Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ Н.Э. БАУМАНАНа правах рукописиРябогин Николай ВладимировичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННОЙ СИСТЕМЫИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БОРТОВОГОКОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМНАУЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯСпециальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации(в технических системах)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительДоцент, кандидат технических наукЗадорожная Н.М.Москва – 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Введение .............................................................................................................

5Глава 1. Обзор решений задачи определения параметров ориентациикосмических аппаратов .............................................................................................. 191.1.Анализбортовыхкомплексовуправлениякосмическимиаппаратами в части определения параметров ориентации ................................... 201.2.Анализ состояния и перспектив приборного состава ....................... 341.2.1. Гироскопические измерительные приборы ...................................

341.2.2. Звездные приборы ........................................................................... 431.3.Анализ алгоритмов обработки информации ..................................... 461.4. Выводы по главе .................................................................................... 491.5. Постановка задачи по итогам анализа ..................................................

50Глава 2. Построение системы информационного обеспечения ..................... 522.1. Анализ работы системы информационного обеспечения.................... 532.2. Методика определения точностных характеристик системыинформационного обеспечения космического аппарата ...................................... 582.2.1. Системы координат космического аппарата .................................. 602.2.2.Приборныйсоставбортовогокомплексауправлениякосмическим аппаратом ...................................................................................... 652.2.3.Определениесуммарнойпогрешностиориентациикосмического аппарата ........................................................................................

712.3.Требованиядляобеспеченияпрецизионнойточностиопределения ориентации космического аппарата................................................. 802.4.Предлагаемыйалгоритмическийсоставсистемыинформационного обеспечения .............................................................................

813Стр.2.5. Предложения по использованию современных графическихсредствсистемногопрограммногоанализаобеспечениявзадачахбортовыхразработкикомплексовиотработкиуправлениякосмическими аппаратами ..................................................................................... 832.5.1.

Особенности процесса разработки бортового программногообеспечения ......................................................................................................... 852.5.2. Использование современных графических средств системногоанализа .................................................................................................................

862.5.3. Примеры применения диаграмм состояний в разработкепрограммного обеспечения бортового комплекса управления космическимаппаратом ............................................................................................................. 882.5.4. Применение диаграмм состояния при анализе нештатныхситуаций ............................................................................................................... 922.6.

Модули программного обеспечения системы информационногообеспечения ............................................................................................................. 952.7. Выводы по главе .................................................................................... 99Глава3.Разработкаалгоритмовсистемыинформационногообеспечения .............................................................................................................. 1013.1.

Структура комплексной обработки информации инерциальногоизмерительного блока и звездного прибора ........................................................ 1013.2. Алгоритм двухточечной калибровки дрейфов гироскопов ............... 1053.3. Алгоритм комплексирования .............................................................. 1083.3.1.

Модель углового движения космического аппарата ................... 1093.3.2. Редуцирование задачи оценивания и вектора состояния ............ 1153.3.3. Алгоритм оценивания при комплексировании информации ...... 1193.3.4. Стохастический анализ точности редуцированного алгоритма ..

1243.3.5. Описание функционирования алгоритма комплексирования ..... 1293.4. Комплексирование информации двух звездных приборов................ 1314Стр.3.5. Циклограмма работы алгоритмов системы информационногообеспечения ........................................................................................................... 1353.6. Выводы по главе ..................................................................................

138Глава4.информационногоИсследованиеработыобеспечениябортовогопрецизионнойкомплексасистемыуправлениякосмического аппарата научного назначения ........................................................ 1404.1. Применяемые моделирующие стенды и модели ................................ 1404.1.1. Стенд математического моделирования ....................................... 1404.1.2.Имитационноепрограммноеобеспечениестендаматематического моделирования .....................................................................

1454.1.3. Модели движения центра масс космического аппарата .............. 1464.1.4. Модели движения космического аппарата вокруг центра масс .. 1464.1.5. Прототипы бортового программного обеспечения...................... 1484.1.6. Модель инерциального измерительного блока ............................ 1494.1.7. Модель звездного прибора ............................................................ 1514.2. Исследуемый объект ............................................................................ 1534.3. Экспериментальная отработка алгоритмов ........................................

1584.4. Выводы по главе .................................................................................. 174Общие выводы и заключение ........................................................................ 176Список сокращений и условных обозначений ............................................. 181Список литературы ........................................................................................ 1855ВВЕДЕНИЕПредставить современную жизнь без использования космических аппаратов(КА)практическиповседневныхневозможно.задач,какНаКАутилитарных,возложенотакирешениемножествавысоконаучных.Пофункциональному назначению КА делятся на следующие группы: телекоммуникационные КА; КА глобальных навигационных систем; КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и метеорологические; КА обнаружения угроз; КА научного назначения.Для указанных групп КА используются различные типы целевых орбит.Так, КА связи выводятся на круговые геостационарные орбиты (ГСО),высокоэллиптические (типа «Молния»), а также на низкие околоземные орбиты(система «Гонец» и т.д.).

КА ДЗЗ, как правило, работают на низких круговыхорбитах, метеоспутники как на низких околоземных орбитах, так и на ГСО ивысокоэллиптических. КА научного назначения, в зависимости от решаемыхзадач, могут иметь разнообразные высокоэллиптические (КА «Спектр-Р»),эллиптические, круговые, солнечно-синхронные орбиты с размещением КА вточках Лагранжа и т.д.[1].Следует отметить, что уже более 20 лет большие КА реализуются помодульному типу: создается унифицированная служебная платформа (борт),единая для целого ряда КА, на которую устанавливается различная целеваяаппаратура. Примером могут служить платформы: «Alphabus» (ЕКА, Inmarsat идр.), «SA-200HP» (США, NASA, GeoEye), «AstroSat-250» (EADS, SEOSat, SPOT),«Экспресс-2000» (ИСС им. Решетнева, Экспресс-АМ5, 6), «Экспресс-4000» (ИССим.

Решетнева, Енисей), «Eurostar-3000» (ИСС им. Решетнева, Экспресс-АМ4),6платформа ГКНПЦ им. Хруничева (КазСат, Экспресс-МД1, 2) и «Навигатор»(НПО им. Лавочкина, Электро-Л1, 2, Спектр-Р) [1], [2], [3].Завремя,прошедшеесзапускапервогоКА,отечественнымиизарубежными специалистами накоплен громадный опыт в разработке БКУ КА.Выпущеныработы,которыеописываютобщиеподходыитехнологиипроектирования БКУ КА [108], [109], [110], [111], [129], [130], [132], [136], так испециализированные задачи, например, определение параметров ориентации КА[46], [48], [49], [50], [51], [52].Задача определения параметров ориентации КА за годы разработокрассматривалась многими специалистами [52], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60],[65], [66] и реализуется бортовым комплексом управления (БКУ), который иобеспечивает требуемые точности ориентации. Типовая обобщенная схема БКУсовременного КА представлена на Рисунке В.1.

С первых работ [50], [51], [52],предлагающих использование векторов поворота в задачах ориентации КА иопределения параметров ориентации по наблюдаемым источникам, до настоящегодня предложено множество частных решений задачи определения параметровориентации.Принимая во внимание то, что КА носит утилитарный характер, то и задачиопределения параметров ориентации КА, в частности задачи фильтрацииинформации измерителей, калибровки инерциальных измерительных блоков,юстировки измерительных приборов и целевой аппаратуры, как и точностьобозначенных операций, также носят утилитарный характер.К примеру, телекоммуникационные КА и КА ДЗЗ, в виду возлагаемых нацелевую аппаратуру задач, не требуют высокой точности определения параметровориентации связанной системы координат КА в БКУ, а также и поддержанияориентации.7Рисунок В.1.

Обобщенная структурная схема БКУ КА8Целевая аппаратура КА научного назначения решает исключительныезадачи, накладывая соответствующие требования на параметры БКУ, конкретнотребования по ошибке определения параметров ориентации и стабилизационнымотклонениям. Перед КА научного назначения ставятся следующие задачи: изучение строения физических процессов в ядрах галактики; изучение темной материи и темной энергии во Вселенной; изучение структур и динамики областей формирования звезд ипланетных систем; исследование структуры черных дыр; поиск новых и изучение известных галактических и внегалактическихдискретных источников гамма-излучения сверхвысокой энергии, вчастности, остатки сверхновых, пульсары, микроквазары, галактики сактивными ядрами, блазары, квазары; измерение их энергетическихспектров и светимости; отождествлениедискретныхгамма-источниковсизвестнымиисточниками излучения в других диапазонах энергии, в том числе, и сдискретными источниками; регистрация высокоэнергетического гамма-излучения и потоковэлектронов и позитронов от солнечных вспышек; и т.д.Реализация всех перечисленных задач требует прецизионного определенияпараметров ориентации и наведения научного КА.Основным разработчиком КА научного назначения в России является НПОимени С.