Что могут Что могут микроспутники?микроспутники?

М.Ю.ОвчинниковМ.Ю.Овчинниковпрофессор кафедры теоретической механики,профессор кафедры теоретической механики,заведующий сектором проблем ориентации в заведующий сектором проблем ориентации в

Институте прикладной математики Институте прикладной математики им.М.В.Келдыша РАНим.М.В.Келдыша РАН

2

СодержаниеСодержание Идея, определения, понятия, Идея, определения, понятия,

классификацияклассификация Примеры микроспутниковПримеры микроспутников Примеры космических проектов на базе Примеры космических проектов на базе

микроспутниковмикроспутников Системы ориентации и их верификация в Системы ориентации и их верификация в

лабораторных условияхлабораторных условиях Проекты, разработанные с участием Проекты, разработанные с участием

студентов и аспирантов МФТИстудентов и аспирантов МФТИ Перспективы глобальные и физтеховскиеПерспективы глобальные и физтеховские

““Better, Faster, Better, Faster, Cheaper”Cheaper”

Требуется компромисс Требуется компромисс между стоимостью, между стоимостью, характеристиками, характеристиками,

надежностью и надежностью и временем поставкивременем поставки

4

Основные признаки Основные признаки малых спутниковмалых спутников

Внешние:Внешние: Малые размеры (до метра)Малые размеры (до метра) Малая масса (от единиц до сотен кг)Малая масса (от единиц до сотен кг) Попутный или конверсионный запускПопутный или конверсионный запуск Относительно невысокая стоимость (простейшие Относительно невысокая стоимость (простейшие

спутники - от 50 тысяч спутники - от 50 тысяч $US$US, сложные – десятки , сложные – десятки миллионов миллионов $US)$US)

Внутренние:Внутренние: Иные нетрадиционные организационные подходы и Иные нетрадиционные организационные подходы и

идеология при разработке, изготовлении, идеология при разработке, изготовлении, испытаниях и эксплуатации (например, количество испытаниях и эксплуатации (например, количество экземпляров для испытаний, проблема надежности и экземпляров для испытаний, проблема надежности и обновляемости на орбите, безкорпусное исполнение,обновляемости на орбите, безкорпусное исполнение, COTS,COTS, Интернет- Интернет-communication, GlobalStar-downloadcommunication, GlobalStar-download))

5

Условная классификация Условная классификация спутников по их массеспутников по их массе

6

Small-sized satellite Small-sized satellite classification (classification (kg)kg)

Small Micro Nano Pico 500-100 100-10 10-1 1-0

Abrixas (~480 kg)

UoSat (~50 kg)

Munin (~6 kg)

Stensat (~0.23 kg)

7

Вывод легким Вывод легким конверсионным носителем конверсионным носителем

((““ДнепрДнепр””, 2003г., 2003г.))

8

Факторы, Факторы, способствовавшие способствовавшие появлению появлению малыхмалых

спутниковспутников Повсеместное сокращение финансирования космоса

Достижения в миниатюризации электроники, вычислительной техники, актюаторов и сенсоров, появление новых материалов

Появление Components-Off-The-Shelf

Интерес университетов к использованию микроспутников в образовательном процессе

“Вброс” на рынок большого количества конверсионных носителей

ОС Мир -120 тонн ТНС-0 – 4.5 кг

Stensat - 233 грамма

9

10

Примеры Примеры микроспутниковмикроспутников

11

Первый советский Первый советский искусственный спутник искусственный спутник

Земли (4.10.1957)Земли (4.10.1957)

12

““ПредтечаПредтеча”” наноспутниковнаноспутников

В марте 1965 советский В марте 1965 советский космонавт Алексей космонавт Алексей Леонов впервые в мире Леонов впервые в мире вышел в открытый космос вышел в открытый космос из корабля из корабля Восход-2Восход-2 и и отбросил защитную отбросил защитную крышку от фотокамерыкрышку от фотокамеры

Признаки наноспутника у Признаки наноспутника у крышки: крышки: вес около 1 кгвес около 1 кг попутный запускпопутный запуск научный эксперимент без научный эксперимент без

дополнительного дополнительного финансированияфинансирования

13

UoSat SeriesUoSat Series Микроспутник Микроспутник UoSat-1 UoSat-1

был создан был создан in the Center in the Center of Satellite Engineering of Satellite Engineering at the University of at the University of Surrey in Guilford, UK Surrey in Guilford, UK в в 1981 году1981 году

Масса спутника – 50 кг.Масса спутника – 50 кг. Инициатор работ и Инициатор работ и

бессменный бессменный технический директор – технический директор – Sir Martin SweetingSir Martin Sweeting

Сейчас – это всемирно Сейчас – это всемирно известная компания известная компания Surrey Satellite Surrey Satellite Technology LimitedTechnology Limited. . Выведено на орбиту 2Выведено на орбиту 255 спутниковспутников

14

Mission Year Launch Platform ProgrammeBEIJING-1 2005 Cosmos Bespoke Turnkey

TopSat 2005 Cosmos Bespoke Turnkey

UK-DMC 2003 Cosmos MicroSat-100 Turnkey

NigeriaSat-1 2003 Cosmos MicroSat-100 Knowhow Transfer

BILSAT-1 2003 Cosmos MicroSat-100 Knowhow Transfer

AlSAT-1 2002 Cosmos MicroSat-100 Knowhow Transfer

PICOSat 2001 Athena MicroSat-70 Turnkey

Tsinghua-1 2000 Cosmos MicroSat-70 Knowhow Transfer

SNAP-1 2000 Cosmos SNAP nanosat R&D

TiungSat-1 2000 Dnepr MicroSat-70 Knowhow Transfer

UoSAT-12 1999 Dnepr MiniSat-400 R&D

Clementine 1999 Ariane MicroSat-70 Turnkey

FASat-B 1998 Zenit MicroSat-70 Knowhow Transfer

Thai-Paht 1998 Zenit MicroSat-70 Knowhow Transfer

CERISE 1995 Ariane MicroSat-70 Turnkey

FASat-A 1995 Tsyklon MicroSat-70 Knowhow Transfer

HealthSat-2 1993 Ariane MicroSat-70 Turnkey

PoSAT-1 1993 Ariane MicroSat-70 Knowhow Transfer

KITSAT-1 1992 Ariane MicroSat-70 Knowhow Transfer

S80/T 1992 Ariane MicroSat-70 Turnkey

UoSAT-5 1991 Ariane MicroSat-70 R&D

UoSAT-3 1990 Ariane MicroSat-70 R&D

UoSAT-4 1990 Ariane MicroSat-70 R&D

UoSAT-2 1984 Delta microsat R&D

UoSAT-1 1981 Delta microsat R&D

15

РадиолюбительскийРадиолюбительский наноспутникнаноспутник

AMSAT-OSCAR-16 Catalog AMSAT-OSCAR-16 Catalog Number: 20439Number: 20439

DOVE-OSCAR-17 Catalog DOVE-OSCAR-17 Catalog Number: 20440Number: 20440

WEBERSAT-OSCAR-18 Catalog WEBERSAT-OSCAR-18 Catalog Number: 20441Number: 20441

LUSAT-OSCAR-19 Catalog LUSAT-OSCAR-19 Catalog Number: 20442Number: 20442

Launch: 22 February, 1990Launch: 22 February, 1990Period: 100.8 MinutesPeriod: 100.8 MinutesOrbit: Polar LEO (Low Earth Orbit: Polar LEO (Low Earth Orbit)Orbit)Altitude: 800 km (497 miles)Altitude: 800 km (497 miles)Size: 23 cm square (9 Size: 23 cm square (9 inches)inches)Weight: 9 KgWeight: 9 KgPassive magnetic attitude Passive magnetic attitude control systemcontrol system

16

Surrey Nanosatellite Surrey Nanosatellite Application Platform -1 Application Platform -1

(2000)(2000)

17

18

Artemis ProjectArtemis Project

Команда аспиранток Команда аспиранток изиз Santa Clara Santa Clara University (CA) University (CA) разработала 7 разработала 7 пикоспутников для пикоспутников для запуска из запуска из Stanford Stanford University’s OPAL University’s OPAL (Orbiting Picosatellite (Orbiting Picosatellite Automatic Launcher)Automatic Launcher)

The Artemis Team (back row, left to right) Amy Slaughterbeck, Dina Hadi, Shannon Lyons; (front row, left to right) Theresa Kuhlman, Adelia Valdez, Maureen Breiling, Corina Hu

19

Artemis picosatellite for Artemis picosatellite for OPALOPAL

Orbiting Picosatellite Orbiting Picosatellite Automatic LauncherAutomatic Launcher (OPAL) (OPAL) несет в себе несет в себе три пикоспутникатри пикоспутника

20

Отечественные Отечественные микроспутникимикроспутники

Микроспутник Искра-5 разработки МАИ выведен на орбиту в 1983г. совместно с основным спутником Метеор-Природа

Масса спутника – около 50 кг. Гравитационная система ориентации со сферическим магнитным демпфером. Длина штанги – 12 м

21

Glass SatellitesGlass Satellites Первый Первый стеклянныйстеклянный

спутник-демонстраторспутник-демонстратор ((корпорация Aerospaceкорпорация Aerospace, , US, US, декабрь декабрь 2002004г.) 4г.) содержит семь содержит семь шаблонных пластин и шаблонных пластин и монтажную плату с монтажную плату с электроникой электроникой навигации и связи. навигации и связи. Диаметр спутника - 10 Диаметр спутника - 10 см, а толщина – менее см, а толщина – менее 1.3 см. Вес вместе с 1.3 см. Вес вместе с топливом на борту, топливом на борту, составляет всего 330 составляет всего 330 граммов граммов

                                     

22

University of Tokyo’s Ongoing Student-Lead Pico-Satellite

Projects

23

PRISMPRISM

24

PRISM DetailsPRISM Details

25

CUTEsCUTEs CUTE-1, 20cm x 10cm x 10cm,

1 kglaunched in 2003

CUTE-1.7+APD, 20cm x 10cm x 10cmdeveloped and built by the second generation of students of the Tokyo Institute of Technology, Matunaga Laboratory for Space System (LSS), launched on 21.02.2006Status report: “On our visible pass 2006/4/11 7:00 and 8:00UTC, we verified Cute-1.7 has been transmitting coutinuous carrier wave and could not control the satellite.We think that onboard receiver seems to be not work.”

26

Cute-1.7 + APD Project - Cute-1.7 + APD Project - ADCSADCS

Gyro Sensor (ADXRS150), 7.0×7.0×3.0[mm] , ±150[deg/s]

Magnetic Sensor (HMR2300), ±2[gauss], 75×30×7.0[mm]

Sun Sensor (S6560) ±50[deg], 6.0×6.0×2.5[mm]

MTQ (Magnetic Torquer), 58.5×78.3×5[mm], 10[mA], 540[Ω], 46.3[mW], 0.045[A・m2]

27

Примеры космических Примеры космических проектов с использование проектов с использование

микроспутниковмикроспутников

28

Типы миссийТипы миссий Одиночный полет – один спутник

Созвездие (Constellation mission) – группа спутников, летящих по отдельным орбитам, объединенные единой задачей, но управляемые раздельно. Движение происходит по разным орбитам или по одной, но со сдвигом по времени

Групповой полет (Formation Flying mission) – группа спутников, объединенных одной задачей и осуществляющих полет на близком друг от друга расстоянии. Реализуется управление взаимным положением спутников.

29

University Nanosatellite University Nanosatellite ProgramProgram

С 1998 по 1999 С 1998 по 1999 UNP UNP выбрала выбрала 10 американских 10 американских университетов для университетов для разработки наноспутников разработки наноспутников университетского класса с университетского класса с предоставлением средств предоставлением средств запусказапуска

Выбраны для реализации:Выбраны для реализации: Ionospheric Observation Ionospheric Observation

Nanosatellite – Formation Nanosatellite – Formation (3 (3 спутника)спутника)

Three Corner SatellitesThree Corner Satellites Electromagnetic Radiation and Electromagnetic Radiation and

Lighting Detection (2 Lighting Detection (2 спутника)спутника)

Constellation Pathfinder Constellation Pathfinder MissionMission

Solar Blade Heliogyro Solar Blade Heliogyro NanosatelliteNanosatellite

30

Japanese first Mars explorer NOZOMI,

1998-2003 the total mass

budgeted for the science instruments is 33 kg

the total mass of Nozomi at launch including 282 kg of propellant was 540 kg

31

Траектория полета к Траектория полета к МарсуМарсу

32

SMART-1SMART-1 ESAESA 27.09.2003-27.09.2003-2727.01..01.2005 2005 370 370 кг (из них 83 кг кг (из них 83 кг

ксенона – топливо для ксенона – топливо для ионного двигателя ионного двигателя малой тяги)малой тяги)

Стоимость миссии Стоимость миссии $$85 85 млнмлн

Thrust = 70mN Specific Impulse >1600s Discharge Voltage = 350V Discharge Current =

4.28A Lifetime = 7000h

33

Траектория движения к Траектория движения к ЛунеЛуне

34

Пример Пример FF-FF-миссиимиссии

Ionospheric Ionospheric Observation Observation Nanosatellite – Nanosatellite – Formation Formation (3 (3 спутника)спутника)

Utah State University Utah State University + University of + University of Washigton + Virginia Washigton + Virginia Politechnic InstitutePolitechnic Institute

2004 2004

35

Область наших Область наших интересовинтересов

36

Необходимость решения Необходимость решения триединой задачи, триединой задачи,

объединяющей:объединяющей:

Область наших персональных Область наших персональных научных интересовнаучных интересов

Новизну и интерес для процесса Новизну и интерес для процесса обученияобучения

Источник финансовой поддержкиИсточник финансовой поддержки

37

Наш выборНаш выбор

Исследование динамики сложных Исследование динамики сложных механических системмеханических систем

Выбор и разработка методов Выбор и разработка методов исследования таких систем исследования таких систем АналитическиеАналитические ЧисленныеЧисленные Лабораторные полунатурныеЛабораторные полунатурные Натурные испытанияНатурные испытания

38

Чуть-чуть историиЧуть-чуть истории 50 - 60-е годы: первые ИСЗ (83 кг и 8 кг), система 50 - 60-е годы: первые ИСЗ (83 кг и 8 кг), система

ориентации отсутствуеториентации отсутствует 60-е годы: спутники типа 60-е годы: спутники типа TRANSITTRANSIT, ЭЛЕКТРО, , ЭЛЕКТРО,

AZUR, ESRO-1A, -1BAZUR, ESRO-1A, -1B, пассивные системы , пассивные системы ориентацииориентации

70-е годы: 70-е годы: EXOS-A, OSCAR-8, MAGION-1EXOS-A, OSCAR-8, MAGION-1 80-80-е годы: е годы: UoSat-1,UoSat-1, ИСКРА-5, ИСКРА-5, MAGIONsMAGIONs 90-90-е годы: е годы: UoSats, UoSats, СТАРТ-1, СТАРТ-1, BADR-1, ASTRID, BADR-1, ASTRID,

PoSat, BremSat, TUBSatPoSat, BremSat, TUBSat 3-3-е тысячелетие: программа НАСА поддержки е тысячелетие: программа НАСА поддержки 4646--

тити университетов СШАуниверситетов США, REFLECTOR, , REFLECTOR, проекты проекты малых спутников Италии, Тайваня, Чилималых спутников Италии, Тайваня, Чили, , Малазии, Малазии, Франции, Великобритании, Германии, ЮАР, Франции, Великобритании, Германии, ЮАР, Аргентины, Пакистана, Швеции, Дании, России – Аргентины, Пакистана, Швеции, Дании, России – пассивные и активные системы ориентациипассивные и активные системы ориентации

39

ДилеммаДилемма

ЗАЗА - - Малые спутники - это Малые спутники - это эффективный эффективный “subj”“subj” для обучения для обучения студентов современным технологиямстудентов современным технологиям

ПРОТИВПРОТИВ - Физтех - не инженерный - Физтех - не инженерный ВУЗ и подходящая материальная ВУЗ и подходящая материальная база для самостоятельного создания база для самостоятельного создания и вывода на орбиту малых спутников и вывода на орбиту малых спутников отсутствует, тем более, она отсутствует, тем более, она отсутствует в Институте прикладной отсутствует в Институте прикладной математикиматематики

40

Пути разрешения Пути разрешения дилеммыдилеммы

Участие в фундаментальных проектах при Участие в фундаментальных проектах при поддержке РФФИ, Программы поддержки научных поддержке РФФИ, Программы поддержки научных школ РФ школ РФ (постановки задач, разработка моделей, (постановки задач, разработка моделей, математическое моделирование)математическое моделирование)

Участие в технологических проектах при Участие в технологических проектах при поддержке Агентства по науке и инновациям РФ поддержке Агентства по науке и инновациям РФ (математическое моделирование, разработка и (математическое моделирование, разработка и ассемблирование прототипов элементов систем ассемблирование прототипов элементов систем ориентации, разработка и изготовление ориентации, разработка и изготовление лабораторного оборудования, лабораторные лабораторного оборудования, лабораторные испытания прототипов)испытания прототипов)

Участие в прикладных проектах, в рамках которых Участие в прикладных проектах, в рамках которых мы отвечаем за идеологию и математическое мы отвечаем за идеологию и математическое моделирование системы, алгоритмы управления, а моделирование системы, алгоритмы управления, а промышленность (Российская или зарубежная) – промышленность (Российская или зарубежная) – разрабатывает, изготавливает систему иразрабатывает, изготавливает систему и//или или спутник, а затем и выводит его на орбитуспутник, а затем и выводит его на орбиту

41

Системы ориентации и их Системы ориентации и их верификация в верификация в

лабораторных условияхлабораторных условиях

42

Approaches to orient a Approaches to orient a satellite in given angular satellite in given angular

position (position (activeactive)) Functional scheme Functional scheme

sensorssensors algorithms of attitude determinationalgorithms of attitude determination algoritalgorithhms of control ms of control controllerscontrollers actuatorsactuators

RequirementsRequirements hardware (sensors, on-board computer, actuators)hardware (sensors, on-board computer, actuators) software (algorithms of attitude determination and software (algorithms of attitude determination and

control)control) power sourcepower source

43

Restoring torque Restoring torque developmentdevelopment

44

Damping torque Damping torque developmentdevelopment

45

Three-axis ACS with Three-axis ACS with magnetic torquesmagnetic torques

Allows to provide a Allows to provide a satellite with three-axis satellite with three-axis arbitrary orientation arbitrary orientation modemode

Several degrees Several degrees accuracy (mostly accuracy (mostly depends on depends on Geomagnetic field Geomagnetic field model precision)model precision)

B

46

Лабораторный стенд, Лабораторный стенд, создаваемый в ИПМ создаваемый в ИПМ

им.М.В.Келдыша РАНим.М.В.Келдыша РАН

47

Three-axis ACS Three-axis ACS with fly-wheelswith fly-wheels

Allows to provide a Allows to provide a satellite with satellite with three-axis three-axis arbitrary arbitrary orientation modeorientation mode

Several tens of Several tens of angular minutes angular minutes accuracy accuracy

48

Этапы решения задачиЭтапы решения задачи

Идея, формализация, постановкаИдея, формализация, постановка Выбор методов исследования (обычно: Выбор методов исследования (обычно:

аналитика, компьютер; реже: полунатурное аналитика, компьютер; реже: полунатурное лабораторное моделирование; еще реже: лабораторное моделирование; еще реже: летные испытания и обработка результатов летные испытания и обработка результатов – последнее – – последнее – это кайфэто кайф))

Исследование динамики, разработка Исследование динамики, разработка алгоритмов, макетная реализация алгоритмов, макетная реализация

Испытания на лабораторном стендеИспытания на лабораторном стенде Реализация (совместно с Реализация (совместно с

промышленностью)промышленностью)

49

ПримерПример Исследование Исследование

заряженных частицзаряженных частиц Ориентация по Ориентация по

магнитному полюмагнитному полю Пассивная система Пассивная система

ориентацииориентации АналитикаАналитика Численное Численное

исследованиеисследование Испытания на стендеИспытания на стенде Запуск на орбитуЗапуск на орбиту

50

Примеры проектов малых Примеры проектов малых спутников, подлежащие спутников, подлежащие нашему рассмотрениюнашему рассмотрению

Российский (по заказу США) Российский (по заказу США) наноспутник наноспутник REFLECTORREFLECTOR с пассивной с пассивной гравитационной системой ориентациигравитационной системой ориентации

Шведский (с участием США и России) Шведский (с участием США и России) наноспутник наноспутник MUNINMUNIN с пассивной с пассивной магнитной системой ориентациимагнитной системой ориентации

Пакистанский микроспутник Пакистанский микроспутник BADR-BBADR-B с с полуактивной гравитационной полуактивной гравитационной системой ориентациисистемой ориентации

Первый российский наноспутник ТНС-0 Первый российский наноспутник ТНС-0 с магнитной системой ориентациис магнитной системой ориентации

51

Small satellite ACS Small satellite ACS analyzed and developed by analyzed and developed by

the Russian Partnerthe Russian Partner

SwedishSwedish (IRF) (IRF) 6-kg 6-kg nanosatellitenanosatellite MUNINMUNIN ((21.11.21.11.2000)2000)

RussianRussian (RNII KP) 7-kg (RNII KP) 7-kg nanosatellitenanosatellite TNS-1TNS-1 (2007)(2007)

RussianRussian (RNII KP) 4-kg (RNII KP) 4-kg nanosatellitenanosatellite TNS-0TNS-0 (2005)(2005)

RussianRussian (NII PP) 7-kg(NII PP) 7-kgnanosatellitenanosatellite REFLECTORREFLECTOR ((10.12.10.12.20020011))

PakistaneanPakistanean (SUPARCO) 45-(SUPARCO) 45-kg microsatellitekg microsatellite BADR-BBADR-B ((10.12.10.12.20020011))

RussianRussian (MAI) 50-kg (MAI) 50-kg microsatellitemicrosatellite ISKRA-5ISKRA-5 ((19831983))

RussianRussian (Arsenal (Arsenal Enterprise) 20-kg Enterprise) 20-kg space booster space booster TorTor

52

Наша командаНаша команда

Профессор – 2Профессор – 2 Доцент -1 Доцент -1 Мнс – 4Мнс – 4 Аспирант – 3Аспирант – 3 Студент (6-й курс) – 2Студент (6-й курс) – 2 Студент (5-й курс) – 2Студент (5-й курс) – 2 Студент (4-й курс) – 4Студент (4-й курс) – 4 Студент (3-й курс) – 2Студент (3-й курс) – 2

53

Наноспутник Наноспутник REFLECTORREFLECTOR

Назначение: Назначение: общееобщее - спутник-мишень для юстировки и - спутник-мишень для юстировки и калибровки телескопов с лазерной подсветкой, калибровки телескопов с лазерной подсветкой, специальное специальное для насдля нас – обеспечение трехосной ориентации полностью – обеспечение трехосной ориентации полностью пассивного объекта с последующем определением пассивного объекта с последующем определением фактического углового движения при полном отсутствии фактического углового движения при полном отсутствии датчиков ориентациидатчиков ориентации

54

Описание наноспутника Описание наноспутника REFLECTORREFLECTOR

масса – 7.72 кгмасса – 7.72 кг трехосная пассивная трехосная пассивная

гравитационная СОгравитационная СО штанга + 4 доп. груза + 18 штанга + 4 доп. груза + 18

гистерезисных стержнейгистерезисных стержней 32 ретрорефлектора32 ретрорефлектора выведен на орбиту выведен на орбиту 10 10

декабря 2001г. р/н Зенит-2 декабря 2001г. р/н Зенит-2 совместно с КА Метеор-3М на совместно с КА Метеор-3М на солнечно-синхронную орбиту солнечно-синхронную орбиту ((h=h=1018 км, 1018 км, ii=98 град=98 град))

Разработчик спутника – Разработчик спутника – Научно-исследовательсткий Научно-исследовательсткий институт прецизионного институт прецизионного приборостро- ения, системы приборостро- ения, системы ориентации – Институт ориентации – Институт прикладной матема- тики прикладной матема- тики им.М.В.Келдыша РАН им.М.В.Келдыша РАН

55

Упрощенные уравнения Упрощенные уравнения углового движенияуглового движения

0)(4)(

,0)()(

,0)(3

200

200

20

CBCBAA

ABCBAC

CAB

Линеаризованные в окрестности положения Линеаризованные в окрестности положения уравнения движения без учета демпфирующего уравнения движения без учета демпфирующего моментамомента

56

Прогнозируемое Прогнозируемое движение спутникадвижение спутника

Аналитическое решение Аналитическое решение при малых углах с учетом при малых углах с учетом линейной линейной намагниченности намагниченности гистерезисных стержнейгистерезисных стержней

Численное решениеЧисленное решение

57

Схема наблюдения за Схема наблюдения за спутникомспутником

58

Состав измерительной Состав измерительной информацииинформации

Зависимости расстояний от видимых в момент Зависимости расстояний от видимых в момент измерения ретрорефлекторов до картинной измерения ретрорефлекторов до картинной плоскости в течение двух сеансов измеренийплоскости в течение двух сеансов измерений

59

Обработка измерений с Обработка измерений с помощью дискретного помощью дискретного преобразования Фурьепреобразования Фурье

““ВручнуюВручную”” производится оцифровка производится оцифровка графиков с одновременной графиков с одновременной фильтрацией измеренийфильтрацией измерений

60

Обработка измерений с Обработка измерений с помощью дискретного помощью дискретного преобразования Фурьепреобразования Фурье

Из файла считываются данные и интерполяцией определяются значения в точках, Из файла считываются данные и интерполяцией определяются значения в точках, расположенных на равном расстоянии друг от друга. (Рис. слева - сплошная линия). расположенных на равном расстоянии друг от друга. (Рис. слева - сплошная линия). Далее данные подвергаются дискретному преобразованию Фурье и берется максимум Далее данные подвергаются дискретному преобразованию Фурье и берется максимум модуля спектра (кружки справа), аппроксимированного по формуле Найквиста-модуля спектра (кружки справа), аппроксимированного по формуле Найквиста-Котельникова (сплошная линия на рисунке справа)Котельникова (сплошная линия на рисунке справа)

Аргументом, при котором достигается максимум, и будет искомая частота. Иногда Аргументом, при котором достигается максимум, и будет искомая частота. Иногда гармоника, отвечающая за периодическую структуру, не является наиболее гармоника, отвечающая за периодическую структуру, не является наиболее интенсивной, поэтому нужно удостовериться, что выделенный максимум принадлежит интенсивной, поэтому нужно удостовериться, что выделенный максимум принадлежит нужной гармонике. Полученный дискретный спектр обнуляется во всех точках кроме нужной гармонике. Полученный дискретный спектр обнуляется во всех точках кроме точки, наиболее близкой к максимуму (черный кружок), и подвергается обратному точки, наиболее близкой к максимуму (черный кружок), и подвергается обратному дискретному преобразованию Фурье (пунктир слева).дискретному преобразованию Фурье (пунктир слева).

61

Результат обработкиРезультат обработкиОпределение скорости прецессииОпределение скорости прецессии

Обработка 32 кадров сессий за 50 дней (кружки на Обработка 32 кадров сессий за 50 дней (кружки на рисунке). Линейная интерполяция дает выражениерисунке). Линейная интерполяция дает выражение

с декрементом затухания с декрементом затухания Асимптотическими методами был получен декремент Асимптотическими методами был получен декремент

затухания:затухания:

][107.1103 24 Hztf

dayHz /10 3

dayHz /103 4

62

Passive MACSPassive MACS

Swedish scientific nano-Swedish scientific nano-satellite MUNIN (satellite MUNIN (launched launched 21.11.21.11.20002000 by US Delta-II by US Delta-II rocketrocket)) 6 kg weight6 kg weight 1900x700 km orbit1900x700 km orbit CCD-camera and partical CCD-camera and partical

detectorsdetectors 1010-15-15 degrs accuracy degrs accuracy

(required)(required) Passive magnetic ACSPassive magnetic ACS

Keldysh Institute of Applied Keldysh Institute of Applied Mathematics was responsible Mathematics was responsible for development and for development and fabrication of the attitude fabrication of the attitude control systemcontrol system

63

Problems to be solvedProblems to be solved

Determination of parameters of the Determination of parameters of the ACS and fabrication of damperACS and fabrication of damper

Development of attitude determination Development of attitude determination methods, algorithms and software to methods, algorithms and software to use the flight data available use the flight data available

Flight data processing for Flight data processing for interpretation of payload interpretation of payload measurements and for the student measurements and for the student trainingtraining

64

Magnetic Orientation Magnetic Orientation ConceptConcept

Geomagnetic field is similar to the dipole’s oneGeomagnetic field is similar to the dipole’s one Behavior of a satellite equipped with a permanent Behavior of a satellite equipped with a permanent

magnet is similar to behavior of the magnet is similar to behavior of the compass needlecompass needle

65

Mathematical Mathematical MModel of odel of the the Attitude MAttitude Motionotion (Euler & (Euler &

Poisson Equations)Poisson Equations)

)2,1(,)(

,),(W1

333

3

2

j

jjjj

n

jj

V

sJ

r

gJJ

jj EEE

BeeHHe

BmEE

66

MUNIN MUNIN NNanosatelliteanosatellite

ACS compositionACS composition:: strong permanent strong permanent

magnetmagnet six softsix soft--magnetic magnetic

hysteresis rods hysteresis rods located in two located in two lateral side lateral side plaplanneses

67

AAttitude ttitude DDeterminationetermination MethodsMethods

Sources of information:

Two one-axis Two one-axis magnetometers, magnetometers,

Six solar arrays Six solar arrays current output, current output,

Star picture of Star picture of CCD-camera, CCD-camera,

Earth's limb in Earth's limb in the the picture picture

Attitude determination Attitude determination methods:methods:

Local (magnetic field Local (magnetic field measurements, measurements, sunlight & magnetic sunlight & magnetic field measurements, field measurements, star recognition, limb star recognition, limb angles recognition), angles recognition),

Statistical (sources Statistical (sources above all together or above all together or individuallyindividually) )

68

Magnetometer Magnetometer MMeasurements easurements UUsagesage

Permanent magnetometers

magnet

θ

H

23

22

21cos hhH

H

69

Magnetometer & Magnetometer & SSun un SSensor ensor MMeasurementeasurement Data Data UUsagesage

H S

Magnetic and Sun vectors H, S (measured by sensors on board) and h, s (calculated using the dynamics model). Transformation matrix D is calculated via their vector products

)||][

,||

,()||

][,

||,(

hshss

hshs

sDHS

HSSHSHS

S

70

CCD-camera CCD-camera PPicture icture UUsagesage

Scheme of determination of the direction to the star (denoted by *) with regard to the chip sensitive plane via position of its image and focal distance of the lens. The dimention of the chip is equal to 240x320 pixels.