Автономное управление малым космическим аппаратом при сближении с обслуживаемым орбитальным объектом

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

УДК 629.78.015.001

В. К. Семенихин, Д. В. Кириченко

АВТОНОМНОЕ УПРАВЛЕНИЕ МАЛЫМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ ПРИ СБЛИЖЕНИИ С ОБСЛУЖИВАЕМЫМ ОРБИТАЛЬНЫМ ОБЪЕКТОМ

Рассматривается методика автономного управления малым космическим аппаратом при его сближении с орбитальным объектом, обслуживаемым с использованием бортового оптико-электронного прибора измерения углов визирования и лазерного измерителя дальности.

Ключевые слова: орбитальный объект, малый космический аппарат, управление относительным движением.

В последнее время при разработке космических систем все большее внимание уделяется продлению ресурса их активного функционирования. Одним из направлений решения некоторых имеющих при этом место проблем является использование малых космических аппаратов (МКА), способных выполнять операции диагностирования и обслуживания КА непосредственно на орбите.

В зависимости от содержания процесса обслуживания особенность управления малым КА определяется необходимостью обеспечения его пребывания в течение определенного интервала времени на заданной дальности и при заданном ракурсе визирования по отношению к обслуживаемому КА. Эти требования к управлению МКА могут быть удовлетворены, если его бортовые средства наблюдения позволяют определять шесть параметров относительного движения обслуживаемого объекта с необходимой точностью. В качестве таких средств могут использоваться бортовой оптико-электронный прибор измерения углов визирования обслуживаемого объекта и лазерный измеритель относительной дальности (лидар). Скорости изменения этих параметров определяются путем фильтрации результатов измерений координат на некотором интервале накопления измерительной информации.

Управление движением МКА в окрестности обслуживаемого объекта осуществляется в бортовой полетной инерциальной системе координат (ИСК). При относительной дальности, значительно меньшей дальности перевода МКА в режим автономного управления, продольная ось бортовой полетной ИСК, по которой ориентируется оптическая ось бортовых измерителей углов визирования и дальности, направлена в расчетную точку положения обслуживаемого объекта. При этом определяются

где гсф — вектор относительных сферических координат, а —курсовой угол, в — полярный угол, г — дальность, гсф — вектор относительной скорости МКА.

28 В. К. Семенихин, Д. В. Кириченко

Сферические параметры относительного движения преобразуются в бортовой полетной ИСК следующим образом:

*0к)=4г2 -(г2 + у2), ) = 4Г2 -(у2 + ¿2);

у

г(¿к) = -га, ¿(¿к) = -(аг+Га).

Эти параметры принимаются в качестве начальных условий относительного движения при формировании управлений для коррекции орбиты МКА в момент ¿к.

Рассмотрим методику управления МКА в предложении постоянства его угловой скорости ш относительно центра Земли в окрестности обслуживаемого объекта. Относительное движение обслуживаемого объекта в бортовой полетной ИСК при этом описывается следующим векторным выражением [см. лит.]:

г и )

г

ш

где г(^к ), г(¿к ) — векторы, определяемые системой уравнений (1); ¿у — момент времени достижения МКА картинной плоскости обслуживаемого объекта.

Вектор скорости относительного движения в формуле (2) определяется как

г

а значение ¿у можно вычислить из условия г (¿у )г (¿у ) = 0. Подставив в это выражение формулы (2) и (3), после преобразований получим уравнение, характеризующее момент достижения МКА картинной плоскости обслуживаемого объекта:

1

г г =—arctg у 2ш

2г

Г 2 (¿к )ш--^

ш

Вектор г(г) в соответствии с формулой (2) в момент времени ¿у определяет положение

МКА в картинной плоскости объекта, перпендикулярной к траектории относительно движения.

Управление МКА в окрестности обслуживаемого объекта заключается в том, чтобы обеспечить заданное значение вектора положения МКА в момент достижения картинной плоскости, т. е.

г(Гу ) = гз (¿у ).

Этим обеспечиваются требуемые расстояния наблюдения для бортовых информационных средств МКА, а также ракурс визирования обслуживаемого объекта. Требуемый вектор гз (¿у) положения МКА в момент наблюдения задается в орбитальной системе координат

объекта.

Получение исходных данных для формирования управления осуществляется преобразованием параметров в бортовой полетной ИСК. Тогда вектор, по которому формируется управление, определяется следующим образом:

Аг ((у ) = г (¿у ) - гз (¿у ).

Управление МКА осуществляется таким образом, чтобы тяга его двигателя была направлена против вектора Аг^у). Обычно корректирующая двигательная установка создает

тягу в плоскости, перпендикулярной продольной оси МКА, по которой ориентируются оптические оси оптико-электронной системы и лидара. При средней тяге Р, начальной массе МКА

Автономное управление МКА при сближении с обслуживаемым орбитальным объектом 29

т и удельном расходе топлива р приращение скорости МКА за счет работы корректирующей двигательной установки будет составлять

рЛтк

AFK(tK)=PAxK/|m- 2

где Атк — длительность работы корректирующей двигательной установки.

Для ликвидации ошибки прибытия МКА в заданную точку необходимую длительность работы корректирующей двигательной установки можно определить из условия

Ar (tf) =А^к) sin [©(if - ¿к )]-AV (¿к) А2к cos [©(if - ¿к)] следующим образом:

Атк =

Ar (tf )р tg [©(tf - ¿к)]

2р cos [©(tf -¿к)] ©

Ar (tf )р tg [©(¿f - ¿к)]

2m Ar

2p cos [©(tf -¿к)]

2p cos [©(tf - tK) J ©

В процессе управления корректирующая двигательная система генерирует ограниченную последовательность калиброванных импульсов тяги с частотой f Количество калиброванных импульсов определяется как

Пк =АТк f .

В общем случае полученное с использованием формулы (4) количество калиброванных импульсов коррекции не является целым. Определение его до ближайшего целого вносит ошибку прибытия МКА в заданную точку. Ликвидировать эту ошибку можно путем округления значения пк до большего целого за счет введения задержки на проведение коррекции.

При этом уточняются длительность работы двигательной установки Атк =(пк +5 пк )f и приращение скорости МКА Ау.' (¿к ) при коррекции.

Далее определяется поправка к значению Ау (¿к):

5Ук (¿к) = Р5 П . (т-рАтк )f

Соответствующая поправка к определению длительности задержки при проведении коррекции оценивается как

5тк = 5У°к) (tf -¿к-Атк). к АУ^КУf к к;

Вследствие инструментальных и методической ошибок имеет место погрешность прибытия МКА в заданную точку картинной плоскости. Для ликвидации этих погрешностей могут производиться последующие коррекции траекторий сближения МКА с объектом по рассмотренной выше методике. Заключительная коррекция должна быть проведена на интервале подлета, достаточном для перевода специального комплекса обслуживания в рабочее состояние. При необходимости снижения относительной скорости МКА до заданного значения указанное время подлета должно обеспечить возможность переориентации МКА по вектору гз (tf ) и формирование требуемых импульсов коррекции.

Рассмотренная в настоящей статье методика позволяет при заданных начальных условиях движения МКА и обслуживаемого объекта, а также заданных граничных условиях относительного движения МКА в точке прибытия оценить общее время на реализацию коррекций, количество включений двигательной установки, расход рабочего тела и т. п. Предложенная методика может быть использована при проектировании малых космических аппаратов и их бортовых систем.

30

М. Г. Кудинов, С. Б. Силантьев, А. В. Степовой

литература

Кириченко Д. В., Семенихин В. К., Слободчиков В. А. Модель относительного движения летательного аппарата // Сб. трудов 2-го науч.-исслед. центра 4-го ЦНИИ МО РФ. СПб., 2005. С. 127—132.

Сведения об авторах

Виталий Кузьмич Семенихин — канд. техн. наук, доцент; Научно-исследовательский центр (Санкт-

Петербург) — филиал 4-го ЦНИИ Минобороны России Дмитрий Валерьевич Кириченко — канд. техн. наук; Научно-исследовательский центр (Санкт-Петербург) —

филиал 4-го ЦНИИ Минобороны России; E-mail: dvkey@rambler.ru

Рекомендована

ВКА им. А. Ф. Можайского

Поступила в редакцию 20.10.09 г.

УДК 629.78.05

М. Г. Кудинов, С. Б. Силантьев, А. В. Степовой УПРАВЛЕНИЕ

ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ НАБЛЮДЕНИИ ОРБИТАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ ПАССИВНЫМИ СРЕДСТВАМИ

Предложен метод управления относительным движением космического аппарата в зоне прямой видимости наблюдаемого орбитального объекта. В качестве измерительной информации используются угловые координаты наблюдения за орбитальным объектом, определяемые пассивными бортовыми средствами космического аппарата-наблюдателя в условиях действия помех. Предлагаемый метод основан на принципах дуального управления.

Ключевые слова: метод управления, относительное движение, космический аппарат-наблюдатель, орбитальный объект.

Введение. Для управления движением космического аппарата относительно какого-либо орбитального объекта необходимо иметь информацию о параметрах движения каждого из них. В практических задачах параметры движения космического аппарата-наблюдателя (КАН) известны. Будем считать, что орбитальный объект совершает пассивный полет, а получение информации о параметрах его движения возможно только с помощью бортовых средств КАН.

В настоящее время задача получения информации о параметрах относительного движения КАН решается с помощью активных средств наблюдения (дальномеров, доплеровских измерителей скорости и т. п.) [1].

Использование таких средств позволяет определить ориентацию линии визирования наблюдаемого объекта, а также относительную дальность и скорость ее изменения. Однако применение активных средств не всегда возможно, так как они имеют значительную массу и габариты, а также большое энергопотребление. Использование пассивных средств наблюдения в этом смысле представляется более предпочтительным, но при этом возникает проблема определения относительной дальности. Один из подходов к решению этой проблемы заключается в формировании управления относительным движением центра масс КАН таким образом, чтобы оно носило двойственный характер, а именно: изучающий (обеспечивающий возможность определения параметров относительного состояния двух объектов) и направляющий (обеспечивающий поддержание данных параметров вблизи их требуемых значений).