Алгоритм двухконтурной фильтрации магнитометрических измерений в задаче определения параметров угловой ориентации геостационарных космических аппаратов

Эффективная эксплуатация геостационарных космических аппаратов невозможна без высокоточного функционирования бортовых систем угловой ориентации. Основными измерителями параметров угловой ориентации геостационарных космических аппаратов являются солнечные и звёздные датчики, а также магнитометры. Солнечные и звёздные датчики стоят дорого и имеют малый угол обзора, недостаточный для определения угловой ориентации геостационарных космических аппаратов при вращении. Также обработка звёздных измерений требует больших вычислительных затрат. Магнитометры позволяют оценить параметры угловой ориентации геостационарных космических аппаратов даже при высокодинамичном вращении. Однако необходимо устойчиво и с заданной точностью оценивать указанные выше параметры в условиях неизбежных помех, возникающих при измерении магнитного поля (шумов магнитометрических измерений) и вызванных множеством случайных физических факторов. Существуют различные методы и алгоритмы для борьбы с шумами магнитометрических измерений, наиболее эффективным из которых является расширенный фильтр Калмана. Основные недостатки этого метода применимость только для частных случаев углового движения геостационарных космических аппаратов, а также использование упрощённых моделей помех и, как следствие, необходимость дополнительной настройки расширенного фильтра Калмана. Предложен алгоритм двухконтурной фильтрации магнитометрических измерений для оценки параметров угловой ориентации геостационарных космических аппаратов. Данный алгоритм инвариантен к характеру углового движения аппаратов, устойчив и обеспечивает требуемую для бортовых систем ориентации геостационарных космических аппаратов точность оценивания при самых общих предположениях о характере шумов магнитометрических измерений. Алгоритм основан на дополнительном контуре фильтрации, в котором в качестве линейного наблюдателя вектора угловых параметров применён вектор оценок на выходе расширенного фильтра Калмана. Приведены результаты численного эксперимента, иллюстрирующие эффективность предложенного алгоритма.

1. Montenbruck O., Gill E. Satellite Orbits: Models, Methods, and Applications. Springer Science & Business Media, Berlin (2000).

2. Vallado D. A. Fundamentals of Astrodynamics and Applications. 2nd ed. Springer Science & Business Media, Dordrecht (2001).

3. Сухой Ю. Г. Коррекции орбит геостационарных спутников: особенности управления орбитальным движением и возмущения орбит геостационарных спутников. Компания Спутник+, Москва (2011).

4. Дятлов С. А., Бессонов Р. В. Обзор звёздных датчиков ориентации космических аппаратов. Механика, Управление и Информатика, (1), 11–31 (2009). https://elibrary.ru/ojsitl

5. Аванесов Г. А., Никитин А. В., Форш А. А. Оптический солнечный датчик. Известия вузов. Приборостроение, 46(4), 70–73 (2003). https://elibrary.ru/pabmqf

6. Аванесов Г. А., Форш А. А., Бессонов Р. В., Зиман Я. Л., Куделин М. И., Залялова Р. Г. Звёздный координатор БОКЗ-М и перспективы его развития. Материалы XIV Санкт-Петербургской международной конференции «Интегрированные навигационные системы», Санкт-Петербург, 28–30 мая 2007 г. ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, с. 199 (2007).

7. Колесников В. Н., Козлов О. И. Определение конструктивных параметров съемочных систем КА ДЗЗ. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 62(4), 383–389 (2018). https://doi.org/10.30533/0536-101X-2018-62-4-383-389 ; https://elibrary.ru/xxhmbf

8. Psiaki M. L., Martel F., Pal P. K. Three-axis attitude determination via Kalman filtering of magnetometer data. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 13(3), 506–514 (1990). https://doi.org/10.2514/3.20396

9. Humphreys T. E., Jackson M. L., Lightsey E. G. Magnetometer-based attitude and rate estimation for spacecraft with wire booms. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 28(4), 584–593 (2005). https://doi.org/10.2514/1.7285

10. Psiaki M. L. Global magnetometer-based spacecraft attitude and rate estimation. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 27(2), 240–250 (2004). https://doi.org/10.2514/1.10730

11. Ma H., Xu S. Magnetometer-only attitude and angular velocity filtering estimation for attitude-changing spacecraft. Acta Astronautica, 102(10), 89–102 (2014). https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.05.013 ; https://elibrary.ru/uvdfqt

12. Searcy J. D., Pernicka H. J. Magnetometer-only attitude determination using novel two-step Kalman filter approach. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 35(6), 1693–1701 (2012). https://doi.org/10.2514/1.56689

13. Cote J., Lafontaine J. Magnetic-only orbit and attitude estimation using the square-root unscented Kalman filter: application to the PROBA-2 spacecraft. Proc. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Honolulu, HI, USA, 18–21 Aug 2008, pp. 1–24. AIAA, Reston, VA (2008). https://doi.org/10.2514/6.2008-7211

14. Abdelrahman M., Park S.-Y. Simultaneous spacecraft attitude and orbit estimation using magnetic field vector measurements. Aerospace Science and Technology, 15(8), 653–669 (2011). https://doi.org/10.1016/j.ast.2011.01.004

15. Иванов Д. С., Овчинников М. Ю., Пеньков В. И., Ролдугин Д. С. Использование магнитных катушек и магнитометра для обеспечения трехосной ориентации спутника. Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша, (47), 1–20 (2015). http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2015-47

16. Ovchinnikov M., Ivanov D. Approach to study satellite attitude determination algorithms. Acta Astronautica, 98(1), 133–137 (2014). https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.01.020 ; https://elibrary.ru/sknddh

17. Беляев М. Ю., Монахов М. И., Сазонов В. В. Оценка точности показаний магнитометра, установленного на служебном модуле Международной космической станции. Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша, (54), 1–32 (2012). https://keldysh.ru/papers/2012/prep2012_54.pdf ; https://elibrary.ru/pdlyxx

18. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. Радио и связь, Москва (2004). https://elibrary.ru/qmntat

19. Соколов С. В., Шаталов А. Б., Погорелов В. А. Решение задачи стохастической оценки параметров ориентации антенного комплекса по измерениям бескарданной инерциальной системы. Сборник трудов XXVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» в 6 т. Т. 4, с. 279–288. Воронежский государственный университет, Воронеж (2020). https://elibrary.ru/yshoep

20. Соколов С. В., Погорелов В. А., Охотников А. Л. Стохастическая оценка параметров угловой ориентации подвижного объекта по инерциально-спутниковым измерениям. Автометрия, 59(5), 80–90 (2023). https://doi.org/10.15372/AUT20230508

21. Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. Наука, Москва (1976).

22. Соколов С. В., Погорелов В. А. Стохастическая оценка, управление и идентификация в высокоточных навигационных системах. Физматлит, Москва (2016). https://elibrary.ru/rtgmoe

23. Соколов С. В., Погорелов В. А., Решетникова И. В. Стохастическое оценивание на основе фильтра Калмана в качестве наблюдателя вектора состояния динамической системы. Измерительная техника, 74(5), 25–31 (2025). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2025-5-25-31 ; https://elibrary.ru/busvsr