Диссертация (Метод обеспечения безопасного спуска пилотируемого КА при возникновении нештатной ситуации на любом этапе орбитального полета), страница 15

Этообусловлено тем, что для оценки всех достижимых точек посадки длявыбранного времени включения ДУ необходимо посторенние границмаксимальной зоны маневра. Определение текущих параметров зоныманевра, аппроксимируемой эллипсом (длины большой и малой полуосей,координаты центра и направление большой оси) осуществляется порезультатам двух прогнозов конечных точек траектории спуска (5.3.2).ìr =ïïï&íV =ïïïîγ =V& ;éù2V вxr ¶R+ S y (b cos γ + d ¢ sin γ )ú + 2ωe ´ V + ωe ´ (ωe ´ r ) - μe 3 + ;ρ V в ê- S xêú¶rVвrëûconst.(5.3.2)Для первого прогноза рассчитывается траектория спуска с постояннымзначением угла крена γ=180˚=const (наиболее короткая траектория).Конечная точка наиболее короткой траектории будет принадлежать большойоси эллипса, направление вектора горизонтальной конечной скоростиопределяет направление большой оси.

Для второго прогноза значение модуляугла крена должно выбираться как линейная функция текущей высоты114полёта γ*=f(h)=const, при котором конечная точка траектории принадлежитмалой оси эллипса. Для ускорения расчетов, при решении задачи построениязоны маневра для поиска прицельной широты посадки, угол крена длявторого прогноза траектории спуска можно выбирать ≈ 60°.

По полученнымкоординатамдвухконечныхточекинаправлениюбольшойосиопределяются текущие искомые точки на эллипсе (рис. 5.3.6).Рис. 5.3.6 Результаты работы алгоритма выбора наиболее безопасной точкиприцеливанияПосле определения формы и расположения зоны маневра (U) на высотевхода ВА в атмосферу, необходимо определить координаты прицельнойточки посадки, удовлетворяющие условию (1.4.3). Успешное решение всехпредшествующих задач гарантирует,что искомая прицельная точканаходится внутри максимальной зоны маневра. Для оптимизации по временипроцесса поиска ее координат, в качестве отправной точки используетсяграница зоны маневра с максимальным значением классификатора.

Так кактерминальноеуправлениереализовановдискретноммногошаговом115алгоритме наведения, осуществляющем на каждом шаге управленияпрогнозирование текущих параметров зоны маневра ВА, а при построениизоны маневра использовались некоторые допущения, прицельную точкуследует искать внутри некоторой зоны достижимости, ограниченнойвнешними границами зоны маневра. Задача поиска наиболее безопаснойточки прицеливания внутри зоны маневра математически может бытьинтерпретирована как поиск такого вектора x* который обеспечиваетмаксимизациюнекоторойцелевойдискретнойфункцииP(,k)(определенной в табл.

5.2.1) в ограниченных пределах зоны маневра ВА – U∗где= arg max,∶,∈, (5.3.3), - географические координаты точки посадки, k – минимальнодопустимое значение классификатора безопасности этой точки.При этом нет необходимости искать глобальный минимум функцииP(, k), необходимо лишь найти такое значение, которое удовлетворитзаданному условию (1.4.3).

Исходя из того, что решение задачи (5.3.3)гарантированного находится внутри зоны маневра U, для поиска прицельнойточки был выбран градиентный метод оптимизации, а именно методнаискорейшего спуска. Основная идея метода заключается в том, чтобы идтив направлении антиградиента - Ф целевой функции P(, k). Следующийшаг алгоритма выбирается исходя из соотношения[где⃗] =[ ⃗]−∇Ф[ ⃗], (5.3.4.1)- шаг изменения аргумента. Таким образом, итерационный процессорганизован путем последовательного изменения значений широты идолготы искомой точки с шагом равным изменению классификатора до техпор, пока не будет выполнено условие (1.4.3).

Как видно из рисунка 5.3.6 вкачестве начала работы алгоритма поиска прицельной точки посадки, была116выбрана граница зоны маневра, соответствующая спуску с постояннымуглом скоростного крена γ = 0°. Затем путем последовательного изменениязначений широты и долготы в направлении антиградиента, внутри зоныманевра была выбрана прицельная точка, отвечающая условию функции,для k = 7.После выбора прицельной долготы и широты точки посадкипросчитываютсяпараметрыноминальнойтраекторииспуска,обеспечивающие попадание в выбранный благоприятный район посадки:гдеТвкл, ̇ ( ), (ном );(5.3.4.2)̇ ( ) - функция изменения кажущейся скорости от времени,(ном )–номинальный закон управления углом скоростного крена ВА при движении ватмосфере.Для нахождения параметров номинальной траектории спуска (5.3.4.2)для выбранного на предыдущем шаге времени включения ДУ на торможение(Твкл), решается краевая задача поиска параметров управления угломскоростного крена (направление бокового аэродинамического маневра ивеличину бокового маневра), позволяющая привести ВА в выбранныйблагоприятный район посадки.

В зависимости от выбранных номинальныхпараметров управления, ВА может осуществить посадку справа или слева оттрассы витка на величину до 65 км (рис. 5.3.7), что соответствует параметрамнайденной на предыдущих шагах зоны маневра.117Отклонение от трассы витка, км7060504030201000246810121416Величина бокового маневра, едРис. 5.3.7.

Зависимость отклонения от трассы витка от бокового маневраПараметры номинальной траектории спуска необходимы для работыбортовых алгоритмов наведения (прил. 6.1), которые будут использоватьсяприобеспеченииштатногоспускаперспективногопилотируемогокосмического аппарата. Для выполнения условия приведения ВА вприцельную точку необходимо, чтобы она постоянно находилась внутризоны маневра, размеры которой определяются текущим запасом полноймеханической энергии ВА. Размеры зоны маневра в ходе спуска необратимоуменьшаются вследствие уменьшения высоты, скорости и оставшейсядальности полета ВА [2]. Поэтому основная задача терминального алгоритманаведения обеспечить удержание прицельной точки внутри зоны маневра.Для этого на каждом шаге управления рассчитываются координаты центразоны маневра и командный угол крена, обеспечивающий движение центразоны в направлении прицельной точки посадки. Таким образом, на моментдостижения высоты ввода парашютной системы (5 км), зона маневра ВАдолжна «стянуться» в прицельную точку и тем самым обеспечитьнеобходимую точность проведения спуска.118Исходя из вышеперечисленного, использование алгоритма выбораприцельной точки совместно со штатным алгоритмом терминальногонаведения, позволяют гарантированно обеспечить возможность безопасноговозвращения экипажа на Землю в случае возникновения нештатной ситуациина любом этапе полета в режиме АУС с учетом соблюдений всех фазовыхограничений по перегрузкам и тепловому режиму за минимально возможноевремя.Варианты5.4использованияалгоритмавыборанаиболеебезопасной траектории спуска при оперативном управлении полетом.На сегодняшний день оперативное обеспечение спусков предполагаетналичиеуэкипажабаллистическойкосмическогоинформацииоаппаратавозможныхпостоянновременахобновляемойвключениядвигательной установки для спуска в случае возникновения нештатныхситуаций.

За достоверность этой информации отвечают разработчикибортовых алгоритмов совместно со специалистами оперативного БНОуправления полетом [44, 45]. Современное развитие ракетно-космической ивычислительной техники диктует свои правила модернизации баллистиконавигационного обеспечения (БНО) полета.

Практически все баллистическиерасчеты, необходимые для обеспечения завершения космической экспедициисейчас можно проводить с помощью бортовой ЦВМ. Это позволитсущественно повысить автономность полета, а также снизить объемпередаваемой информации между бортом и Землей.Метод обеспечения безопасного завершения космической экспедициина любом витке полета за минимальное время между возникновениемнештатной ситуации и включением ДУ на торможение предполагает наличиедостаточно объемных по памяти и количеству вычислений компонентов.Поэтому для обеспечения возможности его применения в оперативномконтуре БНО управления полетом, необходима адаптация алгоритма выборанаиболее безопасного варианта спуска к работе на борту перспективного КА.1195.4.1 Возможности работы алгоритма выбора наиболее безопасноговарианта спуска в составе комплекса бортовых алгоритмов обеспеченияспуска ПТК НП.В условиях жестких требований по достоверности баллистическихданных необходимых для осуществления спуска космического аппарата, атакже ограничений по времени выбора варианта спуска в случаевозникновения нештатной ситуации, к алгоритмам оперативногобаллистического обеспечения спуска предъявляются особые требования, аименно:· необходимость дублирования и сверки баллистических расчетов;· быстродействие программно-математических комплексов расчетаспуска;· максимальнаяавтоматизацияпроцессоввводаивыдачиинформации.Для реализации алгоритма выбора наиболее безопасного вариантаспуска на борту космического аппарата, кроме перечисленных вышетребований, необходимо выполнить следующие условия:· максимальноесокращениеобъемазанимаемойпамятикомпонентами алгоритма;· оптимальное использование вычислительных ресурсов;· максимальноеиспользованиесуществующихбортовыхалгоритмов (исключение дублирования программных функций).Алгоритм выбора наиболее безопасного варианта спуска в случаевозникновения нештатных ситуаций основан на использовании градиентныхметодов оптимизациии численном интегрировании дифференциальныхуравнений движения КА на различных этапах спуска.

Для модернизацииалгоритма к условиям оперативного обеспечения спуска необходимо120отдельно рассмотреть каждую составляющую данного алгоритма и привестиее в соответствие с вышеперечисленными требованиями.Основной составляющей алгоритма, влияющей на быстродействие ииспользование вычислительных ресурсов - является расчет зоны маневра научастке терминального наведения, а также выбор ближайшей точкиприцеливания удовлетворяющей требованиям по безопасности районапосадки. Вопросы увеличения быстродействия при расчете характеристикзоны маневра были рассмотрены выше, однако для еще большего ускорениярешения этой задачи, для наземного моделирования реализации алгоритмавыборанаиболеебезопасноговариантаспускабылиспользованмодифицированный алгоритм параллельных вычислений.

В среднем такойподход дает до 30 % выигрыша по быстродействию [24]. Например, в самомхудшем случае работы алгоритма (10 итераций поиска времени включения)время вычислений составляло порядка 4.5 с, а после применения алгоритмапараллельных вычислений - сократилось до 2.5 с. В случае снятия илиувеличения ограничений на количество итераций, эффект от примененияалгоритма параллельных вычислений становиться еще более заметным.Для исключения дублирования кода на борту перспективного КА,алгоритмвыборанаиболеебезопасноговариантаспускавслучаевозникновения нештатных ситуаций должен работать в составе комплексабортовых алгоритмов, т.е. максимально использовать уже реализованныебортовые программы. Например, комплекс алгоритмов терминальногонаведения, помимо прочего, включает в себя:· алгоритм подготовки априорной информации - предназначен длярасчёта характерных параметров зон манёвра ВА, работающийоднократно после решения общей задачи прицеливания и выбораноминальной попадающей траектории спуска (параметры схода сОИСЗ и требуемого бокового манёвра);121· численную модель движения ЦМ ВА, использующуюся дляпрогнозирования конечных точек траектории спуска и определениятекущих параметров зоны манёвра ВА;· модели стандартной атмосферы, средне-сезонных вариацийпараметров атмосферы и модель номинальных аэродинамическиххарактеристик используются в модели движения ЦМ ВА.Все эти алгоритмы, так или иначе, используются при работе алгоритмавыбора наиболее безопасного варианта спуска в случае возникновениянештатных ситуаций, поэтому нет необходимости реализовывать ихповторно.Кроме того, программная реализация электронной картыпредполагает,чтоеслизадатьзначениеминимальнодопустимогоклассификатора района посадки k равным 10, то задача выбора наиболеебезопасной прицельной точки в случае возникновения нештатной ситуациибудет решаться аналогично существующим алгоритмам, реализованным приуправлении современными ТПК типа «Союз ТМА-М».