Спосіб автоматичного керування причалюванням - патент Україна 2225812 - Афонін В
Винахід відноситься до космічної техніки і може бути використане переважно для стикування транспортних кораблів із орбітальною станцією. Пропонований спосіб включає визначення дальності, швидкості зближення і кутів неузгодження активного (АК) і пасивного (ПК) кораблів щодо лінії візування, обчислення кутів і кутових швидкостей лінії візування, регулювання швидкості причалювання і орієнтацію АК щодо системи координат, в якій орієнтований стикувальний вузол ПК. При цьому переміщують центр мас АК у площині, перпендикулярній лінії візування, до моменту обнулення кутів неузгодженості ПК щодо цієї лінії на певній відстані між АК та ПК. Потім рух АК у тій же площині стабілізують щодо досягнутого становища і одночасно виробляють розворот АК до обнулення його кутів неузгодженості. Запам'ятовують кут зазначеного розвороту АК і далі орієнтують АК у системі координат, скоригованої величину запам'ятовованого кута. Коригуючи таким чином систему координат, обнулюють кути лінії візування, керуючи рухом центру мас АК у площині перпендикулярної цієї лінії. Технічний результат винаходу полягає у підвищенні точності стикування з одночасним винятком дальності при корекції помилок побудови орієнтації на АК та ПК.
Спосіб автоматичного керування причалюванням відноситься до космічної техніки і може бути використаний для стикування транспортних кораблів із орбітальною станцією.
Відомий спосіб автоматичного управління причалюванням, в якому використовують визначення дальності, швидкості зближення та кутів неузгодженості активного корабля (АК) щодо лінії візування, обчислення кутів лінії візування такутовий швидкості лінії візування, регулювання швидкості причалювання залежно від дальності, орієнтацію АК щодо тієї ж системи координат, в якій орієнтований пасивний корабель (ПК), обнулення кутів лінії візування керуванням рухом центру мас АК у площині, перпендикулярної лінії візування, а також орієнтацію ПК щодо заданої системи координат. Даний спосіб описаний у патенті 2131387 від 10. 06.99.
Недоліком даного способу автоматичного керування причалюванням є залежність точності стикування від помилок побудови та догляду систем координат, щодо яких орієнтують АК та ПК. Системи координат будують на різних кораблях з використанням різних датчиків, які в свою чергу встановлюються з незалежними помилками. Крім цього, з моменту побудови систем координат до моменту торкання може пройти багато часу (наприклад, виток), за яке орієнтація і АК і ПК може відхилитися від заданого напрямку через відходи від часу датчикової апаратури. Всі ці похибки призводять до додаткових помилок під час торкання.
Відомий спосіб автоматичного управління причалюванням, обраний як прототип і реалізований в системі управління (патент 2104233 від 10. 02.98), що включає визначення дальності, швидкості зближення і кутів неузгодженості АК і ПК щодо лінії візування, обчислення кутів лінії візування та кутів регулювання швидкості причалювання залежно від дальності, орієнтацію АК щодо тієї ж системи координат, в якій орієнтований стикувальний вузол ПК, обнулення кутів лінії візування шляхом управління рухом центру мас АК у площині, перпендикулярної лінії візування, а також орієнтацію ПК щодо заданої системи координат. Уданої системи на заздалегідь вибраної дальності коректують систему координат, щодо якої орієнтують АК по кутах неузгодженості ПК щодо лінії візування.
Даний спосіб управління усуває вплив помилок побудови та догляду систем координат АК та ПК, щодо яких їх орієнтують у процесі причалювання. Проте запровадження поправки до системи орієнтації АК вимагає знання кутів неузгодженості ПК щодо лінії візування, визначених щодо його центру мас. Оскільки визначення цих кутів виробляють вимірювачем, встановленим близько до стикувального вузла, величина певних кутів залежить від відстані, на якій проводять поправку. Якщо відстань між АК та ПК істотно більша, ніж виноси чутливих елементів визначника кутів неузгодженості на АК та ПК, то помилки визначення кутів істотно не впливають на точність корекції. Однак необхідність вимірювання кутів неузгодженості ПК щодо лінії візування на великих відстанях, наприклад, одна - дві сотні метрів, може ускладнити пристрій визначення цих кутів. Якщо відстань між АК і ПК порівняно з виносом чутливих елементів на АК і ПК, певні кути неузгодженості ПК повинні бути приведені до кутів, визначених щодо його центру мас. Ця обставина вимагає точного виміру дальності, у тому числі і на малих відстанях між АК та ПК, що призводить до залежності точності стикування від помилок виміру відстані. Крім цього для ПК складної конфігурації, якою є, наприклад, міжнародна космічна станція, точне положення центру мас може бути невідомим. Ця невизначеність також призведе до додаткових помилок при приведенні кутів неузгодженості ПК до центру мас.
Завданням винаходу єпідвищення точності стикування з одночасним виключенням використання дальності при корекції помилок побудови орієнтації на АК та ПК.
Поставлена задача досягається тим, що в способі управління причалюванням, що включає визначення дальності, швидкості зближення і кутів неузгодженості АК і ПК щодо лінії візування, обчислення кутів лінії візування та кутової швидкості лінії візування, регулювання швидкості причалювання в залежності від дальності, орієнтацію АК щодо тієї ж системи координат, в якій орієнтований стикувальний вузол ПК, обнулення кутів лінії візування шляхом керування рухом центру мас АК в площині, перпендикулярної лінії візування, а також орієнтацію ПК щодо заданої системи координат, на відміну від відомого роблять переміщення центру мас АК в площині перпендикулярної лінії візування, до моменту обнулення кутів неузгодження ПК щодо лінії візування на відстані між АК і ПК, що визначається дальністю, на якій вимірюють кути неузгодження ПК щодо лінії візування, і витратою робочого тіла АК, потім рух центру мас АК в тій же площині стабілізують щодо досягнутого положення і одночасно проводять розворот АК навколо центру мас до моменту обнулення кутів неузгодженості АК щодо лінії візування, в момент обнулення останніх запам'ятовують величину кута розвороту АК навколо центру мас, після чого орієнтацію АК навколо центру мас проводять щодо системи координат, скоригованої на величину запам'ятовуваного кута, і відновлюють обнулення кутів лінії візування шляхом управління рухом центру мас АК в площині перпендикулярної лінії візування.
Поставлене завдання досягається за рахунок того, що в запропонованому способі управліннякорекцію помилок знання та догляду систем координат, щодо яких орієнтують АК та ПК при причалюванні, проводять обнуленням кутів неузгодженості АК та ПК шляхом переміщення центру мас АК та обертанням АК навколо центру мас. Така корекція не вимагає введення поправки у виміряні кути неузгодженості АК і ПК через винесення їх чутливих елементів до вузлів стикувань, як це необхідно в прототипі. Це дозволяє зняти вимогу точного вимірювання дальності, у тому числі і на малих відстанях, порівнянних або менше виносу чутливих елементів вимірювача до вузлів стикувань на АК і ПК від їх центрів мас. Запропонований спосіб корекції дозволяє використовувати прямі вимірювання кутів неузгодженості АК та ПК при причалюванні.
Пропонований спосіб управління може бути реалізований наступним чином із застосуванням відомих пристроїв.
Для визначення параметрів відносного руху може бути використана апаратура "Курс", що застосовується на пілотованих та вантажних кораблях "Союз ТМ" та "Прогрес М". Дана апаратура вимірює дальність, швидкість зближення та кути неузгодженості АК та ПК щодо лінії візування.
Для побудови однієї й тієї системи координат на АК і ПК може бути використана система орбітальної орієнтації, також застосовувана на кораблях "Союз ТМ" і "Прогрес М". Як датчик використовується інфрачервона вертикаль.
При керуванні рухом навколо центру мас можуть використовуватись гіроскопічні датчики кутових швидкостей, аналогічні використовуваним на кораблях "Союз ТМ" та "Прогрес М" та орбітальній станції "Мир".
Як виконавчі органи застосовні реактивні двигуни, що використовуються на кораблях "Союз ТМ" і "Прогрес М" при причалюванні.
У момент переходу до причалювання АК розгортають довколацентру мас для виставки пов'язаних осей щодо заданої системи координат. Ця операція може бути виконана системою орієнтації кораблів "Союз ТМ" та "Прогрес М", на яких розворот у необхідне положення є штатною процедурою.
По кутах неузгодженості АК щодо лінії візування обчислюють кути, що визначають положення лінії візування. Для цього значення поточного кута неузгодження АК щодо обраної системи координат віднімають значення кута неузгодження АК щодо лінії візування. Процес віднімання може бути виконаний на аналоговому підсилювачі. Вплив кута відхилення ПК щодо вибраної системи координат можна знехтувати. Лінійне зміщення стикувального вузла відстежуватиме АК своїм рухом центру мас, а додатковий кутовий перекіс осей у момент торкання збільшиться на величину не більше зони нечутливості системи орієнтації ПК. Необхідну для керування кутову швидкість лінії візування отримують відніманням з кутової швидкості руху АК навколо обраної системи координат, кутової швидкості неузгодження АК щодо лінії візування, одержуваної диференціюванням цього кута. Обчислення кутової швидкості неузгодженості можна виконувати включенням інтегратора у зворотний зв'язок підсилювача, а для віднімання використовувати аналоговий підсилювач. Причому диференціювання можна проводити з постійної часу 1-3 с. За обчисленими параметрами організують включення двигунів переміщення центру мас АК. Для цього достатньо підсумовувати кути лінії візування із кутовою швидкістю лінії візування, а сумарний сигнал подавати на нелінійний елемент із зоною нечутливості. Величина зони нечутливості вибирається, виходячи з необхідної точності стикування. При перевищенні сумарного сигналу заданої зонинечутливості формують керуючі імпульси, що подаються на виконавчі органи, тривалість включення яких пропорційна сумарному сигналу. Подібним чином організовано включення виконавчих органів на кораблях "Союз ТМ" та "Прогрес М".
При проведенні корекції помилок канали управління рухом центру мас АК в площині, перпендикулярної лінії візування, замість кутів лінії візування вводять кути неузгодженості ПК щодо лінії візування. Саме керування виробляють, як і при обнуленні кутів лінії візування. У момент обнулення кути неузгодженості ПК відключають від управління і починають стабілізацію руху центру мас АК по кутовій швидкості лінії візування, що обчислюється описаним вище способом, і інтегралу від цієї кутової швидкості Обчислення інтеграла можна проводити за допомогою інтегратора. Одночасно канал орієнтації АК замість кутів неузгодження щодо заданої системи координат вводять кути неузгодження АК щодо лінії візування. Обертання АК виконують до обнулення цих кутів. У момент обнулення запам'ятовують кути розвороту АК навколо центру мас, що може бути виконано за допомогою інтегратора, і ці кути вводять як поправку в систему орієнтації АК. Після цього відновлюють керування рухом центру мас АК для обнулення кутів лінії візування, а стабілізацію АК навколо центру мас здійснюють відносно скоригованої системи координат.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Спосіб автоматичного управління причалюванням, що включає визначення дальності, швидкості зближення та кутів неузгодженості активного та пасивного кораблів щодо лінії візування, обчислення кутів та кутових швидкостей лінії візування, регулювання швидкості причалювання залежно від дальності, орієнтацію активногокорабля щодо тієї системи координат, в якій орієнтований стикувальний вузол пасивного корабля, обнулення кутів лінії візування шляхом управління рухом центру мас активного корабля в площині, перпендикулярної лінії візування, а також орієнтацію пасивного корабля щодо заданої системи координат, що відрізняється тим, що переміщують центр мас активного корабля в площині, перпендикулярної лінії візування, до моменту обнулення кутів неузгодження пасивного корабля щодо лінії візування на відстані між активним і пасивним кораблями, що визначається дальністю, на якій вимірюють дані кути неузгодження пасивного корабля, і витратою робочого тіла активного корабля активного корабля в тій же площині стабілізують щодо досягнутого положення і одночасно роблять розворот активного корабля навколо центру мас до моменту обнулення кутів неузгодженості активного корабля щодо лінії візування, запам'ятовують в цей момент величину кута зазначеного розвороту активного корабля, після чого орієнтацію активного корабля навколо центру мас щодо системи координат, скоригованої на величину запам'ятованого кута, та відновлюють зазначене обнулення кутів лінії візування шляхом зазначеного управління рухом центру мас активного корабля.