Общая характеристика системы управления

Общая характеристика системы управления радиотелескопом РТ-70
1. Система автоматического управления
САУ должна обеспечивать наведение зеркальной системы (ЗС) на космические
источники радиоизлучения (КИР) в мм диапазоне с заданным качеством. Основным
назначением САУ радиотелескопа (РТ) является механическое перемещение элементов его
зеркальной системы (ЗС) и радиоприемного устройства (облучателя) в такое положение,
которое обеспечивает наилучшие условия приема радиоизлучения от его космического
источника (КИР).
Наилучшими условиями приема являются условия, при которых в процессе наведения:
реальная
геометрическая схема конструкции ЗС РТ совпадает с теоретической
оптической схемой ЗС,
направление фокальной
оси (ФО) совпадает с направлением на КИР,
отражающие поверхности
зеркал конструкции ЗС РТ совпадают с
теоретическими расчетными поверхностями этих зеркал.
Несовпадение указанных факторов приводит к ошибкам наведения РТ.
Угловые координаты КИР обычно задаются в системе координат (СК), связанной с
географическим местом Земли, в котором установлен РТ. Относительно этой СК, названной
нами Система координат Земли (СКЗ), рассчитывается программа целеуказания КИР, в
которой для дискретных моментов времени с высокой точностью учитываются все
астрономические и астрофизические поправки, связанные с нутацией, прецессией,
параллаксом и др. отклонениями Земли как динамического объекта, движущегося в
мировом пространстве. СКЗ, условно принимаемая неподвижной (инерциальной), является
базовой СК и все другие СК, связанные с управлением РТ должны быть к ней привязаны, в
том числе и СК КИР. Поэтому движение КИР относительно СКЗ является кажущимся.
Целью управления приводами ГЗ является отработка углового рассогласования между
линией, определяющей направление на КИР и осью АП ГЗ. Линия целеуказания КИР
задается в форме программы, как функция его координат от времени, а угловое положение
АП ГЗ должно быть вычислено по результатам измерений координат элементов
металлоконструкции РТ. Эта процедура является одной из главных задач управления РТ.
Анализ результатов проведенных исследований показал:
1
Изменение
угла места при наведении ЗС на КИР влечет изменение весовых
деформаций конструкции ЗС. Поэтому относительно системы координат (СК)
опорного кольца (ОК) расчетные координаты вершины и фокуса
аппроксимирующего параболоида (АП) главного зеркала (ГЗ) и координаты вершины
и фокуса эллипсоида контррефлектора (КР) являются функциями угла места. Это
приводит к несовпадению (расфокусировке) координат фазовых центров (ФЦ) ЗС и
облучателя радиоприемника, ухудшению условий приема, вплоть до его срыва.
При
наведении ЗС в дм и см диапазонах удовлетворительным считается
наведение, при котором угловое рассогласование (ошибка) между координатами КИР
и фокальной оси (ФО) ГЗ не превышает 10% от ширины диаграммы направленности
(ДНА). В мм диапазоне, при длине волны 1 мм, ширина ДНА для РТ-70 не
превышает 3 угл. с. Обеспечить наведение ФО АП ГЗ с точностью 0.3 угл. с.
представляется проблематичным.
Перескопическое зеркало
(ПЗ) в трехзеркальном варианте ЗС может лишь
частично скомпенсировать влияние расфокусировки, вызванной указанными выше
причинами, поэтому вместо варианта с ПЗ рассмотрен вариант установки облучателя
на специальную управляемую адаптивную платформу облучателя (АПО), подвеска
которой может быть выполнена аналогично подвеске КР.
Существующая
к настоящему времени система наведения КР РТ-70
предназначена главным образом для компенсации весовых деформаций, является
инерционной (медленно действующей), поэтому в динамике лишь грубо
обеспечивает компенсацию угловых колебаний КР относительно ГЗ. Для повышения
точности наведения ЗС на КИР, СН КР желательно выполнить как следящую
систему, отрабатывающую угловое рассогласование между фокальной осью АЭ КР и
фокальной осью АП ГЗ а также линейное рассогласование между координатами
фокусов этих поверхностей.
В качестве базовой
СК ЗС принята СК опорного кольца (ОК). В этой системе
координат проводится расчет координат аппроксимирующих отражающих
поверхностей ГЗ и КР, а также координат фазовых центров, принимаемого радио
излучения, определяющих желаемое положение облучателя. Координаты фазового
центра, с помощью электродинамической модели ЗС, рассчитываются как функции
отклонений элементов ЗС, вызванных нежесткостью ее конструкции, от
теоретических значений, которые имели бы место, если бы конструкция была бы
абсолютно жесткой.
2
Так
как угловое положение КИР задается относительно СК Земли, а
положение элементов ЗС определяется по результатам измерений в СК ОК, то для
преобразования координат элементов конструкции РТ к главной базовой СК
требуется решение задачи измерения положения СК ОК в СКЗ.
Измерение положения СК
ОК в СКЗ в процессе наведения связано с
известными трудностями из-за того, что положение ОК не может быть
непосредственно измерено с поверхности Земли, так как не на всех углах места
находится в прямой видимости. На этапе юстировки привязка СК ОК к СКЗ может
осуществляться по цепи:
СКЗ
– СК левой цапфы горизонтальной оси (ГО),
СКЗ
– СК правой цапфы ГО,
СК
левой цапфы ГО – СК левого торца ГО,
СК
правой цапфы ГО – СК правого торца ГО,
СК
левого торца ГО – СК правого торца ГО – СК базовой площадки (БП ГО)
на пересечении ГО с Центральной трубой (ЦТ),
СК
БП ГО – СК ОК.
Статические измерения геодезическими методами углового положения СК ГО с
поверхности Земли могут быть проведены с высокой точностью как функции угла азимута.
Физически СК БП ГО ориентируется так, что ее ось OX совпадает с ГО, а ось OZ с вектором
силы тяжести и соответственно, с осью ЦТ, фокальной осью (ФО) и осью и осью OZ СК ОК
(при отсутствии деформаций, в зенитном положении).
Все СК являются правыми и прямоугольными (при положительном отсчете углов вращение
от X→Y→Z осуществляется против часовой стрелки, если смотреть с конца оси). СК ОК
находится в прямой видимости внутри ЦТ и ее угловое положение относительно СК БП ГО
может быть измерено с высокой точностью посредством лазерных измерительных средств.
В процессе наведения координаты цапфенных узлов, по значениям которых измеряется
положение ГО, перемещаются по азимуту, поэтому для непрерывного измерения этих
координат непосредственно с Земли, на ней вокруг РТ необходима установка высокоточной
следящей системы. Измерения непосредственно с Земли (при наличии качественных
измерительных средств) являются предпочтительными, так как в этом случае исключаются
промежуточные измерения СКЗ – СК платформы (СКП) – СК БП ГО.
Альтернативным вариантом измерения положения СК ОК в СКЗ является применение
инерциальной системы ориентации (ИСО) РТ, выполненной в виде гиростабилизированной
платформы (ГСП) на базе двух неуправляемых электростатических гироскопах (НГ) в
3
карданных подвесах, которая устанавливается на БП ГО.
В настоящее время система на двух НГ с электростатическим подвесом ротора [99] является
наиболее точной системой навигации и ориентации и представляет собой систему на базе
двух НГ, один из которых имеет «полярную» ориентацию вектора кинетического момента, а
другой - «экваториальную». Дополнительно в состав ИСО входит трехосный измеритель
ускорений ИУТ, служащий источником опорной информации для калибровки
инструментальных погрешностей системы при запуске и в процессе работы.
ИУТ используется для измерения: вектора кажущегося ускорения (т.е. разности вектора
абсолютного ускорения и вектора ускорения силы тяжести). Если инерционное ускорение
объекта близко к нулю (что справедливо для РТ), ИУТ измеряет проекции вектора
ускорения силы тяжести на оси чувствительности акселерометров, что позволяет
использовать его для измерения угловой ориентации РТ
Преимуществом НУЭГ является высокая стабильность дрейфа, более чем на порядок
превосходящая лазерные гироскопы [103].
Основным условием определения ориентации с помощью ГСП является непараллельность
наблюдаемых векторов. В системах на 2-х НГ это условие обеспечивается путем задания
начальной ориентации вектора кинетического момента одного из НГ вдоль оси земного
вращения (т.н. «полярная» ориентация), а второго — в плоскости земного экватора
(«экваториальная» ориентация). Движение вектора кинетического момента НГ с «полярной»
ориентацией относительно инерциальной СК имеет вид гармонических колебаний с
суточным периодом и амплитудой, пропорциональной отношению угловой скорости дрейфа
НГ кскорости суточного вращения Земли, а движение НГ с «экваториальной» ориентацией
представляет собой линейный уход вектора кинетического момента в плоскости земного
экватора. В связи с этим некоторые погрешности выходных параметров ИСО на двух НГ
будут иметь вид колебаний с ограниченной амплитудой, а некоторые - расти со временем.
Исследования ИСО на двух НГ, прведенные ЦНИИ «Электроприбор» [98, 99] показали, что
при точности знания географических координат места установки РТ не хуже 5-10 м,
технически достижимая точность ориентации БП ГО определяется значением не
превышающим 3".
В соответствии с ТЗ, выданном ЦНИИ «Электроприбор» КБСМ
1) угловая скорость сопровождения по азимуту не более 4 '/с;
2) угловая скорость сопровождения по углу места - не более 1 '/с;
3)гармоническая составляющая угловой скорости сопровождения с амплитудой, не
превышающей 1 '/с.
(Ускорение гармонической составляющей не задано).
4
Линейное отстояние места установки ИСО от осей привода радиотелескопа:
1) от вертикальной оси - 2,5 м;
2) от горизонтальной оси -11м.
ИСО должна сохранять работоспособность при следующих воздействиях (с
восстановлением точностных характеристик по окончании воздействий):
-максимальных скоростях наведения по азимуту-30 "/с и углу места- 15 "/с;
- максимальных ускорениях наведения по азимуту и углу места - 72 "/с ;
На основании значений приведенных из ТЗ параметров углового движения РТ и параметров
линейного смещения ГСП относительно осей вращения антенны, по предварительной
оценке ЦНИИ «Электроприбор» ошибка от линейных ускорений НГ не превышает 0,1",
поэтому при анализе погрешностей ИСО эту составляющую они не учитывают.
Однако остается не ясным, для какого значения линейного ускорения ГСП дается оценка
ошибки со значением 0,1".
Есть основания полагать, что при максимальных ускорениях наведения по азимуту и углу
места - 72 "/с, ошибки от линейных ускорений НГ будут существенно выше.
Таким образом, можно заключить, что с применением ИСО, технически достижимая
точность ориентации СК ОК определяется значением не превышающим 4-5".
По предварительным оценкам фирмы БУМТЕХНО [105] точность измерений углового
положения БП ГО с Земли лазерными измерителями в динамике будет не хуже, чем с
применением ИСО. Выбор окончательного варианта определится по результатам
экономических расчетов.
Ошибки измерения пространственного положения базовых элементов конструкции РТ не
позволяют наводить фокальную ось (ФО) аппроксимирующего параболоида (АП) точнее 5",
а фактически ошибка будет еще больше, учитывая динамику.
Первоначальное требование к точности наведения ФО АП (10% от ширины ДНА) должно
быть изменено.
При наблюдении КИР в мм диапазоне ширина ДНА становится соизмеримой с ошибками
измерения пространственного положения базовых элементов конструкции РТ относительно
СКЗ, поэтому разрешающую способность РТ по угловым координатам нельзя прямо
связывать с точностью наведения.
Применение одиночного приёмника с площадью апертуры большей, чем площадь главного
интерференционного кольца в раскрыве облучателя приведет к тому, что в приемник могут
попасть излучения от нескольких источников, что сильно затруднит их идентификацию. С
другой стороны уменьшение площади апертуры облучателя приведет к чрезвычайно
жестким требованиям к точности наведения, что является проблематичным при создании
5
следящих приводов и измерительной системы.
Применение матричных приемников, представляющих собой пакет облучателей,
упакованных в матрицу, подобную ПЗС, применяемой в оптике, позволяет принципиально
снизить требования к точности наведения РТ на КИР и одновременно увеличить
разрешающую способность за счет одновременного приема сигнала на несколько
облучателей.
В связи с изложенным, радиоприем целесообразно вести на матричный премник (МП),
расположенный во вторичном фокусе Грегори. Так как положение фокуса изменяется во
времени, положение МП должно изменяться в пространстве за счет установки его на
специальную управляемую адаптивную платформу облучателя (АПО) на подвеске,
аналогичной подвеске КР, и перемещению по управляющим воздействиям, вычисляемым
посредством электродинамической модели зеркальной системы (ЭДМ ЗС).
ЭДМ ЗС описывает структуру и параметры электромагнитного поля, как потока фотонов,
создаваемого точечным КИР, и его преобразования в ЗС путем переотражения
поверхностями зеркал в область пространства, в котором структура и параметры поля
наилучшим образом отвечают условиям радиоприема.
Практически ЭДМ ЗС реализуется в виде вычислительного функционального блока, на вход
которого подаются значения координат:
КИР
СК
в СКЗ
ОК в СКЗ
и координат 5-х точек (К5Т):
вершины
и фокуса аппроксимирующего параболоида АП ГЗ в СК ОК,
вершины
и двух фокусов аппроксимирующего эллипсоида АЭ КР в СК ОК
С помощью ЭДМ ЗС вычисляются значения линейных и угловых координат фазовых
центров (ФЦ) ЭМИ в СК ОК.
Рассогласования между значениями линейного и углового положения АПО и ФЦ в СК ОК
подаются на ее приводы АПО для отработки
Значения координат КИР в СКЗ вычисляются астрофизическими методами с высокой
точностью не отличающейся от точности задания координат для оптических телескопов для
заданного географического места их установки.
Точность задания координат СК ОК в СКЗ определяется точностью измерений.
К5Т рассчитываются по результатам измерений положения щитов отражающей поверхности
6
(ЩОП) ГЗ и отражающей поверхности КР путем построения математических моделей АП
ГЗ АЭ КР в статике.
В динамике к значениям К4Т добавляются значения деформаций, снимаемые с
динамической модели пространственной металлоконструкции (ПМК) РТ.
Таким образом, СУП и установленный на ней матричный приемник, при подаче на ее
приводы управляющих воздействий со стороны ЭДМ ЗС, будет перемещаться в
пространстве и времени так, чтобы СК МП совместилась СК фазового центра (точки
максимальной интенсивности излучения вблизи вторичного фокуса), образованной
векторами электрической и магнитной напряженности поля.
Задающие воздействия на приводы ГЗ КР однозначно определяются по тем же входным
значениям, которые подаются на ЭДМ ЗС.
Эффективность рассмотренной системы наведения может быть оценена по следующим
показателям:
Линейная
расфокусировка – линейное расстояние в мм от фокуса до ФЦ в
результате деформаций ЗС (определяется для первичного и вторичного фокусов).
Угловая
расфокусировка – угловое смещение СК ФЦ деформированной ЗС
относительно СК ФЦ недеформированной ЗС (определяется для первичного и
вторичного фокусов).

Коэффициент потери интенсивности излучения в ФЦ деформированной ЗС –
отношение разности значения интенсивности в ФЦ недеформированной ЗС и
значения интенсивности в ФЦ деформированной ЗС к значению интенсивности в ФЦ
недеформированной ЗС.
Интенсивность излучения
в ФЦ при единичной интенсивности точечного КИР
недеформированной ЗС с поверхностями зеркал, профили которых соответствуют
теоретическим профилям.
Интенсивности излучения
в ФЦ при единичной интенсивности точечного КИР
деформированной ЗС с поверхностями зеркал, профили которых соответствуют
теоретическим профилям.
Интенсивности излучения
в ФЦ при единичной интенсивности точечного КИР
недеформированной ЗС с поверхностями зеркал, профили которых имеют
отклонения от теоретических, с заданными среднеквадратическими отклонениями.
Интенсивности излучения
в ФЦ при единичной интенсивности точечного КИР
деформированной ЗС с поверхностями зеркал, профили которых имеют отклонения
от теоретических, с заданными среднеквадратическими отклонениями.
7
Коэффициент
использования поверхности (КИП) - отношение значения
интенсивности излучения в ФЦ недеформированной ЗС с поверхностями зеркал,
профили которых соответствуют теоретическим профилям к значению
интенсивности излучения в ФЦ деформированной ЗС.
Введенные в рассмотрение показатели эффективности могут быть положены в основу
критерия качества наведения, минимизация целевой функции которого при заданных
ограничениях, сводится к оптимизационной задаче отыскания параметров СН.
Точность наведения, оцениваемая по рассогласованию между угловым положением КИР и
угловым положением ФО АП ГЗ при рассматриваемой модели СН является частной задачей,
так как не учитывает ошибок, вызываемых отклонением КР и смещением фокусов ЗС.
Поэтому более правильной оценкой качества СН, с нашей точки зрения, является оценка по
показателю качества - «расфокусировка».
Рис.1. Основная расчетная схема системы наведения
Обозначения:
8
Линейное рассогласование фокусов ГЗ и КР – r67 (y32); угловое рассогласование ФО ГЗ и
ФО КР - θ (y31); линейное и угловое рассогласование систем координат АПО и фазового
центра вблизи вторичного фокуса r32 (y33 – y38)
Ошибки системы управления:
1.
Угловое рассогласование
φ фокальной осиАП ГЗ, проходящей через вершину
5 и фокус АП ГЗ 6, и линии визирования КИР;
2.
Угловое рассогласование
θ
(y31) фокальной оси КР, проходящей через
вершину 8 и фокус 7 АЭ ГЗ, и фокальной осьюАП ГЗ, проходящей через вершину 5 и фокус
АП ГЗ 6;
4.
Линейное рассогласование фокусов АП ГЗ и АЭ КР r67 (y32);
5.
Линейная расфокусировка – линейное расстояние в миллиметрах от СК
облучателя до СК фазового центра (ФЦ)
6.
Угловая расфокусировка – угловое смещение от СК облучателя относительнол
СК фазового центра (ФЦ)
Так как положения ФЦ нестационарные, приемник установлен на адаптивную
платформу облучателя (АПО), которая позволит скомпенсировать линейную и угловую
расфокусировки.
Описание работы системы управления
Система управления РТ-70 состоит из следующих основных подсистем:
1. Инерциальной системы ориентации (ИСО) в мировом пространстве зеркальной
системы(ЗС) РТ.
2. Системы управления адаптивной отражающей поверхностью (АОП) главного зеркала.
3. Системы управления главным зеркалом (ГЗ).
4. Системы управления контррефлектором (КР).
5. Системы управления адаптивной платформой облучателя (АПО).
6. Измерительной системы вектора состояния пространственной металлоконструкции
(ПМК) РТ относительно инерциальной системы ориентации.
ЗС представляет собой систему двух зеркал (Рис.2).
9
Рис.2. Схема двухзеркальной системы РТ-70
1 – фронт падающей электромагнитной волны (ЭМИ); 2- КР; 3 – Первичный фокус; 4 – ГЗ; 5
– Облучатель; 6 – Вторичный фокус; 7 – АПО.
Отражающие поверхности зеркал: ГЗ – параболоид, КР – эллипсоид. Взаимное
расположение ГЗ и КР осуществляется по известной схеме Грегори.
Основные параметры ЗС: диаметр раскрыва ГЗ - 70 м., фокусное расстояние ГЗ – 21
м., глубина основного зеркала –14.5 м, диаметр раскрыва КР – 3 м., расстояние от КР до
АПО – 25.6 м., диаметр раскрыва облучателя 50 мм.
Условная схема, поясняющая принципы построения конструкции РТ представлена на
Рис.2.
10
Рис.2.
Обозначения:
1-Ригель, 2-масса КР, 3-отражающая поверхность КР, 4-фокус КР, 5-масса стоек КР, 6-фокус
ГЗ, 7- вертикальная ось, 8-отражающая поверхность ГЗ, 9-масса ГЗ, 10-масса ферменного
каркаса, 11-масса основания, 12-точка пересечения фокальной оси ГЗ и горизонтальной оси,
13-горизонтальная ось, 14-коренной зубчатый обод вертикального наведения, 15,16-цапфы
горизонтальной оси, 17-платформа, 18-ЦДОС угла места, 19-точка коренного зацепления
привода угла места, 20,21-точки коренного зацепления приводов азимута, 22-ЦДОС
азимута, 23-шаровой погон, 24-фундамент.
Вес вращающейся части – 4270т.
Вес качающейся части – 1400т.
Основные технические характеристики подсистем
11
Рис.3.
Рис.4.
1. Инерциальная система ориентации предназначена для измерения углового
положения базовой опорной площадки ГЗ (опорное кольцо в вершине ГЗ) в инерциальной
системе координат посредством гиростабилизированной платформы (ГСП), установленной
на эту площадку. Ошибка измерения угловых координат базовой площадки (в дальнейшем
12
будем называть опорного кольца -ОК), при любых поворотах не должна превышать 0.5
угл.с.
2. Система управления адаптивной поверхностью ГЗ предназначена для перемещения
щитов (фасет) отражающей поверхности ГЗ относительно опорного ферменного каркаса.
Путем перемещения щитов относительно ферменного каркаса в системе координат ОК
должна выстраиваться адаптивная отражающая поверхность (АОП), удовлетворяющая
следующим условиям:
2.1. Поле точек АОП после перемещения щитов на равномерной сетке, наложенной на
эту
поверхность,
с
аппроксимирующему
заданной
АОП.
точностью
Параметры
должно
принадлежать
аппроксимирующего
параболоиду,
параболоида
(АП)
подбираются с таким расчетом, что среднеквадратическое отклонение (СКО) точек от
поверхности этого параболоида должно быть минимальным и не превышать 100 микрон.
2.2. Координаты вершины V и фокуса F АП вычисляются путем решения
оптимизационной задачи минимизации СКО как функции V и F. при ограничениях на
значения перемещений.
2.3. Линейные перемещения узлов крепления щитов относительно ферменного каркаса
посредством актуаторов не должны превышать заданной величины.
2.4. Значения координат равномерно распределенных реперных точек на АОП
измеряются системой лазерных дальномеров (СЛД). Точность измерений 100 микрон.
Время измерения всего поля точек 1 с.
2.5. Цикл вычисления параметров V и F АП не более 10 с.
Линия, проходящая через V и F называется фокальной осью (ФО) ГЗ. Ее угловое
положение в системе координат (СК) ОК вычисляется как функция прямой, проходящей
через две заданные точки. Угловое положение ФО в инерциальной СК определяется с
помощью преобразования координат СК ОК–СК ГСП по показаниям датчиков ГСП.
3. Система управления ГЗ предназначена для наведения ФО на КО посредством
приводов азимута и угла места. Рассогласование между направлением на КО и ФО
определяется в СК ГСП и преобразованием координат пересчитывается в наземную СК РТ.
4. Система управления КР предназначена для его перемещения по линейным и
угловым координатам относительно ГЗ посредством 5 электроприводов, тремя линейными и
двумя угловыми. Целью линейных перемещений КР является совмещение фокуса его
отражающей поверхности с фокусом АП ГЗ, а целью угловых перемещений – обеспечение
параллельности фокальных осей. Положение фокуса и вершины КР определяется
посредством СЛД в СК ОК.
13
5. Система управления АПО предназначена для изменения положения облучателя для
наилучшего сбора электромагнитной энергии принимаемого радиосигнала от КО,
прошедшего отражение от ГЗ и КР, в раскрыв облучателя радиоприемного устройства. АПО
расположено в области второго фокуса КР и управляется посредством 6 приводов
наведения. Положение АПО вычисляется предварительно на стадии проектирования как
вектор-функция величин деформаций ЗС и отклонения ФО ГЗ от направления на КО.
Вычисленные координаты АПО указывают на величину смещения потока электромагнитной
энергии от центра облучателя, и после их отработки приводами, перемещают этот поток в
центр. Для расчета координат АПО разработана электродинамическая модель ЗС,
реализацию которой как функционального преобразователя предполагается осуществить в
виде нейронной сети. После обучения этой сети, она автоматически будет определять
координаты АПО как функции величин деформаций ЗС и отклонения ФО ГЗ от направления
на КО.
6. Измерительная система вектора состояния ПМК РТ относительно СК ГСП
предназначена для оценки текущих значений координат отражающих поверхностей ЗС, а
также координат и скоростей основных инерционных масс РТ для учета их в качестве
обратных связей в системе управления приводами наведения. Измерительная система
включает в себя:
– систему лазерных дальномеров (СЛД) измерения координат АОП ГЗ в СК ОК;
– СЛД измерения координат КР в СК ОК;
– СЛД измерения деформаций центральной трубы ГЗ относительно основания в СК
ОК;
– СЛД измерения деформаций стоек цапф ГЗ относительно платформы в СК
основания;
– СЛД измерения координат начального положения платформы и основания в СК
Земли.
14
Система управления РТ-70
15