Метод контроля углового положения прибора оптического астровизирующего устройства относительно систем координат гиростабилизированной платформы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.054

МЕТОД КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

ПРИБОРА ОПТИЧЕСКОГО АСТРОВИЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ОТНОСИТЕЛЬНО СИСТЕМ КООРДИНАТ ГИРОСТАБИЛИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ

© 2014 М. С. Дегтярёв

ФГУП «Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н. А. Семихатова», г. Екатеринбург

Рассматривается метод определения и контроля углового отклонения фактического положения прибора оптического астровизирующего устройства (ПО АВУ) относительно его номинального положения на гиростабилизированной платформе (ГСП). Описывается конструкция трёхстепенного гиростаби-лизатора (ТГС), позволяющая решить поставленную задачу, проводится анализ систем координат (СК). Представлен алгоритм определения углов фактического положения ПО АВУ на ГСП. Приведены результаты испытаний метода на реальных приборах ТГС.

ПО АВУ, ТГС, ГСП, система координат, система управления, зеркальный контрольный элемент, угловое положение.

Мировая практика показывает, что требования, предъявляемые к системам управления (СУ) ракетно-космической техники по повышению точности бортовых систем ориентации и навигации подвижных объектов, не реализуемы без коррекции навигационной информации, полученной в инерциальном режиме от других навигационных систем, основанных на различных физических принципах и соответствующих технических средствах. Одним из способов уточнения углового положения и ориентации движущегося объекта с использованием навигационных звёзд (НЗ) является астрокор-рекция.

Основу системы астрокоррекции составляют ПО АВУ, включающий ПЗС-матрицу в качестве измерительного элемента и устройство обмена, позволяющее осуществлять обмен информацией с бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) по кодовой линии связи. ПО АВУ предназначен для ориентации ГСП по выбранным навигационным звёздам, которая осуществляется на отведённом для астрокоррекции участке движения объекта с целью компенсации погрешности начальной выставки ГСП и уточнения траектории движения объекта. ПО АВУ

устанавливается непосредственно на ГСП.

При решении задачи астрокоррек-ции необходимо учитывать ряд погрешностей, которые могут ухудшить её точность [1]:

- погрешность ПО АВУ, вызванная нестабильностью его характеристик с течением времени;

- погрешность углового отклонения фактического положения ПО АВУ относительно его номинального положения на ГСП;

- погрешность СУ, обусловленная погрешностью вычисления углов ориентации объекта.

В настоящее время задача определения и контроля точности угловой выставки осей ПО АВУ относительно СК ГСП решается при проведении автономных испытаний ТГС на предприятии-изготовителе на специально оборудованных стендах с использованием имитаторов навигационных звёзд (ИНЗ). При этом предельная погрешность определения положения ПО АВУ относительно его фактического положения на ГСП не более 10...20 у.е. Реализация представленного метода требует соответствующего технологического оборудования, позволяющего

осуществить выставку ИНЗ относительно посадочных мест ТГС с высокой точностью. Помимо этого требуется проведение многократных измерений ПО АВУ координат ИНЗ и обработки информации для получения оценки параметров привязки.

Рассмотрим конструкцию ТГС, имеющего в своем составе оптический зеркальный контрольный элемент (КЭ), размещённый на внешней оси карданово-го подвеса, и ПО АВУ с встроенным источником излучения, позволяющего реализовать автоколлимационный режим работы ПО АВУ по зеркальной поверхности КЭ. Представленная конструкция ТГС позволяет разворотами ГСП вокруг осей карданового подвеса выставить ПО АВУ в заданное положение, обеспечивающее автоколлимационный режим работы ПО АВУ, дающий возможность определить положение нормали к зеркальной поверхности КЭ в угловом поле ПО АВУ. Учитывая информацию об углах отклонения нормали зеркальной грани КЭ относительно внешней оси карданового подвеса

( аке , Ьке ), определённых на предприятии-изготовителе ТГС, на основе согласования СК ПО АВУ, СК КЭ и СК ГСП можно решить задачу начального определения фактического углового положения ПО АВУ относительно ГСП и контроля этого положения в процессе эксплуатации.

Используемые СК:

1. Офуи - система координат, связанная с осями карданного подвеса ГСП:

- Оф - ось, связанная с внутренней рамкой карданного подвеса;

- Оу - ось, связанная с промежуточной рамкой карданного подвеса;

- Ои - ось, связанная с внешней рамкой карданного подвеса.

2. ОХрУр2р - система координат связанная с ГСП:

- ОУр - ось, совпадающая с осью Оф карданного подвеса ГСП и направленная так, что измерительные оси (ИО) МА а, Ь, у имеют на неё положительные проекции;

- ОХр - ось, совпадающая с проекцией ИО МА у на плоскость, перпендикулярную оси ОУ} , и противоположная ей по направлению;

- О2р - ось, дополняющая СК до правой ортогональной.

3. ОХ0У020 - система координат опорно-азимутальная:

- О10 - ось, совпадающая с осью и

карданного подвеса и направленная в сторону КЭ;

- ОУ0 - ось, перпендикулярная осям и и у карданного подвеса и при нулевом показании ДКу совпадающая по направлению с осью ОУр;

- ОХ0 - ось, дополняющая СК до правой ортогональной.

4. ОХКЕУКЕ1КЕ - система координат, связанная с КЭ:

- ОХКЕ - ось, совпадающая с направлением нормали к КЭ;

- ОУК

ось, ортогональная оси

О2КЕ , лежащая в плоскости, содержащей ось О2КЕ , параллельно оси ОУр;

- ОХКЕ - ось, дополняющая СК до правой ортогональной.

5. ОХрОУрО2рО - система координат, связанная с ПО АВУ:

- О1рО - ось, перпендикулярная посадочной плоскости ПО АВУ и направленная на визирный объект;

- ОУрО - ось, лежащая в посадочной

плоскости ПО АВУ, проходящая через ось посадочного цилиндра и ось симметрии паза под установочный штифт и направленная от оси посадочного цилиндра к пазу под установочный штифт;

- ОХрО - ось, дополняющая СК ПО АВУ до правой прямоугольной СК.

6. ОХрг5Ург51рг5 - система координат, связанная с ПЗС-матрицей ПО АВУ:

- ОУрг5 - ось лежит в плоскости ОХрОУрО и направлена параллельно оси

ОУрО;

- OXPZS - ось лежит в плоскости OXPOYPO и направлена параллельно оси

OXpo ;

- OZPZS - ось направлена перпендикулярно плоскости ПЗС-матрицы и направлена параллельно оси OZPO .

Перейдём к преобразованию СК для определения фактического углового положения ПО АВУ относительно его номинального положения на ГСП. Определим матрицу фактического углового по-

ложения ПО АВУ из равенства матриц направляющих косинусов, составленных для СК КЭ, определённых двумя способами:

1) Представим матрицу перехода от СК КЭ в СК ГСП в виде:

СКЕ = CPZS ' СFAK ' С NOM .

(1)

Здесь СNOM - матрица номинального положения выставки ПО АВУ на ГСП:

(

с

'NOM

ьЩА) 0 -с0я(А)л

0 1 соз(А) 0

1

$т(А)

(1 0

0 со&(Н) -$т(И) 0 $т(И) со&(Н) 0 у

0 ^ ( о(р ) ¡яп(р) 0 ] - ¡¡¡п( р ) р ) 0 0 0 1

где А, И, р - углы выставки ПО АВУ в но- СР25 - матрица, обеспечивающая разворот минальное положение на ГСП; оси визирования в центр рабочей зоны

ПЗС-матрицы:

С =

С0*( фpzs)

эт( фpzs)

фpzs ) ■ ят( у рХ5 ) сы( УрХ5 ) -с^( фpzs ) ■ у рХ5 )

-ып(Фрг$ ) ■ с™(УрЪ5 ) УрЪ5 ) с0!*(фpzs ) ■с0!}(УрЪ5 )

где (рРШ , уР25 - углы разворота оси OZP

в плоскостях OXPOZPO

и OYPOZPO

относительно нормали к КЭ, при которых автоколлимационное изображение от КЭ попадает в центр рабочей зоны ПЗС-матрицы.

Тогда на основе равенства (1) матрица обратного перехода от СК ГСП в СК КЭ будет иметь вид:

СКЕ = СТ ■ СТ ■ СТ (2)

2) Представим матрицу перехода от СК КЭ в СК ГСП в виде: С= С ■ СТ (3)

^ КЕ КЕ TGS ■ V-"/

Здесь СКЕ - матрица перехода от СК КЭ к опорно-азимутальной СК:

С =

КЕ

( с0^(АКЕ)

sin(AKE ) ■ 8т(ИкЕ)

0

Sin(AкE )

Л

с0Фш ) -с0*(АКЕ ) ■ ^П(ИКЕ )

-Яп(Аке) ■ с0Фш) ^(ИКЕ) с0^(АКЕ ) ■ с0^(ИКЕ ) 0

где АКЕ, ИКЕ - углы отклонения нормали к КЭ относительно оси внешней рамки кар-данового подвеса в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Значения АКЕ, ИКЕ являются паспортными параметрами и обусловливаются конструктивным

исполнением ТГС; СТ^ - матрица перехода от СК ГСП к опорно-азимутальной СК, связанной с внешней осью карданово-го подвеса:

СТ05 = Сф ■ С Ару ■ Су ■ С Арв ■ Св,

С Арб =

1 0

0 Арб)

1 0

-Арб 0 1

(

С Ару =

Ару 0

-Ару 0) 1 0 0 1

(

Сф =

Су =

С0$(ф) 0 0 1 у-$1п( ф ) 0

Г1 0

0 cos( у ) 0 8!П( у )

$1п( ф ) ^ 0

С0Э( ф ) 0 ^ -8т( у ) С08( у )

Г С08( б ) -ь1п( б ) 0 ^

С б =

8т( б ) 0

С08( б ) 0 0 1

Тогда на основе равенства (3) матрица обратного перехода от СК ГСП в СК КЭ будет иметь вид:

СКЕ = с С1

(4)

Приравняв равенства (2) и (4), можно определить матрицу фактического положения ПО АВУ относительно номинального положения на ГСП:

С ■ С1 = С1 ■ С1 ■ С1

Т08 КЕ ^ЫОЫ ^РАК ^р2Ъ •

(5)

Выделив из уравнения (5) матрицу фактического положения ПО АВУ, полу-

Матрицу (6) в общем виде можно представить следующим образом:

С =

^РАК

Г 1 ът( Ар ) - 8т( Аа)Л

- 57'п( Ар ) 1 8т( А у)

8т( Аа) - 8т( Ау) 1

где САру - матрица дополнительного поворота, определяемая неперпендикулярностью расточки промежуточной рамы под опоры карданного подвеса; САрб -матрица дополнительного поворота, определяемая неперпендикулярностью расточки наружной рамки под опоры карданного подвеса; Сф, Су , Сб - матрицы поворотов, рассчитанные по показаниям ДК.

чаем:

где Аа, Ар, Ау - углы фактического положения ПО АВУ.

Тогда выражения для определения углов Аа, Ар, Ау можно представить в виде:

С13 / Аа = агщСЕЛК/Сзз );

/ СРАК

Ау = атС81п(С2рАК).

Определение и контроль угла Ар в данной задаче не решается.

Результаты испытаний

Задача определения и контроля углового отклонения фактического положения ПО АВУ относительно его номинального положения на ГСП была отработана и многократно проверена при работе с реальными приборами ТГС. При этом алгоритм решения данной задачи предполагал определение фактического углового положения ПО АВУ в одном запуске на трёх участках, длительностью по 25 с каждый с циклом 1 с.

Результаты обработки пусков показали, что стабильность определения параметров углового отклонения фактического положения ПО АВУ относительно его номинального положения на ГСП составила:

- в одном запуске: ^=0,82 у.е. ^у 1=0,314 у.е.

Я а 2 =1,3 уе. Я у 2 =1,1 уе.

- от запуска к запуску: Яа1=1,59 уе. Яу!=1,9 у.е.

Яа2 =1,9 у е. Яу2=1,7 у е.

С = С1 ■ С ■ С1 ■ С1

РАК ^-ръъ КЕ Т08 ^ЫОЫ ■

Выводы

Представлен метод контроля отклонения фактического углового положения ПО АВУ относительно его номинального положения на ГСП. Данный метод отличает полная автономность, т.е. для привязки не требуется внешних источников излучения типа имитаторов НЗ, высокоточных углоизмерительных приборов (теодолиты и автоколлиматоры) и проведения измерений с участием оператора.

Необходимо отметить применение этого метода не только для определения начальной ориентации ПО АВУ относительно ГСП, но и для проведения контроля фактического углового положения ПО АВУ относительно номинального положения на ГСП в процессе эксплуатации изделия. Данный метод можно применить для изделий с астроинерциальными бортовыми СУ, конструкции ТГС которых соответствует описанной в данной статье.

Библиографический список

1. Илюхин И.М., Дикарев В.Н. паратов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, Оптико-электронные приборы угловой 1999. 44 с. ориентации космических летательных ап-

Информация об авторе

Дегтярев Михаил Сергеевич, Е-шаП: [email protected]. Область

начальник группы, ФГУП «НПО автома- научных интересов: гироскопические

тики им. академика Н. А. Семихатова», приборы, системы управления летатель-

г.Екатеринбург. ных аппаратов.

METHOD OF CONTROLLUNG THE ANGULAR POSITION OF IO ASD RELATIVE TO THE SYSTEM OF COORDINATES OF A GYROSTABILIZED PLATFORM

© 2014 M. S. Degtyarev

Federal State Unitary Enterprise "Scientific & Production Association of Automatics named after Academician N.A. Semikhatov", Yekaterinburg, Russian Federation

The paper deals with a method of determining and checking the angular deviation of the actual position of the optical astro-sighting device instrument (IO ASD) relative to its reference target position on a gyrostabilized platform (GSP). The structure of a three-degree-of-freedom gyrostabilizer (TGS) that makes it possible to solve the assigned problem is described. An algorithm of determining the angles of the actual position of the IO ASD on a GSP is presented. The results of verifying the method using the actual devices of the TGS are given.

IO ASD, TGS, GSP, coordinate system, control system, mirror control element, angular position.

References

1. Ilyukhin I.M., Dikarev V.N. Optiko- electric equipment of space vehicle angular elektronnye pribory uglovoy orientatsii kos- attitude]. Moscow: Bauman Moscow State micheskikh letatel'nykh apparatov [Optical University Publ., 1999. 44 р.

About the аuthor

Degtyarev Mikhail Sergeevich, Head of Unit, Federal State Unitary Enterprise "Scientific & Production Association of Automatics named after Academician

N.A. Semikhatov", Yekaterinburg. Е-mail: [email protected]. Аrea of research: gyroscopic devices, control systems of aircraft.