СПОСОБ КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
METHOD OF CONTROLLING SPEED OF RELATIVE MOVEMENT OF SPACECRAFTS

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано преимущественно для стыковки транспортных кораблей с орбитальной станцией.
1
2
Обычно для измерения относительной скорости движения объектов определяют дальность на моменты времени замеров T и Т с последующим вычислением скорости. Известны способы и устройства для измерения дальности до объектов.
Известен патент РФ на изобретение №2381521. Способ позволяет контролировать дальность до объектов при неизвестных их линейных размерах. Недостаток состоит в том, что требуется совершать пробные относительные перемещения объектов, что затруднительно осуществлять с достаточной точностью в космических условиях.
Известен патент РФ на изобретение №2543527. В нем представлен Способ контроля скорости движения объектов по их телевизионным изображениям.
Недостаток состоит в том, что требуется измерять размеры изображения объекта, предварительно проведя селекцию на произвольном фоне, распознавание образа объекта и другие сложные процедуры.
Известен способ контроля причаливания корабля Союз, описание которого приведено в книге А.А. Лебедев, В.Б. Соколов «Встреча на орбите» Москва, Машиностроение 1969 г.
Причаливание и стыковку в этой системе управления космонавт осуществляет регулированием скорости причаливания в зависимости от дальности. Наблюдение за пассивным кораблем (ПКА) космонавт ведет по оптическому прибору, установленному на активном космическом аппарате (АКА).
Недостатком является необходимость использования оптического прибора наблюдения, что не позволяет автоматизировать процесс контроля.
Известен способ контроля причаливания в телеоператорном режиме управления (ТОРУ) (С.Е. Пугаченко «Проектирование орбитальных станций изд. МВТУ им. Баумана 2009 г.)».
Этот режим используется для выполнения дистанционного ручного (телеоператорного) причаливания АКА. При этом экипаж ПКА (станции) принимает с АКА и наблюдает ТВ изображение собственной станции. Далее как и в аналогах осуществляется измерение дальности, скорости, определяется их соотношение и сравнивается с заданным. В этом режиме имеется только ТВ изображения для контроля причаливания (ни оптического визира, ни работающей радиотехнической системы сближения). Но с другой стороны именно ТВ изображение и его преобразования позволяют повысить оперативность и точность контроля при использовании предлагаемого способа.
По ТВ изображению экипаж визуально оценивает размеры изображения объекта и с помощью номограмм определяет дальность. Дифференцируя дальность, получает скорость сближения. По полученным данным с помощью другой номограммы проверяет выполнение заданного закона движения в продольном канале. Недостатком метода являются низкая оперативность и точность контроля.
В качестве наиболее близкого аналога-прототипа заявляемого изобретения по совокупности признаков принят способ контроля относительной скорости, основанный на использовании телевизионного изображения объекта, отраженный в работе Кравец В.Г., Любинский В.Е. Основы управления космическими полетами. - М.: Машиностроение, 1983, - 224 с. В этой работе показано, что видеоинформация, формируемая внешними ТВ камерами космических аппаратов (КА), может быть использована как для наблюдения изображений КА, так и для определения их относительной дальности и скорости в процессах их сближения. Для этого на экран видеоконтрольного устройства (ВКУ) наносится координатная сетка (электрическим или механическим путем). При контроле дальности КА с использованием координатной сетки исходят из того, что в зависимости от искомой дальности изображение КА на экране ВКУ будет занимать определенное число клеток координатной сетки. Определение радиальной скорости движения осуществляют путем дифференцирования дальности на заданном интервале времени, а контроль - путем сравнения с заданным значением скорости.
Недостатком является низкая оперативность контроля.
Техническим результатом изобретения является повышение оперативности контроля скорости относительного движения.
Технический результат достигается за счет того, что в способе контроля скорости относительного движения космических аппаратов, основанном на использовании телевизионного изображения объекта, в отличие от известного, производят запоминание телевизионного изображения объекта на время ΔT, определяемое исходя из требуемой оперативности контроля, выделяют контур изображения, изменяют цвет на контрастный к исходному, масштабируют изображение с коэффициентом т, определяемым в зависимости от контролируемого режима движения, полученное эталонное изображение накладывают на текущее реальное изображение по истечении времени ΔT от момента запоминания, сравнивают визуально размеры эталонного изображения и текущего реального изображения, при совпадении размеров делают вывод о соответствии скорости заданному значению, если размеры реального изображения меньше размеров эталонного изображения, делают вывод о занижении скорости относительного движения космических аппаратов, в противном случае делают вывод о превышении скорости относительного движения космических аппаратов.
В способе контроля скорости относительного движения космических аппаратов предлагается определять коэффициент масштабирования
m=(1-n)/(1+n), где n=CΔТ/2,
С=ρ/ρ'=const - заданный коэффициент пропорционального закона управления движением КА в продольном канале в режиме причаливания;
ρ - расстояние между КА;
ρ' - продольная составляющая скорости, что соответствует пропорциональному закону движения.
В способе контроля скорости относительного движения космических аппаратов предлагается определять коэффициент масштабирования
0
0
m=1-ρ'ΔT/ρ, где
0
ρ' - заданная скорость;
0
ρ - исходное расстояние между КА,
что соответствует движению с заданной скоростью.
Суть изобретения поясняется следующими материалами:
- на фиг. 1 показано изображение объекта совпадающее с эталонным;
- на фиг. 2 показано изображение объекта, не совпадающее с эталонным;
- на фиг. 3 показаны фазовые портреты пропорционального закона управления относительным движением в продольном канале;
- на фиг. 4 показана структурная схема устройства реализации предлагаемого способа.
На фиг. 1 показано реальное изображение объекта (стыковочная мишень орбитальной станции), совмещенное с эталонным, полученным в результате преобразований в соответствии с предлагаемым способом. Фиг. 1 демонстрирует полное совпадение размеров изображений, а следовательно и соответствие заданной скорости движения.
На фиг. 2 показан пример не совпадения размеров реального и эталонного изображений и не соответствия контролируемой скорости заданному значению.
На фиг. 3 показаны фазовые портреты заданной пропорциональной зависимости скорости причаливания от дальности для различных коэффициентов С.
При необходимости перехода на ручное причаливание, ранее экипажу требовалось визуально определять дальность, вычислять продольную скорость, их соотношение и сравнивать с заданным. При этом заведомо малая дальность до ПКА на этапе причаливания выдвигает особые требования оперативности этих действий для обеспечения безопасности. Предлагаемый способ облегчает выполнение этих требований.
Закон управления движением КА в продольном канале на участке причаливания обычно задают пропорциональной зависимостью
ρ'/ρ=const =const, где
ρ - расстояние между КА,
ρ' - продольная составляющая скорости. Как известно, размер изображения А объекта связан с дальностью ρ до него соотношением
А=к/ρ, где к - константа, зависящая от оптических свойств телекамеры и размеров объекта.
Рассмотрим как будет изменяться размер изображения объекта при выполнении пропорционального закона управления движением.
1
1
1
2
2
2
Пусть в момент T дальность ρ=к/A, а в момент Т ρ=к/А.
Относительная скорость между КА
2
1
2
1
1
2
2
1
ρ'=(ρ-ρ)/(Т-Т)=к×(А-А)/АА×ΔТ
2
1
С другой стороны, средняя скорость на интервале Т-Т, составляет
1
2
1
2
1
2
ρ'=(ρ'+ρ')/2, где ρ' и ρ' - значения скорости в моменты T и Т
1
2
1
1
2
2
Подставляя вместо ρ' и ρ' их значения ρ'=Cρ и ρ'=Сρ, получим
В процессе причаливания скорость направлена на уменьшение дальности, поэтому ρ' и С и n - величины отрицательные, изображение, напротив увеличивается и масштабный коэффициент m больше 1.
Таким образом, каждое следующее изображение с интервалом ΔT должно стать больше предыдущего в m раз.
Эта выведенная особенность взаимосвязи параметров изображения с параметрами движения для пропорционального закона движения значительно упрощает формирование эталонного изображения. Достаточно просто изменять (масштабировать) изображение объекта, чтобы получить его ожидаемое изображение через заданный интервал времени ΔT. При этом коэффициент масштабирования m остается неизменным при неизменном ΔT.
Практически реализация заданного пропорционального (линейного) закона движения осуществляется включением соответствующих двигателей на разгон или торможение при достижении так называемых линий переключения. Эти линии задают верхний и нижний пороги управления. При осуществлении управления причаливанием экипажем, он может осуществлять управление в достаточно широких пределах ограниченных этими линиями. Но главная задача при контроле движения состоит в обеспечении безопасности экипажа и станции. Для выполнения этой задачи целесообразно для определения масштабного коэффициента m использовать коэффициент С для нижней линии переключения, соответствующей максимально допустимым значениям скорости причаливания.
В предлагаемом способе все сводится к стандартным преобразованиям изображений (запоминание, выделение контуров, изменение цвета, масштабирование, и наложение).
Для более удобного сравнения с реальным изображением предлагается убрать лишние детали на эталонном изображении, оставив только его границы.
Это также сократит объем изображения, упростив за счет этого дальнейшие преобразования. Поэтому выделение контуров целесообразно проводить до дальнейших преобразований изображения.
Наложение эталона на реальное изображение обеспечивает оперативное сравнение их размеров и позволяет практически мгновенно сделать вывод о выполнении закона продольного движения или отклонении от него, причем сразу становится понятно, в каком направлении имеет место отклонение и соответственно в каком направлении требуется выполнить корректирующее воздействие. Кроме того величина отклонения позволяет оценить величину воздействия (величину импульса).
Изменение цвета эталонного изображения предложено для более контрастного выделения изображений на фоне друг друга.
В процессе причаливания экипаж старается удерживать изображение объекта в центре экрана, что также упрощает задачу.
Рассмотрим особенности предлагаемого способа на примере конкретного режима программы полета КА - режима перестыковка. Этот режим предназначен для осуществления перелета с одного узла орбитальной станции на другой. Он осуществляется вручную экипажем без использования радиотехнической системы сближения. Для наблюдения и контроля параметров относительного движения используются только оптический визир и телекамера.
Режим начинается с расстыковки КА от станции.
0
0
Определяют коэффициент масштабирования m=1-ρ'ΔT/ρ, где
0
ρ' - ожидаемая скорость расхождения объектов после расстыковки,
0
ρ - известное расстояние между телекамерой и выбранным для наблюдения элементом конструкции объекта в состыкованном состоянии со станцией (например, стыковочная мишень).
В момент расстыковки запоминают изображение станции. Через заданное время ΔT осуществляют указанные преобразования и отображают эталонное изображение на фоне реального. Совпадение размеров изображений выбранного элемента означает положительный результат контроля скорости расхождения и выполнение условий безопасности. При расхождении объектов расстояние между ними увеличивается, а размер изображения уменьшается, поэтому коэффициент масштабирования m должен быть меньше 1.
Далее следует этап зависания на заданном расстоянии от станции. Этот режим характеризуется нулевой продольной относительной скоростью, следовательно масштабный коэффициент m=1, то есть размер изображения не должен изменяться при любом ΔT. Такой контроль может особенно пригодиться при необходимости длительного зависания у станции.
Следующий этап более сложный, чем предыдущие и называется причаливанием. Причаливание выполняется также и на заключительном этапе сближения активного космического аппарата (АКА) после выполнения маневров дальнего сближения, облета к заданному стыковочному узлу пассивного КА (ПКА) и зависания на заданной дальности.
После разрешения причаливания АКА набирает заданную скорость на разгон вдоль линии визирования, а затем постепенно уменьшает ее в соответствии с заданным законом. Обычно этот закон задают пропорциональной зависимостью ρ'/ρ=С=const, где ρ' и ρ соответственно относительная скорость и дальность причаливания. Канал контроля, для которого предлагается данный способ называется продольным каналом (вдоль линии визирования). По всем другим каналам закон управления заключается в компенсации любых отклонений от нулевых значений параметров относительного движения. Для проведения контроля заданного закона соотношения скорости и дальности определяют коэффициент масштабирования m=(1-n)/(1+n), где n=СΔТ/2
Структурная схема устройства реализации предлагаемого способа, представленная на фиг. 4, содержит в своем составе последовательно соединенные источник ТВ сигнала 1, блок памяти 2, блок выделения контура 3, блок изменения цвета 4, блок масштабирования 5, блок наложения 6, видеоконтрольное устройство 7. Выход блока 1 соединен также со вторым входом блока 6.
Устройство работает следующим образом. Телевизионный сигнал изображения объекта с источника сигнала 1 (телекамеры) поступает на вход блока памяти 2, в который введено заданное значение задержки ΔT, с выхода блока 2 запомненное изображение поступает на вход блока 3, в котором осуществляется выделение контура объекта. С выхода блока 3 контурное изображение поступает на вход блока 4, где происходит изменение цвета например инвертирование. С выхода блока 4 изображение с измененным цветом поступает на вход блока 5, в который введено заранее определенное значение масштабного коэффициента т, зависящее от контролируемого режима движения (с постоянной скоростью, включая нулевую, с постоянным ускорением, с пропорциональным законом зависимости скорости от дальности). Полученное изображение через время ΔT поступает на вход блока 6, на другой вход которого поступает текущее изображение с выхода блока 1. Результирующее совмещенное изображение поступает для отображения в видеоконтрольное устройство 7, например промышленное ВКУ типа ВК50В60. Наблюдая это совмещенное изображение, сравнивают размеры реального изображения с эталонным. Результатом сравнения является заключение о соответствии или не соответствии контролируемой скорости заданному значению.
Реализация предлагаемого решения не требует разработки специальных программ или устройств. Программы для преобразования изображений получили широкое распространение, например фотошоп и др. Эти программы позволяют осуществлять все необходимые действия (изменения масштаба, цвета, выделение контуров, фиксации результирующих суммарных (наложенных) форматов.
Список литературы:
1. «Телевизионные методы и устройства отображения информации» под редакцией М.И. Кривошеева. Москва, «Сов. Радио», 1975 г., М.А. Овечкина «Любительские телевизионные игры». Москва, «Радио и связь», 1985 г.
2. И.Н Гуглин. Телевизионные устройства отображения информации. - М.: Радио и связь, 1951.
3. И.В. Букреев и др. «Микроэлектронные устройства вычислительной техники», М., «Сов. Радио», 1951.
4. Гончаревский B.C. Радиоуправление сближением космических аппаратов. М., «Сов. радио», 1976, 240 с. (с. 155),