СПОСОБ ОТРАБОТКИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2003 года по МПК B64G7/00 G01M19/00 

Изобретение относится к технике отработки, испытаний и исследования характеристик систем управления угловым движением, в частности к технике отработки, испытаний и исследования характеристик систем управления угловым движением космических аппаратов в наземных условиях.

Известен способ отработки, испытаний и исследования характеристик систем управления движением космических аппаратов в наземных условиях посредством физического моделирования с малыми возмущающими моментами углового движения космического аппарата имитатором космического аппарата, совмещения центра масс имитатора космического аппарата с центром его вращения путем соответствующей установки аппаратуры отрабатываемой системы управления и балансировочных грузов на имитаторе, создания энергетических потоков для датчиков внешней информации отрабатываемой системы имитаторами, устанавливаемыми неподвижно относительно Земли, измерения параметров углового движения имитатора космического аппарата и передачи информации с имитатора на расположенное неподвижно на Земле управляющее устройство отрабатываемой системы, управление угловым движением имитатора отрабатываемой системой управления по командам управления на исполнительные органы, установленные на имитаторе космического аппарата, с наземного управляющего устройства.

Этот способ реализуется устройством для отработки, испытаний и исследования характеристик систем управления угловым движением космических аппаратов в наземных условиях, содержащим динамический стенд, моделирующий угловое движение космического аппарата и выполненный в виде приборной платформы, установленной на сферическом воздушном подшипнике, системы измерения параметров углового движения приборной платформы, системы связи, например телеметрической для передачи информации с аппаратуры отрабатываемой системы и технологической аппаратуры, расположенных на приборной платформе, приема команд управления с расположенного неподвижно на Земле управляющего устройства отрабатываемой системы, установленных на территории стенда неподвижно относительно Земли имитаторов энергетических потоков для датчиков внешней информации отрабатываемой системы управления, установленных на приборной платформе [1].

Недостатком такого способа является невозможность отработки систем управления угловым движением космических аппаратов во всех режимах их работы. Такой способ позволяет проводить отработку только систем стабилизации и систем определения ориентации только в системах координат, связанных с Землей.

Известен также способ отработки систем управления угловым движением космических аппаратов в наземных условиях, включающий физическое моделирование с малыми возмущающими моментами углового движения космического аппарата относительно его центра масс имитатором космического аппарата, совмещение центра масс имитатора с центром его вращения, например, путем перемещения балансировочных грузов по направляющим штангам, создание энергетических потоков для датчиков внешней информации отрабатываемой системы имитаторами, устанавливаемыми неподвижно относительно Земли, управление угловым движением имитатора космического аппарата отрабатываемой системой управления, визуальный контроль и оценку характеристик отрабатываемой системы на наземном устройстве по телеметрической информации из системы измерения имитатора космического аппарата.

Этот способ реализуется устройством для отработки, испытаний и исследования характеристик систем управления угловым движением космических аппаратов, содержащим динамический стенд, моделирующий угловое движение космического аппарата и выполненный в виде приборной платформы с пневмосистемой и газовыми реактивными двигателями, установленной на сферическом газовом подшипнике, устройство совмещения центра масс приборной платформы с центром ее вращения, выполненного, например, в виде шагового двигателя, перемещающего балансировочные грузы по направляющим штангам, системы отсчета углового положения приборной платформы и системы связи, выполненной, например, в виде радиомодема приборной платформы и радиомодема наземного устройства приема телеметрической информации и визуального контроля, выполненного, например, в виде персонального компьютера, имитаторы энергетических потоков, установленные на Земле на территории стенда [2] (прототип).

Недостатками этого способа, реализованного известным устройством, являются:
- невозможность отработки систем управления космических аппаратов во всех режимах их работы, в том числе при создании начального углового положения и начальной угловой скорости перед включением отрабатываемой системы, коррекции гироскопических устройств от датчиков внешней информации в системах управления, построенных на основе слежения за энергетическими потоками Земли в процессе орбитального движения, т.к. имитатор Земли устанавливается неподвижно на Земле;
- резкое увеличение возмущающего момента, действующего на приборную платформу при ее разворотах относительно статора воздушного подшипника, вызванного как погрешностями изготовления элементов стенда, так и температурными деформациями ротора воздушного подшипника при его разворотах относительно статора в плоскости горизонта, и,. как следствие, ухудшение точности испытаний;
- выход из строя дорогостоящего оборудования динамического стенда и аппаратуры отрабатываемой системы, вследствие ударов приборной платформы по статору воздушного подшипника при отказах аппаратуры или нештатной работе отрабатываемой системы управления.

Задачей настоящего изобретения является расширение возможностей предложенного технического решения и точности испытаний за счет уменьшения возмущающего момента, сохранения оборудования при отказах и нештатной работе отрабатываемой системы управления.

Поставленная задача решается тем, что в способе отработки систем управления угловым движением космических аппаратов, включающем физическое моделирование с малыми возмущающими моментами углового движения космического аппарата относительно его центра масс имитатором космического аппарата, совмещение центра масс имитатора с центром его вращения путем перемещения балансировочных грузов по направляющим штангам, создание энергетических потоков для датчиков внешней информации отрабатываемой системы имитаторами, управление угловым движением имитатора космического аппарата отрабатываемой системой управления, оценку характеристик отрабатываемой системы на наземном устройстве по телеметрической информации из системы измерения имитатора космического аппарата, обеспечивают вращение имитатора энергетических потоков Земли и основания имитатора космического аппарата в плоскости горизонта с орбитальной угловой скоростью, управление угловым движением имитатора космического аппарата до включения отрабатываемой системы управления, технологической системой управления имитатора, создают начальные параметры углового движения имитатора космического аппарата, выключают управление угловым движением имитатора технологической системой управления после задания начальных условий и включают управление угловым движением имитатора отрабатываемой системой, рассчитывают угол отклонения имитатора космического аппарата от вертикали при включении экстренного торможения углового движения имитатора в процессе работы отрабатываемой системой управления и при превышении расчетного угла отклонения от вертикали допустимой величины угла прокачки отключают управление угловым движением имитатора отрабатываемой системы, включают экстренное торможение углового движения имитатора технологической системой управления и возвращают имитатор космического аппарата в нулевое положение.

Этот способ реализуется устройством, представляющим собой динамический стенд, моделирующий угловое движение космического аппарата и выполненный в виде приборной платформы с пневмосистемой и газовыми реактивными двигателями, установленной на сферическом газовом подшипнике, устройство совмещения центра масс приборной платформы с центром ее вращения, выполненное в виде шагового двигателя, перемещающего балансировочные грузы по направляющим штангам, систему отсчета углового положения приборной платформы, систему связи и устройство приема телеметрической информации и визуального контроля, выполненных в виде наземного персонального компьютера, радиомодема приборной платформы и радиомодема наземного персонального компьютера, имитаторы энергетических потоков Солнца, Звезды и Земли, в котором статор сферического воздушного подшипника и имитатор энергетических потоков Земли установлены на общей поворотной платформе, подвижной относительно вертикальной оси и снабженной приводом вращения, выполненным в виде электродвигателя с редуктором, введен блок управления, выходом связанный с входом электродвигателя привода вращения, первым входом подключенный к выходу командного устройства, вторым входом - к выходу датчика угла и третьим входом - к выходу датчика угловой скорости, установленный на приборной платформе датчик угловой скорости, выходом связанный с первым входом управляющего вычислительного устройства, на второй вход которого подключен выход системы отсчета углового положения приборной платформы, первый выход управляющего вычислительного устройства подключен к входу шагового двигателя, второй и третий выходы присоединены к блоку переключения, а четвертый связан с управляющим устройством отрабатываемой системы управления, выход которой связан с блоком переключения, выходом подключенного ко входам газовых реактивных двигателей, а пятый выход соединен с входом радиомодема приборной платформы.

На фиг.1 приведен общий вид с функциональной схемой устройства для осуществления способа, на фиг.2 - кинематическая схема испытательного динамического стенда, на фиг.3 - функциональная блок-схема устройства.

Устройство включает динамический стенд (фиг.1), выполненный в виде приборной платформы (1) с пневмосистемой (2) и газовыми реактивными двигателями (3), установленной на сферическом газовом подшипнике (4) (фиг.2), устройство совмещения центра масс приборной платформы (1) с центром ее вращения, выполненное в виде шагового двигателя (5), перемещающего балансировочные грузы (6) по направляющим штангам, систему отсчета углового положения (7) приборной платформы (1), систему связи и устройство приема телеметрической информации и визуального контроля, выполненных в виде наземного персонального компьютера (8), радиомодема (9) приборной платформы (1) и радиомодема (10) наземного персонального компьютера (9), имитаторы энергетических потоков Солнца (11), Звезды (12) и Земли (13), подвижную относительно вертикальной оси платформу (14), снабженную приводом вращения, выполненным в виде электродвигателя (15) с редуктором (16), блок управления (17), выходом связанный с входом электродвигателя привода вращения (15), первым входом подключенный к выходу командного устройства (18), вторым входом к выходу датчика угла (19) и третьим входом к выходу датчика угловой скорости (20), установленный на приборной платформе (1) датчик угловой скорости (21), выходом связанный с первым входом управляющего вычислительного устройства (22), на второй вход которого подключен выход системы отсчета углового положения (7) приборной платформы (1), первый выход управляющего вычислительного устройства (22) подключен к входу шагового двигателя (5), второй и третий присоединены к блоку переключения (23), а четвертый связан с управляющим устройством отрабатываемой системы управления (24), выход которой связан с блоком переключения (23), выходом подключенного ко входам газовых реактивных двигателей (3), а пятый - с входом радиомодема (9) приборной платформы (1) (ПрП). Управление угловым движением ПрП (1) осуществляется с помощью технологической системы управления (ТСУ) (25), которая включает в себя газовые реактивные двигатели (ГРД) (3), радиомодем (9), систему отсчета углового положения (7), устройство совмещения центра масс ПрП (1) с центром се вращения, состоящего из шагового двигателя (5), перемещающего балансировочные грузы (6), датчика угловой скорости (ДУС) (21), управляющего вычислительного устройства (УВУ) (22), блока переключения (23).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии газовые реактивные двигатели (ГРД) (3) с помощью блока переключения (БП) (23) подключены к выходу управляющего вычислительного устройства (УВУ) (22) технологической системы управления (ТСУ) (25) угловым движением приборной платформы (ПрП) (1). По командам оператора с наземного персонального компьютера (НПК) (8) через радиомодем (10) НПК (8) и радиомодем (9) ПрП (1) в УВУ (22) передается программа работы ТСУ. В рабочей программе задаются режимы работы ТСУ, моменты времени, в которые эти режимы должны включаться, и исходные данные для работы программного обеспечения ТСУ. В соответствии с программой работы УВУ (22) отрабатывает заданные режимы.

Устройство имеет три режима работы:
1) режим настройки и регулировки;
2) режим обеспечения условий для работы отрабатываемой системы управления;
3) режим контроля отработки и управления в нештатных ситуациях.

В режиме настройки и регулировки устройство обеспечивает оценку проекций возмущающего момента, действующего на ПрП (1), и автоматическую балансировку, т. е. перемещение балансировочных грузов (6), компенсирующее возмущающий момент.

Оценка проекций возмущающего момента и автоматическая балансировка ПрП (1) осуществляются следующим образом.

УВУ (22) по информации с датчиков угловой скорости (ДУС) (21) и системы измерения (7) формирует и выдает через блок переключения (23) на ГРД (3) управляющие сигналы, обеспечивая управление угловым движением ПрП (1). После приведения ПрП (1) в нулевое положение УВУ (22) управление угловым движением ПрП (1) прекращает. ПрП (1) совершает неуправляемое движение под воздействием только возмущающего момента разбаланса. Угловое положение ПрП (1) в процессе неуправляемого движения измеряется системой измерения (7) и поступает в УВУ (22). УВУ (22) определяет вектор разбаланса, его положение в системе координат, связанной с ПрП (1). Далее УВУ (22) рассчитывает длительности включения и направление вращения шаговых двигателей (5), включает и выключает шаговые двигатели (5), обеспечивая тем самым перемещение балансировочных грузов (6) на расстояние, обеспечивающее компенсацию вектора разбаланса, действующего на ПрП (1).

В режиме обеспечения условий для работы отрабатываемой системы управления устройство работает следующим образом.

Оператор с НПК (8) через радиомодем (10) НПК и радиомодем (9) ПрП (1) передает в УВУ (22) рабочую программу, в которой задает момент времени включения режима и значения угловой скорости и углового положения ПрП (1) на момент включения отрабатываемой системы управления (24).

В заданный в рабочей программе момент времени УВУ (22) по измерениям с датчика угловой скорости (21) и системы измерения (7) формируем и выдает через блок переключения (23) управляющие сигналы на ГРД (3), обеспечивая тем самым разворот ПрП (1) в заданное в рабочей программе угловое положение и заданную угловую скорость ее вращения. После разворота ПрП (1) в заданное угловое положении и достижение заданной угловой скорости ее движения УВУ (22) выдает в блок переключения (23) команду, по которой в блоке переключения (23) входы ГРД (3) переключаются с выхода УВУ (22) на выход отрабатываемой системы управления (24), которая и обеспечивает в дальнейшем определение своими аппаратными средствами по имитаторам Звезды (12), Солнца (11) и Земли (13) углового положения ПрП (1) и управление ее угловым движением. Это обеспечивает создание условий углового движения ПрП (1), соответствующих тем, которые приобретает космический аппарат после его отделения от последней ступени ракеты-носителя, и тем самым позволяет увеличить количество отрабатываемых режимов работы систем управления угловым движением космических аппаратов в наземных условиях, в частности режима приведения космического аппарата в ориентированное положение.

С момента начала управления угловым движением ПрП (1) отрабатываемой системой управления (24) в случае, если отрабатывается система управления, обеспечивающая ориентацию космического аппарата в орбитальной системе координат, по команде оператора с командного устройства (18) блок управления (17) по информации с датчика угловой скорости (20) и датчика угла (19) начинает формировать и выдавать на привод (15) поворотной платформы (14) управляющие сигналы. Привод (15) через редуктор (16) обеспечивает вращение поворотной платформы (14) с расположенным на ней имитатором Земли (13) с заданной оператором через командное устройство (18) орбитальной угловой скоростью.

Введение вращения имитатора Земли с произвольной задаваемой угловой скоростью позволяет проводить отработку не только систем управления, обеспечивающих ориентацию космических аппаратов в инерциальной системе координат, но и режимы коррекции гироскопических систем управления, обеспечивающих ориентацию космических аппаратов в орбитальной системе координат, а также отрабатывать негироскопические системы управления, определяющие ориентацию космических аппаратов относительно орбитальной системы по инфракрасному полю Земли.

Введение вращения статора шарового газового подшипника с орбитальной угловой скоростью обеспечивает сохранение балансировки ПрП (1) при неограниченном угле разворота ПрП (1) относительно Земли в процессе отработки орбитального движения, а следовательно, и повышает качество отработки систем управления.

В режиме контроля отработки и управления в нештатных ситуациях устройство работает следующим образом.

После задания начальных параметров углового движения ПрП (1), отключения управления угловым движением ПрП (1) по командам УВУ (22) и включения управления по командам отрабатываемой системы управления (24) УВУ (22) обеспечивает съем с заданной дискретностью информации с датчика угловой скорости (21) и системы измерения (7) об угловом положении и угловой скорости ПрП (1), запоминание ее и передачу по радиомодему (9) ПрП (1) и радиомодему (10) НПК в НПК (8) для регистрации и последующей обработки. Кроме того, УВУ (22) на каждом такте своей работы обеспечивает расчет углового положения ПрП (1), которое бы она заняла, если бы было включено экстренное торможение ее углового движения.

В процессе торможения угловое положение ПрП (1) изменяется в соответствии с выражениями:



где γ_T,ψ_T,ϑ_T - угловое положение ПрП (1) по каналам крена, рыскания и тангажа;
γ_изм,ψ_изм,ϑ_изм - измеренные на текущем такте работы значения углового положения ПрП (1) по каналам крена, рыскания и тангажа,
ωxизм

,ωyизм,ωzизм - измеренные на текущем такте работы значения угловой скорости ПрП (1) относительно связанных осей ОХ, OY, OZ,
ε_x,ε_y,ε_z - ускорения ПрП (1), создаваемые газовыми реактивными двигателями (3) по каналам крена, рыскания и тангажа,
- время торможения ПрП (1) по каналам крена, рыскания и тангажа;



По расчетным значениям углов γ_T и ψ_T УВУ (22) рассчитывает величину угла отклонения (угла прокачки ПрП (1)) вертикальной оси ПрП (1) ϕ относительно вертикальной оси статора устройства в соответствии с выражением:
ϕ = arccos(cosγ_Tcosψ_T).
После расчета величины угла прокачки ПрП (1) (ϕ) УВУ (22) сравнивает ϕ с величиной допустимого угла прокачки ПрП (1). При нахождении ϕ в рабочей зоне углов прокачки УВУ (22) осуществляет только регистрацию и передачу информации о текущем положении ПрП (1) в НПК (8).

Если же величина угла ϕ превысит допустимую величину угла прокачки, что возможно только при отказах аппаратуры отрабатываемой системы - ее нештатной работе или ошибке оператора при задании рабочей программы, передаваемой из НПК (8) в УВУ (22), УВУ (22) выдает команду управления в блок переключения (23), обеспечивает отключение управления угловым движением ПрП (1) отрабатываемой системой управления (24) и включение управления технологической системой управления (ТСУ) (25), т.е. переключает входы ГРД (3) с выхода отрабатываемой системы (24) па выход УВУ (22). После переключения управления угловым движением ПрП (1) УВУ (22) включает торможение и возвращает ПрП (1) в исходное положение по информации с датчика угловой скорости (17) и системы измерения (7) технологической системы управления (ТСУ) (25).

Таким образом, предложенное изобретение позволяет:
- отработать системы управления угловым движением космических аппаратов во всех режимах их работы за счет введения управления угловым движением имитатора космического аппарата технологической системой управления и введения вращения имитатора Земли с орбитальной угловой скоростью;
- повысить точность отработки за счет введения вращения (статора) шарового газового подшипника;
- повысить надежность работы за счет непрерывного определения возможности удержания исполнительными органами имитатора космического аппарата в допустимом диапазоне его углов прокачки и введения управления его угловым движением технологической системой управления при отклонениях имитатора космического аппарата, превышающих допустимый диапазон.

Источники информации
1. 11C10. Моделирующие комплексы для имитации угловых движений космических аппаратов и искусственных спутников Земли, "Военная авиация и ракетная техника", Выпуск 11, М., 1972 г., стр.37-48.

2. Стенд на газовом сферическом подшипнике для испытания систем управления угловым положением ИСЗ. Ризос И., Арбес Дж., Рауль Дж. - Сб. "Управление в пространстве", том 2. М.: Наука, 1973 г., стр.274-278.

Изобретение относится к наземной отработке и испытаниям систем управления космических аппаратов (КА). Предлагаемый способ предусматривает физическое моделирование углового движения имитатора КА на стенде, имеющем газовый подвес и поворотную платформу (основание) с приводом. Способ включает совмещение центра масс имитатора КА с центром его вращения и имитацию энергопотоков от звезд, Солнца и Земли для датчиков внешней информации отрабатываемой системы КА. При этом угловым движением имитатора КА управляют поочередно с помощью отрабатываемой и технологической систем управления. Поворотную платформу с имитатором энергопотока от Земли приводят во вращение с орбитальной угловой скоростью. Оценивают возможность удержания имитатора КА в допустимом диапазоне углов отклонения от вертикали в процессе управления КА с помощью отрабатываемой системы управления. При выходе этого отклонения за допустимый диапазон значений прекращают отработку КА. Изобретение позволяет отрабатывать системы управления угловым движением КА во всех основных режимах их функционирования, обеспечивая повышение точности наземных испытаний и надежности штатной работы КА. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ отработки систем управления угловым движением космических аппаратов, включающий физическое моделирование углового движения космического аппарата относительно его центра масс имитатором космического аппарата, совмещение центра масс имитатора с центром его вращения, создание энергетических потоков для датчиков внешней информации отрабатываемой системы имитаторами, управление угловым движением имитатора космического аппарата отрабатываемой системой управления, оценку характеристик отрабатываемой системы на наземном устройстве по телеметрической информации из системы измерения имитатора космического аппарата, отличающийся тем, что обеспечивают вращение имитатора энергетических потоков Земли и основания имитатора космического аппарата в плоскости горизонта с орбитальной угловой скоростью, управление угловым движением имитатора космического аппарата до включения отрабатываемой системы управления технологической системой управления имитатора, создают начальные параметры углового движения имитатора космического аппарата, выключают управление угловым движением имитатора технологической системой управления после задания начальных условий и включают управление угловым движением имитатора отрабатываемой системой, рассчитывают угол отклонения имитатора космического аппарата от вертикали при условии включения экстренного торможения углового движения имитатора в процессе работы отрабатываемой системы управления и при превышении расчетным углом отклонения имитатора от вертикали допустимой величины отключают управление угловым движением имитатора отрабатываемой системой, включают экстренное торможение углового движения имитатора технологической системой управления, возвращая имитатор космического аппарата в нулевое положение. 2. Устройство для отработки систем управления угловым движением космических аппаратов, содержащее динамический стенд, моделирующий угловое движение космического аппарата и выполненный в виде приборной платформы с пневмосистемой и газовыми реактивными двигателями, установленной на сферическом газовом подшипнике, устройство совмещения центра масс приборной платформы с центром ее вращения, выполненное в виде шагового двигателя, перемещающего балансировочные грузы по направляющим штангам, систему отсчета углового положения приборной платформы, систему связи и устройство приема телеметрической информации и визуального контроля, выполненных в виде наземного персонального компьютера, радиомодема приборной платформы и радиомодема наземного персонального компьютера, имитаторы энергетических потоков Солнца, звезды и Земли, управляющее вычислительное устройство и управляющее устройство отрабатываемой системы, отличающееся тем, что в нем статор сферического газового подшипника и имитатор энергетических потоков Земли установлены на общей поворотной платформе, подвижной относительно вертикальной оси и снабженной датчиками угла и угловой скорости, приводом вращения, выполненным в виде электродвигателя с редуктором, причем введены блок переключения, командное устройство и блок управления приводом вращения, выходом связанный с входом указанного электродвигателя, первым входом подключенный к выходу командного устройства, вторым входом - к выходу указанного датчика угла и третьим входом - к выходу указанного датчика угловой скорости, а также установленный на приборной платформе датчик угловой скорости, выходом связанный с первым входом управляющего вычислительного устройства, на второй вход которого подключен выход системы отсчета углового положения приборной платформы, первый выход управляющею вычислительного устройства подключен к входу шагового двигателя, второй и третий выходы присоединены к блоку переключения, а четвертый связан с управляющим устройством отрабатываемой системы управления, выход которой связан с блоком переключения, выходом подключенным ко входам газовых реактивных двигателей, а пятый выход соединен с входом радиомодема приборной платформы.