СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДАТЧИКОМ ИНФРАКРАСНОЙ ВЕРТИКАЛИ ЗЕМЛИ С АВТОПОДСТРОЙКОЙ УГЛА КРУГОВОГО СКАНИРОВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК B64G1/36 

Изобретение относится к аэрокосмической технике и предназначено для управления датчиком инфракрасной вертикали (ИКВ) Земли с автоподстройкой угла кругового сканирования для определения углового отклонения преимущественно космического аппарата (КА) от направления на Землю.

Известен способ управления по патенту РФ 2568235, основанный на передаче, вычисляемой в бортовом цифровом комплексе (БЦВК) последней ступени ракеты-носителя (РН), основанный на передаче, вычисляемой в БЦВК последней ступени ракеты-носителя (РН) системы координат в систему управления движением (СУД) КА. В этом способе управления для сокращения времени этапа построения начальной орбитальной ориентации сразу после выведения и отделения корабля от РН применяется алгоритм ускоренного построения орбитальной системы координат (ОСК). Для оценки углов ориентации связанного базиса космического аппарата относительно орбитального в данном алгоритме используются априорная информация об ориентации РН в момент разделения, а также измерения угловой скорости, полученные через несколько минут после разделения. Данный способ обеспечивает построение начальной ориентации К А на Землю, с ограниченной точностью ориентации в ОСК по прогнозу, абсолютная ошибка прогноза ОСК составляет 5-9 градусов. Недостатком этого способа является низкая точность ориентации.

Известен способ управления ориентацией, в котором после отделения от последней ступени ракеты-носителя для определения ориентации используется датчик инфракрасной вертикали кругового сканирования (Легостаев В.П., Микрин Е.А., Орловский И.В., Борисенко Ю.Н., Платонов В.Н., Евдокимов С.Н. Создание и развитие систем управления движением космических кораблей «Союз» и «Прогресс»: опыт эксплуатации, планируемая модернизация // Сборник статей. Москва, МФТИ, 2009). В этом способе после поступления первых измерений угловой скорости через интервал времени At к КА прикладывают серию импульсов, совершающих ряд последовательных разворотов для обеспечения нахождения диска Земли в поле зрения датчика ИКВ. Затем, уже по измерениям углов тангажа, крена датчиком ИКВ, к КА прикладывают серию импульсов, совмещающих видимый центр Земли с центром обзора датчика ИКВ. Далее, по изменению компонент угловой скорости в плоскости, перпендикулярной направлению на центр Земли, определяют текущее направление орбитальной угловой скорости и, соответственно, орбитальную систему координат (ОСК), описанную в Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. «Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли», Москва, Наука, 1987, после чего прикладывают серию импульсов для разворота КА в требуемую ориентацию.

Основными недостатками этого способа являются требование обеспечения определенных светотеневых условий на орбите и продолжительное (10-20 минут) время, затрачиваемое на поиск Земли.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому (прототипом) является способ управления датчиком ИКВ с автоподстройкой угла кругового сканирования, изложенный в источнике: https://misha-smiryagin.liveioumal.com/660.html7utm source=3userpost включающий определение углового размера мгновенного поля зрения сканирующего зеркала в датчике инфракрасной вертикали Земли, предварительный сдвиг друг относительно друга расположенных по окружности смежных воспринимающих излучение от Земли зеркал пирамиды на фиксированный угол значение которого больше нуля, но меньше углового размера мгновенного поля зрения сканирующего зеркала, реверсивный поворот пирамиды зеркал при отсутствии излучения от Земли в поле обзора датчика ИКВ последовательно до максимального и минимального значения угла кругового сканирования изменение значения угла кругового сканирования пирамиды зеркал датчика ИКВ до максимального значения после достижения минимального значения угла кругового сканирования, формирование сигнала отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли, поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли, после совмещения оси визирования датчика инфракрасной вертикали Земли с местной вертикалью измерение и сравнение углового размера видимого диска Земли с текущим углом кругового сканирования пирамиды зеркал, поворот пирамиды зеркал до совмещения углового положения пирамиды зеркал с текущим угловым размером видимого диска Земли, поворот датчик инфракрасной вертикали Земли вокруг оси визирования, ориентированной по местной вертикали Земли, до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбите, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат.

В качестве пояснения отметим, что в способе-прототипе информация о высоте полета КА формируется и из модулированного по частоте сигнала на выходе приемника излучения- болометра. Для этого все секции пирамиды зеркал, принимающих ИК излучение от Земли, смещают относительно друг друга на постоянный по величине угол , равный 2 градуса. Значение выбирается в зависимости от углового размера мгновенного поля зрения (МПЗ) сканирующего зеркала. Например, при угловом размере МПЗ 3 градуса значение выбирается из условия отсутствия зазора меду верхним краем внутреннего зеркала и нижним краем смещенного внешнего зеркала пирамиды, например, от половины до углового размера МПЗ, то есть от 1,5 до 3 градусов. За счет указанного сдвига сканирование пространства мгновенным полем зрения сканирующего зеркала осуществляется по ступенчатой траектории. Амплитуда модулированной таким образом четвертой гармоники будет содержать информацию об изменении высоты полета. Если конус сканирования занимает оптимальное рабочее положение по инфракрасному (ИК) горизонту для одних секций входных зеркал, другие же секции будут сдвинуты относительно первых, образуя ступенчатую траекторию угла кругового сканирования. При такой высоте ИК горизонта разница в интенсивности ИК излучения, воспринимаемого приемником от разных секций, будет иметь строго определенное значение (обычно близкое к максимальному). При изменении высоты полета эта величина также изменится. Управляя величиной угла кругового сканирования можно опять добиться максимальной (расчетной) разности. Но, необходимо отметить, что подстройку по высоте можно выполнять только после поворота датчика ИКВ до совмещения оси визирования датчика ИКВ с местной ИК вертикалью Земли с точностью порядка от одного до трех градуса.

В результате автоподстройки по высоте полета обеспечиваются номинальные параметры выходных характеристик датчика ИКВ (крутизна выходной характеристики, отсутствие зоны нечувствительности и т.п.).

Основными недостатками этого способа являются следующее.

Автоподстройка угла кругового сканирования к угловому размеру Земли осуществляется с использованием информации об угловом рассогласовании между текущими значениями угла кругового сканирования и расчетного углового размера видимого диска Земли путем формирования амплитуды сигнала четвертой гармоники, выделяемого из переменного сигнала на выходе болометрического приемника ИК излучения при сканировании пространства по ступенчатой траектории, формируемой круговым ступенчатым расположением зеркал датчика ИКВ, и ее сравнения расчетными пороговыми сигналами, соответствующими угловому размеру диска Земли. При этом, в силу симметрии выходной характеристика сигнала четвертой гармоники, автоподстройка угла кругового сканирования может завершиться в так называемом «ложном устойчивом положении» с дальнейшей (например, при изменении высоты орбиты) повторной автоподстройкой в «истинное» устойчивое положение, что приводит к повышенным колебательности процесса ориентации КА и расхода рабочего тела.

Кроме того, совмещение оси визирования датчика ИКВ с местной вертикалью Земли выполняется со статической ошибкой, равной

- установившееся статическое отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли после где построения одноосной ориентации на Землю,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале крена,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале тангажа,

- орбитальная угловая скоростъ,

- угол рыскания от 0 до ± 180 градусов,

- угловой размер половины зоны нечувствительности регулятора в СУД по каналам тангажа и крена. Не учет статической ошибки ориентации приводит к превышению допустимого отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли, при котором разрешена автоподстройка угла сканирования, что, в свою очередь, вызывает поворот датчика ИКВ вокруг местной вертикали для совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбите, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат при незавершенной автоподстройки угла сканирования. В результате, из-за наличия зоны нечувствительности датчика ИКВ пониженной/повышенной крутизны выходной характеристики датчика СУД выполняет ориентацию датчика ИКВ с повышенной колебательностью, увеличенной продолжительностью настройки выходных характеристик датчика, расхода рабочего тела для построения трехосной ориентацию датчика в ОСК.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение продолжительности управления ИКВ для настройки выходных характеристик датчика до номинальных значений и, как следствие, сокращение расхода рабочего тела и длительности построения трехосной ориентации на Землю.

Технический результат достигается тем, что в способе управления датчиком инфракрасной вертикали Земли с автоподстройкой угла кругового сканирования, включающем определение углового размера мгновенного поля зрения сканирующего зеркала в датчике инфракрасной вертикали Земли, предварительный сдвиг друг относительно друга расположенных по окружности смежных воспринимающих излучение от Земли зеркал пирамиды на фиксированный угол δ, значение которого больше нуля, но меньше углового размера мгновенного поля зрения сканирующего зеркала, формирование сигнала отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли, формирование и запоминание порогового сигнала больше нуля, но меньше максимального сигнала датчика инфракрасной вертикали при нахождении излучения от Земли в поле обзора датчика, сравнение с пороговым сигнала отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли, реверсивный поворот пирамиды зеркал при сигнале отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли меньше порогового сигнала последовательно до максимального и минимального значения угла кругового сканирования, изменение угла кругового сканирования пирамиды зеркал датчика инфракрасной вертикали до максимального значения после достижения минимального значения угла кругового сканирования, останов поворота пирамиды зеркал при изменении угла кругового сканирования от максимального к минимальному значению после превышении сигналом отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли порогового сигнала, измерение и сравнение текущих значений угла кругового сканирования и углового размера видимого диска Земли, останов поворота пирамиды зеркал при достижении текущим углом кругового сканирования расчетного значения углового размера видимого диска Земли, поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли, поворот датчика инфракрасной вертикали Земли вокруг оси визирования, ориентированной по местной вертикали Земли, до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбите, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат, в отличие от известного, осуществляют поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение, соответствующее максимальному значению угла кругового сканирования, с последующим остановом, при этом, поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение выполняют после превышения сигналом отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли порогового сигнала U_П1, определяемого выражением:

где

- установившееся статическое отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли после построения одноосной ориентации на Землю,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале крена,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале тангажа,

- орбитальная угловая скорость,

- угол рыскания от 0 до ± 180 градусов,

- угловой размер половины зоны нечувствительности регулятора в системе управления движением по каналам тангажа, крена, поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли выполняют после останова в исходном максимальном угловом положении пирамиды зеркал, изменение угла кругового сканирования пирамиды зеркал для совмещения ее углового положения с текущим угловым размером видимого диска Земли, выполняют после совмещения оси визирования датчика с местной вертикалью Земли и уменьшения сигнала отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли меньше порогового сигнала, измеряют суммарную продолжительность отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли меньше порогового сигнала, а поворот датчика вокруг оси визирования, ориентированной по местной вертикали Земли, до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбиты, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат осуществляют после достижения равенства или превышения суммарной продолжительностью отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли меньше порогового сигнала прогнозируемого интервала, времени для изменения угла сканирования от максимального до текущего расчетного значения углового размера диска Земли.

Кроме того, в способе управления датчиком инфракрасной вертикали Земли с автоподстройкой угла кругового сканирования, в отличие от известного, определяют расчетное максимальное значение сигнала четвертой гармоники при совмещения оси визирования датчика с местной вертикалью Земли, формируют и запоминают пороговые сигналы зоны нечувствительности сигнала четвертой гармоники ,

где

- относительный угол сканирования пирамиды зеркал,

- текущий угол кругового сканирования,

- угловые радиусы Земли и «Модели А» излучения Земли края атмосферы на высоте 40 км,

- разность углов между конусами сканирования внутреннего с углом при вершине и внешнего с углом при вершине зеркал пирамиды датчика при сканировании центральной осью сканирующего зеркала по образующей поверхности конуса сканирования с последовательным восьмикратным пороговым изменением угла сканирования в направлении увеличения и уменьшения угла сканирования на заданную фиксированную величину за один период сканирования, равный 360 градусов,

- сигнал четвертой гармоники в функциональной зависимости от относительного угла сканирования ,

одна относительная единица соответствует выходному сигналу болометра при полной засветке излучением от Земли мгновенного поля зрения сканирующего зеркала,

сравнивают текущий сигнал четвертой гармоники с пороговыми значениями и останавливают изменение угла сканирования при его значении больше

Суть изобретения, заключается в том, что в способе управления датчиком ИКВ с автоподстройкой угла кругового сканирования, ориентацию датчика в ОСК, автоподстройку угла сканирования пирамиды зеркал выполняют после попадания излучения Земли в поле обзора датчика ИКВ из предварительно установленного максимального углового положения пирамиды зеркал и после уменьшения сигнала отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли меньше порогового значения

в течение измеряемого интервала времени, равного прогнозируемой длительности для изменения угла сканирования от максимального до текущего углового размера диска Земли.

Сущность изобретения поясняется иллюстрациями на фиг 1-14 и таблицей 1.

Фиг. 1 - упрощенная оптическая схема датчика ИКВ кругового сканирования с автоподстройкой угла сканирования.

Фиг. 2 - блок-схема схема датчика ИКВ кругового сканирования с автоподстройкой угла сканирования.

Фиг. 3 - выходные характеристика датчика сигналов первой А1 и четвертой А4 гармоник ИКВ в зависимости от относительного угла сканирования при нулевом угловом отклонению оси визирования прибора ИКВ «Beta» от ИК вертикали Земли.

Фиг. 4, 5 - выходные характеристика датчика ИКВ сигналов первой А1 и четвертой А4 гармоник ИКВ в зависимости от относительного угла сканирования при угловых отклонениях оси визирования прибора ИКВ «Beta» от ИК вертикали Земли 0,5 и 2 градуса.

Фиг. 6 - выходные характеристики сигналов первой А1 и четвертой А4 гармоник прибора ИКВ кругового сканирования при различных значениях относительного угла сканирования в зависимости от углового отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли о 0 до 15 градусов.

Фиг.7 - выходные характеристики прибора ИКВ кругового сканирования после завершения автоподстройки угла сканирования.

Фиг. 8 - статическая ошибка ориентации оси визирования датчика ИКВ относительно местной вертикали Земли в зависимости от угла рыскания ф.

Фиг. 9 - иллюстрация повышенной колебательности в канале рыскания (угол ψ) при построение трехосной ориентации датчика ИКВ.

Фиг. 10 - блок-схема (БС) системы управления движением (СУД) поворотом датчика ИКВ для ориентации связанных осей датчика с орбитальной системой координат (ОСК).

Фиг. 11 - иллюстрация определение допустимой ошибки ориентации оси визирования датчика ИКВ относительно местной вертикали Земли с учетом статической ошибки и релейных пороговых сигналов зоны нечувствительности регуляторов СУД, при которых обеспечивается поворот пирамиды зеркал для совмещения угла сканирования с угловым размером Земли.

Фиг. 12 - иллюстрация определения коэффициента усиления G1 нелинейного усилителя в БС СУД для определения статической ошибки Ucт.

Таблица 1 - иллюстрация формирования и циклограммы формирования измерительных сигналов датчика ИКВ кругового сканирования.

В описании изобретения используются системы координат, сокращения, которые обозначаются следующим образом.

- связанная система координат (например, ССК датчика ИКВ, установленного на КА), которая задается базисом

где - единичные орты правого базиса В, задающие соответственно оси ССК, Т - оператор транспонирования, причем - направлен по оси крена - направлен по оси рыскания - направлен по оси тангажа.

ОСК - орбитальная система координат (ОСК), которая задается базисом - единичные орты правого базиса задающие соответственно направление осей ОСК, Т - оператор транспонирования, причем орт - направлен против направления полета КА на орбите вокруг Земли (по оси «Xq» крена), - совпадает с радиусом-вектором «центр Земли-КА» и направлен от Земли (по оси «Yq» рыскания), - направлен перпендикулярно плоскости орбиты по вектору орбитальной угловой скорости (по оси «Zq» тангажа).

- оси визирования датчика ИКВ, направление которой совпадает с вектором

вектор орбитальной угловой скорости, где - величина орбитальной угловой скорости для высоты полета 200...400 км, Т - оператор транспонирования «СОЗ» - угол «Солнце-объект (КА) Земля - угол между линиями, соединяющими «центр Солнца»-«центр масс КА» и «центр Земли»- »-«центр масс КА».

R₃ = 6371 км - средний радиус Земли

На фиг.1, 2 обозначены:

1 - зеркало, 2 - зеркало пирамиды 3 - защитное окно, 4 - объектив, 5 - болометр, 6 - фильтр, 7 - конденсор, 8 - диафрагма, 9 - ИК-излучатели (для автономных проверок), 10 - фотосопротивление (ФС), 11 - полупрозрачное зеркало, 12 - конденсор, 13 - полевая диафрагма, 14 - зеркало, 15 - сканирующее зеркало с механизмом сканирования, 16 - оптическая система, 17 - предусилитель с последовательно соединенными первым У1 усилителем, Ключом и вторым У2 усилителем, 18 - резонансный усилитель сигнала первой гармоники РУ1, 19 - резонансный усилитель сигнала четвертой гармоники РУ4, 20 - генератор опорного напряжения ГОН, 21 - первый демодулятор ДМ1 (канал «К» крена ) 22 - второй демодулятор ДМ2 (канал «Т» тангажа), 23 -первый фильтр датчика ИКВ по каналу крена (канал «К» крена ), 24 - второй фильтр датчика ИКВ по каналу тангажа

(канал «Т»), 25 -усилитель сигнала блока подавления Солнца (БИС), 26 -выпрямитель сигнала А1 амплитуды первой гармоники, 27 - выпрямитель сигнала А4 амплитуды четвертой гармоники, 28 - выпрямитель сигнала БПС, 29 - блок автоподстройки угла сканирования (БАП), 30 - привод поворота пирамиды зеркал, «Л-Л» вид на оптико-механическую систему датчика ИКВ по сечению «Л-Л», «М» - обозначения вида со стороны оптического входа излучения от Земли на зеркала пирамиды 2, Т датчика ИКВ. На фиг.10 обозначены.

31 - платформа системы управления движением (СУД) трехосной ориентации датчика ИКВ.

32, 33 - соответственно «Рег.Х» 32, Per.Z 33 регуляторы релейной системы управления для формирования управляющих реактивных импульсов (управляющих моментов в канале крена , в канале тангажа ).

34, 35 - соответственно ИО X, ИО Z - исполнительные реактивные органы (реактивные двигатели ориентации для формирования управляющих

реактивных импульсов (управляющего момента « М _х » в каналах крена «К», , управляющего момента « М _z » в канале тангажа «Т»).

36, 37, 38- соответственно ДУС X датчик угловой скорости в канале крена, ДУС Z датчик угловой скорости в канале тангажа, ДУС Y датчик

угловой скорости в канале рыскания.

39 - первый сумматор.

40 - первый нелинейный усилитель (формирует на выходе сигнал коррекциив канале крена).

41 - второй сумматор.

42 - первый интегратор (формирует на выходе оценку угла крена).

43 - первый инвертор знака.

44 - третий сумматор.

45 - второй нелинейный усилитель (формирует на выходе сигнал коррекции g_z в канале тангажа).

46 - четвертый сумматор.

47 - второй интегратор (формирует на выходе оценку угла тангажа).

48 - второй инвертор знака.

49 - третий инвертор знака.

50 - задатчик орбитальной угловой скорости.

51 - логического блока коммутации.

52 - первый управляемый ключа.

53 - двухпозиционный релейный элемент с гистерезисом.

54 - первый трехпозиционный релейный элемент с зоной нечувствительности.

55 - второй трехпозиционный релейный элемент с зоной нечувствительности.

56 - логическая схема «ИЛИ».

57 - второй управляемый ключ.

58 - логическая схема «НЕ».

59 - пятый сумматор (формирует на выходе сигнал коррекции g_Y в канале рыскания).

60 - третий интегратор (формирует на выходе оценку угла ориентации по каналу рыскания).

61 - третий регулятор «Рег.Y» (регулятор релейной системы управления для формирования управляющих реактивных импульсов (управляющих моментов в канале рыскания «Р» ).

62 - исполнительные органы реактивных двигателей «ИО Y» (реактивные двигатели для формирования управляющих реактивных импульсов (управляющего момента в канале рыскания «Р» ).

- сигнал коррекции в канале крена.

- - сигнал коррекции в канале тангажа.

- оценки угла ориентации в канале крена.

- оценка угла ориентации в канал в тангажа.

- оценка угла ориентации в канале рыскания.

Блок коррекции по каналу крена «К» содержит последовательно соединенные первый сумматор 39, первый нелинейный усилитель 40

(формирует выходной сигнал коррекции), второй сумматор 41, второй вход которого подключен к выходу ДУС X 36, первый интегратор 42, выход которого (сигнал оценки угла крена) через первый инвертор знака 43 подключен ко второму входу первого сумматора 39, первый вход которого подключен к выходу канала крена «К» датчика ИКВ X 23.

Блок коррекции по каналу тангажа «Т» содержит последовательно соединенные третий сумматор 44, второй нелинейный усилитель 45 (формирует выходной сигнал коррекции g_z), четвертый сумматор 46, второй интегратор 47. Выход второго интегратора 47 (сигнал оценки угла тангажа) через второй инвертор знака 48 подключен ко второму входу третьего сумматора 44, первый вход третьего сумматора 44 подключен к выходу датчика ИКВ Z 24 канала тангажа «Т», $, второй вход третьего сумматора 44 подключен к выходу ДУС Z 37, а третий вход четвертого сумматора 46 подключен к выходу третьего инвертора знака 49, вход которого подключен к выходу задатчика 50 орбитальной угловой скорости

Выходы датчика ИКВ X 23 и ИКВ Z 24 подключены соответственно к первому и второму входам логического блока коммутации 51, третий вход которого подключен к выходу первого нелинейного усилителя 40, а выход логического блока 51 коммутации подключен к первому входу первого управляемого ключа 52, а также ко входам двухпозиционного релейного элемента 53 с гистерезисом и первого трехпозиционного релейного элемента 54 с зоной нечувствительности.

Выход второго нелинейного усилителя 45 подключен ко входу второго трехпозиционного релейного элемента 55 с зоной нечувствительности, выход которого вместе с выходом первого трехпозиционного релейного элемента 55 подключены ко входам логической схемы «ИЛИ» 56, выход которой подключен ко второму (управляющему) входу второго ключа 57 и ко входу логической схемы «НЕ» 58, выход которой подключен ко второму (управляющему) входу первого ключа 52, а первый вход второго ключа 57 подключен к выходу двухпозиционного релейного элемента 53.

Выходы первого 52 и второго 57 ключей подключены соответственно к первому и второму входам пятого сумматора 59, третий вход которого подключен к выходу ДУС Y 38.

Выход пятого сумматора 59 подключен ко входу третьего интегратора 60 (на выходе третьего интегратора 60 формируется оценка угла рыскания ), выход которого (оценка угол рыскания) подключен ко входу третьего регулятора «Рег.У» 61 канала рыскания «Р», подключенного ко входу исполнительных органов реактивных двигателей «ИО Y» 62, формирующих управляющий момент «Му» по каналу рыскания для поворота датчика ИКВ вокруг оси визирования после совмещения оси визирования датчика ИКВ с местной вертикалью Земли.

Характеристика нелинейного усилителя может иметь вид, представленный на фиг.12. При входном сигнале от коэффициент усиления , от коэффициент усиления .

Датчик ИКВ воспринимает излучение от Земли (фиг.1), которое попадает на зеркала 2, 2' пирамиды и направляется через зеркало 1, через защитное окно 3, на сканирующее зеркало 15 оптико-механической системы, далее через объектив 4 полупрозрачное зеркало 11, зеркало 14, полевую диафрагму 13, конденсор 13 поступает на вход фотосопротивления (ФС) 10 для формирования сигнала блока подавления Солнца (БПС) при засветке Солнцем. Полупрозрачное зеркало 11 перенаправляет излучение от Земли через диафрагму 8, конденсор 7 на болометр 5, формирующий переменный сигнал от излучения от Земли. Для автономных проверок датчика ИКВ предусмотрены инфракрасные (ИК) излучатели 9.

Сканирование пространства осуществляется оптико-механической системой с помощью вращающегося сканирующего зеркала 15, например, с частотой 20 Гц (частота первой гармоники) таким образом, что центральный луч мгновенного поля зрения (МПЗ) описывает ступенчатую траекторий, состоящую из восьмикратно чередующихся участков двух соосных конусов:

- внутреннего с углом при вершине ,

- внешнего с углом при вершине градуса. В процессе сканирования обеспечивается перемещение центрального луча МПЗ по ступенчатой образующей конуса с углом при вершине сканирования благодаря специальной установке пирамиды зеркал 2 и 2' с угловым смещением относительно друг друга на

Ступенчатое сканирование в датчике ИКВ введено для модулирования ИК излучения от Земли и последующего формирования сигнала четвертой гармоники с частотой, в данном примере, 80 Гц. Сигнал четвертой гармоники используется для определения и сравнения текущего угла сканирования и с угловым размером видимого диска Земли с последующим управлением автоматической подстройки угла сканирования к угловому размеру видимого диска Земли. Ступенчатое сканирование обеспечивается установкой зеркал пирамиды Б, Г, Е, И относительно зеркал А, В, Д, Ж так, что. Этим достигается разность между конусами сканирования (см. ход луча на входе пирамиды зеркал 2 и 2' на фиг.2).

Траектория сканирования МПЗ на картинной плоскости представляет собой (фиг.1) ступенчатую траекторию АБВГЕДЖИ. В качестве примера величины углов сканирования и установки зеркал.

Зеркала А, В, Д, Ж:

Зеркала Б, Г, Е, И:

На фиг.2 приведен пример реализации блок-схемы прибора ИКВ с автоматической подстройкой угла сканирования. Входное ИК излучение поступает в оптическую систему 16 (фиг.2), где модулируется, фокусируется и направляется на болометр 5 Модулированное (переменное) входное ИК излучение преобразуется болометром 5 в переменный электрический сигнал (см. позицию 2 в таблице 1), смещенный по фазе по отношению к модулированному потоку на величину(запаздывание обусловлено инерционностью болометрического тракта). Сигнал с болометра 5 поступает в предусилитель 17, где происходит выделение переменного сигнала (постоянная составляющая фильтруется) и его усиление. Далее сигнал поступает на вход резонансного усилителя (РУ1) первой гармоники 18, настроенного на 20±2 Гц и на вход РУ4 четвертой гармоники 19, настроенного на 80±4 Гц, где выделяются и усиливаются переменные составляющие напряжений первой А1 (позиция 5 в таблице 1) и четвертой А4 гармоник. РУ4 четвертой гармоники выполнен по аналогии с РУ1 первой гармоники. Генератор опорных импульсов (ГОН) 20 формирует сигналы прямоугольного синуса S(t) и косинуса C(t) (см. позиции 3 и 4 в таблице 1), которые поступают на входы демодуляторов 21 и 22, а также задает частоту вращения 20 Гц механизма сканирования 15. Напряжение первой гармоники с выхода РУ1 18 первой гармоники подается на демодуляторы (ДМ) 21 и 22, которые раскладывают напряжение первой гармоники на составляющие по каналам крена «К» -канал «X» (позиция 6 на фиг.3) и тангажа «Т» - канал поворот вокруг оси «Z» (позиция 8 в таблице 1) путем умножения сигнала первой гармоники на сигналы прямоугольного синуса S(t) и косинуса C(t) (см. позиции 3 и 4 в таблице 1) с выхода генератора опорных напряжений (ГОН) 20. Опорные импульсы S(t), подаваемые с выходов ГОН на вход ДМ 21, сдвинуты на 90° относительно C(t) подаваемых на вход ДМ 22. Сигналы с выходов ДМ 21 и 22 сглаживаются апериодическими фильтрами 23 (позиция 7 на фиг.3) и 24 (позиция 9 в таблице 1), выходы которых "К" и "Т" являются выходами датчика ИКВ, постоянная времени фильтров 23 и 24 . При засветке Солнцем в усилителе БПС 25 вырабатывается сигнал БПС, по которому в предусилителе 17 может выполняться обнуление сигнала от момента засветки в течение времени или на весь период засветки (обнуление выходного сигнала датчика ИКВ).

В датчике ИКВ кругового сканирования предусматривается автоподстройка угла сканирования в зависимости от высоты орбитального полета. Для определения характеристик датчика ИКВ при автоподстройке в дальнейшем будем использовать понятие: относительный угол сканирования, который определим следующим выражением:

где - угловые радиусы Земли и модели края атмосферы на высоте 40 км (так называемая, модель А излучения Земли).

Удобство использования относительного угла сканирования заключается в том, что в пределах изменения высоты полета КА от 180 до 500 км после завершения автоподстройки его значение приблизительно составляет одно и то же расчетное значение .

То есть, при автоподстройке угла сканирования пирамиды зеркал по командам «Блока автоподстройки» (БАП) 29 (фиг.2) сравнивают текущий сигнал четвертой гармоники с пороговыми значениями и останавливают изменение угла сканирования при его значении больше , но меньше .

При этом автоподстройка завершается после достижения углом сканирования расчетного значения, превышающего угловой размер Земли на

, а именно, при достижении сигналом четвертой гармоники А4 пороговых значений зоны нечувствительности

где:

относительных единиц - расчетное значение максимальной величины сигнала четвертой гармоники при нулевом отклонении оси визирования датчика инфракрасной вертикали от местной вертикали Земли;

- относительный угол сканирования пирамиды зеркал;

- угол сканирования;

- угловые радиусы Земли и модели модель А излучения Земли края атмосферы на высоте 40 км;

- разность между конусами сканирования внутреннего с углом при вершинеи внешнего с углом при вершине

зеркал пирамиды датчика при сканировании центральной осью сканирующего зеркала по образующей поверхности конуса сканирования с последовательным восьмикратным изменением угла сканирования в направлении увеличения и уменьшения угла сканирования на заданную фиксированную величину за один период сканирования, равный 360 градусов;

- сигнал четвертой гармоники в функциональной зависимости от относительного угла сканирования Δθ.

При этом, одна относительная единица соответствует выходному сигналу с болометра при полной засветке излучением от Земли мгновенного поля зрения сканирующего зеркала.

Процесс автоподстройки угла сканирования пирамиды зеркал датчика ИКВ иллюстрируется на фиг.3, где числовые значения выходных сигналов первой А1 и четвертой гармоник А4 приведены в относительных единицах (отн.ед.), причем 0,15 отн.ед.=0,4 В, что соответствует отклонению оси визирования датчика ИКВ (сигнал А1) от ИК вертикали Земли на 1 градус.

На фиг.4, 5 приведены иллюстрации, поясняющие изменения сигналов первой А1 и четвертой А4 гармоник при угловых отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли на величину 0,5 и 2,0 градусов по сравнению, фиг.3, с сигналом А4 при нулевом отклонении от местной вертикали Земли. На фиг.4 в качестве примера приведено значение порогового сигнал, превышение которого запрещает автоподстройку угла сканирования (область запрета автоподстройки по сигналу первой гармоники А1, заштрихованная область, симметричная относительно нулевого значения ).

После включения питания датчика ИКВ БАП 29 с помощью привода 30 поворачивает призму зеркал в исходное положение - в фиксированное угловое положение пирамиды с максимальным углом сканирования (см. фиг.3, где стрелками указывается направление изменения относительного угла автоподстройки пирамиды зеркал) равного угловому размеру Земли на высоте орбиты 160 км. При отсутствии излучения от Земли в поле обзора датчика БАП 29 формирует и выдает команду на реверсивный поворот пирамиды зеркал, то есть последовательное изменение угла сканирования пирамиды зеркал датчика ИКВ от максимального до минимального значения, после достижения минимального угла сканирования, снова до максимального и.т.д.

При отсутствии излучения от Земли в поле обзора датчика ИКВ система управления движением (СУД) выполняет поиск Земли путем задания поворота датчика ИКВ, например, вокруг орта, направленного по оси крена «X_b, и совместно с БАП 29 контролирует попадание излучения Земли в поле обзора датчика. После попадания излучения от Земли в поле обзора датчика сравнивают сигнал отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли с пороговым уровнем больше нуля, но меньше максимального сигнала датчика инфракрасной вертикали при нахождении излучения от Земли в поле обзора датчика, осуществляют поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение, соответствующее максимальному значению угла сканирования, с последующим остановом, при этом, поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение выполняют после превышения сигналом отклонения порогового, поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли выполняют после останова в исходном максимальном угловом положении пирамиды зеркал

По измерительным сигналам об отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли СУД поворачивает датчик ИКВ до совмещения оси визирования с местной вертикали с гарантированной расчетной точностью не более величины

Величина статической ошибка ориентации зависит от углового положения датчика ИКВ в ОСК по углу рысканию . Пример расчетной зависимостиприведен на фиг.8 в масштабе 1 градус = 0,4 В.

При отсутствии запрета автоподстройки (запрета автоподстройки при засветке поля обзора датчика Солнцем и запрета автоподстройки по сигналу первой гармонике А1 - при допустимом расчетном угловом отклонении оси визирования датчика ИКВ от местной ИК вертикали Земли не более заданной величины) в течение прогнозируемой длительности изменения угла сканирования от максимального значения до величины углового размера диска Земли БАП 29 осуществляет поворот пирамиды зеркал в направлении уменьшения угла сканирования до достижения амплитудой сигнала четвертой гармоники порогового значения (на фиг.3 заштрихованная область справа), которое соответствует расчетному значению угла сканирования после завершения автоподстройки в пределах от , определяемой выражением (2).

В процессе автоподстройки изменяется (фиг.6, 7) крутизна выходной характеристики от 0,2 до 0,6 В/градус, появляется зона нечувствительности до 6 градусов. После завершения автоподстройки крутизна составляет расчетное номинальное значение 0,4 В/градус, зона нечувствительности равна нулю.

Как видно из.фиг.3, 4, 5 зависимость амплитуды сигнала четвертой гармоники симметрична относительно нулевого значения относительного угла сканирования, определяемого формулой (1).

Заштрихованная область слева соответствует зоне завершения автоподстройки при отрицательны значений относительного угла сканированияв так называемой «зоне ложного завершения автоподстройки». Попадание в зону «ложного завершения автоподстройки» может реализоваться при следующих условиях. После включения прибора ИКВ и достижения максимального угла сканирования Земля отсутствует в поле зрения датчика ИКВ. БАП поворачивает пирамиду зеркал в направлении уменьшения угла сканирования. Если в момент достижения углом сканирования величины, соответствующей левой заштрихованной области (фиг.3), в поле обзора прибора ИКВ попадет Земля, сформируется запрет автоподстройки по сигналу первой гармоники А1 и автоподстройка угла сканирования останавливается. Далее после приведения оси визирования прибора ИКВ к ИК вертикали Земли формируется условие разрешения автоподстройки по первой гармонике. Но так как сигнал четвертой гармоники А4 находится в «ложной» зоне (в зоне нечувствительности регулятора привода автоподстройки в левой заштрихованной области на фиг.3), то автоподстройка не возобновляется. При создании условий, соответствующих выходу из зоны нечувствительности по сигналу А4, например, при изменении высоты орбитального полета, автоподстройка возобновляется и завершается при достижении правой области устойчивого завершения автоподстройки с обеспечением номинальных выходных характеристик датчика ИКВ (отсутствие зоны нечувствительности, расчетная крутизна выходной характеристики 0,4 в/градус, фиг 6,7). При этом, в СУД возможны переходные процессы с повышенной колебательностью. На фиг.8 приведен пример переходного процесса ориентации по каналу рыскания, связанного с повторной автоподстройкой угла сканирования из «ложной» зоны с набором и гашением угловой скорости по каналу рыскания. Повышенная колебательность по каналу рыскания, фиг.8, обуславливается изменением выходных характеристик прибора ИКВ при повторной автоподстройке угла сканирования (уменьшение, увеличение крутизны, появление зоны нечувствительности, фиг.7).

Предлагаемый способ управления позволяет гарантированно избежать описанное выше завершение автоподстройки в зоне ложного завершения автоподстройки. Это достигается за счет того, что после попадания излучения Земли в поле обзора датчика ИКВ, например, путем выполнения начальной ориентации по патенту по Патенту РФ №2021174 сравнивают сигнал отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли с пороговым уровнем больше нуля, но меньше максимального сигнала датчика инфракрасной вертикали при нахождении излучения от Земли в поле обзора датчика, осуществляют поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение, соответствующее максимальному значению угла сканирования, с последующим остановом, при этом, поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение выполняют после превышения сигналом отклонения порогового, поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли выполняют после останова в исходном максимальном угловом положении пирамиды зеркал.

Пороговый сигнал со значением больше нуля, но меньше максимального сигнала датчика ИКВ при нахождении излучения от Земли в поле обзора датчика выбирается исходя из параметров выходной характеристики датчика ИКВ, фиг.4,5. Сигнал насыщения выходной характеристики составляет значение порядка от двух до трех градусов (от 0,8 до 1,2 В). Поэтому, пороговый уровень для определения наличия излучения Земли в поле обзора датчика ИКВ выбирается больше нуля, но меньше, например, величины от 0,4 до 0,8 В. Этому условию удовлетворяет выбор, согласно предлагаемого способа, значения порогового сигнала, используемого для управления датчиком ИКВ:

где

- установившееся статическое отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли после построения одноосной ориентации на Землю,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале крена,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале тангажа,

- орбитальная угловая скоростъ,

- угол рыскания от 0 до ± 180 градусов,

- угловой размер половины зоны нечувствительности регулятора

в СУД по каналам тангажа и крена.

После совмещения оси визирования датчика с местной вертикалью Земли, в БАП 29 сравнивают амплитуды сигнала первой

гармоники, формируемого резонансным усилителя РУ1 18 и выпрямителя 26, с запомненным пороговым сигналом:

и при значении амплитуды сигнала первой гармоники меньше порогового формируют разрешение автоподстройки угла сканирования. Причем, измерение и сравнение углового размера видимого диска Земли с текущим углом сканирования пирамиды зеркал, поворот пирамиды зеркал до совмещения углового положения пирамиды зеркал с текущим угловым размером видимого диска Земли выполняют после уменьшения амплитуды сигнала А1 меньше порогового уровня. В логическом блоке коммутации 51 измеряют суммарную продолжительность углового отклонения оси визирования датчика меньше порогового уровня, сравнивают измеренную суммарную продолжительность с прогнозируемым интервалом времени для изменения угла сканирования от максимального до значения расчетного углового размера диска Земли, и после превышения прогнозируемого интервала выполняют поворот датчика ИКВ вокруг оси визирования, ориентированной по местной вертикалью Земли, до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбиты, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат.

Ниже приводится пример реализации системы управления движением (СУД), фиг.10, для управления поворотами связанного с датчиком ИКВ базиса для совмещения оси визирования датчика ИКВ с местной вертикалью, то есть, с вектором , c последующим поворотом датчика ИКВ вокруг местной вертикали до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбите , совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости То есть, построение ориентации датчика ИКВ в ОСК -совмещение базиса с орбитальным базисом .

Для построения трехосной ориентации датчика ИКВ в ОСК выполняются следующие операции.

Выдается команда на включение датчика ИКВ (ИКВ X 23 - канал крена «К», ИКВ Z -канал тангажа «Т»), датчиков угловых скоростей ДУС X 36, ДУС Z 37 После включения ИКВ БАП 29 (фиг.2) пирамиды зеркал ИКВ осуществляет увеличение угла сканирования от текущего положения на момент включения ИКВ в сторону увеличения до достижения максимального значения, а затем при отсутствии Земли в поле обзора задается уменьшение угла сканирования до достижения минимально возможного угла сканирования, затем последовательно вновь безусловное увеличение угла сканирования до максимального значения и.т.д. Автоподстройка в сторону уменьшения угла сканирования приостанавливается при запрете автоподстройки по измеренному сигналу первой гармоники А1 ИКВ после попадания излучения Земли в поле обзора ИКВ. Если излучения Земли попадает в поле обзора ИКВ при увеличении угла сканирования, то увеличение угла сканирования осуществляется до достижения максимального значения угла автоподстройки.

В СУД 31 анализируется наличие излучения от Земли в поле обзора датчика ИКВ путем сравнения сигнала отклонения датчика ИКВ с пороговым.

При отсутствии Земли в поле обзора ИКВ формируется сигнал, например, на регулятор «Рег. Х» 32 для формирования управляющего

реактивного импульса (управляющего момент «М_х») исполнительными реактивными органами (двигателями) ИО X 34 для поворота ИКВ с заданной угловой скоростьюпоиска Земли по каналу крена.

Угловые скорости поворота датчика ИКВ контролируются датчиками угловой скорости по каналам кренаДУС X 36, тангажаДУС Z 30, рысканияДУС Y 38.

Для управления поворотом датчика ИКВ в СУД 31 формируются оценки углов ориентации по каналам кренаи тангажа

Блок коррекции по каналу крена «К» содержит последовательно соединенные первый сумматор 39, первый нелинейный усилитель 40, второй сумматор 41, второй вход которого подключен к выходу ДУС X 36, первый интегратор 42, выход которого (сигнал оценки угла крена) через первый инвертор знака 43 подключен ко второму входу первого сумматора 39, первый вход которого подключен к выходуканала крена «К» датчика ИКВ X 23.

Блок коррекции по каналу тангажа «Т» содержит последовательно соединенные третий сумматор 44, второй нелинейный усилитель 45, четвертый сумматор 46, второй вход которого подключен к выходу ДУС Z 37, второй интегратор 47, выход которого (сигнал оценки угла тангажа) через второй инвертор знака 48 подключен ко второму входу третьего сумматора 44, первый вход которого подключен к выходуканала тангажа «Т» датчика ИКВ Z 24, а третий вход, четвертого сумматора 46 подключен к выходу третьего инвертора знака 49, вход которого подключен к выходу задатчика 50 орбитальной угловой скорости

Выходы датчика ИКВ X 23 и ИКВ Z 24 подключены соответственно к первому и второму входам логического блока коммутации 51, третий вход которого подключен к выходу первого нелинейного усилителя 40, а выход блока 51 подключен к первому входу первого ключа 52, ко входам двухпозиционного релейного элемента 53 с гистерезисом, первого трехпозиционного релейного элемента 54 с зоной нечувствительности.

Выход второго нелинейного усилителя 45 подключен ко входу второго трехпозиционного релейного элемента 55 с зоной нечувствительности, выход которого вместе с выходом первого трехпозиционного релейного элемента 54 через логическую схему «ИЛИ» 56 подключены ко второму-управляющему входу второго ключа 57, первый вход которого подключен к выходу двухпозиционного релейного элемента 53, ко входу логической схемы «НЕ» 58, выход которой подключен ко второму-управляющему входу первого ключа 52.

Выходы первого 52 и второго 57 ключей подключены соответственно к первому и второму входам пятого сумматора 59, третий вход которого подключен к выходу ДУС Y 38, выход пятого сумматора 59 подключен ко входу третьего интегратора 60 (на выходе третьего интегратора 60

формируется оценка угол рыскания ), выход которого подключен ко входу третьего регулятора «Рег. Y» 61 канала рыскания «Р», подключенного ко входу исполнительных органов реактивных двигателей «ИО Y» 62, формирующих управляющий моментпо каналу рыскания для поворота датчика ИКВ вокруг оси визирования после совмещения оси визирования датчика ИКВ с местной вертикалью Земли.

На выходе первого нелинейного усилителя 40 формируется сигнал коррекции , который корректирует сигнал угловой скорости с выхода ДУС X 36:

На выходе второго нелинейного усилителя 45 формируется сигнал

коррекции, который корректируется сигнал угловой скорости: с выхода ДУС Z 37:

В процессе поддержания ориентации датчика ИКВ относительно ОСК, то есть, относительно орбитального базисагде единичные орты орбитального базиса по осям, соответственно, крена, рыскания, тангажа, отклонение (ошибка ориентации) оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли вычисляется в логическом блоке коммутации 51 по формуле (7)

который сравнивается с пороговым сигналоми при величине больше порогового формирует на выходе блока 51 нулевой сигнал, а после его уменьшения до уровня, меньше порогового и поддержания его значения меньше порогового в течение прогнозируемого промежутка времени, достаточного для изменения угла сканирования от максимального значения до текущего углового размера диска Земли логический блок коммутации 51 подключает к своему выходу сигнал коррекции, g_x с выхода первого нелинейного усилителя 40 для формирования сигнала коррекции в канале рысканиякоторый используется для поворота датчика ИКВ вокруг оси визирования, которая ориентируется по местной вертикалью Земли. В установившемся режиме одноосной ориентации оси визированиядатчика ИКВ в ОСК возникает статическое отклонение (статическая ошибка ориентации) по каналам крена и тангажа.

Прогнозируемым интервалом времени для изменения угла сканирования от максимального до значения расчетного углового размера диска Земли рассчитывается следующим образом. Разность между максимальными минимальным составляетУгловая скорость изменения угла сканирования:

Тогда, прогнозируемый интервал времени составляет не более 157 секунд.

Сравнение длительности поддержания углового отклонения (6) меньше порогового в течение вышеприведенного прогнозируемого промежутка времени может быть реализовано в логическом блоке коммутации 51 с применением устройства по авторскому свидетельству SU 1221687 МПК Н 47/18, Н 03 Н 47/00.

СУД на входах соответствующих регуляторов «Рег.Х» 32, «Per.Z» 33 формирует управляющие сигналы в канале крена

и в канале тангажа

по которым ИО X, ИО Z формируют и прикладываются к датчику ИКВ управляющие моменты в каналах крена и тангажа для его ориентации в ОСК Реализация релейного управления ориентацией с помощью «Рег. Х» и «ИО X», «Per.Z» и «ИО Z» может быть выполнена, например, устройством по патенту РФ №2055382 МКИ G05 13/02.

В установившемся режиме одноосной ориентации датчика ИКВ относительно местной вертикали Земли, выполняемой СУД,фиг.10, реализуется равенство нулю разности углов:

При этом, отклонение оси визирования ИКВот местной вертикали

в каналах крена и тангажа статические значения сигналов коррекции на входах нелинейных усилителей 40 и 45

Для определения статических ошибок в каналах кренатангажа

и суммарной статической ошибки определим эквивалентный коэффициент усиления G_cm (фиг.13) отдельно для канала крена и для канала тангажа:

Тогда суммарная статическая ошибка:

Статическая ошибка более 0,5 градусов (или в масштабе 1 градус равен 0,4 В/градус - более 0,2 В) имеет место

- в канале крена при

- в канале тангажа при

На фиг.8 приведен график зависимости от угла рыскания

Максимальное значение статической ошибки составляет (0,8 градуса) при угле рыскания

-от 110 до 170 градусов.

После построения одноосной ориентации датчика ИКВ по каналам крена, тангажа ось визирования датчика может отклоняться от местной вертикали Земли, с учетом зоны нечувствительности релейного регулятора по каналу крена и по каналу тангажа, на величину

где

- установившееся статическое отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли после построения одноосной ориентации на Землю,

- орбитальная угловая скорость,

- угол рыскания от 0 до ±180 градусов,

градуса I с величина сигнала коррекции в точке излома характеристики нелинейного усилителя,

градуса I с величина сигнала насыщения нелинейного усилителя,

- угловой размер половины зоны нечувствительности регулятора

в СУД по каналам тангажа и крена.

Ошибка ориентации оси визирования датчика ИКВ относительно местной вертикали Земли складывается из статической ошибки и ошибки за счет автоколебаний оси визирования датчика ИКВ в пределах зоны нечувствительности релейного регулятора (половины диагонали квадрата фиг.11), значение которой, в предположении равенства зоны нечувствительности регуляторов «Рег. X» и «Рег. Z» по каналу крена и тангажа, составляет величину

На фиг.12 изображен квадрат со сторонами

в масштабе 0, 4 В/градус, который изображает область угловых отклонения оси визирования датчика ИКВ по каналам крена, тангажа при релейном управлении регулятором с зоной нечувствительности . Вектор с модулем Uст - определяет смещенное на величину статической ошибки начала системы координат, расположенной в центре квадрата (в центре квадрата измеренные датчиком ИКВ углы тангажа, крена равны нулевым значениям), относительно которого осуществляется поддержание ориентации датчика ИКВ с релейным порогом Круг с радиусом (фиг.11) - определяет область разрешения автоподстройки пирамиды зеркал по сигналу А1 первой гармоники (отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли), где -статическая ошибка ориентации КА - отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли при нулевых выходных сигналах на выходе второго сумматора 41 и на выходе четвертого сумматора 46.

Статическая ошибка, фиг.8, возникает при поддержании одноосной ориентации оси визирования датчика ИКВ по местной вертикали с ненулевым углом рыскания. То есть, при одноосной ориентации датчика в ОСК при движении на орбите вокруг Земли с орбитальной угловой скоростью градуса/с.

Согласно предлагаемому изобретению пороговый сигнал разрешения автоподстройки угла сканирования пирамиды зеркал, с которым сравнивается текущий сигнал первой гармоники А1, формируемый в датчике ИКВ на выходе выпрямителя 26 (фиг.2), и пороговый сигнал, заданный в логическом блоке коммутации 51, с которым сравнивается формируемый в этом же блоке 51 текущий сигнал отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли , должны быть не менее величины, равной радиусу круга на фиг.11.

Квадрат на рис. 12 изображает область угловых отклонений КА по тангажу, крену при релейном управлении ориентации датчика ИКВ. На рис. 11 квадрат, ограничивающий зону нечувствительности при релейном управлении ориентацией датчика ИКВ, размещен внутри круга (то есть в зоне разрешения автоподстройки), граница окружности которого задает значение порогового сигнала, с которым в предлагаемом способе управления предлагается сравнивать угловое отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли для разрешения последующего поворота датчика вокруг местной вертикали до достижения нулевого значения угла рыскания, то есть, завершения построения ориентации датчика ИКВ в ОСК. Если бы квадрат (область зоны нечувствительности каналов тангажа и крена релейной системы управления) или его часть находились бы за пределами круга, то есть, в области запрета автоподстройки по первой гармонике А1, то в процессе релейного управления угловым положением датчика ИКВ при ориентации по тангажу и крену при угловом отклонении оси визирования датчика область квадрата снаружи круга произойдет останов автоподстройки пирамиды зеркал датчика ИКВ и длительность автоподстройки увеличится.

В двухпозиционном релейном элементе 53 задается угловая скорость с значениями «- 0,5 градус/с» или «+0,5 градус/с» для приведения по каналу рыскания (поворот датчика ИКВ вокруг оси визирования). Ввиду того, что при угле рыскания, близком к 180 градусов на входе блока 53 сигнал 5g_X близок к нулевому значению, величина гистерезиса ±15 градусов выбирается так, чтобы угловая скорости приведения в канале рысканию «- 0,5 градус/с» или «+0,5 градус/с» задавалась при угле рыскания, отличающемся от 180 градусов на указанные 15 градусов.

Трехпозиционные элементы 54 и 55 с зоной нечувствительности управляют переключением уровня угловой скорости приведения в канале рыскания. Пороговое значение срабатывания с «0» на «1» в блоке 54 выбирается так, чтобы приведение по каналу рыскания с угловой скоростью задавалось бы при угле рыскания градусов, при этом выходной сигнал блока 54 равен «1», и снималось при градусов, - при этом, выходной сигнал блока 54 равен «0», . Знак угловой скорости ω_Y определяется знаком g_Y.

Во втором трехпозиционном элемента 55 с зоной нечувствительности пороговые значения срабатывания с «0» на «1» в блоке 55 выбираются и задаются так, чтобы при абсолютной величине угла рыскания больше 15 градусов, но меньше или равно 180 градусов на выходе блока 55 формируется сигнал «1», при абсолютной величине угла рыскания меньше 15 градусов, но больше или равно 0 градусов на выходе блока 55 формируется сигнал «0».

Таким образом, при больших значениях угла рыскания (более 12 градусов) на управляющем входе ключа 57 формируется «1», ключ 57 замыкается и на ходе сумматора 59 формируется угловая скорость приведения в канале рыскания. После уменьшения угла рыскания до 12 градусов ключ 57 размыкается, ключ 53 замыкается и на вход сумматора 59 подается сигнал коррекции , пропорциональный углу рыскания, и угол рыскания экспоненциально уменьшается с точностью до релейной зоны нечувствительности регулятора в канале рыскания до нулевого значения. Далее формируется сигнал «Готовность системы ориентации» (ГСО) о завершении процесса построения трехосной ориентации и осуществляется поддержание орбитальной ориентации датчика ИКВ в ОСК.

В случае, если бы в отличие от предлагаемого способа управления, пороговый сигнал был бы выбран произвольно, а именно таким образом, что, фиг. 11, область релейной зоны управления (внутренняя область квадрата) находилась бы за пределами окружности, то есть, в области запрета автоподстройки угла сканирования пирамиды зеркал датчика ИКВ после совмещения оси визирования датчика с местной вертикалью Земли, то автоподстройка остановилась бы. Как следствие, при незавершенной автоподстройке пирамиды зеркал ориентация датчика ИКВ осуществлялась бы при наличии зоны нечувствительности выходной характеристики ИКВ и после построения одноосной ориентации по местной вертикали Земли при вхождении в зону нечувствительности ИКВ сигнал коррекции по крену определялся бы угловой скоростью по крену ω_х в предельном цикле в зоне нечувствительности выходной характеристики датчика. При этом, угловая скорость в канале крена ω_х может превысить пороговое значение для формирования угловой скорость приведения по каналу рыскания. То есть, в канале рыскания сработают реактивные двигатели для набора угловой скорости по каналу рыскания и возникнет колебательный режим до завершения автоподстройки угла сканирования ИКВ. В процесс приведения изменение угла рыскания могло бы осуществляться в направлении к 180 градусов и затем от 180 к 90 градусам и от 90 к нулю градусов. Длительность построения трехосной ориентации могла бы затянуться до 15 минут.

Таким образом, применение предлагаемого способа управления позволяет сократить продолжительности настройки выходных характеристик датчика до номинальных значений и, как следствие, уменьшить расход рабочего тела и длительности построения трехосной ориентации на Землю.

Изобретение относится к области космической техники, в частности к управлению датчиком инфракрасной вертикали (ИКВ) Земли. Для управления датчиком ИКВ с автоподстройкой угла кругового сканирования ориентацию датчика в орбитальной системе координат, автоподстройку угла сканирования пирамиды зеркал выполняют после попадания излучения Земли в поле обзора датчика ИКВ из предварительно установленного максимального углового положения пирамиды зеркал и после уменьшения сигнала отклонения оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли меньше порогового значения в течение измеряемого интервала времени, равного прогнозируемой длительности для изменения угла сканирования от максимального до текущего углового размера диска Земли. Достигается сокращение продолжительности настройки выходных характеристик датчика до номинальных значений и, как следствие, уменьшить расход рабочего тела и длительности построения трехосной ориентации на Землю. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ управления датчиком инфракрасной вертикали Земли с автоподстройкой угла кругового сканирования, включающий определение углового размера мгновенного поля зрения сканирующего зеркала в датчике инфракрасной вертикали Земли, предварительный сдвиг относительно друг друга расположенных по окружности смежных воспринимающих излучение от Земли зеркал пирамиды на фиксированный угол δ, значение которого больше нуля, но меньше углового размера мгновенного поля зрения сканирующего зеркала, формирование сигнала отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли, формирование и запоминание порогового сигнала больше нуля, но меньше максимального сигнала датчика инфракрасной вертикали при нахождении излучения от Земли в поле обзора датчика, сравнение с пороговым сигнала отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли, реверсивный поворот пирамиды зеркал при сигнале отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли меньше порогового сигнала последовательно до максимального и минимального значения угла кругового сканирования, изменение угла кругового сканирования пирамиды зеркал датчика инфракрасной вертикали до максимального значения после достижения минимального значения угла кругового сканирования, останов поворота пирамиды зеркал при изменении угла кругового сканирования от максимального к минимальному значению после превышения сигналом отклонения оси визирования датчика инфракрасной вертикали от направления местной вертикали Земли порогового сигнала, измерение и сравнение текущих значений угла кругового сканирования и углового размера видимого диска Земли, останов поворота пирамиды зеркал при достижении текущим углом кругового сканирования расчетного значения углового размера видимого диска Земли, поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли, поворот датчика инфракрасной вертикали Земли вокруг оси визирования, ориентированной по местной вертикали Земли, до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбите, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат, отличающийся тем, что осуществляют поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение, соответствующее максимальному значению угла кругового сканирования, с последующим остановом, при этом поворот пирамиды зеркал в исходное угловое положение выполняют после превышения сигналом отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли порогового сигнала, определяемого выражением:

где

- установившееся статическое отклонение оси визирования датчика ИКВ от местной вертикали Земли после построения одноосной ориентации на Землю,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале крена,

- коэффициент усиления нелинейного усилителя в канале тангажа,

- орбитальная угловая скоростъ,

- угол рыскания от 0 до ± 180 градусов,

- угловой размер половины зоны нечувствительности регулятора в системе управления движением по каналам тангажа, крена,

поворот датчика до совмещения оси визирования датчика с направлением местной вертикали Земли выполняют после останова в исходном максимальном угловом положении пирамиды зеркал, изменение угла кругового сканирования пирамиды зеркал для совмещения ее углового положения с текущим угловым размером видимого диска Земли, выполняют после совмещения оси визирования датчика с местной вертикалью Земли и уменьшения сигнала отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли меньше порогового сигнала, измеряют суммарную продолжительность отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли меньше порогового сигнала, а поворот датчика вокруг оси визирования, ориентированной по местной вертикали Земли, до совмещения связанной с датчиком оси тангажа с нормалью к плоскости к орбиты, совпадающей с вектором орбитальной угловой скорости в орбитальной системе координат осуществляют после достижения равенства или превышения суммарной продолжительностью отклонения оси визирования датчика от местной вертикали Земли меньше порогового сигнала прогнозируемого интервала, времени для изменения угла кругового сканирования от максимального до текущего расчетного значения углового размера диска Земли.

2. Способ управления датчиком инфракрасной вертикали Земли с автоподстройкой угла кругового сканирования по п. 1, отличающийся тем, что определяют расчетное максимальное значение сигнала четвертой гармоники при совмещения оси визирования датчика с местной вертикалью Земли, формируют и запоминают пороговые сигналы зоны нечувствительности сигнала четвертой гармоники ,

где

относительных единиц - расчетное значение максимальной величины сигнала четвертой гармоники при нулевом отклонении оси визирования датчика инфракрасной вертикали от местной вертикали Земли,

- относительный угол кругового сканирования пирамиды зеркал,

- текущий угол кругового сканирования,

- угловые радиусы Земли и «Модели А» излучения Земли края атмосферы на высоте 40 км,

- разность углов между конусами сканирования внутреннего с углом при вершине и внешнего с углом при вершине зеркал пирамиды датчика при сканировании центральной осью сканирующего зеркала по образующей поверхности конуса сканирования с последовательным восьмикратным пороговым изменением угла кругового сканирования в направлении увеличения и уменьшения угла кругового сканирования на заданную фиксированную величину за один период сканирования, равный 360 градусам,

- сигнал четвертой гармоники в функциональной зависимости от относительного угла кругового сканирования ,

одна относительная единица соответствует выходному сигналу болометра при полной засветке излучением от Земли мгновенного поля зрения сканирующего зеркала,

сравнивают текущий сигнал четвертой гармоники с пороговыми значениями и останавливают изменение угла кругового сканирования при его значении больше , но меньше .