СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ НА БОРТУ ПИЛОТИРУЕМОГО КОРАБЛЯ АППАРАТУРЫ Российский патент 2019 года по МПК B64G1/66 F41G3/00 

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано для обеспечения ориентирования экипажем пилотируемого корабля аппаратуры, перемещаемой относительно движущегося корабля.

Известен способ наведения линии визирования прибора, вращающегося вокруг своей оси относительно основания, на источник лазерного излучения (заявка на изобретение РФ №94000376/28, 05.01.1994, МПК 6: F41G 3/00, G05D 3/00), в котором грубо определяют угловое положение источника излучения относительно связанного с основанием базового направления, проверяют соответствие излучения типу лазерный целеуказатель, поворачивают основание до точного определения углового положения источника излучения, после чего поворачивают прибор наведения до наведения его линии визирования на источник излучения.

К недостаткам данного способа относится требование идентификации цели по излучаемому целью излучению, что ограничивает возможности их использования.

Известен способ наведения телевизионного видеоспектрального комплекса, реализуемый системой управления телевизионным видеоспектральным комплексом космического аппарата (КА) (патент РФ №2068801, МПК 6: B64G 9/00), который включает наведение и отслеживание целей, при которых выполняется переориентация оси визирования установленной на поворотной платформе телевизионной и научной аппаратуры на выбираемую в реальном времени по ТВ-изображению цель с последующим автоматическим отслеживанием цели, в том числе выполняется определение пространственного положения прибора наведения относительно КА, задание координат целей, определение положения целей относительно прибора наведения, расчет углов поворота прибора наведения и повороты прибора наведения.

К недостаткам данного способа относится, в частности, то, что он позволяет наводиться только на цели, с одной стороны, ограниченные диапазоном углов поворота поворотной платформы, а с другой стороны, ограниченные попаданием в текущий кадр ТВ-изображения, который, кроме упомянутого ограничения по диапазону углов поворота поворотной платформы, имеет ограниченный охват, определяемый полем зрения ТВ-камеры. При этом сам факт размещения аппаратуры наведения на поворотной платформе ограничивает свободу перемещения аппаратуры при ее нацеливании и сопровождении цели экипажем КА.

В качестве способа-прототипа выбран способ ориентирования перемещаемого в пилотируемом аппарате прибора (патент РФ 2531781, заявка №2012134959/11 от 16.08.2012, МПК(2006.01): F41G 3/00 B64G 1/66 - прототип), согласно которому осуществляют формирование управляющих команд на излучение импульсных ультразвуковых сигналов не менее, чем тремя ультразвуковыми излучателями, размещенными в разнесенных точках на свободно перемещаемом относительно пилотируемого аппарата приборе, осуществляют прием излученных импульсных ультразвуковых сигналов не менее, чем тремя ультразвуковыми приемниками, размещенными в разнесенных точках на пилотируемом аппарате, по излученным и принятым ультразвуковым сигналам измеряют время задержки ультразвуковых сигналов, при этом синхронизацию моментов излучения и приема импульсных ультразвуковых сигналов осуществляют по радиоканалу, осуществляют измерение температуры в местах размещения ультразвуковых излучателей и в местах размещения ультразвуковых приемников, по полученным временам задержки принятия ультразвуковых сигналов и измерениям температуры определяют расстояния от размещенных на приборе ультразвуковых излучателей до размещенных на пилотируемом аппарате ультразвуковых приемников, при этом пространственное положение прибора относительно пилотируемого аппарата определяют по определенным расстояниям от размещенных на приборе ультразвуковых излучателей до размещенных на пилотируемом аппарате ультразвуковых приемников, определяют текущее положение ориентиров относительно пилотируемого аппарата, пространственное положение ориентиров относительно прибора определяют по текущему положению ориентиров относительно пилотируемого аппарата и определенному пространственному положению прибора относительно пилотируемого аппарата, выполняют расчет углов поворота прибора для его ориентирования по ориентирам, после чего воспроизводят команды на поворот прибора, соответствующие рассчитанным значениям углов поворота прибора. Способ прототип обеспечивает возможность оператору выполнять ориентирование/наведение прибора, свободно перемещаемого внутри пилотируемого аппарата (корабля) и не имеющего с ним механической связи.

К недостаткам способа прототипа относится, в частности, то, что он предусматривает ручное управление работой перемещаемой ориентируемой аппаратуры, что может привести к ошибочному или несвоевременному функциональному задействованию аппаратуры, что в свою очередь может привести к потере уникальных целевых данных и/или регистрации аппаратурой данных, которые являются неликвидными. Такая ситуация может возникать как следствие, например, возможной технологической несогласованности в функциональной работе перемещаемой аппаратуры и используемых бортовых систем пилотируемого корабля.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение высокоточного целевого ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в учете скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры при одновременном обеспечении гарантированного целевого управления функционированием аппаратуры, свободно перемещаемой относительно пилотируемого корабля и ориентируемой по задаваемым ориентирам.

Технический результат достигается тем, что в способе ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры, включающем определение положения ориентира и перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, определение положения ориентира относительно перемещаемой аппаратуры и воспроизведение командной информации, в отличие от прототипа дополнительно воспроизводят командную информацию задаваемого набора операций поворота перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля до достижения моделируемых положений перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля и определяют скорость и точность поворота перемещаемой аппаратуры, выбирают ориентир для штатной работы с перемещаемой аппаратурой, определяют параметры командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры в требуемое угловое положение, определяемое из условия совмещения оси ориентирования перемещаемой аппаратуры с направлением на ориентир, и воспроизводят данную командную информацию, к моменту совпадения с задаваемой точностью параметров, определяющих соответственно требуемое и текущее положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, формируют команду на управление перемещаемой аппаратурой и повторяют действия начиная с выбора ориентира, при этом параметры командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры определяют с учетом скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры, которые корректируют по результатам сравнения прогнозируемых и текущих параметров положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля при штатной работе с перемещаемой аппаратурой.

Изобретение поясняется рисунком, на котором представлена схема, иллюстрирующая формирование командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры.

На рисунке введены обозначения:

А₀ - начальное угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры (угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры на момент формирования и воспроизведения определяемой командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры);

A₁ - угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры на момент начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры;

А_Т - требуемое угловое положение оси визирования перемещаемой аппаратуры;

О₀, О₁ О₂ - направления на ориентир соответственно в момент начального углового положения оси визирования перемещаемой аппаратуры, в момент начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры, в момент окончания поворота перемещаемой аппаратуры;

К - командная информация на поворот перемещаемой аппаратуры.

Опишем действия предлагаемого способа.

В качестве перемещаемой аппаратуры (ПА) рассматриваем оптический прибор, ось чувствительности которого требуется наводить на задаваемые ориентиры (цели) - например, съемочную аппаратуру для выполнения визуально-инструментальных наблюдений задаваемых ориентиров (например, исследуемых наземных объектов) через иллюминатор пилотируемого корабля (ПК).

В предлагаемом способе определяют текущее угловое положение ПА относительно ПК. Данная операция может быть реализована на базе ультразвуковой системы определения положения перемещаемой аппаратуры, в которой для измерения шести координат пространственного положения ПА - трех линейных и трех угловых параметров - используются не менее трех ультразвуковых излучателей, размещенных на ПА, и не менее трех ультразвуковых приемников, размещенных на ПК. Ультразвуковые излучатели размещены в разнесенных точках с известными координатами в связанной с ПА системе координат. Ультразвуковые приемники размещены в разнесенных точках с известными координатами в связанной с ПК системе координат. В начале каждого кадра измерения вырабатывается синхронизирующий импульс запуска, поступающий на блок формирования команд управления излучателями, который последовательно формирует управляющие импульсы с фиксированной временной задержкой τ между ними, которые поступают на ультразвуковые излучатели, которые поочередно вырабатывают импульсные ультразвуковые сигналы. Излученные ультразвуковые сигналы принимаются размещенными на ПК ультразвуковыми приемниками (временная задержка τ определяется максимально возможным расстоянием от размещенных на ПА ультразвуковых излучателей до каждого из размещенных на ПК ультразвуковых приемников), а периодичность выработки синхронизирующих импульсов запуска определяется данной временной задержкой τ и общим количеством ультразвуковых излучателей. Принятые ультразвуковые сигналы отделяются от помех и вычисляются временные задержки между импульсом запуска и принятыми рабочими сигналами (поскольку излученные импульсные ультразвуковые сигналы разнесены по времени, то в каждом из приемников принятые рабочие сигналы также разнесены по времени), по которым рассчитываются расстояния между ультразвуковыми излучателями и ультразвуковыми приемниками, причем текущая скорость распространения ультразвуковых сигналов между излучателями и приемниками определяется с учетом текущей температуры среды распространения сигналов, измеренной датчиком температуры, размещенном на ПА и/или ПК, и по полученным расстояниям рассчитываются параметры пространственного положения ПА относительно ПК (линейные и угловые координаты ПА в связанной с ПК системе координат).

Формируют командную информацию задаваемого набора операций по повороту ПА относительно ПК для достижения расчетных моделируемых положений ПА относительно ПК, начиная с ее начального текущего положения. В качестве данных моделируемых положений ПА рассматриваются положения, в которых будет находиться ПА в процессе выполнения операций из задаваемого набора операций поворота ПА, начиная с ее начального текущего положения.

В качестве операций, входящих в задаваемый набор возможных операций по повороту ПА относительно ПК, могут рассматриваться операции поворота ПА, описываемые (формулируемые) угловыми величинами отклонения связанной с ПА системы координат от ее требуемого углового положения, заданного в связанной с ПК системе координат, например, угловыми величинами отклонения оси ориентирования ПА от ее требуемого положения и азимутального угла, определяющего направление отсчета данного отклонения в плоскости, перпендикулярной оси ориентирования ПА, и др.

Данную командную информацию передают на средства воспроизведения командной информации, посредством которых воспроизводят данную командную информацию. Командную информацию воспроизводят посредством технических средств воспроизведения, например, в визуальном или звуковом формализованных форматах, приспособленных для восприятия экипажем ПК. Данные технические средства воспроизведения могут быть размещены непосредственно на перемещаемой аппаратуре, при этом указанная командная информация будет передаваться через средства передачи информации по радиоканалу, установленные на ПК, и средства приема информации по радиоканалу, установленные на ПА.

Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней последовательно поворачивает (изменяет угловое положение) ПА в требуемую ориентацию относительно ПК.

Например, воспроизведение командной информации может быть реализовано отображением на средствах визуального отображения, выводящих изображение, например, на дисплей или очки, командной информации в графическом представлении или аудио воспроизведением на звуковоспроизводящей аппаратуре, выводящей звук, например, на динамики или наушники, командной информации в звуковом представлении. В качестве воспроизводимой командной информации выступают, например, параметры положения оси ориентирования (визирования, чувствительности) ПА относительно направления от ПА на ориентир - например, графически отображается величина углового отклонения направления на ориентир от оси ориентирования ПА и величина азимутального угла, определяющего направление отсчета данного отклонения в плоскости, перпендикулярной оси ориентирования ПА.

В процессе изменения положения ПА определяют текущее положение ПА относительно ПК, сравнивают расчетные моделируемые и текущие параметры углового положения ПА относительно ПК и по результатам данного сравнения определяют скорость и точность поворота ПА. Определяемые скорость и точность поворота ПА определяются для каждой операции из задаваемого набора операций поворота ПА. Определяемая скорость поворота ПА определяется как переменная во времени величина, циклограмма изменения которой определяется с учетом времени реакции (задержки реакции) на воспроизводимую командную информацию. Определяемая точность поворота ПА определяется как точность достижения требуемых положений ПА, определяемая с учетом времени реакции (задержки реакции) на воспроизводимую командную информацию, точности отработки угловых параметров операций и точности отработки направлений, вдоль которых отсчитываются угловые параметры операций поворота ПА.

Далее, при реализации штатных операций с перемещаемой аппаратурой выполняют следующие действия.

Осуществляют выбор ориентира для реализации штатной работы с перемещаемой аппаратурой и определяют текущие и расчетные прогнозируемые на задаваемом интервале времени, предназначенном для реализации штатных операций с ПА, параметры положения ориентира относительно ПК. В качестве ориентира для реализации штатных операций с ПА выбирают, например, некоторый текущий ориентир из перечня возможных ориентиров, заданного каталогом ориентиров. Например, прогнозирование указанных параметров может быть выполнено с использованием навигационных измерений, по которым определяют текущие и расчетные прогнозируемые на рассматриваемом интервале времени параметры положения центра масс ПК и ориентации ПК, по которым определяют текущие и расчетные прогнозируемые положения (координаты) ориентира относительно ПК.

Определяют текущие и расчетные прогнозируемые на задаваемом интервале времени параметры углового положения ориентира относительно оси ориентирования ПА и определяют параметры командной информации на поворот ПА относительно ПК из текущего углового положения до достижения требуемого углового положения ПА относительно ПК - положения, при котором ось ориентирования ПА совмещена с направлением на ориентир. При этом указанные параметры командной информации определяют с учетом определенных скорости и точности поворота ПА.

На представленном рисунке приведен пример формирования командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры и показано, что командная информация на поворот перемещаемой аппаратуры рассчитывается с учетом времени задержки начала выполнения поворота перемещаемой аппаратуры относительно момента формирования и воспроизведения данной командной информации.

Данную командную информацию передают на средства воспроизведения командной информации, посредством которых воспроизводят данную командную информацию. Оператор воспринимает воспроизведенную командную информацию и в соответствии с ней изменяет угловое положение ПА относительно ПК.

В процессе изменения углового положения ПА определяют текущее угловое положение ПА относительно ПК, сравнивают расчетные моделируемые параметры углового положения ПА относительно ПК (соответствующие положениям, через которые проходит ПА в процессе выполнения данной операции поворота ПА) и текущие параметры углового положения ПА относительно ПК и по результатам данного сравнения корректируют (уточняют) скорость и точность поворота ПА.

Определяют текущее и прогнозируемое положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, сравнивают параметры требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования ПА с параметрами текущего и расчетного прогнозируемого положения ориентира относительно оси ориентирования ПА и по результатам данного сравнения определяют моменты достижения требуемого положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры.

К моменту совпадения (с задаваемой точностью) параметров требуемого и текущего положений ориентира относительно оси ориентирования ПА формируют командную информацию на управление перемещаемой аппаратурой. При этом указанная точность совпадения определяется требуемыми на момент целевого применения ПА характеристиками положения ориентира относительно оси ориентирования ПА.

Данную командную информацию через средства передачи информации по радиоканалу, установленные на ПК, и средства приема информации по радиоканалу, установленные на ПА, передают на перемещаемую аппаратуру. В соответствии с поступившей командной информацией осуществляется своевременная реализация необходимого управления перемещаемой аппаратурой - например, автоматическая реализация циклов включений и выключений перемещаемой аппаратуры для выполнения съемки или иной регистрации целевых данных.

Далее повторяют описанные действия, начиная с выбора следующего ориентира для реализации штатных операций с ПА и определения текущих и расчетных прогнозируемых на задаваемом интервале времени параметров положения ориентира относительно ПК.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предложенное техническое решение обеспечивает учет скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры при одновременном обеспечении гарантированного целевого управления функционированием аппаратуры, свободно перемещаемой относительно пилотируемого корабля и ориентируемой по задаваемым ориентирам.

В том числе, предлагаемое техническое решение обеспечивает исключение/недопущение возможности ошибочного/несвоевременного функционального задействования аппаратуры, что в свою очередь исключает возможность потери уникальных целевых данных и/или регистрации аппаратурой данных, которые являются неликвидными. Также предлагаемое техническое решение позволяет устранить негативное влияние такого фактора как возможная технологическая несогласованность в функциональной работе перемещаемой аппаратуры и используемых бортовых систем корабля.

Особенно важность указанного положительного эффекта проявляется при применении предлагаемого технического решения на КА в полете, когда, с одной стороны, отсутствует или существенно ограничена (как технически, так и организационно) оперативная возможность проверки качества зарегистрированных аппаратурой данных, а с другой стороны, регистрируемые данные обладают уникальностью и их потеря или несвоевременная регистрация могут нести невосполнимый ущерб (как научный, так и экономический).

Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено по известным технологиям.

Изобретение относится к аэрокосмической технике. Определяют положение ориентира и перемещаемой аппаратуры (ПА) относительно пилотируемого корабля (ПК), определяют положение ориентира относительно ПА. Дополнительно воспроизводят командную информацию (КИ) задаваемого набора операций поворота ПА относительно ПК до достижения моделируемых положений ПА относительно ПК и определяют скорость и точность поворота ПА. Выбирают ориентир для штатной работы с ПА, определяют текущие и прогнозируемые на задаваемом интервале времени параметры положения ориентира относительно ПК, определяют и воспроизводят КИ на поворот ПА в определяемое требуемое угловое положение ПА. КИ определяют с учетом скорости и точности поворота ПА. По результатам сравнения прогнозируемых и текущих параметров положения ПА корректируют скорость и точность поворота ПА. Операции выполняют до достижения требуемого углового положения ПА. К моменту совпадения параметров, определяющих текущее и требуемое положения ориентира относительно оси ориентирования ПА, формируют команду на управление ПА, после чего повторяют действия, начиная с выбора ориентира. Обеспечивается учет скорости и точности поворота ПА при одновременном обеспечении целевого управления ПА. 1 ил.

Способ ориентирования перемещаемой на борту пилотируемого корабля аппаратуры, включающий определение положения ориентира и перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля, определение положения ориентира относительно перемещаемой аппаратуры и воспроизведение командной информации, отличающийся тем, что дополнительно воспроизводят командную информацию задаваемого набора операций поворота перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля до достижения моделируемых положений перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля и определяют скорость и точность поворота перемещаемой аппаратуры, выбирают ориентир для штатной работы с перемещаемой аппаратурой, определяют параметры командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры в требуемое угловое положение, определяемое из условия совмещения оси ориентирования перемещаемой аппаратуры с направлением на ориентир, и воспроизводят данную командную информацию, к моменту совпадения с задаваемой точностью параметров, определяющих соответственно требуемое и текущее положения ориентира относительно оси ориентирования перемещаемой аппаратуры, формируют команду на управление перемещаемой аппаратурой и повторяют действия, начиная с выбора ориентира, при этом параметры командной информации на поворот перемещаемой аппаратуры определяют с учетом скорости и точности поворота перемещаемой аппаратуры, которые корректируют по результатам сравнения прогнозируемых и текущих параметров положения перемещаемой аппаратуры относительно пилотируемого корабля при штатной работе с перемещаемой аппаратурой.