автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа, контроля и компенсации микроускорений космической микрогравитационной платформы

На правах рукописи

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОГРАММНО - АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АНАЛИЗА, КОНТРОЛЯ И КОМПЕНСАЦИИ МИКРОУСКОРЕНИЙ КОСМИЧЕСКОЙ МИКРОГРАВИТАЦИОННОЙ ПЛАТФОРМЫ

05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 ОПТ 2011

«О&5308

Самара-2011

4855308

Работа выполнена на кафедре летательных аппаратов в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) и в федеральном унитарном предприятии "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» (ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»).

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Аншаков Геннадий Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мостовой Яков Анатольевич

доктор технических наук, профессор Ёлкин Константин Сергеевич

Ведущая организация:

ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" (г. Королёв, Московской обл.)

Защита состоится 28 октября 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.04 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ. Автореферат разослан 21 сентября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Прохоров А. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Общая характеристика работы. В период с 1989 по 2007 годы находилась в эксплуатации серия низкоорбитальных автоматических космических аппаратов (КА) «Бион», «Фотон». На КА этой серии получены новые научные результаты в областях биотехнологических исследований, а также изучения проблем выращивания монокристаллов полупроводников и затвердевания металлических сплавов.

Планирование проведения и обработка результатов научных экспериментов на борту космической микрогравитационной платформы (МГП) требует постоянного анализа бортовой микрогравитационной обстановки. Как показывают результаты эксплуатации КА «Фотон», величина квазистатических микроускорений за время неориентированного орбитального полёта может возрастать от 10'6go до 10^go за счёт «раскрутки» МГП относительно продольной оси под действием внутренних и внешних возмущений (g0= 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения). Для обработки измерений параметров микрогравитационной обстановки, а также в целях снижения микроускорений на борту МГП разрабатывалось и совершенствовалось методическое и программно-математическое обеспечение (ПМО).

Актуальность темы. Увеличение числа научно-практических задач с высокими техническими требованиями к условиям их реализации на борту определяет необходимость улучшения показателей эффективности МГП:

- увеличение времени активного существования;

- повышение мощности бортовой системы энергопитания (СЭП);

- снижение величины остаточной микрогравитации на борту до уровня значений 10"6go и менее в низкочастотной части спектра от 0 до 0,01 Гц;

- повышение массы полезной нагрузки (научной аппаратуры).

В настоящее время для улучшения основных показателей эффективности проводятся опытно-конструкторские работы, связанные с разработкой специализированной низкоорбитальной автоматической МГП с бортовыми средствами, осуществляющими анализ параметров микрогравитационной обстановки, контроль и компенсацию микроускорений в низкочастотной части спектра. Вопросам создания МГП такого типа посвящены работы научно-практической школы Козлова Д. И. (Аншаков Г. П., Соллогуб А. В., Ахметов Р. Н., Стратилатов Н. Р., Фомин Г. Е.).

Известно значительное число работ, в которых рассматриваются проблемы влияния внутриобъектовой среды КА на проведение научных и технологических экспериментов. Это работы Авдуевского В. С., Бармина И. В., Полежаева В. И., Гришина С. Д., Сазонова В. В., Сёмкина Н. Д., Горелова Ю. Н., Аб-рашкина В. И., Воронова К. Е, D. Thierion, A. Verga, Р. Baglioni, Т. Beuselinck, С. Van Bavinchove, D. Ciaessens, D. Schwabe.

Несмотря на имеющиеся положительные результаты, улучшение показателей эффективности КА, а также повышение технических требований к величине низкочастотных возмущений на борту МГП с 10" g0 до 10 g0 определяет актуальность дальнейшего развития методического обеспечения в рамках разработки специальных программно-аппаратных средств, решающих

задачи анализа микрогравитационной обстановки (AMO), контроля и компенсации микроускорений (ККМ).

Целью диссертационной работы является разработка методики определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений в низкочастотной части спектра на борту МГП, выбор для этих средств значений определяющих проектных параметров, обеспечивающих улучшение показателей эффективности КА.

Объектом исследований является МГП с программно- аппаратными средствами, решающими задачи AMO и ККМ в процессе орбитального полёта.

Предметом исследований является методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств AMO и ККМ космической МГП.

Методы исследований: системный подход проектирования сложных технических систем, метод решения многокритериальных задач на множестве Парето, методы аппроксимативного анализа для обработки измеряемых параметров, методы баллистического проектирования на основе исследований динамики движения КА.

Задачи исследований:

1. В рамках системного подхода проектирования МГП сформулировать задачи для определения и выбора проектных параметров средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений.

2. Обосновать модели базового ПМО для определения величины низкочастотных микроускорений на борту МГП, на массиве экспериментальных данных реального полёта КА произвести анализ достоверности полученных результатов, рассчитать показатели эффективности и выбрать схему информационного обеспечения для решения задачи AMO.

3. Разработать методики определения оптимальных значений проектных параметров моделей программно-математического и информационного обеспечения бортовых средств AMO и ККМ, рассчитать показатели эффективности при функционировании этих средств в составе МГП.

Научная новизна. Разработана методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений на борту МГП. В структуре данной методики сформулированы и решены следующие задачи:

- обоснованы модели базового ПМО для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, проектные параметры которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом критерия минимизации ошибки определения возмущений и ограничения на объём памяти алгоритмов моделей этого ПМО;

- разработана методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств AMO, которые обеспечивают расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений в условиях полёта МГП в режиме солнечной ориентации;

- разработана методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств ККМ, которые снижают величину микроускорений до уровня требуемых значений и повышают условия освещённости панелей солнечных батарей (ПСБ) МГП прямым солнечным светом.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработаны схемы оперативного управления в полёте и информационного обеспечения бортовых средств AMO и ККМ, что позволяет выбирать режимы работы аппаратуры с учётом данных реального состояния поля микрогравитационной обстановки на борту МГП.

2. Обоснованы модели базового ПМО для определения параметров состояния микрогравитационной обстановки и проведена оценка достоверности полученных результатов по данным реальных измерений, полученных в полёте МГП. Выбрана схема информационного обеспечения, которая позволяет повысить точность расчёта микроускорений и снизить ошибку определения возмущений внешнего характера.

3. Выбраны расчётные значения проектных параметров моделей ПМО бортовых средств AMO и ККМ, которые обеспечили следующее:

- определение величины микроускорений в низкочастотной части спектра на уровне требуемых значений от 10"6go и менее;

- возможность передавать в наземный пункт приёма информации средствами радиотелеметрической системы МГП информационные данные состояния поля микроускорений в заданном объёме и с требуемой периодичностью;

- повышение оперативности решения задач анализа, контроля и компенсации микроускорений, что позволяет планировать работу бортовой научной аппаратуры в полёте с учётом реальной микрогравитационной обстановки.

4. Функционирование бортовых средств ККМ в составе МГП позволяет:

- снизить величину микроускорений до уровня требуемых значений (10 g0) и повысить условия освещённости панелей солнечных батарей КА;

- реализовать стабилизированный орбитальный полёт МГП с упрощенным приборным составом системы управления движением, что позволяет повысить массу полезной нагрузки и снизить среднесуточное энергопотребление.

5. Методика определения проектных параметров средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений внедрена в проектную документацию КА «Фотон-М» №2, №3, №4, КА «Бион-М» №1.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- модели базового программно-математического обеспечения для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, значения проектных параметров которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом критерия минимизации ошибки определения возмущений и ограничения на объём памяти алгоритмов моделей ПМО;

- методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств AMO, которые обеспечивают расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений в условиях полёта МГП в режиме солнечной ориентации;

- методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств ККМ, которые снижают величину микроускорений до уровня требуемых значений и повышают условия освещённости панелей солнечных батарей МГП прямым солнечным светом.

Внедрение. Результаты работы нашли применение в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» при проведении следующих работ:

- опытно-конструкторские работы (ОКР) в части анализа величины бортовых микроускорений по данным орбитального полёта КА «Фотон-М» №2, №3;

- ОКР, направленные на разработку научной аппаратуры ГРАВИТОН (прототип бортовых средств АМО) КА «Бион-М» №1;

- ОКР, связанные с разработкой научной аппаратуры контроля состояния и компенсации микроускорений КА «Фотон-М» №4.

Публикации и апробация работы. Содержание работы и её результаты докладывались на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Нижний Новгород, 2006 г.) и на всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества», которая проводилась в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара, 2009 г.).

Материалы работы опубликованы в рецензируемых изданиях - 3 статьи [1, 2, 3], в сборниках трудов -5 статей [4 - 6,9,10], в тезисах двух докладов [7, 8].

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 52 наименований и приложения. Общий объём диссертации 187 страниц, в том числе 172 страницы основного текста с 46 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы, отмечена научная новизна исследований, приведены сведения о практической значимости полученных результатов и выносимые на защиту положения. Изложено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлены методические аспекты улучшения показателей эффективности МГП и сформулированы задачи определения значений проектных параметров программно - аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений.

Методика определения проектных параметров средств анализа, контроля и компенсации микроускорений основана на функциональной зависимости проектных параметров этих средств и показателей эффективности МГП, представленными следующим вектором состояния:

А°(АС МГ5 А СЭп, А „П)б {А }ДОП-

Здесь: о = a, b, f - надстрочный индекс, соответствующий типу задачи, решаемой в рамках методики определения проектных параметров;

А°„ге {А°мг}доп - квазистатическая или низкочастотная в диапазоне от 0 до 0,01 Гц составляющая микроускорения, величина которой не превышает допустимого или требуемого значения {А°мг}д0п = Ю g0;

А°сэпе {А°Сэп}Доп- показатель, характеризующий мощность СЭП, эквивалентом которой являются внешние условия освещённости ПСБ МГП (Аасэп = const ввиду организации бортовой СЭП КА на базе химических источников тока); A°„„(ton, unM0, иртс, fpTC)e {А°и„}д0„ - информационный показатель, компоненты которого характеризуют технологическую схему информационного обеспечения tone {ton}«™ объём памяти ипм()е {ип„0}доп, занимаемый моделями ПМО, а также технические требования к радиотелеметрической системе (РТС) МГП в части информационного объёма телеметрического канала иртсе

{иртс}Доп и частоты его опроса fpTCe {fpTC}Aon для передачи данных, сформированных средствами AMO или ККМ в наземный пункт приема информации.

Разработана схема технической декомпозиции, обеспечивающая определение значений проектных параметров средств анализа, контроля и компенсации микроускорений в структуре следующих задач (о = a, b, f):

1. Обоснование моделей F\k базового ПМО для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, значения проектных параметров Q'k е {QaK}„„n которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом критерия минимизации ошибки определения возмущений (ДАамг -» min) и ограничения на объём памяти (ипмо < {иПМо}Доп) алгоритмов ПМО (о = а).

2. Разработка методики определения оптимальных значений проектных параметров Qb*K б {QbK}№n моделей FV ПМО бортовых средств AMO, которые обеспечивают расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений для МГП (о = Ь).

3. Разработка методики определения оптимальных значений проектных параметров Q^e {Q^} доп моделей F ак ПМО бортовых средств ККМ, которые снижают величину микроускорений до уровня требуемых значений и повышают условия освещённости ПСБ МГП (рисунок 1, индекс задачи о = f).

На рисунке 1 обозначены: 1- электромагниты средств ККМ;

2 - спускаемый аппарат (CA);

3 - приборный отсек;

4 - агрегатный отсек;

5 - объединённая двигательная установка;

6 - радиатор-охладитель;

7 - панели солнечных батарей системы энергопитания;

8 - платформы с дополнительной полезной нагрузкой; Ос, х„ ус, Zc - положение центра

масс МГП и оси связанной системы координат (ССК).

Во второй главе представлены методические аспекты обоснования моделей F^ (к = 1,5 - общее число моделей) базового ПМО для решения задачи анализа микрогравитационной обстановки Аамге {АаМ1-}доп с учётом критерия ДАамг-> min и ограничения (ипмо < {ипмо}доп), что позволяет использовать эти модели в вычислительных средствах бортовой аппаратуры МГП.

Модели базового ПМО обеспечивают расчёт показателей эффективности МГП Аае {Аа}доп в структуре решения следующих частных задач:

1. Расчёт вектора состояния внешних возмущений Даат по данным определения навигационными средствами МГП параметров орбитального движения Gnlffl(tm, rm, vm) е {Gnofl}aon, где tm - время, rm - вектор местоположения, vm - вектор орбитальной скорости КА. Данная задача решается в структуре базового ПМО средствами модели FaaI, методическую основу которой составляют линеаризированные уравнения движения КА в отклонениях, что позволяет зна-

Рисунок 1- Внешний вид космической микрогравитационной платформы

чительно упростить (ual min) расчёт внешних возмущений, приведённых к комп аэродинамического характера:

где Sb- согласующий коэффициент, рат - плотность атмосферы Земли, vpra -расчётное значение орбитальной скорости МГП относительно атмосферы.

Значения проектных параметров модели Q5*i(S*b, G П0д) е (РМдоп определяются путём решения системы нормальных уравнений методом наименьших квадратов с учётом критерия минимизации ошибки вектора местоположения КА Cai = rTm|2-> min.

2. Формирование и обработка выборки измерений угловой скорости а>; МГП с целью сглаживания данных и устранения случайных ошибок измерений дискретным тригонометрическим рядом Фурье

со/ = bi,Mi +1 + (te - to) • bi,Mi +2 + X b,,m • sin(n-m (te -10) / T).

Здесь bi>m = [bij, bi>2, ..., bj Mi/bjMi +i, bi|Mi «Г - коэффициенты ряда Фурье размерностью m = 1,...,М; + 2; Т- мерный интервал, принятый при обработке, где tt е [t„, tK]; tc = to + C T/N - время «привязки» измерения из выборки £ = 1,..., L; i = 1,2,3 - каналы управления МГП (крен, рыскание, тангаж).

Данная задача решается в структуре базового ПМО средствами модели Faa2, проектным параметром Qa*2(Mi*) е {ра2}ЛОп которой выбрана величина, характеризующая число членов разложения тригонометрического ряда Фурье М;. Критерием определения величины параметра Mj е {М;}доп является минимизация значения ошибки аппроксимации Са2(Аго|) min измерений угловой скорости Аш; = fflj - C0i' с учётом ограничения на объём оперативной памяти, который отводится для хранения коэффициентов ряда Фурье (и°а2 < {и°а2}Доп)-

3. Расчёт угловых параметров движения МГП, включая угловую ориентацию cii осей ССК или псевдоизмерения, а также угловую скорость со; и угловое ускорение Si по данным измерений Ве вектора магнитной индукции (ВМИ) средствами бортовой аппаратуры. Данная задача решается в структуре базового ПМО средствами модели Faa3, основу которой составляют:

- математическая модель смещённого диполя, описывающая состояние магнитного поля Земли для определения расчётного значения Врс ВМИ;

- кинематические уравнения движения, связывающие компоненты текущей угловой скорости вращения МГП oii с измеренными Ве и расчётными значениями Вре ВМИ через параметры псевдоизмерений СХ[, аппроксимированные тригонометрическим рядом Фурье размерностью М ¡.

Вид аппроксимирующей функции ю,' модели Faa2 используется в модели Faa3 для аппроксимации псевдоизмерений а,. Значение проектного параметра Qa*3(Mi*) e_{Qa3}ÄOn модели Faa3 рассчитываются как и в модели F',2 с учётом критерия Са3(ДШ|) -> min и ограничения (и°аз < {и0аз}ДОп). Особенностью решения данной задачи является обеспечение максимальной точности расчёта угловой скорости МГП Дсо, < {сй|}ДОп и составляющей микроускорения, обусловленной возмущениями вращательного характера в контрольных точках внутри CA с координатами p~(j = 1,...,N - число контрольных точек):

Aa(ll(pj) = ш х (их р~) + Б~х р~

где s - угловое ускорение МГП, которое рассчитывается численно.

4. Расчёт значений микроускорений ä~(pj) на текущий момент времени. Данная задача решается в структуре базового ПМО средствами модели Faa4, в которой в целях повышения точности расчёта микроускорения ДАМГ ( С% —> min) учитывается расширенный состав низкочастотных возмущений:

ä(Pj) = [ ay ]т[ шц]Аает + Да^р") + Aä^(ft),

где [ rriij ]g»i,2,3 - матрица, связывающая орбитальную систему координат (ОСК) и гринвичскую систему координат (ГСК),

[ ajj ] ;2,3 - матрица, связывающая ОСК и ССК,

Лаад(рj ) - адьювантное ускорение или разность ускорений свободного падения в центре масс МГП и в заданной контрольной точке с координатами pj.

Для расчёта адъювантного ускорения разработана точечно-массовая модель МГП, описывающая крупные конструктивные агрегаты:

Даад© = 1( ч - ¿¡о),

1=1

где agi = [ aij ]т-[ ту ](-Agoi + Agcild) - ускорения агрегатов (i = 1,..., 1а) и центра масс ( i = 0 ) МГП, вызванные притяжением гравитационного поля Земли (ГПЗ) как материальной точки Ag0j и с учётом экваториального сжатия Agc;M.

5. Оценка средствами модели Faas базового ПМО выбранной системы показателей эффективности МГП Аа(Аамг, Ааип) е {Аа}доп.

На массиве реальных измерений, полученных в орбитальном полёте КА, решаются частные задачи, связанные с обоснованием моделей Р\к базового ПМО (к = 1,...,5) и расчётом значений проектных параметров Qa к е {QaK}Jon, которые позволяют определять величину микроускорения Аамг с минимальной ошибкой ДАамг -» min и с учётом ограничений на объём памяти (Ааип(ипм0) < {Ааип(ип„о)}доп) алгоритмов моделей этого ПМО.

Произведена оценка точности расчёта возмущений от сил внешнего характера Даат и параметров Arm орбитального движения КА с использованием модели Faaj. Применение этой модели позволяет снизить максимальную ошибку расчёта положения центра масс МГП в продольном направлении в два раза и более, при этом величина ошибки расчёта возмущений от сил аэродинамического торможения снижается с 40% до 8%.

Обработаны с использованием модели г 32 измерения угловой скорости вращения МГП, полученные системой управления движением (СУД), с целью определения значений коэффициентов и размерности M i дискретного ряда Фурье. С учётом принятых критериев решения задачи определена величина M j = 18, при которой точность аппроксимации измерений Дсо; на уровне математического ожидания не превышает 9% при неустановившемся вращении и 5% при установившемся вращении МГП (coi»0,02 град/с).

Средствами модели ¥\4 проведён расчёт микроускорений, который подтверждён практическими результатами орбитального полёта КА «Фотон»:

- при неустановившемся вращательном движении КА микроускорения обусловлены возмущениями аэродинамического характера |ДаД < 7,1 ■ 10"7go;

- основным возмущающим фактором в неуправляемом орбитальном полёте является угловое движение КА, величина которого |Даш| < 8,0- 10"6go;

- возмущения адъювантного характера являются неустранимой величиной и составляют |Да^,| < 2,6 - 10"7go.

По данным решения задачи анализа микрогравитационной обстановки на борту МГП моделями FV базового ПМО выбрана схема информационного обеспечения cf^co, Gn(M). Особенностью выбранной^схемы является совместная обработка параметров орбитального движения GniM(tm,rm,vm), полученных по данным двух (ш = 1,2) смежных сеансов навигационных измерений средствами наземного комплекса управления, разнесённых на интервале времени от 1 до 3 суток. При такой схеме точность расчёта низкочастотных микроускорений ДАамг на борту МГП повышается на 7% на интервале времени между сеансами в 1 сутки и на 15% на интервале 3 суток, а оперативность решения целевой задачи Aa„n(ton) составляет затраты времени от 90000 до 262800 с. Суммарные затраты памяти вычислительных средств Ааип(и„м0) на реализацию моделей F3^ базового ПМО не превышают величины 1500 Кбайт.

В третьей главе представлена методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств AMO космической МГП. Применение бортовых средств AMO направлено на обеспечение выполнения технических требований, предъявляемым к следующим показателям эффективности МГП Äb(AbMr, Аьсэп, Аьип) е {Аь}дОП:

Аьмге {Аьмг}дсщ - величина низкочастотного микроускорения, определяемая с минимальной ошибкой (ЛАЬМГ—► min);

Аьип е {Аьип}доп - составляющие информационного показателя эффективности, обеспечивающие возможность передачи данных объёмом Аьип(и0ак) е {Аь„п(и0аК)}доп в наземный пункт приёма информации (НППИ) космической МГП с требуемой периодичностью {А ип0оп)}доп средствами РТС, технические характеристики которых А ипСиртс, fpn) е {А

В общей постановке решение задачи определения параметров Qb*Ke {Оьк}доп моделей FbaK (к = 1,...,4 - число моделей ПМО средств AMO) осуществляется по данным расчёта оптимальных (в смысле Парето) значений частных С^Е {Ськ}доп и обобщённых показателей эффективности Аь е {Аь}доп. При этом учитываются технические характеристики МГП Gb„rne _{GbMrn}ÍOn, влияние внешних условий и возмущающих факторов В„гпе{В„гп}доп, а также технические характеристики Q^„íce {Qbnac}Mn аппаратуры AMO и критерии решения частных задач Ськ —> min.

Технические характеристики Qbnac включают схему управления и информационного обеспечения q^ofo), 0,,од) средств AMO, а также циклограмму работы моделей ПМО. В структуре частных задач определены оптимальные значения следующих проектных параметров (fK е {Q^bon моделей F1^.

1. Для модели F а] расчёта возмущений внешнего характера определены компоненты вектора состояния проектных параметров Qb i(n*u, At m):

n ц - размерность модели ГПЗ, которая при разложении потенциала в ряд по сферическим функциям включает не менее 4 членов, включая зональные, тессеральные и секториальные компоненты;

At ш - дискретность определения параметров орбитального движения средствами спутниковой навигации МГП в диапазоне значений от 30 до 60 с.

Определены информационные показатели модели Fba): общий объём памяти исполнительного модуля иа1 = 385 Кбайт; объём оперативной памяти данных для средств РТС и°а) = 870 байт; время работы модели tal < 12 с.

2. Для модели Г;Ьа2 определены компоненты вектора состояния проектных параметров M¡\ At*t), а именно: M¡* = 18 - размерность ряда Фурье, At\ = 36 с - дискретность измерений параметров углового движения.

Общий объём памяти исполнительного модуля алгоритма модели F ¡д ua2 = 330 Кбайт, объём оперативной памяти данных для средств РТС и°а2 = 324 байта, время работы алгоритма модели t2 < 6,0 с.

3. Для модели F^ расчёта поля низкочастотных микроускорений определены следующие компоненты вектора состояния проектных параметров Qb*3(nu*, h*Mr): nu* = 4 - размерность модели ГПЗ, h*Mr = 60 с - дискретность расчёта поля низкочастотных микроускорений. Общий объём памяти исполнительного модуля иа3 = 440 Кбайт, объём оперативной памяти данных для средств РТС составляет u0^ = 672 байта, время работы модели t3 < 10,0 с.

4. Для модели Fba4 определены следующие компоненты вектора состояния проектных параметров Qb*4(u*pTc, f*pTC): u*pTC = 6 байт - информационный объём каналов телеметрического интерфейса аппаратуры AMO, f ртс = 20 Гц - частота опроса телеметрического интерфейса средствами РТС МГП.

Объём оперативной памяти для формирования данных моделью F а4 на интервале времени одни сутки полёта МГП составляет и°а4 = 27990 байт, объём памяти исполнительного модуля иа4=140 Кбайт, время работы t3 < 0,5 с.

По данным аппаратуры AMO проведён расчёт показателей эффективности МГП, функционирующей в режиме солнечной ориентации на орбите, близкой к круговой (высота полёта ~ 575 км). Получены следующие результаты:

а) Показатель эффективности АЬМГ(АМ0), характеризующий состояние поля микроускорений размерностью] = 1,...,28 контрольных точек, распределённых в центре масс МГП ( j = 1) и внутри СА в трёх плоскостях нормальных оси ОсХс ССК, не превышает значения 5-10"6 м/с2 или ~5-10"7go (рисунок 2).

Амг (А„о), м/с2

5.0Е-06 4.5Е-06 4.0Е-06 3.5Е-06 3.0E-0S 2.5Е-05 2.0Е-03 1.5Е-06 1.0Е-06 5.3Е-07 2.8Е-08

"Ss*

у*"'^1" "I1,"' "..! w

| \ 1

'' I V,

1

! Г- 1 - -1 ■ i

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28]

Рисунок 2 - Зависимость распределения математического ожидания модуля вектора микроускорений внутри объёма МГП

б) Показатель Ab„n(to„) оперативности решения задачи оценки поля микроускорений на борту МГП средствами аппаратуры AMO не превышает значения 88205 с, причём А ип(^оп) ^ А ИП (ton).

в) Эквивалентом показателя эффективности Аьсэп СЭП МГП является математическое ожидание косинуса угла между нормалью к рабочей поверхности ПСБ и вектором направления на Солнце. Численная оценка этого показателя составляет диапазон значений от 0,996 до 0,999 и определяется точностью отработки угловых параметров движения средствами СУД МГП.

г) Определён допустимый информационный объём флэш-памяти вычислительных средств аппаратуры AMO {иПМ0}д0п = 1 Гбайт для реализации алгоритмов моделей ПМО объёмом Аьи„(и пмо) = 794387,3 Кбайт.

В четвёртой главе представлена методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств ККМ.

Основной особенностью аппаратуры ККМ является наличие ортогональной системы электромагнитов (рисунок 1), управляемых электронным блоком по данным измерений ВМИ бортовых магнитометров и значений компонентов вектора управляющего магнитного момента, рассчитанных с использованием моделей F* ПМО (к = 1,6 - общее число моделей), которые реализованы в вычислительных средствах этой аппаратуры.

Применение бортовых средств ККМ направлено на повышение показателей эффективности МГП ЙА^, AfC3n, Af„n) б {А }доп. _f

В общей постановке решение задачи определения параметров Q Ke{Q к}Доп моделей FfaK ПМО бортовых средств ККМ осуществляется по данным оптимальных по_Парето частных CfKe {Сгк}доп и обобщённых показателей эффективности Af е {Аг}доп- При этом учитываются технически^ характеристики МГП GfMme{GfMrn}fl0n, влияние внешних условий^ Вмгпе{Вмгп}Д0П, а также технические характеристики средств ККМ Qnac e{Qnac}Bon и критерии решения задачи А. мгп

—>min, А'еэп—>max, А1 ипОоп) >min.

Значения параметров Q^ модели Ffa6 позволяют выбрать ^ проектные параметры средств ККМ, характеризующие энергопотребление w „е {w п}ДОп или величину управляющего магнитного момента Р „е {Рм}Доп и циклограмму Т*„е {Т*„}доп работы трёх электромагнитов аппаратуры.

Определён состав и решены частные задачи, связанные с выбором следующих проектных параметров моделей F^JIMO аппаратуры ККМ (к = 1,6):

1. Принят состав данных ^„0(Ве, Опод), схема информационного обеспечения и управления в полёте средств ККМ, а также циклограмма работы моделей ПМО, обеспечивающих работу этих средств.

2. Для модели Ffa2 аппроксимации выборки измерений ВМИ геомагнитного поля с учётом величины допустимой точности аппроксимации 5% определены компоненты вектора состояния проектных параметров Q 2(N „ N h), а именно: N*h = 60 - размерность выборки измеряемых параметров, N в = 29 -число коэффициентов аппроксимирующей функции. Общий объём постоянной памяти, занимаемый исполнительным модулем модели F не превышает Ua2 = 330 Кбайт, объём данных для средств РТС составляет и°а2 = 8100 байт, время работы алгоритма модели t2 < 1,5 с.

3. Для модели Ffas расчёта угловых параметров движения МГП по данным псевдоизмерений угловой ориентации а.\ осей ССК выбраны следующие компоненты вектора состояния параметров модели Q^ (М к, At Вс):

М*к - число членов разложения псевдоизмерений в ряд Фурье, где М i = М*з = 4, М*2 = 2, которые определены при минимизации ошибки расчёта угловой скорости КА (Дсо; -> min);

дГВс = 0,5 с - величина дискретности измерений параметров ВМИ определяется при минимизации ошибки расчёта составляющей возмущения (|Даш| -» min), которая обусловлена ошибками расчёта Дш, и Де;.

Объём памяти исполнительного модуля иа5 = 210 Кбайт, оперативной памяти для средств РТС МГП и°а5 = 1200 байт, время работы t5 < 1,5 с.

4. Для модели Ffa4 формирования данных состояния поля микроускорений и передачи их средствами РТС в НППИ МГП определён состав проектных параметров модели Q^ (и ртс, f*pTC) и критерии их выбора. Выбраны следующие значения параметров модели Ffa4: u*pTC = 4 байта, f*pTC =50 Гц. Объём памяти исполнительного модуля составляет иа4 = 140 Кбайт, информационный объём данных для средств РТС и°а4 = 49590 байт, время работы t5 < 0,5 с.

5. Для модели Ffa6 расчёта управляющего магнитного момента в активном режиме работы средств ККМ выбран вектор состояния проектных параметров Qp6(P м, t*a6), компонентами которого являются: Р „е{Рм}ДОп - величина магнитного момента из допустимого диапазона значений от 0 до ±300 Ам2 по каждому каналу управления МГП; t а6 е {ta6}AOn - длительность активного режима работы электромагнитов из диапазона значений от 12 до 30 с.

Активный режим работы модели Ffa6 используется на участке орбитального полёта МГП с выключенной СУД для снижения или компенсации величины низкочастотных микроускорений (AfMr е {Агмг}доп), а также для обеспечения условий освещённости рабочей поверхности ПСБ (AfCM—>тах).

Модель расчёта магнитного управляющего момента в активных режимах работы средств ККМ основана на следующих допущениях:

- на МГП действует только один внешний механический момент, создаваемый исполнительными элементами аппаратуры ККМ;

- кинетическая энергия движения МГП относительно центра масс описывается выражением

Т= 0,5(Jxco2x + Jyö)2y + Jzco2z),

где Jx, Jy, Jz- моменты инерции МГП, сох, юу. шг - составляющие угловой скорости вращения, рассчитанные с использованием модели Ffa5.

На основании теоремы об изменении кинетической энергии МГП закон управления магнитным моментом системой электромагнитов в активных режимах работы аппаратуры задаётся в следующем виде:

Рм = Т„ ат (ю х Ве), где ат-1,2,3 - коэффициент пропорциональности;

а\ > 0, при ш> 0,02 град/с;

а2> 0, при со < 0,02 град/с и пу/|п0| >0;

<з3 = 0, при ¿Г< 0,02 град/с и ny/|nj 50;

Тпе{Тп}доп — циклограмма работы исполнительных элементов бортовых средств ККМ в допустимом диапазоне значений.

А'сэп = пу/|п0[ - показатель эффективности, характеризующий условия освещённости ПСБ, где п0(пх, пу, п2) - орт вектора направления на Солнце в ССК.

Средствами математического моделирования орбитального полёта определены оптимальные по Парето значения показателей эффективности Ас е {Аг}доп с проектными параметрами 0^6 е б}доп модели Ра6. Эффективность режима компенсации микроускорений исследована в допустимом диапазоне значений параметра Р м е {Рм!доп при вариациях начальных значений угловой скорости вращения космической МГП со0е {(»оЬоп-Расчётная величина Р*„ на интервале времени работы электромагнитов принята постоянной {1а6}доп< 30 с. Получены следующие результаты. ^

а) Снижены микроускорения АГМГ(АМ0) до диапазона значений от^ 10" до 5-Ю'6 м/с2 при величине управляющего магнитного момента ±300 А м за счёт компенсации возмущений вращательного характера (рисунок 3).

6.0Е-05

4.0Е-05

2.0Е-05

0.0Е+00

10800 21600 32400 43200 54000

Рисунок 3 - Зависимость изменения модуля величины микроускорений в режиме компенсации микроускорений (шох=0,2 град/с, шоу=<вО2=0,02 град/с)

б) Повышены условия освещённости ПСБ от нулевой величины среднего значения показателя эффективности Afon на интервале неориентированного полёта МГП и до обеспечения квазипостоянной освещённости, при которой

значения показателя Afcw составляют диапазон от 0,38 до 0,64 (рисунок 4). Af

1,шГ

21600

54000

10800 21600 32400 А^'оп) =43200

Рисунок 4 - Зависимость изменения показателя эффективности А СэПпри обеспечении условий освещённости ПСБ (соох=0,2 град/с, ю„у=сом=0,02 град/с)

в) Определена величина показателя эффективности Af„n(t 0п) = 22400 с для задачи контроля и компенсации микроускорений требуемой величины {Агмг}доп с обеспечением условий освещённости ПСБ А ап> 0.^

г) Для реализации моделей ПМО общим объёмом А „п(и пм0) = 994708,4 Кбайт определён допустимый информационный объём флэш-памяти вычислительных средств аппаратуры ККМ {ипмо}доп = 1 Гбайт.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснованы модели базового программно-математического обеспечения для определения параметров состояния микрогравитационной обстановки в низкочастотной части спектра и проведена оценка эффективности применения этих моделей по данным орбитального полёта космического аппарата научного назначения. Выбрана схема информационного обеспечения, которая позволяет повысить точность расчёта микроускорений на 15% и снизить ошибку определения возмущений внешнего характера с 40% до 8%.

2. Разработаны методики определения оптимальных значений проектных параметров моделей программного и информационного обеспечения бортовых средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений. По расчётным данным оценки показателей эффективности микрогравитационной платформы выбраны значения проектных параметров моделей программного обеспечения бортовых средств анализа, контроля и компенсации микроускорений, которые позволяют:

- обеспечить определение величины микроускорений на уровне требуемых значений от lO^go и менее в низкочастотной части спектра;

- обеспечить передачу в наземный пункт приёма информации средствами радиотелеметрической системы микрогравитационной платформы данных состояния микроускорений в заданном объёме и с требуемой периодичностью

(не более одного раза в сутки);

- повысить оперативность решения задачи анализа микроускорений до трёх раз по сравнению с микрогравитационой платформой «Фотон».

3. Бортовые средства контроля и компенсации микроускорений с проектными параметрами, выбранными на основе предлагаемой методики,обеспечивают:

- снижение величины микроускорений за счёт компонентов^ вращательного

и осестремительного ускорения до диапазона значений от 5-10" g0 до 10 g0;

- повышение условий освещённости или величины косинуса угла между направлением на Солнце и нормалью к рабочей поверхности панелей солнечных батарей от нулевого значения до обеспечения квазипостоянного диапазона значений, который составляет от 0,38 до 0,64;

- реализацию стабилизированного орбитального полёта с упрощённым приборным составом системы управления движением космического аппарата, что позволяет повысить массу бортовой научной аппаратуры на 8% и снизить среднесуточное энергопотребление обеспечивающих систем на 10%.

4. Методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений внедрена в проектную документацию космических аппаратов «Фотон-М» №2, №3, №4, КА «Бион-М» №1 в период с 2005 по 2010 гг.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Сазонов, В. В. Неуправляемое вращательное движение спутника «Фотон М-2» и квазистатические микроускорения на его боту [Текст]/В. В. Сазонов В. И. Абраш-кин, Ю. Я. Пузин и др. // Космические исследования. - 2007. - Т. 45. - № 5. - С.450-470.

2. Пузин, Ю. Я. Экспериментальные исследования и выбор проектных параметров бортовой аппаратуры контроля состояния и компенсации микроуско-рений низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы [Текст]/Ю. Я. Пузин // Вестник СГАУ. Выпуск 2 (22). Самара, 2010,- с. 134-143.

3. Пузин, Ю. Я. Выбор параметров средств контроля и компенсации микроускорений низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы [Текст]/Ю. Я. Пузин, В. И. Абрашкин // Общероссийский научно-технический журнал "Полет". -№2.-2011.-С. 25-35.

В других изданиях:

4. Пузин, Ю. Я. Об одном методе согласования различных моделей, описывающих движение низкоорбитального КА/Ю. Я. Пузин, В. И. Огарков, И. С. Степанцов // Деп. в ЦНТИ «Поиск», № 22330,- М., 1982. -15 с.

5. Пузин, Ю. Я. Об одном методе автономного уточнения параметров движения орбитального КА/ Ю. Я. Пузин, В. И. Огарков // Деп. в ЦНТИ «Поиск», № 28879. -М„ 1987.-20 с.

6. Сазонов, В. В. Определение вращательного движения спутника Фотон М-2 по данным бортовых измерений магнитного поля Земли [Текст]/В. В. Сазонов, В. И. Абрашкин, Ю. Я. Пузин и др. // Препринт № 96 за 2005 г. Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН. - М., 2005. -32 с.

7. Сазонов, В. В. Определение вращательного движения спутника «Фотон М-2» по данным измерений бортовых датчиков. [Текст]/В. В. Сазонов, В. И. Абрашкин, Ю. Я. Пузин и др. Аннотации докладов IX Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике, // Нижний Новгород, 22-28 августа 2006. - Т. 1. -С. 8.

8. Пузин, Ю. Я. Экспериментальные исследования и выбор проектных параметров бортовой аппаратуры контроля состояния и компенсации микро-ускорений низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы [Текст]/Ю. Я. Пузин // Материалы конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества». -Самара: ЦСКБ-Прогресс, 2009. - С. 67-68.

9. Лезина, И. В. Аппроксимативный анализ низкочастотной составляющей микроускорений на борту ИСЗ [Текст]/И. В. Лезина, Ю. Я. Пузин // Сб. научных трудов "Радиотехника и связь". - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 17-22.

10. Сазонов, В. В. Электромагнитная система управления вращательным движением спутника, обеспечивающая малый уровень микроускорений на его борту [Текст]/В.В. Сазонов, В. И. Абрашкин, Ю. Я. Пузин // Препринт №22 за 2010 г. Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН. - М., 2010. -36 с.

Подписано в печать 30.08.11 г. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета заказчика. СГАУ, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Постановка задачи определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа состояния, контроля и компенсации* микроускорений на борту МГП.

1.1 Анализ параметров микрогравитационной обстановки* и средства снижения величины низкочастотных микроускорений на борту научно-исслед овательского КА «Фотон».21'

1.2 Показатели эффективности космической МГП и проектные параметры программно — аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений.

1\3 Методические аспекты улучшения показателей эффективности МГП и формулировка задачи определения проектных параметров программно - аппаратных средств анализа^ микрогравитационной обстановки, контроля.и компенсации микроускорений.

1.4 Выводы по первой главе.

2 Модели базового программно- математического обеспечения для решения задачи анализа микрогравитационной обстановки, оценка, показателей эффективности МГП типа «Фотон».

2.1 Структура и состав моделей программно-математического обеспечения для оценки показателей эффективности и анализа микрогравитационной обстановки на борту МГП:.

2.2 Модель расчёта внешних возмущений по данным навигационных средств МГП и оценка эффективности её применения по результатам орбитального полёта КА «Фотон».

2.3 Модель расчёта микроускорений, обусловленных движением МГП вокруг центра масс и анализ угловой скорости вращения по данным орбитального полёта КА «Фотон».

2.4 Модель расчёта угловых параметров движения МГП по данным измерений компонентов геомагнитного поля бортовыми средствами, анализ адекватности модели кругового движения по результатам полёта КА «Фотон».

2.5 Модель расчёта низкочастотных микроускорений, выбор схемы информационного обеспечения при решении задачи анализа микрогравитационной обстановки по данным полёта КА «Фотон».

2.6 Выводы по второй главе.

3 Методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей программно — математического и информационного обеспечения бортовых средств анализа микрогравитационной обстановки.

3.1 Особенности применения, состав проектных параметров, технические характеристики и требования к бортовым средствам анализа микрогравитационной обстановки космической МГП.

3.2 Методические аспекты и оценка эффективности применения модели расчёта вектора состояния внешних возмущений по данным спутниковой системы навигации программных средств аппаратуры анализа микрогравитационной обстановки.

3.3 Определение и выбор проектных параметров математической модели-аппроксимации измерений угловой скорости вращения-МГП аппаратуры анализа микрогравитационной обстановки.

3.4 Методический подход решения задачи расчёта поля низкочастотных микроускорений на борту МГП средствами аппаратуры анализа микрогравитационной обстановки.

3.5 Обоснование технических требований к радиотелеметрической системе МГП и расчёт показателей эффективности по данным средств анализа микрогравитационной обстановки.

3.6 Выводы по третьей главе.

4 Методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей программно - математического и информационного обеспечения бортовых средств контроля и компенсации низкочастотных микроускорений.

4.1 Особенности применения, состав проектных параметров, технические характеристики и требования к бортовым средствам контроля и компенсации микроускорений космической МГП.

4.2 Методические аспекты решения частной задачи определения проектных параметров модели аппроксимации измерений вектора магнитной индукции геомагнитного поля средствами контроля и компенсации микроускорений.

4.3 Определение и выбор проектных параметров модели расчёта угловых параметров движения по данным^ измерений бортовой аппаратурой контроля и компенсации микроускорений.

4.4' Определение оптимальных значений проектных параметров модели расчёта управляющего магнитного момента в активном режиме работы средств контроля и компенсации микроускорений.

4.5 Обоснование технических требований' к радиотелеметрической системе МГП и анализ информационных показателей эффективности по данным-средств контроля и компенсации микроускорений.

4.6 Выводы по четвертой главе

1. Общая характеристика работы. Исследуемые в работе проблемы относятся к области системного проектирования специализированной низкоорбитальной автоматической космической микрогравитационной платформы (МГЦ), обеспечивающей возможность проведения» научных экспериментов и имеющей в своем составе средства доставки научной аппаратуры с образцами,и результатами исследований на Землю.

В. период с 1989 по-2007 годы находилась в эксплуатации серия низкоорбитальных автоматических космических аппаратов (КА) «Бион», «Фотон». На космических аппаратах этой серии получены новые научные результаты в областях биотехнологических исследований, а также изучения проблем выращивания-монокристаллов полупроводников и затвердевания металлических сплавов. Планирование проведения и обработка результатов научных экспериментов на борту МШ требует постоянного анализа бортовой микрогравитационной обстановки. Как показывают результаты эксплуатации КА «Фотон», величина квазистатических микроускорений за время неориентированного орбитального полёта может возрастать от 10"6§о до Ю'^о за счёт «раскрутки» МГО относительно продольной'оси под действием внутренних и внешних возмущений = 9,81 м/с — ускорение свободного падения). Для обработки поступающих в процессе полёта измерений параметров микрогравитационной обстановки, а также в целях снижения микроускорений на борту МГП, разрабатывалось, и совершенствовалось. методическое и программно-математическое обеспечение при непосредственном участии автора настоящей работы [27, 28, 32-35, 38-41, 43].

Решению актуальной проблемы, связанной- с улучшением основных и частных показателей целевой эффективности научно-исследовательской космической МГП, и посвящена диссертационная работа.

2. Актуальность проблемы. В настоящее время отмечается увеличение числа научно-практических задач с высокими техническими требованиями к условиям их реализации на борту, которое определяет соответствующее улучшение показателей эффективности МГП, а именно:

- увеличение времени активного существования;

- повышение мощности бортовой сис темы энергопитания (СЭП);

- снижение величины остаточной микрогравитации на борту до уровня значений 10"6go и менее- в низкочастотной части спектра от 0 до 0,01 Гц; .

- повышение массы полезной нагрузки (научной аппаратуры).

Для улучшения основных показателей эффективности проводятся опытно-конструкторские работы, связанные с разработкой и изготовлением специализированной низкоорбйтальной автоматической МГП с бортовыми программно-аппаратными средствами, осуществляющими анализ микро-, гравитационной обстановки (AMO), контроль и компенсацию микроускорений (ККМ) в низкочастотной части спектра [44 — 50].

Основной особенностью функционирования средств AMO и ККМ в составе МГП является возможность реализации стабилизированного орбитального полёта с низким уровнем остаточных низкочастотных возмущений- и обеспечение условий освещенности панелей солнечных батарей (ПСБ) прямым солнечным светом; Применение бортовых средств такого типашозволяет упростить приборный состав системы управления движением (СУД) МГП, что позволяет повысить массу бортовой научной аппаратуры и снизить среднесуточноеэнергопотребление обеспечивающих систем.

В этой; связи проблема определения оптимальных значений параметров бортовых программно-аппаратных средств AMO и ККМ является актуальной, а проведение работ в этом направлении оправдано и необходимо;

3. Состояние исследований в избранной области; Вопросам создания космической МГП посвящены работы научно-практической школы Козлова Д.И. (Аншаков Г. П., Соллогуб А. В., Ахметов Р. Н., Стратилатов Н. Р.).

Известно значительное число работ, в которых рассматриваются проблемы влияния внутриобъектовой среды МГП на проведение научных и технологических экспериментов. Это работы Авдуевского В. С., Бармина И. В., Полежаева В. И., Гришина С. Д., Сазонова В. В., Семкина Н. Д., Горелова Ю. Н., Абрашкина В. И., Воронова К. Е., D. Thierion, A. Verga, P. Baglioni, T. Beuselinck, С. Van Bavinchove, D. Ciaessens, D. Schwabe [1-3, 21-26].

Несмотря на имеющиеся положительные результаты, повышение технических требований к показателям эффективности' МГП; включая снижение величины низкочастотных возмущений на борту КА с 10"5go до 10"6go, определяет необходимость дальнейшего развития методического обеспечения в рамках разработки специальных программно-аппаратных средств, решающих задачи анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений.

4. Цель работьги задачи исследований. Целью работы является: разработка методики определения проектных параметров» программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений в низкочастотной части спектра на борту MFn, выбор для этих средств значений определяющих проектных параметров; обеспечивающих улучшение показателей эффективности КА.

Во исполнение поставленной* цели определены следующие задачи системных исследований работы.

1) Выбрать систему показателей эффективности, допустимый диапазон внешних условий функционирования МГП с заданными техническими характеристиками и определить состав основных проектных параметров программно - аппаратных средств анализа, контроля и компенсации микроускорений.

2) В рамках системного подхода проектирования МГП сформулировать задачи для определения проектных параметров средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений.

3) Обосновать модели базового программно-математического обеспечения (ПМО) для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, а на основе экспериментальных данных реального полёта КА рассчитать показатели эффективности и выбрать схему информационного обеспечения решения задачи анализа микрогравитационной обстановки.

4) Разработать методику определения оптимальных значений' проектных параметров* моделей ПМО и информационного обеспечения* бортовых средствгАМО,- функционирование которых в составе МГП позволяет обеспечить расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений в условиях полёта в режиме солнечной- ориентации.

5) Разработать методику определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО и информационного обеспечения средств ККМ, функционирование которых в составе МГП' позволяет обеспечить требуемые значения величины микроускорений на уровне 10"6go и условия освещенности ПСБ прямым солнечным светом.

6) Выбрать проектные параметры бортовых средств AMO и ККМ, произвести оценку показателей эффективности МГП по данным моделирования функционирования этих средств в составе КА.

Объектом исследований является МГП с программно-аппаратными средствами, решающими задачи AMO и ККМ в процессе полёта.

Предметом исследований является методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств AMO и ККМ МГП.

5. Научная новизна. Разработана методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений на борту МГП.

В структуре данной методики сформулированы и решены следующие задачи:

- обоснованы модели базового ПМО для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, проектные параметры , которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом критерия минимизации ошибки определения возмущений и ограничения на объём памяти алгоритмов« моделей этого ПМО;

- разработана методика определения оптимальных значений проектных параметров»моделей; ПМО бортовых средств AMO, которые обеспечивают расчёт микроускорений? и информационных характеристик этих средств на уровне; требуемых значений в условиях полёта МГП в режиме солнечной ориентации;

- разработана методика определения1 оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств ККМ, которые снижаю т величину микроускорений до уровня, требуемых значений и повышают условия освещённости-! панелей« солнечных батарей! MFTI« прямым? солнечными светом!

6. Практическая ценность работы состоит в следующем.

1) Разработаны схемы» оперативного .управления? в, полёте и информационного обеспечения бортовых средств- анализа; контроля ж компенсации* микроускорений; что позволяет выбирать» режимы работы аппаратуры- с. учётом;данных: состояния поля микроускорений на борту МГП:

2) Обоснованы модели базового ПМО для определения параметров состояния микрогравитационной обстановки и проведена оценка эффективности применения этих моделейспо:данным реальных измерений, полученных в полёте МГП. Выбрана схема информационного обеспечения, которая позволяет повысить точность расчёта м и кроускорений и снизить ошибку определения возмущений внешнего характера;

3)> Определены и* выбраны; проектные параметры моделей ПМО бортовых средств AMO и ККМ, которые обеспечили следующее:

- определение величины микроускорений в низкочастотной части спектра на уровне требуемых значений от 10*6§о и менее;

- возможность передавать в наземный пункт приёма информации средствами радиотелеметрической системы МГП информационные данные состояния поля микроускорений в заданном объёме и с требуемой периодичностью;

- повышение оперативности решения задач анализа, контроля' и компенсации микроускорений, что позволяет планировать работу бортовой аппаратуры в полёте с учетом реальной микрогравитационной обстановки.

4) Функционирование бортовых средств ККМ в составе МГП позволяет:

- снизить величину микроускорений до уровня требуемых значений (10"6 go) и повысить условия освещённости панелей солнечных батарей КА;

- реализовать стабилизированный полёт МГП с упрощенным приборным составом системы управления движением, что позволяет повысить массу полезной нагрузки и снизить среднесуточное энергопотребление.

5) Методика определения проектных параметров средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля, и компенсации микроускорений внедрена в проектную документацию КА «Фотон-М» №2, №3^ №4, КА «Бион-М» №1.

7.' Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносится-методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений в составе следующих основных положений:

- модели базового программно-математического обеспечения для расчёта низкочастотных микроускорений на борту МГП, значения проектных параметров которых выбраны на массиве данных реального полёта с учётом критерия минимизации ошибки определения возмущений и ограничения на объём памяти алгоритмов моделей ПМО;

- методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей ПМО бортовых средств AMO, которые обеспечивают расчёт микроускорений и информационных характеристик этих средств на уровне требуемых значений в условиях полёта МГП в режиме солнечной ориентации;

- методика определения оптимальных значений проектных параметров моделей, ПМО * бортовых средств ККМ; которые снижают величину микроускорений до уровня требуемых значений" и повышают условия освещённости панелей солнечных батарей МГП прямым солнечным светом.

8. Внедрение. Результаты работы, нашли применение в ФГУП Государственный научно- - производственный ракетно-космический центр (ГРШРКЦ) <<ЦСКБ-Прогресс>> при проведении следующих работ.

1) Опытно-конструкторские работы в части анализа величины квазистатических микроускорений, на борту КА. «Фотон-М» №2, №3 (прототип МГП «Фотон»). Разработаны .модели базового ПМО для расчёта величины микроускорений по данным измерений, определяющих параметры движения МГП [32, 33, 34, 35, 38, 39, 42, 43, 44].

2) Опытно-конструкторские работы, связанные с разработкой бортовой научной аппаратуры ГРАВИТОН (прототип бортовых средств AMO) для КА- «Бион-М» №1 (прототип МГП «Фотон-М»). Разработана проектно-конструкторская и эксплуатационная документация, методическое и программное обеспечение для определения основных проектных параметров аппаратуры.ГРАВИТОН [44, 45].

3) Опытно-конструкторские работы, связанные с разработкой, бортовой научной аппаратуры КСКМ (прототип бортовых средств ККМ) для КА «Фотон-М» №4 (прототип МГП «Фотон-М»). Разработана проектно-конструкторская и эксплуатационная документация, методическое и программное обеспечение для определения основных проектных параметров аппаратуры КСКМ [30, 39, 40, 41, 44, 46, 47].

9. Публикация и апробация работы. Содержание работы и её результаты докладывались на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Нижний Новгород, 2006 г.) и на всероссийской-научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества», которая проводилась в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара, 2009 г.).

Основные результаты работы опубликованы^ в рецензируемых изданиях 3 статьи [43, 48, 49], 5 статей в сборниках научных трудов [16, 17, 33, 47, 51], в двух тезисах докладов' [44, 38] и в 9 научно-технических отчетах [27, 28, 32,34,35,39, 40,41,50].

10. Структура работы и личный вклад автора. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 52 наименований и приложения. Общий объём диссертации 187 страниц, в том числе 172 страница основного текста с 46 рисунками.

4.6 Выводы по четвертой главе

В четвертой главе представлена методика определения оптимальных значений проектных параметров бортовых средств анализа контроля и компенсации микроускорений космической МГП, реализованных как аппаратура ККМ. Этот тип аппаратуры предназначен для улучшения показателей эффективности МГП путем компенсации низкочастотных микроускорений и обеспечения условий освещённости ПСБ в орбитальном полёте КА с выключенной СУД. Управляющий механический момент вращения КА создается от взаимодействия магнитного поля Земли и магнитного момента, который инициируется исполнительными элементами аппаратуры ККМ (ортогональной системой электромагнитов).

Для реализации активного режима работы средствами ККМ разработаны схема информационного обеспечения, структура и циклограмма работы алгоритмов моделей ПМО этой аппаратуры. В целях разработки методики определения оптимальных значений проектных параметров бортовых средств-. ККМ. проведена техническая декомпозиция« решения задачи в структуре следующих частных задач.

1) Определение оптимальных значений проектных параметров модели Б аз аппроксимации выборки измерений ВМИ геомагнитного поля. Определен состав проектных параметров этой модели, который представлен следующими компонентами: размерность выборки измеряемых параметров, число коэффициентов аппроксимирующей функции.

Оптимальные значения проектных параметров модели составили: размерности ряда Фурье не менее 29, размерностью выборки измеряемых параметров по каждой составляющей ВМИ не менее 60.

2) Обоснование проектных параметров модели^ Р^а5 расчёта угловых параметров движения МГП. Методическую основу данной модели составляют кинематические уравнения движения МГП, связывающие компоненты- текущей угловой скорости вращения КА с угловыми параметрами движения и измерениями ВМИ геомагнитного поля.

В качестве проектного параметра модели Б а5 выбрана дискретность измерения ВМИ, которая составляет величину не менее 0,5 с и обеспечивает минимум ошибки расчёта составляющей микроускорения, обусловленной круговыми параметрами движения МГП.

3) Определение и выбор проектных параметров модели Гга4 формирования данных ПрТМИ аппаратурой ККМ с обоснованием технических требований к средствам РТС космической МГП. В целях обеспечения переда

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе изложена методика определения проектных параметров программно-аппаратных средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений на борту космической МГП. Применение средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля, и компенсации микроускорений направлено на решение проблемы улучшения ряда показателей эффективности* существующих и проектируемых МГП.

Для исполнения поставленной цели работы, представлены следующие основные результаты исследований.

1) На основании экспериментальных данных, полученных при эксплуатации космических аппаратов научного назначения, определён состав программно-аппаратных средств, решающих задачи анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений до уровня значений 10"6§о и менее в низкочастотной части спектра от 0 до 0,01 Гц.

2) Обоснованы модели базового программно-математического обеспечения для определения параметров состояния микрогравитационной обстановки и проведена оценка эффективности применения этих моделей по данным реальных измерений, полученных в полёте космических аппаратов научного назначения. Выбрана схема информационного обеспечения; которая позволяет повысить точность расчёта микроускорений на 15% и снизить ошибку определения возмущений внешнего характера с 40% до 8%.

3) Разработаны методики определения* оптимальных значений проектных параметров моделей программного и информационного обеспечения бортовых средств анализа микрогравитационной обстановки, контроля и компенсации микроускорений. По данным оценки показателей эффективности микрогравитационной платформы выбраны значения проектных па1 б

1. Авдуевский В. С., Успенский Г. Р. Космическая индустрия. М.: Машиностроение, 1989.-С.568.

2. Авдуевский В. С., Бармин И. В., Гришин С. Д. и др. Проблемы космического производства. М.: Машиностроение, 1980. С.437.

3. Авдуевский В. С., Марков М. Я., Мухоян М. 3., Осипов В. П., Шалимов В. П. Современные тенденции в решении проблем механики невесомости и, космической технологии. //Фундаментальные и прикладные проблемы' космонавтики. №2, 2001. С. 21-25.

4. Белецкий В. В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. Изд-во «Наука», М., 1965. С. 416.

5. Инженерный справочник по космической технике. / Под редакцией А. В. Солодова. Воениздат. МО СССР, М., 1977. С.430.

6. Лебедев А. А., Баранов В. Н., Бобронников В. Т. и др. Основы синтеза систем летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1987. С.224.

7. Модель верхней атмосферы для баллистических расчётов. / ГОСТ Р 25645.166-2004. М., Изд-во стандартов, 2004. С.64.

8. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. / Под редакцией Г. Н. Дубошина. Изд-во «Наука», М., 1976. С.862.

9. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Изд-во Наука, М., 1968. С.720.

10. Основы теории полёта космических аппаратов. / Под редакцией Г. С. Нариманова, М. К. Тихонравова. М.: Машиностроение, 1972. С.607.

11. Козлов Д. И., Аншаков Г. П., Агарков В. Ф. и др. Конструирование автоматических космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1996. — С.447.

12. Коваленко А. П. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., Машиностроение, 1975. С.420.

13. Е. П.Аксенов. Теория движения искусственных спутников Земли. М.: Наука, 1977.-С.360.

14. Соллогуб А. В., Аншаков Г. П., Данилов В. В. Космические аппараты систем зондирования поверхности Земли. М.: Машиностроение, 1993. С.368.

15. Огарков В. И., Пузин Ю: Я.Степанцов И. С. Об одном методе согласования различных моделей, описывающих движение низкоорбитального КА. Инв. № 22330, ЦНТИ «Поиск», Москва, 1982. С. 15.

16. Огарков В. И., Пузин Ю. Я. Об одном методе автономного уточнения параметров движения орбитального КА. Инв. № 28879, ЦНТИ «Поиск», Москва, 1987.-С. 20.

17. Базлов А. П., Пузин Ю. Я. Метод уточнения параметров орбитального движения КА по автономным измерениям дальности до известного наземного ориентира. № 28110, ЦНТИ «Поиск», Москва, 1987. С. 24.

18. Базлов А. П., Пузин Ю. Я. А/с № 330429 от 1.09.1991г., спецтема.

19. Сазонов В. В., Чебуков С. Ю., Абрашкин В. И. и др. Анализ низкочастотных микроускорений на борту ИСЗ «Фотон-11». РАН, ИПМ имени М. В. Келдыша. М., 1999. С. 36.

20. Агарков В. Ф., Козлов В. Д., Горелов Ю. Н. и др. Теория микрогравитации, цифровые модели, измерения в полёте, методология проектирования микрогравитационных платформ. / Сборник статей. Самара, 25-30 июня 2000. -с.298-341.

21. В. И. Абрашкин, А. Е. Казакова, А. С. Зайцев и др. Определение вращатель ного движения спутника «Фотон-12» по данным бортовых измерений магнитного поля Земли. РАН, ИПМ им. М. В. Келдыша, Препринт № 60. М., 2000.-С. 30.

22. М. Ю. Овчинников, В. И. Пеньков, И. Ю. Кирюшкин и другие. Опыт разработки, создания и эксплуатации магнитных систем ориентации малых спутников. РАН, ИПМ им. М. В. Келдыша, Препринт № 53. М., 2002. С. 26.

23. Семкин Н. Д., Бобин Д. Г., Абрашкин В. И., Белоконов И. В., Балакин В. Л. Патент на изобретение № 2185311 «Устройство компенсации микроускорений на борту космического аппарата». Самарский государственный аэрокосмический университет. 2000. С. 3.

24. В. И. Абрашкин, В. Л. Балакин, И. В. Белоконов и др. Неуправляемое вращательное движение спутника «Фотон-12» и квазистатические микроускорения на его борту. // Космические исследования. 2003. Т. 41. №1. С.45-46.

25. Сазонов В. В., Чебуков С. Ю., Абрашкин В. И., Зайцев А. С. Анализ низкочастотных микроускорений на борту ИСЗ «Фотон-11». // Космические исследования, 2001. Т.39 №4. с. 419-435.

26. Разработка автоматизированного комплекса компьютерного моделирования «Анализ целевой эффективности КА научного назначения». Отчет по ОКР 2-ХД-04, СНИЦ «Перспектива», Самара, 2004.- С. 162.

27. Методика расчёта уровня микроускорений на борту КА типа «Фотон» и выбор параметров конструктивной компоновки научной и обеспечивающей аппаратуры. Технический отчет 353П-000-29003-1103, ЦСКБ-Прогресс, Самара, 2004. С. 130.

28. Абрашкин В.И. Методы и средства повышения эффективности низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ЦСКБ Прогресс, Самара, 2004. - С. 187.

29. М. Ю. Овчинников, В. И. Пеньков, Д. С. Ролдугин. Ориентирование спутника гироскопа магнитной системой управления в инерциальном пространстве. ИПМ им. М. В. Келдыша. Препринт № 27. М., 2010. - С. 28.

30. Космический комплекс «Фотон М» №2. Отчет по результатам летных испытаний космического аппарата «Фотон - М» №2. Технический отчет 353П - 34КС - 29950 - 1103, ЦСКБ - Прогресс, Самара, 2005. - С. 136.

31. Анализ эффективности бортовых средств компенсации микроускорений по данным математического моделирования целевого функционирования КА «Фотон-М». Научно-технический отчет 353П 34КС - 32246 - 1103, ЦСКБ - Прогресс, Самара, 2007.- С.63.

32. Космический комплекс «ФОТОН-М» №3. Отчет по результатам летных испытаний космического аппарата «Фотон-М» №3, 353П 34КС - 32335 -1103, ЦСКБ - Прогресс, Самара, 2007.- С. 122.

33. Разработка, изготовление и поставка аппаратуры ГРАВИТОН для измерениямикроускорений на борту КА «Бион-М» №1. Техническое задание на ОКР «Бион-М» №1, 12КСМ 160 - 1103 - 2008 ТЗ, ЦСКБ - Прогресс, Самара, 2008. - С. 26.

34. Разработка, изготовление и поставка аппаратуры КСЬСМ для КА «Фотон-М» №4. Техническое задание на ОКР «Фотон-М» №4, 34КСМ 126 - 1103 -2009 ТЗ, ЦСКБ-Прогресс, Самара, 2009. - С. 66.

35. Абрашкин В. И., Пузин Ю. Я. Выбор параметров средств контроля и компенсации микроускорений низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы. "Издательство Машиностроение", журнал "Полёт" № 2, 2011 г.-с. 25- 35*\

36. Техническое описание программно-математического обеспечения моделирования целевого функционирования КА «Бион-М» №1 с научной аппаратурой ГРАВИТОН. Техническое описание, 353П 12КСМ - 37276 - 1103, ЦСКБ - Прогресс, Самара, 2010. - С. 100.

37. Лезина И. В., Пузин Ю. Я. Аппроксимативный анализ низкочастотной составляющей микроускорений на борту ИСЗ. "Радиотехника и связь", сборник научных трудов, Саратов: СГТУ 2009. с. 17-22.