УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВЗАИМНОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2020 года по МПК G01C21/24 B64G1/24 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и предназначено для применения в системах управления движением (СУД) космического аппарата (КА) для обеспечения операций сближения и стыковки космических аппаратов.

При сближении и стыковке двух КА для определения взаимного положения КА применяют мишени, расположенные на пассивном КА и оптический визир космонавта или телевизионные камеры на активном КА. Мишени для ручного контура управления представляют собой конструкцию, имеющую основание с черным покрытием и нанесенным белым крестом, штангу, установленную перпендикулярно основанию по оси мишени и выносной крест на конце штанги. Выносной крест имеет белое покрытие. Лучи выносного креста на штанге параллельны лучам креста на основании мишени. При наблюдении изображения мишени из активного КА, в случае отклонений мишени от оси визировании по пассивным углам, как минимум два луча выносного креста не совпадают с двумя лучами креста на основании мишени.

На дневной стороне орбиты возможно положение пассивного КА, при котором часть мишени, освещенной Солнцем, находится в тени от элементов конструкции КА. В этом случае при большом перепаде яркостей часть изображения мишени будет плохо различима, что затрудняет оператору контролировать взаимное положение сближающихся КА. Похожая ситуация возникает и на теневой стороне орбиты при сближении на расстояниях между КА от 5 до 3 м при освещении мишени фарой, расположенной на активном КА, из-за параллакса между осью излучения фары и осью мишени. В этом положении выносной крест мишени еще находится в конусе излучения фары, а основание мишени уже вышло из этого конуса. Телевизионная камера автоматически подстраивается под среднюю яркость картины в поле зрения и основание мишени, из-за большого перепада яркостей пропадает на несколько секунд на телевизионном изображении. Затем, при дальнейшем сближении, когда и выносной крест также попадает в полутень света фары, вся мишень снова становится видимой на телевизионном изображении.

В качестве аналога может быть принято устройство контроля ориентации наблюдаемого объекта, заявленное в патенте RU 2093432. Данное устройство содержит сдвоенный крест на выносной штанге, на котором нанесены контрастные информационные элементы в виде черных и белых квадратов, а также подобные информационные элементы на основании мишени. Аналог обладает теми же достоинствами и недостатками, что и мишень описанная выше.

Для устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов в качестве прототипа может быть принято устройство, заявленное в патенте RU 2694458. Данное устройство содержит мишень, установленную на пассивном КА, излучатель в форме креста, сферическое зеркало, излучатель с маской, обращенной в сторону сферического зеркала и расположенный между излучателем в форме креста и зеркалом, фотодатчик, блок управления источниками света. В направлении оси визирования из активного КА виден светящийся крест мишени и на его фоне сформированное сферическим зеркалом увеличенное мнимое изображение маски в виде колец и биштрихов, симметричное кресту при отсутствии рассогласования осей активного и пассивного КА и не симметричное при наличии рассогласования. Это устройство позволяет контролировать взаимную ориентацию двух КА в широком диапазоне фоновой засветки. Однако данное устройство имеет сложную конструкцию и прецизионные оптические элементы: сферическое зеркало и маску.

Задачей настоящего изобретения является оптимизация эргономических характеристик и расширение функциональных возможностей устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов, по контролю взаимного положения сближающихся космических аппаратов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве контроля взаимной ориентации космических аппаратов, содержащем корпус, установленный на пассивном космическом аппарате, источник света, элемент задания системы координат в виде креста, элементы в виде двух концентрических окружностей и четырех биссекторов, блок управления, плоское зеркало, фотодатчик, в отличие от известных, элемент задания системы координат в виде креста, а также элементы в виде концентрических окружностей и биссекторов выполнены в виде оптических волокон с боковым свечением, которые посредством оптически сопряженных с ними оптоволоконных кабелей и оптического соединителя подстыкованы к источнику света, блок управления которым электрически связан с фотодатчиком, расположенным на лицевой поверхности корпуса, причем элемент задания системы координат в виде креста, расположенный в выходном окне корпуса, симметричен изображению в зеркале двух концентрических колец и четырех биссекторов, расположенных за границей внешнего концентрического кольца.

Технический результат достигается за счет применения устройства для контроля взаимной ориентации активного и пассивного КА при сближении при любых светотехнических условиях, как на дневной, так и на ночной стороне орбиты.

Суть изобретения поясняется графическими материалами:

фиг. 1 - структурная схема устройства,

фиг. 2 - Вид А

фиг. 3 - вид телевизионного изображения устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов на мониторе активного КА при наличии отклонений по активным и пассивным углам.

фиг. 4 - взаимное положение систем координат устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов O_пX_пY_пZ_п на пассивном КА и телевизионной камеры O_aX_aY_aZ_a на активном КА.

Перечень позиций:

1 - элемент задания системы координат в форме креста, расположенный в плоскости выходного окна корпуса,

2 - плоское зеркало,

3 - плоскость, в которой расположены элементы в форме двух колец и четырех биссекторов,

4 - фотодатчик,

5 - оптоволоконные кабели,

6 - оптический соединитель оптоволоконных кабелей,

7 - источник света,

8 - блок управления,

9 - элемент задания системы координат в форме креста,

10 - изображение в зеркале элемента в форме кольца малого диаметра,

11 - изображение в зеркале элемента в форме кольца большого диаметра,

12 - изображение в зеркале элементов в форме биссекторов,

α_а - отклонение оси визирования телевизионной камеры на активном КА от направления на центр перекрестья креста в горизонтальной плоскости,

β_а - отклонение оси визирования телевизионной камеры на активном КА от направления на центр перекрестья креста в вертикальной плоскости,

α_п - отклонение оси О_пХ_п, при вращении устройства в вокруг оси О_пХ_п

β_п - отклонение оси О_пХ_п, при вращении устройства в вокруг оси О_пY'_п

Устройство устанавливается на корпусе пассивного КА вблизи порта стыковки, так чтобы в состыкованном состоянии пассивного и активного КА, ось О_пХ_п устройства была параллельна оси ОХ пассивного КА и совпадала с осью О_аХ_а телевизионной камеры или иного оптического прибора наблюдения, установленного на активном КА. На фиг. 1 показана структурная схема устройства. В выходном окне устройства расположен элемент 1, имеющий форму прямоугольного креста, который задает систему координат O_пX_пY_пZ_п. Центр системы координат расположен в т. О_п совпадающей с центром перекрестья, ось О_пХ_п направлена наружу от плоскости креста 9, а лучи креста 9 совпадают с осями O_пY_п и O_пZ_п, как показано на фиг. 2. Внутри устройства имеется плоское зеркало 2, расположенное под углом к оси О_пХ_п и позволяющее сократить габаритный размер устройства вдоль оси О_пХ_п. На боковой стенке устройства, которая отражается зеркалом 2 в направлении оси О_пХ_п, расположена плоскость 3, в которой расположены два элемента в форме кольца 10, 11, а также четыре элемента в форме биссекторов 12, отражение которых в зеркале на фоне креста 9 показаны на фиг. 2. Элементы 10, 11, 12 предназначены для контроля углов отклонения устройства относительно оси О_пХ_п.. Элементы 9, 10, 11, 12 оптически сопряжены с оптоволоконными жгутами 5, которые с помощью оптического соединителя 6 подсоединены к источнику света 7. На передней панели устройства расположен фото датчик 4, подключенный к блоку управления 8, который подсоединен к источнику света 7. Все внутренние поверхности и лицевая панель устройства имеют черное матовое светопоглощающее покрытие. Элемент задания системы координат в форме креста, элементы в форме концентрических окружностей и биссекторов выполнены из оптического волокна с боковым свечением, которое в отличие от обычного стекловолокна, выводит излучение перпендикулярно продольной оси по всей длине волокна. Угол излучения зависит от толщины волокна и градиента изменения коэффициента преломления по радиусу в сечении волокна. Для предлагаемого устройства, наиболее оптимальными являются оптические волокна диаметром 0,75 мм, имеющие угол излучения 60° по всей длине. Для ввода света в волокно с боковым свечением используется обычное световолокно, при этом торцы обоих волокон соединяются с помощью оптических соединителей, либо свариваются. Оптические волокна, подводящие свет к элементам 9, 10, 11, 12, объединены внутри оптического соединителя 6 в единый торец, который засвечивается, например, светодиодным или иным источником света. Яркость излучения источника света автоматически регулируется с помощью блока управления 8 по сигналам с фотодатчика 4, расположенного на лицевой поверхности устройства. Чем выше внешняя освещенность, тем ярче излучение элементов устройства. Необходимость такого режима работы устройства связана с обеспечением его работы, как на дневной, так и на ночной стороне орбиты. Для повышения контраста элементов в форме креста, колец и биссекторов все внутренние поверхности и передняя панель устройства имеют черное светопоглощающее покрытие.

Вид телевизионного изображения устройства со стороны активного КА при наличии отклонений по активным углам α_а, β_a и отклонений по пассивным углам α_п, β_п показана на фиг. 3. Взаимное положение осей телевизионной камеры на активном КА и осей устройства на пассивном КА, соответствующее телевизионному изображению на фиг. 3 показано на фиг. 4.

При отклонениях по пассивным углам устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов более 10°, дальнейшее сближение активного и пассивного КА недопустимо. На пассивном КА этому положению соответствует положение, когда на телевизионном изображении центр перекрестья изображения креста 9 выйдет за границу изображения кольца большого диаметра 11. При отклонениях по пассивным углам ≤4°, допускается управление активным КА с помощью ручного контура СУД. В этом случае на телевизионном изображении центр изображения креста 9 находится на границе, либо внутри изображения кольца малого диаметра 10. Стыковка активного и пассивного КА возможна, если отклонения по пассивным углам ≤2°. В этом положении на телевизионном изображении ни один из лучей изображения креста 9 не выходит за линии изображений биссекторов 12, а центр изображения креста совпадает с центром перекрестья экрана, т.е. когда углы: α_а=0, β_а=0.

Таким образом, в заявленном устройстве новым является:

а) применение в устройстве оптических волокон с боковым свечением,

б) применение автоматического управления яркостью элементов форме креста, колец и биссекторов в зависимости от внешней светотехнической обстановки,

в) применение элементов устройства: креста, колец и биссекторов определенной формы и угловых размеров для индикации диапазонов, при которых:

- допускается дальнейшее сближение КА,

- допускается переход к ручному управлению,

- допускается стыковка.

Заявленное устройство может быть применено на перспективных модулях МКС, а также модулях лунных орбитальных станциях для обеспечения режимов ручного сближения и стыковки перспективных КА.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и предназначено для применения в системах управления движением космического аппарата. Заявленное устройство контроля взаимной ориентации космических аппаратов (КА)заключается в том, что на кооперируемый КА устанавливается устройство, в корпусе которого имеется выходное окно с элементом в форме креста, задающим систему координат. Другие элементы в форме двух концентрических колец и четырех биссекторов расположены внутри на стенке корпуса. Эти элементы с помощью плоского зеркала проектируются на плоскость, расположенную на определенном расстоянии от креста, причем в проекции креста на эту плоскость оси симметрии креста совпадают с осями симметрии биссекторов, а центры колец совпадают с центром перекрестья. Все внутренние поверхности и передняя панель устройства имеют черное светопоглощающее покрытие. Элемент в форме креста, задающий систему координат, элементы в форме двух концентрических колец и четырех биссекторов выполнены из световых волокон с боковым свечением, которые с помощью светопроводов и оптического соединителя подсоединены к источнику света, управляемому от блока управления по сигналам от фотодатчика, установленного на лицевой панели корпуса устройства, и реагирующего на внешнюю светотехническую обстановку. Технический результат - оптимизация эргономических характеристик и расширение функциональных возможностей устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов. 4 ил.

Устройство контроля взаимной ориентации космических аппаратов, содержащее корпус, установленный на пассивном космическом аппарате, источник света, элемент задания системы координат в виде креста, элементы в виде двух концентрических окружностей и четырех биссекторов, блок управления, плоское зеркало, фотодатчик, отличающееся тем, что элемент задания системы координат, а также элементы в виде концентрических окружностей и биссекторов выполнены в виде оптических волокон с боковым свечением, которые посредством оптически сопряженных с ними оптоволоконных кабелей и оптического соединителя подстыкованы к источнику света, блок управления которым электрически связан с фотодатчиком, расположенным на лицевой поверхности корпуса, причем элемент задания системы координат в виде креста, расположенный в выходном окне корпуса, симметричен изображению в зеркале двух концентрических колец и четырех биссекторов, расположенных за границей внешнего концентрического кольца.