Способ автономного управления строем космических аппаратов
METHOD OF AUTONOMOUS CONTROL OF SPACECRAFT FORMATION

Изобретение относится к области средств наблюдения или слежения за полетом космических аппаратов (КА) и может быть использовано для автономного управления строем космических аппаратов. Примером таких ситуаций может служить формирование и практическое использование распределенных в пространстве упорядоченных структур космических аппаратов для решения задач дистанционного зондирования Земли с использованием оптических средств или средств радиолокации.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №2008133984/09, МПК B64G 4/00, 2008 год «Устройство контроля относительного(ых) положения(ий) путем измерений мощности для космического аппарата группы космических аппаратов при полете строем» (Френкиель Ролан (FR), Мелен Кристиан (FR)), предназначенное для управления космическими аппаратами при их перемещении строем. Устройство осуществляет контроль относительных положений космических аппаратов по отношению друг к другу и содержит:
комплекс, по меньшей мере, из трех приемоизлучающих антенн, установленных на, по меньшей мере, трех сторонах разного направления относительно данного космического аппарата, и способных излучать/принимать радиочастотные сигналы;
средства измерения, предназначенные для определения мощности сигналов, принимаемых каждой из антенн, и выдачи совокупностей мощностей, каждая из которых связана с одним из космических аппаратов группы, расположенных вокруг данного космического аппарата;
запоминающие средства, предназначенные для хранения совокупностей картографических данных, каждая из которых характеризует нормализованные мощности сигналов, принятых каждой из антенн в зависимости от выбранных направлений передачи;
средства обработки, предназначенные для сравнения каждой совокупности мощностей, выдаваемой средствами измерения, с совокупностями хранящихся картографических данных.
В результате работы устройства определяется каждое из направлений передачи сигналов, излучаемых другими космическими аппаратами группы по отношению к системе координат, привязанной к данному космическому аппарату. Техническим результатом использования рассматриваемого способа является обеспечение позиционирования группы космических аппаратов относительно друг друга с точностью, необходимой для совместного выполнения задания. К недостаткам устройства следует отнести необходимость размещения на борту КА радиопередающей аппаратуры, что увеличивает массу и габаритные характеристики космического аппарата и требует дополнительных затрат бортовой энергетики.
Известно заявленное изобретение - аналог: заявка №2015152105/11(080336), МПК B64G 3/00, 2015 год, патент №2619168, от 12.05.2017, «Способ определения направления на активный объект, преднамеренно сближающийся с космическим аппаратом» (Яковлев М.В. и др.), согласно которому принимают сигналы, излучаемые приближающимся активным объектом, измеряют амплитуду и выполняют обработку принимаемых сигналов. Для приема сигналов применяют детекторы плоской формы. Детекторы располагают на поверхности сферической оболочки ортогонально радиус-вектору из центра сферической оболочки к точке касания с детектором. Внутри сферической оболочки помещают материал -поглотитель излучения. Направление на активный приближающийся объект определяют по радиус-вектору, направленному на детектор с максимальной амплитудой регистрируемого сигнала. Недостатком способа является невозможность определения расстояния до источника оптических сигналов.
Известен защищенный патентом на изобретение - аналог: патент №2600039, заявка №2015121470/11, МПК B64G 1/36, 21/00, 2015 год «Способ определения положения объекта преимущественно относительно космического аппарата и система для его осуществления» (Бронников С.В., Рожков А.С., Поздняков П.А., Рулев Д.Н., Волоховский Д.А., Привалов Ю.А., Набок А.А.). В данном способе определяют параметры относительного положения излучателей инфракрасных импульсных сигналов, осуществляют формирование управляющих воздействий на излучатели, осуществляют измерение параметров, генерируемых позиционно-чувствительными детекторами инфракрасного излучения. По измеренным значениям параметров определяют значения координат местоположений излучателей в базовой системе координат. Система определения положения объекта включает оптические системы, блоки задания параметров оптических систем, определения параметров положения объекта, средства сопряжения радиоустройств с блоками излучателей инфракрасных сигналов, блоки позиционно-чувствительных детекторов инфракрасного излучения, блоки формирования данных приема инфракрасных сигналов, средства сопряжения радиоустройств с блоками формирования данных приема инфракрасных сигналов, радиоприемо-передающие устройства, блок формирования команд управления излучением и приемом инфракрасных сигналов. Техническим результатом группы изобретений является обеспечение определения положения объекта с подвижными частями. Недостатком способа-прототипа является невозможность его использования для управления строем космических аппаратов, что следует из отсутствия в формуле изобретения признаков воздействия на движение декларируемых в изобретении объектов до достижения ими пространственной структуры с заданными характеристиками.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2460092, МПК G01S 15/00, 2011 год «Гидроакустическая антенна сферической формы для гидролокатора» (Голубева Г.Х., Кокорин Ю.Я., Мальцев A.M., Михалев Д.С., Смирнов С.А), согласно которому предложена гидроакустическая антенна сферической формы для гидролокатора, содержащая сферический корпус, имеющий круглое отверстие для крепления к носителю гидролокатора, на сферическом корпусе пьезоэлектрические преобразователи установлены по спирали, закрученной по часовой стрелке и начинающейся от точки пересечения осью, проходящей через центр круглого отверстия и центр сферического корпуса, его наружной поверхности. Местоположение преобразователей и их количество устанавливается в зависимости от рабочей частоты гидролокатора, что позволяет улучшить характеристики акустического поля заявленной гидроакустической антенны, а также повысить вариабельность этапа ее проектирования. Недостатком способа - прототипа является невозможность его использования для решения задачи автономного управления строем космических аппаратов.
Известно изобретение - прототип: заявка №2017118680, МПК B64G 1/36, 21/00, 2017 год, Решение о выдаче патента от 01.11.2018 №2017118680/11(032305), «Способ автономного управления строем космических аппаратов» (Яковлев М.В., Яковлев Д.М.), согласно которому на космических аппаратах устанавливают приемно-передающие радиотехнические устройства, излучатели и приемники оптических сигналов, позиционно-чувствительный приемник оптических сигналов ведущего космического аппарата выполняют в виде набора плоских детекторов, расположенных на поверхности сферической оболочки, измеряют, запоминают и обрабатывают оптические сигналы. Ориентируют лазерные излучатели ведомых космических аппаратов на позиционно-чувствительный приемник ведущего космического аппарата, по показаниям сигналов оптического излучения, принятого на ведущем космическом аппарате и одновременно отраженного от поверхности плоских детекторов и принятого на ведомых космических аппаратах, регулируют относительное движение и положение ведомых космических аппаратов в составе строя. По радиокомандам ведущего космического аппарата корректируют расстояние между ведущим космическим аппаратом и ведомыми космическими аппаратами до достижения требуемых характеристик строя.
Термин «позиционно-чувствительный» связан с особенностями конструкции приемника, в котором детекторы расположены на поверхности сферической оболочки ортогонально радиус-вектору из центра сферической оболочки к точке касания с детектором. Каждый из детекторов регистрирует излучение в пределах телесного угла 2π, при этом амплитуда сигнала пропорциональна косинусу угла падения луча на поверхность детектора. Поэтому нормаль к поверхности детектора с максимальной амплитудой сигнала указывает направление на источник излучения. Погрешность измерений определяется величиной телесного угла, равного отношению площади детектора к квадрату радиуса сферической оболочки, на которой он расположен.
Оптическим сигналам присваивают характерный признак ведомого КА, что обеспечивает их распознавание позиционно-чувствительным приемником и последующую раздельную обработку вычислительными средствами ведущего КА. Положение позиционно-чувствительного приемника фиксируют по отношению к собственной системе координат ведущего КА. Излучатели и приемники оптических сигналов ведомых КА монтируют совместно на поворотных шарнирных устройствах, обеспечивающих изменение направления лазерного излучения в пределах угла 2π стерадиан. Расположение поворотных шарнирных устройств в конструкции ведомых КА определяют с учетом технологии разведения КА в процессе выведения на заданную орбиту и требований к геометрии строя КА для выполнения целевых задач.
В начале функционирования методом сканирования ориентируют лазерные излучатели ведомых КА на позиционно-чувствительный приемник ведущего КА из условия регистрации максимума сигнала оптического излучения, отраженного от поверхности плоских детекторов и принятого на борту ведомых КА. Для повышения оперативности поиска варьируют углом расходимости лазерного пучка.
По сигналам оптического излучения, принятого на ведущем КА и одновременно отраженного от поверхности плоских детекторов и принятого на ведомых КА, управляют относительным движением ведомых КА в составе строя и одновременно регулируют ориентацию установленных на них лазерных излучателей.
По командам вычислительного устройства ведущего КА, передаваемым по радиоканалу, формируют заданное пространственное расположение ведомых КА путем изменения состава детекторов позиционно-чувствительного приемника, регистрирующих максимальную амплитуду сигнала оптического излучения от ведомых КА. Указанный процесс продолжают до появления максимальной амплитуды сигнала в детекторах позиционно-чувствительного приемника, ориентация которых отвечает заданным направлениям на ведомые КА в составе строя. Далее по сигналам оптического излучения, отраженного от поверхности плоских детекторов и принимаемого на борту ведомых КА, и радиокомандам ведущего КА корректируют расстояние между ведущим КА и ведомыми КА до значений, заданных в требованиях по характеристикам строя.
Недостатком способа является неопределенный порядок расположения плоских детекторов на поверхности сферической оболочки и неполное перекрытие плоскими детекторами ее поверхности, что усложняет алгоритмы обработки информации на борту ведущего космического аппарата и приводит к снижению точности и оперативности обработки информации.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и оперативности обработки информации на борту ведущего космического аппарата при автономном управлении строем ведомых космических аппаратов.
Указанная цель достигается в заявляемом способе автономного управления строем космических аппаратов, согласно которому на космических аппаратах устанавливают приемно-передающие радиотехнические устройства, излучатели и приемники оптических сигналов, позиционно-чувствительный приемник оптических сигналов ведущего космического аппарата выполняют в виде набора плоских детекторов, расположенных на поверхности сферической оболочки, измеряют, запоминают и обрабатывают оптические сигналы. Ориентируют лазерные излучатели ведомых космических аппаратов на позиционно-чувствительный приемник ведущего космического аппарата. По показаниям сигналов оптического излучения, принятого на ведущем космическом аппарате и одновременно отраженного от поверхности плоских детекторов и принятого на ведомых космических аппаратах, регулируют относительное движение и положение ведомых космических аппаратов в составе строя. По радиокомандам ведущего космического аппарата корректируют расстояние между ведущим космическим аппаратом и ведомыми космическими аппаратами до достижения требуемых характеристик строя. Плоские детекторы выполняют в виде взаимно контактирующих трапеций, расположенных последовательно вдоль широтных и меридианных линий на поверхности сферической оболочки.
Выбранная форма и расположение детекторов обеспечивают сплошное покрытие поверхности сферической оболочки детекторами позиционно-чувствительного приемника и, следовательно, повышение точности позиционирования космических аппаратов в составе строя.
Последовательное расположение детекторов вдоль широтных и меридианных линий на поверхности сферической оболочки обеспечивает монотонное изменение координат (широты и долготы), определяющих положение детекторов на поверхности сферической оболочки (в условной «географической» системе координат). Указанное обстоятельство позволяет использовать стандартные алгоритмы поиска оптимальных вариантов управления ведомыми космическими аппаратами. Например, возможным алгоритмом поиска рациональных решений является метод наискорейшего спуска, где в качестве направления поиска выбирается вектор, противоположный градиенту функции рассогласования текущего положения детектора на поверхности сферы с максимумом сигнала от ведомого КА по отношению к детектору, в котором этот максимум должен быть зарегистрирован при движении группы строем. Применение стандартных алгоритмов обработки сигналов позволяет повысить оперативность формирования сигналов управления строем ведомых космических аппаратов.
Таким образом, заявляемый способ автономного управления строем космических аппаратов обеспечивает повышение точности и оперативности обработки информации на борту ведущего космического аппарата при автономном управлении строем ведомых космических аппаратов. Техническая возможность реализации заявляемого способа не вызывает сомнений.