Автореферат (Синтез алгоритмов управления космическими аппаратами с учетом требований безопасности проведения динамических операций)

На правах рукописиУДК 629.783Старков Александр ВладимировичСИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИАППАРАТАМИ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ БЕЗОПАСНОСТИПРОВЕДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙСпециальность 05.07.09«Динамика, баллистика, управление движениемлетательных аппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учѐной степеникандидата технических наукМОСКВА2012Работа выполнена на кафедре «Системный анализ и управление» Федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегопрофессиональногообразования«Московскийавиационныйинститут(национальный исследовательский университет)» (МАИ).Научный руководитель:Малышев Вениамин Васильевич, доктор техническихнаук, профессор, заведующий кафедрой «Системныйанализ и управление» Московского авиационногоинститута (национального исследовательскогоуниверситета) (МАИ)Официальные оппоненты: Падалко Сергей Николаевич, доктор технических наук,профессор, заместитель заведующего кафедрой«Прикладная информатика» Московского авиационногоинститута (национального исследовательскогоуниверситета) (МАИ)Суханов Константин Георгиевич, кандидат техническихнаук, доцент, ведущий специалист центра 128Федерального государственного унитарногопредприятия научно-производственное объединениеимени С.А.

Лавочкина, (ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», 141400, г. Химки, Московская область,ул. Ленинградская, д. 24).Ведущая организация:Федеральное государственное унитарное предприятие«Центральный научно-исследовательский институтмашиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш, 141070,Московская область, г. Королѐв, ул. Пионерская, дом 4)Защита состоится «13» декабря 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.125.12 в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)» (МАИ) по адресу:125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегопрофессиональногообразования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.4.Автореферат разослан «12» ноября 2012г.Отзывы, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 125993, г. Москва, ГСП3, А-80, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИ.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.125.12, к.т.н., доцент2В.В.

ДарнопыхОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В результате человеческой деятельности количествоуправляемых и неуправляемых космических объектов в околоземном пространстве скаждым годом будет расти, а вероятность столкновения космических объектов другс другом - увеличиваться. Столкновения и разрушения космических аппаратов (КА)приводят к образованию новых крупных фрагментов и осколков.

Поприблизительным оценкам, в околоземном пространстве находится более девятитысяч объектов с размерами более 10 сантиметров, десятки тысяч с размерами 1-10сантиметров и сотни тысяч с размерами менее 1 сантиметра. В последнее время«космический мусор» стал представлять все большую опасность для вновьзапускаемых КА, но приемлемые способы борьбы с ним пока не разработаны.Поэтому потребность в обеспечении безопасного проведения динамическихопераций в околоземном пространстве очевидна. Уменьшение угрозы столкновенияКА с другими космическими объектами представляет собой сложнуюорганизационно-техническую задачу, решению одной из подзадач которойпосвящена данная работа.Учитывая современный уровень засоренности околоземного пространства,следует рассматривать концепции пассивной и активной защиты КА отстолкновений. Активная защита подразумевает выполнение динамических операцийпри выведении КА на орбиту (в том числе с использованием разгонного блока),переориентацию на орбите для использования фрагментов корпуса КА в качествеэкранной защиты, выполнение на орбите маневров уклонения от столкновения,выполнение маневров по захоронению отработавших КА.

Проводимыединамические операции должны быть безопасными. Под безопасностьюдинамической операции КА будем подразумевать выполнение им маневров,которые не ухудшают функциональные возможности надсистемы. В этом смысле«космический мусор» и другие космические объекты могут рассматриваться какдополнительные ограничения в оптимизационной задаче.Основой обеспечения высокого уровня надежности и безопасности припроведении динамических операций является всесторонняя экспериментальнаяотработка изделий в условиях максимально приближенных к реальным условиямфункционирования, применение математического, имитационного и физическогомоделирования, летных демонстраторов и комплексных стендов; сочетаниематематического и физического моделирования с натурными испытаниями;развитие экспериментально-испытательной базы и методов математическогомоделирования для обеспечения требуемого уровня надѐжности и безопасности.Одним из основных направлений развития экспериментальной базы являетсяразработка и внедрение современных средств математического моделирования,учитывающих условия и параметры функционирования этих изделий в полѐте,включая соответствующее математическое обеспечение.Актуальность и новизна работы следует из анализа развитияспециализированного программного обеспечения, как на мировом рынке, так и вовнутрикорпоративном сегменте (продукты Satellite Tool Kit, Bernese Software,«Orbit Determination Toolkit», «Free Flyer» и др.), который выявил тенденцию их3развития по пути универсализации.

Производитель стремится включить в свойпродукт все больше функций и инструментов решения задач. Это неизбежноприводит к значительному усложнению и снижению эффективности их примененияконечным пользователем. Ключевая цель обеспечения функциональной полнотыпрограммных средств остается нереализованной. Разумным шагом на пути кпреодолению этого недостатка является специализация решений на основеконцепции открытой архитектуры, которая предлагает строить ПМК из следующихкомпонент:1) системы ведения данных, основанной на собственной моделипредставления и интерпретации информации, которая обеспечивает исполнениесистемы произвольных запросов к собственной базе данных и механизммежпрограммного взаимодействия;2) единого, стандартизованного языка высокоуровневого описания объектовмоделирования,входнойивыходнойинформации,исполнительноймакропрограммы с поддержкой механизмов межпрограммного взаимодействия;3) комплекса макропрограмм на языке высокого уровня, описывающих работуразличных подсистем КА, алгоритмы функционирования которых подверженычастым модификациям, а также нестандартные, характерные именно для данногоКА, особенности обработки данных, которые нецелесообразно включать в типовуюсистему.Анализ публикаций на данную тему и результаты работ, выполненныхавторами: В.А.

Бартеневым, М.Н. Красильщиковым, А.А. Лебедевым, Л.Н. Лысенко,В.В. Малышевым,В.Н. Почукаевым,М.Ф. Решетневым,Г.М. Чернявским,Р. Шенноном, позволил определить основные особенности построения алгоритмовуправления космическим аппаратом при проведении динамических операций, атакже пути исследований, направленных на определение общих принципов иметодов решения поставленной задачи. В работах этих авторов излагалисьтеоретические основы и методы проектирования КА, исследовались проблемынавигационно-баллистического обеспечения полета, модели движения и принципыуправления КА, работа целевой аппаратуры и служебных систем.

Вместе с темостается еще ряд задач, связанных с созданием унифицированных средствавтоматизации отработки динамических операций КА.Таким образом, вопрос создания алгоритмического и программногообеспечения для отработки безопасного проведения динамических операций КАявляется актуальной и практически важной задачей.Объект исследования. В диссертационной работе в качестве объектаисследования рассматривается космическая система (КС). Поскольку ее базовымэлементом является КА, особое внимание в работе уделяется моделированиювыполняемых им динамических операций.Предметисследования.Алгоритмическиесредствапроведениядинамическихоперацийявляютсяпредметомисследованияданнойдиссертационной работы.Цельюдиссертационнойработыявляетсясовершенствованиеалгоритмического и программного обеспечения за счет синтеза алгоритмовуправления КА с учетом требований безопасности и разработке методики4построения программно-моделирующего комплекса (ПМК) для отработкидинамических операций.Для достижения поставленной цели решаются научно-технические задачи:1.

Исследуются требования, предъявляемые к средствам безопасного проведениядинамических операций КА.2. Разрабатываются математические модели бортовых систем КА и внешнейсреды.3. Разрабатываются математические модели проведения динамических операцийдля КА на высокоэллиптических и круговых орбитах.4.

Определяются принципы построения и технический облик программномоделирующего комплекса.5. С помощью созданного программно-моделирующего комплекса проводитсяматематическое моделирование динамических операций выведения иизменения орбиты КА.Методы исследования. В качестве методологической основы используетсясистемный подход. На нем основывается принцип создания единой базовойподсистемы – типового унифицированного программного средства, методический иалгоритмический аппарат которого позволяет определять движение широкогомножества КА ближнего и среднего космоса, гибко реагируя при этом на изменениепараметров орбит КА, допустимых значений показателей качества и различныхмоделей измерений. Основными методами исследования, используемыми в работе,являются методы динамики полета, теории управления, статистические методыобработки данных, методы оптимального управления и обработки информации.

Припрограммной реализации математического обеспечения используются методыобъектно-ориентированного программирования и мультизадачность операционныхсистем Windows, Linux, системы управления реляционными базами данных, а такжесредства обеспечения доступа в сетях Интернет и Интранет.Научная новизна результатов. В работе получены следующие результаты,обладающие новизной и научной значимостью:1. Сформированы алгоритмы управления КА с учетом требований безопасностипроведения динамических операций2.

Определены математические модели проведения орбитальных коррекций КАпри выполнении динамических операций.3. Сформирована адаптированная к требованиям программно-моделирующегокомплекса (ПМК) математическая модель бортовых систем, внешнихвоздействий и контура управления.4. Определены требования, предъявляемые к программно-математическомуобеспечению для отработки средств проведения динамических операций.Разработана методика создания ПМК для отработки средств проведениядинамических операций на основе концепции открытой архитектуры.Определены состав и структура базы данных, а также интерфейс еевзаимодействия с программно-моделирующим комплексом.Практическая значимость результатов исследования.

Результаты,полученные в диссертационной работе, могут найти дальнейшее применение какдля действующих, так и для перспективных КА и систем, а именно:51. Разработанные методики, алгоритмы и программно-моделирующий комплексмогут быть использованы для алгоритмического и программного обеспечениясистемы отработки и проведения динамических операций КА различныхорбитальных группировок.2.