RU2697866C1 - Method of spacecraft interstellar navigation - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used in onboard systems for interstellar navigation of spacecrafts (SC) to determine autonomous estimates of orbit and SC orientation. Method of interstellar navigation of a spaceship, according to which an onboard catalogue of coordinates of stars is compiled and memorized, limiting selection of stars with a stellar magnitude, which is displayed by the onboard monitoring system. Design trajectory of spacecraft is plotted with reference to onboard catalogue of coordinates of stars. Optical-electronic surveillance system devices rigidly fixed on spaceship carry out navigation sessions by recording image of star sky sections, selecting the brightest star on the detected areas in the central part of the field of vision and adjacent stars, determining distances on the image from the selected central star to neighbouring stars. Distances between the stars measured at the image and distances obtained from the on-board catalogue are compared. If all these distances coincide, the selected central star is identified on the image with the corresponding star from the catalogue, the orientation of the spacecraft and its position on the flight trajectory are determined, taking into account the position of the central star and neighbouring stars on the image in the instrument coordinate system. Data of calculations and measurements are stored. At that, when changing measured on image distance between stars compared to distances obtained from onboard catalogue, board catalogue is corrected. Design trajectory of the spacecraft is plotted with reference to the corrected catalogue of coordinates of stars. Navigation parameters are determined from data of corrected catalogues and current position of spaceship on trajectory.

EFFECT: interstellar spacecraft navigation.

1 cl

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в бортовых системах межзвездной навигации космических аппаратов (КА) для определения автономных оценок орбиты и ориентации КА.The invention relates to measuring technique and may find application in spacecraft onboard interstellar navigation systems for determining autonomous estimates of the orbit and orientation of a spacecraft.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2318188, МПК G01С 21/24, 2006 год, «Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов» (Кузнецов В.И., Данилова Т.В.). Изобретение относится к бортовой системе управления космическими аппаратами (КА) для автономной оценки орбиты и ориентации корпуса КА. Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов заключается в компьютерном расчете положения в трехмерном пространстве орта радиус-вектора опорной (расчетной, априори полагаемой) орбиты, жестком закреплении оптико-электронного прибора на корпусе КА и измерении в нем координат и яркости звезд, попавших в поле зрения в моменты навигационных сеансов. Технический результат: увеличение числа решаемых задач, расширение возможностей среды применения способа для любых орбит, уменьшение количества измерительных приборов и массогабаритных характеристик бортовой системы управления КА. Недостаток изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.Known invention protected by patent - analogue: Patent No. 2318188, IPC G01C 21/24, 2006, “Method for autonomous navigation and orientation of spacecraft” (Kuznetsov V.I., Danilova T.V.). The invention relates to an onboard spacecraft (SC) control system for autonomous assessment of the orbit and orientation of the spacecraft hull. The method of autonomous navigation and orientation of spacecraft consists in computer calculation of the position in the three-dimensional space of the unit vector of the radius vector of the reference (calculated, a priori assumed) orbit, rigidly fixing the optoelectronic device on the spacecraft’s body and measuring the coordinates and brightness of stars in it at the moments of navigation sessions. Effect: increasing the number of tasks to be solved, expanding the capabilities of the method application environment for any orbits, reducing the number of measuring instruments and weight and size characteristics of the onboard spacecraft control system. The disadvantage of the invention is that in the proposed method is not considered the case of a time-varying picture of the stellar field observed by optoelectronic devices.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2454631, МПК G01С 21/02, 2010 год, «Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов на основе виртуальных измерений зенитных расстояний звезд» (Кузнецов В.И., Данилова Т.В., Косулин Д.М.). Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в бортовых системах управления космическими аппаратами (КА) для определения автономных оценок орбиты и ориентации КА. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата осуществляют определение положения КА в трехмерном пространстве орта радиус-вектора и других элементов опорной (расчетной, априори полагаемой) орбиты движения КА на основе использования информации, поступающей от оптико-электронных приборов (ОЭП), закрепленных на корпусе КА. Минимальное число требуемых ОЭП - три, из них два помещаются в карданные подвесы для визирования оптимальным образом выбранных наиболее ярких звезд небесной сферы, один ОЭП жестко соединяется с корпусом КА, в нем измеряются координаты и яркости звезд, попавших в поле зрения в моменты навигационных сеансов, и распознается самая яркая (рабочая) звезда. Недостаток изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.A patented invention is known - analogue: Patent No. 2454631, IPC G01C 21/02, 2010, “A method for autonomous navigation and orientation of spacecraft based on virtual measurements of the zenith distances of stars” (Kuznetsov V.I., Danilova T.V., Kosulin D.M.). The invention relates to measuring equipment and can find application in onboard spacecraft (SC) control systems for determining autonomous estimates of the orbit and orientation of a spacecraft. The technical result is an extension of functionality. To achieve this result, the position of the spacecraft in the three-dimensional space of the unit vector of the radius vector and other elements of the support (calculated, a priori assumed) orbit of the spacecraft’s motion is determined by using information from optoelectronic devices (OED) mounted on the spacecraft’s hull. The minimum number of EIAs required is three, two of them are placed in gimbal suspensions for sighting the most selected brightest stars in the celestial sphere, one EIA is rigidly connected to the spacecraft body, it measures the coordinates and brightness of stars that came into view at the time of navigation sessions, and the brightest (working) star is recognized. The disadvantage of the invention is that in the proposed method is not considered the case of a time-varying picture of the stellar field observed by optoelectronic devices.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент 2453813, МПК G01С 21/24, 2011 год, «Способ навигации космического аппарата по небесным источникам периодического излучения» (Авраменко А.Е.). Изобретение относится к космической навигации и может быть использовано в системах получения информации о навигационных параметрах космического аппарата по небесным источникам периодического излучения, например пульсарам. Техническим результатом является повышение эффективности измерения навигационных параметров, повышение точности определения вектора текущего состояния и контроля результатов корректирующих маневров космического аппарата по наблюдениям периодического импульсного излучения пульсаров. Согласно изобретению способ навигации космического аппарата по импульсам излучения пульсаров включает определение совокупности интервалов импульсов пульсаров независимо на бортовом и наземном телескопах на согласованную эпоху наблюдений по установленным датам. По ним корректируют значения наблюдаемого периода на наземном телескопе и отклонения наблюдаемого периода от средней величины на бортовом телескопе. Используя полученные значениям наблюдаемого периода, вычисляют отклонения интервалов импульсов пульсаров, наблюдаемых на бортовом и наземном телескопах. По разности отклонений интервалов на бортовом и наземном телескопах определяют радиус-вектор истинного местоположения космического аппарата относительно расчетной точки траектории и векторные величины скорости и ускорения космического аппарата и по ним принимают решение о выполнении корректирующего маневра для сближения истинной и расчетной траекторий космического аппарата. Благодаря привязке местоположения космического аппарата к наблюдаемым интервалам высокостабильного периодического излучения пульсаров достигается повышение точности определения вектора навигационного состояния и контроля результатов корректирующих маневров космического аппарата. Недостаток изобретения является необходимость привлечения наземных телескопов для определения совокупности интервалов импульсов пульсаров, что не позволяет проводить навигацию КА в автономном режиме.Known invention protected by patent - analogue: patent 2453813, IPC G01C 21/24, 2011, "A method for navigating a spacecraft through celestial sources of periodic radiation" (Avramenko A.E.). The invention relates to space navigation and can be used in systems for obtaining information about the navigation parameters of a spacecraft from celestial sources of periodic radiation, for example pulsars. The technical result is to increase the efficiency of measuring navigation parameters, increase the accuracy of determining the vector of the current state and control the results of corrective maneuvers of the spacecraft from observations of periodic pulsed radiation from pulsars. According to the invention, a method for navigating a spacecraft by pulsar radiation pulses involves determining the set of pulsar pulse intervals independently on board and ground-based telescopes for an agreed era of observations at set dates. They correct the values of the observed period on the ground-based telescope and deviations of the observed period from the average value on the on-board telescope. Using the obtained values of the observed period, the deviations of the pulsar pulse intervals observed on the airborne and ground-based telescopes are calculated. From the difference in the deviations of the intervals on the onboard and ground-based telescopes, the radius vector of the true location of the spacecraft relative to the calculated point of the trajectory and the vector values of the speed and acceleration of the spacecraft are determined, and they decide on the execution of a corrective maneuver to bring the true and calculated trajectories of the spacecraft closer. By linking the location of the spacecraft to the observed intervals of highly stable periodic radiation of the pulsars, an increase in the accuracy of determining the vector of the navigation state and monitoring the results of corrective maneuvers of the spacecraft is achieved. The disadvantage of the invention is the need to use ground-based telescopes to determine the set of pulsar pulse intervals, which does not allow the navigation of the spacecraft in stand-alone mode.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2542599, МПК G01С 21/24, 2013 год, «Способ автономного определения орбиты и ориентации корпуса космического аппарата в пространстве при отсутствии априорной информации» (Данилова Т.В., Косулин Д.М., Архипова М.А.). Изобретение относится к системам автономной навигации и ориентации космического аппарата (КА). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют формирование оценок оскулирующих элементов орбиты и углов ориентации КА относительно осей текущей орбитальной системы координат. Эти оценки определяются на основе анализа геоцентрических годографов осей КА, полученных при обработке результатов измерений координат звезд и их звездных величин в жестко закрепленном на корпусе КА оптико-электронном приборе. Полученные оценки используются в качестве априорной информации при решении задачи навигации и ориентации на борту КА. При этом восстанавливается возможность функционирования системы автономной навигации и ориентации при аварийном пуске КА, либо при возникновении других нештатных ситуаций, связанных с потерей априорной (опорной) информации. Тем самым повышаются степень автономности и уровень надежности функционирования бортового комплекса управления, повышается степень боевой устойчивости и вероятности выполнения полетного задания. Недостаток изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.A patented invention is known - analogue: Patent No. 2542599, IPC G01C 21/24, 2013, “A method for autonomously determining the orbit and orientation of a spacecraft in space in the absence of a priori information” (Danilova T.V., Kosulin D.M., Arkhipova M.A.). The invention relates to systems for autonomous navigation and orientation of a spacecraft (SC). The technical result is an extension of functionality. For this, estimates of the osculating elements of the orbit and the orientation angles of the spacecraft relative to the axes of the current orbital coordinate system are formed. These estimates are determined based on the analysis of geocentric hodographs of the SC axes obtained by processing the results of measurements of the coordinates of stars and their stellar magnitudes in an optoelectronic device that is rigidly fixed to the SC body. The obtained estimates are used as a priori information when solving the problem of navigation and orientation onboard the spacecraft. At the same time, the possibility of functioning of the system of autonomous navigation and orientation during emergency launch of the spacecraft, or in the event of other emergency situations associated with the loss of a priori (reference) information, is restored. This increases the degree of autonomy and the level of reliability of the onboard control system, increases the degree of combat stability and the likelihood of completing a flight mission. The disadvantage of the invention is that in the proposed method is not considered the case of a time-varying picture of the stellar field observed by optoelectronic devices.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2638077, МПК G01С 21/02, G01С 21/24, 2016 год «Способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба» (Барке В.В., Венкстерн А.А., Котцов В.А., Захаров А.И.). Изобретение относится к способам определения ориентации по координатам наблюдаемых звезд, преимущественно для навигационных целей. В частности, для космической навигации путем определения положения космического аппарата относительно изображений звезд, наблюдаемых на небесной сфере. Способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба заключается в том, что предварительно составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной, отображаемой используемой системой наблюдения. Затем в процессе определения ориентации формируют изображение участка звездного неба, выбирают наиболее яркую звезду в центральной части поля зрения, выбирают соседние с ней звезды. Далее определяют попарные расстояния на изображении от выбранной центральной звезды до выбранных соседних звезд, а затем сравнивают измеренные расстояния между звездами с расстояниями, полученными из бортового каталога. При совпадении всех этих расстояний отождествляют выбранную центральную звезду на изображении с соответствующей звездой из каталога и определяют ориентацию, учитывая положение этой звезды на изображении в приборной системе координат. При этом каждую звезду при составлении бортового каталога дополнительно характеризуют значениями расстояний до двух ближайших к ней звезд и расстоянием между самими этими звездами или до трех ближайших к ней звезд и по результатам этих определений формируют трехмерное координатное признаковое пространство. В процессе определения ориентации, для выбранной на изображении звезды, по указанным измеренным расстояниям определяют положение этой звезды в признаковом пространстве, а затем по ее каталожным координатам на звездном небе определяют ее положение и находят ориентацию аппарата. Техническим результатом заявленного способа является повышение эффективности работы используемых датчиков звездной ориентации. Недостаток способа состоит в том, что в предлагаемом способе не рассмотрен случай изменяющейся во времени картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами.A patent-protected invention is known as a prototype: Patent No. 2638077, IPC G01C 21/02, G01C 21/24, 2016 “A method for determining orientation from images of starry sky” (Barke V.V., Venkstern A.A., Kottsov V. A., Zakharov A.I.). The invention relates to methods for determining the orientation of the coordinates of the observed stars, mainly for navigation purposes. In particular, for space navigation by determining the position of the spacecraft relative to the images of stars observed in the celestial sphere. The method for determining the orientation from images of starry sky plots consists in preliminarily compiling and storing an on-board catalog of star coordinates, limiting the choice of stars to the stellar magnitude displayed by the observation system used. Then, in the process of determining the orientation, an image of a portion of the starry sky is formed, the brightest star in the central part of the field of view is selected, stars adjacent to it are selected. Next, pairwise distances in the image from the selected central star to the selected neighboring stars are determined, and then the measured distances between the stars are compared with the distances obtained from the on-board catalog. If all these distances coincide, they identify the selected central star in the image with the corresponding star from the catalog and determine the orientation, taking into account the position of this star in the image in the instrument coordinate system. Moreover, each star in compiling the on-board catalog is additionally characterized by the values of the distances to the two stars closest to it and the distance between these stars themselves or to the three stars closest to it and, according to the results of these determinations, form a three-dimensional coordinate attribute space. In the process of determining the orientation, for a star selected in the image, the position of this star in the feature space is determined from the indicated measured distances, and then its position is determined from its catalog coordinates in the starry sky and the orientation of the apparatus is found. The technical result of the claimed method is to increase the efficiency of the used sensors of stellar orientation. The disadvantage of this method is that the proposed method does not consider the case of a time-varying pattern of the stellar field observed by optical-electronic devices.

Целью предполагаемого изобретения является межзвездная навигация космического корабля.The purpose of the alleged invention is interstellar navigation of a spacecraft.

Указанная цель достигается в заявляемом способе межзвездной навигации космического корабля, согласно которому составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной, отображаемой используемой на борту системой наблюдения. Строят расчетную траекторию движения космического корабля с привязкой к бортовому каталогу координат звезд. Оптико-электронными приборами системы наблюдения, жестко закрепленными на космическом корабле, проводят навигационные сеансы путем регистрации изображения участков звездного неба, выбирают наиболее яркую звезду на зарегистрированных участках в центральной части поля зрения и соседние с ней звезды, определяют расстояния на изображении от выбранной центральной звезды до соседних звезд. Сравнивают измеренные на изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из бортового каталога. При совпадении всех этих расстояний отождествляют выбранную центральную звезду на изображении с соответствующей звездой из каталога, определяют ориентацию космического корабля и его положение на траектории полета, учитывая положение центральной звезды и соседних звезд на изображении в приборной системе координат. Запоминают данные расчетов и измерений. В условиях изменяющейся картины звездного поля при изменении измеренного на изображении расстояния между звездами по сравнению с расстояниями, полученными из бортового каталога, корректируют бортовой каталог. Строят расчетную траекторию движения космического корабля с привязкой к откорректированному каталогу координат звезд. Навигационные параметры определяют по данным откорректированных каталогов и текущего положения космического корабля на траектории.This goal is achieved in the inventive method for interstellar navigation of a spacecraft, according to which they compile and remember the on-board catalog of the coordinates of the stars, limiting the choice of stars to the stellar magnitude displayed by the observation system used on board. The calculated trajectory of the spacecraft is built with reference to the on-board catalog of the coordinates of the stars. Optoelectronic devices of the observation system, rigidly fixed to the spacecraft, conduct navigation sessions by registering images of starry sky areas, select the brightest star in the registered areas in the central part of the field of view and stars adjacent to it, determine the distance in the image from the selected central star to neighboring stars. The distances between the stars measured in the image are compared with the distances obtained from the on-board catalog. If all these distances coincide, the selected central star in the image is identified with the corresponding star from the catalog, the orientation of the spacecraft and its position on the flight path are determined, taking into account the position of the central star and neighboring stars in the image in the instrument coordinate system. Remember the data of calculations and measurements. Under the conditions of a changing picture of the stellar field, when the distance between the stars measured in the image changes compared with the distances obtained from the on-board catalog, the on-board catalog is corrected. A calculated trajectory of the spacecraft is built with reference to a corrected catalog of star coordinates. Navigation parameters are determined from the corrected catalogs and the current position of the spacecraft on the trajectory.

Реализуемость заявляемого способа межзвездной навигации космического корабля и его практическая значимость подтверждаются следующим образом. В межзвездных экспедициях происходит изменение картины звездного поля, наблюдаемого оптико-электронными приборами, расположенными на борту космического корабля: в приборной системе отсчета изменяются угловые координаты звезд и расстояния между звездами на изображении, полученном оптико-электронными приборами в ходе навигационных сеансов. В способе-прототипе ориентацию и пространственное положение космического корабля на траектории определяют путем сравнения измеренных расстояний между изображениями звезд и вычисленных расстояний между теми же звездами по данным бортового каталога. При изменении картины звездного поля каталог координат звезд нуждается в уточнении. Условием для очередной коррекции каталога может служить установленное по данным наблюдений изменение координат звезд на некоторую наперед заданную величину, например, кратное превышение погрешности измерений оптико-электронными приборами. Расчетная траектория движения космического корабля строится с привязкой к откорректированному каталогу координат звезд. В таком случае навигационные параметры космического корабля определяются по данным откорректированных каталогов и текущего положения корабля на траектории.The feasibility of the proposed method of interstellar navigation of a spacecraft and its practical significance are confirmed as follows. In interstellar expeditions, the pattern of the stellar field observed by optoelectronic devices located on board the spacecraft changes: in the instrument reference system, the angular coordinates of the stars and the distances between the stars in the image obtained by optoelectronic devices during navigation sessions change. In the prototype method, the orientation and spatial position of the spacecraft on the trajectory is determined by comparing the measured distances between the images of stars and the calculated distances between the same stars according to the on-board catalog. When changing the pattern of a stellar field, the catalog of star coordinates needs to be clarified. A condition for the next catalog correction may be a change in the coordinates of stars established by observational data by a predetermined value, for example, a multiple excess of the measurement error by optical-electronic devices. The calculated trajectory of the spacecraft is built with reference to the adjusted catalog of coordinates of the stars. In this case, the navigation parameters of the spacecraft are determined by the corrected catalogs and the current position of the ship on the trajectory.

Таким образом, техническая возможность реализации заявляемого способа межзвездной навигации космического корабля и его практическая значимость не вызывают сомнений.Thus, the technical feasibility of implementing the proposed method for interstellar navigation of a spacecraft and its practical significance are not in doubt.

Claims (1)

Способ межзвездной навигации космического корабля, согласно которому составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной, отображаемой используемой на борту системой наблюдения, строят расчетную траекторию движения космического корабля с привязкой к бортовому каталогу координат звезд, оптико-электронными приборами системы наблюдения, жестко закрепленными на космическом корабле, проводят навигационные сеансы путем регистрации изображения участков звездного неба, выбирают наиболее яркую звезду на зарегистрированных участках в центральной части поля зрения и соседние с ней звезды, определяют расстояния на изображении от выбранной центральной звезды до соседних звезд, сравнивают измеренные на изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из бортового каталога, при совпадении расстояний отождествляют выбранную центральную звезду на изображении с соответствующей звездой из каталога, определяют ориентацию космического корабля и его положение на траектории полета, учитывая положение центральной звезды и соседних звезд на изображении в приборной системе координат, запоминают данные расчетов и измерений, причем при изменении измеренного на изображении расстояния между звездами по сравнению с расстояниями, полученными из бортового каталога, корректируют бортовой каталог, строят расчетную траекторию движения космического корабля с привязкой к откорректированному каталогу координат звезд, навигационные параметры определяют по данным откорректированных каталогов и текущего положения космического корабля на траектории.A method of interstellar navigation of a spacecraft, according to which the on-board catalog of the coordinates of stars is compiled and stored, limiting the choice of stars to the stellar magnitude displayed on the observation system used on board, constructing the calculated trajectory of the spacecraft with reference to the on-board catalog of coordinates of stars, optoelectronic devices of the observation system, rigidly fixed on a spaceship, conduct navigation sessions by registering images of sections of the starry sky, choose the most the bright star in the registered areas in the central part of the field of view and the stars adjacent to it, determine the distances in the image from the selected central star to neighboring stars, compare the distances between the stars measured in the image with the distances obtained from the on-board catalog, and if the distances coincide, the selected central star is identified on the image with the corresponding star from the catalog, determine the orientation of the spacecraft and its position on the flight path, taking into account the central position of the first star and neighboring stars in the image in the instrument coordinate system, remember the calculation and measurement data, and when the distance between the stars measured in the image changes compared to the distances obtained from the on-board catalog, the on-board catalog is corrected, and the calculated trajectory of the spacecraft with reference to a corrected catalog of star coordinates, navigation parameters are determined by the corrected catalogs and the current position of the spacecraft on the trajectory.