СПОСОБ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИЧАЛИВАНИЕМ
METHOD FOR SEMI-AUTOMATIC CONTROL BERTHING

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для управления космическим кораблем при причаливании.
Известна автоматическая система управления причаливанием (патент 2482033), в которой активный корабль (АК) вокруг центра масс ориентирован относительно той же системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел пассивного корабля (ПК). По измеренным относительно корпуса АК углам рассогласования, с учетом положения связанных с АК осей относительно поддерживаемого положения, корректируют движение центра масс в плоскости, перпендикулярной линии визирования. В продольном канале управления поддерживается заданная зависимость скорости причаливания от дальности.
Известна система полуавтоматического управления причаливанием корабля «Союз», описание которой приведено в книге А.А. Лебедев, В.Б. Соколов «Встречи на орбите» (Глава 4. Причаливание и стыковка).
В этой системе управления космонавт осуществляет регулирование скорости причаливания в зависимости от дальности.
Наблюдение ПК космонавт ведет по оптическому прибору, установленному на АК. На ПК соосно с оптическим прибором установлена стыковочная мишень, которая состоит из выносного креста, отстоящего от основания мишени на 400 мм, и креста, нарисованного на основании стыковочной мишени. Номинальное положение к моменту касания - выносной крест должен накладываться на крест основания мишени и совпадать с перекрестием оптического прибора.
Управление движением вокруг центра масс космонавт осуществляет по углу рассогласования относительно линии визирования, который определяет визуально по отклонению изображения выносного креста стыковочной мишени относительно перекрестия оптического прибора наблюдения внешней обстановки. Управление движением центра масс в плоскости, перпендикулярной линии визирования, космонавт производит по углу рассогласования, который определяет визуально по отклонению выносного креста стыковочной мишени относительно креста на ее основании.
При наличии рассогласований космонавт отклонениями ручек управления корректирует угловое положение вокруг центра масс и положение центра масс АК относительно линии визирования.
В процессе причаливания при отклонении ручки управления движением вокруг центра масс (РУО) контур управления АК автоматически обеспечивает набор скорости вращения вокруг центра масс, пропорциональной сигналу РУО. При постановке РУО в нейтральное положение выполняется автоматическое гашение угловой скорости вращения и в дальнейшем автоматическое поддержание угловой скорости вокруг центра масс в заданных пределах. Пассивный корабль автоматически стабилизируется относительно инерциальной системы координат.
Вследствие того что и стыковочная мишень на ПК и оптический прибор на АК достаточно далеко расположены от центров масс, то любое отклонение АК или ПК вокруг центра масс от линии визирования вызывает отклонение выносного креста относительно креста основания мишени и перекрестия оптического прибора. Равно как и смещение центра масс АК относительно линии визирования вызывает смещение выносного креста относительно перекрестия прибора наблюдения внешней обстановки и отклонение выносного креста относительно креста основания мишени.
Поэтому после каждого регулирования движения центра масс или вокруг центра масс неизбежно появляется рассогласование во взаимном положении крестов, что затрудняет выполнение ручного причаливания.
Этот недостаток усиливается при наличии запаздывания в тракте формирования изображения стыковочной мишени и запаздывания при передаче команд от ручек управления на исполнительные органы АК.
При управлении ориентацией угловая скорость вращения АК задается пропорционально углу отклонения РУО. И эта скорость поддерживается до возврата РУО в нейтральное положение. Запаздывание при представлении изображения стыковочной мишени космонавту, равно как и запаздывание при наборе и сбросе угловой скорости АК, неизбежно ведет к ошибкам управления - перерегулированию или недорегулированию. Как результат - дополнительные отклонения РУО уже для компенсации ошибок регулирования.
Техническим результатом изобретения являются повышение качества полуавтоматического управления причаливанием в условиях взаимосвязи каналов управления, наличия запаздываний в каналах передачи изображения стыковочной мишени и при передаче команд от ручек управления на АК.
Технический результат достигается тем, что в способ ручного управления причаливанием, включающий регулирование скорости причаливания в зависимости от дальности, автоматическую ориентацию активного и пассивного кораблей, визуальное определение угла по отклонению выносного креста стыковочной мишени относительно перекрестия оптического средства наблюдения внешней обстановки, в отличие от известного автоматическую ориентацию активного корабля производят относительно той же системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел пассивного корабля, а управление движением центра масс активного корабля выполняют по углу отклонения активного корабля относительно поддерживаемой системы координат, который определяют визуально.
Технический результат достигается тем, что при ориентации активного корабля относительно той же системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел, исключается необходимость управления ориентацией активного корабля в процессе причаливания, что уменьшает влияние взаимосвязи каналов управления движениями центра масс и вокруг центра масс. Отклонение выносного креста стыковочной мишени, а также любое расхождение крестов стыковочной мишени устраняется только движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной продольной оси АК.
Наличие запаздывания при передаче изображения может существенно затруднить, а в принципе сделать невозможным выполнения причаливания в телеоператорном режиме. Ситуация усугубляется при наличии запаздывания при передаче команд от ручек управления, поэтому исключение необходимости регулировать ориентацию АК при причаливании уменьшает вероятность ошибочных действий космонавта.
Перевод АК в ориентацию относительно заданной системы координат должен выполняться по внешней команде (например, с пульта управления) после зависания (автоматического или ручного) напротив требуемого стыковочного узла ПК.
Поскольку движение АК вокруг центра масс вызывает расхождение крестов, то это влияние может быть сведено к минимуму выбором порогов срабатывания в системе ориентации АК. Например, пороговое значение по углам в системе ориентации АК при причаливании можно задать ±0.2 градуса, что не окажет принципиального влияния на промах в момент касания.
Поскольку величины управляющих ускорений в каналах управления в плоскости, перпендикулярной продольной оси АК, меньше, чем в каналах ориентации, то и запаздывание при передаче команд для регулирования движения центра масс сказывается в меньшей степени. Эффективность ускорений, используемых для коррекции бокового движения центра масс, увеличивается по мере уменьшения расстояния между АК и ПК и становится сравнимой с эффективностью ускорений вокруг центра масс с дальности 30-20 метров до касания. Введением импульсного включения исполнительных органов при коррекции движения центра масс можно снижать их эффективность на небольших расстояниях и, тем самым, уменьшать влияние запаздывания в канале передачи команд на АК.
Предлагаемый способ управления можно реализовать системой управления, используемой на модернизированных пилотируемых кораблях «Союз», оснащенных бортовой вычислительной машиной. Цифровая система управления этих кораблей обеспечивает автоматическую выставку и поддержание ориентированного положения АК в той же системе координат, например орбитальной, в которой ориентирован требуемый узел МКС. А по визуальному наблюдению МКС через оптический прибор ВСК космонавт может регулировать движение центра масс АК в плоскости, перпендикулярной продольной оси АК. Отклонение от номинального положения космонавт определяет визуально по положению изображения выносного креста стыковочной мишени относительно перекрестия прибора.
Использование предлагаемого способа управления на пилотируемых кораблях упростит работу космонавта и, тем самым, повысит точность выполнения ручного причаливания.
Предлагаемый способ ручного управления может быть реализован и в телеоператорном режиме управления (ТОРУ) на беспилотных грузовых кораблях «Прогресс», оснащенных бортовой вычислительной машиной. Ручное управление кораблем «Прогресс» в ТОРУ также должно выполняться через ботовую вычислительную машину, в программном обеспечении которой должны быть такие же алгоритмы ручного управления, которые применяются на модернизированных пилотируемых кораблях «Союз».
В телеоператорном режиме управления грузовыми кораблями «Прогресс» (АК) телевизионная камера устанавливается на грузовом корабле, а получаемое изображение МКС и стыковочной мишени передается на МКС (ПК). Рабочее место космонавта оборудовано на МКС, и команды от ручки управления ориентацией (РУО) и ручки управления движением (РУД) передаются на исполнительные органы АК.
Влияние запаздывания в канале передачи изображения с АК на ПК можно исключить, установив телевизионную камеру на ПК, а на АК соосно с ней - стыковочную мишень. От варианта размещения визуальных средств действия космонавта не изменяются - при наличии отклонения изображения выносного креста стыковочной мишени от перекрестия телевизионной камеры отклонениями РУД, то есть, задавая движение центра масс АК в плоскости, перпендикулярной продольной оси АК, устранить рассогласования.
Телевизионная камера, устанавливаемая на пассивном корабле, будет служить весь срок полета пассивного корабля. Поскольку установка телевизионной камеры на АК необходима для контроля дальнего участка сближения и облета, то установка телевизионной камеры и на ПК обеспечит резервирование средств визуального наблюдения на наиболее опасном участке - при причаливании. Одновременно, манипулируя переключением телевизионных камер, можно улучшать наблюдаемость стыковочной мишени при засветке их Солнцем.