Диссертация (Динамическое проектирование системы управления движением и навигации малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с аппаратурой кадровой съемки), страница 2

Разработать архитектуру и программное обеспечениецифрового моделирующего комплекса (который включает имитациюработы приборов), используемое в составе стенда КА, с цельюотработки бортовой задачи СУДН КА и подтверждения точностныххарактеристик.ПодтверждениемкорректностивыбораобликаСУДНявляетсяматематическое моделирование управляемого движения КА, согласно сопределённой логикой работы, с отработкой замкнутого контура управлениясредствами БЦВМ-ЦМК, и подтверждение точностных характеристик.Целью работы является динамическое проектирование системыуправлениядвижениеминавигациималыхкосмическихаппаратовдистанционного зондирования Земли.Объектами исследования являются: малоразмерный космическийаппарат КА ДЗЗ, его система управления движением и навигации (еёприборный состав и программно-алгоритмическое обеспечение) и цифровой8моделирующийкомплексдляотработкибортовогопрограммногообеспечения СУДН.Предметамиисследованияявляются:математическиемоделисовременных малогабаритных измерительных приборов и исполнительныхорганов, бортовые алгоритмы системы ориентации и стабилизации КА ДЗЗ,программно-алгоритмическоеобеспечениецифровогомоделирующегокомплекса.Метод проведения исследованияПрименяемые для исследования методы относятся к численнымметодам, методам теории автоматического управления, статистическойобработки, фильтрации информации, линейной алгебры и аналитическойгеометрии, алгебры кватернионов.Достоверность полученных результатовДостоверностьполучаемыхрезультатовподтверждаетсяиспользованием при решении задач фундаментальных научно-техническихподходов и методов их решения.

Результаты моделирования многократнообсуждались и получили положительную экспертную оценку специалистов.Научная новизна и практическая значимостьНаучная новизна состоит в:1) разработке математической модели системы управления движением инавигации малого космического аппарата;2) разработке алгоритмов, логики работы и бортового программногообеспечения СУДН с учётом особенностей применяемого бортовоговычислительного комплекса и приборного состава;3) определениивнешнююнаборасредуматематическихфункционированиямоделей,КАиегоописывающихуправляемоевращательное движение;4) разработке архитектуры и программного обеспечения цифровогомоделирующего комплекса, используемого в составе стенда КА, сцелью отработки бортовой задачи СУДН КА.9Практическаязначимостьрезультатовдиссертационнойработызаключается в использовании разработанной методики динамическогопроектирования системы управления и навигации при создании малого КАДЗЗ «Аурига».Внедрение результатов диссертационной работыРезультаты диссертационной работы были использованы проектах:«Фобос-Грунт», «Кубсат-Нано», «Аурига», «DX-1» и легли в основу приразработке СУДН, а также программно-алгоритмического обеспечениякомплексных стендов КА.

Кроме того, результаты были использованы вучебном процессе кафедры № 604 «Системный анализ и управление» МАИ.Получены акты о внедрении результатов в ООО «Даурия –спутниковые технологии», ООО «НПП ДАУРИЯ» и кафедры №604«Системный анализ и управление» МАИ.Апробация работыОсновные результаты работы содержатся в четырёх научных статьях,опубликованных в научных журналах, входящих в перечень рецензируемыхнаучных изданий высшей аттестационной комиссии ВАК, материалахэскизного проекта малого КА «Аурига», прошедшего экспертизу научногосовета фонда «Сколково».В феврале 2017 года отправлена заявка на получение патента«Космический аппарат дистанционного зондирования Земли микро класса»,при разработке и создании которого применялась разработанная в даннойработе методика.Получены свидетельства о государственной регистрации программ дляЭВМ (правообладатель ООО «Даурия – спутниковые технологии»»):1) разработчики: Архангельский Р.

Н., Розин П. Е., Янин А. А.,Порошин А.Л.«Бортовоепрограммноеобеспечение»,2017614075;2) разработчики: Розин П. Е. «Программа комплексного стенда дляиспытаний», № 2017614074.10№Данноепрограммноеобеспечениенепосредственносодержитрезультаты, полученные в ходе диссертационной работы.Результаты, изложенные в работе, докладывались и получилиодобрение на научно технических конференциях:1. Розин П.Е., «Система управления движением и навигацией. ПроектИКИ-01», тезисы международной научно-технической конференции«Академическиймикроспутник«Чибис-М».Результаты,уроки,перспективы», Москва, 2014.2. Розин П.Е., Зайко Ю.К., Беляев Б.Б. «Система ориентации истабилизации малого космического аппарата ДЗЗ «Аурига», тезисымеждународной конференции «Системный анализ, управление инавигация», Евпатория, 2015.Основные научные положения, выносимые на защиту1) Алгоритм демпфирования остаточных угловых скоростей послеотделения от разгонного блока с использованием пяти магнитныхкатушек, учитывающий температурную компенсацию изменениярасполагаемого момента и нештатные ситуации, связанные с работоймикроконтроллеров управления магнитным моментом.2) АлгоритмтрёхоснойфункционированиеориентацииаппаратанавсехКА,этапахобеспечивающийработыцелевойаппаратуры: орбитальная ориентация, передача целевой информации,ориентация дежурного режима, программные развороты.3) Логика работы бортовых задач СУДН с учётом особенностейприменяемого бортового вычислительного комплекса и приборногосостава.4) Архитектура и алгоритмы работы цифрового моделирующегокомплекса, предназначенного для отработки бортовой задачи СУДНКА и подтверждения точностных характеристик.11Перваяглаваработыпосвященаприборномусоставу,логикефункционирования и алгоритмам СУДН КА ДЗЗ с аппаратурой кадровойсъёмки.

Проведён анализ условий функционирования КА ДЗЗ на солнечносинхронных орбитах,оценке возмущающих моментов и разработкеалгоритмов и логики функционирования СУДН. На основании анализаусловий функционирования и особенностей компоновки КА обоснованвыбор исполнительных органов СУДН КА и их характеристик, а такжережимов функционирования. Предложен необходимый набор алгоритмов илогика функционирования бортовой задачи СУДН КА ДЗЗ с аппаратуройкадровой съёмки (с разбиением на две подзадачи – ориентации истабилизации и баллистико-навигационного обеспечения).Во второй главе рассмотрена разработка математических моделейсовременных измерительных приборов и исполнительных органов СУДНмалых КА: датчика угловых скоростей (и интегрирующего гироскопа на базетакого датчика), звёздного датчика, магнитометра и двигателей-маховиков.Третья глава посвящена цифровому моделирующему комплексу(ЦМК), предназначенному для отработки СУДН.

Разработана архитектураЦМК,определёнсоставзадач,используемыхмоделей,логикифункционирования и принципа взаимодействия с бортовой задачей СУДН.Представлены результаты отработки СУДН КА «Аурига» с применениемразработанного бортового программного обеспечения и ЦМК, проведёнанализ полученных точностных характеристик.12Глава 1 Приборный состав, логика функционированияи алгоритмы системы управления движением инавигации малого КА ДЗЗ с аппаратуройкадровой съёмкиУсловно КА ДЗЗ с аппаратурой, работающей в видимом диапазонедлин волн, можно разделить на аппараты с аппаратурой кадровой съёмки исканирующей аппаратурой.

Алгоритмы СУДН для этих двух видов аппаратовотличны ввиду особенностей функционирования целевой аппаратуры. Вданной работе рассматриваются аппараты ДЗЗ с аппаратурой кадровойсъёмки.При определении облика системы управления движением и навигациималых КА ДЗЗ требуется определить её динамические свойства. С этойцелью необходимо исследовать ряд вопросов, перечисленных ниже.1. Анализ функциональных и точностных требований, которыепредъявляются к СУДН. На данном этапе определяются требованияпо точности, скорости разворотов, по режимам ориентации, которыеобеспечатрешениецелевойзадачиКАиобеспечатегофункционирование на всех этапах полёта. Как правило, основныетребования диктуются со стороны оптической полезной нагрузки.Однако в ряде случаев требования могут формироваться и состоронывспомогательныхприборов,такихкакбортовойрадиокомплекс передачи целевой информации, с входящей в егосостав антенны с узкой диаграммой направленности.2.

Анализ условий функционирования КА на целевой орбите и выборприборного состава СУДН. При исследовании этих вопросовисследуется орбита функционирования КА ДЗЗ, которая для малыхаппаратов, как правило, определяется со стороны основногоаппарата, совместно с которым осуществляется выведение нацелевую орбиту. Проводится анализ внешних возмущающих сил имоментов, действующих на КА, проводится выбор приборного13состава и оцениваются ограничения на его функционирование.

Ктаким ограничениям относится засветка оптических приборовСолнцем и попадание Земли в их поле зрения.3. Определениелогикифункционированиясистемыуправлениядвижением и навигации, а также разработку бортовых алгоритмовСУДН для решения задачи ориентации и стабилизации на всехучастках полёта.

Под логикой функционирования понимаетсяпоследовательностьопераций(фактическипоследовательностьприменения алгоритмов, задание входных и выходных параметров)для выполнения целевой задачи КА на том или ином этапефункционирования.4. Разработкаиреализациявсоставебортовогоцифровоговычислительного комплекса (БЦВМ) определённого в п. 3 набораалгоритмов.5. Подтверждение точностных и динамических показателей СУДН.Для этих целей применяется математическое моделирование, и егозаключительнымэтапомявляетсясозданиецифровогомоделирующего комплекса, включающего в себя модели приборовСУДН, модель внешней среды функционирования КА, наборауравнений, описывающих вращательное и орбитальное движение.Средствами данного комплекса осуществляется моделированиеработы задачи СУДН непосредственно в составе бортовоговычислительного комплекса.1.1Требования, предъявляемые к СУДН малого КА ДЗЗПри проектировании СУДН малых КА ДЗЗ прежде всего требуетсяисследовать ограничения.

Эти ограничения являются как техническими, таки экономическими. В данной работе рассматривается СУДН КА саппаратурой кадровой съёмки, работа которой отличается от сканирующейаппаратуры с ПЗС- или TDI-линейкой. К техническим ограничениям также14относятся: неизбежная плотность компоновки малого КА, которая может непозволятьразмещениежелаемогонабораприборов;необходимостьразмещения аппарата внутри транспортно-пускового контейнера, чтоисключает возможность установки приборов на внешней стороне КА.Экономическим фактором является необходимость создания дешёвогоаппарата.