравнений уравнениями
|
| (2) |
|
где q1 и q2 - параметры. Использованные здесь выражения для аэродинамического момента при v1=0 совпадают с выражениями [1]. Соотношение v1=0 приближенно выполнено для режимов трехосной гравитационной ориентации и гравитационной ориентации вращающегося спутника. В случае закрутки в плоскости орбиты уравнения (2) содержат методическую погрешность, примерно такую же, как в уравнениях (1), но влияние аэродинамического момента на этот режим сравнительно мало.
Ниже систему (1) будем называть моделью 1 (имеется в виду математическая модель вращательного движения КА), а систему, которая получается из (1) заменой первых трех уравнений уравнениями (2), - моделью 2.
3. Метод определения вращательного движения КА. Фактическое движение КА относительно центра масс будем аппроксимировать решениями уравнений его вращательного движения (модели 1, 2), выбирая эти решения из условия наилучшего сглаживания с их помощью телеметрических данных об электрическом токе, снимаемом с солнечных батарей. Ток, вырабатываемый батареями, примерно пропорционален косинусу угла падения солнечных лучей на их светочувствительную поверхность. Пусть в орбитальной системе координат орт направления "Земля - Солнце" имеет компоненты Ai(t) (i=1,2,3). Эти компоненты находятся по приближенным формулам [4] и по элементам кеплеровой орбиты КА. Упомянутый косинус и снимаемый с батарей ток задаются формулами h = A1a12+A2a22+A3a32, I=I0max(h,0). Здесь I0 - максимальный ток, вырабатываемый батареями на орбите Земли при перпендикулярном падении на их плоскость солнечных лучей, I0 ╗ 29 А. На самом деле расчет тока более сложен и требует знания труднодоступной дополнительной информации, но и приведенная упрощенная формула позволяет получить приемлемые результаты.
Эту формулу можно еще более упростить, если учесть, что в те моменты времени, для которых телеметрические значения тока превышают некоторый положительный предел Imin, заведомо выполнялось условие h > 0. Для таких моментов расчетные значения тока можно находить по формуле I=I0h. При обработке полученных данных в зависимости от высоты Солнца над плоскостью орбиты КА принималось Imin=0 - 3 А.
Телеметрическая информация о токе, снимаемом с батарей,
представляет собой последовательности чисел
|
(3) |
Здесь In - приближенное значение тока в момент времени tn , t0 ≤ t1 ≤ ... ≤ tN. Разности tn+1-tn, как правило, не превышают нескольких минут. В обработку включаются последовательности (3), охватывающие отрезки времени, длина которых tN-t1 составляет несколько часов.
Обработка данных (3) выполняется методом наименьших
квадратов. Пусть ошибки в значениях In независимы и имеют
одинаковое нормальное распределение с нулевым средним значением и стандартным
отклонением s.
Значение s
неизвестно. На решениях уравнений движения, заданных на отрезке t1
≤
t
≤
tN,
определим функционал
| (4) |
Аппроксимацией фактического движения КА на этом отрезке будем считать решение, доставляющее такому функционалу минимум. Минимизация F проводится по начальным условиям решения в точке t1: g0=g(t1), d0=d(t1), b0=b(t1) и wi0=wi(t1), параметрам pi или qi (в зависимости от используемой модели движения) и по параметру I0. Значения параметров l и m считаются известными: l = 0.16, m = 0.19. Для простоты письма все уточняемые величины объединим в один вектор, который обозначим z; dimz=10 в случае модели 1, dimz=9 в случае модели 2. Тогда F = F(z), и z*=argmin F(z) - искомая оценка вектора z.
Минимизация функционала (4) (в данном случае функции F(z))
выполнялась методом Левенберга - Марквардта, являющимся одной из модификаций
метода Гаусса - Ньютона. Реализация этого метода в задачах определения
вращательного движения спутников по данным измерений бортовых датчиков описана
в [5]. Точность аппроксимации данных (3) и разброс в определении компонент z*
будем характеризовать, следуя методу наименьших квадратов, соответствующими
стандартными отклонениями. Пусть C - вычисленная в точке z*
матрица системы нормальных уравнений, возникающей при минимизации F методом
Гаусса-Ньютона,
2C
≈
¶2
F(z*)/
¶z2.
Тогда
стандартное отклонение ошибок в значениях In находится по
формуле
|
стандартные отклонения компонент z* равны квадратным корням из соответствующих диагональных элементов матрицы s2C-1. Эти стандартные отклонения будем обозначать (ср. введенные выше обозначения компонент z) sg, sd, sb, swi, spi, sqi, sI.
Чтобы минимизирующие функционал (4) значения параметров pi, qi, I0 лежали в разумных с физической точки зрения пределах, в этот функционал вводились дополнительные слагаемые:
e1( p12+p22+p32 )+e2( I0-I0*)2 - в случае модели 1,
e1( q12+q22 )+e2( I0-I0*)2 - в случае модели 2.
Здесь e1 и e2 - неотрицательные числа, I0*=29 А - номинальное значение параметра I0. Такая замена функционала учитывает априорную информацию об уточняемых параметрах и регуляризирует задачу поиска минимума F(z). За новым функционалом сохраним прежнее обозначение. При вычислении стандартных отклонений использовались новое выражение для F и соответствующая матрица нормальных уравнений.
4. Результаты определения вращательного движения КА. Определение фактического движения КА относительно центра масс по данным (3) было выполнено на 21 интервале времени. Основные характеристики этих интервалов приведены в табл. 1. Полученные результаты представлены в табл. 2 - 5 и на рис. 1 - 16. В табл. 1 для каждого интервала указаны: дата, декретное московское (зимнее) время точки t1, продолжительность tN-t1, число N включенных в обработку данных, пороговое значение Imin, угол j между плоскостью OX1X3 и ортом направления "Земля - Солнце" в момент (t1+tN)/2, значения e1 и e2. Угол j положителен, если Солнце лежит в полупространстве X2 > 0, и отрицателен, если оно расположено в полупространстве X2 < 0. Единицы измерения e1 и e2 согласованы с единицами, в которых интегрируются уравнения движения КА.
В табл. 2 - 5 приведены результаты минимизации функционала (4) на интервалах из табл. 1. Здесь указаны значения компонент вектора z*, стандартные отклонения этих компонент и стандартное отклонение s ошибок в данных (3). Строки, которые в столбце М содержат 1, получены с использованием модели 1, строки, у которых в этом столбце стоит 2, получены с использованием модели 2. Большинство интервалов были обработаны с помощью обеих моделей, но некоторые интервалы, относящиеся к режимам гравитационной ориентации, удалось обработать только с помощью модели 2. Оказалось, что в некоторых случаях решения, найденные в рамках модели 1, неадекватно описывают движение КА. В этих решениях имеют место сравнительно быстрые изменения угла g и даже d более чем на 180 ° (ср. рис. 4 и 5), которых не было в действительности.
Указанная неадекватность объясняется тем, что, во-первых, содержащаяся в данных (3) информация о движении КА довольно скудна, во-вторых, обе модели использовались при одинаковых значениях e1 и e2. За счет индивидуального выбора этих величин адекватность модели 1 можно повысить. На самом деле эта модель совсем не плоха (ср. значения s для обеих моделей в табл. 2 - 5).
Реконструкция вращательного движения КА на некоторых интервалах из табл. 1. представлена на рис. 1 - 16. Эти рисунки иллюстрируют решения уравнений вращательного движения КА, доставляющие минимум функционалу (4). Все рисунки устроены одинаково и естественным образом разбиваются на три части - левую, среднюю и правую. В левой части рисунков изображены графики функций g(t), d(t), b(t) и I0h(t). Они построены на отрезке t1 ≤ t ≤ tN, причем начало координат на оси t помещено в точку t1. Углы g и d приведены к отрезку [0,2p]. Рядом с графиком функции I0h(t) маркерами указаны точки (tn,In) (n=1,2,... N), иллюстрирующие сглаживаемые данные (3). В средней части рисунков приведены графики компонент угловой скорости КА wi(t), в правой части - графики компонент микроускорения b=(b1,b2,b3) и его модуля |b| в фиксированной точке борта.
Компоненты микроускорения указаны в системе Ox1x2x3
и рассчитывались по формуле [6]
|
Здесь r→ - радиус-вектор точки, в которой вычисляется микроускорение, относительно точки O, w→ - абсолютная угловая скорость КА, v - скорость КА относительно поверхности Земли, E3 - орт оси OX3, c - баллистический коэффициент КА. В системе координат Ox1x2x3 компоненты векторов w→, w·→, E3 и v равны соответственно (см. раздел 2) wi, w· i, a3i и vi (i=1,2,3). Микроускорение рассчитано для точки, имеющей в системе Ox1x2x3 координаты (-3.5 м, 0.5 м, 0.5 м). Значение баллистического коэффициента в этих расчетах взято из данных радиоконтроля орбиты.
Анализ таблиц и рисунков позволяет заключить об успешной в целом реконструкции вращательного движения КА по телеметрической информации о токе, вырабатываемом солнечными батареями. Эта реконструкция оказалась наиболее успешной в случае гравитационной ориентации вращающегося спутника и наименее успешной в случае закрутки КА в плоскости обиты. Эти факты легко объяснить исходя из элементарных кинематических соображений и расположения Солнца относительно плоскости орбиты. Например, закрутка проводилась в то время, когда Солнце практически лежало в плоскости орбиты. Угол падения солнечных лучей на плоскость батарей был тогда близок к 90 ° . В этом случае формула I=I0max(h,0) содержит большую погрешность.
Кроме того, реконструкция вращательного движения КА описанным способом в режимах трехосной гравитационной ориентации и закрутки в плоскости орбиты возможна лишь при наличии возмущенного движения. При идеальной реализации этих режимов имеет место соотношение h = const (прецессией плоскости орбиты пренебрегаем), и различить их нельзя. Вычисление собственных чисел введенной в разделе 3 матрицы C показало, что, на реальных движениях КА в указанных режимах эта матрица плохо обусловлена и достаточно высокая точность реконструкции возможна не во всех ситуациях. Плохая обусловленность C проявляется, в частности, в том, что иногда результаты реконструкции в рамках моделей 1 и 2 заметно отличаются друг от друга - до 30° по углам g, d и b. Для режима гравитационной ориентации вращающегося спутника несовпадение результатов реконструкции движения по моделям 1 и 2 также имеет место, но в меньшей степени.
Уровень микроускорений в найденных движениях оказался таким, как предсказывалось в [1]. Несколько разочаровали микроускорения в режиме трехосной гравитационной ориентации. При точной реализации этого режима компоненты микроускорения bi должны изменяться в узких пределах [1], но из-за неточной выставки начальных условий обе реализации режима оказались сильно возмущенными, и компоненты bi испытывали в них значительные изменения. В целом квазистатические микроускорения на КА "Прогресс М1-11" оказались заметно меньше, чем на спутниках "Фотон" [7,8].
5. Заключение. Проведенное исследование показало целесообразность дальнейших экспериментов с КА "Прогресс". Микроускорения на борту КА оказались достаточно малыми, но их можно сделать еще меньше, если более точно задавать начальные условия движения. Сказанное в наибольшей степени относится к режиму трехосной гравитационной ориентации. Для надежного определения вращательного движения КА и квазистатических микроускорений на его борту эксперименты с режимами вращательного движения следует проводить в тот период времени, когда Солнце хотя бы на 10° будет выходить из плоскости орбиты. В будущем для решения этих задач КА следует снабдить трехосным магнитометром.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-01-00323).
[1]
Беляев М.Ю., Бабкин Е.В., Сазонов В.В. Режимы неуправляемого вращательного движения КА "Прогресс" для экспериментов в области микрогравитации. Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2004 (в печати).
[2]
Сарычев В.А., Сазонов В.В., Беляев М.Ю., Ефимов Н.И., Лапшина И.Л. Определение пассивного вращательного движения орбитальной станции "Мир" по измерениям напряженности геомагнитного поля. Космические исследования, 1995, т. 33, N 1, с. 12-19.
[3]
Модель верхней атмосферы для баллистических расчетов. ГОСТ 22721-77. М., Изд-во стандартов, 1978.
[4]
Меес Ж. Астрономические формулы для калькуляторов. М., Мир, 1988.
[5]
Сарычев В.А., Беляев М.Ю., Кузьмин С.П., Сазонов В.В., Тян Т.Н. Определение движения орбитальных станций "Салют-6" и "Салют-7" относительно центра масс в режиме медленной закрутки по данным измерений. Космические исследования, 1988, т. 26, N 3, с. 390-405.
[6]
Сарычев В.А., Беляев М.Ю., Сазонов В.В., Тян Т.Н. Определение микроускорений на орбитальных комплексах "Салют-6" и "Салют-7". Космические исследования, 1986, т. 24, N 3, с. 337-344.
[7]
Сазонов В.В., Чебуков С.Ю., Абрашкин В.И. и др. Анализ низкочастотных микроускорений на борту ИСЗ "Фотон-11". Космические исследования, 2001, т. 39, N 4, с. 419-435.
[8]
В.И.Абрашкин, В.Л.Балакин, И.В.Белоконов и др. Неуправляемое вращательное движение спутника "Фотон-12" и квазистатические микроускорения на его борту. Космические исследдования, 2003, т. 41, N 1, с. 45-56.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 1. Интервал G1, момент соответствует
16:49:45 ДМВ 24.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 2. Интервал G2,
момент соответствует 17:54:33 ДМВ 24.05.2004, модель
1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 3. Интервал G3, момент соответствует 17:54:33 ДМВ 28.05.2004,
модель 1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 4. Интервал G5, момент соответствует 10:29:18 ДМВ 28.05.2004, модель 1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 5. Интервал G5, момент соответствует 10:29:18 ДМВ 28.05.2004, модель
2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 6. Интервал G6, момент соответствует 13:32:42 ДМВ 28.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 7. Интервал G7, момент соответствует 14:58:42 ДМВ 28.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 8. Интервал G8, момент соответствует 16:34:54 ДМВ 28.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 9. Интервал GR1, момент соответствует 08:22:14 ДМВ 30.05.2004, модель 1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 10. Интервал GR2, момент соответствует 09:48:38 ДМВ 30.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 11. Интервал GR3, момент соответствует 11:15:59 ДМВ 30.05.2004, модель 1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 12. Интервал GR4, момент соответствует 13:00:53 ДМВ 30.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 13. Интервал GR5, момент соответствует 14:27:12 ДМВ 30.05.2004, модель 2, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 14. Интервал R4, момент соответствует 11:36:47 ДМВ 01.06.2004, модель 1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 15. Интервал R5, момент соответствует 13:10:27 ДМВ 01.06.2004, модель 1, А.
(гр.), (А) (гр./с) ()
(мин)
(мин)
(мин)
Рис. 16. Интервал R6, момент соответствует 14:52:38 ДМВ 01.06.2004, модель 2, А.
File translated from TEX
by TTH, version
3.40.
On 21 Dec 2004, 16:31.