Диссертация (Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения), страница 20

ПРИМЕНЯЕМЫЕ МОДЕЛИРУЮЩИЕ СТЕНДЫ И МОДЕЛИДля отработки программного обеспечения БКУ, отработки межмашинноговзаимодействия в процессе проведения опытно-конструкторских работ в МОКБ«Марс» применяется ряд стендов [6], [7]. Для отработки и анализа алгоритмов,разработанныхвходенастоящейработы,былзадействованстендматематического моделирования БКУ КА.4.1.1.

СТЕНД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯСтендматематическогомоделирования(СММ)применяетсядлякомплексной отработки и испытаний алгоритмов СУ в «замкнутом» контуре. НаСММ производится отработка прототипов бортового ПО в соответствии спрограммой и методикой испытаний ПО БКУ [6], [7].СММ предназначен для:141 комплекснойотработкиалгоритмовБКУпримоделированиидвижения и функционирования бортовых систем КА в ускоренномрежиме (в десятки раз быстрее реального времени) в режимеимитационногомоделированияуправляемогодвиженияСУ(«замкнутый» контур); проверки правильности взаимодействия функциональных алгоритмов,системы управления движением (СУД), системы информационногообеспечения (СИО), системы стабилизации и ориентации (ССО) исистемы управления бортовыми системами (СУБС) между собой в«замкнутом» контуре; оценки и подтверждения динамических и точностных характеристикСУ; подтверждения требований к алгоритмическому обеспечению привоздействиивнешниххарактеристикаппаратуры,возмущений,отказныхиимитацииразбросовнештатныхситуаций;отработки состава и полноты полётного задания.Алгоритмическое обеспечение СУ задействуется на СММ в видепрототипов бортового программного обеспечения (БПО), выполненных на языкепрограммирования С++ для универсальных ПЭВМ.На СММ предполагается моделирование движения КА в «замкнутом»контуре с прототипами БПО на участке полёта от момента включения СУ.

СММреализует пространственное движение КА с учетом движения центра масс идвижения вокруг центра масс на временах, значительно меньших реальноговремени. Математический моделирующий стенд целиком расположен в ПЭВМ.Реализация перечисленных функций осуществляется аппаратурой и программнымобеспечением СММ.В состав программного обеспечения СММ входят программы:- СПО – специальное программное обеспечение, выполненное на языкепрограммирования С++;142- ИПО – имитационное программное обеспечение, выполненное на языкепрограммирования С.-ПБПО–прототипыбортовогофункциональногопрограммногообеспечения для БВУ, выполненные на языке программирования С++.Структурная схема СММ представлена на Рисунке 4.1.Рисунок 4.1. Структурная схема СММСпециальное программное обеспечение (СПО) СММ БКУ КА осуществляетследующие функции:- центрального диспетчера СММ;- интерфейса пользователя;143- накопления результатов моделирования и их обработку, вывод результатовна экран и в файл, печать графиков в файл;- 3D визуализации.Взаимодействие программного обеспечения СММ реализуется системойдиспетчеров.Центральным диспетчером СММ является головной диспетчер СПО.

Подего управлением работает головной диспетчер ИПО и головной диспетчерпрототипов БПО, программы имитации обмена между БВУ и ИПО. Общениемежду СПО – ИПО – ПБПО осуществляется через внешние параметры, асинхронизация – через параметр номера такта моделирования, формируемый вдиспетчере СПО. Основным шагом счета в СММ является такт БКУ.Диспетчер СПО вначале вызывает диспетчер ИПО в режиме подготовки, вкотором ИПО производит считывание файлов данных, расчет начальныхпараметров движения и расчет начальных условий для борта.Затем диспетчер СПО переводит признак работы ИПО в режим«циклического счета», определяет время моделирования и последовательновызывает диспетчер ИПО и диспетчер ПБПО, наращивая при этом номер тактамоделирования.Процесс «циклического счета» заканчивается по достижении временеммоделирования заданного значения.

После этого диспетчер СПО производитобработкурезультатовипечатьпротоколамоделирования.Блок-схемадиспетчера СПО представлена на Рисунке 4.2.СПО интерфейса пользователя запускает приложение, позволяющеезадавать исходные данные моделируемого режима полета в соответствии сразработанной программой и методикой испытаний. При работе пользовательвыбирает режим моделирования, формирует список соответствующих кодовыхкоманд и полетных заданий (ПЗ) для данного режима, выбирает настройки ИПО и144время моделирования режима в секундах, также может выбрать вариантырегистрации параметров.Рисунок 4.2.

Блок-схема диспетчера СПОПрограмма отображения данных на экран в течение всего полета формируетв специальном окне приложения протокол обмена признаками, который также145записывается в файл. В отдельном окне выводятся выбранные параметрыимитационного программного обеспечения.В течение всего полета СПО формирует отдельное окно с 3Dвизуализацией. В этом окне отображается схематично космический аппарат (КА)и его связанные оси, расположение Солнца и Земли относительно КА, В режимевизуализации СПО показывает движение КА относительно Солнца и Земли вкосмическом пространстве, отображается работа ДУ.4.1.2. ИМИТАЦИОННОЕПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДА МАТЕМАТИЧЕСКОГОМОДЕЛИРОВАНИЯОсновной функцией имитационного программного обеспечения (ИПО)СММ является имитация информации с математических моделей объекта,исполнительных и информационных систем КА для прототипов БПО припроведении испытаний СУ в «замкнутом» контуре.

ИПО обеспечиваетмоделирование пространственного движения КА с учетом движения вокруг центамасс быстрее реального времени.Элементы ИПО выполняются на основании исходных данных НПО имениС.А. Лавочкина [120].В состав имитируемых подсистем КА входят только подсистемы, влияющиена динамику движения объекта или имеющие ответные команды и сигналы,идущие в бортовую систему управления.ИПО с одной стороны принимает команды и сигналы управления КА изПБПО. С другой стороны ИПО передает в ПБПО ответные команды и сигналыбортовых систем КА в ПБПО.В состав выдаваемого массива входят также ответные разовые команды исигналы с датчиков, поступающие в БВУ.

Состояние КА задается файлами:начальных условий объекта; разброса характеристик объекта; паспортныххарактеристик бортовых систем; имитации отказов бортовых системисполнительных органов.и146Всю работу ИПО организует его головной диспетчер, осуществляющийпоследовательность вызова моделей и обеспечивающий синхронизацию счетаразнотактовых групп моделей. Обращение к диспетчеру ИПО осуществляетсякаждый такт БВУ.4.1.3. МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЦЕНТРА МАСС КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТАТраекторное движение КА рассматривается как движение материальнойточки переменной массы, положение которой совпадает с положением центрамасс КА.Движение центра масс КА описывается в инерциальной геоцентрическойсистеме координат (ИГСК).4.1.4.

МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ВОКРУГ ЦЕНТРА МАССВ состав моделей движения вокруг центра масс входят модели,выполненные по исходным данным НПО имени С.А. Лавочкина [120].Все управляющие и возмущающие моменты, действующие на КА,определяются в связанной системе координат и суммируются в диспетчере ИПО.Полученные суммарные моменты передаются в программу интегрированиядвижения вокруг центра масс.На Рисунке 4.3 представлен график угловой скорости КА по данным ИПО.НаграфикепредставленоравномерноевращениевокругосиССК,сопровождаемое возмущениями от движения СБ.На Рисунках 4.4 и 4.5 представлены элементы кватерниона ориентации ССККА относительно ИСК, рассчитанный по данным ИПО и соответствующийугловой скорости КА, представленной на Рисунке 4.3.147-3x 10XCCK KA0YCCK KAZCCK KAугловая скорость, гр/с-1-2-3-4-5-6-7-870008000900010000Время, с11000120001300014000Рисунок 4.3.

Проекции угловой скорости КА на ССК КА, рассчитанныеИПО2 элемент3 элемент10.90.80.70.60.50.40.30.20.17000800090001000011000Время, с12000130001400015000Рисунок 4.4. Второй и третий элементы кватерниона ориентации ССК КАотносительно ИСК по данным ИПО148-5x 101 элемент4 элемент6420-2-4-67000800090001000011000Время, с12000130001400015000Рисунок 4.5. Первый и четвертый элемент кватерниона ориентации ССК КАотносительно ИСК по данным ИПО4.1.5. ПРОТОТИПЫ БОРТОВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯАлгоритмическое обеспечение БКУ задействуется на СММ в видепрототипов бортового программного обеспечения (ПБПО), выполненных наязыке программирования С++ для универсальных ПЭВМ в соответствии стехническими требованиями на бортовое программирование, в том числе с учетомдискретизации счета в БВУ, имитации обмена, но без учета особенностейбортовой версии языка программирования, бортовых стандартных функций,распределения и организации памяти.В состав прототипов БПО БКУ входят программные модули, реализующиефункциональные задачи по управлению движением КА и работы БКУ КА вцелом.В состав ПБПО входят программы:СУД — система управления движением,149СИО — система информационного обеспечения,ССО — система стабилизации и ориентации,СУБС — система управления бортовыми системами.4.1.6.

МОДЕЛЬ ИНЕРЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКАОсновной определяющий и ограничивающий фактор использованияизмерительных приборов в составе БКУ КА – доступность для российскогопотребителя и разрешение на применение иностранной техники.Для применения в составе СИО БКУ КА предлагается использоватьполучивший летную историю на КА различного назначения инерциальныйизмерительный блок КИНД34-020-01, производства НИИ Прикладной механикиимени Кузнецова. Основные для разработки алгоритмов характеристики ИИБКИНД34-020-01 представлены в Таблице 4.1.Таблица 4.1.Характеристики прибора КИНД34-020-01ПараметрПолный диапазон измеренийМасштабный коэффициент, угл.с/импЗначение±0.4°/с0.03-0.05Стабильность измеренийУстойчивость в интервале 1 час< 0,004 °/чМодель ИИБ выполняется по исходным данным от НИИ прикладноймеханики имени Кузнецова [119].Последующие вызовы модели ИИБ ИПО осуществляет в циклическомрежиме.

Вызов модели ИИБ производится с шагом кратным длительностиосновного цикла БКУ, зависящим от моделируемых свойств упругости имоментов КА.В циклическом режиме на вход модели ИИБ поступают параметры измоделей ИПО и команды БПО, согласно таблицам входных данных. Для150управления параметрами и режимами ММ ИИБ используется командное слово.Модель ИИБ реализует штатный обмен.На Рисунке 4.6 представлен график с выходными данными модели ИИБ.Выходом модели ИИБ приращения углов, выраженные в эквивалентномколичестве импульсов, за такт опроса по каждому из измерительных каналов,соответствующих угловой скорости КА.

Соотношение между углом поворота,измеренным ИК ИИБ, и сформированными импульсами задается масштабнымкоэффициентом.На Рисунке 4.7 представлен график рассчитанных по показаниям ИИБ(Рисунок 4.6) проекциям угловой скорости КА на оси ССК.сигналсигналсигналсигналСигналы ИК ИИБ, импульсы за такт10080ИК1ИК2ИК3ИК46040200-20-40-6022350224002245022500Время, сРисунок 4.6.