Оптимізація магнітометричних систем орієнтації штучних супутників Землі

Способи поліпшення метрологічних та енергетичних характеристик магнітометричних систем орієнтації ШСЗ. Алгоритм роботи моментного магнітоприводу, що базується на створенні прогнозних моделей накопиченого кінетичного моменту і геомагнітного поля.

Рубрика Астрономия и космонавтика
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 22.07.2014
Размер файла 85,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.03 - Гіроскопи та навігаційні системи

Оптимізація магнітометричних систем орієнтації штучних супутників Землі

Шостачук Дмитро Миколайович

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти і науки України на кафедрі автоматизації і комп'ютеризованих технологій.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Самотокін Борис Борисович, Житомирський інженерно-технологічний інститут, проректор, завідувач кафедри Автоматизації і комп'ютеризованих технологій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дідковський Віталій Семенович, Національний технічний університет України “КПІ”, завідувач кафедри акустики та акустоелектроніки

кандидат технічних наук Шаров Сергій Анатолійович, ВАО “Дослідно-конструкторське бюро геофізичного приладобудування” Міністерства промислової політики України, м. Київ, головний конструктор

Провідна установа: конструкторське бюро “Південне“ Міністерства промислової політики України, м. Дніпропетровськ

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.07 доктор технічних наук, професор Рижков Л.М.

Анотація

Шостачук Д.М. Оптимізація магнітометричних систем орієнтації штучних супутників Землі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.03 - Гіроскопи та навігаційні системи. - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2002.

В дисертаційній роботі запропонований алгоритм роботи моментного магнітоприводу системи орієнтації ШСЗ, що базується на використанні прогнозних моделей накопиченого кінетичного моменту та геомагнітного поля. Застосування цього методу дозволить зменшити потужність споживання та масу НКМ, покращити точність орієнтації. Запропонована методика отримання магнітометричних систем орієнтації штучних супутників Землі з покращеними метрологічними та енергетичними характеристиками. В основі методики лежить розв'язання задачі оптимізації за критерієм мінімуму ЕРС небалансу нуля поблизу другої гармоніки вихідного сигналу.

При отриманні математичної моделі використовувалась арктангенсна апроксимація середньої кривої намагнічування матеріалу осердя, при цьому коефіцієнти апроксимації обчислюються за допомогою чисельних методів нелінійної регресії. Оптимізація магнітометричної системи проводиться із використанням чисельних методів. В роботі досліджено вплив струму збудження на вихідну ЕРС. Показано, що остання зменшується в значно меншій мірі за рахунок насиченості осердя.

Ключові слова: магнітометричні системи орієнтації, штучні супутники Землі, чисельні методи нелінійної оптимізації, математичні моделі систем орієнтації ШСЗ.

Аннотация

Шостачук Д.Н. Оптимизация магнитометрических систем ориентации искусственных спутников Земли. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 - Гироскопы и навигационные системы. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2002.

В диссертационной работе предложен алгоритм работы моментного магнитопривода, который базируется на создании прогнозных моделей накопленного кинетического момента и геомагнитного поля, которые при движении спутника корректируются. На основе скорректированных моделей прогнозируются изменения накопленного кинетического момента на протяжении периода вращения и выбирается оптимальный с точки зрения минимума потребления энергии момент включения магнитопривода. Предложенный способ позволяет уменьшить мощность потребления, массу накопителей кинетического момента и улучшить качество ориентации. Предложена методика получения магнитометрических систем ориентации искусственных спутников Земли с улучшенными метрологическими и энергетическими характеристиками. В основе методики лежит решение задачи оптимизации по критерию минимума ЭДС небаланса вблизи ноля второй гармоники выходного сигнала. В качестве функциональных ограничений приняты мощность потребления феррозондового магнитометра и коэффициент преобразования по второй гармонике. Параметрическими ограничениями являются ограничения на длину (диаметр) сердечника, амплитуду и частоту поля возбуждения.

При получении математической модели используется арктангенсная аппроксимация средней кривой намагничивания, коэффициенты аппроксимации вычисляются с помощью численных методов нелинейной регрессии. Оптимизация магнитометрической системы проводится с использованием численных методов. Определены оптимальные параметры феррозондовых магнитометров систем ориентации искусственных спутников Земли с разомкнутыми и замкнутыми сердечниками.

Полученные результаты говорят о том, что при решении задачи оптимизации получают оптимальные магнитометрические системы ориентации с точки зрения минимума ЭДС небаланса вблизи нуля второй гармоники выходного сигнала, что позволяет улучшить точность ориентации и уменьшить потребляемую мощность. При сравнении опытных и расчетных данных делается вывод, что при отсутствии ограничений на длину сердечника современные магнитометрические системы приближаются к оптимальным.

В работе исследовано влияние тока возбуждения на выходную ЭДС. Показано, что последняя уменьшается в значительно меньшей степени за счет насыщенности сердечника. Это позволяет изменять величину поля возбуждения сердечников в широких пределах, что уменьшает энергопотребление.

Ключевые слова: магнитометрические системы ориентации, искуственные спутники Земли, численные методы нелинейной оптимизации, математические модели систем ориентации искусственных спутников Земли.

Annotation

Shostachuk D.M. Magnetometric systems optimization of artificial Earth satellites orientation. - Manuscript.

The thesis of dissertation for a Candidate's degree in Technical Sciences on speciality 05.11.03 - Gyro and navigation systems. - National Ukrainian Technical University "KPI", Kiev, 2002.

The method of getting of magnetometric systems of artificial Earth satellites orientation is suggested in the dissertation work. This method is characterized by improved metrological and power characteristics. It is based on the resolution of optimization problem.

When mathematical model is built the arc tangent approach of average curve of magnetizing is used. The approach coefficients are calculated using numerical unlinear regression methods. Magnetometric systems optimization of artificial Earth satellites orientation is done using numerical methods.

Dependence of current exciting reduction influence on the output signal value is studied. It is shown that the last one is reduced to a smaller degree on the account of core saturation.

Key words: Magnetometric systems of orientation, Earth satellites, numerical unlinear optimization methods, mathematical models of systems of artificial Earth satellites orientation.

1. Загальна характеристика роботи

магнітопривод метрологічний кінетичний

Актуальність теми. На сьогоднішній день в прикладній космонавтиці широко використовують магнітне поле Землі як джерело інформації про кутову орієнтацію супутника відносно заданої системи координат, та як складову частину вимірювального пристрою системи керування орієнтацією - моментного магнітоприводу. Це відбувається через обмежене число відомих алгоритмів роботи магнітометричних систем орієнтації штучних супутників Землі (ШСЗ) та відсутність сучасних високочутливих компонентних датчиків геомагнітного поля, які є складовою частиною магнітоприводу. Розробці саме цих двох проблем присвячена дисертаційна робота, що робить її актуальною.

Автором пропонується новий алгоритм роботи моментного магнітоприводу. Суть запропонованого методу полягає в тому, що попередньо створюються аналітичні прогнозні моделі накопиченого кінетичного моменту та геомагнітного поля, які при русі супутника по орбіті коригуються. На основі скоригованих моделей прогнозуються зміни накопиченого кінетичного моменту на протязі періоду обертання, та обирається оптимальний з точки зору мінімуму споживання енергії момент включення моментного магнітоприводу. Запропонований алгоритм дозволяє зменшити кількість включень моментного магнітоприводу та обрати найкращий режим його роботи, в результаті чого зменшиться енергоспоживання системи орієнтації ШСЗ.

Основна частина дисертації присвячена розробці методики проектування ферозондових магнітометрів (ФМ), які є ключовими елементами магнітометричної системи орієнтації ШСЗ. Застосування методики дозволить обирати оптимальні параметри ферозонда з умови мінімуму електрорушійної сили (ЕРС) небалансу нуля поблизу другої гармоніки вихідного сигналу, що приведе до покращення точності вимірювання компонент магнітного поля Землі та зменшення потужності споживання. При отриманні математичної моделі ферозондового магнітометра використовується арктангенсна апроксимація середньої кривої намагнічування матеріалу осердя, коефіцієнти апроксимації обчислюються за допомогою чисельних методів нелінійної регресії. Використання можливостей сучасних інженерно-математичних пакетів для розв'язання задачі нелінійної оптимізації дозволяє уникнути спрощень, які зменшують точність розрахунків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалась згідно напрямків наукової діяльності Житомирського інженерно-технологічного інституту “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі. Аерокосмічна навігація та керування рухом” в рамках дослідницької та науково-методичної роботи кафедри автоматизації та комп'ютеризованих технологій “Розрахунок та проектування приладів для вимірювання магнітного поля Землі”.

Наукові та практичні здобутки дисертації впроваджено в Спільному украінсько-чеському підприємстві “Метра Украіна” (м. Житомир).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є поліпшення метрологічних та енергетичних характеристик магнітометричних систем орієнтації ШСЗ.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та вирішені наступні основні задачі:

- запропоновано новий алгоритм роботи моментного магнітоприводу, що базується на створенні прогнозних моделей накопиченого кінетичного моменту і геомагнітного поля;

- обчислено коефіцієнти арктангенсної апроксимації середньої кривої намагнічування за допомогою чисельних методів нелінійної регресії, що забезпечує мінімум середньоквадратичної похибки;

- отримано математичну модель магнітометричної системи орієнтації із використанням нелінійної апроксимації середньої кривої намагнічування матеріалу осердя ферозондових магнітометрів;

- формалізовано та розв'язано задачу оптимізації магнітометричних систем орієнтації ШСЗ за допомогою чисельних методів;

- експериментально підтверджено основні теоретичні положення, що використовувались при побудові математичної моделі.

Об'єктом дослідження є магнітометричні системи орієнтації ШСЗ.

Предметом дослідження є трикомпонентні магнітометри систем орієнтації ШСЗ.

Методи дослідження. Теоретичні підходи та практичні аспекти даної роботи були сформовані автором після вивчення основних положень ряду наукових праць вітчизняних та закордонних вчених: Ю.В. Афанасьева, Ю.Ф. Пономарьова, М.А. Розенблата, Р.Я. Беркмана, Г. Губо, Х. Ашенбреннера та ін.

На основі вимог, що висуваються до магнітометричних систем орієнтації штучних супутників, побудована математична модель магнітометричної системи орієнтації ШСЗ для розрахунків електромагнітних явищ в осердях ферозондів з урахуванням нелінійних характеристик феромагнітних матеріалів. Розроблена концепція розрахунку вихідних конструктивних та електромагнітних параметрів ферозондових магнітометрів систем орієнтації для вимірювання слабких незмінних та малозмінних магнітних полів в умовах космічного простору шляхом розв'язання системи, що складається з нелінійної цільової функції, двох нелінійних функціональних та шести лінійних параметричних обмежень. Представлений алгоритм для розв'язання отриманої системи чисельними методами. Проведені експериментальні дослідження на стрижневому ферозонді.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- запропоновано новий алгоритм роботи моментного магнітоприводу, що базується на створенні прогнозних моделей накопиченого кінетичного моменту і геомагнітного поля;

- формалізовано та розв'язано задачу оптимізації параметрів ферозондових магнітометрів за критерієм мінімуму ЕРС небалансу нуля поблизу другої гармоніки вихідного сигналу;

- запропоновано методику розрахунку параметрів магнітометричної системи орієнтації на основі використання нелінійної апроксимації середньої кривої намагнічування та чисельного розв'язання системи рівнянь.

Практичне значення отриманих результатів заключається у вдосконаленні методу аналізу та синтезу електромагнітних систем ферозондів систем орієнтації, що реалізовані у вигляді алгоритму, який забезпечує проектування магнітометричних систем орієнтації із заздалегідь заданими вимогами.

Особистий внесок здобувача.

У роботі [4] здобувачем визначена математична модель ферозондового магнітометра з урахуванням вимог, які висуваються до магнітометричних систем орієнтації, в роботі [6] здобувачем запропонований алгоритм отримання оптимальних параметрів трискладового магнітометра шляхом розв'язання однокритеріальної задачі математичного програмування.

Апробація роботи. Результати досліджень доповідались на конференціях “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”, 1999, 2001 рр., Інженерно-технологічний інститут, Житомир; конференції молодих вчених “Навигация и управление движением”, 2000 р., ЦНДІ “Электроприбор”, м. С.-Петербург, Росія; III Міжнародній науково-практичній конференції “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”, НТУУ “КПІ”, Київ, 2001 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових праць, із них 4 - у фахових виданнях, 4 - у матеріалах конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, 7 додатків. Обсяг дисертації, в якому викладено її основний зміст, становить 118 сторінок. Загальний обсяг дисертації становить 145 сторінок. Робота містить 31 рисунок, 5 таблиць, список використаних джерел налічує 115 назв.

2. Основний зміст роботи

У вступі сформульовано мету, наукову новизну та дана загальна характеристика роботи, відображено практичну цінність та достовірність отриманих результатів. Викладено зміст роботи за розділами.

У розділі 1 проведено огляд літературних джерел та матеріалів всесвітньої мережі Internet за темою дисертаційної роботи. Висвітлюються умови функціонування ШСЗ у космічному просторі та основні алгоритми застосування моментного магнітоприводу в системах орієнтації для розвантажування накопичувачів кінетичного моменту. Зображена одна з можливих схем магнітоприводу для просторової орієнтації супутника, який складається з трьох плоских котушок, трьох магнітометрів для вимірювання МПЗ та обчислювального пристрою.

Електрична енергія, яка необхідна для роботи пристрою, надходить від бортового джерела живлення, наприклад, від сонячної батареї.

Запропоновано новий алгоритм роботи моментного магнітоприводу системи орієнтації штучних супутників Землі, що базується на створенні прогнозних моделей накопиченого кінетичного моменту та геомагнітного поля. На основі обробки на протязі періоду обертання супутника по орбіті сигналів, пропорційних накопиченим по осях супутника складовим кінетичного моменту, коригують отриману аналітичну прогнозну модель збурюючого моменту, а на основі обробки сигналів, пропорційних складовим напруженості геомагнітного поля, коригують отриману аналітичну прогнозну модель геомагнітного поля. Після чого по скоригованим моделям обраховують умови роботи моментного магнітоприводу на протязі періоду обертання супутника по орбіті, та обирають оптимальний з точки зору мінімальних енерговитрат режим його роботи: при наближенні накопичувачів кінетичного моменту до стану насичення визначають необхідність та послідовність підключення силових котушок моментного магнітоприводу, їх кількість, обчислюють координати точок траєкторії, тривалість та ділянку орбіти підключення силових котушок.

Проведено аналіз існуючих електромагнітних систем ферозондів.

На основі аналізу вимог, що ставляться до ферозондів систем орієнтації ШСЗ, запропоновано принципи побудови математичної моделі. Поставлено задачу дослідження.

Наведено основні характеристики ферозондів, що використовуються в системах орієнтації:

- рівень небалансу поблизу нуля другої гармоніки вихідної ЕРС;

- потужність споживання ферозонду;

коефіцієнт перетворення ферозонду.

У розділі 2 отримано математичну модель процесів, які відбуваються в ферозондах з огляду на вимоги, що ставляться до магнітометричних систем орієнтації ШСЗ. Визначено систему, що підлягає розв'язанню.

При розгляданні процесів, що відбуваються в феромагнітних осердях при намагнічуванні останніх слабким незмінним та сильним змінним полями, амплітуда якого змінюється від максимального значення, що забезпечує технічне насичення матеріалу, до нуля, використовують середню криву намагнічування (СКН). Її можна визначити таким чином:

,

де стрілками відмічена належність значень індукції до зростаючої або знижуючої кривих граничної петлі гістерезису.

При апроксимації СКН функцією арктангенсу

більшість авторів пропонують вибирати коефіцієнти апроксимації таким чином:

;

,

де - індукція насичення матеріалу осердя;

- напруженість насичення матеріалу осердя.

Для отримання більшої відповідності розрахунків експериментальним даним пропонується для визначення коефіцієнтів апроксимації використовувати метод нелінійної регресії, тобто обчислення таких значень i , при яких забезпечується мінімальна середньоквадратична похибка наближення до множини висхідних даних.

На рис. 3 зображені СКН сплаву 79НМ, що досліджується та її апроксимації функціями арктангенсу. Крива відтворює апроксимацію середньої кривої функцією арктангенсу з коефіцієнтами, отриманими емпіричним шляхом.

Значно кращі результати отримуємо при обчисленні коефіцієнтів апроксимації чисельними методами нелінійної регресії (крива), яка з необхідною точністю відтворює експериментальну криву. Обчислено суми середньоквадратичних відхилень, які відповідно дорівнюють: Тл, Тл.

Розглянуто ферозондовий магнітометр як технічну систему. На вхід системи подається значення зовнішнього магнітного поля (), на виході отримуємо напругу, яка є функцією цього поля ().

Стан системи () визначається процесами перетворення енергії магнітного поля в енергію вихідної ЕРС і описується законом електромагнітної індукції.

З огляду на основні вимоги до магнітометричних систем орієнтації ШСЗ була отримана математична модель ферозондового магнітометра, яка складається з величин, які характеризують точностні та енергетичні характеристики приладу. Найважливішою з цих характеристик є величина ЕРС небалансу нуля поблизу другої гармоніки вихідного сигналу, яка в системі, що підлягає оптимізації, буде виступати в якості цільової функції. Вираз для цільової функції має вигляд:

,

.

Решта - потужність споживання, яка для магнітометрів із розімкнутим осердям визначається виразом:

,

,

та коефіцієнт перетворення ферозонду по другій гармоніці, який обчислюється за формулою

,

виступають в ролі функціональних обмежень.

При розрахунках ферозондів параметри визначаються при виборі матеріалу осердя, інші величини обчислюються таким чином, щоб витримувались умови, які виражені у математичній моделі та обмеження, що обумовлені можливостями фізичної реалізації:

- величина повинна забезпечувати необхідний рівень насиченості осердя;

- діаметр осердя ;

- частота поля збудження повинна значно більшою за частоту поля, що вимірюється, але забезпечувати відсутність поверхневого ефекту;

- діаметр проводу обмотки збудження, ширина та товщина стрижневих осердь або пермалоєвої стрічки для кільцевих осердь обумовлюються технологічними можливостями і задаються заздалегідь. Тоді система, що підлягає розв'язанню, має вигляд:

Якщо представити функціональні та параметричні обмеження системи, які забезпечують фізичну реалізацію ферозонду, у вигляді

,

то система, яку потрібно розв'язувати, матиме вигляд:

В розділі 3 досліджені цільова функція на наявність глобального екстремуму, параметричні та функціональні обмеження. Встановлено, що при виключенні гармонічних складових цільова функція має глобальний екстремум, який може бути знайдений за допомогою чисельних методів. Обчислено граничні значення для амплітуди та частоти поля збудження, довжин розімкнутих та діаметрів замкнутих осердь.

Проведена оптимізація ферозондів із розімкнутими та замкнутими осердями. Результати проведених досліджень засвідчили, що при застосуванні методики розрахунку параметрів ферозондових магнітометрів систем орієнтації отримуємо прилади з покращеними характеристиками. В табл. 1 наведені параметри ферозондів із замкнутим осердям, що розраховані за методиками, отриманими експериментальним шляхом та запропонованою автором роботи. При проведенні оптимізації деякі конструктивні параметри ферозонду (товщина та ширина стрічки, діаметр проводу обмотки збудження) та матеріал осердя брались такими, щоб можна було порівняти вихідні параметри приладу, які отримані аналітичним шляхом з експериментальними показниками.

Таблиця 1. Оптимізація параметрів ферозондів із замкнутим осердям (із жорсткими обмеженнями на діаметр осердя)

№ п/п

Назва характеристики

Експеримент. значення

Розраховані значення

1

Матеріал осердя

82НМ(П)

82НМ(П)

2

Ширина осердя, мм

1,5

1,5

3

Товщина осердя, мм

0,12

0,12

4

Довжина осердя, мм

13,2

14,0

5

Діаметр проводу збудження, мм

0,1

0,1

6

Діаметр обмотки збудження, мм

4

4

7

Кількість витків обмотки збудження

130

172

8

Кількість витків вимірювальної обмотки

500

431

9

Частота поля збудження, Гц

12500

14200

10

Напруженість поля збудження, А/м

2000

100

11

Коеф. небалансу нуля поблизу другої гармоніки, мВ

0,005

0,005

12

Коеф. перетв. по другій гармоніці, мкв/нТл

5,0

4,5

13

ЕРС небалансу нуля поблизу другої гармоніки, мВ

<10

0,8

Із табл. 1 видно, що ми отримали ферозондові магнітометри з покращеними характеристиками. Так, наприклад, для збудження осердя ферозонду пропонується напруженість величиною А/м. Це дозволяє зменшити потужність споживання при забезпеченні насиченого стану осердя, що відповідає СКН пермалоєвих сплавів. Незначне зменшення значення коефіцієнту перетворення з 5 до 4,5 мкВ/нТл не впливає суттєво на величину вихідного сигналу. ЕРС небалансу нуля поблизу другої гармоніки вихідного сигналу, що є в системі цільовою функцією, яка мінімізується, значно менша від значення, яке отримали при виготовленні експериментального зразка (відповідно 0,8 та 10 мВ). Частота поля збудження також відрізняється від частоти, що використовується в ферозондах на сьогоднішній день (відповідно 14,2 та 12,5 кГц). Кількість витків вимірювальної обмотки та обмотки збудження визначається розрахованим значенням діаметра осердя. Таким чином, порівнюючи параметри ФМ, які ми отримали, розв'язуючи задачу оптимізації, з параметрами ферозондів, що розраховані за усталеною методикою, можна зробити висновок, що такі розрахункові значення ФМ, як діаметр осердя, ЕРС небалансу поблизу другої гармоніки, потужність споживання (за рахунок меншого струму збудження) більше відповідають вимогам до датчиків систем орієнтації ШСЗ, що дозволяє зробити висновок про доцільність використання вищенаведеної методики оптимізації параметрів ферозондів.

В роботі представлений алгоритм розрахунку оптимізації ферозондового магнітометра системи орієнтації з оптимізацією параметрів. На початковій стадії проектування задаються незмінні параметри приладу: ширина b та товщина h осердя, діаметри проводів вимірювальної обмотки та обмотки збудження , характеристики матеріалу осердя ,. Після чого за допомогою чисельних методів нелінійної регресії обчислюються коефіцієнти апроксимації і . Далі необхідно задати змінні параметри системи: параметричні та функціональні обмеження. Якщо система має рішення, отримуємо вектор змінних параметрів системи, які забезпечують необхідні характеристики приладу. Якщо система не має рішення, необхідно варіювати змінними параметрами (потужність, амплітуда та частота поля збудження, коефіцієнт перетворення по другій гармоніці).

У розділі 4 зроблено аналіз технічних характеристик ферозондового магнітометра моделі НВ0391-20, який виробляє НВО “ЭНТ” (С. - Петербург, Росія), який зображений на рис. 5.

Визначена залежність вихідної напруги та частоти від зміни струму збудження для стрижневого ферозонду без використання каналу (табл.2).

Таблиця 2. Залежність вихідної напруги та частоти від струму збудження

R, Ом

180

680

1180

1680

2180

2680

3180

1,10

0,70

0,40

0,20

0,10

0,05

0,03

f, кГц

13,6

12,5

10,0

9,5

9,5

9,5

9,5

I, мA

35

10

6,2

4,0

3,2

2,5

2,4

H, A/м

8,75

2,50

1,55

1,00

0,80

0,63

0,60

Як видно з табл. 2, при зменшенні струму збудження також зменшується значення вихідної напруги, але в значно меншій мірі. Так, наприклад, при зменшенні струму збудження в 5,6 рази (R=1180 Ом), вихідна напруга зменшується тільки в 2,75 рази, при зменшенні струму у 8,8 рази (R=1680 Ом) напруга зменшується у 5,5 рази. При цьому максимальна напруженість поля збудження складала 8,75 А/м, а мінімальна - 0,6 А/м, тобто при зменшенні номінальної напруженості поля збудження А/м (при Ом) у 14,6 рази (при ) осердя перебуває в насиченому стані, що відповідає середній кривій намагнічування (рис. 3). Таким чином, при заданому мінімальному значенні вихідної напруги (або коефіцієнту перетворення) можна варіювати величину струму збудження в широких межах, що дозволить зменшити енергоспоживання магнітометричної системи орієнтації ШСЗ.

Висновки

1. Показано, що внаслідок малих значень зовнішніх збурювальних сил є ефективним застосування в якості керуючих пристроїв моментних магнітоприводів, при цьому управління рухом супутника відносно центра мас відбувається шляхом створення моменту управління, що формується завдяки магнітному полю Землі.

2. Запропоновано новий алгоритм роботи моментного магнітоприводу системи орієнтації ШСЗ, що базується на створенні прогнозних моделей кінетичного моменту та геомагнітного поля. Показано, що застосування запропонованого алгоритму дозволить зменшити потужність споживання, масу накопичувачів кінетичного моменту та підвищити точність орієнтації.

3. Встановлено, що при розрахунках магнітометрів систем орієнтації ШСЗ використовуються напівемпіричні формули, а також здійснюється перехід від арктангенсної апроксимації до кусочно-лінійної, що зменшує точність розрахунків. Зроблено висновок, що найбільш придатною апроксимуючою функцією для подальших розрахунків є функція арктангенсу з коефіцієнтами, які обраховуються за допомогою чисельних методів нелінійної регресії.

4. Отримано нову математичну модель магнітометричної системи орієнтації, яка на відміну від відомих моделей враховує величину небалансу нуля поблизу другої гармоніки вихідного сигналу та потужність споживання, що має принципово важливе значення при проектуванні систем орієнтації ШСЗ.

5. Обчислено оптимальні параметри ферозондових магнітометрів. Результати проведених розрахунків свідчать про те, що при розв'язанні задачі оптимізації отримують ферозонди з найкращими характеристиками з точки зору мінімуму ЕРС небалансу поблизу нуля другої гармоніки вихідного сигналу. Це дозволяє значно покращити точність вимірювання компонент магнітного поля Землі. Показано, що при відсутності обмежень на діаметр (довжину) осердя характеристики сучасних магнітометрів наближаються до отриманих оптимальних. Доведено, що при застосуванні жорстких обмежень на діаметр осердя параметри промислових ферозондів відрізняються від оптимальних через такі причини:

- за критерій розрахунку параметрів промислових ФМ береться величина ЕРС вихідного сигналу на відміну від математичної моделі, запропонованої автором, в якій в якості цільової функції виступає величина ЕРС небалансу нуля поблизу вихідного сигналу;

- в запропонованій автором методиці розрахунку параметрів ФМ систем орієнтації розв'язується задача оптимізації, що дозволяє отримати найкращі характеристики ферозондів з точки зору обраного критерію та накладених параметричних і функціональних обмежень.

6. Проведено дослідження залежності вихідної напруги та частоти від зміни струму збудження, які довели можливість широкого варіювання останнього за рахунок того, що осердя знаходиться в насиченому стані; це дозволяє значно зменшити енергоспоживання системи орієнтації ШСЗ.

7. Обчислено відносні похибки при вимірювані геомагнітного поля. Показано, що застосування запропонованої автором методики розрахунку оптимальних параметрів ферозондових магнітометрів систем орієнтації дозволяє зменшити відносну похибку з величини 2,5% до значення 0,2% для ФМ із замкнутим осердям, а для ФМ із розімкнутим осердям - відповідно з 2,5% до 0,5% при використанні жорстких обмежень на довжину осердя, та з 2,5% до 0,31% при відсутності обмежень на діаметр. Зменшення похибки вимірювання складових геомагнітного поля дозволить покращити точність орієнтації ШСЗ.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Шостачук Д.М. Ферозондові магнітовимірювальні прилади для орієнтації штучних супутників Землі // Вісник ЖІТІ. - 1998. - № 7 / Технічні науки. - С. 134-139.

2. Шостачук Д.М. Апроксимація кривої намагнічування ферозонду // Вісник ЖІТІ. - 1998.- №8 / Технічні науки. - С. 97-101.

3. Шостачук Д.М. Цільова функція при автоматизованому проектуванні ферозондів // Вісник ЖІТІ. - 2000. - № 13 / Технічні науки. - С. 48-52.

4. Колодницький М.М., Шостачук Д.М. Автоматизоване проектування ферозондів: формалізація задачі, математична модель // Вісник ЖІТІ. - 2000. - № 15 / Технічні науки. - С. 182-185.

5. Шостачук Д.М. Про параметричний підхід до створення системи автоматизованого проектування (САПР) ферозондових магнітометрів // Матеріали ІV Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”. - Житомир: ЖІТІ. - 1999 р. С. 62-65.

6. Самотокин Б.Б., Мончаковский В.Ф., Шостачук Д.Н. Комплексное исполнительное устройство для системы ориентации ИСЗ // Гироскопия и навигация. - № 2. - 2-я международная конференция молодых ученых. - ЦНИИ “Электроприбор”, С.-Петербург. - 2000. - С. 117.

7. Шостачук Д.М. Метод штрафних функцій оптимізації параметрів ферозондів систем орієнтації ШСЗ // Матеріали V Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”, Житомир. - 2001. - С. 93-95.

8. Шостачук Д.М. Чисельні методи для проектування ферозондових магнітометрів систем орієнтації // Сборник докладов III Международной научно-технической конференции “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”, - К.: КПИ. - 2001. - С. 117-120.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Положення в Сонячній системі, атмосфера, клімат та особливості поверхні планети Марс. Орбітальні та фізичні характеристики природних супутників Фобоса та Деймоса, їх відкриття, форма та дослідження поверхні. Поняття та створення штучних супутників.

    презентация [526,2 K], добавлен 17.01.2012

  • Розгляд історії запуску на орбіту супутників та їх значення у дослідженні природних ресурсів Землі. Використання каталогів радіаційних характеристик земних об'єктів з метою оцінки стану природних утворень. Вивчення причин виникнення чорних дір.

    контрольная работа [44,3 K], добавлен 14.03.2010

  • Классификация различных систем координат. Особенности и характеристика горизонтальной топоцентрической, экваториальной, эклиптической, галактической систем координат. История и практические особенности применения различных систем координат в астрономии.

    статья [22,6 K], добавлен 15.12.2010

  • Процеси, пов'язані з утворенням і розпадом в сонячній атмосфері сильних магнітних полів. Зміни основних характеристик магнітного поля Землі під впливом сонячної активності. Характеристика впливу магнітних збурень на здоров'я та життєдіяльність людини.

    реферат [75,5 K], добавлен 09.10.2014

  • Изучение пироцентрической, геоцентрической и гелиоцентрической моделей Вселенной. Современные исследования космологических моделей. Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной. Измерения гравитационного поля в скоплениях галактик.

    курсовая работа [3,7 M], добавлен 03.06.2014

  • Проектирование систем десантирования и дрейфа для изучения планет Солнечной системы с помощью автоматических космических аппаратов. Формирование возможных вариантов морфологических матриц данных систем. Конструкция пульсирующего детонационного двигателя.

    реферат [22,2 K], добавлен 22.10.2015

  • Вплив метеоритних бомбардувань на земні процеси. Класифікація метеоритів та стадії формування метеоритного кратеру. Характеристика астроблем Землі: Тунгуська катастрофа, Сіхоте-Алінський залізний метеоритний дощ, Арізонський та Бовтиський кратери.

    дипломная работа [4,4 M], добавлен 16.03.2015

  • Описание, конструкция и траектория полетов основных видов космических аппаратов, а также анализ проблем их энергопитания бортовой аппаратуры. Особенности разработки и создания автоматизированных систем управления эксплуатацией летательных комплексов.

    контрольная работа [24,2 K], добавлен 15.10.2010

  • Два основных вида одноступенчатых аэрокосмических систем. Проблемы внешней конструкции. Воздушно-реактивные двигатели. Использование преимуществ аэрокосмической системы горизонтального взлета продольной компоновки. Аэрокосмическая система "Вьюга".

    реферат [685,1 K], добавлен 12.01.2016

  • Характеристика метеороподібних тіл, які можуть вибухати ще в земній атмосфері, не досягнувши поверхні Землі. Реєстрація вибухів великих метеороїдів в атмосфері Землі та випадки знайдених метеоритів. Дослідження явища, названого Тунгуським метеоритом.

    реферат [20,0 K], добавлен 12.07.2010

  • Анализ баллистических характеристик космического аппарата. Расчет масс служебных систем, элементов топлива. Зона обзора на поверхности Земли и полоса обзора. Изучение системы электроснабжения, обеспечения теплового режима, бортового комплекса управления.

    курсовая работа [53,7 K], добавлен 10.07.2012

  • Загальна астрономічна характеристика Місяця. Знайомство з історією виникнення назви небесного тіла. Проведення досліджень астронавтами на поверхні супутника; теорії виникнення гір та кратерів. Рух Місяця навколо Землі та наслідки його впливу на неї.

    презентация [1,4 M], добавлен 26.02.2014

  • Історія розвитку дослідження Землі з космосу, її аерокосмічний моніторинг. Використання цього способу моніторингу для вивчення природних ресурсів Землі, змінень природного середовища, екології. Його використання для виявлення родовищ нафти і газу.

    курсовая работа [602,6 K], добавлен 13.05.2014

  • История возникновения и развития беспилотных летательных аппаратов. Состав бортового оборудования современных беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Бортовой комплекс навигации и управления. Особенности работы и устройства ряда систем управления БЛА.

    реферат [7,4 M], добавлен 17.01.2010

  • Уявлення про систему світу, розташування в просторі і русі Землі, Сонця, планет, зірок і інших небесних тіл. Спостереження переміщення Сонця серед зірок. Перша геліоцентрична система, обертання небесних сфер. Вивчення будови Галактики, Чумацького Шляху.

    реферат [41,5 K], добавлен 09.09.2009

  • Устройство системы дистанционного мониторинга. Временные изменения отражательной способности объектов. Аэрокосмические исследования динамики в атмосфере и океане. Контроль глобальных атмосферных изменений. Преимущества и недостатки спутниковых систем.

    реферат [15,8 K], добавлен 14.05.2011

  • Образование Солнечной системы. Теории прошлого. Рождение Солнца. Происхождение планет. Открытие других планетных систем. Планеты и их спутники. Строение планет. Планета земля. Форма, размеры и движение Земли. Внутреннее строение.

    реферат [126,1 K], добавлен 06.10.2006

  • Визначення, принципова схема будови і роботи реактивного двигуна, виведення рівняння Ціолковського. Переваги і недоліки реактивного двигуна, області його застосування. Коефіціент корисної лії (ККД) реактивного двигуна і способи його підвищення.

    реферат [22,8 K], добавлен 01.05.2010

  • Виникнення скупчень галактик, відособлення і формування зірок і галактик, утворення планет і їх супутників. Гіпотеза про циклічність стану Всесвіту. Аргументи на користь "пульсуючого Всесвіту". Моделі Фрідмана як основа подальшого розвитку космології.

    реферат [30,3 K], добавлен 01.05.2009

  • Визначення поняття "супутник" як невеликого тіла, що обертається навколо планети під дією її тяжіння. Дослідження походження, розмірів супутників планет: Марса (Фобос, Деймос), Юпітера (Іо, Європа, Ганімеда, Каллісто), Сатурна, Урана, Нептуна та Плутона.

    презентация [1,6 M], добавлен 11.04.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.