Использование оптоэлектронных устройств для позиционирования относительно космических объектов

УДК 629.7.05

Е.И. Старовойтов, инженер,

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Описано применение оптоэлектронных устройств для позиционирования и навигации в космической технике. Рассмотрены их возможности, ограничения использования и пути совершенствования.

Ключевые слова: техническое зрение, лазерные маяки, космический аппарат.

Дальнейшее развитие космической техники подразумевает проведение большого количества операций сборки, монтажа, ремонта и обслуживания космических объектов робототехническими средствами в условиях полета. Выполнение монтажно-сборочных работ и других манипуляций требует позиционирования исполнительных механизмов относительно объекта или его отдельных частей.

Это обеспечивается с помощью систем технического зрения. Идентификация и определение положения объекта осуществляются по имеющимся или специально внесенным в конструкцию элементам.

Примером внесенных элементов конструкции являются механические мишени сближения [1], предназначенные для стыковки пилотируемых космических аппаратов (КА). По мишеням определяется положение линии визирования активного КА при сближении относительно направления на пассивный КА, а также положение осей пассивного КА относительно активного. Контроль осуществляется с помощью телекамеры или визуальных приборов.

Видеоинформация с бортовых телевизионных средств может быть использована для измерений относительного положения пассивного объекта. Получаемая последовательность кадров обрабатывается в реальном времени. В каждом кадре выделяются характерные точки, контуры и области, размеры которых и геометрические параметры взаимного расположения используются как первичные измерения, по которым восстанавливается движение активного КА относительно объекта. Дальность действия в данном случае ограничена возможностями существующих телекамер и достигает 500 м [2].

Механическая мишень включает в себя основание (круглое или асимметричное) и выносной крест черного цвета с нанесенными белыми крестом и метками (рис. 1). Автор принимал участие в контроле фотометрических характеристик механических мишеней сближения КА. Покрытия мишени производятся по специальной технологии, так как они должны

длительное время сохранять оптические характеристики в течение космического полета.

Рис. 1. Механическиемишени сближения космических аппаратов

Недостатком механических мишеней является их зависимость от внешнего источника света. На дневной стороне орбиты вводятся ограничения на положение Солнца относительно оси мишени, исключающие затенение корпусами КА и задающие минимальный угол засветки, а на ночной стороне орбиты мишень должна подсвечиваться фарой активного КА.

Для проведения измерений в сложных светотехнических ситуациях могут быть использованы лазерные приборы. Задание координат объекта или его отдельных частей можно осуществить установкой лазерных излучателей (маяков) в определенных точках объекта [3]. Их использование облегчает обнаружение и обеспечивает устойчивое сопровождение объекта при наличии сильных световых бликов на поверхности цели от элементов конструкции или прямой солнечной засветке.

Значительный контраст между яркостью прямого лазерного излучения, несущего информацию о положении источника, и фоном рассеянного излучения для лазерных пучков сохраняется на расстояниях, превосходящих дальности для нелазерных источников света [4]. Поэтому для позиционирования в космическом пространстве объектов со сложной конфигурацией наиболее надежными с точки зрения обнаружения и устойчивого сопровождения являются лазерные источники [3].

Лазерные маяки не требуют засветки в условиях недостаточной освещенности, а при наличии сильных помех, например от яркого фона, когда характерные элементы становятся плохо различаемыми, сигнал

163

лазерных маяков будет несложно выделить. На рис. 2 представлен результат спектральной селекции (справа) изображения лазерного источника на фоне ярко освещенного днем здания.

Рис. 2. Спектральная селекция лазерного источника

Спектральная селекция позволяет обнаружить лазерный излучатель (лазерный маяк) при величине угла между направлением на Солнце и на маяк, соизмеримом с угловым размером Солнца.

Использование лазерных маяков позволяет автоматизировать процесс управления движением объекта с повышением точности ориентации и наведения без участия оператора [5]. Это позволит при управлении исполнительными механизмами увеличить точность выполнения операций и поддержания скорости движений.

Многие известные к настоящему времени лазерные системы для космических аппаратов предусматривают установку на пассивный объект лазерных маяков.

Состав аппаратуры одного из первых бортовых оптикоэлектронных комплексов для измерения параметров сближения КА предусматривал использование лазерного маяка для более быстрого и надежного обнаружения пассивного объекта [6-8]. Маяк имел коническую диаграмму направленности излучения, равную 10°. Источник излучения представлял собой арсенид-галлиевую диодную решетку, излучающую в импульсном режиме на длине волны 0,9 мкм. Средняя мощность излучения маяка была равна 200 мВт (в импульсе до 1 кВт). Максимальная дальность обнаружения маяка составляла 120 км.

В настоящее время на борту Международной космической станции (МКС) установлена подсистема лазерных реперных устройств (РУ). Изначально подсистема разрабатывалась в рамках работ по созданию оптической аппаратуры для измерения параметров сближения КА в составе комплекса МКС.

РУ задают координатную систему стыковочного узла посредством их размещения на корпусе МКС в определенных реперных точках, формируя три излучающие апертуры с конической диаграммой направленности, равной 30°. Подсистема генерирует амплитудно-модулированное непрерывное излучение с длиной волны 0,81 мкм, что позволяет определить все параметры взаимного положения и относительного движения пассивного КА на дистанции до 200 м. На дистанции менее 10 м предельный угол, под которым может наблюдаться светоизлучающая апертура РУ, составляет 49°. Максимальная дальность обнаружения пассивного КА составляет 7,5 км.

Подсистема РУ была выведена вместе с модулем «Звезда» в июле 2000 г. и все это время находилась под воздействием факторов

космического полета.

Продолжительное нахождение в космическом пространстве могло существенно сказаться на оптических характеристиках излучающих элементов. Столкновение с микрометеорами и техногенными частицами вызывает эрозию материалов, выбросы продуктов сгорания топлива из двигателей КА осаждаются на внешних поверхностях, образуя

загрязнения. Кроме того, действие космической радиации приводит к деградации оптических элементов - линз, волоконно-оптических кабелей

[9].

В 2009 г. автором был подготовлен и проведен тестовый контроль

работы РУ с контролем излучения на расстоянии бортовыми

телевизионными средствами в условиях космического полета и дополнительное наземное моделирование на комплексном стенде (КС) модуля «Звезда» [10].

Результаты тестовой проверки на борту МКС подтвердили работоспособность РУ и позволили получить изображение двух из трех РУ (рис. 3). ______________________________________

. \ 4 * _ ьч Г' ' # %, :

. Г;;. , Г У Г ' 9 т г ;:4 г • - :... -лЛ'Ч’ДМР

Рис. 3. Лазерныереперныеустройства на корпусе МКС

165

Последующее моделирование на КС не показало заметных признаков деградации аппаратуры. Таким образом, выявлена устойчивость РУ к внешним воздействующим факторам длительного космического полета.

Недостаток лазерных маяков подобного типа заключается в узком поле излучения, ограничивающем максимальный угол, под которым возможно его обнаружение. Для обеспечения ориентации и наведения КА подходящего к цели в широком угле необходима разработка специальных конструкций лазерных маяков, например, сканирующих излучающим полем заданную область пространства.

Автором предложены две конструкции сканирующих лазерных маяков [11,12], позволяющие охватить половину полного телесного угла.

Предлагаемые конструкции основаны на использовании оптической анаморфотной системы, помещенной в сканирующий блок. Особенностью такой системы является то, что в меридиональной и сагиттальной плоскости ее фокусные расстояния имеют различные значения. В плоскости, перпендикулярной направлению сканирования, она представляет собой широкоугольный объектив - оптическую систему с полем зрения 90...1800.

Такие маяки могут за один оборот или пол-оборота сканирующего блока охватить половину полного телесного угла. Достигаемый технический результат - повышение вероятности обнаружения пассивного КА и снижение требований по его предварительной ориентации относительно активного КА при их сближении за счет увеличения телесного угла, в котором возможно обнаружение лазерного маяка.

При установке на пассивный КА с противоположных сторон двух сканирующих лазерных маяков, каждый из которых полностью покрывает телесный угол 2л, возможно обеспечить обнаружение пассивного КА в полном телесном угле, т.е. при подходе активного КА с любого направления.

Дальнейшее совершенствование конструкции заключается в снижении массы и габаритов устройств вместе с уменьшением потребляемой им мощности. Надежность конструкции следует обеспечить, в первую очередь за счет уменьшения числа движущихся деталей, а в идеале - полного отказа от оптико-механического сканирования. Компонентная база должна обеспечивать длительную эксплуатацию в условиях космического полета.

При работе с лазерной аппаратурой необходимо обеспечить ее безопасность в процессе эксплуатации и технического обслуживания.

Альтернативой лазерам являются сверхяркие полупроводниковые светоизлучающие диоды (СД). Достоинствами СД являются их

безопасность для органов зрения и низкая стоимость по сравнению с лазерами.

Так, для повышения точности определения координат и углов ориентации оптико-электронной системой, предназначенной для обеспечения автоматической дозаправки ЛА топливом в полете, предлагается использовать три СД, установленные на конусе ЛА-заправщика [13].

Качество излучения СД более низкое по сравнению с лазерами из-за более широкой диаграммы направленности излучения и низкой степени его монохроматичности, которые снижают эффективность спектральной селекции и максимальную дальность обнаружения. Но на близких дистанциях, если выделение сигнала не представляет большой трудности, достаточно использования СД.

Широкое применение СД в устройствах ориентации на борту космической техники потребует дальнейшего изучения.

Список литературы

1. Устройство контроля ориентации наблюдаемого объекта: пат. 2093432 Рос. Федерация. № 93041285; заявл. 11 от 17.08.1993.

2. Автоматический мониторинг стыковки космического корабля с орбитальной станцией по видеоинформации: препринт / А.А. Богуславский [и др.]. М.: 2004. 23 с.

3. Старовойтов Е.И. Применение лазерных источников для задач обнаружения и позиционирования объектов с малыми размерами и сложной конфигурацией в космическом пространстве // Сборник трудов Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М., 2010. С.205.

4. Зуев В.Е., Фадеев В.Я. Лазерные навигационные устройства. М.: Радио и связь, 1987. 160 с.

5. Слободян С.М., Цупин А.А. Лазерные навигационные системы автономных транспортных средств // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. № 6. С.13-20.

6. Aviation Week. 1964. Vol. 80, No. 20.

7. Navigation, 1966. Vol. 3. No. 3.

8. Lehr C.G. Laser Tracking Systems // Laser Applications. Academic Press., 1974. Vol. 2. P. 13.

9. Модель космоса: научно-информационное издание: в 2 т. / под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М.: КДУ, 2007. 1444 с.

10. Старовойтов Е.И., Воробьев С.А. Контроль работоспособности лазерных излучателей в условиях космического полета с использованием телевизионных средств // Радиотехника. 2011. № 6. С.50-55.

11. Сканирующий лазерный маяк космических аппаратов: заявка на изобретение № 2011106637. Приоритет от 22.02.2011 / РКК «Энергия».

12. Сканирующий лазерный маяк космических аппаратов: заявка на изобретение № 2011106638. Приоритет от 22.02.2011 / РКК «Энергия».

13. Оптико-электронная система обеспечения автоматической за-

правки самолета топливом в полете / А.М. Агеев [и др.] // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 8.

С.52-54.

E.I. Starovoitov

USE OPTOELECTRONIC DEVICES FOR POSITIONING FOR SPACE OBJECTS The use of optoelectronic devices for positioning and navigation in space technology is described. Their options, limiting the use and ways to improve are considered.

Key words: computer vision, laser beacons, spacecraft.

Получено 03.10.11

УДК 62.50

Ю.И. Мышляев, канд. техн. наук, доц., 89105100050, uimysh@mail.ru

МЕТОД БИСКОРОСТНОГО ГРАДИЕНТА

Рассматривается трёхэтапная схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для нелинейных каскадных систем. Приведён класс гладких и релейных алгоритмов бискоростного градиента и условия их применимости.

Ключевые слова: нелинейные каскадные системы, синтез, устойчивость по части переменных, алгоритмы адаптивногоуправления, настраиваемыемногообразия.

Постановка задачи. Рассматривается модель объекта управления (ОУ) в регулярной форме уравнений пространства состояний

Х1 = Ж х г X

х 2 = /2( х, и,г),

где хт = (х^х^ е Яп,и е Ят

- векторы состояния и входа ОУ,

х2 ^ Кт,х1 ^ Кп т^ ^ ^ - вектор постоянных параметров ОУ, который по постановке задачи считается неизвестным (5 - множество допустимых вариантов значений параметров). ОУ управляем.

Требуется синтезировать класс законов управления и(г), не содержащих неизвестных параметров ОУ, обеспечивающих при любых ограни-