03.06.2015

Российские ученые создают сверхточную систему ориентации космических аппаратов

Передавать информационный сигнал в очень узкую область приема и с большого расстояния, хоть с Марса, позволит сверхточный комплекс датчиков с подсистемой взаимной геометрической привязки, который разрабатывает команда ученых из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ.

Чем больше спутников человек запускает в космос, тем сложнее отслеживать их траектории и маневры. Строятся целые системы телескопов для наблюдения за этими аппаратами. Но если их пространственное перемещение все же удается контролировать, то ориентацию спутников, то есть их всевозможные развороты, направлять и предсказывать с земли гораздо сложнее. Это надо делать на борту. Раньше это делали с помощью гироскопов, которые со временем, увы, утрачивали точность из-за трения в подшипниках. Сегодня для этих целей используют звездные датчики – фотоаппараты для космических условий, которые ставятся на борт спутника, ежесекундно снимают звездное небо, сравнивают полученные изображения с хранящимся на борту каталогом звезд и таким образом определяют ориентацию спутника в пространстве. Для большей точности на одном аппарате стали устанавливать комплексы таких датчиков, или, как говорят сами их создатели, многоголовые системы. Самые лучшие из таких систем имеют точность в 1–2 угловые секунды.

Это примерно в 100 раз меньше того, что способен видеть человеческий глаз. Однако задействовать весь потенциал таких комплексов на практике оказалось сложно. На спутник можно поставить рядом друг с другом несколько звездных датчиков, имеющих секундную точность. Но на них по-разному светит Солнце, поэтому происходит изменение их взаимной ориентации, и на выходе получится совсем другая точность, величина которой в несколько раз ниже. В итоге получается, что люди делают сверхточные приборы, которые становятся все сложнее, объемнее и дороже, но привязать то, что они выдают, к ориентации самого космического аппарата, могут лишь с существенно худшей точностью.

Учёные Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ решили дополнить комплекс звездных датчиков подсистемой взаимной геометрической привязки датчиков, включив в него приборы, измеряющие углы между датчиками примерно с той же секундной точностью.

«Мы рассматриваем несколько вариантов, как можно это реализовать, – поясняет руководитель проекта, ведущий научный сотрудник отдела Релятивистской астрофизики института Михаил Прохоров. – Суть их такая: берем хорошо измеренный стержень, термостабилизируем его, чтобы он не подвергался тепловой деформации, и помещаем между двумя контрольными точками звездных датчиков. Один конец датчика жёстко прикрепляем к прибору, а второй оставляем с определенным зазором меньше 1 мм. Это дает нам возможность определять смещение двух точек относительно друг друга вплоть до нескольких нанометров. Ну и, соответственно, потом пересчитать это линейное смещение в угол и получить свою секундную точность. А если мы знаем, как датчики ориентированы, можем сразу сказать, куда они наведены, и куда повернут сам аппарат. Таким образом, мы всегда будем знать, как эта система живет, сколько бы датчиков на ней ни ставилось. Естественно, станут сложнее алгоритмы вычисления, но с этим ничего не поделаешь.

Сегодня в любом телефоне стоит процессор сложнее и мощнее всего того, что стоял на МКС в момент ее запуска. Прогресс в этой области идёт очень быстро».

В настоящее время ученые собирают прототип такой системы, состоящий из разработанных ими же звездных датчиков – с оптическими объективами диаметром 100 мм. У них есть несколько вариантов конструкций в зависимости от того, ориентацию спутника какого небесного тела им предназначено отслеживать. На одну систему могут устанавливаться от 2 до 8 датчиков. На каждом из них почти не подвергающийся деформации поясок, сделанный из инвара, к которому привязывается подсистема взаимного измерения углов и по которым определяются все внутренние соотношения в этой конструкции. Расстояние между звездными датчиками будут замерять тоже датчики – оптические или механические. Такие системы будут ставить на борт спутников, и обеспечивать определение его ориентации по звёздам в инерциальной системе координат. Питать систему будет солнечная батарея, стоящая на спутнике. В самом космическом аппарате будет заложена программа, как ему реагировать на информацию об ориентации: в какую точку небесного тела навести камеру, каким боком повернуться в данную секунду.

Прототип прибора должен быть сделан за два года, его испытания пройдут в лаборатории, и будут переданы индустриальному партнёру – НПО им. С.А. Лавочкина – для внедрения. Там уже будут решать, как его превращать в конкретный прибор, и на какие спутники ставить.

В научных прогнозах подобные сверхточные системы ориентации имеют большое будущее. Они пригодятся, например, для разрабатываемой космической лазерной связи, которую должен обеспечивать спутник, посылающий лазерный луч точно к приемнику на Земле или в космосе. Сейчас при радиопередаче со спутника, даже если антенна узконаправленная, охватывается довольно большая область, в километры, и передачу имеют возможность принимать многие из тех, кому она не предназначена или мешает. Более точные системы наведения позволят сузить область приёма информации до нескольких метров или передавать сигнал с гораздо большего расстояния, хоть с Марса.

Еще эти системы нужны метеорологам, которые сегодня получают карты облачного слоя примерно с километровым разрешением, что дает им возможность предсказывать погоду на неделю вперед. Чтобы продвинуться в прогнозах еще на несколько дней, надо уменьшить разрешение до 100 метров и очень хорошо наложить на координатную сетку на положение каждой точки кадра. Разрабатываемые комплексы датчиков как раз позволяют это сделать – привязать изображение, например, к звездному небу, которое видно над Землёй.

Рассматриваются и другие возможные практические приложения разрабатываемой системы, для которых только предполагается создать надежную теоретическую и приборную базы.

Проект «Разработка и исследование бортовой комплексной системы высокоточной ориентации космических аппаратов по астрономическим ориентирам с подсистемой геометрической взаимной привязки датчиков» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы».

Быкова Наталья

Источники:

1. KM.RU