автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение специального математического и программного обеспечения для управления полетом космических аппаратов

Введение.

Глава 1. Определение фактического движения связки :"Мир"- "Шаттл" в режиме гравитационной ориентации.

1.1. Математическая модель вращательного движения.

1.2. Данные измерений и методы их обработки.

1.3. Результаты обработки.

Глава 2. Определения ориентации орбитальной станции "Мир" при проведении научных экспериментов.

2.1. Контроль ориентации орбитальной станции по телеметрической информации от датчиков угловой скорости.

2.2. Уточнение ориентации орбитальной станции по телеметрической информации от солнечных датчиков.

2.3. Уточнение ориентации орбитальной станции по телеметрической информации от оптического звездного датчика.

Глава 3. Определение тензора инерции Международной космической станции по телеметрической информации.

3.1. Изменение кинетического момента* гироцинов.

3.2. Аппроксимация вращательного движения станции сплайнами.

3.3. Аппроксимация вращательного движения станции с помощью рядов Фурье.

Глава 4. Использование математического моделирования при управлении геостационарным спутником связи ЛЯмал —100".

4.1. Оценивание параметров электрических реактивных двигателей ГСС "Ямал".

4.2. Управление кинетическим моментом геостационарного спутника связи "Ямал - 100" при проведении коррекции орбиты.

0.1. Краткая историческая справка и обзор темы исследования.

Выполнение программы полета различных космических аппаратов (КА) связано с осуществлением различных динамических операций - выведением аппарата на заданную орбиту и ее коррекция, разворотами КА, поддержанием ориентации аппарата и т.д. Перед принятием решения о выполнении указанных операций выполняется математическое моделирование с целью определения их реализуемости.

Вопросам математического моделирования посвящено большое количество работ ([2], [9], [10], [12], [13], [18], [28], [29], [30], [31], [32], [33]), результаты которых используются в настоящей работе. Для решения различных научных и прикладных задач важное значение имеет управление угловым положением КА [10], [11]. Интерес к этой проблеме определяется ее прикладным значением (гравитационная стабилизация КА, стабилизация КА быстрым вращением, вклад гравитационных моментов в общую эволюцию вращения и ориентации спутника). Ясность постановки задачи в сочетании с современными методами исследования (асимптотические методы, теория устойчивости движений) позволили получить ряд результатов, составляющих в целом развернутую теорию относительного движения спутника в гравитационном поле.

Относительно центра масс управление движением КА осуществляется, как правило, силовыми гироскопами (СГ). Однако, в процессе эксплуатации различных аппаратов выяснилось, что возможны ситуации, в которых управление ориентацией с помощью силовых гироскопов в силу разных причин не эффективно. Например, в случае недостаточного ресурса системы СГ по кинетическому моменту. Такая ситуация имела место при совместном полете орбитального комплекса "Мир" и "Шаттл". В этом случае для экономии топлива пришлось использовать специальный режим — режим гравитационной ориентации связки "Мир" - "Шаттл", анализ возможности применения которой дан в следующих работах [31], [32].

Эффективное управление ориентацией космического аппарата, проведение на борту ряда экспериментов, связано с необходимостью построения и поддержания с высокой точностью ориентации КА. Исследованию вопроса определения ориентации различных космических аппаратов придавалось большое значение ([9], [12], [13], [18], [19]). Для решения задачи определения ориентации КА используется информация от разных приборов, установленных на его борту - звездных и солнечных датчиков, датчиков инфракрасной вертикали, датчиков угловой скорости. Совместное использование этих приборов позволяет определять ориентацию космического аппарата с высокой надежностью и точностью.

На нынешнем этапе развития космонавтики в условиях постоянно растущих требований к точности проведения различных динамических операций возникает необходимость определить состояние космического аппарата в определенный момент времени или на каком - либо временном интервале. Это возможно выполнить при наличии соответствующих математических моделей, способных, учитывая текущие параметры аппарата, осуществить требуемые расчеты. Известно, что точность результатов моделирования неразрывно связана с точностью исходных данных, которые не всегда можно с необходимой достоверностью получить проведя элементарные измерения. В этом случае приходится использовать различные методы статистической обработки телеметрической информации ([24], [25], [26]), поступающей с борта космического аппарата от различных систем. Например, путем статистической обработки информации об ориентации орбитального комплекса "Мир" и суммарном кинетическом моменте гиродинов выполнялось определение недиагональных и разности диагональных компонент его тензора инерции [30], [33]. В работе [1] рассматривается возможность определения тензора инерции аппарата в полете при измерении угловой скорости аппарата и гашении этой скорости с помощью газореактивных двигателей. Применение различных способов обработки информации ([23], [24], [25], [26], [27], [37], [38]) предоставляет возможность оценивания и других, влияющих на эффективность управления полетом, характеристик КА (параметров реактивных двигателей, светового давления, положения центра масс и т.д.).

0.2. Общая характеристика работы.

Актуальность исследования.

Наличие соответствующих математических моделей позволяет оптимизировать управление космическим аппаратом, а в ряде случаев, когда механическое воздействие на какую - либо систему невозможно, изменить негативно складывающуюся ситуацию в позитивном направлении. Актуальность представляемых задач возросла в связи с разработкой и эксплуатацией космических аппаратов нового поколения: орбитальных станций "Мир", МКС, геостационарных спутников связи (ГСС) серии "Ямал". Для этих КА характерно применение новых бортовых систем, в частности системы управления движением, основанной на использовании инерционных исполнительных органов, длительный срок эксплуатации, сложные целевые задачи и т.д. Без создания и использования комплекса специальных математических моделей эффективно управлять КА нового поколения невозможно. Например, модель управления кинетическим моментом геостационарного спутника связи "Ямал - 100" с помощью момента от силы светового давления и магнитного момента, создаваемого магнитонеуравновешенными солнечными батареями, позволила избежать необходимости разгрузки накопленного гиросистемой кинетического момента между коррекциями орбиты с помощью реактивных двигателей, а модель управления кинетическим моментом гиросистемы в процессе коррекции орбиты путем целенаправленного смещения центра масс спутника позволила рациональнее использовать ресурс реактивных двигателей по числу включений. В конечном счете обе эти модели дают возможность продлить срок эксплуатации спутника.

Точность определения ориентации КА имеет решающее значение для правильной интерпретации результатов многих экспериментов, проводимых на борту аппарата, расчета теплового режима КА, режима работы солнечных батарей. Так, например, на модуле "Природа", входившем в состав орбитальной станции "Мир" была установлена аппаратура MOMS - 2Р. Эта аппаратура представляла собой специальным образом установленные три отдельные камеры, предназначенные для съемок земной поверхности. Для правильной интерпретации результатов съемок необходима достаточно точная привязка положения ОС на орбите, а также пространственная привязка направления визирования аппаратуры MOMS-2P.

При математическом моделировании вращательного движения различных КА для нужд управления полетом и решения ряда научных и прикладных задач необходимо достаточно точно знать ее динамические характеристики: тензор инерции, аэродинамические параметры и т. п. Время от времени эти характеристики меняются, и не всегда их изменение удается найти расчетным путем. Между тем, максимально точное знание этих характеристик позволит повысить эффективность и рациональнее расходовать ресурс рабочего тела для управления ориентацией КА.

Для успешной эксплуатации геостационарного спутника (ГСС) "Ямал - 100" на орбите в течение 10 лет требуется эффективное управление его полетом, что связано с решением задач по равномерной рациональной выработке ресурсов всех служебных систем аппарата. Электрические реактивные двигатели (ЭРД) являются одними из наиболее ресурсонапряженных элементов системы исполнительных органов ГСС. Выработка ресурса ЭРД по числу включений и длительности работы во многом предопределяет срок эксплуатации спутника. Кроме того, номинальный ресурс всех двигателей по числу включений и продолжительности работы в процессе эксплуатации должен вырабатываться равномерно, что является важным условием для успешного выполнения программы полета в целом. Для решения указанной задачи с помощью математического моделирования движения ГСС необходимо определить весь спектр внешних возмущений, действующих на спутник: момент от силы светового давления, магнитный момент солнечных батарей (СБ), которые в последующем используются для управления кинетическим моментом в системе силовых гироскопов, значения моментов и тяг ЭРД и др.

Оценка влияния положения центра масс на величину возмущающих моментов, создаваемых ЭРД, позволяет за счет неравномерной выработки топлива в баках двигательной установки проводить целенаправленное смещение центра масс спутника для взаимного компенсирования управляющих моментов от ЭРД, участвующих в коррекции орбиты, что ведет к выравниванию использования ресурса ЭРД и, в конечном счете, дает возможность продлить срок эксплуатации ГСС.

Цель и задачи работы.

Целью диссертации является разработка и внедрение математических моделей для повышение эффективности управления полетом КА. Из сформулированной цели вытекают следующие задачи, решению которых посвящена настоящая работа:

•S разработка и практическая реализация математической модели определения фактического движения связки "Мир" - "Шаттл" в режиме гравитационной стабилизации; S разработка и реализация методики определения ориентации ОК "Мир" при совместном использовании для этих целей различных датчиков (датчиков угловой скорости, солнечных и звездных датчиков); •S разработка и реализация математических моделей оценки инерционных параметров Международной космической станции на базе методов статистической обработки измерительной информации;

•S разработка и реализация математических моделей оценки параметров реактивных двигателей ГСС "Ямал - 100" на базе статистической обработки измерительной информации; S разработка и реализация методики управления кинетическим моментом гиросистемы ГСС "Ямал - 100" в процессе коррекции орбиты.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость работы состоит в создании и внедрении комплекса программно - математического обеспечения для планирования программы полета и проведения экспериментов на ОК "Мир", Международной космической станции, геостационарном спутнике "Ямал -100", а также предназначенного для управления перспективными КА. По материалам работ защищены шесть патентов Российской Федерации на изобретения, внедрение которых на ГСС "Ямал - 100" позволило продлить срок эксплуатации спутника (акты внедрений № 6829, 6957, 6955, 6956, 6958, 6959).

В процессе создания и внедрения данного комплекса программ было: S разработано программное обеспечение для персональных компьютеров, предназначенное для планирования программы полета КА: S выпущены инструкции пользователям программного обеспечения.

Представляемый комплекс успешно эксплуатировался при управлении ОК "Мир" и продолжает использоваться при управлении МКС и ГСС "Ямал-100".

0.3. Структура и содержание диссертации.

Структура диссертации обусловлена поставленными задачами и включает в себя введение, четыре главы, заключение, библиографию и приложения.

Заключение.

В представленной работе обоснована актуальность применения математического моделирования при управлении современными космическими аппаратами различных типов. Решен ряд задач, имеющих несомненное практическое значение: S представлена математическая модель определения движения связки ОК "Мир" и "Шаттла", в режиме гравитационной ориентации.

S разработаны методики определения ориентации ОК "Мир" при использовании различных приборов, входящих в состав системы управления движением (ОЗД, СД, ДУС); S предложена методика определения тензора инерции МКС на основе статистической обработки телеметрической информации об ориентации МКС и суммарном кинетическом моменте гиросистемы;

S разработаны математические модели, позволяющие определять параметры реактивных двигателей ГСС "Ямал - 100" и методика управления кинетическим моментом спутника в процессе проведения коррекции его орбиты путем целенаправленного смещения центра масс.

183

Приведены примеры использования представленных математических моделей и методов при управлении орбитальным комплексом "Мир", МКС и ГСС "Ямал - 100". Многие результаты работы могут быть использованы и в процессе эксплуатации других космических аппаратов, использующих для выполнения своей программы полета аналогичную измерительную аппаратуру и инерционные исполнительные органы.

На базе представленных математических моделей было разработано программное обеспечение, которое использовалось при управлении ОК "Мир" и в настоящее время эксплуатируется при управлении МКС и ГСС "Ямал - 100". Планируется использование данного программного обеспечения для управления последующими геостационарными спутниками серии "Ямал".

1. Алексеев К.Б., Николаев Н.В. Об одном способе определения тензора инерции аппарата в полете. "Механика твердого тела", 1989, №2.

2. Бабкин Е.В., Беляев М.Ю., Ефимов Н.И., Сазонов В.В., Стажков В.М. Неуправляемое вращательное движение орбитальной станции "Мир". Космические исследования, 2001, т. 39, N 1, стр. 27-42.

3. Банит Ю.Р. Определение тензора инерции космического аппарата по телеметрической информации. Электронный журнал "Научные Труды Московского Государственного Университета Леса", 2003г.

4. Банит Ю.Р. Математические модели разработанные для управления геостационарным спутником связи "Ямал — 100". Электронный журнал "Научные Труды Московского Государственного Университета Леса", 2003г.

5. Банит Ю.Р., Беляев М.Ю., Добринская Т.А., Ефимов Н.И., Сазонов В.В., Стажков В.М. Определение тензора космического аппарата по телеметрической информации. Препринт Ордена Ленина ИПМ им. Келдыша, 2002г.

6. Банит Ю.Р., Богачев А.В. Разработка новых методов управления движением геостационарного спутника связи "Ямал 100" для обеспечения выполнения программы полета. Доклад на городском конкурсе им. академика С.П. Королева, 2002г.

7. Банит Ю.Р., Ковтун B.C. Способ управления космическим аппаратом с помощью силовых гироскопов и реактивных двигателей, расположенных под углом к осям связанного базиса. Патент Российской Федерации RU № 2197412 С1. 2002г.

8. Белецкий В.В., Голубков В.В., Степанова Б.А., Хацкевич И.Г. Определение ориентации искусственных спутников по данным измерений. Москва 1967г., т.1, 195стр, т.2 1968г., 165стр.

9. Белецкий В.В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. "Наука", 1965г.

10. П.Белецкий В.В., Зонов Ю.В. Вращение и ориентация третьего искусственного спутника. Сб. "Искусственные спутники Земли", вып. 7. Изд во АН ГССР, 1961г.

11. Беляев М.Ю., Ефимов Н.И., Сазонов В.В. Определение ориентации орбитального комплекса « Мир » по показаниям оптического звездного датчика. Космические исследования, 1995, т.33,№ 4, с. 395-402.

12. Belyaev M.Yu., Sazonov V.V., Efimov N.I., Lapshina I.L. Determination of the attitude motion of the "Mir" orbital complex by the measurements from optical star sensor. Space flight Dynamics, Toulouse, France, CNES, June 1995, 199-203.

13. Беляев М.Ю., Сазонов B.B., Ефимов Н.И., Стажков В.М., Лапшина И.Л., Банит Ю.Р. Гравитационная ориентация связки "Мир" "Шаттл". "Космические исследования", 1997г. том 35, № 3 стр. 263-271.

14. Beliaev M.Yu., Efimov N.I., Banit Yu.R., Frank H., Feucht U. "MOMS 2P" Camera Sighting Areas Determined During Earth Surface Survey". 12th International Simposium on Space Flight Dinamics. ESOC, Darmstadt, Germany, 2- 6 June 1997, p. 239- 244.

15. Беляев М.Ю., Сазонов В.В., Ефимов Н.И., Стажков В.М., Лапшина И.Л., Банит Ю.Р. Гравитационная ориентация связки "Мир" "Шаттл". Препринт № 26 за 1996г. Ордена Ленина ИПМ им. Келдыша.

16. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М., Наука, 1973г., 350стр.

17. Катаргин М. Ю. Алгоритм среднеквадратичной оценки ориентации космических аппаратов и его погрешности. Космические исследования, том 24, N6, 1986, стр. 826-830.

18. Ковтун B.C., Платонов В.Н., Банит Ю.Р. Способ управления кинетическим моментом космического аппарата в процессе коррекции орбиты и система для его реализации. Патент Российской Федерации RU № 2178760 С1. 2001г.

19. Ковтун B.C., Платонов В.Н., Банит Ю.Р. Способ управления кинетическим моментом космического аппарата в процессе коррекции орбиты и система для его реализации. Патент Российской Федерации RU № 2178761 С1. 2001г.

20. Ковтун B.C., Банит Ю.Р. Способ определения магнитного момента солнечных батарей космического аппарата с системой силовых гироскопов. Патент Российской Федерации RU №2176972 С 1.2000г.

21. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. М., Физматгиз, 1961г.

22. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1962г., 300 с.

23. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. Издательство "Наука". Москва 1977г., 456стр.

24. Растригин Л.А. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968г., 376с.

25. Reinsch С.Н. Smoothing by spline functions. Numerische mathematik, 1975, B. 24, N 5, S. 383-393.

26. Ryumin V.V., Belyaev M.Yu. Problems of control arised during the implementation of scientific research program onboard the multipurpose orbital station // Acta Astronautica. Vol. 15. September. 1987, pp. 739-746.

27. Сазонов B.B., Комаров M.M., Беляев М.Ю., Зыков С.Е., Стажков И.М. Оценка квазистатической компоненты микроускорения на борту искусственного спутника Земли. Препринт Института прикладной математики РАН, 1995, №45.

28. Сазонов В.В., Беляев М.Ю., Зыков С.Г. Исследование задачи оценивания тензора инерции орбитальной станции "Мир" поданным измерений кинетического момента гиродинов. Космические исследования, 1994, т. 32, N 3, стр. 3-16.

29. Сарычев В.А., Сазонов В.В., Беляев М.Ю., Ефимов Н.И., Лапшина И.Л. Определение пассивного вращательного движения орбитальной станции « Мир » по измерениям напряженности геомагнитного поля. Препринт Института прикладной математики РАН, 1993, № 42

30. Сарычев В.А., Сазонов В.В., Беляев М.Ю., Ефимов Н.И., Лапшина И.Л. Определение пассивного вращательного движения орбитальной станции « Мир » по измерениям напряженности геомагнитного поля. Космические исследования, 1995, т.ЗЗ, №1, с. 12-19.

31. Сарычев В.А., Сазонов В.В., Беляев М.Ю., Зыков С.Г., Чебукова Е.Ю. Оценивание тензора инерции орбитальной станции "Мир" по данным измерений кинетического момента гиродинов. Космические исследования, 1994, т. 32, N 4-5, с. 22 -42.

32. Модель верхней атмосферы для баллистических расчетов. ГОСТ 22721-77. М., Изд-во стандартов, 1978г.

33. Grace Wahba. A least square extimated of satellite attitude. SIAM Rev., 1966, July, p. 384.

34. М. Yu. Belyaev, V.V.Sazonov, N.I. Efimov, I.L. Lapshina. Determination of the attitude motion of the Mir Orbital Complex by the measurements from optical star sensor. Space Flight Dynamics, Toulouse, France, June, 1995, pp.199 203.

35. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. Государственное издательство физико математической литературы. Москва 1960г. 344стр.

36. Эльясберг П.Э. Измерительная информация: сколько ее нужно? Как ее обрабатывать? Главная редакция физико -математической литературы. Москва 1983г. 207стр.

37. Банит Ю.Р., Беляев М.Ю., Добринская Т.А., Ефимов Н.И., Сазонов В.В., Стажков В.М. Определение тензора инерции Международной космической станции по телеметрической информации. Доклад на XXVII академических чтениях по космонавтике. Москва 2003г.

38. Банит Ю.Р., Ковтун B.C. Способ управления ориентацией космического аппарата, снабженного бортовым радиотехническим комплексом. Патент Российской Федерации RU№ 2191721 С1. 2002г.

39. Банит Ю.Р., Ковтун B.C. Чернопятов А.Н. Способ определения инерционных характеристик космического аппарата в процессе