Название: Проектирование спутника CanSat-Kaluga. Решение задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли
Вид работы: реферат
Рубрика: Математика
Размер файла: 17.52 Kb
Скачать файл: referat.me-218458.docx
Краткое описание работы: В 1999 году в США прошел первый конкурс CanSat, ставший с тех пор очень популярным за рубежом. Название конкурса говорит о том, что должны сделать его участники. Это макет настоящего спутника, заключенный в обычной банке из-под колы.
Проектирование спутника CanSat-Kaluga. Решение задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли
Проектирование спутника CanSat-Kaluga. Решение задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли
Смирнов Дмитрий Николаевич
Областная научно-практическая конференция «Молодость – науке» памяти А.Л.Чижевского
МБОУ СОШ №13 кл. 11
Калужская область, г. Калуга
2012 г.
Введение
CanSat в мире
В 1999 году в США прошел первый конкурс CanSat, ставший с тех пор очень популярным за рубежом. Название конкурса говорит о том, что должны сделать его участники. Это макет настоящего спутника, заключенный в обычной банке из-под колы. Своего рода, спутник в банке (satellite in a can). Участники конкурса должны уместить все основные системы спутника, такие как система электропитания и передачи телеметрической информации, а также полезную нагрузку, в объеме 350 мл. После отделения от ракеты или аэростата CanSat должен провести измерения, передать их на станцию приема, также созданную конкурсантами, и приземлиться на парашюте.
CanSat в России
Первый чемпионат состоялся в 2011-2012 году. Как и за рубежом, это соревнование по разработке и созданию обучающих макетов спутников, служебные системы и полезная нагрузка которых умещается в жестяной банке из-под газированных напитков. [1]
Школьникам необходимо самостоятельно сделать для него полезную нагрузку. Всего проекте приняли участие 44 команды школьников из различных регионов России. В Первом Российском чемпионате приняли участие 17 команд, которые были определены в январе 2012 г. на отборочной сессии, проходившей в г. Москва. [2]
В конкурсе принимала участие наша команда «Галактика», состоящая из учащихся общеобразовательных школ г. Калуги, также занимающихся в ЦКО «Галактика» по таким направлениям как ракетомоделирование, робототехника, экологический мониторинг, метеорологические исследования, научно-исследовательская деятельность.
Также по итогам «I Чемпионата России по запуску школьных пико-спутников» была образована Высшая Лига для тех 17 команд, запустивших свои аппараты, в которую вошла команда «Галактика».
На данный момент наша команда работает над созданием нового спутника «CanSat», для участия в чемпионате Высшей Лиги. Для нас, как и для остальных команд-участниц было составлено обязательное техническое задание на аппарат:
Измерение атмосферных параметров (атмосферное давление и температура)
Построение траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля
Поскольку задача измерения атмосферных параметров была успешно решена нами еще в рамках прошлого чемпионата, для нас наиболее интересен второй пункт данного положения.
Поэтому целью данной работы является поиск решения задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли.
Состав спутника CanSat-Kaluga
Для решения поставленной задачи на данном этапе командой был определен приборный состав аппарата, а также проектный облик.
Перечень систем спутника (схема деления) представлен на рисунке 1. Проектный облик спутника CanSat-Kaluga представлен на рисунке 2.
Спутник разработан в среде 3D моделирования SolidWorks.
Рисунок 1 Схема деления спутника
Спутник
Рисунок 2 Общий вид спутника
Главная особенность спутника – система мягкой посадки (выраженная посадочными стойками), а также солнечные панели с системой контроля напряжения.
На основании доступной информации о запусках и опыта полученного на «I-ом Чемпионате России по запуску школьных пико-спутников» командой была разработанна модель запуска спутника CanSat с его последующим отделением от ракетоносителя и приземлением на поверхность земли.
Рисунок 3 Баллистическая схема запуска
Запуск аппарта осуществляется посредством ракетоносителя. Когда ракета достигает заданнной высоты выведения, спутник отделяется от корпуса ракеты, происходит включение всех систем аппарата, срабатывает система спасения и аппарат спускается на парашюте. Как только расстояние от поверхности земли до спутника становится приблизительно равным 200 метров, раскрывается еще один парашют ( большего диаметра). Таким образом аппарат приземляется.
Средства решения задачи
Для решения поставленной задачи построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли было выбрано следующее оборудование:
Трехосный магнитометр (MiniMU-9)
GPS модуль (GMM-U1)
Антенна GPS модуля (ANT GPS P1P80G (ALLIS))
Датчик атмосферного давления (BMP085)
Основные технические характеристики магнитометра MiniMU-9 представлены ниже:
Диапазон : от ± 0,00013 до ±0,00081 Тл.
Напряжение питания: 4.75 V ~ 5.25 V.
Рабочая температура: - 40°C ~ 85°C.
Интерфейс: I2С.
Чувствительность: 5 *10-3 Тл.
Для определения координаты местоположения спутника нами был выбран высокочувствительный миниатюрный GPS модуль GMM-U1, имеющий высокую скорость обновления координат (порядка 10 Гц ) и низкое энергопотребление (48мА).
Миниатюрный датчик атмосферного давления BMP085 имеет малые электронные помехи, высокую точность, а также долгий срок службы. Для выполнения поставленной задачи нам потребуется знать высоту спутника CanSat-Kaluga над поверхностью земли в заданный момент времени, а вычислить эту высоту возможно по показаниям датчика атмосферного давления.
Методология решения задачи
Для построения траектории полета спутника необходимы показания GPS модуля и магнитометра. Также был использован программный продукт по определению напряженности магнитного поля земли на основе государственного стандарта «ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутреземных источников».
Рисунок 2 Геомагнитное поле Земли
На основании данного ГОСТа, и по GPS координатам определяем напряженность магнитного поля в точке.
Далее вычисления проводить будем по следующей методологии:
Определяем этапы полета спутника
По показаниям бортового GPS модуля определяем координаты спутника на различных этапах полета
По показаниям датчика давления определяем высоту полета спутника на разных этапах полета
Сопоставляем значения высоты с координатами
По данным значениям использую специализированную программу, определяются теоретические значения напряженности магнитного поля земли на разных этапах полета
Показания бортового магнитометра сопоставляются с этапами полета
Сравниваем фактически измеренную бортовым магнитометром напряженность магнитного поля Земли с рассчитанным теоретическим значением.
Определяем значение погрешности
Проводим построение графиков фактического и теоретического измерения.
Строим траекторию полета по привязке к GPS координатам и измеренной высоте.
Предварительно определены следующие этапы полета:
H- поверхность Земли
Н1-2000 м
Н2-1000 м
Н3-500 м
Н4-200 м
Н5-100 м
Предварительно задали значение места старта с координатами:
54,622219°
36,30°
Предположили, что показания с бортового GPS модуля будут следующими*:
54,622219°
36,30°
54,6249967°
36,30°
54,6277745°
36,30°
*- Данные значения произвольные и предназначены для демонстрации методологии
Определенные теоретические значения напряженности магнитного поля земли на разных этапах полета показаны в таблице 1.
Таблица 1
Координаты Высота, Н, м |
54,622219° 36,30° |
54,6249967° 36,30° |
54,6277745° 36,30° |
2000 |
50838,28586 нТл |
50838,9110529 нТл |
50839,53623 нТл |
1000 |
50861,069403 нТл |
50861,69455 нТл |
50862,31967 нТл |
500 |
50872,46602 нТл |
50873,09113 нТл |
50873,716234 нТл |
200 |
50879,30554 нТл |
50879,93064 нТл |
50880,55572 нТл |
100 |
50881,585635 нТл |
50882,21073 нТл |
50882,83581 нТл |
0 |
50883,86586 нТл |
50884,49095 нТл |
50885,116026 нТл |
Для более точного построения траектории полета необходимо определить больше этапов полета. Наиболее оптимальным считаем шаг по высоте – 100 метров.
Таким образом, в соответствии с баллистической схемой запуска спутника этапы полета по высоте будут следующими:
0-100-200-300…Нмах-1900-1800…0
И если проводить вычисления по измеренной высоте, координатам и напряженности магнитного поля Земли в данных этапах, можно наиболее точно построить траекторию полета спутника.
Для исследования точности построения траектории полета необходимо провести расчет с уменьшенным шагом измерения по высоте до 50 метров.
Проведение практической части исследования будет осуществлено после первых запусков спутника.
Косвенное апробирование методологии будет проведено при постоянной высоте, но при разных координатах (Перемещение спутника на автомобиле) и соответственно будет определена траектория горизонтального перемещения.
Заключение
В данной работе нами была рассмотрена проблема построения траектории полета по измеренным значениям напряженности магнитного поля Земли и предложен метод ее решения. На данном этапе этот метод основывается на теоретических расчетах и исследованиях, практическое подтверждение правильности нашего метода мы планируем получить в июле 2013 года на летных испытаниях спутника в рамках «Чемпионата России по запуску школьных пико-спутников. Высшая Лига».
Список литературы
roscansat.ru
cosmos-journal.ru
ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутриземных источников.
Похожие работы
-
Определение скорости выброса вещества из вулканов Ио – спутника Юпитера
Ио была открыта Галилео Галилеем в 1610 г. помощью его первого в истории телескопа. На открытие спутника претендовал также немецкий астроном Симон Мариус, который наблюдал Ио и другие спутники Юпитера в 1609.
-
О затратах энергии на вращение планет
Сила тяготения F, направленная к центру Земли, вызывает ускорение, под действием которого тело двигается в радиальном направлении. Хотя тело принимает участие в движении по касательной, тем не менее движение вдоль радиуса реально существует.
-
Климат и озера Титана
Астрономам впервые удалось зарегистрировать свет, отраженный от поверхности жидких озер Титана. По словам исследователей, это не только красиво, но и является очередным подтверждением наличия на поверхности сатурнианского спутника жидких углеводородов.
-
Найти пределы функций, не пользуясь правилом Лопиталя
Задача №1 Зависимости координат от времени при движении материальной точки в плоскости имеют вид: Определить модуль скорость ( ) и ускорение ( ) этой точки в момент времени
-
Искусственные спутники
Вокруг Земли обращается так много искусственных небесных тел, что в течение всего удобного для наблюдений времени суток - начиная с вечерних сумерек и кончая утренней зарей - можно видеть яркие спутники, рассекающие звездное небо.
-
Теория движения космических обьектов
В этом докладе рассматривается одна из её составных частей - теория свободного полёта в полях тяготения.
-
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
Явление магнитного резонанса используется для обнаружения и измерения эШарль Луи Монтескье: французское просветительствоектрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества.
-
Олаф Ремер и скорость света
Установление Ремером конечности скорости света явилось «побочным продуктом» его наблюдений одного из спутников Юпитера. Эти наблюдения велись в надежде составить таблицу затмений спутника.
-
Интересные сведения о магнитном поле Земли
Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру.
-
Спутники Земли
Спутники сообщают нам прогноз погоды, позволяют посмотреть на Землю сверху, определяют зарождение ураганов или места лесных пожаров и т.п., позволяют делать точные карты местности и строить дома.