Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАЗМЕЩЕННОЙ НА КОСМИЧЕСКОМ КОРАБЛЕ ПЕРЕНОСНОЙ АППАРАТУРОЙ НАБЛЮДЕНИЯ

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано для обеспечения управления размещенной на пилотируемом космическом корабле (КК) переносной аппаратурой наблюдения подстилающей поверхности.

Известна система управления телевизионным видеоспектральным комплексом космического аппарата (патент РФ 2068801, МПК 6: B64G 9/00), содержащая функциональные блоки автоматического наведения и отслеживания заданных целей, координаты которых вводятся в систему, функциональные блоки управления наведением поворотной платформы и переориентации комплекса аппаратуры от экипажа и функциональные блоки контроля и квитирования управляющей информации, в том числе система включает: автоматическую стабилизированную платформу с целевой научной аппаратурой и телевизионной системой, блок задания параметров движения космического аппарата (КА), блок задания текущей ориентации КА, блоки задания координат целей в инерциальной, орбитальной и гринвичской системах координат, наземную и бортовую телефонно-телеграфные системы, блок синхронизации приема телефонно-телеграфных сообщений, блоки формирования углового положения, блок определения угловой скорости наведения, блок формирования управляющих воздействий.

Функционирование системы 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 системы относится, в частности, то, что допускается наведение 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.

Известно устройство ориентации целевой аппаратуры КА на основе автоматических поворотных платформ (Лобанов B.C., Тарасенко Н.В., Шульга Д.Н., Зборошенко В.Н., Федосеев С.В., Хаханов Ю.А. Системы наведения целевой аппаратуры на основе автоматических поворотных платформ для PC МКС. XIV Санкт-Петербургская Международная Конференция по интегрированным навигационным системам, 28-30 мая 2007, стр. 206-213. Санкт-Петербург, Россия, 2007), включающее установленную на КА в двух- или трех- степенном кардановом подвесе с приводами по каждой из осей платформу, установленные на платформе измерители угловой скорости (ИУС), астродатчик, вычислительное устройство, сумматоры и интеграторы.

При использовании устройства система управления угловым движением платформы обеспечивает измерение проекций абсолютной угловой скорости вращения платформы на ее связанные оси. Сигнал с ИУС поступает на соответствующие сумматоры, куда также поступают сигналы управления, вычисляемые в вычислительном устройстве, разности этих сигналов интегрируются и поступают в вычислительное устройство, где пересчитываются в управляющие воздействия на приводы. Астродатчик системы управления платформой используется для измерения начального положения платформы.

К недостатками устройства относится, в частности, то, что автоматические поворотные платформы с целевой аппаратурой возможно размещать только на КА, инерционно-массовые характеристики (масса, моменты инерции) которых на два, три и более порядка превышают инерционно-массовые характеристики автоматических поворотных платформ с целевой аппаратурой.

Известно устройство ориентации целевой аппаратуры КА (Аншаков Г.П., Макаров В.П., Мантуров А.И., Мостовой Я.А. Методы и средства управления в высокоинформативном наблюдении Земли из космоса. XIV Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам, 28-30 мая 2007, стр. 165-173. Санкт-Петербург, Россия, 2007), содержащее бортовую вычислительную систему, астродатчики, измерители угловой скорости вращения КА, силовые гироскопы и магнитную систему сброса аккумулируемого силовыми гироскопами кинетического момента.

При использовании устройства осуществляется измерение параметров углового движения КА, формирование и выдача на приводы инерционных исполнительных органов управляющих сигналов, создание минимальных моментов инерции КА путем перемещения аппаратуры и элементов конструкции к центру масс КА, изменение параметров углового движения инерционных масс инерционных исполнительных органов и соответствующее ему изменение параметров углового движения КА с неподвижно установленной на нем целевой аппаратурой, определение накопленного инерционными массами инерционных исполнительных органов кинетического момента, формирование и выдача управляющих сигналов в систему сброса кинетического момента.

К недостаткам устройства относится, в частности, то, что для обеспечения переориентации (программных поворотов) и стабилизации в требуемом положении целевой аппаратуры используют инерционные массы инерционных исполнительных органов.

Известно устройство ориентации целевой аппаратуры КА (патент РФ 2412873(13) С1; МПК B64G 1/24 (2006.01), B64G 1/22 (2006.01); заявка №2009140630/11, 02.11.2009; опубликовано: 27.02.2011 Бюл. №6), особенность которого состоит в исключении традиционно используемых в инерционных исполнительных органах инерционных масс (роторов, маховиков) и применение в их качестве элементов конструкции КА (ЭККА) с обеспечивающими системами. Устройство в виде, например, бесплатформенной инерциальной системы управления содержит систему сброса кинетического момента, вычислительное устройство и подключенные к нему датчики и измерители угловой скорости. Имеются также подключенные к вычислительному устройству механизм перемещения ЭККА с указанным выше подвесом с подвижной относительно ЭККА целевой аппаратурой, датчики угла и приводы инерционных исполнительных органов.

При использовании устройства целевую аппаратуру размещают подвижно относительно ЭККА в подвесе, по осям которого устанавливают приводы указанных исполнительных органов и датчики угла, перемещают ЭККА от центра масс КА и от центра подвеса целевой аппаратуры, совмещают центры масс целевой аппаратуры и подвеса. Тем самым создают максимальные моменты инерции ЭККА и расположение продольной оси КА в положении устойчивого равновесия (по местной вертикали). По параметрам углового движения целевой аппаратуры и ЭККА определяют величину накопленного кинетического момента и формируют управляющие сигналы на приводы инерционных масс и систему сброса кинетического момента, обеспечивая требуемое изменение параметров углового движения целевой аппаратуры и ЭККА.

Известна система 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), включающая синхронизатор, блок определения пространственного положения прибора относительно пилотируемого аппарата, блок определения положения ориентира относительно прибора, блок расчета команд на поворот прибора, два приемопередающих устройства, установленные соответственно на пилотируемом аппарате и на приборе, блок определения текущего положения ориентира относительно пилотируемого аппарата, не менее чем три ультразвуковых излучателя и не менее чем один датчик температуры, установленные на приборе, не менее чем три ультразвуковых приемника и не менее чем один датчик температуры, установленные на пилотируемом аппарате, блок формирования команд управления излучателями, контроллеры, блок усиления сигналов, блок автоматической регулировки усиления, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, блок измерения времени задержки сигналов и блок воспроизведения команд на поворот прибора.

Система обеспечивает возможность оператору выполнять ориентирование/наведение прибора, свободно перемещаемого внутри пилотируемого корабля и не имеющего с ним механической связи.

К недостаткам системы - прототипа относится, в частности, то, что она 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 целевых 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 целевого управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в обеспечении реализации высокоточного наведения и отслеживания заданных на подстилающей поверхности объектов наблюдения посредством различной сменной аппаратуры наблюдения с использованием снабженного стационарным и подвижным зеркалами устройства управления наведением аппаратуры наблюдения, устанавливаемого на иллюминатор космического корабля.

Технический результат достигается тем, что в систему управления размещенной на космическом корабле переносной аппаратурой наблюдения, содержащую блок определения положения объекта наблюдения относительно космического корабля и блок формирования команд управления аппаратурой наблюдения, в отличие от прототипа дополнительно введены установленное на иллюминаторе космического корабля устройство управления наведением, снабженное стационарным и подвижным зеркалами и узлами разъемного крепления аппаратуры наблюдения и съемной установки на иллюминатор, блок определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля, блок контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением, блок определения параметров текущего положения подвижного зеркала, блок формирования команд управления положением подвижного зеркала, блок контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала, при этом выход блока определения положения объекта наблюдения относительно космического корабля соединен со входом блока определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля и первым входом блока контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением, второй вход которого соединен с выходом блока определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля, а выход соединен с первыми входами блока формирования команд управления положением подвижного зеркала и блока контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала, выход и второй вход которого соединены с соответственно входом блока формирования команд управления аппаратурой наблюдения, выход которого соединен с аппаратурой наблюдения, и выходом блока определения параметров текущего положения подвижного зеркала, выход которого также соединен со вторым входом блока формирования команд управления положением подвижного зеркала устройства управления наведением, выход которого соединен со входом устройства управления наведением аппаратуры наблюдения, на котором размещена аппаратура наблюдения и выход которого соединен со входом блока определения параметров текущего положения подвижного зеркала устройства управления наведением. Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая предлагаемую систему.

На фиг. 2 представлена схема, поясняющая установленное на иллюминаторе космического корабля устройство управления наведением аппаратуры наблюдения, снабженное стационарным и подвижным зеркалами и узлами разъемного крепления аппаратуры наблюдения и съемной установки на иллюминатор.

На фиг. 1 введены обозначения:

1 - аппаратура наблюдения;

2 - устройство управления наведением, снабженное стационарным и подвижным зеркалами и узлами разъемного крепления аппаратуры наблюдения и съемной установки на иллюминатор;

3 - иллюминатор;

4 - блок определения положения объекта наблюдения относительно космического корабля;

5 - блок определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля;

6- блок контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением;

7- блок определения параметров текущего положения подвижного зеркала;

8 - блок формирования команд управления положением подвижного зеркала;

9 - блок контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала;

10 - блок формирования команд управления аппаратурой наблюдения.

На фиг. 2 дополнительно введены обозначения:

11 - первая ось подвеса;

12 - датчик угла, размещенный на первой оси подвеса;

13 - привод, размещенный на первой оси подвеса;

14 - вторая ось подвеса;

15 - датчик угла, размещенный на второй оси подвеса;

16 - привод, размещенный на второй оси подвеса;

17 - вычислительное устройство;

18 - ось чувствительности аппаратуры наблюдения;

19 - подстилающая поверхность;

20 - направление от одного зеркала на другое (направление от стационарного зеркала на подвижное зеркало / направление от подвижного зеркала на стационарное зеркало);

20 - луч, выходящий из точки стационарного зеркала и проходящий через точку подвижного зеркала;

21- луч, выходящий из точки стационарного зеркала и проходящий через отверстие узла разъемного крепления аппаратуры наблюдения вдоль оси чувствительности закрепленной на корпусе аппаратуры наблюдения;

22 - луч, выходящий из точки подвижного зеркала и проходящий через точку стационарного зеркала;

23 - луч, выходящий из точки подвижного зеркала и проходящий через отверстие узла съемной установки корпуса на иллюминатор;

24 - корпус;

25 - отверстие узла разъемного крепления аппаратуры наблюдения;

26 - отверстие узла съемной установки корпуса на иллюминатор;

27 - узел разъемного крепления аппаратуры наблюдения;

28 - узел съемной установки корпуса на иллюминатор;

29 - стационарное зеркало;

30 - подвижное зеркало;

N₁- нормаль к плоскости стационарного зеркала;

N₂ - нормаль к плоскости подвижного зеркала;

b₁ - угол нижней границы диапазона значений углов плоскости

подвижного зеркала с первой осью подвеса;

b₂ - угол верхней границы диапазона значений углов плоскости

подвижного зеркала с первой осью подвеса;

М-расстояние от второй оси подвеса до плоскости узла съемной установки корпуса на иллюминатор, совмещаемой при установке с плоскостью иллюминатора;

R - радиус иллюминатора;

K - толщина иллюминатора;

H - расстояние от космического корабля до подстилающей поверхности,

L - требуемое значение радиуса зоны обзора подстилающей поверхности через устройство управления аппаратурой наблюдения.

Система содержит установленное на иллюминаторе космического корабля устройство управления наведением, снабженное стационарным и подвижным зеркалами и узлами разъемного крепления аппаратуры наблюдения и съемной установки на иллюминатор 2, блок определения положения объекта наблюдения относительно космического корабля 4; блок определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля 5, блок контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением 6, блок определения параметров текущего положения подвижного зеркала 7, блок формирования команд управления положением подвижного зеркала 8, блок контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала 9; блок формирования команд управления аппаратурой наблюдения 10.

Выход блока определения положения объекта наблюдения относительно космического корабля 4 соединен со входом блока определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля 5 и первым входом блока контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением 6.

Второй вход блока контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением 6 соединен с выходом блока определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля 5.

Выход блока контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением 6 соединен с первыми входами блока формирования команд управления положением подвижного зеркала 8 и блока контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала 9.

Выход и второй вход блока контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала 9 соединены с соответственно входом блока формирования команд управления аппаратурой наблюдения 10 и выходом блока определения параметров текущего положения подвижного зеркала 7.

Выход блока определения параметров текущего положения подвижного зеркала 7 также соединен со вторым входом блока формирования команд управления положением подвижного зеркала 8.

Выход блока формирования команд управления положением подвижного зеркала 8 соединен со входом устройства управления наведением 2.

Устройство управления наведением 2 установлено на иллюминаторе 3 космического корабля посредством узла съемной установки на иллюминатор.

Выход устройства управления наведением 2 соединен со входом блока определения параметров текущего положения подвижного зеркала 7.

На устройстве управления наведением 2 размещена аппаратура наблюдения 1 посредством узла разъемного крепления аппаратуры наблюдения.

Аппаратура наблюдения 1 соединена с выходом блока формирования команд управления аппаратурой наблюдения 10.

В качестве переносной аппаратуры наблюдения 1 рассматриваем различные оптические приборы (съемочную аппаратуру и т.п.) для выполнения визуально-инструментальных наблюдений задаваемых наземных объектов (исследуемых объектов, объектов мониторинга и т.д.) через иллюминатор космического корабля.

Устройство управления наведением 2, снабженное стационарным и подвижным зеркалами и узлами разъемного крепления аппаратуры наблюдения и съемной установки на иллюминатор, например, содержит корпус 24 с двумя отверстиями 25, 26. На одном отверстии расположен узел разъемного крепления аппаратуры наблюдения 27. На другом отверстии расположен узел съемной установки корпуса на иллюминатор 28.

Устройство управления наведением 2 содержит установленные в корпусе 24 двухстепенной подвес с размещенными по осям подвеса датчиками угла 12, 14 и приводами 13, 16; вычислительное устройство 17; стационарное зеркало 29 и подвижное зеркало 30.

Выходы датчиков угла 12, 14 и входы приводов 13, 16 соединенным с соответственно входами и выходами вычислительного устройства 17.

Выход вычислительного устройства 17 соединен с аппаратурой наблюдения 1.

Стационарное зеркало 29 установлено с совмещением нормали к плоскости стационарного зеркала N₁ с биссектрисой прямого угла между лучами, выходящими из точки стационарного зеркала и проходящими соответственно через точку подвижного зеркала и через упомянутое отверстие узла разъемного крепления аппаратуры наблюдения вдоль оси чувствительности закрепленной на корпусе аппаратуры наблюдения 20, 21.

Подвижное зеркало 30 установлено на подвесе с совмещением нормали к плоскости подвижного зеркала N₂ с биссектрисой угла между лучами, выходящими из точки подвижного зеркала и проходящими соответственно через точку стационарного зеркала и через упомянутое отверстие узла съемной установки корпуса на иллюминатор 22, 23;

Первая ось подвеса 11 проходит через подвижное зеркало 30 и упомянутое отверстие узла съемной установки корпуса на иллюминатор 26.

Вторая ось подвеса 14 размещена в плоскости подвижного зеркала 30 перпендикулярно первой оси повеса 11 на задаваемом расстоянии М от плоскости узла съемной установки корпуса на иллюминатор 28, совмещаемой при установке с плоскостью иллюминатора 3.

Привод поворота подвижного зеркала по расположенной в плоскости подвижного зеркала второй оси подвеса (привод, размещенный на второй оси подвеса 16) выполнен обеспечивающим поворот подвижного зеркала 30 в задаваемом диапазоне углов плоскости подвижного зеркала 30 с первой осью подвеса 11 .

Задаваемое расстояние М и задаваемый диапазон углов определяются такими, чтобы обеспечить требуемый размер мгновенной зоны обзора подстилающей поверхности через устройство управления наведением 2 аппаратурой наблюдения 1, включая возможность наведения оси чувствительности аппаратуры наблюдения 18 через устройство управления наведением 2 на точки подстилающей поверхности в пределах всей мгновенной зоны обзора подстилающей поверхности через устройство управления наведением 2.

Опишем функционирование предлагаемой системы.

В блоке определения положения объекта наблюдения относительно космического корабля 4 определяется (прогнозируется) положение объекта наблюдения относительно космического корабля на возможных витках выполнения наблюдений.

По этим данным в блоке определения параметров положения устройства управления наведением относительно космического корабля 5 определяется иллюминатор 3 для установки на нем устройства управления наведением 2 аппаратуры наблюдения 1. Определение используемого для наблюдений иллюминатора выполняется из условия возможности / доступности наблюдения требуемых объектов на подстилающей поверхности с помощью аппаратуры наблюдения 1 через установленное на иллюминатор устройство управления наведением 2.

Устройство управления наведением 2 устанавливается на определенный (выбранный) иллюминатор 3 космического корабля посредством узла съемной установки на иллюминатор.

На устройство управления наведением 2 размещается аппаратура наблюдения 1 посредством узла разъемного крепления аппаратуры наблюдения.

В блоке контроля положения объекта наблюдения относительно устройства управления наведением 6 осуществляется контроль взаимного относительного положения объекта наблюдения и устройства управления наведением 2 и определяются моменты, когда требуемые объекты наблюдения расположены в требуемой зоне относительно устройства управления наведением 2 (в зоне, соответствующей нахождению объекта/ов наблюдения в мгновенной зоне обзора подстилающей поверхности через устройство управления наведением 2).

По данным, поступающим от устройства управления наведением 2, в блоке определения параметров текущего положения подвижного зеркала 7 формируются данные о текущем положении подвижного зеркала и передаются в блок формирования команд управления положением подвижного зеркала 8 и блок контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала 9.

В блоке формирования команд управления положением подвижного зеркала 8 формируются команды управления положением подвижного зеркала 30, обеспечивающие выставку подвижного зеркала 30 в расчетное положение, при котором обеспечивается наведение оси чувствительности аппаратуры наблюдения 18 через устройство управления наведением 2 на расчетную точку местоположения требуемого объекта наблюдения на подстилающей поверхности 19.

Данные команды управления передаются и выполняются в устройстве управления наведением 2.

В блоке контроля положения подвижного зеркала относительно объекта и аппаратуры наблюдения и стационарного зеркала 9 осуществляется контроль взаимного относительного положения подвижного зеркала, стационарного зеркала, аппаратуры наблюдения и объекта наблюдения и определяются моменты, когда достигнутое положение подвижного зеркала обеспечивает наведение оси чувствительности аппаратуры наблюдения 18 через устройство управления наведением 2 на требуемый объект наблюдения на подстилающей поверхности 19.

При достижении данного условия блок формирования команд управления аппаратурой наблюдения 10 формирует и выдает на аппаратуру наблюдения 1 команду на выполнение съемки.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предложенное техническое решение обеспечивает реализацию высокоточного наведения и отслеживания заданных на подстилающей поверхности объектов наблюдения посредством различной сменной аппаратуры наблюдения с использованием предложенного снабженного стационарным и подвижным зеркалами устройства управления наведением аппаратуры наблюдения, устанавливаемого на иллюминатор космического корабля.

Предлагаемая система управления аппаратурой наблюдения обеспечивает управление наведением аппаратуры наблюдения путем наведения оси чувствительности аппаратуры наблюдения на наблюдаемые объекты подстилающей поверхности через систему зеркал - стационарного и подвижного (поворотного), т.е. без выполнения поворотов непосредственно самой аппаратуры наблюдения.

Это, с одной стороны, повышает удобство работы с аппаратурой наблюдения - за счет обеспечения постоянства ориентации самой аппаратуры при выполнении наблюдений, в том числе расширяет возможности использования аппаратуры в условиях ограниченного пространства космического корабля и различных возможных ограничениях доступа к его иллюминаторам, а, с другой стороны, снижает требования к техническим характеристикам подвеса и его приводов.

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

Предложенный в составе устройства управления наведением аппаратуры наблюдения узел съемной установки на иллюминатор обеспечивает возможность установки устройства на различные иллюминаторы космического корабля, что позволяет как выбирать и использовать иллюминатор, наблюдение через который обеспечивает наилучшие условия наблюдения задаваемых/требуемых объектов наблюдения, так и использовать именно тот иллюминатор, через который обеспечивается единственная возможность выполнения наблюдения задаваемых/требуемых объектов наблюдения при отсутствии такой возможности через другие иллюминаторы космического корабля.

Предложенный в составе устройства управления наведением аппаратуры наблюдения узел разъемного крепления аппаратуры наблюдения обеспечивает возможность использования для реализации наблюдений различной сменной аппаратуры наблюдения.

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