The guidance system of large flexible antenna

Texto integral

Анализ современного состояния космической от- системы, обладающие принципиально новыми каче-расли показывает перспективность развития широко- ствами и обеспечивающие существенное повышение полосной связи, что связано с созданием космических уровня предоставления информационных услуг ко-аппаратов (КА), имеющих в своём составе КТА с нечным потребителям спутниковой связи, а именно, рефлектором большого размера (диаметром более 8 м), гарантированное раскрытие крупногабаритных ани глобальной зоной покрытия. тенн на орбите, высокая точность ориентации, сохра- Особую актуальность имеют крупногабаритные нение геометрических и радиотехнических параметтрансформируемые бортовые рефлекторы и антенные ров при длительном сроке активного существования 104 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 КА. Не менее важной является задача уменьшения массы конструкции КТА [1]. Ввиду больших габаритов КТА затруднена экспериментальная отработка в наземных условиях. Отработка облучателя, штанги рефлектора и самого рефлектора выполняется раздельно, что приводит к большим погрешностям взаимного расположения облучателя и рефлектора. Погрешности расположения конструкций ведут к погрешностям наведения, деформации главного луча и уменьшению коэффициента усиления КТА. Для отработки раскрытия рефлектора в наземных условиях с контролем точности его радиоотражающей поверхности после раскрытия требуется система обезвешевания, которая по сложности конструкции и стоимости не уступает самому рефлектору. Поэтому экспериментальная отработка вопросов точности геометрии радиоотражающей поверхности рефлектора в полном объеме нецелесообразна [2]. В общем виде погрешность наведения КТА можно представить следующими составляющими: - погрешность определения положения и формы рефлектора; - погрешность управления положением и формой рефлектора; - погрешность наведения КТА за счет ориентации корпуса КА. Повышение качества связи и улучшение характеристик подобных КТА возможно только при высокой точности геометрии поверхности рефлектора антенны и его пространственного положения относительно облучателя. Для выполнения требований к точности геометрии КТА и ее наведению в заданное положение при штатной эксплуатации необходима прецизионная СН КТА, которая должна обеспечивать заданную точность профиля отражающей поверхности рефлектора КТА относительно его теоретического профиля, а также точность его позиционирования относительно облучателя. Это позволит осуществлять прием и передачу высокочастотных сигналов и формировать требуемую диаграмму направленности. Учитывая задачи, возложенные на СН КТА, необходимо определить основные подходы и принципы построения подобной системы, а также проработать варианты ее состава. По выполнению задач СН КТА можно условно разделить на подсистемы измерения и управления. Подсистема измерения должна иметь в своем составе: - прибор, работающий по принципу 3Б-камеры, позволяющий определять пространственные координаты некоторого количества контрольных элементов (КЭ) с заданной точностью и осуществлять визуальный контроль на этапе раскрытия рефлектора; - КЭ, являющиеся пассивными отражателями на основе световозвращающих пленок; - алгоритмы определения пространственного положения и формы рефлектора. Подсистема измерения осуществляет визуальный контроль рефлектора КТА, определение его текущих геометрических характеристик и подготовку исходных данных для орбитальной юстировки рефлектора. Подсистема управления должна иметь в своем составе: - устройство регулировки положения рефлектора (УРПР); - устройство поднастройки формы рефлектора (УПФР); - алгоритмы определения положения и формы рефлектора. Измерение пространственных координат некоторого количества КЭ, расположенных на поверхности рефлектора, позволяет определить его линейное и угловое положение в системе координат КА, а также оценить форму поверхности рефлектора по отклонениям измеренных координат КЭ от их теоретических значений. В свою очередь, информация о положении и форме крупногабаритного рефлектора КТА позволяет сформировать управляющее воздействие, необходимое для корректировки его геометрии с помощью управляющих элементов СН КТА. Требования к геометрии КТА подразумевают совпадение положения фокуса, вписанного в радиоотра-жаюшую поверхность параболоида вращения (ПВ), с фазовым центром облучателя и совпадение положения оптической оси ПВ со своим теоретическим положением с некоторой заданной точностью. Функциональная схема СН КТА представлена на рис. 1. Функционирование КТА требует выполнения следующих условий: - расстояние между фокусом рефлектора и фазовым центром облучателя не должно превышать некоторого значения R; - угловое положение фокальной оси рефлектора должно быть близко к номинальному, чтобы углы поворота фокальной оси в двух взаимно перпендикулярных плоскостях не превышали некоторого значения а; - точность профиля отражающей поверхности рефлектора, определяемая среднеквадратичным отклонением (СКО) отражающей поверхности относительно теоретически обоснованной поверхности ПВ, должна быть не хуже некоторого значения с. Для определения текущей геометрии рефлектора КТА на КА очевидным является использование современных методов геодезического контроля антенн, широко применяемых при создании наземных антенн и космических радиотелескопов. Проведенный анализ материалов позволяет сделать следующие выводы: 1. Для определения текущих геометрических характеристик КТА необходимы измерения пространственных координат контрольных точек (КТ) поверхности рефлектора, положение и количество которых должно быть оптимизировано, исходя из требований к точности измерения. 2. Учитывая прозрачность материала сетеполотна рефлектора, а также возможные помехи, создаваемые солнцем, звездами и бликами от элементов конструкции КА, попадающих в поле зрения измерительной аппаратуры, в местах положения КТ необходимо размещение КЭ, обеспечивающих отражение света в обратном направлении. 105 Авиационная и ракетно-томическая техника Механические связи Оптические связи Электрические и логические связи Рис. 1. Функциональная схема СН КТА 3. КЭ должны иметь пассивное, световозвращающее исполнение, поскольку размещение активных КЭ является очень сложной технической проблемой. 4. Подсистема измерения должна иметь собственную осветительную систему, мощности которой должно быть достаточно для обеспечения требуемого уровня соотношения сигнал/шум. 5. Для определения пространственных координат КТ поверхности рефлектора необходимо измерение углового положения КЭ и расстояния до него. 6. Наиболее распространенными бесконтактными системами определения геометрии крупногабаритных конструкций во многих отраслях промышленности являются системы, построенные на измерениях лазерных теодолитов, лазерных сканеров и 3D-камер. Преимуществом сканирующих измерительных приборов является более высокая точность по сравнению со статическими приборами. Однако исходя из расчетов ожидаемых деформаций конструкции антенны, источником наибольших искажений геометрических параметров рефлектора являются температурные деформации вследствие неравномерного солнечного освещения конструкции. Температурные деформации являются периодическими, имеющими период обращения КА по орбите. Принимая во внимание количество КЭ, размещаемых на рефлекторе, их измеренные координаты будут принадлежать различным деформированным состояниям рефлектора, имеющим между собой значительные различия. Исходя из выше изложенного, подсистема измерения должна быть построена на основе статического прибора типа 3D-камеры [3]. 7. Для получения достоверных сведений об отклонениях профиля рефлектора измерительный прибор должен быть расположен на основании, имеющем высокую стабильность положения относительно системы контроля (СК) КА. 8. Для выполнения задач визуального контроля КТА измерительный прибор должен иметь возможность создавать фотоснимки элементов конструкции антенны, попадающие в его поле зрения. Такими возможностями обладают фотокамеры на основе ПЗС-матрицы. Для реализации подсистемы измерения были разработаны алгоритмы определения геометрических характеристик КТА на основе измерений координат КЭ, определено оптимальное с точки зрения точности измерения и эффективности управления количество и расположение КЭ и сформированы требования к составным частям подсистемы измерения. Положение рефлектора в базовой СК КА определяется положением СК, в которой отражающая поверхность описывается каноническим уравнением ПВ. Реализуется данная СК построением СК по трем КТ. Положение СК трех точек известно как в СК вписанного параболоида (ВЦ), так и в базовой СК КА. Исходя из этого, находится взаимное положение СК ВП и базовой СК КА. 106 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 СКО отражающей поверхности рефлектора находится из вычисленных кратчайших расстояний от КТ до поверхности ВП. Оптимальное количество КЭ определяется исходя из габаритов рефлектора и предъявляемых требований к точности его отражающей поверхности. Например, равномерное расположение 96 КЭ обеспечивает требуемую точность определения положения рефлектора диаметром 48 м и требуемую точность определения СКО отражающей поверхности рефлектора, а именно: погрешность измерения углового положения рефлектора в базовой СК КА не более 45 угловых секунд и погрешность измерения положения фокуса рефлектора в базовой СК КА не более 14 мм. КЭ выполнен на базе световозвращающей плёнки алмазного типа космического назначения. Для осуществления измерений КЭ выбран прибор в виде моноблока, устанавливаемый снаружи корпуса КА и функционирующий в условиях космического пространства. В приборе используется матрица, построенная на лавинных фотодиодах (SPAD-матрица). Каждый пиксель матрицы состоит из фотодиода и построенной на КМОП-структуре схемы синхронизации (CMOS-timing). Общее искажение отражающей поверхности рефлектора на орбите можно представить в виде суммы из трех составляющих: - смещение рефлектора как жесткого тела; - искажение поверхности за счет деформаций элементов силового каркаса рефлектора; - искажение поверхности за счет деформаций формообразующей структуры. Компенсации отклонения формы поверхности и положения рефлектора с целью обеспечения требуемой диаграммы направленности рефлектора реализуется орбитальной юстировкой рефлектора. Под орбитальной юстировкой понимается набор управляющих воздействий, приводящих текущую геометрию рефлектора к геометрии с требуемыми характеристиками. Орбитальная юстировка может проводиться как одноразово, после раскрытия рефлектора, так и периодически, для компенсации отклонений, накопленных вследствие деградации материала, или периодических, вследствие температурных деформаций [4; 5]. Под управлением формой рефлектора понимается совокупность управляющих воздействий УПФР, приводящих форму радиоотражающей поверхности рефлектора к заданной с требуемой точностью. Точность поверхности характеризуется величиной СКО измеренных КТ относительно идеальной поверхности. Управление формой рефлектора возможно при воздействии либо на элементы его силового каркаса (телескопические спицы), либо на элементы его формообразующей структуры (ФОС), состоящей из симметричных фронтальной и тыльной сетей, соединенных вантами. Осуществление необходимого управления поверхностью рефлектора за счет регулировки спиц является достаточно трудной задачей, так как, воздействуя на одну или несколько спиц, влияние этого воздействия проявляется в других местах поверхности, где корректировка ее формы не нужна. При воздействии на ФОС управление формой представляет собой точечную регулировку радиоотражающей поверхности рефлектора, которая является более реализуемой и простой в разработке алгоритма управления и в процессе работы. Наземная отработка раскрытия рефлектора показала, что наибольшие отклонения от теоретической формы поверхности рефлектора наблюдаются в местах, близких к краям рефлектора (в зоне расположения периферийного шнура). Следовательно, наибольший вклад в искажение формы отражающей поверхности рефлектора вносит уменьшение натяжения периферийного шнура фронтальной сети ФОС. Исходя из этого, для возможности управления натяжением периферийного шнура необходимо располагать, как минимум, по одному КЭ в центре каждого сегмента рефлектора возле периферийного шнура. УПФР имеет следующий состав: - устройство натяжения периферийного шнура (УНПШ); - устройство точечной регулировки формы рефлектора (УТРФР). Основной функцией УНПШ является поддержание формы рефлектора путем натяжения периферийного шнура. Длина и натяжение периферийного шнура определяют форму рефлектора, которая должна оставаться расчётной. Для сохранения требуемой формы шнур должен быть натянут с определенным усилием. УТРФР предназначено для регулировки длин оттяжек ФОС в местах расположения КЭ. Алгоритм работы УНПШ представлен на рис. 2. Исследование алгоритма управления формой рефлектора проводилось с помощью математического моделирования, которое заключалось в применении управляющих воздействий (ход длин оттяжек шнуров вантовой структуры) на деформированное состояние формы рефлектора с дальнейшей оценкой результатов этих воздействий. Управляющие воздействия определялись как расстояния от КТ до ВП. Затем, если СКО отражающей поверхности рефлектора превышало заданное, проводили повторное управление. Под управлением положением рефлектора понимается совокупность управляющих воздействий УРПР, приводящих положение рефлектора (угловое и линейное) в его теоретическое положение с заданной точностью. Точность управления положением рефлектора определяется отклонением фокальной оси антенны от своего номинального положения и расстоянием от фокуса до фазового центра облучателя. Для управления положением рефлектора было рассмотрено несколько вариантов состава УРПР: - одно двухстепенное поворотное устройство (ДПУ); - одно ДПУ и одно одностепенное поворотное устройство; - три ДПУ; - два ДПУ и одно одностепенное линейное устройство; - шестистепенное устройство (Гексапод) [6]. Пространственное положение рефлектора определяется тремя линейными координатами и тремя угловыми координатами (углами Эйлера). Следовательно, в идеальном случае управление положением рефлек 107 Авиационная и ракетно-космическая техника тора реализуется по всем шести степеням свободы. В противном случае, как это видно по результатам моделирования, ошибки управления увеличиваются. Каждый вариант состава УРПР имеет то или иное количество степеней свободы относительно своей СК. Определяющей задачей для СН КТА является корректировка угловых и линейных смещений рефлектора, обеспечивающая заданные радиочастотные характеристики (РХ) антенны. Обеспечение РХ осуществляется компенсацией линейных и угловых смещений рефлектора относительно некоторой базовой системы координат КА либо решением задачи минимизации отклонения фокальной оси антенны от ее заданного положения. Состав УРПР зависит от выбора одного из подходов к обеспечению РХ антенны, а также от предъявляемых требований к точности управления пространственным положением рефлектора. i Выход Рис. 2. Алгоритм управления натяжением периферийного шнура В результате проделанной работы были определены основные подходы и принципы построения СН КТА, а также проработаны варианты ее состава. Кроме того, рассмотрены способы и методы управления геометрией КТА. Проведенный анализ позволяет определить основные технические требования к системе и ее элементам.

Sobre autores

Artem Alekseenko

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: aaa0407@mail.ru
engineering designer

Egor Bikeev

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: egorbikeev@rambler.ru
engineering designer

Maksim Dorofeev

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: magsau@mail.ru
director of a group

Mikhail Luk’janenko

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: sibgau-sau@mail.ru
Candidate of Engineering Sciences, Professor, head of Automatic Control Systems department

Mikhail Matylenko

JSC “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: mathylenko@iss-reshetnev.ru
a deputy director of a department

Bibliografia

Arquivos suplementares