автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методика автоматизированного планирования полёта автоматических космических аппаратов

005010424

На правах рукописи УДК 629.78

Жигастова Ольга Константиновна

МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЁТА АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (Авиационная и ракетно-космическая техника)»

9 0ЕЗ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА

2011

005010424

Работа выполнена на кафедре 604 «Системный анализ и управление» Московского авиационного института (национального исследовательского университета, МАИ).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Почукаев Владимир Николаевич

доктор технических наук, доцент Любинский Валерий Евгеньевич

кандидат технических наук Сердюков Александр Иванович

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электромеханики» (ОАО «НИИЭМ»)

Защита состоится «28» февраля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.12 в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете, МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета, МАИ).

Автореферат разослан «25» января 2012 г.

Отзывы, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, МАИ, Учёный совет МАИ.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.125.12, кандидат технических наук, доцент

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Система управления полётами космических аппаратов (КА) относится к разряду сложных систем и включает значительное количество элементов различного вида и функционального назначения с большим многообразием типов выполняемых ими работ. Объектом управления данной системы является космическая система (КС), которая состоит из КА, сети наземных станций слежения, системы приёма и передачи данных и Центра управления полётами (ЦУП), который представляет собой сложную «человеко-машинную» систему, обеспечивающую выработку программы функционирования для всей КС.

Составление такой программы относится к одной из наиболее сложных процедур, выполняемых в ЦУП. При её реализации необходимо учитывать множество исходных данных, большое количество факторов и различных полётных ситуаций, которые отражаются в плане полёта. Обеспечение выполнения данной процедуры сопровождается требованием максимальной надёжности, поскольку ошибки в составлении плана могут привести к негативным последствиям.

В связи со сложностью и неординарностью процедуры планирования полёта, необходимостью учёта различных факторов, не всегда формализуемых, в работе по составлению плана полёта присутствует значительная доля «ручного» труда. Необходимо существенно повысить производительность и надёжность всех видов работ по управлению КА, снизить величину эксплуатационных расходов при обеспечении функционирования космической техники. Кроме того, ставиться задача построения ЦУП, позволяющего решать задачи одновременного управления большим количеством автоматических КА. Поэтому задача автоматизации процедуры планирования полёта является актуальной.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методики автоматизированного планирования полёта автоматических околоземных КА. Её созданию предшествовала разработка автоматизированных систем планирования для 5 автоматических КА, выполненных автором в период 2002 - 2011 гг.

В диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматривается космическая система. Поскольку базовым элементом КС является КА, основное внимание в диссертации уделяется планированию выполняемых им операций, а также операциям, выполняемым при взаимодействии КА с наземным автоматизированным комплексом управления (НАКУ).

Планирование полёта автоматических КА и работы взаимодействующих с ними элементов НАКУ является предметом исследования настоящей диссертационной работы.

Анализ публикаций на данную тему, среди которых следует указать фундаментальные работы В.Е.Любинского и В.Г.Кравца, позволили определить основные особенности построения данной методики, а также пути исследований, направленных на определение общих принципов и методов решения этой задачи. Также необходимо отметить и результаты работ, выполненных авторами: Г.П.Аншаковым, К.А.Боярчуком, С.Н.Волковым, В.В.Даниловым, В.В.Дарнопыхом, В.К.Журавлёвым, Ю.Д.Котовым, В.И.Лобачёвым, Л.Н.Лысенко, Л.А.Макриденко, В.В.Малышевым, Д.В.Моисеевым, В.Н.Почукаевым, Р.С.Салиховым, НЛ.Соколовым, А.В.Соллогубом и В.А.Соловьёвым. В работах этих авторов излагались теоретические основы и методы проектирования КА, исследовались проблемы планирования баллистико-навигационнош обеспечения полёта, планирования работы целевой аппаратуры и служебных систем, а также рассматривались вопросы общей организации работы ЦУП, оптимизации его функционирования.

Вместе с тем остаётся ещё ряд задач, связанных с автоматизацией процедуры построения плана полёта для автоматических КА. Рассмотрению этих вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является повышение оперативности и надёжности выполнения операций планирования при управлении полётом автоматических КА, снижение стоимости их выполнения, повышение производительности труда специалистов, участвующих в управлении полётом.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

1) исследование основных принципиальных положений, используемых при автоматизированном построении плана полёта;

2) разработка механизма автоматизированного построения программы полёта;

3) разработка средств проверки правильности формирования плана полёта, составленного автоматизированным способом;

4) разработка имитационной модели бортового комплекса управления (БКУ);

-3 -

5) практическая реализация программного комплекса планирования полёта в ЦУП.

Методы исследования. В диссертации используются методы системного анализа, теории множеств, теории графов, имитационного моделирования и натурные эксперименты с реальным КА.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика автоматизированного планирования программы полёта автоматических КА с системой автоматизированной проверки.

2. Расширенный состав командных конструкций, используемых для построения плана полёта.

3. Имитационная модель бортового комплекса управления КА.

4. Программный комплекс автоматизированного планирования полёта, обеспечивающий составление плана полёта и его проверку.

Научная новизна. В работе получены результаты, обладающие новизной и научно“ значимостью:

1. Формулировка задачи создания автоматизированного программного комплекса планирования полёта автоматических КА, а также требования по его разработке.

2. Методика автоматизированного составления плана полёта для автоматических КА, использующая наличие причинно-следственных отношений между командами и командными конструкциями.

3. Методика автоматизированной проверки правильности составленного плана полёта

4. Расширенный состав командных конструкций, позволяющих упростить процедуру составления плана полёта.

5. Имитационная модель бортового комплекса управления, удовлетворяющая условию адекватности реальному БКУ КА и функционирующая в режиме проверки правильности составления плана полёта.

Практическая значимость. Результаты, полученные при создании методики автоматизированного планирования полёта автоматических КА, могут найти применение при дальнейших исследованиях в области автоматизации процесса планирования, как для пилотиру емых космических аппаратов, так и для действующих и перспективных автоматических КА. В число этих результатов входят:

1. Повышение эффективности работы службы планирования полёта, уменьшение количества ошибок при составлении плана, увеличение надёжности выполнения процедуры планирования за счёт автоматизации процесса планирования полёта и автоматизированной проверки плана.

2. Эффективное использование возможностей имитационной модели БКУ, обеспечивающей сокращение сроков проверки плана полёта, снижение стоимости данной процедуры, реализацию возможности контроля прохождения операций, предусмотренных планом полёта, на борту КА.

3. Программный комплекс, позволяющий составлять план автоматизированным способом, осуществлять проверку плана также автоматизированным способом, обеспечивать контроль выполнения всех операций, производимых комплексом, со стороны оператора с использованием адаптированных интерфейсов. Данный комплекс позволил повысить оперативность и надёжность решения задач планирования полёта, а также снизить риск провоцирования нештатных ситуаций на КА из-за ошибок операторов.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается использованием методического аппарата для создания автоматизированных комплексов планирования полёта в ЦУП, сравнительного анализа формирования плана полёта «ручным» и автоматизированным способом, сопоставлением результатов расчётов, полученных с помощью имитационной модели БКУ, и ситуационного анализа состояния БКУ КА.

Внедрение результатов. Разработанный комплекс планирования внедрён в практику работы ЦУП, что подтверждается соответствующим актом о внедрении. Комплекс планирования полёта в виде отдельных программных модулей был использован при подготовке к управлению (на комплексных, интеграционных и межведомственных испытаниях) КА «БелКА» и «Бауманец» и при непосредственном управлении КА «Сич-Ш», «Компас-2» и «Коронас-Фотон».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях различного уровня, в том числе: на третьей открытой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из

-4-

космоса» (Москва, ИКИ 2005), на 1-ой международной конференции академий космонавтики и астронавтики «Космос для человека», посвященной 50-летию космической эры (Королёв, ИПК «Машприбор» 2008), на отраслевой конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2008», посвящённой 80-летию со дня рождения О.А.Сулимова (Королёв, ФГУП НПО ИТ, 2008), на научных чтениях, посвящённых памяти Ю.А.Мозжорина (Королёв, ФГУП ЦНИИмаш 2010).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 статьях, в том числе: 3-х статьях [1-3] в журналах, входящих в рекомендованный ВАКом Минобрнауки РФ перечень изданий, тезисах 11 докладов, 6 научно-технических отчётах. На комплекс получено 7 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ [4-10] и одно свидетельство о государственной регистрации базы данных [11].

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 47 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 167 машинописных страницах, включает 30 рисунков и 10 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы работы, даётся её общая характеристика, приводится краткий обзор известных результатов в данной предметной области.

В первой главе даётся постановка задачи разработки методики автоматизированного планирования полёта автоматических космических аппаратов. Рассматривается место и роль процедуры планирования полёта в управлении автоматическими КА.

Базовым элементом любой космической системы, во многом определяющим возможности эксплуатационных характеристик автоматических КА, является его система управления полётом. Эта система состоит из множества подсистем, каждая из которых является необходимой составной частью всей системы управления, выполняющей возложенные на неё операции. Вместе с тем из всего множества операций, связанных с организацией и функционированием системы управления, можно выделить некоторые из них, которые имеют первостепенное значение для построения самой системы управления и определяют её важнейшие характеристики.

Основной круг задач, решаемых беспилотными автоматическими КА, связан с наблюдением объектов различной природы из космоса, изучением космического пространства, физических полей различного типа. Эти задачи целиком зависят от пространственновременного состояния КА, от его движения относительно центра масс, ориентации, а также от положения навесного оборудования, размещаемого на подвижных платформах, относительно корпуса КА.

Из всего множества устройств, установленных на КА, выделим отдельную группу элементов, обеспечивающих изменение его пространственно-временного состояния.

Под пространственно-временным состоянием КА здесь понимается совокупность следующих групп компонент:

- компоненты шестимерного вектора =|| ^цм’^цм II > задающего положение центра масс и скорость его изменения в космическом пространстве;

- компоненты шестимерного вектора у/у0 =|| У/уо’^Руо II > задающего положение КА относительно центра масс и его угловую скорость;

- компоненты вектора рг =11 Д > & >-> Д»Н > задающего угловое положение навесного оборудования относительно корпуса КА, где т - число навесного оборудования КА;

- скалярный параметр 1, задающий значение бортового времени КА.

Тем самым в общем случае вектор пространственно-временного состояния может быть

задан полным вектором о1 размерности (6+6+Зш+1), представленным в следующем виде:

=11 Гим>Ууо>РЪ^ II. или, учитывая особенность работы навесного оборудования, вектор а может быть представлен в следующем виде: а =11 ^ци^уо’1 II или просто

^(0 =1| II •

Используя понятие вектора пространственно-временного состояния КА 5(0, а также особенность формулировки функций цели /¡,(0, определяющих задачи, решаемые косми-

ческими аппаратами, можно определить главную особенность автоматических КА, состоящую в следующем. Функции цели для автоматических КА определены на множестве пространственно-временных состояний векторов â(t). Данное множество образует т-мерное

пространство X для векторов а на фазовом пространстве Ф = X х Т, где Т - множество моментов времени, образующих интервал функционирования КА.

Отмеченное свойство автоматических КА позволяет представить его в новом качестве. Космический аппарат по своей природе является не чем иным, как транспортным средством. Его назначение состоит в доставке в заданную точку пространства требуемого груза (прибора, устройства, объекта и т.д.), в дальнейшем называемого целевой аппаратурой, в нужное! время и с заданной точностью. В точке доставки с целевой аппаратурой должен быть выполнен ряд определённых действий, направленных на обеспечение её ориентации, активизации, а также задействования необходимых бортовых ресурсов КА для решения поставленных задач. Именно к этому можно свести все основные целевые функции космического аппарата.

Указанные условия определяют ключевые операции (рис. 1), которые должны быть выполнены на КА.

1. Определение плана работы целевой аппаратуры, обеспечивающей решение целен вых задач КА. Этот план позволяет получать на КА требуемую научную информацию за-j данного качества. Задача формирования тако-] го плана, как правило, носит оптимизацион-

ный характер.

2. Определение плана пространственновременных действий, реализация которых обеспечит выполнение пространственно-] временных требований, необходимых для peJ ализации плана работы целевой аппаратуры.

3. Построение плана работы устройств и систем космического аппарата. Реализация]

этого плана обеспечивает выполнение пространственно-временных действий, а значит, и плана работы целевой аппаратуры КА. В соответствии с принятой терминологией данный план называют планом полёта КА. Он состоит из совокупности команд, выдаваемых устрой-j ствам и системам космического аппарата. Их исполнение обеспечит выполнение действий КА пространственно-временного характера, а значит, и плана работы целевой аппаратуры.

4. Реализация плана полёта осуществляется системой управления КА. Она заключается в решении всего множества задач, указанных в перечисленных выше планах, которые в совокупности составляют общую структуру плана полёта КА.

На рис. 2 представлена, в общем виде, схема управления автоматическим КА, функционирование которого определяется планом полёта.

В этой главе также рассмотрены этапы планирования программы полёта автоматических КА, различные способы составления плана полёта, особенности процедуры составления плана..

Процедура составления плана полёта состоит из нескольких частей.

Каждая часть формирования плана полёта реализуется за определённый временной интервал до момента передачи плана на борт КА.

Такое планирование реализовано с целью последовательного приближения к получению окончательного вида плана полёта, которое вызвано необходимостью уточнения состава целевых

Рис. 2. Схема управления КА дистанционного зондирования Земли

План работы целевой аппаратуры

План пространственно-временной деятельности

План полёта КА

Долгосрочный г ' Суточный Сеансный

1 план полёта план полета план V J

Рис. 1. Ключевые операции процедуры планирования полёта

задач, выполняемых в плане полёта, а также техническим состоянием систем КА на текущий момент времени. Каждой части процедуры составления плана, в соответствии с её функциональным назначением, даётся своё название:

1) долгосрочное планирование полёта;

2) суточное планирование полёта;

3) сеансное планирование полёта.

Сформулируем задачу разработки методики автоматизированного построения плана полёта КА в следующей постановке. Исходными данными для неё являются:

- структура системы управления КА;

- план работы целевой аппаратуры КА;

- план пространственно-временной деятельности КА;

- техническое состояние всех элементов космической системы, участвующих в выполнении плана полёта КА;

- модели функционирования элементов КС.

Требуется разработать методику планирования полёта, позволяющую построить такую систему планирования на технических средствах ЦУП, которая обеспечит составление плана полёта автоматизированным способом и будет удовлетворять следующим требованиям:

- решит задачу формирования плана полёта на всех этапах планирования;

- обеспечит заданный уровень качества подготовки плана под контролем специалистов;

- обеспечит наглядность отображаемой информации в процессе составления плана полёта; и

- обеспечит взаимодействие специалистов группы управления с автоматизированной

системой планирования полёта; _

- обеспечит требуемый уровень надёжности функционирования автоматизированной системы;

- обеспечит автоматизированную проверку правильности составленного плана.

Во второй главе рассматривается методика автоматизированного планирования полёта автоматических КА.

Методика автоматизированного планирования полёта автоматических КА предполагает разделение процедуры планирования на три этапа.

1. Подготовительный этап составления плана полёта. На этом этапе проводится анализ функционирования элементов КС, выделение часто повторяемых операций, выполняемых в процессе управления, и составление из этих операций типовых фрагментов плана полёта. Также выполняется модификация плана работы целевой аппаратуры и плана пространственно-временной деятельности.

2. Этап автоматизированного построения плана полёта с использованием типовых фрагментов плана.

3. Этап автоматизированной проверки плана полёта, правильности его передачи на КА и правильности его отработки элементами космического аппарата.

Подготовительный этап методики составления плана полёта автоматизированным способом включает решение задачи модификации планов работы целевой аппаратуры и пространственно-временной деятельности КА. Суть модификации планов состоит в перераспределении операций, входящих в эти планы, при котором все пространственно-временные действия, входящие в первый план, переносятся во второй план. В результате перераспределения план пространственно-временных действий превращается в интегральный план, содержащий все виды пространственно-временных действий КА. В первом плане остаются режимы работы целевой аппаратуры и времена их реализации. В дальнейшем будем предполагать, что первый и второй планы модифицированы.

Следующий вид работ, выполняемых на подготовительном этапе, состоит в выделении типовых фрагментов плана. Здесь под типовым фрагментом плана подразумевается некоторая его часть, обладающая определённой устойчивостью. Одна из особенностей составления плана полёта для автоматических КА состоит в том, что в течение периода его активного функционирования, на протяжении всего полёта, можно выделить повторяющиеся фрагменты плана. Структура таких фрагментов может быть различной: от полностью повторяющихся фрагментов, до фрагментов с определённой степенью вариаций. К первому типу фрагментов можно отнести командные конструкции, используемые на КА. Ко второму типу относятся фрагменты, характерные для некоторых видов полётных ситуаций.

-7-

При составлении плана полёта подобные типовые фрагменты можно использовать как единый элемент управления, что значительно упрощает процедуру автоматизированного составления плана. Пример типового фрагмента, составленного для КА «Коронас-Фотон», приведен на рис. 3.

Вкл. сеанса Тн. ЗРВ Сверка БШВ Отчёт БЦВМ Выдача пр.РК КПИ в БЦВМ КПИвКНА ИОКсКНА Отчёт БЦВМ Выдача пр.РК Тк. ЗРВ Откл. сеанса

То Т, Тг Тз Т< Т5 Т6 Т7 Та т9 Т,о т„

ДЬ=240 At,=20 ДЬ=10 ДЬ=10 At4=90 ДЬ=10 Ate=~300 Atï=10 ди=60 ди=зо Atw=60 Atio=3

ПК018 Сверка времени РК113 Съём ИОК-1 РК127 900 Запись КПИ РК118 Запись КПИ ПК118 Съем ИОК-2 Съём ИОК-1 РК127 Откл. АВР ПК023 ПК019

РК125

Рис. 3. Типовая циклограмма сеанса связи КА «Коронас-Фотон»

На втором этапе рассматривается методика автоматизированного составления плана полёта. Эта методика использует два принципиальных положения, определяющие механизм составления плана:

- наличие причинно-следственных отношений между командами, из которых форми-

руются фрагменты плана полёта, а также между различными типовыми фрагментами, входящими в сам план; .

- наличие алгоритмов, определяющих моменты выполнения команд, из которых составлен план полёта.

Процедура составления плана полёта автоматизированным способом основана на использовании множества типовых фрагментов плана, на наличии пространственно-временных отношений между командами и между фрагментами плана и на алгоритмах расчёта моментов времени начала исполнения данных фрагментов. Она включает следующие этапы:

1. Формирование целевых фрагментов, в процессе реализации которых используются исходные данные, полученные из модифицированного плана пространственно-временной деятельности и модифицированного плана работы целевой аппаратуры. Здесь под целевым фрагментом подразумевается последовательность команд, в которой последняя команда зависит от одного из видов пространственно-временной деятельности КА, взятой из модифицированного плана пространственно-временных действий.

2. Построение общего плана полёта при помощи процедуры «сложения» целевых фрагментов. Необходимо отметить, что план полёта, полученный на этом этапе, составляется из отдельных целевых фрагментов и команд управления.

3. Разделение сформированного плана полёта на четыре составляющие, отличающиеся друг от друга местом и моментами времени их непосредственной реализации. В соответствии с этой процедурой план делится на следующие составляющие:

- часть плана, реализуемая КА в режиме автономного полёта;

- часть плана, реализуемая непосредственно на борту КА в интервалах зон видимости наземных станций слежения при его информационном взаимодействии с ними;

- часть плана, реализуемая на наземных станциях при их взаимодействии с КА, не идущая на борт КА;

- часть плана, реализуемая на станциях слежения вне зоны видимости КА, используемая при подготовке технических средств станции к проведению сеанса связи.

4. Изменение формы представления первых двух составляющих плана, в которой они будут переданы на борт КА. Эта форма представления плана обладает свойством, при помощи которого можно проконтролировать наличие возможных ошибок при передаче плана на борт КА по радиоканалу, используя автоматизированные средства проверки плана. Необходимо отметить, что третья и четвёртая составляющие плана полёта предназначены только для наземных станций. Это значит, что на КА они не передаются и, соответственно, не подвергаются контролю.

Третий этап методики - проверка плана полёта - предполагает использование разработанной в диссертационной работе имитационной модели бортового комплекса управления.

Материалы 3-го этапа приведены в третьей главе настоящей диссертационной работы. На этом этапе автоматизированным способом, использующим возможности имитационной модели, производится выполнение следующих операций по проверке плана:

1. Проверка правильности передачи на борт КА первой и второй составляющей плана. При этом принципиальное значение имеет форма представления данных, составляющих план, используемая для передачи.

2. Выполнение процедуры преобразования плана полёта к форме, в которой он представляется в виде простых команд управления.

3. Выполнение контроля прохождения плана в БКУ при его реализации.

4. Формирование информации оперативного контроля.

5. Сравнение полученной информации с совокупностью исходных данных, взятых из модифицированного плана пространственно-временной деятельности, и определение с его помощью правильности составления плана полёта.

Рассмотрим более подробно методику автоматизированного планирования полёта автоматических КА, раскроем механизм составления плана полёта.

Космическая система, включающая космический аппарат, станции слежения и Центр управления полётом, обеспечивающий управление КА, представляет собой совокупность элементов, согласованное функционирование которых позволяет достигать пространственно-временных целей, поставленных перед КА.

В данной постановке план полёта представляет собой специальным образом организованную последовательность команд, каждая из которых предназначена для определения режима функционирования элемента КС в определённом временном интервале.

В первый этап составления плана полёта входит формирование типовых фрагментов плана. На этом этапе рассмотрен принцип построения таких фрагментов плана.

Структурными элементами плана полёта являются простые (элементарные) компоненты плана - команды, определяющие функционирование КС. Их можно разделить на четыре типа:

- команды, обеспечивающие активацию (включение) элемента, после которой он становится готовым к выполнению своего функционального назначения;

- команды, определяющие режим работы элемента, в результате задания которого элемент выполнит своё целевое назначение;

- команды, обеспечивающие перевод элемента в режим тестирования с целью осуществления проверки его функционирования и выявления нештатной работы элемента;

- команды, обеспечивающие выключение элемента по завершении его работы.

Последовательность, составленную из совокупности перечисленных команд, можно

рассматривать как сложную единую команду. Её будем называть простой командной конструкцией, или командной конструкцией первого уровня. Из простых командных конструкций можно конструировать более сложные - командные конструкции второго уровня, где вместо команд в последовательности используются командные конструкции первого уровня. Аналогичным образом создаются командные конструкции третьего, четвёртого и других уровней, если в них есть необходимость. Количество таких уровней зависит от сложности автоматических КА.

Анализ процедуры планирования полёта для 18 автоматических КА показал, что для построения плана полёта можно ограничиться командными конструкциями пяти уровней:

1) отдельные команды управления;

2) макрокоманды (многоадресные команды);

3) циклограммы;

4) простые и групповые операции управления, выполняемые на КА;

5) режимные операции, выполняемые НАКУ совместно с КА во время проведения сеансов связи.

На втором этапе осуществляется непосредственно составление плана полёта автоматизированным способом.

Ключевым принципом автоматизированного составления плана полёта является использование причинно-следственных отношений на множестве команд и командных конструкций, а также определение моментов времени исполнения команд, входящих в план полёта.

ЩКШ

а) граф отношений между командой К/ и множеством команд М{К^)}

К:

К„

6) граф отношений между двумя соседними командами К/ и К......К„.1 и К„

Рис. 4. Графы отношений между командами

с которыми зависимыи элемент имеет причинноследственную связь. Элементы, размещаемые в третьем столбце, будем называть определяющими интегральными элементами.

Причинно-следственные отношения существуют между одним зависимым элементом

*л|(4,,;, ) и множеством определяющих эту зависимость элементов М(Кгр(Л1])/р = 2,3,...,т) =

{Кгг(А1,1гХКгз(\,0’-^Кгт(Акг,1)}- Как правило, число таких команд невелико, а для большинства случаев это число ограничивается единственным элементом. В этом случае мы имеем прямую зависимость одного элемента от другого. Эти отношения в дальнейшем будем называть простыми отношениями.

Таблицы отношений позволяют определить порядок следования команд и командных конструкций, в совокупности образующих последовательность команд, содержащихся в плане полёта. Но для построения плана полёта необходимо также определить интервалы времени между следующими друг за другом командами. При их вычислении используются два вида алгоритмов:

- детерминированные алгоритмы, определённые для заданной последовательности команд;

- алгоритмы, вид которых зависит от свершения некоторых прогнозируемых пространственно-временных событий.

В первом случае интервалы времени между стоящими друг за другом командами рассчитывают-

Причинно-следственные отношения между командами графически можно изобразить в виде графа. На рис. 4 приведён пример таких отношений для некоторой условной совокупности команд (рис. 4 а) и для случая простых отношений между двумя командами (рис. 4 б).

Причинно-следственные отношения интегральных команд можно задать при помощи специальным образом построенных таблиц, называемых в дальнейшем таблицами отношений (табл. 1 и 2). В них отдельно для команд и командных конструкций задаётся число строк таблицы, равное числу элементов, из которых состоит интегральная команда. В первом столбце помещается порядковый номер элемента, определяющего последовательность выполнения команд и командных конструкций. Во втором - размещаются непосредственно команды и командные конструкции, которые в дальнейшем будем называть зависимыми интегральными элементами. В третьем - для каждой строки, соответствующей зависимому интегральному элементу, помещаются интегральные элементы,

Таблица 1 Причинно-следственные отношения между командой и множеством команд

№ Зависимые Определяющие

п/п команды команды

1 *п(^) *12 ММ,)

*,з(4,Л)

2 *2.(Лу) *22 К,./,)

*23 К,.)

3 *з>(4,) *32(4,,,)

*зз(4.А)

п КпМ у) *,2Чл)

Таблица 2

Простые причинно-следственные отношения

№ п/п Зависимые команды Определяющие команды

1 *2(4,л)

2 *з(4,л)

п Ши) *„♦1(4,./,)

ся независимо от пространственно-временного состояния КА. Детерминированный алгоритм расчёта момента выполнения ¡'-ой команды последовательности будет следующим. Момент выдачи /, команды К, определяется по формуле:

,, = £(Д^*+Л0,

у-1

где I - номер команды в последовательности;

Д<-* - продолжительность интервала времени между окончанием функционирования элемента Л,./ и началом функционирования элемента^;

Д//°" - продолжительность функционирования элемента Лг

Во втором случае выбор алгоритмов расчёта временных интервалов зависит от наступления некоторых заранее определённых пространственно-временных событий, вычисляемых при помощи моделей движения КА. Используя перечень этих событий для определения времени выполнения последней команды последовательности и детерминированные алгоритмы для остальных команд, рассчитываются интервалы времени исполнения для каждой команды этой последовательности.

Таким образом, построение плана полёта автоматизированным способом заключается в реализации алгоритма нахождения последовательности команд, использующего заданную совокупность таблиц отношений, и алгоритмов расчёта интервалов времени, определяющих моменты выдачи команд последовательности.

План полёта, состоящий из команд и командных конструкций, организован таким образом, что последовательная его реализация элементами КС приводит к целенаправленному функционированию всей космической системы, результатом которого является выполнение задач, возложенных на КС.

План полёта разделяется на отдельные целевые фрагменты, каждый из которых решает отдельную целевую задачу. Обозначим план как Р~, а целевые фрагменты через Рг. Таким образом, план полёта может быть представлен в виде последовательности целевых фрагментов, а именно:

Р1 = {Рь Рг, />3,..., /и = М{Р, I г = 1, 2, 3,..., т}.

Каждый целевой фрагмент плана может быть представлен в виде последовательности команд и командных конструкций:

р, = {К'М,А). кгм11г), К'Ъ(А,Ф),..., )} •

Индекс 4 / 1с = \, 2, 3, ..., и, принимает значение 1 или 2, в зависимости от того, где выполняется команда К[ (А, Л ) / / = [1 и] - на КА при автономном его полёте или на КА и на наземной станции в интервалах зон видимости при информационном взаимодействии с КА.

Структура каждого целевого фрагмента плана, состав его компонентов и их последовательность в плане удовлетворяют следующему ряду требований:

1. Между всеми компонентами целевого фрагмента плана должны существовать причинно-следственные отношения.

2. Начало и окончание функционирования элемента инициируется командой

К'р(А,л), интервал времени между реализацией двух следующих друг за другом команд

К'р(А1), ) и ) определяется алгоритмами различного типа, зависящими от вида де-

ятельности, определяемой целевым фрагментом Рг.

3. Первая команда К,'(А ) каждого целевого фрагмента Рг должна удовлетворять

требованиям полного обеспечения всеми данными, необходимыми для её функционирования.

4. Последняя команда, закрывающая целевой фрагмент плана К„ (А,^), инициирует элемент КС, являющийся заключительным при реализации пространственно-временной цели, достигаемой данным целевым фрагментом. Эта цель состоит в выполнении одного из действий, входящего в пространственно-временной план. Поэтому условно данное действие можно считать виртуальной командой, у которой с последней командой существует причинно-следственное отношение.

5. Порядок следования целевых фрагментов в последовательности {Рь Р2, Р3, ..., Рт) определяется из условия достижения заданных моментов реализации каждого фрагмента, а также условия взаимного обеспечения данными.

План полёта образуется сложением всех целевых фрагментов в единый интегральный план. Алгоритм автоматизированного построения плана полёта приведён на рис. 5.

В окончательном виде план полёта будет представляться множеством последовательностей целевых фрагментов, включающих команды и командные конструкции, заданные пространственновременными соотношениями с действиями, взятыми из модифицированного пространственно-временного плана КА. Пример составленного фрагмента плана полёта в формальном виде изображён на рис. 6.

В третьей главе рассматривается методика автоматизированной проверки правильности формирования плана полёта с использованием имитационной модели бортового комплекса управления (БКУ).

План полёта, составленный автоматизированной системой, перед его передачей на борт КА должен пройти проверку. Причины некачественно составленного плана могут быть различны:

- ошибки в исходных данных;

- ошибки в таблицах отношений;

- ошибки, вносимые оператором при коррекции плана.

Автоматизированному контролю подвергается только часть плана, передаваемая на борт КА. Методика проверки составления плана полёта основана на проверке ряда ключевых параметров, характеризующих как правильность составления плана, корректность передаваемых на КА данных, содержащихся в плане, так и правильность отработки плана полёта бортовым комплексом управления. Проверка плана осуществляется в несколько этапов.

Рис. 5. Алгоритм автоматизированного построения

плана полёта

На первом этапе осуществляется перекодирование плана полёта, в результате чего он представляется в виде совокупности формализованных структур, которые называются фразами командно-программной информации (КПИ). Данные фразы КПИ используются при передаче плана полёта на КА по линиям связи. Каждая такая фраза содержит в себе заголовок, передаваемые данные и контрольную сумму. В заголовке каждой фразы указывается, что за данные в ней находятся и для какого элемента КА она предназначена. Структура данных, помещаемых во фразу, имеет различный вид представления, который зависит от функционального назначения каждой конкретной фразы в отдельности.

На втором этапе осуществляется проверка правильности передачи на КА плана полёта, представленного в виде совокупности фраз. На этом этапе проверяется возможность прохождения и принятия фраз имитационной моделью БКУ так, как если бы их передавали по настоящим линиям связи, где они воспринимались бы реальным БКУ КА.

На третьем этапе осуществляется проверка плана полёта на уровне отдельных фраз, благодаря чему обеспечивается проверка правильности передачи плана.

Проверка правильности составления плана полёта, осуществляемая на четвёртом этапе, выполняется в процессе прохождения плана через макет БКУ или его математический аналог

- имитационную модель. Проверка осуществляется по целевым фрагментам, из которых был сложен план. При этом используется процедура, которая называется операцией «замыка-

Алгоритм автоматизированной проверки плана полёта с использованием БКУ приведён на рис.7.

Поясним, почему благодаря информации оперативного контроля можно проверить правильность составления плана полёта Для этого рассмотрим процедуру прохождения плана через имитационную модель БКУ. В результате этой операции на выходе модели БКУ формируется ИОК, которая должна быть аналогична входной информации, подаваемой на вход имитационной модели. Сравнивая входную информацию, поступающую в БКУ, с информацией, находящейся в ИОК, можно определить правильность составления плана. Если имеет место совпадения, то план составлен правильно. Отсутствие совпадения означает, что в составленном плане имеются ошибки.

В соответствии с тем, что составление плана осуществляется по отдельным частям плана, называемым целевыми «фрагментами», каждый фрагмент соответствует одному из элементов плана пространственно-временной деятельности КА, рассматриваемого как начальное условие для составления соответствующего ему фрагмента плана полёта. Поэтому в целевом фрагменте плана первая команда, с которой начинается составление плана, оказывается последней командой целевого фрагмента. Тем самым по данным командам можно вычислить пространственновременное действие, которое является исходными данными для составления плана полёта. В этом и состоит суть методики проверки правильности составления плана по методу «замыкания». При прохождении плана через макет БКУ или адекватный ему математический аналог определяется последняя команда целевого фрагмента, которая при составлении плана была первой командой, зависящей от соответствующего пространственно-временного дей-13-

ния».

1. Приём плана полёта в закодированном виде по фразам.

2. Проверка фраз КПИ: - проверка заголовка фразы; - проверка контрольной суммы фразы.

3. Проверка структуры фразы КПИ и содержащихся в ней передаваемых данных.

4. Декодирование плана полёта из фраз и представление его в первоначальном виде.

5. «Развёртывание» плана полёта до уровня отдельных команд.

6. Имитация исполнения команд плана полёта БКУ.

7. Сбор данных из структур имитационной модели БКУ и формирование информации оперативного контроля (ИОК).

8. Сравнение полученных данных ИОК, включающих времена исполнения последовательностей команд, с данными, содержащимися в поостоанственно-воеменном плане.

Рис. 7. Алгоритм автоматизированной проверки плана полёта с использованием БКУ

ствия. Тем самым исходные данные, по которым составляется указанный целевой фрагмент плана, будут получены на выходе модели БКУ. Если данное условие выполняется для всех целевых фрагментов плана полёта, можно говорить о том, что план составлен правильно.

Из сказанного становится ясна та функция, которая возлагается на макет БКУ или на его математический аналог при выполнении операции проверки плана полёта. Для осуществления зггой процедуры автоматизированным способом необходимо иметь имитационную модель БКУ, удовлетворяющую следующим требованиям:

1. Имитационная модель БКУ должна представлять собой информационновычислительную систему, которая способна принимать и обрабатывать план полёта, составленный автоматизированной системой планирования.

2. Функции, выполняемые имитационной моделью БКУ, должны быть подобны функциям, реализуемым БКУ космического аппарата.

3. Алгоритмы функционирования структурных элементов, входящих в имитационную модель БКУ, должны быть аналогичны алгоритмам, реализуемым в БКУ КА.

4. Имитационная модель БКУ должна осуществлять сверку контрольных сумм и выполнять другие виды проверок, в частности, формировать информацию оперативного контроля, аналогичную той, которая получается в результате работы БКУ КА.

5. Имитационная модель БКУ должна обеспечивать проверку как штатного, так и нештатного варианта плана полёта.

Из этого следует, что облик имитационной модели БКУ зависит от следующих условий:

- состава задач, решаемых БКУ при обеспечении выполнения целевой программы КА;

- наличия моделей пространственно-временных процессов;

- специфических особенностей командных конструкций;

- структур и типов обмениваемых данных, передаваемых на КА в составе команднопрограммной информации.

В работе представлена имитационная модель БКУ, созданная автором для КА типа «Метеор-ЗМ» и «Коронас-Фотон» (ОАО «НИИЭМ»), которая прошла апробацию в ЦУП.

Имитационная модель БКУ для рассматриваемых КА позволяет моделировать реализацию составленного плана полёта космического аппарата на этапах подготовки плана, а также при его непосредственной реализации БКУ КА в режиме автономного полёта. Данная модель представляет собой информационно-вычислительную систему, состоящую из 14 блоков, представленных на рис. 8.

- Передаваемые данные

- Угаавляюшие данные

Рис. 8. Структурно-функциональная схема работы имитационной модели БКУ

- 14-

Функции, выполняемые блоками имитационной модели, объединены в три интегральных блока:

- интегральный блок I, составляет ядро модели БКУ, в которое включены следующие функции: управление вычислительным процессом, расчёт редуцированных параметров орбиты по модели движения центра масс, принятой в БКУ для данного класса КА, вычисление отношений командных конструкций редуцированного плана полёта и разворачивание его в совокупность команд, а также исполнение команд управления БКУ;

- интегральный блок 2, осуществляет проверку плана полёта по фразам КПИ; он выполняет функции, связанные с передачей, обработкой и декодированием фраз, содержащих план полёта, формирует и передаёт информацию об ошибках, содержащихся во фразах;

- интегральный блок 3, реализует процедуру формирования ИОК и выполняет функции по сравнению данных с исходным планом, полученных в результате прохождения плана полёта через модель БКУ.

В каждом блоке реализуются алгоритмы, аналогичные тем, которые приняты в БКУ указанных выше КА, что обеспечивает адекватность работы описываемой имитационной модели, решающей задачу проверки плана полёта для реального БКУ, установленного на КА.

Проверка адекватности работы модели БКУ осуществлялась путём непосредственного сравнения данных, получаемых с КА «Коронас-Фотон» во время его полёта, с данными, формируемыми имитационной моделью (рис. 9). Сравнение имитационной модели БКУ с реальным БКУ КА производилось по данным ИОК, получаемым с КА «Коронас-Фотон» во время проведения сеансов связи на протяжении всего активного периода существования КА. Эти данные полностью подтвердили правильность работы имитационной модели БКУ.

Объект: КОРОНАС-ФОТОН №31

Закладка: Виток = 2197

Очередь ПК и КС

Фраза №5

ПК 2308 Т сут.: 542 час.:

ПК 2316 Т сут.: 542 час.:

ПК 2306 Т сут.: 542 час.:

ПК 2314 Т сут.: 542 час-

ПК 2304 Т сут.: 542 час.:

ПК 2312 Т сут.: 542 час.:

ПК 2311 Т сут.: 542 час.:

ПК 2319 Т сут.: 542 час.:

ПК 2307 Т сут.: 542 час.:

ПК 2315 Г сут.: 542 час.:

Фраза №6

КС 8386 Т сут.: 542 час.:

КС 8386 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

КС 6387 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

КС 8387 Т сут.: 542 час.:

РС9-861Аэрег 25.06.09 12:45:15 по БШВ очередного витка

мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05 мин.: 05

мин.: 06 мин.: 06 мин.: 06

> мин.: 06 мин.: 06

> мин.: 06 мин.: 06

> мин.: 06 мин.: 06

> мин.: 06

сек.: 00 сек.: 02 сек.: 04 сек.: 06 сек.: 16 сек.: 18 сек.: 21 сек.: 24 сек.: 27 сек.: 30

сек.: 00 сек.: 03 сек.: 13 сек.: 18 сек.: 23 сек.: 28 сек.: 33 сек.: 38 сек.: 43 сек.: 48

Объект: Коронас-Фотон 031 Виток: 2197 КИП: 33 Количество фраз: 6 Тнач. сеанса: 25.06.2009 15:54:01 Ткон. сеанса: 25.06.2009 15:57.50

Информация оперативного контроля (ИОК21 Фраза №«5: Очередь разовых ПК и разовых командных сообщений ; Список программных команд или КС с признаком времени

№ и шифр ПК; КС Сутки Час Мин Сех

ПК-2308 (ВПР1СЗ) 542 18 5 0

ПК-2316 (ВПР1С5) 542 -18 5 2

•ПК-2306 (ОИПСЗ) 542 18 5 4

ПК-2314 (ОИПС5) 542 18 5 ' .6

ПК-2304 (ВОПСЗ) 542 18 5 16

ПК-2312 (ВОПС5) 542 18 5 18

ПК-2311 (ВПОСЗ) 542 18 5 .21

ПК-2319 (ВПОС5) :542 18 5 24

і ПК-2307 (ТСТСЗ) 542 18 5 27 ' " "

ПК-2315 (ТСТС5) :542 18 5 30

Фраза №=6: Очередь разовых ПК и разовых командных сообщений

і Список программных команд или КС с признаком времени

№ и шифр ПК; КС .Сутки Час Мин Сек

■8386 .542 18 6 0

8386 .542 18 6 3

8387 .542 18 6 13

.8387 542 18 6 18

8387 .542 18 6 23

8387 542 18 6 28

8387 542 18 6 33

8387 542 18 6 38

.8387 /542 18 6 43

8387 542 18 6 48

Рис. 9. Фраза «Очередь разовых ПК и разовых КС», полученная из модели БКУ и БКУ КА «Коронас-Фотон» на виток 2197 В четвёртой главе рассматриваются вопросы реализации системы планирования полёта для беспилотных автоматических космических аппаратов научного и социальноэкономического назначения. Даётся описание структуры комплекса, состава программных модулей, состава функциональных задач, выполняемых каждым модулем при обеспечении решения задачи планирования полёта автоматических КА.

Система автоматизированного планирования программы полёта представляет собой программно-математический комплекс (рис. 10), построенный на технических средствах ЦУП. Он состоит из аппаратно-программных средств, включающих: кластер серверов баз

данных, рабочие места специалистов группы управления, общесистемное и специальное программно-математическое обеспечение.

Программно-математический комплекс планирования полёта автоматических КА решает следующие задачи:

1. Автоматизированное составление плана полёта.

2. Автоматизированная проверка плана полёта.

3. Преобразование плана к различным видам, в которых он представляется на каждом этапе планирования.

4. Обеспечение адаптивного интерфейса при работе с оператором.

Создание автоматизированного программного комплекса планирования требует также реализации функций по взаимодействию с ним оператора. Эти функции реализуются с помощью пользовательских графических интерфейсов, позволяющих оператору в интерактивном режиме легко находить и вводить нужную информацию, а также осуществлять её коррекцию.

Комплекс отображения полётной информации на коллективных средствах

ПМО информационного обмена

база данных сектора управления

Баллистическая информация, программы-заявки для формирования программы полёта, сформированные массивы КПИ, расчётные значения параметров, определяющих состояние КА, формы, послесеансная информация, в том числе ИОК и экспресс отчёты, технологические данные (разовые и программные команды управления, типовые операции и доЛ. настроечная информация

Комплекс навигационно-баллистического обеспечения полёта КА

Шлюзовой файлообменный сервер

Комплекс внешних информационных обменов

Формы информационного обмена, файлы ответных квитанций, неформализованная информация

Комплекс

планирования

гтт

Организации, участвующие в процессе управления КА

Имитационная модель БКУ КА

Модуль 4 по формированию массивов ИОК

I

—I—

ПМО обмена командно-программной информацией

ПМО формирования информационных массивов

Модуль 1 по расчёту координатновременного состояния КА

Модуль 2 по расчёту работы координатно-временных программ автоматического управления

Блок по формированию ОПП

I Блок по формиро- 1 Блок по формиро- 1 Блок по формиро-

| ванию ПХ ванию СПП | ванию ПСС

7~Т

Комплекс команднопрограммного управления КА

Персонал группы управления

Выходные документы: долгосрочный и суточный баллистические прогнозы, расписания сеансов управления, списки команд управления, выдаваемых БКУ КА на витке, общие и суточные планы

Рис. 10. Программно-математический комплекс планирования полёта автоматических КА Решение указанных задач осуществляется при помощи специального программноматематического обеспечения комплекса. Оно подразделяется наследующие программы. Первая часть комплекса - составление плана полёта:

- ПМО формирования общего плана полёта (ОПП);

- ПМО формирования суточного плана полёта (СПП).

Вторая часть комплекса - комплекс программ по проверке плана полёта, имитационная модель БКУ БКУ:

- модуль 1 - расчёт редуцированной баллистической информации, вычисление параметров орбиты КА;

- модуль 2 - вычисление отношений командных конструкций, расчёт работы циклограмм и команд управления;

- модуль 3 - декодирование и проверка принятого плана полёта, обработка массивов фраз командно-программной информации;

- модуль 4 - формирование массивов информации оперативного контроля.

Третья часть комплекса - подготовка исходных данных для работы НАКУ:

- ПМО по формированию цифровых информационных массивов, кодирование фраз командно-программной информации;

- ПМО формирования плана задействования средств НАКУ (ПЗС);

- ПМО формирования плана сеанса связи (ПСС);

- ПМО формирования телеграмм, используемых для передачи данных по телеграфным каналам связи.

Четвёртая часть комплекса - организация информационного обмена, управления и хранения данных;

- ПМО информационного обмена ЦУП с внешними абонентами;

- управляющая программа, обеспечивающая взаимодействие между различными программными модулями;

- ПМО администрирования баз данных;

- база данных планирования.

Первая часть комплекса обеспечивает составление общих и суточных планов полёта, которые отображают пространственно-временное состояние КА, работу бортовой аппаратуры, работу наземных средств управления, командно-программную информацию, передаваемую на КА во время сеанса связи, и другую полётную информацию, содержащуюся в программе полёта. На основании данных, полученных из первой части комплекса, формируются долгосрочный и суточный прогнозы редуцированных параметров орбиты, определяющие пространственно-временное состояние КА, рассчитываются специальные коэффициенты, определяющие параметры светотеневой обстановки орбиты КА, зоны приёма целевой информации и зоны магнитных аномалий Земли.

Во второй части осуществляется проверка плана полёта, отображение процесса управления функционированием устройств и систем, установленных на КА. Поскольку все задачи, выполняемые КА, реализуются через бортовой комплекс управления, в состав комплекса планирования входит модель БКУ. Модель БКУ имитирует работу бортового комплекса управления, отображая выполнение плана полёта, передаваемого на КА в том виде, в котором он реализуется БКУ космического аппарата, а также формирует список команд управления, выдаваемых БКУ по программе полёта.

В третьей части комплекса подготавливаются исходные данные для работы НАКУ, обеспечивающего выполнение задач составленного плана полёта. К исходным данным, обеспечивающим работу НАКУ относятся;

- целеуказания (начальные условия движения КА), передаваемые на наземные станции с целью обеспечения заданной ориентации антенн во время проведения сеанса связи с КА;

- программа полёта, передаваемая КА, представленная в закодированном виде;

- план задействования средств наземного комплекса управления, в котором содержится перечень средств, реализующих действия; по передаче на КА программы полёта, по проведению измерений текущих навигационных параметров, по получению телеметрической информации и информации оперативного контроля, по проведению сверки бортовой шкалы времени;

- программа сеанса связи, в которой содержится перечень команд управления и определённый ряд условий, характеризующих действия, выполняемые при передаче на КА плана полёта и при выполнении других работ, проводимых в сеансе связи.

Четвёртая часть комплекса планирования обеспечивает организацию и управление данными, формируемыми в результате работы первых трёх частей. Для хранения и управления данными используется реляционная база данных. В ней содержатся исходные, технологические и настроечные данные для работы блоков модели БКУ и программно-математического обеспечения планирования полёта, а также другая полётная информация, связанная с управлением КА.

Обмен данными между программами осуществляется при помощи специальных таблиц, хранимых в базе данных, и файлового обмена. Таблицы базы данных используются для передачи исходных данных, предназначенных для работы комплекса: данных, получаемых от внешних организаций, включающих планы работы целевой аппаратуры, данных, связанных со всеми видами пространственно-временных действий, выполняемых КА, а также данных,

связанных с непосредственной работой модели БКУ. Также используется файловый обмен для передачи данных между программами планирования полёта.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В диссертационной работе поставлена и решена задача создания методики автоматизированного планирования полёта для космических систем, состоящих из автоматического КА и наземного автоматизированного комплекса управления.

2. Методика автоматизированного планирования полёта складывается из трёх этапов:

- подготовки типовых целевых фрагментов для построения плана полёта автоматизированным способом;

- автоматизированного составления плана полёта для космической системы;

- автоматизированной проверки правильности составления и передачи плана полёта на КА.

3. В основе методики автоматизированного построения плана полёта лежат следующие положения:

- наличие причинно-следственных связей во множестве всех видов команд, используемых в системе управления полётом космической системы;

- использование таблиц отношений в качестве средства, устанавливающего причинно-следственные связи;

- возможность построения командных конструкций, представляемых в виде интегральных команд, позволяющих упростить процедуру составления плана полёта;

- применение совокупности методов, позволяющих определить величину интервала времени между моментами выполнения команд в различных полётных ситуациях.

4. В основу методики проверки правильности передачи плана на КА и правильности его построения положены две процедуры:

- анализ фрагментов плана полёта, передаваемых на борт КА во фразах, содержащих командно-программную информацию;

- использование свойств информации оперативного контроля для проверки правильности составления плана полёта и этапов его реализации бортовым комплексом управления.

5. Построена имитационная модель БКУ, удовлетворяющая условию адекватности БКУ КА и функционирующая в режиме проверки правильности выполнения плана полёта.

6. Создана автоматизированная система проверки правильности передачи плана полёта на борт КА и правильности формирования плана, базирующаяся на результатах анализа процесса прохождения плана, составленного автоматизированной системой, с помощью имитационной модели.

7. На базе разработанных методик автоматизированного составления плана полёта и автоматизированной его проверки был создан программный комплекс планирования, включающий имитационную модель БКУ. Разработанный программный комплекс удовлетворяет всей совокупности требований, эргономических условий, определяющих взаимодействие с ним оператора, обладает развитой системой отображения процесса планирования полёта и прохождения плана через имитационную модель БКУ на всех этапах функционирования КА.

8. Методика автоматизированного составления плана полёта, а также созданный на её базе программный комплекс были внедрены в ЦУП при управлении полётом следующих автоматических КА; «CÎ4-1M», «БелКА», «Бауманец», «Компас-2», «Коронас-Фотон».

4. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях из рекомендованного ВАК Минобрнаукн России перечня:

1. Жигастова O.K. Применение методов моделирования для автоматизации планирования полёта при управлении космическими аппаратами научного и социально-экономического назначения // Космонавтика и ракетостроение. -2010. -№1(58). - С. 107-110.

2. Жигастова O.K., Почукаев В.Н. Ключевые операции системы управления полётами автоматических околоземных космических аппаратов // Труды МАИ [Электронный ресурс]. -2011. -№49. - Режим доступа: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=28296.

3. Жигастова O.K., Почукаев В.Н. Основные принципы автоматизированного планирования полёта автоматических космических аппаратов // Труды МАИ [Электронный ресурс]. -2011. -№49. - Режим доступа: http;//www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=28206.

Свидетельства о государственной регистрации программ:

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612023, Российская Федерация. Комплекс программ по моделированию состояния бортового комплекса управления КА «Коронас-Фотон / Жигастова O.K.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. -Заявка № 2010610382; заявл. 22.01.2010; регистр. 17.03.2010г.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612077, Российская Федерация. Программа формирования общего плана полета КА «Коронас-Фотон» / Жигастова O.K.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2010610401; заявл. 22.01.2010; регистр. 19.03.2010г.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612027, Российская Федерация. Программа формирования суточного плана полёта КА «Коронас-Фотон» / Жигастова O.K.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2010610387; заявл. 22.01.2010; регистр. 17.03,2010г.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612078, Российская Федерация. Программа формирования плана задействования средств наземного комплекса для управления КА «Коронас-Фотон» / Жигастова O.K.; заяв!гтель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2010610402; заявл. 22.01.2010; регистр. 19.03.2010г.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009616190, Российская Федерация. Программа обмена ЦУП с внешними абонентами / Жигастова O.K., Кондаков А.Ю.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2009615866; заявл. 21.10.2009; регистр. 10.11.2009г.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613743, Российская Федерация. Управляющая программа, обеспечивающая взаимодействие между различными программными модулями / Жигастова O.K., Кондаков А.Ю.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2009615866; заявл. 19.04.2010; регистр. 08.06.2010г.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613744, Российская Федерация. Программа администрироваши баз данных / Жигастова O.K., Кондаков А.Ю.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2010612084; заявл. 19.04.2010; регистр. 08.06.2010г.

11. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2010620286, Российская Федерация. База данных сектора управления КА «Коронас-Фотон» / Жигастова O.K., Кондаков А.Ю.; заявитель и правообладатель ФГУП ЦНИИмаш. - Заявка №2010620055; заявл. 22.01.2010; регистр. 17.05.2010г.

Другие публикации:

12.Жигастова O.K. Разработка базовой структуры специального программного обеспечения планирования операций для управления орбитальной группировкой КА НСЭН [Электронный ресурс] // Сб. тез. третьей всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - М.: ИКИ РАН, 2005. - Режим доступа: http://smis.iki.rssi.ru/theses-cg:/thesis.pl?id=165.

13.Жигастова O.K. Общие методологические принципы и универсальные программноматематические средства управления КА научного и социально-экономического назначения // Сб. тез. 1-й конференции МАА-РАКЦ «Космос для человечества». - Московская обл., Королёв: ИПК «Машприбор», 2008. - С. 120-121.

14. Жигастова O.K. Разработка программно-математического комплекса планирования и моделирования для управления полётом КА «Коронас-Фотон» // Современные наукоёмкие технологии. - 2008, №8. - С. 29-33.

15.Жигастовой O.K. Разработка программно-математического комплекса планирования и моделирования для управления различными КА НСЭН // Тез. докл. отраслевой научнотехнической конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информаци-онно-управляющие и измерительные системы - 2008». - Московская обл., Королёв: НПО ИТ, 2008. С. 21.

16. Жигастова O.K., В.Н. Почукаев Автоматизация планирования полёта при управлении беспилотными автоматическими космическими аппаратами научного и социальноэкономического назначения. // Тез. докл. научных чтений, посвящённых 90-летию со дня рождения Ю.А. Мозжорина. - Московская обл., Королёв: ЦНИИмаш, 2010. - С. 156-158.

Подписано в печать: 24.01.12 Тираж: 100 экз. Заказ № 174 Отпечатано в типографии «Реглет»

119526, г. Москва, ул. Фридриха Энгельса, д. 3/5, стр. 2 (495) 661-60-89; www.reglet.ru

61 12-5/1552

Министерство Образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, МАИ)

На правах рукописи

УДК 629.78

Жигастова Ольга Константиновна

МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЁТА АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (Авиационная и ракетно-космическая техника)»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: докт. техн. наук, профессор Почукаев В.Н.

МОСКВА 2011

Содержание

ВВЕДЕНИЕ__4

1. ЗАДА ЧА АВТОМА ТИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЁТА АВТОМА ТИЧЕСКИХ КА И МЕТОДЫ ЕЁ РЕШЕНИЯ_16

1.1. Место и роль процедуры планирования полёта в управлении

автоматическими КА__16

1.2. Особенность целевых функций автоматических К А_19

1.3. Виды планирования полёта автоматических КА и их взаимодействие между собой ____________22

1.3.1. Ключевые операции системы управления полётом автоматическими КА_22

1.3.2. Планирование работы целевой аппаратуры___ 24

1.3.3. Планирование пространственно-временной деятельности КА_25

1.3.4. Построение плана полёта автоматических КА_27

1.4. Варианты формирования плана полёта, используемые при управлении автоматическими КА____28

1.5. Постановка задачи разработки методики автоматизированного построения плана полёта автоматических КА_______30

1.6. Особенности процедуры составления плана полёта_____ 31

2. МЕТОДИКА АВТОМА ТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЁТА АВТОМАТИЧЕСКИХ КА______36

2.1. Основные особенности методики автоматизированного планирования полёта автоматических КА____36

2.1.1. Подготовительный этап построения плана полёта_36

2.1.2. Второй этап - построение методики автоматизированного составления плана полёта ____________41

2.1.3. Третий этап - построение методики автоматизированной проверки плана полёта, передаваемого на КА____44

2.2. Планирование полёта. Основные понятия и определения_45

2.2.1. Структурные элементы плана полёта__45

2.2.2. Команда и её элементы___46

2.2.3. Командные конструкции__48

2.2.4. Отдельные команды управления_50

2.2.5. Макрокоманды_____ 5 3

2.2.6. Циклограммы___5 4

2.2.7. Операции управления__56

2.2.8. Режимные операции__58

2.2.9. Интегральные команды_61

2.2.10. Типовые фрагменты, характерные для некоторых видов полётных ситуаций_61

2.3. План полёта как организованная последовательность команд и командных конструкций_______ 62

2.3.1. Причинно-следственные отношения между командами и командными конструкциями____62

2.3.2. Определение момента исполнения команд последовательности_63

2.3.3. Организация последовательностей команд плана полёта_64

2.3.4. Начальные команды целевого фрагмента плана_66

2.3.5. Конечные команды целевого фрагмента плана_69

2.3.6. Порядок следования целевых фрагментов в плане полёта__69

2.3.7. Причинно-следственные отношения и таблицы отношений_71

2.4. Методика автоматизированного построения плана полёта_85

2.4.1. Виды планирования полёта автоматических КА и причинно-следственные связи между ними__85

2.4.2. Совокупность таблиц отношений как модель космической системы, на базе которой составляется план полёта автоматических КА_;_86

2.4.3. Принцип построения последовательности команд, соответствующих i-му пространственно-временному действию ___87

2.4.4. Построение плана полёта автоматических КА_88

2.4.5. Этапы реализации плана полёта космической системой_90

2.4.1. Редукция плана полёта__101

2.4.2. Автоматическое и автоматизированное построение плана полёта_104

3. МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ ПЛАНА ПОЛЁТА, СОСТАВЛЕННОГО АВТОМА ТИЗИ-РОВАННОЙ СИСТЕМОЙ. МОДЕЛЬ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ_106

3.1. Третий этап составления плана полёта - методика проверки плана, составленного автоматизированным способом_106

3.2. Имитационная модель БКУ, используемая при проверке правильности составления плана полёта_______112

3.2.1. Основные требования, предъявляемые к имитационной модели БКУ, обеспечивающей проверку плана полёта_112

3.2.2. Постановка задачи построения имитационной модели БКУ. Порядок работы модели БКУ _____113

3.2.3. Структура БКУ, используемая для создания имитационной модели_117

3.2.4. Структура имитационной модели БКУ_118

3.2.5. Описание функционирования имитационной модели БКУ _121

3.2.6. Модули имитационной модели БКУ ______12 5

3.2.7. Сравнение работы имитационной модели с БКУ КА по результатам их совместного функционирования в процессе полёта КА _135

3.3. Процедура добавления новых целевых фрагментов к действующему плану полёта на КА ___138

3.3.1. Постановка задачи вставки новых целевых фрагментов в действующий план полёта _______138

3.3.2. Особенности проверки выполнения операции «сращивания»_140

4. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЁТА АВТОМАТИЧЕСКИХ КА__141

4.1. Требования к составу и структуре программно-математического комплекса планирования полёта_____141

4.1.1. Перечень задач, решаемых комплексом____141

4.1.2. Формулировка требований к составу и структуре комплекса_142

4.1.3. Требования, предъявляемые к интерфейсу пользователя_142

4.2. Построение программно-математического комплекса планирования полёта для автоматических КА __________ 147

4.2.1. Структура комплекса планирования полёта_147

4.2.2. Состав и функциональные связи программ комплекса планирования _150

4.2.3. Вопросы реализации комплекса для КА различного назначения_156

4.3. Назначение программ программно-математического комплекса планирования 158

4.3.1. Обеспечение решения задачи общего планирования полёта КА. ПМО формирования общего и суточного планов полётов_158

4.3.2. Выполнение функции проверки плана полёта. Комплекс ПМО, реализующий модель бортового комплекса управления __159

4.3.3. Подготовка исходных данных для работы наземного автоматизированного комплекса управления _160

4.3.4. Специальные программы, обеспечивающие работу комплекса планирования полёта ____161

4.4. Обеспечение организации, хранения, управления и обмена данными, формируемыми комплексом планирования полёта_162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ _166

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ_168

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ_173

ПРИЛОЖЕНИЕ _180

Введение

Система управления полётами космических аппаратов (КА) относится к разряду сложных систем и включает значительное количество элементов различного вида и функционального назначения с большим многообразием типов выполняемых ими работ. Объектом управления данной системы является космическая система (КС), которая состоит из КА, сети наземных станций слежения, системы приёма и передачи данных и Центра управления полётами (ЦУП).

Центральным звеном системы управления является Центр управления полётами, который представляет собой сложную «человеко-машинную» систему, обеспечивающую выработку и реализацию программы функционирования для всей космической системы. ЦУП является сложной технической и организационной структурой, включающей различные информационно-вычислительные комплексы, обеспечивающие максимальную степень автоматизации его функционирования.

При всём многообразии существующих функциональных элементов, входящих в ЦУП, предполагающих различные виды их деятельности, наличие каждого из которых является необходимым условием нормального функционирования Центра управления, можно выделить ряд особых элементов, называемых службами. Среди них можно выделить четыре основные службы, которые предназначены для выработки программы управления полётом КА и режима функционирования наземных станций слежения. К ним относятся:

1) служба планирования работы целевой аппаратуры;

2) служба планирования пространственно-временной деятельности КА (её также называют службой баллистико-навигационного обеспечения полёта);

3) служба анализа состояния работоспособности аппаратуры КА;

4) служба планирования программы полёта.

_ВВЕДЕНИЕ_ 5

Вторая, третья и четвёртая служба всегда располагаются непосредственно в центре управления полётами. Исключение составляет служба планирования работы целевой аппаратуры. Довольно часто функции этой службы возлагаются на организацию, выполняющую сбор данных на проведение того или иного вида работ, поступающих от пользователей целевой информации. Она и определяет цели и задачи для каждого конкретного автоматического КА. Эта служба планирует работу всей целевой аппаратуры, в результате чего формируется интегральный план работы целевой аппаратуры, поступающий в ЦУП, в частично или полностью готовом варианте. Вторая и третья службы готовят информацию для работы четвёртой службы, осуществляющей планирование работы элементов КА и планирование работы станций слежения. Именно её работа обеспечивает достижение целей, поставленных перед КА. Это даёт основание считать службу планирования полёта центральной службой Центра управления полётами. Кроме этого, на данную службу возлагаются также задачи контроля реализации составленной программы полёта во время её выполнения на космическом аппарате.

Все остальные службы ЦУП, кроме перечисленных, осуществляют подготовку данных для работы указанных четырёх служб и обеспечение необходимых условий для их работы. Таковыми являются служба телеметрического обеспечения полёта, служба командно-программного управления, служба реализации программы полёта с помощью системы наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ), куда входят наземные станции слежения, служба отображения полётной информации на индивидуальных, групповых и коллективных средствах ЦУП, служба обеспечения средств связи и передачи данных и т.д.

Составление плана полёта относится к одной из наиболее сложных процедур, выполняемых в ЦУП. При её реализации необходимо учитывать множество исходных данных, большое количество факторов и различных полётных ситуаций, которые отражаются в плане полёта. Обеспечение

_ВВЕДЕНИЕ_ 6

выполнения данной процедуры сопровождается требованием максимальной надёжности, поскольку ошибки в составлении плана могут привести к негативным последствиям.

В связи со сложностью и неординарностью процедуры планирования полёта, необходимостью учёта различных факторов, не всегда формализуемых, в работе по составлению плана полёта присутствует значительная доля «ручного» труда. Наличие данного фактора, при всей необходимости участия человека в составлении плана полёта, тем не менее имеет и многие отрицательные черты, к которым относятся:

- низкая производительность труда при выполнении работы;

- наличие «человеческого фактора», который возникает во время выполнения рутинных, монотонных операций и приводит к появлению ошибок.

Учитывая наличие тенденций повышения производительности выполнения всех видов работ и надёжности их реализации, а также снижения стоимости и величины эксплуатационных расходов при обеспечении функционирования космической техники, стремления создания ЦУП, позволяющего одновременно решать задачи управления большим количеством КА, актуальной является задача максимальной автоматизации процедуры планирования полёта при сохранении заданного уровня надёжности и управляемости (гибкости) данной процедуры во время её выполнения в штатной и всех видах нештатных ситуаций.

В диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматривается космическая система. Поскольку базовым элементом КС является КА, основное внимание в диссертации уделяется планированию выполняемых им операций, а также операциям, выполняемым при взаимодействии КА с наземным автоматизированным комплексом управления (ПАКУ).

Планирование полёта автоматических КА и взаимодействующих с ними элементов НАКУ является предметом исследования данной диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методики автоматизированного планирования полёта автоматических околоземных космических аппаратов. Определению основных принципов построения методики предшествовало создание автоматизированных программных комплексов планирования для 5 автоматических КА, выполненных автором в период 2002 - 2011 гг., анализ их структуры, особенностей функционирования, принципов участия человека в работе этих комплексов. Приобретённый опыт, а также анализ публикаций на данную тему, среди которых следует указать фундаментальные работы В.Е.Любинского и В.Г.Кравца [3, 4], позволили определить автору основные особенности создания подобной методики, а также пути исследований, направленные на определение основных принципов и методов решения данной задачи.

Работа, опубликованная В.Е.Любинским и В.Г.Кравцом [3], была первой работой на эту тему. В ней изложены методы построения программ полёта сложных космических комплексов, наземных и бортовых средств управления, методы контроля и непосредственного управления полётом КА, моделирования полётных операций. Рассмотрены вопросы организации процесса управления, автоматизации обработки информации и управления космическим полётом. В работе [4] В.Г.Кравца даны особенности управления полётом современных постоянно действующих орбитальных станций, исследовательских модулей, одноразовых кораблей снабжения и многоразовых орбитальных кораблей.

В более поздней работе [12, 13], опубликованной авторами В.А.Соловьёвым, Л.Н.Лысенко, В.Е.Любинским, приведены теоретические аспекты построения систем управления в ЦУП на разных этапах развития, где описывается организационная структура Центра, состав его элементов, задачи, решаемые каждым структурным элементом системы.

_ВВЕДЕНИЕ_ 8

Необходимо также отметить, что в настоящей работе использовались результаты работ по трём первым видам планирования, выполненных авторами: В.В.Малышевым, Д.В.Моисеевым, В.В.Дарнопыхом, В.Н.Почукаевым, В.И.Лобачёвым, Н.Л.Соколовым, В.К.Журавлёвым, Л.А.Макриденко, Ю.Д.Котовым, К.А.Боярчуком, С.Н.Волковым, Р.С.Салиховым,

A.В.Соллогубом, Г.П.Аншаковым и В.В.Даниловым.

В работах В.В.Малышева, Д.В.Моисеева, В.В.Дарнопыха [1, 7] исследовались проблемы планирования работы целевой аппаратуры. В работах

B.Н.Почукаева, В.И.Лобачёва [6, 8] и Н.Л.Соколова, В.К.Журавлёва [9, 10, 14, 15] рассматривались проблемы баллистико-навигационного обеспечения полёта, а также вопросы общей организации работы Центра управления полётами, оптимизации его функционирования.

В работах Л.А.Макриденко, Ю.Д.Котова, К.А.Боярчука, С.Н.Волкова, Р.С.Салихова [5] и А.В.Соллогуба, Г.П.Аншакова, В.В.Данилова [11] излагаются теоретические основы и методы проектирования космических аппаратов, где основное внимание уделено синтезу параметров бортовых систем, конструктивно-компоновочных схем, планированию работы систем КА. А в работе А.Н.Кирилина, Р.Н.Ахметова, А.В.Соллогуба и В.П.Макарова [2] изложена новая концепция обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА дистанционного зондирования Земли на всех этапах их функционирования, в основе которой лежит распределённая система, включающая элементы наземного и орбитального сегментов, с интеллектуальным ядром бортового базирования.

Вместе с тем остаётся ещё ряд задач, связанных с автоматизацией планирования полёта. Рассмотрению этих вопросов посвящена данная диссертационная работа.

В диссертационной работе предложен механизм порождения программы полёта, основанный на введении причинно-следственных отношений между действиями, реализуемыми различными элементами КА. Показано, что

изобразительным средством причинно-следственных отношений являются таблицы отношений между действиями, реализуемыми этими элементами КА. На основе анализа 18 автоматических КА [16 - 47] определены пять видов командных конструкций, на множестве которых устанавливаются причинно-следственные отношения. Исследованы вопросы вычисления временных интервалов между моментами реализации команд управления, для которых установлены причинно-следственные отношения. Введённые таблицы отношений являются основными составляющими, позволяющими автоматизировать процедуру составления программы полёта.

Разработана процедура составления плана полёта для управления всей космической системой и проверки той его части, которая предназначена для передачи на КА. Описана схема реализации плана бортовым комплексом управления (БКУ), разработанная автором и доказывающая необходимость осуществления данной проверки составленного плана на имитационной модели БКУ, что показывает необходимость разработки такой модели для класса автоматических КА, для которых в ЦУП отсутствует экземпляр БКУ, эквивалентный лётному.

Данная имитационная модель БКУ была разработана для определённого класса космических аппаратов типа «Метеор-ЗМ» и «Коронас-Фотон», она использовалась при рассмотрении методики проверки составления программы полёта указанных КА.

На базе методики был создан программный комплекс автоматизированного планирования полёта, в котором воплощены все перечисленные возможности. Цель работы

Повышение оперативности и надёжности выполнения опер�