Способ автоматического управления причаливанием

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано преимущественно для стыковки транспортных кораблей с орбитальной станцией. Предлагаемый способ включает в себя определение дальности, скорости сближения и углов рассогласования активного (АК) и пассивного (ПК) кораблей относительно линии визирования, вычисление углов и угловых скоростей линии визирования, регулирование скорости причаливания и ориентацию АК относительно системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел ПК. При этом перемещают центр масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования, до момента обнуления углов рассогласования ПК относительно этой линии на определенном расстоянии между АК и ПК. Затем движение АК в той же плоскости стабилизируют относительно достигнутого положения и одновременно производят разворот АК до обнуления его углов рассогласования. Запоминают угол указанного разворота АК и далее ориентируют АК в системе координат, скорректированной на величину запомненного угла. Корректируя таким образом систему координат, обнуляют углы линии визирования, управляя движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной этой линии. Технический результат изобретения состоит в повышении точности стыковки с одновременным исключением дальности при коррекции ошибок построения ориентации на АК и ПК.

Способ автоматического управления причаливанием относится к космической технике и может быть использован для стыковки транспортных кораблей с орбитальной станцией.

Известен способ автоматического управления причаливанием, в котором используют определение дальности, скорости сближения и углов рассогласования активного корабля (АК) относительно линии визирования, вычисление углов линии визирования и угловой скорости линии визирования, регулирование скорости причаливания в зависимости от дальности, ориентацию АК относительно той же системы координат, в которой ориентирован пассивный корабль (ПК), обнуление углов линии визирования управлением движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования, а также ориентацию ПК относительно заданной системы координат. Данный способ описан в патенте 2131387 от 10. 06.99.

Недостатком данного способа автоматического управления причаливанием является зависимость точности стыковки от ошибок построения и ухода систем координат, относительно которых ориентируют АК и ПК. Системы координат строят на разных кораблях с использованием разных датчиков, которые, в свою очередь, устанавливаются с независимыми ошибками. Кроме этого, с момента построения систем координат до момента касания может пройти много времени (например, виток), за которое ориентация и АК и ПК может отклониться от заданного направления из-за уходов от времени датчиковой аппаратуры. Все эти погрешности приводят к дополнительным ошибкам в момент касания.

Известен способ автоматического управления причаливанием, выбранный в качестве прототипа и реализованный в системе управления (патент 2104233 от 10. 02.98), включающий определение дальности, скорости сближения и углов рассогласования АК и ПК относительно линии визирования, вычисление углов линии визирования и угловой скорости линии визирования, регулирование скорости причаливания в зависимости от дальности, ориентацию АК относительно той же системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел ПК, обнуление углов линии визирования путем управления движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования, а также ориентацию ПК относительно заданной системы координат. В данной системе на заранее выбранной дальности производят коррекцию системы координат, относительно которой ориентируют АК по углам рассогласования ПК относительно линии визирования.

Данный способ управления устраняет влияние ошибок построения и ухода систем координат АК и ПК, относительно которых их ориентируют в процессе причаливания. Однако введение поправки в систему ориентации АК требует знания углов рассогласования ПК относительно линии визирования, определенных относительно его центра масс. Поскольку определение этих углов производят измерителем, установленным близко к стыковочному узлу, то величина определенных углов зависит от расстояния, на котором производят поправку. Если расстояние между АК и ПК существенно больше, чем выносы чувствительных элементов определителя углов рассогласования на АК и ПК, то ошибки определения углов существенно не влияют на точность коррекции. Однако необходимость измерения углов рассогласования ПК относительно линии визирования на больших расстояниях, например, одна - две сотни метров, может усложнить устройство для определения этих углов. Если расстояние между АК и ПК сравнимо с выносом чувствительных элементов на АК и ПК, то определенные углы рассогласования ПК должны быть приведены к углам, определенным относительно его центра масс. Это обстоятельство требует точного измерения дальности, в том числе и на малых расстояниях между АК и ПК, что приводит к зависимости точности стыковки от ошибок измерения расстояния. Кроме этого для ПК сложной конфигурации, какой является, например, международная космическая станция, точное положение центра масс может быть неизвестно. Эта неопределенность также приведет к дополнительным ошибкам при приведении углов рассогласования ПК к его центру масс.

Задачей изобретения является повышение точности стыковки с одновременным исключением использования дальности при коррекции ошибок построения ориентации на АК и ПК.

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления причаливанием, включающем определение дальности, скорости сближения и углов рассогласования АК и ПК относительно линии визирования, вычисление углов линии визирования и угловой скорости линии визирования, регулирование скорости причаливания в зависимости от дальности, ориентацию АК относительно той же системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел ПК, обнуление углов линии визирования путем управления движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования, а также ориентацию ПК относительно заданной системы координат, в отличие от известного производят перемещение центра масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования, до момента обнуления углов рассогласования ПК относительно линии визирования на расстоянии между АК и ПК, определяемой дальностью, на которой измеряют углы рассогласования ПК относительно линии визирования, и расходом рабочего тела АК, затем движение центра масс АК в той же плоскости стабилизируют относительно достигнутого положения и одновременно производят разворот АК вокруг центра масс до момента обнуления углов рассогласования АК относительно линии визирования, в момент обнуления последних запоминают величину угла разворота АК вокруг центра масс, после чего ориентацию АК вокруг центра масс производят относительно системы координат, скорректированной на величину запомненного угла, и возобновляют обнуление углов линии визирования путем управления движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предложенном способе управления коррекцию ошибок знания и ухода систем координат, относительно которых ориентируют АК и ПК при причаливании, производят обнулением углов рассогласования АК и ПК путем перемещения центра масс АК и вращением АК вокруг центра масс. Такая коррекция не требует введения поправки в измеренные углы рассогласования АК и ПК из-за выноса их чувствительных элементов к стыковочным узлам, как это необходимо в прототипе. Это позволяет снять требование точного измерения дальности, в том числе и на малых расстояниях, сравнимых или меньше выноса чувствительных элементов измерителя к стыковочным узлам на АК и ПК от их центров масс. Предложенный способ коррекции позволяет использовать прямые измерения углов рассогласования АК и ПК при причаливании.

Предлагаемый способ управления может быть реализован следующим образом с применением известных устройств.

Для определения параметров относительного движения может быть использована аппаратура “Курс”, применяемая на пилотируемых и грузовых кораблях "Союз ТМ" и "Прогресс М". Данная аппаратура измеряет дальность, скорость сближения и углы рассогласования АК и ПК относительно линии визирования.

Для построения одной и той же системы координат на АК и ПК может быть использована система орбитальной ориентации, также применяемая на кораблях "Союз ТМ" и "Прогресс М". В качестве датчика используется инфракрасная вертикаль.

При управлении движением вокруг центра масс могут использоваться гироскопические датчики угловых скоростей, аналогичные используемым на кораблях "Союз ТМ" и "Прогресс М" и орбитальной станции “Мир”.

В качестве исполнительных органов применимы реактивные двигатели, используемые на кораблях "Союз ТМ" и "Прогресс М" при причаливании.

В момент перехода к причаливанию АК разворачивают вокруг центра масс для выставки его связанных осей относительно заданной системы координат. Эта операция может быть выполнена системой ориентации кораблей "Союз ТМ" и "Прогресс М", на которых разворот в требуемое положение является штатной процедурой.

По углам рассогласования АК относительно линии визирования вычисляют углы, определяющие положение линии визирования. Для этого из значения текущего угла рассогласования АК относительно выбранной системы координат вычитают значение угла рассогласования АК относительно линии визирования. Процесс вычитания может быть выполнен на аналоговом усилителе. Влиянием угла отклонения ПК относительно выбранной системы координат можно пренебречь. Линейное смещение стыковочного узла будет отслеживать АК своим движением центра масс, а дополнительный угловой перекос осей в момент касания увеличится на величину не больше зоны нечувствительности системы ориентации ПК. Необходимую для управления угловую скорость линии визирования получают вычитанием из угловой скорости движения АК, вокруг выбранной системы координат, угловой скорости рассогласования АК относительно линии визирования, получаемой дифференцированием этого угла. Вычисление угловой скорости рассогласования можно выполнять включением интегратора в обратную связь усилителя, а для вычитания использовать аналоговый усилитель. Причем дифференцирование допустимо производить с постоянной времени 1-3 с. По вычисленным параметрам организуют включение двигателей перемещения центра масс АК. Для этого достаточно суммировать углы линии визирования с угловой скоростью линии визирования, а суммарный сигнал подавать на нелинейный элемент с зоной нечувствительности. Величина зоны нечувствительности выбирается, исходя из требуемой точности стыковки. При превышении суммарного сигнала заданной зоны нечувствительности формируют управляющие импульсы, подаваемые на исполнительные органы, длительность включения которых пропорциональна суммарному сигналу. Подобным образом организовано включение исполнительных органов на кораблях "Союз ТМ" и "Прогресс М".

При проведении коррекции ошибок в каналы управления движением центра масс АК в плоскости, перпендикулярной линии визирования, вместо углов линии визирования вводят углы рассогласования ПК относительно линии визирования. Само управление производят, как и при обнулении углов линии визирования. В момент обнуления углы рассогласования ПК отключают от управления и начинают стабилизацию движения центра масс АК по угловой скорости линии визирования, вычисляемой описанным выше способом, и интегралу от этой угловой скорости, Вычисление интеграла можно производить с помощью интегратора. Одновременно в канал ориентации АК вместо углов рассогласования относительно заданной системы координат вводят углы рассогласования АК относительно линии визирования. Вращение АК выполняют до обнуления этих углов. В момент обнуления запоминают углы разворота АК вокруг центра масс, что может быть выполнено с помощью интегратора, и вводят эти углы как поправку в систему ориентации АК. После этого возобновляют управление движением центра масс АК для обнуления углов линии визирования, а стабилизацию АК вокруг центра масс осуществляют относительно скорректированной системы координат.

Формула изобретения

Способ автоматического управления причаливанием, включающий определение дальности, скорости сближения и углов рассогласования активного и пассивного кораблей относительно линии визирования, вычисление углов и угловых скоростей линии визирования, регулирование скорости причаливания в зависимости от дальности, ориентацию активного корабля относительно той системы координат, в которой ориентирован стыковочный узел пассивного корабля, обнуление углов линии визирования путем управления движением центра масс активного корабля в плоскости, перпендикулярной линии визирования, а также ориентацию пассивного корабля относительно заданной системы координат, отличающийся тем, что производят перемещение центра масс активного корабля в плоскости, перпендикулярной линии визирования, до момента обнуления углов рассогласования пассивного корабля относительно линии визирования на расстоянии между активным и пассивным кораблями, определяемом дальностью, на которой измеряют данные углы рассогласования пассивного корабля, и расходом рабочего тела активного корабля, затем движение центра масс активного корабля в той же плоскости стабилизируют относительно достигнутого положения и одновременно производят разворот активного корабля вокруг центра масс до момента обнуления углов рассогласования активного корабля относительно линии визирования, запоминают в этот момент величину угла указанного разворота активного корабля, после чего ориентацию активного корабля вокруг центра масс производят относительно системы координат, скорректированной на величину запомненного угла, и возобновляют указанное обнуление углов линии визирования путем указанного управления движением центра масс активного корабля.