CC BY
54
УДК 621.8-1/-9
БОРТОВАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ВИДЕОСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ МЕЖДУНАРОДНОЙ
КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Беляев Б.И.1, Голубев Ю.В.1, Гусев В.Ф.2, Пасенюк А.А.1, Сосенко В.А.1
1НИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного
университета, г. Минск, Республика Беларусь ОАО РКК «Энергия» имени С.П. Королева, г. Королев, Московская область,
Российская Федерация e-mail: [email protected]
Разработана бортовая система автоматической ориентации видеоспектральной аппаратуры. Описан состав системы автоматической ориентации. Рассмотрены различные варианты конструктивного построения.
Ключевые слова: платформа наведения, система ориентации видеоспектральной аппаратуры, космический эксперимент «УРАГАН».
Введение
Мониторинг опасных процессов и явлений в окружающей среде методами дистанционного зондирования позволяет не только фиксировать чрезвычайные ситуации и антропогенные явления, но и прогнозировать их развитие.
Методы визуальных наблюдений и регистрации с борта служебного модуля (СМ) Российского сегмента (РС) Международной космической станции (МКС) катастрофических явлений и их предвестников на Земле, а также критерии классификации и дешифрирования признаков катастрофических явлений отрабатываются в космическом эксперименте (КЭ) «УРАГАН» «Экспериментальная отработка на-земно-космической системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф» [1].
В НИИ прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко БГУ по заказу ОАО РКК «ЭНЕРГИЯ» имени С.П. Королева создана бортовая система автоматической ориентации видеоспектральной аппаратуры, сокращенно «СОВА», с целью автоматизации процесса измерений оптических характеристик подстилающих поверхностей в КЭ «УРАГАН» [2].
Данная разработка является уникальной. Платформы, используемые для наведения ви-
деоспектральной аппаратуры на МКС, представлены только платформой, установленной вне гермообъема, в открытом космосе (двуос-ная платформа наведения), разработанной в ОАО «ВНИИтрансмаш».
Необходимость установки приборов в открытом космосе отражается на требованиях, предъявляемых к разрабатываемой видеоспектральной аппаратуре. В частности, для видеоспектральной аппаратуры при установке вне гермообъема необходимо стравливать газы из объективов и корпуса аппаратуры, применять дополнительную защиту от ионизирующего излучения, дополнительный обогрев аппаратуры. Существует также ряд требований, предъявляемых к механической части платформ наведения для работы в открытом космосе.
В последнее время количество видео- и фотоспектральных приборов, функционирующих в гермообъеме станции, значительно увеличилось. В результате возникла задача по автоматическому наведению полей зрения видео-и фотоспектральной техники и соответственно автоматическому получению снимков подстилающих поверхностей.
Учитывая сложности в разработке аппаратуры для работы вне гермообъема, а также большое количество фото- и видеоаппаратуры, функционирующей в гермообъеме станции,
было принято решение разрабатывать платформу, предназначенную для работы в гермо-объеме станции.
Назначение и состав
«СОВА» предназначена для установки различной научной аппаратуры (НА) видео- и фотоспектральной съемки, наведения НА и съемки по заданной программе оператором или без участия оператора на иллюминаторах СМ РС МКС и многоцелевого лабораторного модуля (МЛМ) МКС.
«СОВА» представляет собой платформу наведения (ПН), устанавливаемую на иллюминатор СМ РС МКС, на которой фиксируется съемочная аппаратура, и управляющий ноутбук - блок электроники (БЭ), расположенный рядом в 1,5-3 м от иллюминатора. Система «СОВА» должна обеспечивать возможность наведения полей зрения НА и отслеживания объекта по заданным координатам. В связи с необходимостью установки ПН на различные иллюминаторы СМ РС МКС платформа наведения была изготовлена в двух вариантах.
ПН «СОВА» 228 устанавливается на иллюминатор диаметром 228 мм СМ РС МКС и обеспечивает возможность поворота установленной на ней съемочной аппаратуры на ± 180° вокруг оси визирования и наведения с углом отклонения не менее 20° в одной плоскости от оптической оси иллюминатора.
ПН «СОВА» 420 устанавливается на иллюминатор диаметром 420 мм как СМ РС МКС, так и МЛМ МКС и обеспечивает возможность наведения съемочной аппаратуры по двум взаимно перпендикулярным осям с углами отклонения не менее ± 30°.
В ходе проектирования были рассмотрены два варианта конструктивного построения ПН «СОВА» - ПН «СОВА-1» и ПН «СОВА-2».
ПН «СОВА-1». Описание и основные характеристики
Вариант ПН «СОВА-1» (рисунок 1) выполнен по схеме, когда съемочная НА закрепляется на ПН неподвижно, а сканирование поверхности Земли осуществляется при помощи зеркала, установленного на подвесе, поворачивающемся при помощи электроприводов.
ПН «СОВА-1» представляет собой связанный с опорой 7 для закрепления на иллюмина-
торе светонепроницаемый со стороны отсека МКС жесткий кожух с посадочным кольцом 8 для установки НА. Внутри кожуха находятся два зеркала: подвижное 9, закрепленное на карданном подвесе с возможностью поворота в двух плоскостях при помощи электроприводов (шаговые двигатели 3 с микрометрическими винтами 4), и неподвижное 10 («зеркало 45°»), направляющее световой поток на приемную аппаратуру. Подвижное зеркало имеет возможность поворота по каждой из осей ± 15°, что приводит к сканированию поверхности Земли по углам ± 30°.
2
Рисунок 1 - Вариант конструктивного построения платформы наведения «СОВА-1»: 1 - винт крепления
платформы наведения к иллюминатору; 2 - крышка электродвигателей; 3 - электродвигатели; 4 - винты микрометрические; 5 - съемочная камера;
6 - энкодер; 7 - опора; 8 - посадочное кольцо для съемочной аппаратуры; 9 - зеркало подвижное;
10 - зеркало неподвижное
Основания для такого конструктивного решения, т.е. организации сканирования при помощи зеркал, следующие: 1) значительная масса и габариты некоторой НА приводят к возникновению значительных моментов инерции относительно осей поворота, пропорциональных произведению массы на квадрат расстояния; 2) высокие коэффициенты отражения современных оптических зеркал (90-98 %), причем как для напыленных на стекле, так и для полированных металлических (например, из алюминиевых сплавов).
ПН «СОВА-1» дополнена системой визирования наблюдаемой цели. Для этого на кронштейне установлена камера 5 соосно оси визирования. Изображение с этой камеры выводится
на экран БЭ в реальном времени. На экране также предусмотрен джойстик наведения.
В таком варианте построения системы оператор может наводить и управлять НА, установленной за светозащитным экраном, не подходя к иллюминатору. Это актуально, например, для фотосъемки, поскольку на данный момент, наведение на объект осуществляется оператором при помощи видоискателя.
ПН «СОВА-2». Описание и основные характеристики
Вариант ПН «СОВА-2» (рисунок 2) построен по «классической» для нас схеме на основе ранее разработанных систем наведения с ручным управлением.
/ Хй - V /К ,?/
б —-у
4 7
Рисунок 2 - Вариант конструктивного построения платформы наведения «СОВА-2»: 1, 3 - актуатор; 2 - посадочное кольцо для съемочной аппаратуры; 4 - опора; 5 - винт крепления платформы наведения к иллюминатору; 6, 7 - энкодер
В качестве электроприводов, обеспечивающих поворот установленной аппаратуры, использованы линейные актуаторы.
Конструкция ПН «СОВА-2» представляет собой опору 4 для крепления к иллюминатору, на которой установлены расположенные в плоскости, параллельной окну иллюминатора, и закрепленные в подшипниках качения узлы подвеса, обеспечивающие поворот кольца 2 для съемочной аппаратуры по двум взаимно перпендикулярным осям. Поворот кольца 2 осуществляется через рычаги при помощи шар-нирно установленных линейных актуаторов 1 и 3. Угол поворота считывается при помощи энкодеров, установленных на одних осях с соответствующими рычагами. Ход штока актуа-
тора и плечо рычага рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить углы отклонения ± 30°.
На рисунке 3 представлены варианты установки НА на ПН «СОВА».
Основанием для такого конструктивного решения могут быть: 1) относительно простая в изготовлении и калибровке конструкция в сравнении с ПН «СОВА-1», 2) возможность использования в качестве основы ранее разработанной системы наведения с ручным управлением.
Рисунок 3 - Варианты установки научной аппаратуры на макеты платформ наведения «СОВА»: а - фотоаппарат Nikon D3, установленный на макет платформы наведения «СОВА-1»; б - видеоспектральная система, установленная на макет платформы наведения «СОВА-2»
Однако если учитывать значительные моменты инерции относительно осей поворота, которые необходимо гасить в условиях невесомости, предпочтение отдается ПН «СОВА-1» [2].
Блок электроники. Описание и основные характеристики.
БЭ предназначен для управление работой «СОВА» с помощью специального программного обеспечения (СПО) и обеспечивает включение/выключение аппаратуры, установленной на ПН, подачей команды по интерфейсу USB 2.0 по заданному временному алгоритму и отработку приводами углов наведения по командам оператора или по заранее установленной программе наведения.
БЭ включает в себя: планшетный компьютер (нетбук); контроллер управления системами наведения ПН; контроллер датчиков положения
углов отклонения ПН; блок питания двигателей систем сканирования ПН; блок питания контроллеров; блок питания планшетного компьютера.
СПО обеспечивает функционирование, контроль и управление системой «СОВА» в составе СМ РС МКС. Программа контроля и управления «СОВА» выполняет расчет времени пролета над объектом (с учетом допустимых углов съемки) и параметров наведения на объект в реальном времени; учитывает нахождение станции над дневной/ночной стороной; обеспечивает одновременную работу с несколькими объектами, ручной ввод географических координат объекта, автоматическое включение и наведение НА, сохранение/загрузку объектов на жесткий диск, оповещение фото спектральной аппаратуры о необходимости проведения съемки, ручное наведение на объект съемки, ручную съемку.
При запуске программы производится загрузка ранее сохраненных объектов и расчет времени пролета над каждым из объектов. При пролете над объектом запускается автоматическое наведение ПН на объект, синхронизация часов ПН и фотоспектральной аппаратуры, съемка объекта. Работа оператора ПН «СОВА» заключается в добавлении и удалении необходимых объектов съемки, а также при необходимости ручном наведении аппаратуры на объект съемки.
В основном окне СПО отображаются необходимые для съемки объекты подстилающей поверхности, линия терминатора, а также текущее положение МКС. Добавление объектов может осуществляться как вводом координат в ручном режиме, так и выбором произвольной точки на карте.
Заключение
Разработана платформа для автоматического наведения полей зрения фото- и видеоспектральной аппаратуры и измерения оптических характеристик подстилающих поверхностей под различными углами к надиру. Платформа наведения исполнена в двух вариантах конструктивного построения. Вариант построения ПН «СОВА-1» является предпочтительным в условиях невесомости в виду возникновения значительных моментов инерции по причине значительной массы части научной аппаратуры. Данная платформа позволит устанавливать большое количество различной фото- и видеоспектральной аппаратуры без предъявления специальных требований в сравнении с двуосной платформой наведения, что уменьшает в свою очередь сложность изготовления аппаратуры. Учитывая большое количество фото- и видеоспектральной аппаратуры, присутствующей в данный момент в гермообъ-еме МКС, платформа наведения способствует увеличению получаемого объема фото- и видеоспектральных данных.
Список использованных источников
1. Беляев, Б.И. Фотоспектральная система для космического эксперимента «УРАГАН» / Б.И. Беляев [и др.]. Космiчна наука и технолопя. -2010. - Т. 16. - № 2. - С. 41.
2. Крот, Ю.А. Видеоспектральная система для дистанционного зондирования земли с борта международной космической станции / Ю.А. Крот, А.В. Чумаков, В.Ф. Гусев // Приборы и методы измерения. - № 1(8). - 2014. - С. 1621.
INTERNATIONAL SPACE STATION ONBOARD ORIENTATION SYSTEM FOR VIDE-
OSPECTRAL EQUIPMENT
Belyaev B.I.1, Golubev Yu.V.1, Gusev V.F.2, Paseniuk A. A.1, Sosenko V.A.1
1A.N. Sevchenko Research Institute of Applied Physical Problems, Belarusian State University,
Minsk, Belarus
S.P. Korolev rocket space company «Energia», Korolev, Moscow region, Russian Federation
e-mail: [email protected]
Abstract. The onboard orientation system for videospectral equipment has developed. The structure of automatic orientation system & constructive building of steering platform has described. Different versions of constructive building has considered.
Keywords: steering platform, onboard orientation system for videospectral equipment, space experiment «URAGAN».
References
1. Belyaev B.I., Belyaev Yu.V., Domaracki A.V., Katkovsky L.V., Krot Yu.A., Rogovec A.V, Khvalei S.V. [The photospectral system fot the space experiment «URAGAN»]. Kosmichna nauka i tekhnologiya, 2010, v. 16, № 2, p. 41 (in Russian).
2. Krot Yu.A., Chumakov A.V., Gusev V.F., A videospectral system for Earth's remote sensing on board of the International Space Station, Pribory i metody izmerenij, № 1(8), 2014, p. 16-21 (in Russian).
Поступила в редакцию 19.01.2015.
