A SPACE ROBOT CONTROL AT VISUAL MONITORING THE STATE OF A GEOSTATIONARY SATELLITE

详细

Methods for guidance and motion control of a space robot during a flyby of a geostationary satellite at a visual monitoring its technical state are considered. Numerical results are presented that demonstrate the effectiveness of the developed discrete guidance and control algorithms.

全文:

ВВЕДЕНИЕ Информационные спутники на геостационарной орбите (ГСО) имеют потребную длительность службы до 25 лет при наличии технического обслуживания с помощью космических роботов-манипуляторов (КРМ). Статья [1] в этом же выпуске журнала содержат описание системы управления движением (СУД) КРМ для его сближения с целью (геостационарным спутником) от расстояния 5000 м до дальности 50 м, синтезированные алгоритмы наведения и управления, а также результаты анализа динамики СУД при таком сближении. Данная статья продолжает исследования [1] и посвящена проблемам наведения и управления движением КРМ при визуальной инспекции технического состояния цели. МОДЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ В данном режиме в СУД КРМ применяются двигательная установка малой тяги (ДУМТ) на основе восьми термокаталитических реактивных двигателей (РД) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) тяги Н каждого РД, силовой гироскопический кластер (СГК) на основе четырёх гиродинов (ГД) с собственным кинетическим моментом (КМ) 30 Нмс и при дальности менее 500 м координаты пространственного движения КРМ относительно цели определяются БИНС, корректируемой сигналами спутников ГЛОНАСС/GPS, и бортовыми оптико-электронными приборами. Для описания движения КРМ применяются геоцентрическая () и солнечно-эклиптическая инерциальные системы координат (ИСК), обозначения и для векторов, матриц и кватернионов, а также матрицы элементарного поворота вокруг -ой оси на угол , . Используются орбитальные системы координат (ОСК) КРМ с полюсом и цели с полюсом , а также связанная с корпусом КРМ система координат (ССК) Предполагается, что на борту КРМ имеется телескоп, ось визирования которого параллельна оси ССК робота, рис. 1a. Если считать КРМ твёрдым телом с массой и тензором инерции , то упрощённая модель его пространственного движения относительно ИСК в проекции на оси ССК имеет вид Здесь кватернион представляет ориентацию КРМ в ИСК, вектор , где - вектор КМ СГК; векторы и представляют тягу и момент ДУМТ, - момент СГК, а и - векторы внешних возмущающих сил и моментов и используется символ локальной производной по времени. Расположение цели в ССК робота определяется вектором см. рис. 1b, а разность их скоростей - вектором . При законе углового наведения робота, заданного кватернионом , погрешность ориентации его ССК определяется кватернионом при , которому соответствуют матрица ошибки ориентации , где , вектор модифицированных параметров Родрига (МПР) с ортом оси Эйлера и углом собственного поворота, а также вектор угловой погрешности . Применяемые дискретные алгоритмы широтно-импульсного управления траекторным движением КРМ и цифрового управления его ориентацией подробно представлены в [1]. В данной статье решаются две задачи: 1) синтез законов наведения КРМ для инспекционного облёта геостационарного спутника с последовательным наблюдением его состояния из шести точек с заданных расстояний, рис. 1a; 2) анализ динамики СУД робота при таком облёте. ЗАКОНЫ НАВЕДЕНИЯ РОБОТА В ОСК цели траекторные перемещения КРМ между инспекционными наблюдениями спутника удобно задавать плоскостью , положение которой назначается фиксированными углами и на рис. 1, и расположением полюса КРМ в этой плоскости, которое определяется углом g(t) и модулем вектора , см. рис. 1. Задача пространственного наведения КРМ состоит в программном расположении полюса КРМ в плоскости ОСК цели и в программной ориентации оси по орту вектора , когда ось ССК робота направлена по нормали к плоскости перемещения его полюса . Пусть номер перелёта (перехода) между точками инспекции соответствует точке завершения предыдущего наблюдения, см. рис. 1a. При -ом перелёте КРМ заданной длительности вектор его расположения определяется углом в плоскости, заданной углами и , и расстоянием от цели. Угол изменяется от начального до конечного значения, а расстояние - от начального значения до конечного . При таком перелёте столбец координат центра масс КРМ определяется в ОСК цели с помощью ортогональной матрицы . При краевых условиях , ; ; ; , ; ; назначаются сплайны и с заданными ограничениями на модули первых и вторых производных по времени, что позволяет по явным соотношениям вычислить векторы программных поступательных перемещений, скоростей и ускорений КРМ относительно ОСК цели. Эти векторы сначала представляются в ИСК, к ним добавляются соответствующие кинематические параметры движения цели и также по явным соотношениям вычисляются векторы расположения, скорости и ускорения КРМ в ИСК. Наконец, с помощью стандартного кинематического преобразования искомые законы наведения робота в его траекторном движении представляются в ССК в виде программных векторов расположения , скорости и ускорения . Далее аналогично [1] вычисляются разности между расположениями цели и КРМ их скоростями и разности а также вектор дискретного рассогласования между программной разностью и измеренной разностью с периодом в моменты времени , Аналогичный приём с применением векторных сплайнов используется при синтезе программных изменений кватерниона , векторов угловой скорости и углового ускорения робота, а также при формировании вектора угловой погрешности . Пусть на интервале времени [14468, 24268]с необходимо выполнить инспекцию технического состояния геостационарного спутника на основе наблюдений из шести точек, заданных в окрестности цели. На рис. 2 представлена пространственная программная траектория требуемых перелётов КРМ в ОСК цели, полученная в компьютерной среде MatLab. Временная диаграмма перелётов и наблюдений КРМ приведена на рис. 3, где переходы КРМ между шестью точками наблюдения отмечены синим цветом, а участки наблюдения, где КРМ стабилизируется в ОСК цели, выделены зеленым цветом. В верхней части диаграммы указано текущее время, а в нижней части - длительности наблюдений и перелётов. Здесь длительность -го перелёта принята одинаковой с , также как и длительность 300 с (5 минут) наблюдения геостационарного спутника из каждой точки, см. рис. 1 и 2. Заданные кинематические параметры перелётов КРМ при инспекции состояния спутника приведены в табл. 1. На рис. 4 - 6 представлены некоторые результаты автономного расчета на борту КРМ законов его пространственного наведения, полученные по указанным исходным данным. Здесь и далее цветом выделены изменения переменных по рысканию (синий, ось ), крену (зеленый, ось ) и тангажу (красный цвет, ось ). ДИНАМИКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПРИ ИНСПЕКЦИИ ЦЕЛИ При компьютерной имитации нелинейных процессов управления движением робота с массой кг и тензором инерции кгм2 с учетом шумов измерений и внешних возмущений применялись период ШИМ тяги РД в составе ДУМТ с при запаздывании с и период цифрового управления ГД в составе СГК с. На рис. 7 - 9 представлены некоторые результаты, демонстрирующие показатели точности СУД в процессе визуальной инспекции. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Кратко представлены методы наведения и управления пространственным движением космического робота в процессе облёта геостационарного спутника при инспекции его состояния, а также численные результаты по эффективности созданных алгоритмов. Здесь следует выделить оригинальный приём параметризации перелётов робота между точками визуальной инспекции, который используется при синтезе законов наведения, и простые робастные алгоритмы управления движением робота, обеспечивающие требуемые показатели позиционной и угловой точности при выполнении инспекции.