SPACECRAFT ASTRONAVIGATION ON CIRCULAR EARTH ORBITS

Three groups of spacecraft (SC) autonomous navigation and orientation methods are described in the article. The first one is based on inertial systems using gyroscopes of different types. The main disadvantage of inertial systems is a so-called “zero and axis drift”. To eliminate these drawbacks it is necessary to carry out periodic reconciliation of inertial measurements and data from satellite navigation or astrometric systems. The second group of methods of SC autonomous navigation and orientation is related to the issue of using stars as natural external reference points. From SC board pictures of some sky sections are taken. Stars included in the on-board ST catalogue are found and identified. After that using their known inertial coordinates a cosine matrix describing orientation of ST coordinate axes and SC structural axes in the inertial space is automatically built. Using stars as external reference points ensures high accuracy in measurements of SC orientation, which now is arcseconds and, potentially, fractions of arcseconds. The third group of methods is focused on measurement of direction to the earth centre in the coordinate system associated with corresponding trackers and the transfer of this direction into the coordinate system of SC structural axes. This process is called geovertical determination. The main issue for all the methods of geovertical determination is a large angle of the earth which causes a high inaccuracy (tenths of a degree) of measurement of the direction to the earth centre. The most widespread method is a combined use of inertial navigation systems, star trackers and an infrared geovertical reference, which allows autonomous determination of not only orientation but SC coordinates in the inertial space. At the same time low accuracy of geovertical determination conditions some corresponding level of navigation accuracy which is insufficient while solving some problems of SC attitude control. A method for autonomous navigation and orientation of a SC on a circular orbit has been proposed in accordance with the results of co-processing of star sky images obtained from several points of the obit.

звёздный датчик, навигационная модель, астронавигация, управление космическими аппаратами, star tracker, navigation model, astronavigation, spacecraft attitude control

1. Прохоров М., Захаров А. Ориентация и навигация в космосе - новые методы и перспективы // Физика космоса: труды 40-й Международной студенческой научной конференции (Екатеринбург, 31 янв.-4 февр. 2011 г.). - Екатеринбург, 2011. - С. 170-195.

2. Бахшиян Б. Ц., Федяев К. С. Основы космической баллистики и навигации: курс лекций. - М.: ИКИ РАН, 2013. - Серия «Механика, управление и информатика». - 119 с.

3. Lawrence A. Modern Inertial Technology: Navigation, Guidance, and Control. - Springer, 2012.

4. Noureldin A., Karamat T.B. and Georgy J. Fundamentals of Inertial Navigation, Satellite-based Positioning and their Integration. - Springer, 2013.

5. Interferometric closed-loop fiber-optic gyroscopes / Yu.N. Korkishko, V.A. Fedorov, V.Е. Prilutskii, V.G. Ponomarev, I.V. Morev, S.M. Kostritskii // in Proceedings of SPIE, Vol.8351, Third Asia Pacific Optical Sensors Conference, edited by John Canning, Gangding Peng, (SPIE, Bellingham, WA, 2012), 83513L, pp. 83513L-1-83513L-8 (2012).

6. Closed loop fiber optical gyroscopes for commercial and space applications / Yu. Korkishko, V. Fedorov, V. Prilutskii, V. Ponomarev, I. Morev, S. Kostritskii, A.Zuev, V.Varnakov // in Proc. Inertial Sensors and Systems: symposium Gyro Technology 2012. - Karlsruhe, Germany, 2012. - P.14.1-14.15.

7. Software Seminatural Development for FOG Inertial Satellite Navigation System SINS-500 / A.V. Chernodarov, A.P. Patrikeev, Yu.N. Korkishko, V.A.Fedorov, S.E. Perelyaev // Gyroscopy and Navigation. - 2010. - Vol. 1, No. 4. - P. 330-340.

8. Андронов В.Г. Теоретические основы геоорбитального моделирования космических сканерных изображений высокого разрешения: монография / Юго-Зап.гос.ун-т. - Курск, 2012. - 260 с.

9. Андронов В.Г., Волобуев Ю.Н., Заичко В.А. Модель дрейфа связки проектирующих лучей в фокальной плоскости оптико-электронной сканирующей системы // Известия Юго-Западного госу-дарственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2013. - №1. - С.166-170.

10. Андронов В.Г., Волобуев Ю.Н. Кинематическая модель углового движения связки проектирующих лучей в оптико-электронной сканирующей системе // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2012. -№2. - ч.3. - С.218-223.

11. Андронов В.Г., Дегтярёв С.В., Клочков И.А. Общая геоорбитальная модель космической сканерной сьёмки // Геоинформатика. - 2010. - №1. - С.48-52.

12. Андронов В.Г., Клочков И.А., Лазарева Е.В. Общая постановка и решение прямой фотограмметрической задачи для моноскопических космических изображений // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2009. - № 4. - Т.7. - С.33-35.

13. Андронов В.Г., Волобуев Ю.Н., Заичко В.А. Формирование связки проектирующих лучей в космической оптико-электронной сканирующей системе // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2013. - №1. - С.15-19.

14. Андронов В.Г., Клочков И.А., Мордавченко Т.В. Формирование угловых параметров космической сканерной сьёмки в режимах трёхосного программного управления осью визирования КА // Известия Вузов. Геодезия и аэрофотосьёмка. - 2010. - №6. - С.43-47.

15. Андронов, В.Г., Дегтярёв С.В., Клочков И. А. Особенности формирования космических сканерных изображений линейками матриц ПЗС // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2010. - Т.8. № 7. - С.11-15.

16. Андронов В.Г., Клочков И.А., Лазарева Е.В. Общая модель скорости движения космических сканерных изображений в инерциальном пространстве // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосьёмка. - 2010. - №4. - С.58-61.

17. Бехтин Ю.С., Емельянов С.Г., Титов Д.В. Теоретические основы цифровой обработки изображений встраиваемых оптико-электронных систем: монография. - М.: АРГАМАК-МЕДИА, 2016. - 296 с.

18. Методы и системы цифровой обработки аэрокосмических изображений: монография / С.Г. Емельянов, Е.А. Кудряшов, С.Г. Мирошниченко, В.С. Титов. - Новосибирск, 2012. - 175 с.

19. Алгоритм декодирования растровых телематических данных с многоуровневой сегментацией полей переменной длины / С.Г. Емельянов, О.И. Атакищев, Е.А. Титенко, Е.И. Алтухов, А.О. Атакищев // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2013. - №6(51). Ч.2. - С.44-49.

20. Особенности применения метаграматических сетей в задачах моделирования ситуаций для систем обработки космической мониторинговой информации / С.Г. Емельянов, О.И. Атакищев, В.А. Заичко, Е.И. Алтухов, Е.А. Титенко // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2013. - №6(51). Ч.2. - С.9-14.