Радиотелескоп РТ-70как объект управления

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

В середине 80-х годов Академией наук (Астрокосмический центр ФИАН) осуществлялось сооружение в Узбекистане (плато Суффа) крупнейшего в мире зеркального полноповоротным радиотелескопа диаметром 70 м в мм диапазоне волн. Строительство было приостановлено в связи с распадом Советского Союза, однако в 2007 году процесс завершения строительства возобновлен. Этот проект до сих пор не потерял передовой позиции по мировой шкале актуальных астрономических инструментов. Но если раньше с помощью РТ-70 планировалось вести исследования в очень широком диапазоне длин волн: от метрового до миллиметрового, то после изменений в проекте с учетом последних научных открытий он составит от шести сантиметров до 0, 8 мм.В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 – 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическими диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.

Протяженность спектра миллиметровых волн составляет 270 ГГц. Однако часть этой полосы непригодна для использований устройствами, работающими в атмосфере Земли, ввиду наличия полос интенсивного поглощения радиоволн за счет молекулярных резонансов в кислороде и парах воды. Однако в «окнах прозрачности» атмосферы, расположенных между линиями; поглощения, погонное затухание является, умеренным. Минимумы поглощения наблюдаются на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц (длины волны 8, 6, 3, 2, 2, 2 и 1, 4 мм соответственно), при этом ширина соответствующих «окон прозрачности» оценивается как 16, 23, 26 и 70 ГГц.

Использование диапазона миллиметровых длин волн в различных радиосистемах обеспечивает практическое отсутствие ограничений на полосу частот, а одним из наиболее важных направлений использования диапазона миллиметровых длин волн являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:

– определения фундаментальных закономерностей пространства-времени; построения модели расширяющейся Вселенной;

– изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;

– изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика и геотектоника;

– координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.

Особая роль радиоастрономических исследований в миллиметровом диапазоне длин волн связана с тем, что именно в этом диапазоне находится абсолютный минимум яркостной температуры всего спектра электромагнитного космического фонового излучения. Доминирующим в этом диапазоне является реликтовое космологическое излучение. Ввиду этого диапазон является наиболее перспективным для проведения космологических исследований и исследований предельно холодной материи во Вселенной. Миллиметровые волны, как самые короткие в радиодиапазоне, позволяют реализовать самую высокую угловую разрешающую способность, как при использовании отдельных радиотелескопов, так и с помощью радиоинтерферометров. В миллиметровом диапазоне резко уменьшаются эффекты рассеяния и поглощения радиоволн в космической плазме (по сравнению с более длинными волнами), что позволяет исследовать внутреннюю структуру наиболее компактных объектов, изучать их переменность и поляризационные свойства. Наконец, астрономические объекты обладают в миллиметровом диапазоне необычайно богатым набором излучения атомов и молекул в спектральных линиях[10]. Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах: как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно), как основной инструмент наземной сети интерферометров в евроазиатском районе, как основной инструмент радиоинтерферометров Земля-Космос по программам фундаментальных космических исследований.

Во всех этих режимах РТ-70 в диапазоне миллиметровых длин волн может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов. Таким образом, актуальность и важность создания радиотелескопов и систем управления приводами наведения радиотелескопов в диапазоне миллиметровых длин волн не вызывает сомнения. Среди больших полноповоротных телескопов в своем диапазоне РТ-70 будет одним из крупнейших и наиболее точных в мире.

Радиотелескоп РТ-70 будет работать исключительно в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн. Аппарат принимает излучение коротковолновой части миллиметрового диапазона от 5 до 300 ГГц. Особенностью радиотелескопа РТ-70 является его сверхвысокая чувствительность, позволяющая детально рассматривать различные небесные тела. РТ-70 может работать как в автономном режиме, так и в зоне действия других радиотелескопов. Основные задачи проекта – развитие астрофизики, физики Галактик, внегалактической астрономии, исследование химического состава атмосфер объектов Солнечной системы, изучение межгалактической среды, звезд и планетарных систем. С помощью радиотелескопа РТ-70 будет изучаться эволюция звезд, развитие межзвездной среды, ядер галактик, появление черных дыр, квазаров и пульсаров. Кроме того, РТ-70 будет решать важные прикладные задачи – определение координат космических аппаратов и фиксирование положения полюса Земли. РТ-70 должен сыграть важную роль в развитии фундаментальной астрометрии – по данным радиотелескопа будет создана высокоточная инерциальная система небесных координат.

Радиотелескоп РТ-70 представляет собой систему на основе двух зеркал, главное из которых выполнено в виде параболоида вращения. Наведение зеркала на цель осуществляется посредством двух мощных электродвигателей. Отражающая поверхность образована трапециевидными 1188 щитами размером 2× 2, 5 метра[11]. Оптическую схему зеркальной системы РТ-70, участвующего в наблюдении удаленного точечного космического радиоисточника, можно представить системой лучей, как траектории потока частиц (фотонов).Для обеспечения повышенной точности наблюдений отклонение положения зеркала не должно превышать 70 микрометров – с этой целью для установки каждого щита используются более тысячи электродомкратов, закрепленных на ферменном каркасе. Такая конструкция позволяет регулировать положение отражающей поверхности и создавать оптимальную форму главного зеркала.

В качестве дополнительного отражающего элемента применяется второе зеркало — контррефлектор, выполненный в виде эллипсоида вращения диаметром 3 метра, собранного из отдельных листов. Дополнительное зеркало имеет возможность перемещаться в пяти направлениях – по двум угловым и по трем линейным координатам. На подвижной адаптивной платформе установлен облучатель, предназначенный для отслеживания излучения в случае ошибки наведения главного и дополнительного зеркал.

Облучатель также выполняет функцию вторичного фокуса при сложных профилях отражающей поверхности главного зеркала. Приемник радиотелескопа состоит из целого комплекса приборов, работающих в различных диапазонах. РТ-70 оснащен автономной системой управления и контроля.

В РТ-70 исполнена длиннофокусная зеркальная антенная система по схеме Грегори, которая представляет собой систему из трех зеркал – основного, контррефлектора и перископического (рис.1.1). Отражающая поверхность основного зеркала имеет форму квазипараболоида. Такой профиль отражающей поверхности дает более эффективное распределение уровня радиосигнала по плоскости раскрыва зеркала [12]. Отражающая поверхность контррефлектора имеет форму квазиэллипсоида. Перископическое зеркало выполнено в виде плоскости и размещено на карданном подвесе.

Для использования РТ-70 в миллиметровом диапазоне, требуется решение ряда проблем, связанных с модернизацией зеркальной антенной системы, системы наведения и ее математической модели [13]. Большие эффективные площади РТ-70, приводят к тому, что его конструкция имеет большие геометрические размеры, конструктивные элементы которой обладают значительной податливость, а движущиеся части – огромными моментами инерции, причём вся эта механическая система находится под воздействием низкочастотных ветровых возмущений и других метеорологических и климатических факторов.

Рисунок 1.1 – Общий вид РТ-70

1 – Ригель; 2 – Контррефлектор; 3 – Главное зеркало; 4 – Опорное кольцо;

5 – Перископическое зеркало; 6 – Ферменный каркас;

7 – Гироскопическая платформа; 8 – Основание; 9 – Противовес;

10 – Платформа;

α – угол азимута; β – угол места.

Совокупность этих факторов приводит к возникновению низкочастотных резонансных процессов, сопровождающихся слабым демпфированием, что вызывает существенные трудности при управлении, так как при этом для обеспечения устойчивости и точности приходится ограничивать полосу пропускания системы, а это отрицательно сказывается на динамической точности наведения.

Чтобы эффективно компенсировать влияния деформаций необходимо использовать современные измерительные системы и высокоточную систему управления. Применительно к РТ-70 принята следующая концепция построения измерительные системы и системы управления.

В качестве базовой системы координат принята подвижная система координат опорного кольца, расположенного вблизи вершины главного зеркала (рис 1.2). В системе координат опорного кольца посредством лазерных дальномеров измеряются координаты реперных точек главного зеркала и контррефлектора. По измеренным полям электронных вычислительных машин вычисляет параметры аппроксимирующего параболоида и эллипсоида, вычисляются координаты вершин и фокусов главного зеркала и контррефлектора. Также определяются ошибки фокусировки элементов зеркальной антенной системы и выдаются на отработку приводам главного зеркала и контррефлектора.

Для главного зеркала вычисляются поле отклонений поверхности главного зеркала от аппроксимирующего параболоида, которые являются управляющими воздействиями для приводов актуаторов, перемещающих щиты (фацеты) главного зеркала, чтобы ликвидировать эти отклонения.

Фокальная ось аппроксимирующего параболоида вычисляется в системе координат опорного кольца, а целеуказания космического источника радиоизлучения задаются программно в наземной системе координат.

Следовательно, система координат опорного кольца должна быть преобразована к системе координат Земля. Опорное кольцо является частью конструкции зеркальной антенной системы радиотелескопа, которое деформируется под действием инерциальных и внешних нагрузок, поэтому система координат опорное кольцо будет перемещаться вместе с конструкцией.

Рисунок 1.2 – Общий вид радиотелескопа и структура измерительной системы

КР – контррефлектор; ГЗ – главное зеркало; ОК – опорное кольцо;

ДУС – датчик угловых скоростей; ИС – измерительная система;

ГП - гиростабилизированная платформа; АПО – адаптивная платформа облучателя; ЦДОС – цифровой датчик обратной связи;

α – угол азимута; β – угол места.

Положение в системе координат опорное кольцо относительно системе координат Земля может быть вычислено посредством преобразования координат. Для пересчета используются: данные с датчиков главной обратной связи по углу азимута и углу места; углы привязки этих датчиков к наземной системе координат посредством лазерных дальномеров; угловые деформации стоек горизонтальной оси относительно платформы; угловые деформации поддерживающей металлоконструкции опорного кольца относительно горизонтальной оси.

Координаты вершины и фокуса аппроксимирующего параболоида главного зеркала и координаты вершины и фокуса аппроксимирующего эллипсоида контррефлектора в системе координат опорное кольцо рассчитываются по результатам измерений положения щитов отражающей поверхности главного зеркала и отражающей поверхности контррефлектора в статике. В динамике к значениям координат вершин и фокусов аппроксимирующего параболоида главного зеркала и аппроксимирующего эллипсоида контррефлектора в системе координат опорное кольцо добавляются значения деформаций, снимаемые с динамической модели пространственной металлоконструкции радиотелескопа, реализованной в виде наблюдателя. По оценкам с наблюдателя определяются ошибки наведения. Ошибки наведения пересчитываются в системе координат электромеханических следящих приводов элементов зеркальной антенной системы. Графическое отображение данного подхода представлено на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Структурная схема системы управления радиотелескопа

Входами наблюдателя являются данные с измерительной системы (цифровой датчик обратной связи, расположенный на исполнительной оси; датчик угловой скорости) и управление выдаваемое на электромеханические следящие приводы элементов зеркальной антенной системы.

Датчики угловых скоростей, которые измеряют скорость механической части, используются для демпфирования резонансных эффектов в пространственной металлоконструкции радиотелескопа. Использование датчиков в системе управления позволяет определить коэффициент, который бы позволил задемпфировать горб слабодемпфированных звеньев механической части радиотелескопа. Но при этом обязательно должно обеспечиваться попадание в линейную зону усилителя обратной связи. Соответственно целесообразно выбрать структуру с регулятором в виде ПИД-регулятора, представленную на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Обобщенная схема системы управления радиотелескопа

Для увеличения точности системы управления радиотелескоп иногда применяется многомассовое моделирование: пространственная металлоконструкция состоит из большого числа элементов и характеризуется распределенными инерционными, жесткостными и демпфирующими свойствами [14]. Динамика радиотелескопа характеризуется большим числом собственных частот колебаний, поэтому ее точное математическое описание оказывается практически невозможным. Для построения математической модели используются эвристические методы, основанные на представлении пространственной металлоконструкции в виде системы конечных элементов, наделенных эквивалентными инерционными, демпфирующими и жесткостными характеристиками. Приближенная математическая модель пространственной металлоконструкции должна воспроизводить наиболее энергоемкие тоны нижней части спектра собственных частот радиотелескопа, соответствующие ее главным колебаниям. Если пренебречь взаимным влиянием движений по углу азимута и углу места, то математическая модель пространственной металлоконструкции по азимуту и углу места можно разделить и рассматривать раздельно. По форме такие математические модели сводятся к моделям приведенных крутильных колебаний, отражающих крутильные и изгибные колебания пространственной металлоконструкции относительно осей наведения. В данной работе рассматривается другой подход, связанный с редуцированием, – система показывается в виде выбранной модели. Пространственная металлоконструкция радиотелескопа РТ-70, используемая в имитационном моделировании в данной работе, была представлена в [2]. Для решения задачи синтеза системы управления электропривода наведения, обозначив потенциальную точность, используется методика с постоянными параметрами.

Важнейшим этапом конструирования системы управления является математическая формулировка цели управления, выбор критерия качества, наиболее полно отвечающего цели управления, определению граничных условий и ограничений.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒