СИСТЕМА ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ НА БОРТУ ПИЛОТИРУЕМОГО КОРАБЛЯ АППАРАТУРЫ
NAVIGATION SYSTEM FOR MOVED EQUIPMENT ON BOARD OF MANNED SPACECRAFT

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано для обеспечения ориентирования экипажем пилотируемого корабля аппаратуры, перемещаемой относительно движущегося корабля.
Известна система управления телевизионным видеоспектральным комплексом КА (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-прототип включает: автоматическую стабилизированную платформу с целевой научной аппаратурой и телевизионной системой, блок задания параметров движения 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. Данная система реализует способ управления, 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 данной системы относится, в частности, то, что она 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 системы-прототипа выбрана 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, при этом входы ультразвуковых излучателей соединены с выходами блока формирования команд управления излучателями, вход которого соединен с первым выходом первого контроллера, второй выход и первый и второй входы которого соединены с соответственно входом и выходом приемопередающего устройства, установленного на приборе, и выходом датчика температуры, установленного на приборе, причем выходы ультразвуковых приемников соединены с входами блока усиления сигналов, выходы которого соединены с входами блока автоматической регулировки усиления, выходы которого соединены с входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом блока измерения времени задержки сигналов, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора, который также соединен с первым входом второго контроллера, второй вход и первый и второй выходы которого соединены с соответственно выходом и входом приемопередающего устройства, установленного на пилотируемом аппарате, и первым входом блока определения пространственного положения прибора относительно пилотируемого аппарата, второй и третий входы и выход которого соединены с соответственно выходом блока измерения времени задержки сигналов, выходом датчика температуры, установленного на пилотируемом аппарате, и входом блока определения положения ориентира относительно прибора, другой вход и выход которого соединены с соответственно выходом блока определения текущего положения ориентира относительно пилотируемого аппарата и входом блока расчета команд на поворот прибора, выход которого соединен с входом блока воспроизведения команд на поворот прибора. Система-прототип 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 ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в учете скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры при одновременном обеспечении гарантированного целевого управления функционированием аппаратуры, ориентируемой по задаваемым ориентирам.
Технический результат достигается тем, что система ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры, включающая блок формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры, выход которого связан с блоком воспроизведения командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры, блок определения текущего положения ориентира относительно пилотируемого корабля, блок определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля и блок определения положения ориентира относительно перемещаемой аппаратуры, в отличие от прототипа дополнительно содержит блок определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры, блок определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля, включающий упомянутый блок определения текущего положения ориентира относительно пилотируемого корабля, блок определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, включающий упомянутый блок определения положения ориентира относительно перемещаемой аппаратуры, и блок формирования команд управления перемещаемой аппаратурой, при этом выход и первый, второй и третий входы блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры соединены с соответственно входом блока формирования команд управления перемещаемой аппаратурой и выходами блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры и блока определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля, вход которого соединен с выходом блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, а выход также соединен с первым входом блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры, второй и третий входы и выход которого соединены с соответственно выходом блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, выходом и первым входом блока определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры, второй вход которого соединен с выходом блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, причем выход блока формирования команд управления перемещаемой аппаратурой связан с перемещаемой аппаратурой.
Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая предлагаемую систему.
На фиг. 2 представлена схема, поясняющая формирование командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры.
На фиг. 1 введены обозначения:
1 - перемещаемая аппаратура;
2 - блок определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля;
3 - блок формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры;
4 - блок определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры;
5 - блок передачи информации по радиоканалу, установленный на пилотируемом корабле;
6 - блок приема информации по радиоканалу, установленный на перемещаемой аппаратуре;
7 - блок воспроизведения командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры;
8 - блок определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля;
9 - блок определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры;
10 - блок формирования команд управления перемещаемой аппаратурой;
11 - блок определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры;
12 - блок сравнения параметров требуемого и определенного положений ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры.
На фиг. 2 введены обозначения:
0
А - 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);
1
A - угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры на момент начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры;
Т
A - требуемое угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры;
0
1
2
О, О О - 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.
В качестве перемещаемой аппаратуры (ПА) рассматриваем оптический прибор, ось 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).
Предлагаемая система содержит блок определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2, блок формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3, блок определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры 4, блок воспроизведения командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 7, блок определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля 8, блок определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9 и блок формирования команд управления перемещаемой аппаратурой 10.
Выход и первый, второй и третий входы блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9 соединены с соответственно входом блока формирования команд управления перемещаемой аппаратурой 10 и выходами блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2, блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3 и блока определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля 8.
Вход блока определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля 8 соединен с выходом блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9, а выход также соединен с первым входом блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3.
Второй и третий входы блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3 соединены с соответственно выходом блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2 и выходом блока определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры 4.
Выход блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3 также соединен с первым входом блока определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры 4 и связан с блоком воспроизведения командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 7.
Второй вход блока определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры 4 соединен с выходом блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2.
Выход блока формирования команд управления перемещаемой аппаратурой 10 связан с перемещаемой аппаратурой 1.
Блок передачи информации по радиоканалу 5 включает контроллер и передающее радиоустройство.
Блок приема информации по радиоканалу 6 включает контроллер и приемное радиоустройство.
Блок определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9 включает блок определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 11 и блок сравнения параметров требуемого и определенного положений ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 12.
Входами блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9 являются входы блока определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 11, выход которого соединен со входом блока сравнения параметров требуемого и определенного положений ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 12, выход которого является выходом блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9.
Опишем функционирование предлагаемой системы.
Посредством блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2 определяют текущее положение (местоположение и угловое положение) ПА относительно ПК. Данный блок может быть реализован 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).
Посредством блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3 формируют командную информацию задаваемого набора операций по 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 поворота ПА, начиная с ее начального текущего положения.
В качестве операций, входящих в задаваемый набор возможных операций по повороту ПА относительно ПК, могут рассматриваться, например, 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 через блок передачи информации по радиоканалу 5, установленный на ПК, и блок приема информации по радиоканалу 6, установленный на ПА, передают на блок воспроизведения командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 7, посредством которого 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. Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней 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 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 посредством блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2 определяют текущее положение ПА относительно ПК.
Посредством блока определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры 4 сравнивают расчетные моделируемые и текущие параметры углового положения ПА относительно ПК и по результатам данного сравнения определяют скорость и точность поворота ПА. Определяемые скорость и точность поворота ПА определяются для каждой операции из задаваемого набора операций поворота ПА. Определяемая скорость поворота ПА определяется как переменная во времени величина, циклограмма изменения которой определяется с учетом времени реакции (задержки реакции) на воспроизводимую командную информацию. Определяемая точность поворота ПА определяется как точность достижения требуемых положений ПА, определяемая с учетом времени реакции (задержки реакции) на воспроизводимую командную информацию, точности отработки угловых параметров операций и точности отработки направлений, вдоль которых отсчитываются угловые параметры операций поворота ПА.
Дальнейшее функционирование системы осуществляется при реализации штатных операций с ПА.
Посредством блока определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля 8 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.
Посредством блока формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 3 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. 2 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 через блок передачи информации по радиоканалу 5, установленный на ПК, и блок приема информации по радиоканалу 6, установленный на ПА, передают на блок воспроизведения командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры 7, посредством которого 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 посредством блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2 определяют текущее угловое положение ПА относительно ПК.
Посредством блока определения скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры 4 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.
Посредством блока определения моментов достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры 9 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.
Посредством блока формирования команд управления перемещаемой аппаратурой 10 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 целевого применения ПА характеристиками положения ориентира относительно оси ориентирования ПА.
Данную командную информацию через блок передачи информации по радиоканалу 5, установленный на ПК, и блок приема информации по радиоканалу 6, установленный на ПА, передают на перемещаемую аппаратуру 1. 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 целевых данных.
Далее повторяют описанные действия, начиная с выбора следующего ориентира для реализации штатных операций с ПА и определения посредством блока определения текущего и прогнозируемого положений ориентира относительно пилотируемого корабля 8 текущих и расчетных прогнозируемых на задаваемом интервале времени параметров положения ориентира относительно ПК, после чего продолжают работу системы по вышеописанной процедуре.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предложенное техническое решение обеспечивает учет скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры при одновременном обеспечении гарантированного целевого 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 целевых 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.