11
70 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018 беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др. При изучении наземных и астрономических объектов с помощью орбитальных станций «Салют» и «Мир» выполнялось построение требуемой ориентации станции на наблюдаемые объекты. Для МКС, имеющей очень большие размеры и массу, гиродины, установленные на Американском сегменте, не обладают рас- полагаемым кинетическим моментом, достаточным для наведения станции на исследуемые объекты. Понятно, что при такой ориентации МКС выполнять наведение жестко закрепленных приборов на исследуемые объекты невозможно. Поэтому при проведении научных экспериментов на МКС необходимо исполь- зовать подвижные платформы наведения (ПН). Использование нескольких ПН позволяет также осуществлять одновременное наблюдение разных объектов. С начала полета МКС в рамках эксперимента по исследованию Земли «Ураган» используются ручные приборы наблюдения, и экипаж наводит на исследуемые объекты фотографическую, фото- и видеоспектральную аппаратуру через иллюминаторы. Однако на планирование таких экспериментов налагаются силь- ные ограничения, прежде всего связанные с необходимостью учета распорядка дня экипажа и наличия у него времени, выделенного на проведение научных экспери- ментов. С целью расширения возможностей исследования наземных объектов предполагается отправка на борт МКС новых ПН. Двухосные ПН, на которых должна размещаться научная аппаратура, предназначены для установки внутри МКС на иллюминаторах ее служебного модуля и многоцелевого лабораторного модуля. При этом должны обеспечиваться: автоматическое наведение научной аппаратуры и съемки по заданной программе с участием оператора или без него, а также компенсация «смаза» изображения объекта за время экспозиции. Платформа наведения позволит производить съемку и спектрометрирование объектов исследования по трассе полета, в т. ч. находящихся вдали от надирного направления, в зоне подстилающей поверхности при углах визирования –30…+30° от надира (углы определяются, в первую очередь, размерами иллю- минаторов). Хотя возможности наведения таких «внутренних» платформ на Российском сегменте МКС, вообще говоря, ограничены по сравнению с потен- циальными возможностями «внешних» ПН, у них есть и существенные преимущества прежде всего, дешевизна, а также удобство обслуживания и ремонтно-профилактических работ. Платформы наведения, описываемые в статье, позволят непрерывно осуществлять мониторинг задаваемых объектов на земной поверхности с помощью исследовательской аппаратуры. Ключевые слова: наведение на объекты наблюдения, Международная космическая станция, подвижные платформы наведения, космические эксперименты. 1 Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета (НИИПФП БГУ) Ул. Курчатова, 7, г. Минск, Республика Беларусь, 220108, e-mail: [email protected] 2 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected] УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной аппаратуры в экСперименте «ураган» на международной коСмичеСкой Станции © 2018 г. беляев б.и. 1 , беляев м.Ю. 2 , боровихин п.а. 2 , голубев Ю.в. 1 , ломако а.а. 1 , рязанцев в.в. 2 , Сармин э.э. 2 , Сосенко в.а. 1

УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

  • Upload
    others

  • View
    56

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

70 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018

беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др.

При изучении наземных и астрономических объектов с помощью орбитальных станций «Салют» и «Мир» выполнялось построение требуемой ориентации станции на наблюдаемые объекты. Для МКС, имеющей очень большие размеры и массу, гиродины, установленные на Американском сегменте, не обладают рас-полагаемым кинетическим моментом, достаточным для наведения станции на исследуемые объекты. Понятно, что при такой ориентации МКС выполнять наведение жестко закрепленных приборов на исследуемые объекты невозможно. Поэтому при проведении научных экспериментов на МКС необходимо исполь-зовать подвижные платформы наведения (ПН). Использование нескольких ПН позволяет также осуществлять одновременное наблюдение разных объектов. С начала полета МКС в рамках эксперимента по исследованию Земли «Ураган» используются ручные приборы наблюдения, и экипаж наводит на исследуемые объекты фотографическую, фото- и видеоспектральную аппаратуру через иллюминаторы. Однако на планирование таких экспериментов налагаются силь-ные ограничения, прежде всего связанные с необходимостью учета распорядка дня экипажа и наличия у него времени, выделенного на проведение научных экспери-ментов. С целью расширения возможностей исследования наземных объектов предполагается отправка на борт МКС новых ПН. Двухосные ПН, на которых должна размещаться научная аппаратура, предназначены для установки внутри МКС на иллюминаторах ее служебного модуля и многоцелевого лабораторного модуля. При этом должны обеспечиваться: автоматическое наведение научной аппаратуры и съемки по заданной программе с участием оператора или без него, а также компенсация «смаза» изображения объекта за время экспозиции. Платформа наведения позволит производить съемку и спектрометрирование объектов исследования по трассе полета, в т. ч. находящихся вдали от надирного направления, в зоне подстилающей поверхности при углах визирования –30…+30° от надира (углы определяются, в первую очередь, размерами иллю-минаторов). Хотя возможности наведения таких «внутренних» платформ на Российском сегменте МКС, вообще говоря, ограничены по сравнению с потен- циальными возможностями «внешних» ПН, у них есть и существенные преимущества — прежде всего, дешевизна, а также удобство обслуживания и ремонтно-профилактических работ. Платформы наведения, описываемые в статье, позволят непрерывно осуществлять мониторинг задаваемых объектов на земной поверхности с помощью исследовательской аппаратуры.

Ключевые слова: наведение на объекты наблюдения, Международная космическая станция, подвижные платформы наведения, космические эксперименты.

1Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко»

Белорусского государственного университета (НИИПФП БГУ)Ул. Курчатова, 7, г. Минск, Республика Беларусь, 220108, e-mail: [email protected]

2Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия»)Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]

УДК 528.716

СиСтема автоматичеСкой ориентации

научной аппаратуры в экСперименте

«ураган» на международной

коСмичеСкой Станции

© 2018 г. беляев б.и.1, беляев м.Ю.2, боровихин п.а.2, голубев Ю.в.1,

ломако а.а.1, рязанцев в.в.2, Сармин э.э.2, Сосенко в.а.1

Page 2: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

71№ 4(23)/2018 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

СИСТЕМА АвТОМАТИЧЕСКОй ОрИЕНТАцИИ НАуЧНОй АппАрАТуры

беляев б.и. боровихин п.а.беляев м.Ю. голубев Ю.в.

When studying ground and astronomical objects using the Salyut and Mir orbital stations a required station attitude was established to the objects under observation. For the ISS having large dimensions and mass the gyrodynes installed on the US On-orbit Segment have no available kinematic momentum sufficient to point the station to the objects under observation. It is evident that in such ISS attitude it is impossible to position rigidly fixed instruments to objects under observation. Therefore, when conducting scientific experiments on the ISS mobile pointing platforms (PP) shall be used. Using several PP also allows for simultaneous observation of different objects. Since the beginning of the ISS flight hand-held observation devices have been used in the Earth exploration experiment «Uragan», and the crew points the photographic, photo- and video-spectrometers to the objects under observation through the windows. However, strong constraints are placed on the planning of such experiments, primarily related to a need for accounting for the crew schedule and availability of the time allocated for scientific experiments. In order to expand the capabilities for studying ground objects, new PP are planned to be sent to the ISS. Two-axial PP on which the science hardware shall be placed is intended for installation inside the ISS on the windows of the Service Module and the Multipurpose Laboratory Module. At the same time the following conditions shall be provided: automatic pointing of science hardware and imagery under a given program with or without involvement of an operator, as well as compensation for the «blurred image» of the object during the exposure. The pointing platform will make it possible to perform imagery and spectrometry of objects under observation along the flight track including those located far from nadir direction, in the area of the underlying surface at viewing angles of –30...+30° from nadir (the angles are primarily determined by the sizes of windows). Although the pointing capabilities for such «internal» platforms on the Russian Segment of the ISS are generally limited as compared to the potential capabilities of «external» PP, they have significant advantages, first of all, low price, and serviceability, maintainability and reliability. The pointing platforms described in the article will help continuously monitor specified objects on the Earth’s surface using research hardware.

Key words: pointing to the object under observation, International Space Station, mobile pointing platforms, space experiments.

auTOmaTiC pOSiTiONiNg SySTEm FOr SCiENCE hardwarE

iN uragaN ExpErimENT ON ThE iSS

Belyaev B.i.1, Belyaev м.yu.2, Borovikhin p.a.2, golubev yu.v.1, lamaka a.а.1,

ryazantsev v.v.2, Sarmin E.E.2, Sosenko v.а.1

1A.N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State University (IAPP of BSU)

7 Kurchatov str., Minsk, 220108, the Republic of Belarus, e-mail: [email protected]

2S.P. Korolev Rocket and Space Public Сorporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: [email protected]

Page 3: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

72 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018

беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др.

ломако а.а. Сармин э.э.рязанцев в.в. СоСенко в.а.

БЕЛЯЕВ Борис Илларионович — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом НИИПФП БГУ, e-mail: [email protected] Boris Illarionovich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Head of Department at IAPP of BSU, e-mail: [email protected]

БЕЛЯЕВ Михаил Юрьевич — доктор технических наук, профессор, заместитель руководителя НТЦ РКК «Энергия», e-mail: [email protected] Mikhail Yuryevich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Deputy Head of STC at RSC Energia, e-mail: [email protected]

БОРОВИХИН Павел Александрович — инженер-математик 1 категории РКК «Энергия», e-mail: [email protected] Pavel Aleksandrovich — Engineer-mathematician 1 category at RSC Energia, e-mail: [email protected]

ГОЛУБЕВ Юрий Викторович — старший научный сотрудник НИИПФП БГУ, e-mail: [email protected] Yury Viktorovich — Senior research scientist at IAPP of BSU, e-mail: [email protected]

ЛОМАКО Алексей Андреевич — младший научный сотрудник НИИПФП БГУ, e-mail: [email protected] Aliaksei Andreevich — Junior research scientist at IAPP of BSU, e-mail: [email protected]

РЯЗАНЦЕВ Владимир Васильевич — главный специалист по визуально-инструментальным наблюдениям РКК «Энергия», e-mail: [email protected] Vladimir Vasilyevich — Chief specialist in visual and instrumental observation at RSC Energia, e-mail: [email protected]

САРМИН Эрик Эдуардович — инженер-программист 1 категории РКК «Энергия», e-mail: [email protected] Erik Eduardovich — Software Engineer of 1 category at RSC Energia, e-mail: [email protected]

СОСЕНКО Виктор Андреевич — кандидат технических наук, заведующий лабораторией НИИПФП БГУ, e-mail: [email protected] Viktor Andreevich — Candidate of Science (Engineering), Head of Laboratory at IAPP of BSU, e-mail: [email protected]

Page 4: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

73№ 4(23)/2018 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

СИСТЕМА АвТОМАТИЧЕСКОй ОрИЕНТАцИИ НАуЧНОй АппАрАТуры

введение

В настоящее время завершается раз-вертывание на орбите Земли Между- народной космической станции (МКС). В этой связи главная задача для участ-ников проекта МКС связана с повы- шением эффективности целевого исполь-зования этой станции, т. е. успешным выполнением научных и прикладных ис-следований и экспериментов. Резуль-тативность выполнения научных и при- кладных программ экспериментов на пило-тируемой станции обычно определялась многоцелевым характером проводи-мых работ и наличием экипажа [1,  2]. Выполнение исследований в различ-ных направлениях позволяет многоце-левой станции непрерывно «работать на конечный результат», в то время как специ- ализированные космические аппараты работают лишь в короткие «окна», опре-деляемые, например, видимостью с КА наблюдаемого объекта. На МКС возмож-ности выполнения многоцелевых про-грамм используются недостаточно. Это связано, главным образом, с тем, что особенности ориентации МКС затруд-няют проведение ряда направлений исследований.

Отсутствие необходимой для наблю-дения исследуемых объектов ориента-ции МКС связано со спецификой функ-ционирования гиродинов, установленных на Американском сегменте (АС). Систе-ма управления ориентацией на гироди-нах работоспособна, пока кинетический момент гиродинов

–H находится внутри

допустимой области (области вариации кинетического момента). Если |

–H | при-

ближается к границе допустимой обла-сти, то необходима разгрузка гиродинов. Поскольку гиродины МКС, установлен-ные на АС, не обладают располагаемым кинетическим моментом, достаточным для наведения станции на исследуемые объекты, или даже для поддержания углового положения станции относи- тельно орбитальной или инерциальной систем координат, на МКС реализован следующий принцип ориентации. В отли- чие от орбитального комплекса «Мир» или станций «Салют», МКС ориенти-руется относительно орбитальной или инерциальной систем координат не стро-ительными осями, по которым обычно установлены научные приборы наблю-дения, а главными центральными осями

инерции. Главные оси МКС в процессе развертывания станции были отклоне-ны от строительных осей на несколько градусов, причем это отличие было пере-менно и зависело от текущей конфигура-ции МКС. Кроме того, для компенсации возмущающего момента, действующего на станцию, МКС осуществляет не-большие повороты для гравитационной разгрузки гиродинов (появляющийся при развороте станции гравитационный мо-мент «разгружает» накопленный за счет действующего возмущающего момен-та кинетический момент гиродинов). По-нятно, что при такой ориентации МКС невозможно выполнять прецизионное наведение на исследуемые объекты и ска-нирование небесной сферы или земной поверхности.

В результате теряется основное преиму-щество орбитальных станций как много-целевых исследовательских лабораторий. Это обстоятельство особенно критично для нашей страны, так как традиционно в отечественных программах орбитальных станций важное место занимали астроно-мические исследования и эксперименты по изучению Земли (подобные экспери-менты содержатся и в программе научно- прикладных исследований Российского сегмента (РС) МКС).

С учетом указанных трудностей ори-ентации станции для выполнения съем-ки земной поверхности с МКС в экспе-рименте «Ураган» применялись ручные камеры и спектрометры [3–5]. Их исполь-зование позволило получить большое количество информации о различных процессах и явлениях на земной по-верхности [6–11]. Пример регистрации изображений и спектров в непосред-ственной близости от извергающегося вулкана с помощью видеоспектральной системы показан на рис. 1. На всех трех графиках спектральной плотности энерге-тической яркости уверенно различаются полосы поглощения атмосферных газов: полоса поглощения кислорода (762 нм), слабые полосы поглощения водяного пара (650, 690, 720, 820 нм), а также видно качественное отличие в спектрах излучения, отраженного от различных типов подстилающей поверхности. Ано-мальные полосы поглощения, свиде-тельствующие о наличии больших кон-центраций газов, характерных для извергающегося или дегазирующего вулкана, отсутствуют.

Page 5: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

74 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018

беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др.

С помощью спектрометрических изме-рений решается задача анализа состояния объекта по отражательным характеристи-кам, выраженным в виде спектральных сигнатур. Продуктом анализа могут быть карты (литологические, геоботанические, таксационные и другие), отчеты о состоя-нии (качество почв, определение органи-ческих соединений, содержащихся в воде) и прогнозы состояния (урожайность, про-изводительность рыболовных хозяйств), обнаружение техногенных выбросов про-мышленных предприятий, распространение «пылевых – соляных» бурь, выделение

дымовых шлейфов, локализация источ-ников задымления и оценки границ раз- мывания шлейфов.

Несомненным преимуществом ручных спектрометрических приборов, исполь-зующихся на борту РС МКС, является возможность отслеживания объекта ис-следования. За счет этого появляется возможность изучать изменение спек-тральных характеристик подстилающей поверхности в зависимости от угла визирования.

Измерение индикатрис отражения (рас-сеяния) объектов для каждого спектрального

Рис. 1. Съемка научной аппаратурой видеоспектральной системы на фоне извержения вулкана Этна 3 марта 2017 г.

Примечание. X, Y — координаты пикселей спектрометрируемой области на изображении. СПЭЯ —

спектральная плотность энергетической яркости.

Page 6: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

75№ 4(23)/2018 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

СИСТЕМА АвТОМАТИЧЕСКОй ОрИЕНТАцИИ НАуЧНОй АппАрАТуры

канала реализуется в режиме измерений путем непрерывной (покадровой) съем-ки с удержанием оператором объекта (фиксированной точки на подстилаю-щей поверхности) в центре поля зрения системы. При этом происходит регистра-ция изображений и спектров объекта для различных углов рассеяния солнеч-ного излучения за счет движения МКС по орбите. Эти измерения представля-ют наибольший интерес для решения таких задач как съемка (диагностика) разливов нефти в море, пожаров, извер-жений вулканов, волновых движений (возмущений) в океане. В последнем слу-чае индикатрисные измерения позволя-ют определять спектр наклонов водной поверхности и тонкую структуру волно-вых движений в океане. Индикатрисные измерения нефтяных пленок дают возможность более надежной их иденти-фикации, а в случае регистрации дымов и аэрозольных выбросов позволя-ют оценивать концентрации и размеры частиц [3–10].

Вместе с тем следует отметить, что на МКС существуют проблемы при-влечения космонавтов для выполнения целевых исследовательских программ, на-пример, в период сна экипажа, когда тре-буется осуществить съемку определенных районов на земной поверхности.

Для устранения проблемы наведе-ния научной аппаратуры (НА) на ис-следуемые объекты в настоящее время осуществляется доработка Российско-го сегмента МКС для осуществления возможности выполнения на нем целе-вых программ: на станции установлены и разрабатываются дополнительные специ- альные подвижные платформы наведе-ния (ПН). Использование ПН позволяет значительно расширить возможности МКС по исследованию Земли и небесной сферы. Для выполнения наблюдений за-данных объектов в этом случае могут использоваться методы оптимального планирования программы научных экс-периментов [1,  2,  12]. В данной статье описаны подвижные платформы, разра- батываемые для установки на иллюми- наторы внутри станции.

бортовая система автоматической ориентации видеоспектральной аппаратуры

Система ориентации видеоспектраль-ной аппаратуры «СОВА» предназначена

для обеспечения установки на иллюмина-торах служебного модуля (СМ) РС МКС и многоцелевого лабораторного модуля (МЛМ) МКС различной НА для видео-, фото- и спектральной съемки, наведения НА и съемки по заданной программе оператором или без участия оператора.

Система «СОВА» разработана и соз-дана с целью автоматизации процесса измерений на МКС оптических характе-ристик подстилающих поверхностей при выполнении мониторинга земной по-верхности в ходе проведения научно- прикладных исследований в космическом эксперименте «Ураган».

Система «СОВА» представляет собой ПН, устанавливаемую на иллюмина-тор, на которой фиксируется съемочная аппаратура, и управляющий ноутбук, рас-положенный рядом — в 1,5–3 м от иллю- минатора. Система «СОВА» обеспечивает возможность наведения полей зрения НА и отслеживания объекта по изобра- жению на экране монитора ноутбука.

Для установки на РС МКС преду-смотрено несколько модификаций аппа- ратуры «СОВА».

Платформа наведения «СОВА» 228 устанавливается на иллюминатор ∅228 мм СМ РС МКС и обеспечивает возмож-ность поворота установленной на ней съемочной аппаратуры на ±180° вокруг оси визирования и наведения с углом отклонения не менее 20° в одной плос- кости от оптической оси иллюминатора.

Платформа наведения «СОВА» 426 устанавливается на иллюминатор ∅426 мм как СМ РС МКС, так и МЛМ РС МКС и обеспечивает возможность наведения съемочной аппаратуры по двум взаимно перпендикулярным осям с углами откло- нения не менее ±30°.

В ходе проектирования были рас-смотрены два варианта конструктивного построения ПН «СОВА».

Вариант ПН «СОВА-1» (рис. 2) вы-полнен по несколько необычной схеме — съемочная НА закрепляется на ПН не-подвижно, а сканирование поверхности Земли осуществляется при помощи зер-кала, установленного на подвесе, повора- чивающемся при помощи электроприводов.

Платформа наведения «СОВА-1» пред-ставляет собой связанный с опорой  9 (для закрепления на иллюминаторе) свето- непроницаемый со стороны отсека МКС жесткий кожух с посадочным кольцом  2 для установки НА. Внутри кожуха

Page 7: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

76 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018

беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др.

находятся два зеркала: подвижное  3, за-крепленное на карданном подвесе с воз-можностью поворота в двух плоскостях при помощи электроприводов (шаговые двигатели  5 с микрометрическими винтами  6), и неподвижное  1 («зеркало  45°»), направляющее световой поток на прием-ную аппаратуру. Подвижное зеркало имеет возможность поворота по каждой из осей ±15°, что приводит к сканированию поверхности Земли по углам ±30°.

Выбор принципа сканирования при помощи поворотного зеркала обусловлен следующими факторами:

• значительная масса и габариты не-которой НА приводят к возникновению значительных моментов инерции относи-тельно осей поворота;

• высокие коэффициенты отражения современных оптических зеркал (90…98%), причем как для напыленных на стекле, так и для полированных металлических (например, из алюминиевых сплавов).

Платформа наведения «СОВА-1» до-полнена системой визирования наблю-даемой цели. Для этого в аппаратуре на кронштейне установлена веб-камера  10 соосно оси визирования. Изображение с этой веб-камеры выводится на экран управляющего ноутбука в реальном вре-мени. На экране также предусмотрен джойстик наведения. В таком варианте построения системы оператор может на-водить и управлять НА, установленной за светозащитным экраном.

Платформа наведения «СОВА-1» пред-ставлена на рис. 3.

Рис. 2.  Вариант конструктивного построения плат-формы наведения «СОВА-1»: 1  — зеркало неподвижное; 2  — посадочное кольцо для съемочной аппаратуры; 3  — зеркало подвижное; 4  — крышка электродвигателей; 5  — электро-двигатели; 6  — винты микрометрические; 7  — энкодер; 8  — винт крепления платформы наведения к иллюминатору; 9 — опора; 10 — съемочная камера

а)

Рис.  3. Платформа наведения (ПН) «СОВА-1» и приме-ры установки научной аппаратуры: а — ПН «СОВА-1»; б — научная аппаратура видеоспектральной системы, уста-новленная на ПН «СОВА-1»; в — фотоаппарат Nikon  D3, установленный на ПН «СОВА-1»

в)

б)

Page 8: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

77№ 4(23)/2018 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

СИСТЕМА АвТОМАТИЧЕСКОй ОрИЕНТАцИИ НАуЧНОй АппАрАТуры

Вариант ПН «СОВА-2» (рис. 4) по-строен по «классической» схеме на основе ранее разработанных систем наведения с ручным управлением.

В качестве электроприводов, обеспе- чивающих поворот установленной аппара-туры, использованы линейные актуаторы.

Конструкция ПН «СОВА-2» представ- ляет собой опору  5 для крепления к иллю- минатору, на которой установлены расположенные в плоскости, параллель-ной 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 помо-щи шарнирно установленных линейных актуаторов  1 и 3. Угол поворота считыва-ется при помощи электромеханических энкодеров 4 и 6, установленных на од-них осях с соответствующими рычагами. Ход штока актуатора и плечо рычага рассчитаны таким образом, чтобы обеспе-чить углы прокачки ±30°.

На рис. 5 представлена ПН «СОВА-2».Блок электроники предназначен для

управления работой ПН «СОВА» с помо-щью специального программного обеспе- чения, которое отвечает за:

• включение/выключение аппаратуры, установленной на ПН, путем подачи коман- ды по заданному временн́му алгоритму;

• отработку приводами углов наведе-ния по командам оператора или по заранее установленной программе наведения.

Блок электроники включает в себя: • контроллер управления системами

наведения ПН; • контроллер датчиков положения

углов отклонения ПН;

• блок питания двигателей систем сканирования ПН;

• блок питания контроллеров.

Рис. 4.  Вариант конструктивного построения плат-формы наведения (ПН) «СОВА-2»: 1,  3  — актуатор; 2  — посадочное кольцо для съемочной аппаратуры; 4,  6  — энкодеры; 5  — опора; 7  — винт крепления ПН к иллюминатору

Рис. 5.  Платформа наведения (ПН) «СОВА-2» и вариан-ты установки научной аппаратуры: а — ПН «СОВА-2»; б — научная аппаратура видеоспектральной системы, уста-новленная на ПН «СОВА-2»; в — фотоаппарат Nikon  D3, установленный на ПН «СОВА-2»

а)

в)

б)

Page 9: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

78 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018

беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др.

Моделирование размещения ПН «СОВА» в МЛМ МКС и расположение иллюми-наторов для монтажа ПН «СОВА» в СМ МКС показаны на рис. 6 и 7, соответственно.

Специальное программное обеспече-ние осуществляет функционирование, кон-троль и управление системой «СОВА» в составе СМ РС МКС (рис. 8). Про-грамма контроля и управления «СОВА»

выполняет расчет времени пролета над объектом (с учетом допустимых углов съемки) и параметров наведения на объ-ект в реальном времени; учитывает на-хождение 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.

Рис. 7. Расположение иллюминаторов для монтажа плат-формы наведения «СОВА» в служебном модуле (СМ): 1 — иллюминатор № 9 СМ (426 мм); 2  — иллюминатор № 7 СМ (228 мм); 3 — иллюмингатор № 8 СМ (228 мм)

Рис. 8. Вид основного окна программы контроля и управления платформы наведения «СОВА»

Примечание. Разноцветными точками показаны проекции различных объектов на земную поверхность. Белая

точка — текущее положение МКС (в левом верхнем углу ее координаты); желтая точка — Солнце (для учета

положения терминатора); красная точка — объект съемки с его координатами в центре окна.

Рис. 6.  Размещение платформы наведения «СОВА» в много- целевом лабораторном модуле (МЛМ): 1 — платформа наведения; 2  — фотовидеоаппаратура; 3  — иллюминатор № 1 МЛМ

Page 10: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

79№ 4(23)/2018 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

СИСТЕМА АвТОМАТИЧЕСКОй ОрИЕНТАцИИ НАуЧНОй АппАрАТуры

При запуске программы производятся загрузка ранее сохраненных объектов (при необходимости добавляются новые или удаляются ранее сохраненные объекты съемки) и расчет времени пролета над каждым из объектов списка. При пролете над объектом запускается автоматический расчет углов для наведения ПН «СОВА», и далее запускается съемка объекта.

заключение

В рамках эксперимента «Ураган» на МКС проведено большое количество сеансов мониторинга различных объектов и явлений на земной поверхности с по-мощью фото-, видео- и спектрометричес- кой аппаратуры.

Привлечение космонавтов к решению задач мониторинга земной поверхности показало ряд преимуществ по изучению потенциально опасных и катастрофи- ческих явлений.

Поскольку на МКС существуют про-блемы привлечения космонавтов к вы-полнению съемок, например, в период сна экипажа или при проведении ими важных служебных операций, предложе-но использовать на МКС специальные подвижные платформы наведения. Эти платформы устанавливаются на иллю-минаторы модулей РС МКС и позво- ляют непрерывно осуществлять мони-торинг задаваемых объектов на земной поверхности с помощью исследователь- ской аппаратуры.

Список литературы

1. Легостаев В.П., Беляев М.Ю. Про-блемы и задачи повышения эффектив-ности программ исследований на кос- мических кораблях и орбитальных стан-циях // Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. Королёв: РКК «Энергия», 2011. Вып. 1–2. С. 1–294.

2. Беляев М.Ю. Научные экспери-менты на космических кораблях и орби-тальных станциях. М.: Машиностроение, 1984. 263 с.

3. Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Де-синов Л.В., Роговец А.В., Рязанцев В.В., Сармин Э.Э., Сосенко В.А. Летная от- работка исследовательской аппаратуры «Фотоспектральная система» на борту Российского сегмента Международной космической станции // Космическая тех-ника и технологии. 2014. № 1(4). С. 22–28.

4. Беляев М.Ю., Десинов Л.В., Ка-раваев Д.Ю., Сармин Э.Э., Юрина О.А. Аппаратура и программно-математиче-ское обеспечение для изучения земной поверхности с борта Российского сег- мента Международной космической стан-ции по программе «Ураган» // Космонавтика и ракетостроение. 2015. № 1. С. 63–70.

5. Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Сармин Э.Э., Гусев В.Ф., Десинов Л.В., Иванов В.А., Крот Ю.А., Мартинов А.О., Рязанцев В.В., Сосенко В.А. Устройство и летные испы-тания научной аппаратуры «Видеоспект- ральная система» на борту Российского сегмента МКС // Космическая техника и технологии. 2016. № 2(13). С. 70–79.

6. Беляев М.Ю., Виноградов П.В., Десинов Л.В., Кумакшев С.К., Секерж- Зенькович С.Я. Идентификация источ-ника океанских кольцевых волн около острова Дарвин по фотоснимкам из кос-моса // Известия РАН. Теория и системы управления. 2011. № 1. С. 70–81.

7. Беляев М.Ю., Десинов Л.В., Кара-ваев Д.Ю., Легостаев В.П. Использование съемки земной поверхности с МКС в интересах топливно-энергетического комплекса // Известия РАН. Энергетика. 2013. № 4. С. 75–90.

8. Беляев М.Ю., Десинов Л.В., Кара-ваев Д.Ю., Легостаев В.П., Рязанцев В.В., Юрина О.А. Особенности проведения и использования результатов съемки зем-ной поверхности, выполняемой экипажами Российского сегмента МКС // Космиче-ская техника и технологии. 2015. № 1(8). С. 17–30.

9. Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Деси-нов Л.В., Катковский Л.В., Крот Ю.А., Сармин Э.Э. Результаты испытаний фото-спектральной системы на МКС // Ис-следование Земли из космоса. 2014. № 6. С. 27–39.

10. Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Деси-нов Л.В., Катковский Л.В., Сармин Э.Э. Обработка спектров и изображений с фото- спектральной системы в космическом эксперименте «Ураган» на МКС // Исследо- вание Земли из космоса. 2014. № 6. С. 54–65.

11. Беляев Б.И., Катковский Л.В. Оптиче-ское дистанционное зондирование. Минск: БГУ, 2006. 400 с.

12. Беляев М.Ю., Рулев Д.Н. Оптими-зация планирования экспериментов, вы-полняемых на орбитальных станциях // Космические исследования. 2007. Т. 45. Вып. 3. С. 236–243.Статья поступила в редакцию 25.05.2018 г.

Page 11: УДК 528.716 СиСтема автоматичеСкой ориентации научной ... · СиСтема автоматичеСкой ориентации научной

80 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(23)/2018

беляев б.И., беляев М.ю., боровихин п.А., Голубев ю.в., Ломако А.А. и др.

reference

1. Legostaev V.P., Belyaev M.Yu. Problemy i zadachi povysheniya effektivnosti programm issledovaniy na kosmicheskikh korablyakh i orbital’nykh stantsiyakh [Problems and tasks of increasing efficiency of research programs onboard the spacecraft and orbital stations]. Raketno-kosmicheskaya tekhnika. Trudy. Ser. XII. Korolev, RKK «Energiya» publ., 2011, issue 1–2, pp. 1–294.

2. Belyaev M.Yu. Nauchnye eksperimenty na kosmicheskikh korablyakh i orbital’nykh stantsiyakh [Scientific experiments onboard the spacecraft and orbital stations]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1984. 263 p.

3. Belyaev B.I., Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Rogovets A.V., Ryazantsev V.V., Sarmin E.E., Sosenko V.A. Letnaya otrabotka issledovatel’skoy apparatury «Fotospektral’naya sistema» na bortu Rossiyskogo segmenta Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii [Flight testing of research experiment “Photospectral system” onboard the Russian Segment of International Space Station]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 1(4), pp. 22–28.

4. Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Karavaev D.Yu., Sarmin E.E., Yurina O.A. Apparatura i programmno-matematicheskoe obespechenie dlya izucheniya zemnoy poverkhnosti s borta Rossiyskogo segmenta Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii po programme «Uragan» [Hardware and software to study the Earth surface from board the Russian Segment of the International Space Station under the Uragan program]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2015, no. 1, pp. 63–70.

5. Belyaev B.I., Belyaev M.Yu., Sarmin E.E., Gusev V.F., Desinov L.V., Ivanov V.A., Krot Yu.A., Martinov A.O., Ryazantsev V.V., Sosenko V.A. Ustroystvo i letnye ispytaniya nauchnoy apparatury «Videospektral’naya sistema» na bortu Rossiyskogo segmenta MKS [Design and flight tests of science hardware video-spectral system on board the Russian Segment of the ISS]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2016, no. 2(13), pp. 70–79.

6. Belyaev M.Yu., Vinogradov P.V., Desinov L.V., Kumakshev S.K., Sekerzh-Zen’kovich S.Ya. Identifikatsiya istochnika okeanskikh kol’tsevykh voln okolo ostrova Darvin po fotosnimkam iz kosmosa [Identification of the source of oceanic ring waves near Darwin Island by photographs from space]. Izvestiya RAN. Teoriya i sistemy upravleniya, 2011, no. 1, pp. 70–81.

7. Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Karavaev D.Yu., Legostaev V.P. Ispol’zovanie s»emki zemnoy poverkhnosti s MKS v interesakh toplivno-energeticheskogo kompleksa [Using the Earth surface survey from the ISS in the interests of the fuel-energy complex]. Izvestiya RAN. Energetika, 2013, no. 4, pp. 75–90.

8. Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Karavaev D.Yu., Legostaev V.P., Ryazantsev V.V., Yurina O.A. Osobennosti provedeniya i ispol’zovaniya rezul’tatov s»emki zemnoy poverkhnosti, vypolnyaemoy ekipazhami Rossiyskogo segmenta MKS [Features of imaging the Earth surface and using the results of the imaging made by the ISS Russian Segment crews]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 1(8), pp. 17–30.

9. Belyaev B.I., Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Katkovskiy L.V., Krot Yu.A., Sarmin E.E. Rezul’taty ispytaniy fotospektral’noy sistemy na MKS [Test results of the photospectral system at the ISS]. Issledovanie Zemli iz kosmosa, 2014, no. 6, pp. 27–39.

10. Belyaev B.I., Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Katkovskiy L.V., Sarmin E.E. Obrabotka spektrov i izobrazheniy s fotospektral’noy sistemy v kosmicheskom eksperimente «Uragan» na MKS [Processing of spectra and images of the photospectral system in the Uragan space experiment at the ISS]. Issledovanie Zemli iz kosmosa, 2014, no. 6, pp. 54–65.

11. Belyaev B.I., Katkovskiy L.V. Opticheskoe distantsionnoe zondirovanie [Optical remote sensing]. Minsk, BGU publ., 2006. 400 p.

12. Belyaev M.Yu., Rulev D.N. Optimizatsiya planirovaniya eksperimentov, vypolnyaemykh na orbital’nykh stantsiyakh [Optimization of planning experiments performed at orbital stations]. Kosmicheskie issledovaniya, 2007, vol. 45, issue 3, pp. 236–243.