Устройство для измерения угла отклонения оси космического аппарата от вертикальной плоскости планеты, перпендикулярной измерительной плоскости

 

Использование: космические навигационные приборы, точнее оптико-электронные приборы ориентации космических аппаратов, определяющих направление на центр планеты по ее инфракрасному излучению. Сущность изобретения: введение в известное устройство для измерения угла отклонения, содержащее оптико-механический блок, приемо-усилительный блок, пороговый блок, RS-триггер и два электронных переключателя, дифференцирующего блока, двух пиковых детекторов и делителя напряжения позволяет повысить точность измерения угла отклонения, упростить конструкцию и повысить надежность за счет устранения регулирующего нелинейного элемента. 1 п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к космическим навигационным приборам, точнее к оптико-электронным приборам ориентации космических аппаратов, определяющих направление на центр планеты по ее инфракрасному излучению, и может быть использовано при создании систем, предназначенных для решения задач точной ориентации и управления космическим аппаратом.

Известны устройства для ориентации искусственных спутников Земли, содержащие оптико-механический блок, включающий сканирующую и оптическую системы, а также приемо-усилительный блок и блок выработки информации см. например, патент США N 3 641 347, 1972 г. кл. 250-83.3.

Эти устройства обеспечивают измерение угла отклонения путем вращательного сканирования (по конусу) угловым полем с пересечением им инфракрасного горизонта Земли и использованием информации о входе и выходе из инфракрасного горизонта планеты.

Недостатком указанных устройств является низкая точность измерения угла отклонения из-за его определения не только по входу, но и по выходу из инфракрасного горизонта Земли (вследствие "затягивания" сигнала от Земли из-за инерционных свойств приемо-усилительного блока).

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения угла отклонения оси космического аппарата от вертикальной плоскости планеты, перпендикулярной измерительной плоскости прибор 254 К разработки НПО "Геофизика", содержащий оптико-механический блок, приемо-усилительный блок, два пороговых блока, регулирующий элемент, два электронных переключателя, RS-триггер, счетчик и два запоминающих блока (см. например, АЖ2.360.015 ТО).

В этом устройстве обеспечивается колебательное сканирование мгновенным угловым полем по траектории сканирования через инфракрасный диск планеты. При этом угол отклонения пропорционален разности углов срабатывания, отсчитанных от краев траектории сканирования до моментов превышения сигналов от планеты заданного (фиксированного) порогового уровня, а сами углы срабатывания измеряются только при вхождении углового поля в диск планеты с ее двух противоположных сторон (а не при входе и при выходе), что устраняет вышеуказанную погрешность измерения из-за "затягивания" сигнала от планеты. Указанное устройство осуществляет автоматическое изменение коэффициента передачи регулирующего элемента в зависимости от крутизны нарастания фронта сигнала от планеты (т.е. от яркости планеты с двух ее противоположных сторон в районах пересечения инфракрасного горизонта планеты траекторией сканирования).

Недостатками такого устройства являются наличие дополнительной погрешности измерения, малая надежность и сложность устройства, обусловленные наличием регулирующего элемента (например, полевого транзистора), который не обеспечивает полной компенсации ошибки из-за различий в яркости планеты с ее противоположных сторон во всем динамическом диапазоне сигналов от планеты с учетом заданного температурного диапазона в течение полного ресурса работы устройства, а также из-за нелинейности нарастания сигнала от планеты при вхождении углового поля в диск планеты (яркость планеты определяется косвенно по крутизне нарастания фронта сигнала с выхода приемо-усилительного блока).

Целью заявляемого технического решения является повышение точности измерения угла отклонения, упрощение конструкции и повышение надежности устройства.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения угла отклонения, содержащее последовательно соединенные оптико-механический блок и приемо-усилительный блок, последовательно соединенные RS-триггер и первый электронный переключатель, а также пороговый блок и второй электронный переключатель, причем второй и третий выходы оптико-механического блока соединены соответственно с первым и с вторым входами RS-триггера, соединенного выходом с первым входом второго электронного переключателя, введены дифференцирующий блок, два пиковых детектора и делитель напряжения, причем выход приемо-усилительного блока соединен с входом дифференцирующего блока, соединенного выходом с первым входом порогового блока и с вторым входом первого электронного переключателя, первый и второй выходы первого электронного переключателя соединены соответственно с входами первого и второго пиковых детекторов, соединенных выходами соответственно с вторым и третьим входами второго электронного переключателя, выход второго электронного переключателя соединен с входом делителя напряжения, соединенного выходом с вторым входом порогового блока.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, на фиг. 2 схема сканирования устройством диска планеты.

Устройство для измерения угла отклонения содержит: последовательно соединенные оптико-механический блок 1 и приемо-усилительный блок 2, последовательно соединенные RS-триггер 3 и первый электронный переключатель 4, а также пороговый блок 5 и второй электронный переключатель 6. Второй и третий выходы оптико-механического блока 1 соединены соответственно с первым и вторым входами RS-триггера 3, соединенного выходом с первым входом второго электронного переключателя 6. Дифференцирующий блок 7, первый и второй пиковые детекторы 8, 9 и делитель напряжения 10. Выход приемо-усилительного блока 2 соединен со входом дифференцирующего блока 7, соединенного выходом с первым входом порогового блока 5 и с вторым входом первого электронного переключателя 4. Первый и второй выходы первого электронного переключателя 4 соединены соответственно c входами первого и второго пиковых детекторов 8 и 9, соединенных выходами соответственно с вторым и третьим входами второго электронного переключателя 6. Выход второго электронного переключателя 6 соединен с входом делителя напряжения 10, соединенного выходом с вторым входом порогового блока 5.

На фиг. 2 показано: 11 инфракрасный (тепловой) диск планеты, имеющий угловой размер А для высоты полета Н космического аппарата над планетой с линейным радиусом R; 12 центр инфракрасного диска планеты 11; 13 - траектория сканирования угловым полем устройства через инфракрасный диск планеты 11, совпадающая с измерительной плоскостью; 14, 15 два крайних положения углового поля на траектории сканирования 13 соответственно, например левое 14 и правое 15; 16 центр траектории сканирования 13, совпадающий с направленной на планету осью космического аппарата; 17 положение вертикальной плоскости планеты, перпендикулярной измерительной плоскости 13; 18, 19 электрические сигналы соответственно на втором и третьем выходах оптико-механического блока 1; 20, 21 электрические сигналы соответственно на выходах RS-триггера 3 и приемо-усилительного блока 2; 22, 23, 24, 25 - электрические сигналы соответственно на выходах дифференцирующего блока 7, первого 8 и второго 9 пиковых детекторов и делителя напряжения 10; 26 - электрический сигнал на выходе порогового блока 5; T1, T2 угол срабатывания; В угол отклонения оси 16 космического аппарата от вертикальной плоскости планеты 17; U, T соответственно вертикальная ось напряжений (амплитуд) сигналов и горизонтальная ось углов срабатывания (совпадающая с осью времени t).

Оптико-механический блок 1 может быть выполнен, например в виде оптической системы (объектива), формирующей требуемое угловое поле и его сканирование по заданной траектории сканирования (например прямолинейной) при помощи оптического элемента (например плоского зеркала) с приводом (например колебательного сканирования), а также кодового устройства, формирующего на его первом и втором выходах кратковременные электрические сигналы логической единицы ("1") в моменты нахождения углового поля в двух крайних положениях на траектории сканирования. Приемо-усилительный блок 2 может быть выполнен, например в виде пироэлектрического приемника излучения МГ-32 с согласующим усилителем.

Устройство для измерения угла отклонения работает следующим образом. Оптико-механический блок 1 обеспечивает колебательное сканирование по заданной (например прямолинейной) траектории сканирования 13 (совпадающей с измерительной плоскостью) угловым полем от одного крайнего положения, например левого 14 до другого крайнего положения, правого 15 первый полупериод сканирования, и обратной от правого положения 15 до первоначального левого положения 14 второй полупериод сканирования. При этом на втором и третьем выходах оптико-механического блока 1 формируются кратковременные электрические сигналы логической единицы 18, 19 соответственно в моменты нахождения углового поля в левом 14 и в правом 15 крайних положениях на траектории сканирования 13. Тепловое излучение от планеты 11 с первого выхода оптико-механического блока 1 поступает на вход приемо-усилительного блока 2, где преобразуется в электрический сигнал, усиливается и в виде аналогового сигнала 21, в каждом полупериоде сканирования возрастающего от нуля до своего максимального значения в процессе углубления углового поля в инфракрасный горизонт планеты 11 и затем спадающего до нуля в процессе выхода углового поля из диска планеты 11, поступает на вход дифференцирующего блока 7, где дифференцируется, и полученный сигнал 22 с его выхода поступает на первый вход порогового блока 5 и второй вход электронного переключателя 4. Кратковременные электрические сигналы логической единицы с второго и третьего выходов оптико-механического блока 1 поступают соответственно на первый и второй входы RS-триггера 3, который по ним формирует на выходе сигнал 20 логической единицы в первый полупериод сканирования и логического нуля во второй полупериод сканирования. По этому сигналу 20 электронный переключатель 4 подключает поступающий с выхода дифференцирующего блока 7 сигнал 22 в первый полупериод сканирования к своему первому выходу, а во второй полупериод сканирования к своему второму выходу. Сигнал 22 поступает на первый 8 и второй 9 пиковые детекторы соответственно в первый и второй полупериоды сканирования, образуя на выходах пиковых детекторов 8 и 9 сигналы 23 и 24, соответствующие максимальным значениям сигнала 22 в первый и второй полупериоды сканирования. Электронный переключатель 6 подключает сигнал 23 в первый полупериод сканирования и сигнал 24 во второй полупериод сканирования ко входу делителя 10, где он уменьшается в К-раз (например в 3 раза) и сформированный на его выходе сигнал 25 поступает на второй вход порогового блока 5. В моменты, когда сигнал 22 на первом входе порогового блока 5 становится больше сигнала 25, на его выходе возникает сигнал 26, имеющий высокий (положительный) потенциал. При этом угол отклонения В оси 16 космического аппарата от вертикальной плоскости планеты 17, перпендикулярной измерительной плоскости 13, пропорционален разности углов срабатывания Т1 и Т2, отсчитанных соответственно от левого края 14 траектории сканирования 13 (от сигнала логической единицы 18) до момента превышения сигналов 22 порога срабатывания 25 на первом полупериоде сканирования (угол Т1) и от правого края 15 (от сигнала 19) до момента превышения сигналом Т2 порога срабатывания 25 на втором полупериоде сканирования (угол Т2).

При различной яркости планеты 11 с ее центром 12 в районах пересечения инфракрасного горизонта планеты с ее противоположных сторон порог срабатывания порогового блока 5 устанавливается на первом и втором полупериодах сканирования как соответствующая часть от максимума дифференцированного сигнала 22, а сам дифференцированный сигнал 22 прямо пропорционален яркости инфракрасного горизонта планеты в районе его пересечения угловым полем. Таким образом, углы срабатывания Т1 и Т2 и, соответственно, угол отклонения В не будут зависеть от яркости планеты и от нелинейности нарастания сигнала от планеты 21 в зависимости от угла заглубления Т углового поля в диск планеты 11, что повысит точность измерения. Изъятие из устройства регулирующего (нелинейного) элемента повысит точность и надежность устройства, а также упростит его конструкцию, так как нелинейные регулирующие элементы снижают устойчивость к внешним воздействующим факторам и требуют дополнительных подстроечных элементов.

Формула изобретения

Устройство для измерения угла отклонения оси космического аппарата от вертикальной плоскости планеты, перпендикулярной измерительной плоскости, содержащее последовательно соединенные оптико-механический блок и приемно-усилительный блок, последовательно соединенные RS-триггер и первый электронный переключатель, а также пороговый блок и второй электронный переключатель, причем второй и третий выходы оптико-механического блока соединены соответственно с первым и вторым входами RS-триггера, соединенного выходом и с первым входом второго электронного переключателя, отличающееся тем, что в него введены дифференцирующий блок, два пиковых детектора и делитель напряжения, причем выход приемно-усилительного блока соединен с входом дифференцирующего блока, соединенного выходом с первым входом порогового блока и с вторым входом первого электронного переключателя, первый и второй выходы первого электронного переключателя соединены соответственно с входами первого и второго пиковых детекторов, соединенных входами соответственно с вторым и третьим входами второго электронного переключателя, выход второго электронного переключателя соединен с входом делителя напряжения, соединенного выходом с вторым входом порогового блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2