Способ ориентации космического аппарата по углу крена и устройство для его реализации

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для ориентации космических аппаратов (КА). Устройство ориентации КА по углу крена содержит десять сумматоров, четыре усилителя, четыре интегратора, модель двигателя-маховика, двигатель-маховик, два блока памяти, нормально-разомкнутый переключатель, три нормально-замкнутых переключателя, астродатчик, основной контур ориентации (ОКО), КА, модель ОКО. Изобретение позволяет повысить точность и надежность ориентации КА по углу крена. 1 ил.

 

Изобретение относится к области систем управления нестационарными объектами, в частности к системам управления ориентацией космического аппарата (КА) по углу крена при отсутствии измерителя угловой скорости.

Известен способ ориентации КА по углу крена, заключающийся в том, что формируют сигнал задания, измеряют угол крена, определяют сигнал ошибки, из которого формируют сигнал управления [1].

Известно также и устройство для ориентации КА по углу крена, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый усилитель, второй сумматор, третий сумматор, двигатель-маховик, четвертый сумматор, космический аппарат и астродатчик, выход которого через первый нормально-замкнутый переключатель соединен с первым входом первого сумматора [1] (прототип).

Недостатками известных способа и устройства является низкая точность и надежность процедуры ориентации КА при отсутствии датчика угловой скорости и малой надежности астродатчика. С целью устранения указанных недостатков предложенный способ отличается тем, что определяют сигнал оценки угла крена, сигнал оценки угловой скорости, сигнал оценки ошибки и сигнал оценки управления, вычитают из сигнала ошибки сигнал оценки угловой скорости, определяют первый сигнал разности сигнала оценки управления и сигнала управления и суммируют сигнал управления и интеграл первого сигнала разности, определяют второй сигнал разности сигнала оценки угла крена и сигнала крена, формируют из второго сигнала разности сигнал суммы пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих и сигнал суммы вычитают из сигнала оценки ошибки.

Устройство для реализации способа ориентации КА отличается тем, что оно дополнительно содержит четыре интегратора, два блока памяти, два нормально-замкнутых переключателя, нормально-разомкнутый переключатель, три усилителя, шесть сумматоров, второй вход первого сумматора через последовательно соединенные пятый сумматор, второй усилитель, шестой сумматор, модель двигателя-маховика, первый интегратор, седьмой сумматор, второй интегратор, восьмой сумматор, второй нормально-замкнутый переключатель, третий интегратор, девятый сумматор, третий нормально-замкнутый переключатель и первый блок памяти подключен ко второму входу пятого сумматора, выход второго нормально-замкнутого переключателя соединен со вторым входом девятого сумматора, а через второй блок памяти - со вторым входом седьмого сумматора, выход которого через третий усилитель соединен со вторыми входами второго и шестого сумматоров, выход астродатчика соединен со вторым входом восьмого сумматора, выход второго интегратора соединен с третьим входом пятого сумматора, а через нормально-разомкнутый переключатель - с третьим входом первого сумматора, выход шестого сумматора соединен через последовательно подключенные десятый сумматор, четвертый усилитель и четвертый интегратор со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом десятого сумматора.

Устройство для реализации способа ориентации КА приведено на чертеже.

Рассматривается случай, когда датчик угловой скорости $$\dot{\varphi }(t)$$ отсутствует, а в качестве измерителя угла крена φ(t) используется астродатчик. На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - пятый сумматор;

2 - второй усилитель;

3 - шестой сумматор;

4 - модель двигателя-маховика;

5 - третий сумматор;

6 - третий усилитель;

7 - второй блок памяти;

8 - первый интегратор;

9 - второй интегратор;

10 - нормально-разомкнутый переключатель;

11 - десятый сумматор;

12 - четвертый усилитель;

13 - третий нормально-замкнутый переключатель;

14 - четвертый интегратор;

15 - первый блок памяти;

16 - девятый сумматор;

17 - третий интегратор;

18 - восьмой сумматор;

19 - второй нормально-замкнутый переключатель;

20 - первый нормально-замкнутый переключатель;

21 - астродатчик;

22 - основной контур ориентации (ОКО);

23 - первый сумматор;

24 - первый усилитель;

25 - второй сумматор;

26 - двигатель-маховик;

27 - четвертый сумматор;

28 - космический аппарат (КА);

29 - модель ОКО;

30 - седьмой сумматор.

Структура ОКО 22 описана в [1] и отличается лишь тем, что в ней отсутствует датчик угловой скорости $$\dot{\varphi }(t)$$ в обратной связи. Именно поэтому ОКО 22 в исходном состоянии неустойчив. Получение угловой скорости $$\dot{\varphi }(t)$$ путем дифференцирования выходного сигнала астродатчика φ(t) нежелательно, т.к. сигнал φ(t) измеряется с помехой и при дифференцировании сигнал $$\dot{\varphi }(t)$$ будет определяться с большой ошибкой.

Структура ОКО 22, как видно из чертежа, состоит из последовательно соединенных первого сумматора 23, первого усилителя 24, второго сумматора 25, третьего сумматора 5, двигателя-маховика 26, четвертого сумматора 27, КА 28 и астродатчика 21, выход которого соединен со входом первого сумматора 23 через первый нормально-замкнутый переключатель 20.

Для устойчивости ОКО 22 не хватает обратной связи по угловой скорости $$\dot{\varphi }(t)$$ [1]. На входы КА 28 поступают координатная M_B(t) и параметрическая F(t) помехи, которые уменьшают точность ориентации КА 28. Для обеспечения устойчивости ОКО 22 введена параллельно модель ОКО 29 (на чертеже обведен пунктирной линией), которая по структуре аналогична ОКО 22 и состоит из пятого сумматора 1, второго усилителя 2, шестого сумматора 3, модели двигателя-маховика 4, первого интегратора 8, седьмого сумматора 30, второго интегратора 9 и третьего усилителя 6.

Дифференциальные уравнения (ДУ), описывающие движение ОКО 22 и модели ОКО 29, имеют второй порядок [1], а параметры дифференциальных уравнений не равны, т.к. момент инерции J(t) КА 28 меняется во времени и является неизвестной величиной.

Параметры ДУ модели ОКО 29 выбраны так, чтобы они обеспечивали устойчивость движения. Для обеспечения устойчивости ОКО 22 на вход второго сумматора 25 подается через третий усилитель 6 оценка угловой скорости $$\dot{\overline{\varphi }}(t)$$ .

Для обеспечения точности определения оценки $$\dot{\overline{\varphi }}(t)$$ вводится цепь компенсации, состоящая из десятого сумматора 11, четвертого усилителя 12 и четвертого интегратора 14, которая формирует на выходе четвертого интегратора 14 сигнал ΔU(t), компенсирующий действие помехи M_B(t) в ОКО 22 при условии, что $$\epsilon \left(t\right)=\varphi -\overline{\varphi }=0$$ , т.е. при равенстве параметров ДУ ОКО 22 и модели ОКО 29. Действительно, на ОКО 22 помеха MB(t) действует, а на модель ОКО 29 не действует, поэтому управление U(t), получаемое с выхода третьего сумматора 5, и оценка управления $$\overline{U}(t)$$ с выхода шестого сумматора 3 не будут совпадать. Разность $$\overline{U}(t)-U(t)$$ с выхода десятого сумматора 11 через четвертый усилитель 12 поступает на вход четвертого интегратора 14, который изменяет свой выходной сигнал до тех пор, пока U(t) не будет равен $$\overline{U}(t)$$ . Но так как причиной возникновения неравенства $$\overline{U}(t)\ne U(t)$$ является действие помехи M_B(t), то при $$\overline{\varphi }(t)=\varphi (t)$$ и $$\overline{U}(t)=U(t)$$ действие M_B(t) в ОКО 22 будет скомпенсировано сигналом ΔU(t) с выхода четвертого интегратора 14.

Для обеспечения равенства $$\overline{\varphi }(t)=\varphi (t)$$ формируется с использованием метода покомпонентного формирования управлений (МПФУ) [2] сигнал коррекции модели ОКО 29 в виде

где $$\epsilon (t)=\varphi (t)-\overline{\varphi }(t)$$ ,

λ, а ₀, а ₁=const>0,

и который может быть представлен в виде составляющих $$U_{K_1}(t)$$ и $$U_{K_2}(t)$$ :

где $$U_{K_1}(t)=-\lambda \dot{\epsilon }(t)$$ ,

Сигнал коррекции $$U_{K_2}(t)$$ реализуется с помощью соединения восьмого сумматора 18, второго нормально-замкнутого переключателя 19, третьего интегратора 17, девятого сумматора 16, третьего нормально-замкнутого переключателя 13, первого блока памяти 15 и пятого сумматора 1.

Сигнал коррекции $$U_{K_1}(t)$$ непосредственно реализовать нельзя, т.к. для определения $$\dot{\epsilon }(t)$$ требуется измеритель угловой скорости $$\dot{\varphi }(t)$$ , который в ОКО 22 отсутствует, поэтому путем эквивалентного преобразования вместо $$U_{K_1}(t)$$ на входе модели ОКО 29 сигнал λε(t) подается на вход седьмого сумматора 30, установленного после первого интегратора 8.

В этом случае корректирующий сигнал -λε(t) не требует наличия датчика угловой скорости $$\dot{\varphi }(t)$$ в ОКО 22.

Наличие первого 20 и второго 19 нормально-замкнутых переключателей, а также нормально-разомкнутого переключателя 10 позволяет на некоторое время (как показывает практика использования процесса ориентации КА 28, на время приблизительно 5-10 минут) отключать астродатчик 21 и использовать для организации функционирования ОКО 29 только информацию об оценках угловой скорости $$\dot{\overline{\varphi }}(t)$$ и угла крена $$\overline{\varphi }(t)$$ .

Таким образом, в случае выхода из строя гироскопического измерителя вектора угловой скорости (который может применяться вместо астродатчика 21 [1]) или астродатчика 21 путем переключения ОКО 22 на измерения с помощью исправного измерителя угловой скорости $$\dot{\overline{\varphi }}(t)$$ или угла крена $$\overline{\varphi }(t)$$ повышается точность и надежность процедуры ориентации КА по углу крена.

Изобретательский уровень предложенного технического решения подтверждается отличительными частями формулы изобретения.

Литература

1. Васильев В.Н. Системы ориентации космических аппаратов / В.Н. Васильев. - М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009. С.149-156 (прототип).

2. Лащев А.Я. Метод синтеза адаптивных систем управления с эталонной моделью. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. №1. С.2-6.

Устройство ориентации космического аппарата по углу крена, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый усилитель, второй сумматор, третий сумматор, двигатель-маховик, четвертый сумматор, космический аппарат и астродатчик, выход которого через первый нормально-замкнутый переключатель соединен с первым входом первого сумматора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит четыре интегратора, два блока памяти, два нормально-замкнутых переключателя, нормально-разомкнутый переключатель, три усилителя, шесть сумматоров, второй вход первого сумматора через последовательно соединенные пятый сумматор, второй усилитель, шестой сумматор, модель двигателя-маховика, первый интегратор, седьмой сумматор, второй интегратор, восьмой сумматор, второй нормально-замкнутый переключатель, третий интегратор, девятый сумматор, третий нормально-замкнутый переключатель и первый блок памяти подключен ко второму входу пятого сумматора, выход второго нормально-замкнутого переключателя соединен со вторым входом девятого сумматора, а через второй блок памяти - со вторым входом седьмого сумматора, выход которого через третий усилитель соединен со вторыми входами второго и шестого сумматоров, выход астродатчика соединен со вторым входом восьмого сумматора, выход второго интегратора соединен с третьим входом пятого сумматора, а через нормально-разомкнутый переключатель - с третьим входом первого сумматора, выход шестого сумматора соединен через последовательно подключенные десятый сумматор, четвертый усилитель и четвертый интегратор со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом десятого сумматора.