СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ НА БОРТУ ПИЛОТИРУЕМОГО КОРАБЛЯ АППАРАТУРОЙ НАБЛЮДЕНИЯ
METHOD FOR CONTROLLING SURVEILLANCE EQUIPMENT MOVED ON BOARD A MANNED SPACECRAFT

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано для управления аппаратурой наблюдения, перемещаемой относительно движущегося пилотируемого корабля.
Известен способ наведения линии визирования прибора, вращающегося вокруг своей оси относительно основания, на источник лазерного излучения (заявка на изобретение РФ №94000376/28, 05.01.1994, МПК: F41G 3/00, G05D 3/00), в котором грубо определяют угловое положение источника излучения относительно связанного с основанием базового направления, проверяют соответствие излучения типу лазерный целеуказатель, поворачивают основание до точного определения углового положения источника излучения, после чего поворачивают прибор наведения до наведения его линии визирования на источник излучения.
К недостаткам данного способа относится требование идентификации цели по излучаемому целью излучению, что ограничивает возможности его использования.
Известен способ наведения телевизионного видеоспектрального комплекса, реализуемый системой управления телевизионным видеоспектральным комплексом космического аппарата (КА) (патент РФ №2068801, МПК6: B64G 9/00), 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 данного способа относится, в частности, то, что он 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.
Известен способ 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), согласно которому осуществляют формирование управляющих команд на излучение импульсных ультразвуковых сигналов не менее чем тремя ультразвуковыми излучателями, размещенными в разнесенных точках на свободно перемещаемом относительно пилотируемого аппарата приборе, осуществляют прием излученных импульсных ультразвуковых сигналов не менее чем тремя ультразвуковыми приемниками, размещенными в разнесенных точках на пилотируемом аппарате, по излученным и принятым ультразвуковым сигналам измеряют время задержки ультразвуковых сигналов, при этом синхронизацию моментов излучения и приема импульсных ультразвуковых сигналов осуществляют по радиоканалу, осуществляют измерение температуры в местах размещения ультразвуковых излучателей и в местах размещения ультразвуковых приемников, по полученным временам задержки принятия ультразвуковых сигналов и измерениям температуры определяют расстояния от размещенных на приборе ультразвуковых излучателей до размещенных на пилотируемом аппарате ультразвуковых приемников, при этом пространственное положение прибора относительно пилотируемого аппарата определяют по определенным расстояниям от размещенных на приборе ультразвуковых излучателей до размещенных на пилотируемом аппарате ультразвуковых приемников, определяют текущее положение ориентиров относительно пилотируемого аппарата, пространственное положение ориентиров относительно прибора определяют по текущему положению ориентиров относительно пилотируемого аппарата и определенному пространственному положению прибора относительно пилотируемого аппарата, выполняют расчет углов поворота прибора для его ориентирования по ориентирам, после чего воспроизводят команды на поворот прибора, соответствующие рассчитанным значениям углов поворота прибора. Данный способ обеспечивает возможность выполнять ориентирование прибора, свободно перемещаемого внутри пилотируемого корабля и не имеющего с ним механической связи.
К недостаткам данного способа относится, в частности, то, что он 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 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.
В качестве прототипа выбран способ ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры (патент РФ 2695739, заявка №2018136716 от 17.10.2018, МПК: F41G 3/00 (2006.01) B64G 1/66 (2006.01)), включающий определение положения ориентира и перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, определение положения ориентира относительно перемещаемой аппаратуры, определение и воспроизведение командной информации, согласно которому измеряют и прогнозируют плотность атмосферы на высоте орбиты пилотируемого корабля, измеряют и прогнозируют положение центра масс и угловое положение пилотируемого корабля, с учетом погрешностей определения и прогнозирования положения центра масс и углового положения пилотируемого корабля определяют текущие и прогнозируемые на задаваемом интервале времени границы области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля, определяют и воспроизводят командную информацию последовательно на перенос перемещаемой аппаратуры в требуемое местоположение и на поворот перемещаемой аппаратуры в требуемые угловые положения, при этом требуемое местоположение перемещаемой аппаратуры определяют в системе координат пилотируемого корабля как вершину конуса, боковая поверхность которого касается области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля и отстоит не менее чем на задаваемое расстояние от элементов конструкции пилотируемого корабля, непрозрачных для регистрируемого перемещаемой аппаратурой излучения, а требуемые угловые положения перемещаемой аппаратуры определяют положениями оси визирования перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля и выбирают исходя из условия покрытия полем зрения перемещаемой аппаратуры области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля, в моменты нахождения оси визирования перемещаемой аппаратуры в области, охватываемой упомянутым конусом, формируют команды на управление перемещаемой аппаратурой. Данный способ обеспечивает гарантированное получение данных по задаваемым ориентирам путем покрытия полем зрения перемещаемой аппаратуры всей области возможного расположения ориентира относительно пилотируемого корабля, определенной с учетом погрешности определения положения наблюдаемого ориентира относительно пилотируемого корабля.
К недостаткам способа прототипа относится, в частности, то, что он не обеспечивает учета возможных ошибок построения требуемых положений оси визирования аппаратуры наблюдения, что может привести к неполному фактическому покрытию снимками, выполненными перемещаемой аппаратурой наблюдения, области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля, и, как следствие, непопаданию ориентира, наблюдение которого необходимо выполнить, в фактическое поле зрения аппаратуры наблюдения в моменты съемки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение высокоточного целевого управления перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратурой наблюдения.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в обеспечении гарантированной съемки всей области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля путем учета погрешности переориентации оси визирования аппаратуры наблюдения в требуемые положения.
2
2
Технический результат достигается тем, что в способе управления перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратурой наблюдения, включающем определение положения аппаратуры наблюдения относительно корабля, задание параметров аппаратуры наблюдения, прогнозирование границ области расположения ориентира относительно корабля на задаваемом интервале времени и формирование управляющих воздействий на аппаратуру наблюдения, включая переориентацию аппаратуры наблюдения до достижения ее осью визирования положений, соответствующих условию покрытия полем зрения аппаратуры наблюдения указанной области, и выполнение съемки, в отличие от прототипа, перед выполнением наблюдений формируют управляющие воздействия на аппаратуру наблюдения для ее переориентации в фиксированные положения оси визирования аппаратуры наблюдения относительно корабля, определяют угловое рассогласование Е между построенными и фиксированными положениями оси визирования, задают параметры аппаратуры наблюдения, устанавливающие величину минимального углового раствора поля зрения аппаратуры наблюдения Р>2Е, прогнозируемую на подстилающей поверхности область расположения ориентира относительно корабля на задаваемом интервале времени разбивают на ячейки с линейным размером  где Н - минимальное расстояние от корабля до ориентира на интервале времени видимости с корабля указанной области расположения ориентира относительно корабля, после чего аппаратуру наблюдения переориентируют для достижения осью визирования аппаратуры наблюдения положений, последовательно проходящих через центральные точки указанных ячеек в моменты времени, отстоящие один от другого на время <ТН(Р-2Е)/(2S), где Т - длительность интервала времени видимости с корабля указанной области расположения ориентира относительно корабля и S - площадь указанной области расположения ориентира относительно корабля, и выполняют съемку в моменты достижения осью визирования аппаратуры наблюдения данных положений.
Изобретение поясняется рисунком, на котором представлена схема разбиения на ячейки области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля и введены обозначения:
О - аппаратура наблюдения;
W - линия границы области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля;
L - ось визирования аппаратуры наблюдения;
Р - минимальный угловой раствор поля зрения аппаратуры наблюдения;
F - линия границы поля зрения аппаратуры наблюдения (линия границы снимка подстилающей поверхности аппаратурой наблюдения);
Е - ошибка построения ориентации аппаратуры наблюдения, определяемая как угловое рассогласование между положениями оси визирования аппаратуры наблюдения, построенными после выполнения переориентации аппаратуры наблюдения в фиксированные положения оси визирования аппаратуры относительно корабля, и данными фиксированными положениями оси визирования аппаратуры наблюдения;
J - ячейки разбиения области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля;
А - линейный размер ячеек разбиения области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля.
Опишем действия предлагаемого способа.
В качестве перемещаемой аппаратуры наблюдения (АН) рассматриваем оптический прибор, ось визирования (чувствительности) которого требуется наводить на задаваемые ориентиры (цели, объекты наблюдения) - например, съемочную аппаратуру для выполнения визуально-инструментальных наблюдений задаваемых ориентиров - исследуемых наземных объектов - через иллюминатор пилотируемого корабля (ПК).
Аппаратура наблюдения и пилотируемый корабль снабжены системой определения положения перемещаемой аппаратуры наблюдения относительно пилотируемого корабля, которая может быть выполнена, например, на базе ультразвуковой системы определения положения перемещаемой аппаратуры.
В данной ультразвуковой системе для измерения шести координат пространственного положения АН - 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 АН 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 АН 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 АН и/или ПК, и по полученным расстояниям рассчитываются параметры пространственного положения АН относительно ПК (линейные и угловые координаты АН в связанной с ПК системе координат).
В предлагаемом способе управление перемещаемой относительно пилотируемого корабля аппаратурой наблюдения осуществляется с учетом предварительно определенной точности переориентации перемещаемой аппаратуры наблюдения.
Для реализации этого перед выполнением штатных сеансов наблюдения исследуемых объектов перемещаемой аппаратурой наблюдения формируют управляющие воздействия на перемещаемую аппаратуру наблюдения для переориентации аппаратуры наблюдения до достижения задаваемых фиксированных положений оси визирования аппаратуры относительно пилотируемого корабля.
Например, сформированную командную информацию на переориентацию АН относительно ПК для достижения расчетных моделируемых фиксированных положений АН относительно ПК передают на блок/систему воспроизведения командной информации на переориентацию аппаратуры наблюдения, посредством которого воспроизводят данную командную информацию.
В качестве воспроизводимой командной информации на переориентацию АН могут выступать параметры положения оси визирования (ориентирования) АН относительно направления от АН на ориентир - например, графически отображается величина углового отклонения направления на ориентир от оси визирования (ориентирования) АН и величина азимутального угла, определяющего направление отсчета данного отклонения в плоскости, перпендикулярной оси визирования (ориентирования) АН.
Оператор (космонавт) воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней последовательно переориентирует АН в требуемые угловые положения АН относительно ПК.
В процессе изменения положения АН посредством системы определения положения перемещаемой аппаратуры наблюдения относительно пилотируемого корабля определяют текущее положение АН относительно ПК.
Выполняют сравнение расчетных моделируемых и текущих параметров углового положения АН относительно ПК и по результатам сравнения определяют ошибку (точность) построения ориентации аппаратуры наблюдения: определяют угловое рассогласование Е между положениями оси визирования аппаратуры наблюдения, построенными после выполнения переориентации аппаратуры наблюдения в фиксированные положения оси визирования аппаратуры относительно корабля, и данными фиксированными положениями оси визирования аппаратуры наблюдения.
При этом случае разброса получаемых значений углового рассогласования в различных реализациях выполнения переориентации аппаратуры наблюдения в задаваемые фиксированные положения оси визирования аппаратуры относительно корабля, в качестве результирующего (итогового) значения углового рассогласования Е принимается максимальное из его полученных значений.
Задают параметры аппаратуры наблюдения, определяющие технические характеристики ее функционирования, включая установку выдержки, диафрагмы, фокусное расстояние, выбор спектрального канала и т.д. При этом, с учетом результатов определения ошибки (точности) построения ориентации аппаратуры наблюдения, выставкой параметров диафрагмы и фокусного расстояние устанавливают значение минимального углового раствора поля зрения аппаратуры наблюдения Р, превышающее значение 2Е
После этого управление аппаратурой наблюдения при выполнении штатных сеансов наблюдения исследуемых объектов перемещаемой аппаратурой наблюдения выполняют с учетом определенной ошибки (точности) построения ориентации аппаратуры наблюдения по следующей процедуре.
Посредством блока определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля 2 определяют текущее угловое положение АН относительно ПК.
Осуществляют задание исследуемого объекта (ориентира) для реализации штатных наблюдений с использованием перемещаемой аппаратуры наблюдения - например, выбирают некоторый текущий объект (ориентир) из заданного перечня/каталога возможных объектов (ориентиров).
Выполняют прогнозирование на подстилающей поверхности границ области расположения ориентира относительно корабля на задаваемом интервале времени - т.е. определяют расчетные значения параметров, описывающих границы области подстилающей поверхности, задаваемой относительно ПК, в которой будет находиться ориентир в течение задаваемого интервала времени.
Например, определение расчетных значений указанных параметров выполняется с использованием навигационных измерений орбиты ПК и измерения текущих и расчета прогнозируемых параметров плотности атмосферы на высоте орбиты ПК, по которым осуществляют прогнозирование положения центра масс и углового положения ПК. При этом используется прогнозирование циклограммы ориентации ПК, по которой осуществляется прогнозирование значений миделя ПК, используемых при выполнении указанного прогнозирования движения ПК, а также определяются величины погрешностей определения и прогнозирования положения центра масс и углового положения ПК, которые учитываются при указанном определении границ области расположения ориентира относительно ПК. При этом указанная область определяется как минимальная область, охватывающая/содержащая все возможные точки местоположений ориентира относительно ПК, - область, образованная множеством местоположений относительно ПК, в которых может находиться ориентир с учетом всех указанных погрешностей определения и прогнозирования положения центра масс и углового положения ПК.
Полученную область расположения ориентира относительно пилотируемого корабля разбивают на ячейки с линейным размером А
где Н - минимальное расстояние от пилотируемого корабля до ориентира на интервале времени видимости с пилотируемого корабля указанной области расположения ориентира относительно корабля.
На рисунке показан пример разбиения области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля, заданной на подстилающей поверхности, на ячейки с длиной стороны ячейки А.
Определяют центральные точки данных ячеек.
Определяют множество последовательных положений оси визирования аппаратуры наблюдения, которые последовательно проходят через центральные точки ячеек.
Определяют (рассчитывают) интервал времени видимости с пилотируемого корабля указанной области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля.
2
2
Формируют управляющие воздействия на перемещаемую аппаратуру наблюдения для переориентации аппаратуры наблюдения для достижения осью визирования аппаратуры наблюдения указанных последовательных положений (положений, которые проходят через центральные точки ячеек) в последовательные моменты времени, отстоящие один от другого на время Δt, значение которого менее величины TH(P-2E)/(2S)
где Т - длительность интервала времени видимости с корабля указанной области расположения ориентира относительно корабля;
S - площадь указанной области расположения ориентира относительно корабля.
Например, сформированную командную информацию на переориентацию АН относительно ПК из текущего углового положения до достижения данных требуемых угловых положений АН относительно ПК передают на блок/систему воспроизведения командной информации на переориентацию аппаратуры наблюдения, посредством которого воспроизводят данную командную информацию.
В качестве воспроизводимой командной информации на переориентацию АН могут выступать параметры положения оси визирования (ориентирования) АН относительно направления от АН на ориентир - например, графически отображается величина углового отклонения направления на ориентир от оси визирования (ориентирования) АН и величина азимутального угла, определяющего направление отсчета данного отклонения в плоскости, перпендикулярной оси визирования (ориентирования) АН.
Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней переориентирует (изменяет угловое положение) АН в требуемую ориентацию относительно ПК. При этом в процессе изменения углового положения АН посредством системы определения положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля непрерывно определяют текущее угловое положение АН относительно ПК и осуществляют перерасчет командной информации на переориентацию АН относительно ПК из текущего углового положения до достижения требуемых угловых положений АН относительно ПК.
В процессе данной переориентации аппаратуры наблюдения выполняют съемку подстилающей поверхности в моменты, когда ось визирования аппаратуры наблюдения достигает (совмещается с требуемой точностью) заданные положения оси визирования аппаратуры наблюдения, проходящие через центральные точки ячеек разбиения области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля. Съемка может выполняться как непосредственно по командной информации, поступающей на аппаратуру наблюдения непосредственно от оператора (космонавта), так и в автоматическом режиме по командной информации, поступающей на аппаратуру наблюдения из управляющей системы, осуществляющей контроль достижения осью визирования аппаратуры наблюдения указанных последовательных положений (положений, которые проходят через центральные точки ячеек) в последовательные моменты времени, отстоящие один от другого на время, определяемое соотношением (3).
После выполнения съемки подстилающей поверхности аппаратурой наблюдения во всех указанных последовательных угловых положениях аппаратуры наблюдения наблюдение текущего объекта (ориентира) считается выполненным.
Задание параметров аппаратуры наблюдения, устанавливающих величину минимального углового раствора поля зрения аппаратуры, определяемую соотношением (1), и использование значений размера ячеек, определяемых соотношением (2), обеспечивает гарантированное покрытие каждым выполненным снимком одной ячейки области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля. Переориентация аппаратуры наблюдения в требуемые положения в последовательные моменты времени, отстоящие один от другого на время, определяемое соотношением (3), обеспечивает гарантированную съемку всех ячеек области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля в течение интервала времени видимости с корабля указанной области расположения ориентира относительно корабля.
Вышеописанные действия повторяют, начиная с задания (выбора) следующего исследуемого объекта (ориентира) для реализации штатных сеансов наблюдений, с использованием перемещаемой относительно ПК аппаратуры наблюдения.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предложенное техническое решение обеспечивает гарантированную съемку всей возможной области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля путем учета погрешности переориентации оси визирования аппаратуры наблюдения в требуемые положения.
Достигаемая за счет учета погрешности переориентации оси визирования аппаратуры наблюдения в требуемые положения относительно пилотируемого корабля возможность гарантированного покрытия полем зрения перемещаемой аппаратуры наблюдения всей возможной области расположения ориентира относительно пилотируемого корабля обеспечивает гарантированное получение данных по задаваемым исследуемым объектам (ориентирам).
Данный положительный эффект достигается за счет выполнения предварительного определения ошибки (точности) построения ориентации аппаратуры наблюдения, предложенного разбиения прогнозируемой на подстилающей поверхности возможной области расположения ориентира относительно корабля на задаваемом интервале времени на ячейки предложенного размера и выполнением съемки подстилающей поверхности по предложенному алгоритму в процессе предложенной процедуры переориентации аппаратуры наблюдения.
Данный положительный эффект обеспечивает высокоточное целевое управление перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратурой наблюдения.
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 зарегистрированных аппаратурой наблюдения данных, включая проверку попадания исследуемого объекта (ориентира) в поле зрения аппаратуры наблюдения, а с другой стороны, регистрируемые данные обладают уникальностью и их потеря или получение не в полном объеме или несвоевременное включение аппаратуры при выполнении съемки 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.