СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ВОКРУГ ЦЕНТРА МАСС ПРИ ПОДДЕРЖАНИИ ОРИЕНТАЦИИ
METHOD OF CONTROLLING SPACECRAFT MOTION ABOUT CENTRE OF MASS IN MAINTAINING ORIENTATION

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для поддержания ориентации космического аппарата (КА).
Известен способ управления КА, в котором при поддержании ориентированного положения вводится несколько пороговых значений по углу. При превышении каждого из порогов прикладывается минимально возможное управляющее воздействие для изменения угловой скорости КА. В установившемся режиме этот способ управления обеспечивает движение КА с минимально достигаемыми угловыми скоростями. Однако переходной процесс получается длительным по времени. Кроме этого, появление даже незначительных возмущающих ускорений, например, от приложения управляющих воздействий в соседних каналах управления или вследствие несимметричности КА от вращения в соседних каналах управления приводит к плохо контролируемому изменению угловой скорости.
Наиболее остро проблема поддержания ориентации КА с минимально достижимыми угловыми скоростями стоит при причаливании - ручном или автоматическом, поскольку этот процесс динамичен, а частые включения исполнительных органов для коррекции движения центра масс и вокруг центра масс усложняют процесс поддержания ориентированного положения. Вследствие этого описанный способ управления не приемлем для использования при причаливании.
Известен способ управления КА (патент 2144692 от 17.08.98.), включающий определение угла рассогласования и угловой скорости, в котором при поддержании ориентированного положения используется раздельный анализ значений угла рассогласования и угловой скорости относительно заданных пороговых значений. В этом способе управления при превышении углом рассогласования или угловой скоростью заданных пороговых значений производится приложение управляющих воздействий для уменьшения рассогласования. При значениях угла рассогласования и угловой скорости, меньших заданных пороговых значений, регулирование прекращается. В системе ориентации, реализующей этот способ управления и используемой при причаливании, порог срабатывания по углу - ±0.5 градуса, по угловой скорости - ±0.05 град/сек.
Этот способ управления обеспечивает поддержание ориентации КА с требуемыми точностями по углу и угловой скорости, и длительностями переходных процессов как при отсутствии малых возмущающих ускорений, так и при их наличии. Недостатком этого способа управления является то обстоятельство, что при угловых скоростях, меньших заданного порога срабатывания, не производится контроль величины угловой скорости. Поэтому КА может иметь различные по величине угловые скорости, в том числе и близкие к порогу срабатывания. Переходной процесс до уменьшения угловых скоростей до значений, которые определяются величиной минимального управляющего воздействия, может быть достаточно длительным. Регулирование угловой скорости начнется только при достижении или порога срабатывания по углу, или порога срабатывания по угловой скорости. При достижении порога срабатывания по угловой скорости, что может произойти при действии слабого возмущающего ускорения от приложения управляющих воздействий в соседних каналах управления, уменьшение угловой скорости произойдет достаточно быстро. Но до достижения порогового значения КА будет вращаться с угловой скоростью, значительно превышающей минимально возможные.
Если в процессе поддержания ориентации не будет преодолен порог срабатывания по угловой скорости, то только по достижении порога срабатывания по углу будет производиться регулирование угловой скорости КА. При величине порога срабатывания по углу, применяемому в канале ориентации при причаливании - ±0.5 градуса, изменение угла от одного порога срабатывания до порогового значения противоположного знака зависит от величины угловой скорости. При ее значениях, близких к порогу срабатывания, длительность процесса может быть десятки секунд.
Уменьшение величины порога срабатывания по угловой скорости ограничивается точностями измерения угловых скоростей датчиковой аппаратурой, флюктуационными ошибками измерения угловых скоростей, а также упругими колебаниями конструкции КА. Все эти факторы в совокупности не позволяют уменьшать порог срабатывания по угловой скорости до желательных значений, что отрицательно влияет на качество ручного и автоматического управления причаливанием. От величины угловой скорости внутри зоны нечувствительности по углу зависит точность оценки угловой скорости линии визирования, которая определяет относительное движение центров масс стыкующихся кораблей. Значения угловой скорости, меньшие порога срабатывания, но близкие к нему для выполнения ручного причаливания, недопустимы.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности регулирования угловой скорости вокруг центра масс при значениях угла рассогласования и угловой скорости, меньших заданных пороговых значений.
Технический результат достигается тем, что в способе управления движением космического аппарата вокруг центра масс при поддержании ориентированного положения, включающего определение угла рассогласования и угловой скорости, приложение управляющего воздействия вокруг центра масс при превышении углом рассогласования или угловой скоростью заданных пороговых значений, в отличие от прототипа при значениях угла рассогласования и угловой скорости, меньших заданных пороговых значений, определяют угол дрейфа путем интегрирования угловой скорости на интервале времени, максимальная величина которого должна быть меньше полупериода изменения угла внутри его зоны нечувствительности при значении угловой скорости, равной величине порога срабатывания, а минимальная величина интервала времени должна быть больше периода упругих колебаний конструкции космического аппарата, и производят приложение минимального управляющего воздействия, если по окончании заданного интервала времени угол дрейфа будет равен или превысит первое пороговое значение, равное приращению угла рассогласования при угловой скорости, равной ее расчетному изменению от приложения минимального управляющего воздействия, а также производят приложение управляющего воздействия при достижении или превышении углом дрейфа второго порогового значения, уменьшенного относительно первого на величину, определяемую отношением порогового значения по угловой скорости к расчетному изменению ее от приложения минимального управляющего воздействия, а длительность этого управляющего воздействия определяют по отношению средней угловой скорости дрейфа, вычисленной по углу дрейфа и интервалу времени, за который угол дрейфа достиг второго порогового значения, к расчетному значению управляющего ускорения вокруг центра масс, знак управляющего воздействия противоположен знаку угла дрейфа при каждом приложении управляющего воздействия, по истечении временного интервала или после приложения управляющего воздействия производят обнуление угла дрейфа, а затем возобновляют определение угла дрейфа и отсчет временного интервала с нулевых значений.
Уменьшение угловой скорости внутри зоны нечувствительности по углу и угловой скорости повышает точность измерения угловой скорости линии при выполнении ручного или автоматического причаливания. Включения исполнительных органов в каналах управления ориентацией и центра масс при причаливании приводит к появлению возмущающих ускорений вокруг центра масс не только в канале, где производится регулирование, но и в соседних каналах управления, которые, будучи меньшими по величине, тем не менее, изменяют угловую скорость внутри зоны нечувствительности.
Уменьшение порога срабатывания по угловой скорости ограничено влиянием упругих колебаний и точностями измерителя угловой скорости. Поэтому в предлагаемом способе управления введена интегральная оценка средней угловой скорости. Для этого задается временной интервал, на котором производится накопление угла дрейфа, интегрированием угловой скорости, и первое пороговое значение по углу дрейфа. Величина временного интервала должна быть меньше длительности движения КА от одного порогового значения по углу рассогласования до порогового значения противоположного знака. Минимальная величина вводимого временного интервала должна быть больше низкочастотного периода упругих колебаний конструкции КА, а также удовлетворять требованиям по длительности переходного процесса по уменьшению угловой скорости дрейфа. Пороговое значение угла дрейфа определяется по величине приращения угловой скорости от приложения минимального управляющего воздействия, умноженной на величину временного интервала. По окончании временного интервала угол дрейфа может быть равен или больше первого порогового значения, что будет означать, что фактическая угловая скорость близка к приращению угловой скорости от приложения минимального управляющего воздействия. Поэтому производится приложение минимального управляющего воздействия для уменьшения угловой скорости КА. Знак управляющего воздействия противоположен знаку угла дрейфа. После выдачи управляющего воздействия угол дрейфа и счетчик временного интервала будут обнулены, а затем возобновлено интегрирование угла дрейфа и отсчет временного интервала.
Если по окончании временного интервала угол дрейфа будет меньше первого порогового значения, то будет обнулен угол дрейфа и счетчик временного интервала, а затем возобновлено интегрирование угла дрейфа и отсчет временного интервала с нулевых значений.
Дрейф КА от одного порога срабатывания по углу до противоположного может проходить и с угловыми скоростями большими, чем ее изменение от приложения минимального управляющего воздействия. Для оценки среднего значения угловой скорости в этом случае вводится второй, меньший первого, порог срабатывания по углу дрейфа. Уменьшение второго порогового значения должно быть пропорционально отношению порогового значения по угловой скорости к изменению ее от приложения минимального управляющего воздействия, с тем чтобы уменьшить длительность накопления угла дрейфа. Большие по значению угловые скорости, чем ее изменение от приложения минимального управляющего воздействия, дают возможность выполнить уменьшение угловой скорости до окончания временного интервала.
Если угол дрейфа достигнет второго порогового значения до окончания временного интервала, то производится определение средней угловой скорости. Для этого значение угла дрейфа делится на время, за которое угол дрейфа достиг порогового значения. По величине средней угловой скорости, отнесенной к расчетному значению углового ускорения, определяется длительность управляющего воздействия. Знак управляющего воздействия противоположен знаку угла дрейфа. После выдачи управляющего воздействия будут обнулены угол дрейфа и счетчик временного интервала, а затем возобновлены интегрирование угла дрейфа и отсчет временного интервала.
С учетом предлагаемого технического решения было проведено моделирование автоматического причаливания грузового корабля «Прогресс». При моделировании были установлены следующие параметры:
- первый порог срабатывания по углу дрейфа |0.1| градуса,
- второй порог срабатывания по углу дрейфа |0.05| градуса,
- длительность временного интервала 5 секунд.
В качестве информации об угле рассогласования использовались управляющие сигналы радиоаппаратуры автоматической системы управления сближением и причаливанием. Угловые скорости поступали из модели блока измерения угловых скоростей КА. Исполнительные органы - реактивные двигатели, установленные на грузовом корабле «Прогресс» для причаливания. Реактивные двигатели в канале ориентации обеспечивают изменение угловой скорости |0.02| град/сек при приложении управляющего воздействия минимальной длительности.
Результаты моделирования показали, что регулирование угловой скорости внутри зоны нечувствительности практически не привело к увеличению расхода рабочего тела на причаливание, но дало уменьшение промаха на 1-3 см.
Уменьшение промаха объясняется тем, что вследствие меньшей угловой скорости вокруг центра масс канал управления движением центра масс, имеющий большие, чем канал ориентации, постоянные времени, точнее отслеживает положение центра масс. Кроме этого, при уменьшении угловых скоростей вокруг центра масс уменьшается влияние ориентации на угловые измерения положения центра масс при причаливании, что и приводит к положительному результату.