Инерционные измерительные блоки.

Инерционные измерительные блоки включают в свой состав чувствительные элементы для измерения параметров вращательного движения космического аппарата – гироскопические приборы, и для измерения параметров поступательного движения космического аппарата – акселерометры. Инерциальные измерительные блоки космических аппаратов должны оснащаться акселерометрами, только если существует задача измерения скорости поступательного движения космического аппарата – либо для решения задач навигации и наведения космического аппарата, либо для определения момента отключения маршевых двигателей. Инерциальные измерительные блоки часто представляют собой набор гироскопов и акселерометров, размещенных на стабилизированной и подвешенной в карданном подвесе платформе, которая сохраняет заданную инерциальную систему координат в пространстве. Инерциальные измерительные блоки космических аппаратов на базе стабилизированных платформ обладают высокой точностью, не требует сложных вычислений при обработке информации, однако представляют собой сложное механическое устройство, с большой массой и потребляемой мощностью. Поэтому в последнее время становятся все более популярными бесплатформенные инерциальные измерительные блоки. Бесплатформенные приборы не используют в своем составе платформ, подвешенных в карданном подвесе. Вместо этого используется высокоточное программное обеспечение, обеспечивающее преобразование выходных сигналов чувствительных элементов, жестко закрепленных на корпусе космического аппарата, в инерциальную систему координат. Даже при сегодняшнем уровне развития бортовых средств вычислительной техники бесплатформенные инерциальные измерительные блоки сравнимы по точности с инерциальными измерительными блоками на базе стабилизированных платформ, обладая при этом более высокой надежностью. Бесплатформенные инерциальные измерительные блоки часто используют гироскопические измерители угловой скорости ,которые дают нам информацию об угловой скорости космического аппарата; интегрируя их выходные сигналы, мы можем определять угловое положение. Инерциальным измерительным блокам любого типа присущи уход гироскопов и погрешности типа смещения нуля. Для использования инерциальных измерительных блоков на борту космических аппаратов в течение интервалов времени более нескольких часов мы должны корректировать их информацию, используя сигналы позиционных датчиков внешних ориентиров, таких как Солнце, звезды или Земля. В настоящее время доступен широкий диапазон гироскопических приборов, начиная с классических электромеханических приборов с газовым подвесом ротора и кольцевых лазерных гироскопов, и заканчивая новейшими разработками твердотельных гироскопов – волоконно-оптических и полусферических резонансных, которые обеспечивают уменьшение габаритных размеров, массы и стоимости созданных на их основе инерциальных измерительных блоков космических аппаратов.

Датчики Солнца.

Датчики Солнца представляют собой детекторы видимого света, которые измеряют один или два угла между посадочной плоскостью прибора и вектором направления на Солнце. Это весьма распространенный, достаточно точный и надежный тип командных приборов, однако, для их успешной работы требуется обеспечить незатенение поля зрения датчика элементами конструкции космического аппарата. Датчики Солнца могут использоваться в составе штатной подсистемы определения ориентации космического аппарата, в составе подсистемы начального построения или восстановления ориентации, или в составе автономной подсистемы управления положением солнечной батареи. Поскольку траектории большинства низкоорбитальных искусственных спутников Земли включают неосвещенные Солнцем участки подсистема определения ориентации космического аппарата на базе датчиков Солнца должны предусматривать способы парирования регулярной потери информации от этих датчиков без существенного снижения точности решаемой задачи.

Датчики Солнца могут быть достаточно точными (точность лучше 0.01°), однако не всегда возможно воспользоваться преимуществами таких высоких характеристик. Обычно мы размещаем датчики Солнца на краю корпуса космического аппарата, чтобы обеспечить незатенение поля зрения датчика элементами конструкции космического аппарата. Точность датчика Солнца может быть ограничена изгибными деформациями конструкции космического аппарата, особенно для больших космических аппаратов. Космические аппараты, стабилизированные вращением, используют для определения ориентации специальные типы солнечных датчиков, которые измеряют угол между вектором направления на Солнце и осью вращения космического аппарата. Результаты измерения могут либо передаваться на Землю для обработки, либо использоваться непосредственно на борту космического аппарата в замкнутом контуре системы автоматического управления.

Звездные датчики.

Звездные датчики (англ. star sensors) по типам делятся на сканирующие, статические датчики и астроизмерительные системы. Сканирующие звездные датчики (англ. star scanners) используются в составе подсистем определения ориентации космических аппаратов, стабилизированных вращением. Наблюдаемые звезды при вращении космического аппарата последовательно проходят через множество щелей, образующих поле зрения датчика. После обработки прохождения нескольких звезд через поле зрения датчика мы можем решить задачу определения ориентации космического аппарата. Статические звездные датчики и астроизмерительные системы используются в составе подсистем определения ориентации космических аппаратов, оснащенных трехосной системой стабилизации. Статический звездный датчик (англ. star tracker) имеет широкое поле зрения, которое сканируется электронными средствами до обнаружения в нем звезды определенной яркости (звездной величины), затем осуществляется слежение за обнаруженной звездой. Любое движение космического аппарата будет фиксироваться датчиком как сдвиг изображения звезды в его поле зрения. Мы можем затем использовать этот сигнал рассогласования для определения ориентации космического аппарата в инерциальном пространстве. Астроизмерительная система (англ. star mapper) в принципе аналогична статическому звездному датчику за исключением того, что она работает одновременно по нескольким звездам, находящимся в ее поле зрения, тогда как статический звездный датчик обычно отслеживает только одну звезду. Астроизмерительная система обнаруживает звезду в поле зрения, запоминает ее положение, и переходит к обнаружению следующей звезды. Затем мы можем использовать запомненные данные о положении звезд для решения задачи определения ориентации космического аппарата в инерциальном пространстве. При использовании векторов направления на, по крайней мере, две звезды, развернутых в пространстве на некоторый угол, можно определить ориентацию всех трех строительных осей космического аппарата в инерциальном пространстве.

Датчики горизонта Земли.

Датчики горизонта Земли (англ. horizon sensors) представляют собой инфракрасные приборы, которые обнаруживают тепловой контраст между космическим пространством (низкая температура) и атмосферой Земли (высокая температура слоя высотой порядка 40 км от поверхности Земли, в зависимости от спектрального диапазона детектора). Простейшие статические датчики с узким полем зрения, называемые индикаторами пересечения горизонта Земли (англ. horizon crossing sensors, pippers) используются в составе подсистем определения ориентации космических аппаратов, стабилизированных вращением. Такие приборы измеряют фазу и центральный угол хорды пересечения инфракрасного горизонта Земли; результаты измерения совместно с данными о параметрах орбиты и угловым положением датчика относительно оси вращения космического аппарата позволяют определить два угла положения вектора направления на Землю. Сканирующие датчики горизонта Земли (англ. scanning horizon sensors) используются в составе подсистем определения ориентации космических аппаратов, оснащенных трехосной системой стабилизации. Сканирующим элементом в таких датчиках является вращающееся зеркало или линзовый объектив. Обычно такие датчики используются парами, что позволяет повысить суммарную точность определения ориентации космического аппарата (за счет совместной обработки измерений и фильтрации некоторых погрешностей) и повысить надежность подсистемы определения ориентации. На борту некоторых космических аппаратов, ориентированных по местной вертикали, используются датчики Земли с широким полем зрения или датчики слежения за горизонтом с качающимися зеркалами,которые обеспечивают наблюдение всего дика Земли и наведение космического аппарата на его центр.

Датчик горизонта Земли, установленный на борту космического аппарата с ориентацией на Землю, обеспечивает управление ориентацией по местной вертикали с минимальной обработкой измерений датчика. Датчики сканирующего типа требуют наличия поля зрения, свободного от затенения элементами конструкции космического аппарата, в пределах конуса сканирования (половинный угол раствора конуса составляет обычно 45°, 60° или 90°). Типовая точность подсистем определения ориентации космического аппарата на базе датчиков горизонта Земли составляет от 0.1° до 0.25°, а в отдельных случаях – даже 0.03°. Для повышения точности датчика применительно к низкоорбитальным космическим аппаратам необходимо учитывать несферичность Земли и сезонные вариации ее инфракрасного горизонта.