МЕТОДИКА ПРЕЦИЗИОННОЙ НАСТРОЙКИ АНТЕНН КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полный текст

Введение. Одной из важнейших характеристик космического аппарата (КА) являются радиотехнические характеристики (РТХ) его антенн. От этих характеристик напрямую зависит качество передаваемого сигнала спутником. Для получения наилучших параметров необходимо выбрать оптимальное взаимное положение антенны и облучателя. Для поиска наилучшего положения разработан технологический стенд для прецизионной настройки антенн КА (рис. 1), на котором отрабатываются варианты позиционирования и проводятся измерения РТХ. Найденное оптимальное положение элементов стенда затем воспроизводится на реальном космическом аппарате. Взаимное позиционирование рефлектора и излучателя на стенде реализуется с использованием механизма с параллельной кинематикой с шестью степенями свободы (гексапод) [1-4]. В их замкнутой кинематической цепи обеспечивается высокая жёсткость всей конструкции, соответственно повышается точность позиционирования. Также при заданной номинальной грузоподъёмности звенья гексапода намного легче, чем звенья механизма с открытой кинематической цепью [5-7]. На данный момент времени оптимальное положение рефлектора и облучателя в пространстве находится при помощи итерационных перемещений гексапода в пространстве с промежуточными измерениями РТХ антенны. Перемещения производят до тех пор, пока координаты контрольных точек, расположенных на рефлекторе, не совпадут с их же координатами, указанными в КД. Для достижения этого положения необходимо совершить 5-10 шагов с последующим измерением РТХ. На выполнение всех шагов требуется до 3-5 часов (рис. 2). Длительность измерений РТХ составляет сутки. Основная же проблема заключается в том, что неизвестно, насколько необходимо изменить положение гексапода для того, чтобы контрольные точки, расположенные на рефлекторе, переместились в необходимое положение. Рис. 1. Макет стенда: 1 - основание; 2 - стойка; 3 - гексапод для рефлектора; 4 - крепёж для облучателя Поиск решения. Для решения этой задачи потребовалось разработать методику для прецизионной настройки антенн космического аппарата с использованием стенда на основе механизмов параллельной структуры, в условиях применения интегрированных систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих снизить трудоёмкость и сократить длительность технологической операции производства и способствующих повышению качества проектных решений. Первоначально был проведён анализ существующего программного обеспечения по управлению гексаподом. Результатом стало обнаружение возможности перемещения гексапода в пространстве из одной точки в другую при помощи матрицы поворота и смещения координат [8-11]. Анализ пользовательской документации гексапода позволил построить его модель со всеми кинематическими связями и ограничениями в составе модели технологического стенда для прецизионной настройки антенн КА (см. рис. 1) [12]. Используя эту модель, есть возможность визуального контроля до осуществления перемещения рефлектора в пространстве и, что очень важно, нахождения наилучшего приближения исходных координат контрольных точек к их же координатам в КД. Рассмотрим пример перемещения рефлектора в пространстве. Вместо группы контрольных точек и их координат по КД для наглядности выберем первую начальную точку, лежащую на поверхности рефлектора, и вторую конечную точку, расположенную таким образом, чтобы вращение осуществилось только вокруг оси X (рис. 3). Затем перемещаем рефлектор и всю конструкцию, выполнив операцию совпадения этих точек. Так как рефлектор связан определёнными ограничениями с платформой гексапода, на которой лежит исходная система координат, то переместившись, он сдвигает эту платформу и тем самым образует новую систему координат, переход в которую и необходимо совершить гексаподу (рис. 4). Обсуждение результатов. Используя инструменты САПР, выполняем измерение положения результирующей системы координат к исходной, получаем матрицу поворота и смещения её в пространстве (рис. 5) и проверяем аналитическими вычислениями. Рис. 2. Блок-схема процесса прецизионной настройки антенн космического аппарата Рис. 3. Исходное положение системы координат гексапода: 1 - начальная точка, 2 - конечная точка Любое вращение в трехмерном пространстве может быть представлено как совокупность поворотов вокруг трех ортогональных осей [13]. Этой композиции соответствует матрица, равная произведению соответствующих трех матриц поворота. Далее рассмотрим как поворот вокруг каждой из осей, так поворот вокруг нескольких осей системы координат [14]. Полученная матрица соответствует матрице поворота вокруг оси X (1). При (1) Ниже приведены результаты поворотов вокруг оси Y (рис. 6) и Z (рис. 7), а также соответствующие им матрицы поворота (2) и (3). Рис. 4. Конечное положение системы координат гексапода: 1-2 - конечная точка Рис. 5. Матрица поворота вокруг оси X от результирующей системы координат к исходной и смещения по осям Рис. 6. Матрица поворота вокруг оси Y от результирующей системы координат к исходной и смещения по осям Рис. 7. Матрица поворота вокруг оси Z от результирующей системы координат к исходной и смещения по осям Рис. 8. Матрица поворота вокруг оси X и Z от результирующей системы координат к исходной и смещения по осям При (2) При (3) Если же поворот осуществляется вокруг нескольких осей, то матрица поворота будет иметь вид, предсталенный на рис. 8. При (4) Значения из полученных матриц переносим в программное обеспечение гексапода [15]. Гексапод, в свою очередь, совершает перемещение в результирующую систему координат. Заключение. Близкое совпадение результатов аналитических расчетов и измерений, проведенных на стенде, показывают правильность технических решений, использованных при создании механической части стенда, корректность вычислительного алгоритма и программного обеспечения стенда, выбранных методик измерения и обработки результатов. Благодаря данной методике и использованию САПР появилась возможность при помощи гексапода добиться совпадения контрольных точек на рефлекторе с точками, указанными в КД, и существенно снизить количество и трудоёмкость выполняемых операций прецизионной настройки антенн КА.

Об авторах

И. С. Додорин

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: ivans@iss-reshetnev.ru
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Н. А. Смирнов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы