Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения), страница 2

А. Лавочкина. Программа аппаратов, направленных на изучениекосмического пространства, реализована серией КА «Спектр», основанных наунифицированной платформе «Навигатор». Проект был начат еще в 80 годах 20века, однако по ряду обстоятельств, запуск первого в серии КА «Спектр-Р» былосуществлен только 18 июля 2011 года.9КАпроекта«Спектр»отличаютвысокиетребованиякточностиопределения ориентации и стабилизации. Требования технического задания наБКУ КА «Спектр-Р» составляют 18 угловых секунд для случайной ошибкиориентации и 5 угловых секунд на стабилизационные отклонения. Эти требованиябыли успешно обеспечены, во многом благодаря реализованной в БКУ КА(разработки МОКБ «Марс») комплексной обработке измерительной информацииприборов ГИВУС КИНД34-020 (разработки НИИ прикладной механики имениКузнецова) и звездных приборов АД-1 (разработки МОКБ «Марс»).Требования к другим КА серии «Спектр» («Спектр-УФ», «Спектр-М») вчасти точности определения и поддержания ориентации выше требований к КА«Спектр-Р», что связано с требованиями по функционированию устанавливаемойна КА ЦА.Однако, невозможность воспроизведения ЗП АД-1, высокая стоимость ОКРпо замещению прибора АД-1 аналогом и время разработки нового приборааналога определяют необходимость поиска новых решений для обеспечениятребований ТЗ к КА серии «Спектр».Решением задачи определения и расчета данных об ориентации ССК КА вБКУ КА серии «Спектр» на платформе «Навигатор» занимается системаинформационногообеспечения(СИО).СИОявляетсяфункциональнымобъединением датчиков первичной информации и программного обеспечения(ПО), размещаемого в БВС БКУ.

СИО предназначена для формированиянеобходимой измерительной и расчетной информации, обеспечивающей решениезадач управления и контроля во всех режимах функционирования КА.В настоящее время, основными приборами определения ориентации вомногих БКУ КА являются инерциальные измерительные блоки (ИИБ) и звездныеприборы (ЗП). ИИБ – гироскопический прибор, определяющий проекции угловойскорости приборной системы координат. ЗП – оптический прибор, определяющийориентацию приборной системы координат в инерциальном пространстве.Основными источниками погрешностей при применении ИИБ и ЗП являются:10дрейф измерительных каналов ИИБ; перекосы систем координат измерительныхканалов ИИБ; ошибки масштабных коэффициентов измерительных каналов ИИБ;высокочастотная ошибка определения ориентации ЗП.Для компенсации погрешностей существует набор разработанных методики алгоритмов.

Так во многих работах зарубежных авторов для КА научногоназначения предлагаются алгоритмы калибровки ИИБ [99], [100], [101], [102],[103], [104], [105], [106], [107], [108]. Эти алгоритмы используют модели высокогопорядка и не могут применяться в условиях ограничений вычислительныхресурсов БКУ.Существуют решения по фильтрации измерений ЗП для компенсациивысокочастотной ошибки определения ориентации ЗП [65], [66], [67]. Иногда длякомпенсации предлагается использовать ИИБ [9], [10], [29], [43], [136].Перечисленные алгоритмы предложены при решении определенных задач,возникающих при разработке КА. Однако применение этих решений в составеБКУ КА серии «Спектр» невозможно из-за значительных вычислительныхресурсов, требуемых при реализации в БКУ, которыми не располагаетвычислительная система БКУ КА серии «Спектр».

Для обеспечения в БКУ КАсерии «Спектр» прецизионного определения ориентации необходимо разработатьалгоритмы, обладающие относительной вычислительной простотой и нетребующие значительных вычислительных ресурсов.В настоящей работе представлено решение следующей задачи: разработкаи исследование системы информационного обеспечения бортового комплексауправления КА серии «Спектр», обеспечивающей заданные требования поточностиопределенияориентации.Принимаявовниманиеимеющийсятехнический задел МОКБ по алгоритмам БКУ КА серии «Спектр», разработкадолжна основываться на существующих алгоритмах смежных СИО подсистемБКУ, протоколах взаимодействия программных подсистем БКУ и не затрагиватьсмежные системы, и минимальными доработками БКУ в целом (Рисунок В.2).Предложенные автором в работе алгоритмы, обеспечивающие прецизионное11определение параметров ориентации, отличаются от известных векторомоцениваемых параметров, принципами фильтрации высокочастотной шумовойпогрешности звездного прибора и относительной вычислительной простотой.Бортовойкомплексуправлениякосмическимаппаратомнаучногоназначения, с вновь разработанной СИО, должен обеспечивать определениеориентации ВСК КА относительно 2ЭСК (без учета погрешности взаимнойпривязки ПСК КП и ВСК) с предельной погрешностью (3σ) не более 10" покаждой из осей ВСК при неподвижных элементах конструкции КА, вне участковкоррекцииорбитыиразгрузкидвигателей-маховиков.Разностьмеждумаксимальным и минимальным значениями стабилизационного отклонения поугловой координате в инерциальном пространстве не должна превышать 5".Рисунок В.2.

Схема взаимодействия СИО с подсистемами БКУ и приборамиЦелью диссертационной работы является разработка прецизионнойсистемы информационного обеспечения, отвечающей заданным требованиям поточности определения ориентации бортового комплекса управления космическимаппаратом научного назначения.

Объектом исследования являются бортовыекомплексыуправлениякосмическимиаппаратами,вчастностисистемыопределения параметров ориентации, системы информационного обеспечения исистемы измерений БКУ КА. Предметом исследования являются алгоритмы испособы обеспечения точностных требований к системе информационногообеспечения бортовых комплексов управления космическими аппаратами.12Для достижения цели в данной работе поставлены и решены следующиезадачи:1. Исследованы существующие алгоритмы, обеспечивающие точноеопределение параметров ориентации. Определены недостаткиисследованныхалгоритмов,сформулированытребованиякнеобходимым алгоритмам;2.

Проведенанализсуществующихприборовиопределенавозможность создания системы, обеспечивающей прецизионноеопределение параметров ориентации, на основе этих приборов.Определеныперспективыразвитияприборовдлясистемыпрецизионного определения параметров ориентации;3. Разработана методика оценки точности определения ориентацииБКУ КА различного назначения, которая обобщает частные задачиоценки точности параметров ориентации;4. Разработанаструктурно-функциональнаясхемасистемыинформационного обеспечения, включающая в себя имеющийсязадел по алгоритмам СИО и вновь разработанные авторомалгоритмы;5.

Разработаналгоритмкомплексированияинформацииинерциального измерительного блока и звездных приборов,отличающийсянизкимитребованиямиквычислительнымресурсам БКУ;6. Разработана модель виртуального звездного прибора. Модельиспользует природу распределения высокочастотной погрешностизвездного приборанаоси приборной системы координат,обеспечивая формирование данных об ориентации виртуальногоприбора по информации от двух работающих звездных приборов;7. Разработаны вспомогательные алгоритмы обеспечения точностиопределения ориентации: алгоритм калибровки дрейфов ИИБ иалгоритм фильтрации высокочастотной погрешности звездных13приборов.

Алгоритмы также отличаются низкими требованиями квычислительным ресурсам БКУ;8. Проведеноалгоритмовмоделированиевсоставефункционированиябортовогоразработанныхкомплексауправлениякосмического аппарата на стенде математического моделирования.Подтверждена правильность принятых при разработке алгоритмовдопущений. Подтверждено выполнение требований по точностиопределения параметров ориентации.К числу новых научных результатов относятся:1.

Комплекс алгоритмов, обеспечивающих автономное (без связи сназемнымкомплексомуправления)прецизионноеопределениеориентации, эффективную фильтрацию высокочастотной шумовойпогрешностиразличныхзвездныхприборовсприменениеминформации от различных инерциальных измерительных блоков;2. Алгоритм комплексирования информации звездных приборов иинерциальных измерительных блоков в системе информационногообеспечения, основанный на редуцированном фильтре Калмана.Алгоритм позволяет применять различный по характеристикам наборинерциальныхизмерительныхблоковизвездныхприборов.Отличительной чертой алгоритма является то, что оценивается тольковектор малого поворота между истинной (по данным ЗП) ирассчитанной (по данным ИИБ) ориентацией в совокупности срасчетомковариационныхматрициматрицыкоэффициентовусиления с частотой меньшей частоты формирования оценки;3.

Алгоритмфильтрациивысокочастотнойшумовойпогрешностизвездных приборов на базе совместной обработки информации с двуходновременноработающихзвездныхприборов.Особенностьюалгоритма является фильтрации измерительной информации звездныхприборов за счет использования модели виртуального звездногоприбора без внесения дополнительного запаздывания;144. Алгоритмдвухточечнойинерциальныхкалибровкиизмерительныхблоковдрейфовгироскоповбортовыхкомплексовуправления. Отличие алгоритма заключается в оценке дрейфовгироскопов по двум точкам получения данных об ориентации КА отЗП.Практическая ценность работы заключается в реализации разработанныхалгоритмов в бортовом комплексе управления, обеспечивающих выполнениетребованийпоточностиориентациииэффективнуюфильтрациювысокочастотной шумовой погрешности различных звездных приборов прииспользовании различных инерциальных измерительных блоков, а также вснижении требований к вычислительным ресурсам БКУ КА.Теоретическая ценность работы заключается в разработанных новыхалгоритмахпрецизионногоопределенияориентации,фильтрациивысокочастотной шумовой погрешности звездных приборов и комплексированияинформации в системах информационного обеспечения широкого класса КА.Алгоритмы разработаны на основе обоснованной редукции и использованииприроды распределения погрешностей измерителей.При решении задач диссертационной работы широко применялись методыи методики теории оценивания и фильтрации, обработки информации,математического моделирования и аналитических вычислений.На защиту выносится программно-алгоритмическое решение задачиобеспечения требований по точности определения параметров ориентациинаучных КА, включающее: алгоритм комплексирования информации звездных приборов иинерциальных измерительных блоков в системе информационногообеспечения; алгоритмфильтрациивысокочастотнойшумовойпогрешностизвездных приборов на базе совместной обработки информации содновременно работающих звездных приборов;15 алгоритмдвухточечнойинерциальныхкалибровкиизмерительныхблоковдрейфовгироскоповбортовыхкомплексовуправления; комплексалгоритмов,разработанныевключающийалгоритмы,всебяранееобеспечивающиеивновьэффективнуюфильтрацию высокочастотной шумовой погрешности различныхзвездных приборов с применением информации от различныхинерциальныхвозможностьюизмерительныхиспользованияблоков.частиКомплексалгоритмов,обладаетпредоставляяразличную точность определения параметров ориентации.Достоверностьматематическогорезультатовмоделирования,подтверждаетсярезультатамиотработкирезультатамиииспытаний,проведенных на стендах моделирования, результатами летно-конструкторскихиспытаний.Апробация работы.