СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК G01C21/04 

Изобретение относится к функциональным элементам систем автоматического управления (САУ) и м.б. использовано, например, для слежения за звездой или другим космическим источником оптического излучения как с наземных, так и с движущихся в воздухе или космосе измерительных комплексов.

Известен ряд следящих систем (с.с), предназначенных для использования в комплексах, передающих угол поворота входного вала на выходной, перемещающий объект управления в соответствии с изменениями входного сигнала. Такие системы используют, как правило электромеханическую элементную базу (а.с. N 141576, 159136 и др.). Известен также ряд систем, предназначенных для слежения за источниками оптического излучения как движущимися, так и неподвижными, причем как с подвижных, и неподвижных оснований. Такие системы используют в основном оптико-электронную элементную базу, а для стабилизации поля зрения применяют гироскопические устройства (а.с. N 126217, 214409, 301547 и др.). Непрерывно возрастающее применения с.с. в различных отраслях приборостроения заставляет разработчиков искать оптимальное сочетание электромеханических и оптико-электронных функциональных блоков с целью удовлетворения все ужесточающихся требований по точности, плавности устойчивости и быстродействию слежения.

Особенно возросли требования к перечисленным показателям качества в связи с развитием телескопов с сегментированным главным зеркалом, устанавливаемом как на стационарных (наземных), так и на движущихся (орбитальных) телескопах. В указанной работе рассматривается система управления сегментированным главным зеркалом телескопа башенного типа, основывающаяся на измерении взаимных положений сегментов относительно друг друга и последующей их установке в нужное положение. Основная трудность в работе с сегментированным зеркалом заключается в сборке малых зеркал и поддержании их взаимного положения и ориентации так, чтобы они образовали поверхность одного крупного зеркала оптического качества. Назначение системы управления состоит в контроле формы главного зеркала и ее непрерывном сохранении, несмотря на вносимые в процессе эксплуатации искажения (высокие нагрузки, дрейф температуры и др. ). Контроль формы зеркала осуществляется особой системой, называемой системой оценки оптического тракта (СООТ).

В отмеченной выше системе для оценки качества зеркала используется интерференционный метод. Суть его заключается в периодическом сравнении эталонной интерферограммы, снятой с собранного и отъюстированного зеркала, с текущей интерферограммой, снимаемой в процессе эксплуатации. По результатам сравнения производится перемещение отдельных сегментов о целью совмещения интерферограмм. При снятии рабочей интерферограммы источник излучения м.б. расположен или в центре кривизны зеркала, что неприемлемо по конструктивным и эксплуатационным соображениям (особенно для орбитальных телескопов), или же в его качестве выбирается какая-либо определенная звезда, на которую д.б. сориентирована ось главного зеркала. Очевидно, что чем меньше рассогласования между оптической осью телескопа и линией визирования ( л.в.), тем в меньшей степени разница в интерферограммах будет определяться какими-либо другими причинами, кроме эксплуатационных. Поэтому в состав СООТ введена с.с. с узкопольным ФПУ (5-7)", осуществляющая автосопровождение (а.с.) звезды, обеспечивающая точность слежения порядка сотых долей угловой секунды. Такая система была рассмотрены в работе [2] которая и принята за прототип.

Функциональная схема этой системы представлена на фиг. 1, где обозначено:
1 фотоприемное устройство (ФПУ), 2 блок вычисления отклонения (Б.В.О), 3 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 4 аналоговый усилитель мощности (У. М), 5 исполнительный двигатель (И.Д), 6 механическая передача (М.П), 7 поворотное зеркало (П.З).

Наведение оси телескопа на звезду осуществляется оператором посредством приводов, перемещающих космический аппарат, по вертикали и горизонтали до попадания изображения звезды в поло зрения узкопольного приемного устройства. Задача следящей системы удерживать изображение звезды в этом поле зрения (автосопровождение) путем разворота вокруг двух взаимоперпендикулярных осей поворотного зеркала 7, являющегося объектом управления, на углы, соответствующие мгновенным значением координат центра изображения звезды с целью точного совмещения с центром ФПУ 1. Привод зеркала выполнен в виде отдельных приводов по вертикали и горизонтали. Величина ошибки слежения зависит от добротности системы и разрешающей способности приемного устройства. Поскольку повышение добротности ведет к снижению запаса устойчивости, целесообразно в качестве чувствительного элемента выбрать матрицу, в которой преобразование оптического сигнала происходит в фоточувствительных элементах из пироэлектрика, а их опрос производится посредством ПЗС, что обеспечивает, по меньшей мере, десятикратное увеличение пространственного разрешения, по сравнению о электровакуумными элементами, где опрос производится электронным лучом. Структура ФПУ определяет и способ обработки сигналов с его выхода 2, где на основе микропроцессора производится вычисление координат центра изображения звезды относительно центра ФПУ, т. е. величины отклонений. Плавность и точность углового перемещения зеркала обеспечиваются приводом, сочетающим моментный двигатель типа ДБМ-70 и винтовую пару.

Рассмотренная структура обеспечивает требуемое качество слежения для телескопов башенного типа. В орбитальных же телескопах при скорости перемещения изображения звезды по ФПУ порядка 10''/с в условиях воздействия толчкообразных, линейновозрастающих и гармонических возмущений происходит срыв слежения, т. е. уход изображения звезды из поля зрения контура а.с. т.к. системе не хватает быстродействия. Повышение быстродействия увеличениям добротности неприемлемо из-за уменьшения запаса устойчивости, который и так невелик, вследствие использования моментного двигателя, представляющего собой динамическое звено с астатизмом второго порядка. Увеличение поля зрения также неприемлемо из-за ухудшения помехозащищенности. Выходом из положения м. б. реализация перемещения самого мгновенного поля зрения (Ч.П.З) в сторону возможного выхода изображения звезды из М.П.З. Такое дополнительное движение осуществляется посредством аппаратуры, находящейся на борту спутника.

Изобретение решает задачу повышения быстродействия с.с. посредством разворота ее оптической оси в направлении уменьшения рассогласования между ней и Л. В. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные ФПУ и БВО1, а также последовательно соединенные ЦАП1, УМ1, ИД1, МП1 и ПЗ (объект управления) дополнительно введены контур управления угловыми перемещениями телескопа, состоящий из последовательно соединенных дополнительного ФПУ (ДФПУ), БВО2, второго ключа (кл. 2), ЦАП2, УМ2, ИД2, МП2, космического аппарата и телескопа (объект управления); последовательно соединенные датчик угла (ДУ) и вычитающее устройство (ВУ), а также первый ключ (кл.1), полупрозрачная пластины (П.П.П.) и пороговое устройство (П.У), при этом П.П.П. установлена на оси оптической системы телескопа под углом 45^o к ней так, что часть излучения звезды отражается на ДФПУ, а другая часть проходит на ПЗ, также установленное на оптической оси телескопа, а затем на ФПУ, выход ИД1 электрически соединен со входом ДУ, второй вход ВУ соединен с выходом кл.2, выход БВО1 соединен со входом ПУ и вторым входом кл. 2, выход ВУ соединен со вторым входом кл.1, первые входы ключей соединены с выходами соответственно БВО1 и БВО2, выходы ключей соединены соответственно со входами ЦАП1 и ЦАП2, а выходной сигнал ПУ управляет работой ключей.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1 полупрозрачная пластина (П.П.П.), 2-контур управления угловыми перемещениями телескопа, состоящий из, 3 дополнительного фотоприемного устройства (ДФПУ), 4 второго блока вычисления отклонения (БВО2), 5 второго ключа (кл. 2), 6 второго цифроаналогового преобразователя (ЦАП2),7 второго усилителя мощности (УМ2), 8 второго исполнительного двигателя (ИД2), 9 - второй механической передачи (МП2), 10 космического аппарата (КА) и 11 - телескопа (Т), 12 система автосопровождения изображения звезды, состоящая из 13 фотоприемного устройства (ФПУ), 14 первого блока вычисления отклонения (БВО1), 15 первого ключа (кл.1), 16 первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП1), 17 первого усилителя мощности (УМ1), 18 первого исполнительного двигателя (ИД1), 19 первой механической передачи (МП1), 20 - поворотного зеркала, 21 датчик угла (ДУ), 22 вычитающее устройство (ВУ), 23 пороговое устройство (ПУ), И.И. источник излучения
Как известно, для определения местоположения спутника предусмотрена периодическая его ориентация на определенную звезду, что достигается посредством двух приводов, разворачивающих спутник в нужном направлении по горизонтали и вертикали. Для упрощения конструкции и снижения нагрузок он выполнен в виде отдельных блоков. Разворот спутника начинается по команде с Земли в соответствии с известными координатами звезды и продолжается до тех пор, пока изображение звезды посредством П.П.П. расположенной на оптической оси под углом 45^o к ней, не отразится на дополнительное ФПУ с существенно большим полем зрения, чем у ФПУ контура а.о. и с соответственно меньшей разрешающей способностью. После появления сигнала на выходе ДФПУ система 2, замыкается и начинается отработка рассогласования между осью телескопа, повторяющего угловые перемещения спутника, и линией визирования (Л.В.).

Одновременно сигнал рассогласования через первый вход кл.2 5 поступает на второй вход ВУ 22. В результате на выходе ИД1 18 замкнутой системы, состоящей из блоков 15, 16, 17, 18, 21 и 22 Формируется сигнал, соответствующий рассогласованию между осью телескопа и Л.В. Этот сигнал поступает на ПЗ и разворачивает его. При определенной величине рассогласования ПЗ 20 повернется на такой угол, при котором отраженное от него излучение звезды попадает на ФНУ13.

При появлении сигнала на его выходе замыкается система 12. На выходе БВО1 14 появляется сигнал рассогласования и система начинает его отработку. ПУ 23 является своего рода обнаружителем наличия изображения звезды в НПЗ. Если источник излучения действительно звезда, то сигнал, превысив порог, переключает кл. 1 15 с второго положения на первое, система замыкается и начинается процесс а.с. звезды одновременно сиги о выхода ПУ 23 переключает кл.2 5 с первого положения на второе. При этом контур 2 размыкается и сигнал рассогласования, поступающий с блока 14 вызовет перемещение спутника, а следовательно и оси главного зеркала телескопа, в направлении отработки рассогласования в контуре а.с. предотвращая тем самым возможный выход изображения звезды из мгновенного поля зрения.

В настоящее время на нашем предприятии разработан и функционирует макет предлагаемой следящей системы. Следует отметить, что перемещение МПЗ в направлении возможного увеличения рассогласования м.б. целесообразным не только в орбитальных телескопах, но и в любых других системах как движущихся так и неподвижных, в которых для слежения за оптическими источниками излучения предполагается использование фотоприемных устройств с малым мгновенным полем зрения.

Источники информации.

Оптические и ИК-телескопы 90-е г.г. Под редакцией А.Хьюитт. М. Мир, 1983 г. 45 c.

Nilson I. Pros.Soc photo Opt. Instc. Enq-172, 1979.

Изобретение относится к функциональным элементам систем автоматического управления /САУ/. Изобретение решает задачу повышения быстродействия системы слежения посредством разворота ее оптической оси в направлении уменьшения рассогласования между ней и линией визирования. Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные фотоприемное устройство /ФПУ/ и блок вычисления отклонения /БВО1/, а также последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь /ЦАП1/, аналоговый усилитель мощности /УМ1/, исполнительный двигатель /ИД/, механическая передача /МП/, и поворотное зеркало /объект управления/, дополнительно введены контур управления угловыми перемещения ми телескопа, состоящий из последовательно соединенных дополнительного ФПУ /ДФПУ/, БВО2, второго ключа; ЦАП2, УМ2, ИД2, МП2, космического аппарата и телескопа /объект управления/; последовательно соединенные датчик угла /ДУ/, вычитающее устройство /ВУ/ и первый ключ, а также полупрозрачная пластина /ППП/ и пороговое устройство /ПУ/ при этом ППП установлена на оси оптической системы телескопа под углом 45 градусов к ней так, что часть излучения звезды отражается на ДФПУ, а другая проходит на ПЗ, также установленное на оптической оси телескопа, а затем на ФПУ, выход ИД1 электрически соединен со входом ДУ, второй вход ВУ соединен с выходом ключа 2, выход БВО1 соединен с выходом ПУ и вторым входом ключа 2, выход ВУ соединен со вторым входом ключа 1, первые входы ключей соединены с выходами соответственно с БВО1 и БВО2, выходы ключей соединены со входами ЦАП1 и ЦАП2, а выходной сигнал ПУ управляет работой ключей. 2 ил.

Следящая система, содержащая телескоп, последовательно соединенные фотоприемное устройство и блок вычисления, отклонения, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, механически связанные исполнительный двигатель, к электрическому входу которого подключен выход усилителя мощности, механическую передачу и поворотное зеркало, отличающаяся тем, что она снабжена первым ключом, включенным между блоком вычисления отклонения и цифроаналоговым преобразователем, последовательно соединенными датчиком угла и вычитателем, пороговым устройством, контуром управления угловыми перемещениями оси главного зеркала, телескопа, выполненным в виде последовательно соединенных дополнительного фотоприемного устройства, второго блока вычисления отклонения второго ключа, второго цифроаналогового преобразователя, второго усилителя мощности, механически связанных второго исполнительного двигателя и второй механической передачи, установленных на космическом аппарате и связанных с телескопом, размещенным на нем, полупрозрачной пластины, предназначенной для деления оптического излучения от звезды на два луча, дополнительное фотоприемное устройство связано с телескопом и установлено по ходу первого луча, а фотоприемное устройство оптически связано с телескопом через поворотное зеркало и полупрозрачную пластину и установлено по ходу второго луча, выход первого исполнительного двигателя электрически соединен с входом датчика угла, второй вход вычитающего устройства соединен с выходом второго ключа, выход первого блока вычисления отклонения соединен с входом порогового устройства и вторым входом второго ключа, выход вычитающего устройства соединен с вторым входом первого ключа, электрические входы исполнительных двигателей связаны с выходами соответствующих усилителей мощности, а выход порогового устройства подключен к управляющим входам ключей.