СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ НА БОРТУ ПИЛОТИРУЕМОГО КОРАБЛЯ АППАРАТУРЫ

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано для обеспечения ориентирования экипажем пилотируемого корабля аппаратуры, перемещаемой относительно движущегося корабля.

Известен способ наведения линии визирования прибора, вращающегося вокруг своей оси относительно основания, на источник лазерного излучения (заявка на изобретение РФ №94000376/28, 05.01.1994, МПК 6: F41G 3/00, G05D 3/00), в котором грубо определяют угловое положение источника излучения относительно связанного с основанием базового направления, проверяют соответствие излучения типу лазерный целеуказатель, поворачивают основание до точного определения углового положения источника излучения, после чего поворачивают прибор наведения до наведения его линии визирования на источник излучения.

К недостаткам данного способа относится требование идентификации цели по излучаемому целью излучению, что ограничивает возможности его использования.

Известен способ наведения телевизионного видеоспектрального комплекса, реализуемый системой управления телевизионным видеоспектральным комплексом космического аппарата (КА) (патент РФ №2068801, МПК 6: B64G 9/00), который включает наведение и отслеживание целей, при которых выполняется переориентация оси визирования установленной на поворотной платформе телевизионной и научной аппаратуры на выбираемую в реальном времени по ТВ-изображению цель с последующим автоматическим отслеживанием цели, в том числе выполняется определение пространственного положения прибора наведения относительно КА, задание координат целей, определение положения целей относительно прибора наведения, расчет углов поворота прибора наведения и повороты прибора наведения.

К недостаткам данного способа относится, в частности, то, что он позволяет наводиться только на цели, с одной стороны, ограниченные диапазоном углов поворота поворотной платформы, а с другой стороны, ограниченные попаданием в текущий кадр ТВ-изображения, который, кроме упомянутого ограничения по диапазону углов поворота поворотной платформы, имеет ограниченный охват, определяемый полем зрения ТВ-камеры. При этом сам факт размещения аппаратуры наведения на поворотной платформе ограничивает свободу перемещения аппаратуры при ее нацеливании и сопровождении цели экипажем КА.

В качестве способа-прототипа выбран способ ориентирования перемещаемого в пилотируемом аппарате прибора (патент РФ 2531781, заявка №2012134959/11 от 16.08.2012, МПК (2006.01): F41G 3/00 B64G 1/66 - прототип), согласно которому осуществляют формирование управляющих команд на излучение импульсных ультразвуковых сигналов не менее, чем тремя ультразвуковыми излучателями, размещенными в разнесенных точках на свободно перемещаемом относительно пилотируемого аппарата приборе, осуществляют прием излученных импульсных ультразвуковых сигналов не менее, чем тремя ультразвуковыми приемниками, размещенными в разнесенных точках на пилотируемом аппарате, по излученным и принятым ультразвуковым сигналам измеряют время задержки ультразвуковых сигналов, при этом синхронизацию моментов излучения и приема импульсных ультразвуковых сигналов осуществляют по радиоканалу, осуществляют измерение температуры в местах размещения ультразвуковых излучателей и в местах размещения ультразвуковых приемников, по полученным временам задержки принятия ультразвуковых сигналов и измерениям температуры определяют расстояния от размещенных на приборе ультразвуковых излучателей до размещенных на пилотируемом аппарате ультразвуковых приемников, при этом пространственное положение прибора относительно пилотируемого аппарата определяют по определенным расстояниям от размещенных на приборе ультразвуковых излучателей до размещенных на пилотируемом аппарате ультразвуковых приемников, определяют текущее положение ориентиров относительно пилотируемого аппарата, пространственное положение ориентиров относительно прибора определяют по текущему положению ориентиров относительно пилотируемого аппарата и определенному пространственному положению прибора относительно пилотируемого аппарата, выполняют расчет углов поворота прибора для его ориентирования по ориентирам, после чего воспроизводят команды на поворот прибора, соответствующие рассчитанным значениям углов поворота прибора. Способ прототип обеспечивает возможность оператору выполнять ориентирование/наведение прибора, свободно перемещаемого внутри пилотируемого аппарата (корабля) и не имеющего с ним механической связи.

К недостаткам способа прототипа относится, в частности, то, что он предусматривает ручное управление работой перемещаемой ориентируемой аппаратуры, что может привести к ошибочному или несвоевременному функциональному задействованию аппаратуры, что в свою очередь может привести к потере уникальных данных и/или регистрации аппаратурой данных, которые являются неликвидными. Такая ситуация может возникать как следствие, например, возможной технологической несогласованности в функциональной работе перемещаемой аппаратуры и используемых бортовых систем пилотируемого корабля.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение высокоточного ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в учете скорости и точности ориентирования, включая перенос и поворот перемещаемой аппаратуры при одновременном обеспечении гарантированного управления функционированием аппаратуры, свободно перемещаемой относительно пилотируемого корабля и ориентируемой по задаваемым ориентирам.

Технический результат достигается тем, что в способе ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры, включающем определение положения ориентира и перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, определение положения ориентира относительно перемещаемой аппаратуры и воспроизведение командной информации, в отличие от прототипа дополнительно воспроизводят командную информацию задаваемого набора операций переноса и поворота перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля до достижения моделируемых положений перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля и определяют скорость и точность переноса и поворота перемещаемой аппаратуры, выбирают ориентир для штатной работы с перемещаемой аппаратурой, определяют и воспроизводят командную информацию последовательно на перенос перемещаемой аппаратуры в требуемое местоположение и на поворот перемещаемой аппаратуры в требуемое угловое положение, при этом направление из требуемого местоположения перемещаемой аппаратуры на ориентир в течение задаваемого интервала времени отстоит не менее чем на задаваемое расстояние от элементов конструкции пилотируемого корабля, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения, а при требуемом угловом положении перемещаемой аппаратуры ось ориентирования перемещаемой аппаратуры совмещена с направлением на ориентир, к моменту совпадения параметров, определяющих соответственно требуемое и текущее положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, формируют команду на управление перемещаемой аппаратурой и повторяют действия начиная с выбора ориентира, при этом параметры командной информации на перенос и поворот перемещаемой аппаратуры определяют с учетом скорости и точности переноса и поворота перемещаемой аппаратуры, которые корректируют по результатам сравнения прогнозируемых и текущих параметров положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля при штатной работе с перемещаемой аппаратурой. Изобретение поясняется фиг. 1÷3.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая определение требуемого местоположения перемещаемой аппаратуры (ПА) относительно пилотируемого корабля (ПК).

На фиг. 2 представлена схема, поясняющая формирование командной информации на перенос перемещаемой аппаратуры.

На фиг. 3 представлена схема, поясняющая формирование командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры.

На фиг. 1 введены обозначения:

OXYZ - система координат пилотируемого корабля;

А - текущее местоположение перемещаемой аппаратуры;

В - граница элементов конструкции пилотируемого корабля, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения (граница/край иллюминатора);

С - точка, направление из которой на ориентир в течение задаваемого интервала времени отстоит не менее чем на задаваемое расстояние от элементов конструкции пилотируемого корабля, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения;

D - расстояние от элементов конструкции пилотируемого корабля, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения, до направления из точки С на ориентир;

L - направление из точки С на ориентир.

На фиг. 2 введены обозначения:

OX, OY - оси строительной системы координат пилотируемого корабля;

М₀ - начальное местоположение перемещаемой аппаратуры (местоположение перемещаемой аппаратуры на момент формирования и воспроизведения определяемой командной информации на перенос перемещаемой аппаратуры);

М_T - требуемое местоположение перемещаемой аппаратуры;

K₀ - командная информация на перенос перемещаемой аппаратуры по кратчайшему маршруту;

K_X, K_Y - командная информация на перенос перемещаемой аппаратуры по маршруту, состоящему из двух сегментов, отложенных вдоль осей строительной системы координат пилотируемого корабля.

На фиг. 3 введены обозначения:

А₀ - начальное угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры (угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры на момент формирования и воспроизведения определяемой командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры);

A₁ - угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры на момент начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры;

А_T - требуемое угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры;

О₀, О₁ О₂ - направления на ориентир соответственно в момент начального углового положения оси визирования перемещаемой аппаратуры, в момент начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры, в момент окончания поворота перемещаемой аппаратуры;

К - командная информация на поворот перемещаемой аппаратуры.

Опишем действия предлагаемого способа.

В качестве перемещаемой аппаратуры (ПА) рассматриваем оптический прибор, ось визирования (чувствительности) которого требуется наводить на задаваемые ориентиры (цели) - например, съемочную аппаратуру для выполнения визуально-инструментальных наблюдений задаваемых ориентиров (например, исследуемых наземных объектов) через иллюминатор пилотируемого корабля (ПК).

В предлагаемом способе определяют текущее положение (местоположение и угловое положение) ПА относительно ПК. Данная операция может быть реализована на базе ультразвуковой системы определения положения перемещаемой аппаратуры, в которой для измерения шести координат пространственного положения ПА - трех линейных и трех угловых параметров - используются не менее трех ультразвуковых излучателей, размещенных на ПА, и не менее трех ультразвуковых приемников, размещенных на ПК. Ультразвуковые излучатели размещены в разнесенных точках с известными координатами в связанной с ПА системе координат. Ультразвуковые приемники размещены в разнесенных точках с известными координатами в связанной с ПК системе координат. В начале каждого кадра измерения вырабатывается синхронизирующий импульс запуска, поступающий на блок формирования команд управления излучателями, который последовательно формирует управляющие импульсы с фиксированной временной задержкой τ между ними, которые поступают на ультразвуковые излучатели, которые поочередно вырабатывают импульсные ультразвуковые сигналы. Излученные ультразвуковые сигналы принимаются размещенными на ПК ультразвуковыми приемниками (временная задержка τ определяется максимально возможным расстоянием от размещенных на ПА ультразвуковых излучателей до каждого из размещенных на ПК ультразвуковых приемников), а периодичность выработки синхронизирующих импульсов запуска определяется данной временной задержкой τ и общим количеством ультразвуковых излучателей. Принятые ультразвуковые сигналы отделяются от помех и вычисляются временные задержки между импульсом запуска и принятыми рабочими сигналами (поскольку излученные импульсные ультразвуковые сигналы разнесены по времени, то в каждом из приемников принятые рабочие сигналы также разнесены по времени), по которым рассчитываются расстояния между ультразвуковыми излучателями и ультразвуковыми приемниками, причем текущая скорость распространения ультразвуковых сигналов между излучателями и приемниками определяется с учетом текущей температуры среды распространения сигналов, измеренной датчиком температуры, размещенном на ПА и/или ПК, и по полученным расстояниям рассчитываются параметры пространственного положения ПА относительно ПК (линейные и угловые координаты ПА в связанной с ПК системе координат).

Формируют командную информацию задаваемого набора операций по переносу и повороту ПА относительно ПК для достижения расчетных моделируемых положений ПА относительно ПК, начиная с ее начального текущего положения. В качестве данных моделируемых положений ПА рассматриваются положения, в которых будет находиться ПА в процессе выполнения операций из задаваемого набора операций переноса и поворота ПА, начиная с ее начального текущего положения.

В качестве операций, входящих в задаваемый набор возможных операций по переносу и повороту ПА относительно ПК, могут рассматриваться, например, операции переноса ПА, описываемые (формулируемые) линейными величинами отклонения центральной точки или центра масс ПА от требуемого местоположения центральной точки или центра масс ПА и направлениями, задаваемыми в связанной с ПК системе координат, вдоль которых отсчитываются данные отклонения; операции поворота ПА, описываемые (формулируемые) угловыми величинами отклонения связанной с ПА системы координат от ее требуемого углового положения, заданного в связанной с ПК системе координат, например, угловыми величинами отклонения оси ориентирования ПА от ее требуемого положения и азимутального угла, определяющего направление отсчета данного отклонения в плоскости, перпендикулярной оси ориентирования ПА, и др.

Данную командную информацию передают на средства воспроизведения командной информации, посредством которых воспроизводят данную командную информацию. Командную информацию воспроизводят посредством технических средств воспроизведения, например, в визуальном или звуковом формализованных форматах, приспособленных для восприятия экипажем ПК. Данные технические средства воспроизведения могут быть размещены непосредственно на перемещаемой аппаратуре, при этом указанная командная информация будет передаваться через средства передачи информации по радиоканалу, установленные на ПК, и средства приема информации по радиоканалу, установленные на ПА.

Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней последовательно перемещает (изменяет местоположение) ПА в ее требуемое местоположение и поворачивает (изменяет угловое положение) ПА в требуемую ориентацию относительно ПК.

Например, воспроизведение командной информации может быть реализовано отображением на средствах визуального отображения, выводящих изображение, например, на дисплей или очки, командной информации в графическом представлении или аудио воспроизведением на звуковоспроизводящей аппаратуре, выводящей звук, например, на динамики или наушники, командной информации в звуковом представлении. В качестве воспроизводимой командной информации выступают, например, параметры местоположения ПА относительно ПК (например, графически отображается величина линейных отклонений местоположения ПА от ее требуемого местоположения, отсчитываемых вдоль направлений, задаваемых в связанной с ПК системе координат) и параметры положения оси ориентирования (визирования, чувствительности) ПА относительно направления от ПА на ориентир - например, графически отображается величина углового отклонения направления на ориентир от оси ориентирования ПА и величина азимутального угла, определяющего направление отсчета данного отклонения в плоскости, перпендикулярной оси ориентирования ПА.

В процессе изменения положения ПА определяют текущее положение ПА относительно ПК, сравнивают расчетные моделируемые и текущие параметры положения (местоположение и угловое положение) ПА относительно ПК и по результатам данного сравнения определяют скорость и точность переноса и поворота ПА. Скорость и точность переноса и поворота ПА определяются для каждой операции из задаваемого набора операций переноса и поворота ПА. Определяемые скорости переноса и поворота ПА определяются как переменные во времени величины, циклограммы изменения которых определяются с учетом времени реакции (задержки реакции) на воспроизводимую командную информацию. Определяемые точности переноса и поворота ПА определяются как точности достижения требуемых положений ПА, определяемые с учетом времени реакции (задержки реакции) на воспроизводимую командную информацию, точности отработки линейных и угловых параметров операций и точности отработки направлений, вдоль которых отсчитываются линейные и угловые параметры операций переноса и поворота ПА.

Далее, при реализации штатных операций с перемещаемой аппаратурой выполняют следующие действия.

Осуществляют выбор ориентира для реализации штатной работы с перемещаемой аппаратурой и определяют текущие и расчетные прогнозируемые на задаваемом интервале времени, предназначенном для реализации штатных операций с ПА, параметры положения ориентира относительно ПК. В качестве ориентира для реализации штатных операций с ПА выбирают, например, некоторый текущий ориентир из перечня возможных ориентиров, заданного каталогом ориентиров. Например, прогнозирование указанных параметров может быть выполнено с использованием навигационных измерений, по которым определяют текущие и расчетные прогнозируемые на рассматриваемом интервале времени параметры положения центра масс ПК и ориентации ПК, по которым определяют текущие и расчетные прогнозируемые положения (координаты) ориентира относительно ПК.

Из множества точек, пригодных для размещения в них перемещаемой аппаратуры, определяют в системе координат ПК точку (например, ближайшую к текущему местоположению перемещаемой аппаратуры), направление из которой на ориентир в течение задаваемого интервала времени отстоит не менее чем на задаваемое расстояние от элементов конструкции ПК, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения:

D≥D_min,

где D - расстояние от элементов конструкции ПК, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения, до направления из данной точки на ориентир;

D_min - задаваемое минимальное расстояние от элементов конструкции ПК, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения, до направления из данной точки на ориентир.

Например, в качестве непрозрачных для излучения, регистрируемого перемещаемой оптической аппаратурой, рассматриваем оптически непрозрачные элементы конструкции ПК - все элементы конструкции ПК, за исключением иллюминаторов (см. фиг. 1).

Сравнивают текущие определяемые координаты местоположения ПА с координатами данной точки и по результатам сравнения проверяют данную точку на ее совпадение с текущим местоположением ПА.

В случае расхождения данной точки и текущего местоположения ПА определяют параметры командной информации на перенос ПА из текущего местоположения в данную точку, при этом указанные параметры командной информации определяют с учетом определенных скорости и точности переноса ПА.

На фиг. 2 приведен пример формирования командной информации на перенос перемещаемой аппаратуры и показано, что командная информация на перенос ПА может быть рассчитана для переноса ПА по разным маршрутам, отличающимся, в том числе, точностью переноса ПА. Например, перенос ПА по кратчайшему маршруту K₀ может выполняться оператором с худшей точностью, чем по маршруту, состоящему из двух сегментов K_X, K_Y, отложенных вдоль осей строительной системы координат ПК, в частности потому, что оператор с наибольшей точностью выдерживает направления и расстояния, отсчитываемые вдоль осей строительной системы ПК - осей с хорошо опознаваемой и отслеживаемой привязкой к конструктивным элементам (интерьеру) ПК. Для выполнения переноса ПА выбирается командная информация, наиболее хорошо удовлетворяющая текущим предъявляемым требованиям и критериям на перенос ПА.

Данную командную информацию (например, через средства передачи информации по радиоканалу, установленные на ПК, и средства приема информации по радиоканалу, установленные на ПА) передают на средства воспроизведения командной информации, посредством которых воспроизводят данную командную информацию. Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней изменяет местоположение ПА относительно ПК.

В процессе изменения местоположения ПА определяют текущее местоположение ПА относительно ПК, сравнивают расчетные моделируемые параметры местоположения ПА относительно ПК (соответствующие местоположениям, через которые проходит ПА в процессе выполнения данной операции переноса ПА) и текущие параметры местоположения ПА относительно ПК и по результатам данного сравнения корректируют (уточняют) скорость и точность переноса ПА.

Продолжают сравнивать текущие определяемые координаты местоположения перемещаемой аппаратуры относительно ПК с координатами вышеупомянутой точки.

Начиная с момента совпадения (с задаваемой точностью) данной точки и текущего местоположения ПА определяют текущие и расчетные прогнозируемые на задаваемом интервале времени параметры углового положения ориентира относительно оси ориентирования ПА и определяют параметры командной информации на поворот ПА относительно ПК из текущего углового положения до достижения требуемого углового положения ПА относительно ПК - положения, при котором ось ориентирования ПА совмещена с направлением на ориентир. При этом выполняют определение текущих и расчетных прогнозируемых на задаваемом интервале времени параметров углового положения ориентира относительно оси ориентирования ПА, а указанные параметры командной информации определяют с учетом определенных скорости и точности поворота ПА.

На фиг. 3 приведен пример формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры и показано, что командная информация на поворот перемещаемой аппаратуры рассчитывается с учетом времени задержки начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры относительно момента формирования и воспроизведения данной командной информации.

Данную командную информацию передают на средства воспроизведения командной информации, посредством которых воспроизводят данную командную информацию. Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней изменяет угловое положение ПА относительно ПК.

В процессе изменения углового положения ПА определяют текущее угловое положение ПА относительно ПК, сравнивают расчетные моделируемые параметры углового положения ПА относительно ПК (соответствующие положениям, через которые проходит ПА в процессе выполнения данной операции поворота ПА) и текущие параметры углового положения ПА относительно ПК и по результатам данного сравнения корректируют (уточняют) скорость и точность поворота ПА.

Определяют текущее и прогнозируемое положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, сравнивают параметры требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования ПА с параметрами текущего и расчетного прогнозируемого положения ориентира относительно оси ориентирования ПА и по результатам данного сравнения определяют моменты достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры.

К моменту совпадения (с задаваемой точностью) параметров требуемого и текущего положений ориентира относительно оси ориентирования ПА формируют командную информацию на управление перемещаемой аппаратурой. При этом указанная точность совпадения определяется требуемыми на момент применения ПА характеристиками положения ориентира относительно оси ориентирования ПА.

Данную командную информацию через средства передачи информации по радиоканалу, установленные на ПК, и средства приема информации по радиоканалу, установленные на ПА, передают на перемещаемую аппаратуру. В соответствии с поступившей командной информацией осуществляется своевременная реализация необходимого управления перемещаемой аппаратурой - например, автоматическая реализация циклов включений и выключений перемещаемой аппаратуры для выполнения съемки или иной регистрации данных.

Далее повторяют описанные действия, начиная с выбора следующего ориентира для реализации штатных операций с ПА и определения текущих и расчетных прогнозируемых на задаваемом интервале времени параметров положения ориентира относительно ПК.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предложенное техническое решение обеспечивает учет скорости и точности ориентирования, включая перенос и поворот перемещаемой аппаратуры при одновременном обеспечении гарантированного управления функционированием аппаратуры, свободно перемещаемой относительно пилотируемого корабля и ориентируемой по задаваемым ориентирам.

В том числе, предлагаемое техническое решение обеспечивает исключение/недопущение возможности ошибочного/несвоевременного функционального задействования аппаратуры, что в свою очередь исключает возможность потери уникальных данных и/или регистрации аппаратурой данных, которые являются неликвидными. Также предлагаемое техническое решение позволяет устранить негативное влияние такого фактора как возможная технологическая несогласованность в функциональной работе перемещаемой аппаратуры и используемых бортовых систем корабля.

Особенно важность указанного положительного эффекта проявляется при применении предлагаемого технического решения на КА в полете, когда, с одной стороны, отсутствует или существенно ограничена (как технически, так и организационно) оперативная возможность проверки качества зарегистрированных аппаратурой данных, а с другой стороны, регистрируемые данные обладают уникальностью и их потеря или несвоевременная регистрация могут нести невосполнимый ущерб (как научный, так и экономический).

Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено по известным технологиям.