Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса и постановка задачи исследования 18
1.1 Методические подходы к формированию проектного облика и выбору основных проектных характеристик космических аппаратов дистанционного зондирования Земли на начальных этапах проектирования 18
1.2 Конструктивные схемы и внешние устройства космических аппаратов дистанционного зондирования Земли
1.2.1 Космические аппараты оптического наблюдения 21
1.2.2 Космические аппараты радиолокационного зондирования Земли 1.3 Анализ требований внешним устройствам и влияние мест и углов их установки на целевые характеристики 26
1.4 Схемы орбитального полёта и целевого функционирования 31
1.5 Критерии выбора мест и углов установки внешних устройств 1.5.1 Критерии ориентации панелей солнечной батареи 35
1.5.2 Критерий выбора предпочтительных мест установки панелей радиаторов охлаждения системы терморегулирования 36
1.5.3 Критерий выбора мест установки и ориентации антенных устройств высокоскоростной радиолинии 37
1.5.4 Критерий выбора мест установки и ориентации оптических устройств лазерных систем передачи видеоинформации 39
1.5.5 Критерии выбора предпочтительных мест установки и ориентации звёздных датчиков 39
1.5.6 Критерии выбора для предпочтительных мест установки антенн системы спутниковой навигации 41
1.6 Недостатки существующих методик, выбор цели и постановка задачи исследования 42
1.6.1 Недостатки существующих методик по выбору мест и углов ориентации внешних устройств 42
1.6.2 Цель работы и постановка задачи исследования 44
1.6.3 Выбор основного метода моделирования 46
1.6.4 Выбор метода моделирования геометрии и внешних устройств 48
1.6.5 Основные ограничения и допущения 48
2 Разработка математических моделей для выбора мест и углов установки внешних устройств космических аппаратов дистанционного зондирования земли 51
2.1 Математические модели и алгоритмы для оценки среднесуточного косинуса угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости панели солнечных батарей 51
2.1.1 Ориентированный полёт с учётом целевых разворотов 52
2.1.2 Алгоритм и уточнённые математические модели 56
2.1.3 Неориентированный полёт 61
2.2 Разработка математических моделей и алгоритма для оценки показателя эффективности при выборе предпочтительных мест установки радиаторов охлаждения 64
2.2.1 Расчётная схема с радиатором охлаждения 65
2.2.2 Расчётная схема радиатора охлаждения 66
2.2.3 Алгоритм и используемые математические модели 68
2.3 Модели и алгоритмы для оценки показателя эффективности при выборе мест установки антенных устройств высокоскоростной радиолинии 71
2.3.1 Расчётная схема и суть моделирования 71
2.3.2 Алгоритм и модели для оценки относительного времени радиовидимости космического аппарата дистанционного зондирования Земли и наземного пункта приёма информации 72
2.4 Модели и алгоритмы для оценки относительного времени взаимной
видимости передающих устройств межспутниковой лазерной системы
передачи информации и спутника-ретранслятора 77
2.4.1 Расчётная схема и суть моделирования 77
2.4.2 Алгоритм для оценки относительного времени радиовидимости космического аппарата и спутника-ретранслятора 79
2.5 Разработка математических моделей и алгоритмов для оценки показателя эффективности при выборе мест и углов установки звёздных координаторов 81
2.5.1 Суть моделирования 81
2.5.2 Алгоритм и используемые математические модели 84
2.6 Разработка математических моделей и алгоритмов для оценки показателя эффективности при выборе предпочтительных мест установки антенн системы спутниковой навигации 86
2.6.1 Расчётная схема 86
2.6.2 Алгоритм и модели для оценки относительного времени взаимной видимости приёмной антенны космического аппарата дистанционного зондирования Земли и навигационных спутников 88
3 Совершенствование методического обеспечения моделирования целевого функционирования космических аппаратов дистанционного зондирования земли 96
3.1 Моделирование орбитального движения 96
3.2 Оценка условий функционирования при имитационном моделировании
3.2.1 Модель для оценки факта нахождения объекта наблюдения в зоне обзора космического аппарата 98
3.2.2 Модели для определения факта нахождения космического аппарата в световом пятне 100
3.2.3 Модели и алгоритм для определения текущих значений географических координат центра светового пятна 103
3.2.4 Модели для отображения границы светового пятна в двумерной системе координат 104
3.2.5 Модели для определения факта нахождения космического аппарата в тени Земли 105 3.2.6 Модель для оценки нахождения космического аппарата в тени Земли на основе трассировки лучей 106
3.3 Математические модели и алгоритмы для оценки взаимной видимости космических аппаратов 108
3.3.1 Модели и алгоритм для оценки видимости стационарного спутника-ретранслятора с низкоорбитального космического аппарата дистанционного зондирования Земли 108
3.3.2 Модели и алгоритмы для оценки взаимной видимости космического аппарата зондирования Земли и навигационного спутника 110
3.3.3 Модели и алгоритм для оценки взаимной видимости двух космических аппаратов на основе трассировки луча видимости 113
3.4 Моделирование разворотов космического аппарата дистанционного зондирования Земли в процессе съёмки 114
3.4.1 Суть имитации разворотов 114
3.4.2 Имитация разворотов космического аппарата дистанционного зондирования Земли оптического наблюдения 116
3.4.3 Имитация разворотов космического аппарата дистанционного зондирования Земли радиолокационного наблюдения 117
4 Разработка программного обеспечения для оценки показателей эффективности при выборе мест установки и пространственной ориентации внешних устройств космического аппарата дистанционного зондирования земли 121
4.1 Описание программного обеспечения для оценки показателей эффективности при установке внешних устройств 121
4.1.1 Назначение программы 121
4.1.2 Логическая структура программы 122
4.1.3 Использование платформы создания приложений FireMonkey для трёхмерной визуализации 123
4.1.4 Входные и выходные данные 126
4.1.5 Руководство оператора 126
4.2 Описание программного обеспечения для оценки количества навигационных спутников, видимых с борта космического аппарата дистанционного зондирования Земли 131
4.2.1 Назначение программы 131
4.2.2 Логическая структура программы 132
4.2.3 Входные и выходные данные 132
4.1.1 Руководство оператора 132
4.3 Тестирование программного обеспечения 135
4.3.1 Проверка адекватности трёхмерных моделей космических аппаратов и этапов функционирования с помощью визуализации 135
4.3.2 Проверка адекватности моделей и алгоритмов для оценки косинуса угла между нормалью к поверхности панели солнечной батареи и направлением на Солнце 136
4.3.3 Проверка адекватности моделей и алгоритмов оценки показателя эффективности для радиаторов охлаждения 139
4.3.4 Проверка адекватности моделей и алгоритмов для оценки показателя эффективности устройств передачи информации 142
4.3.5 Проверка адекватности моделей и алгоритмов для оценки показателей эффективности при установке звёздных датчиков 144
4.3.6 Проверка адекватности моделей и алгоритмов для оценки показателей эффективности при установке антенн системы спутниковой навигации 146
5 Разработка и внедрение методики выбора мест установки и пространственной ориентации внешних устройств космических аппаратов дистанционного зондирования земли 148
5.1 Методика выбора мест установки и ориентации внешних устройств космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 148
5.2 Иллюстрация некоторых результатов внедрения методического и программного обеспечения 154
5.2.1 Расчёт среднесуточной мощности солнечных батарей космического аппарата «АИСТ-1» 154
5.2.2 Выбор углов установки неподвижных панелей солнечных батарей для конкретных параметров орбит 156
5.2.3 Выбор ориентации панелей солнечной батареи и радиаторов охлаждения космического аппарата радиолокационного наблюдения с учётом параметров орбит 158
5.2.4 Внедрение результатов диссертационной работы 163
Заключение 164
Список сокращений и условных обозначений 166
- Конструктивные схемы и внешние устройства космических аппаратов дистанционного зондирования Земли
- Разработка математических моделей и алгоритма для оценки показателя эффективности при выборе предпочтительных мест установки радиаторов охлаждения
- Модель для оценки факта нахождения объекта наблюдения в зоне обзора космического аппарата
- Описание программного обеспечения для оценки количества навигационных спутников, видимых с борта космического аппарата дистанционного зондирования Земли
Введение к работе
Актуальность. Современные космические аппараты (КА) детального оперативного дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) характеризуются наличием большого количества внешних элементов. К таким элементам относятся солнечные батареи (СБ), радиаторы охлаждении (РО), звёздные датчики (ЗД) или блоки определения координат звёзд (БОКЗ), антенны высокоскоростной радиолинии (ВРЛ), передающие устройства межспутниковой лазерной системы передачи информации (МЛСПИ), антенны системы спутниковой навигации (ССН) и др.
Одной из важных задач на начальных этапах проектирования является размещение внешних устройств на корпусе КА, оказывающих существенное влияние на проектный облик КА и целевые характеристики космической системы (КС) (производительность съёмки, оперативность доставки видеоинформации на Землю, точность привязки координат снимка и др.), а также на частные показатели эффективности бортовых систем (среднесуточная мощность солнечной батареи, мощность системы терморегулирования и др.).
Выполнить установку внешних устройств можно большим количеством вариантов. Однако проблема состоит в том, чтобы выбор мест и номинальных углов установки таких устройств производился по некоторым критериям, которые бы обеспечили повышение целевых показателей КС и частных показателей бортовых систем КА ДЗЗ.
Решение задачи размещения внешних устройств на КА зависит от множества
факторов. К таким факторам относятся параметры рабочей орбиты, орбитальное движение
КА, конфигурация корпуса и внешних устройств КА, его ориентация относительно
Солнца, звёздного неба, наземных пунктов приёма и передачи видеоинформации (НППИ),
спутников-ретрансляторов (СР), навигационных спутников (НС) в процессе
функционирования и целевых разворотов корпуса КА при съёмке участков земной поверхности и выполнения других операций, связанных с изменением ориентации КА.
Степень разработанности темы. Исследованию моделирования целевого функционирования КА ДЗЗ посвящено большое количество работ. Вопросы размещения внешних устройств на КА ДЗЗ на основе комплексного анализа динамики функционирования КА наиболее полно изложены в работах А. А. Лебедева,
A. В. Ильичёва, В. А. Грущанского, Ф. Г. Ханцеверова, В. В. Остроухова, Г. П. Аншакова,
О. М. Алифанова, Ю. А. Матвеева, В. Н. Зимина, А. В. Соллогуба, А. А. Золотова,
B. В. Малышева, Н. А. Тестоедова, О. П. Кишева, Ю. О. Бахвалова, В. Я. Гечи и др.
Несмотря на достигнутые значительные успехи важной остаётся задача повышения эффективности бортовых систем КА, элементы которых имеют внешние устройства, размещённые на корпусе КА. Задача усугубляется тем, что на этапе проектирования невозможно предвидеть все целевые развороты КА, так как параметры снимаемых объектов закладываются на борт в процессе эксплуатации и периодически обновляются. То есть, имеется неопределённость поведенческого характера.
Существующие методики решения данной задачи имеют ограничения по количеству учитываемых факторов, не позволяют проводить оценку частных показателей эффективности в динамике, в том числе не позволяют учитывать неопределённый характер разворотов КА в процессе целевого функционирования.
Целью работы является повышение показателей эффективности космических аппаратов дистанционного зондирования Земли за счёт разработки и внедрения в практику проектирования научно обоснованного методического и программного обеспечения для рационального размещения внешних устройств с учётом критериев эффективности и назначения каждого отдельного устройства, изменения в процессе орбитального движения и целевых разворотов корпуса КА по отношению к Земле, Солнцу, звёздному небу, наземным пунктам приёма информации, спутникам-ретрансляторам, навигационным спутникам.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи исследования.
1. Провести анализ современного состояния вопроса, выявить логические пути
влияния проектных характеристик внешних устройств КА ДЗЗ на целевые характеристики
КС, сделать анализ существующих критериев и методик по выбору мест и углов установки
внешних устройств КА ДЗЗ, выявить недостатки существующих методик.
2. Разработать математические модели для выбора мест и пространственной
ориентации установки внешних устройств космических аппаратов ДЗЗ с учётом
назначения каждого отдельного устройства и схем функционирования.
-
Усовершенствовать методическое обеспечение моделирования целевого функционирования КА ДЗЗ с целью интеграции с существующим программным обеспечением в части оценки условий полёта КА, влияющих на показатели эффективности внешних устройств КА.
-
Разработать программное обеспечение (ПО) для оценки показателей эффективности при выборе предпочтительных мест установки и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ; провести тестирование ПО, проверку адекватности разработанных моделей.
5. Разработать методику выбора мест установки и пространственной ориентации
внешних устройств КА на основе созданных моделей и программного обеспечения;
проиллюстрировать некоторые результаты внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
- математические модели и алгоритмы для оценки показателей эффективности при
выборе мест и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ: неподвижных панелей солнечных
батарей, радиаторов охлаждения, антенных устройств высокоскоростной радиолинии,
передающих устройств межспутниковой лазерной системы передачи информации,
звёздных датчиков, антенн системы спутниковой навигации;
- частные математические модели (для оценки условий нахождения КА в тени
Земли, световом пятне, взаимной видимости аппаратов космической группировки,
взаимной видимости КА ДЗЗ и наземного пункта приёма информации, для моделирования
целевых разворотов КА), интегрированные с существующим методическим и
программным обеспечением для моделирования целевого функционирования КА;
- программное обеспечение для оценки показателей эффективности при выборе мест
установки и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ с учётом имитации орбитального
полёта и целевых разворотов КА;
- методика выбора мест установки и пространственной ориентации внешних
устройств КА ДЗЗ с учётом назначения каждого отдельного устройства, его геометрии и
экранирования; целевых разворотов, результаты внедрения методики.
Методы исследования. В работе использованы методы имитационного моделирования орбитального движения, оценки условий функционирования, разворотов КА ДЗЗ по целевому назначению, взаимодействия с другими объектами орбитальной группировки. Для решения частных задач использовались методы твёрдотельного моделирования, методы объектно-ориентированного программирования, аналитические и статистические методы моделирования.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
- разработаны новые математические модели и алгоритмы, отличающиеся от
существующих тем, что они применимы в задачах оценки показателей эффективности для
выбора мест и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ на основе использования
имитационного моделирования орбитального полёта и целевых разворотов КА при
целевом функционировании; модели экономичны в вычислительном плане;
- разработаны частные математические модели, интегрированные в существующее
методическое обеспечение, которые используются для оценки нахождения КА в
различных фазах функционирования с учётом имитации целевых разворотов;
- разработано программное обеспечение, с помощью которого можно проводить
вычисления текущих, средневитковых и среднесуточных показателей эффективности при
выборе мест установки и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ на основе
имитационного моделирования;
- разработана методика выбора предпочтительных мест установки и
пространственной ориентации внешних устройств КА ДЗЗ, отличающаяся от
существующих тем, что в ней оценка показателей эффективности производится с учётом
целевых разворотов, назначения каждого отдельного устройства, его геометрии и
экранирования, взаимодействия КА с внешними астрофизическими и искусственными
объектами.
Обоснованность полученных результатов и сделанных выводов подтверждается:
- корректным использованием апробированных методов математического и
имитационного моделирования, соблюдая логическую и временную последовательность
протекания процессов орбитального полёта и целевых разворотов КА;
- использованием в качестве базового программного обеспечения для
прогнозирования целевых показателей космической системы наблюдения, проверенного
многолетней практикой применения в АО «РКЦ «Прогресс» (г. Самара);
- проверкой адекватности разработанных моделей различными методами,
тестированием программного обеспечения на модельных примерах.
Достоверность полученных результатов подтверждается внедрением в практику работы АО «РКЦ «Прогресс» при проведении НИР по различным темам и проектировании КА ДЗЗ «Обзор-Р», КА «АИСТ-2», что подтверждается актом внедрения.
Теоретическая значимость
Разработаны новые модели, которые могут быть использованы для более углублённого моделирования целевого функционирования бортовых систем (БС) КА ДЗЗ с учётом факторов, которые ранее не учитывались одновременно (орбитальное движение КА ДЗЗ, спутника-ретранслятора, навигационных спутников, особенности функционирования отдельных внешних элементов, программные развороты КА ДЗЗ, развороты КА, относящиеся на этапе проектирования к разряду неопределённых).
Выявлено влияние параметров орбиты и целевых разворотов КА ДЗЗ на рациональные значения углов установки панелей СБ и других внешних устройств КА ДЗЗ.
Практическую ценность результатов работы составляют разработанные модели и алгоритмы, реализованные в программно-математическом обеспечении, которые позволяют: обосновывать на ранних этапах проектирования технические решения по выбору мест и пространственной ориентации внешних устройств КА ДЗЗ; прогнозировать влияние мест и пространственной ориентации внешних устройств (ВУ) КА ДЗЗ на частные показатели эффективности; сократить сроки начального этапа проектирования за счёт использования разработанного ПО или повысить качество проектов за счёт проработки альтернативных вариантов и выбора лучшего варианта.
Предложенная методика позволяет решать задачу синтеза проектного облика КА ДЗЗ в части размещения внешних устройств на основе вариантного проектирования. Результаты и выводы исследований могут быть использованы на других предприятиях отрасли.
Личный вклад автора состоит: в разработке новых моделей для оценки
показателей эффективности при выборе мест и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ; в
усовершенствовании существующих частных моделей для оценки условий
функционирования КА; в разработке алгоритмов программного обеспечения; в разработке методики выбора мест и ориентации ВУ КА ДЗЗ.
Апробация результатов, полученных в диссертационной работе, осуществлялась в рамках следующих научно-технических конференций:
9-я, 10-я, 11-я международные конференции «Авиация и космонавтика» (2010-
2012 г.г., г. Москва); 2-я Международная конференция «Научные и технологические
эксперименты на автоматических КА и малых спутниках» (г. Самара, 2011 г.); 16-я
Международная научная конференция «Системный анализ, управление и навигация» (г. Евпатория, 2011г.); ХХХV и ХХХVII Академические чтения по космонавтике (2011, 2013 г.г., г. Москва); Всероссийские научно-технические конференции («Козловские чтения»), (г. Самара, 2009, 2011, 2013, 2015 гг.); IV Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения», (г. Самара, 2012 г.); ХV, ХVI Всероссийские семинары по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2011 г., 2013 г.); ХХХ Российская школа по проблемам науки и технологии (г. Миасс, 2010 г.); Международная конференция «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (г. Самара, 2011 г.).
По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 7 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 статьи в изданиях, входящих в базу Scopus, 8 статей в сборниках трудов международных конференций, 11 публикаций в сборниках трудов всероссийских конференций и семинаров, 1 статья в российско-американском научном журнале. Семь работ опубликовано без соавторов.
Реализация и внедрение научно-технических результатов
Разработанное методическое и программное обеспечение внедрены в практику
проектирования АО «РКЦ «Прогресс». Результаты диссертационной работы
использовались при выполнении АО «РКЦ «Прогресс» эскизного проекта на космический комплекс «Максат-Р», НИР по темам «Пиксел-ИК», в ОКР по теме «Обзор-Р» и при проектировании КА «АИСТ-1» и КА «АИСТ-2».
Структура диссертации и краткая аннотация её глав
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста и включает 74 рисунка и 8 таблиц 115 источников.
Конструктивные схемы и внешние устройства космических аппаратов дистанционного зондирования Земли
Кроме того, недостаточная эффективность РО также может привести к увеличению времени регулирования температурных условий приборов обеспечивающих систем и тем самым отрицательно влиять на работу целевой аппаратуры.
Радиаторы охлаждения (радиационные теплообменники) предназначены для сброса избыточного тепла в окружающее пространство.
Если приборы установлены внутри корпуса КА, то осуществляется отвод тепла от приборов на панель сброса тепла (радиатор-охладитель) с помощью тепловых труб или контурных тепловых труб. Наиболее перспективным конструктивным решением является установка приборов внутри КА на трёхслойных панелях корпуса со встроенными тепловыми трубами, которые играют также роль силовых элементов конструкции. Тепловые потоки от приборов распределяются (усредняются) с помощью тепловых труб и далее сбрасываются в космическое пространство с внешней стенки трёхслойной сотопанели.
В процессе разворотов КА эффективность РО изменяется в зависимости от воздействия на панели РО Солнца и воздействия тепловых потоков Земли. Основным требованием к РО является максимальное значение сбрасываемых тепловых потоков при ограниченной площади поверхности РО. Влияние расположения антенны ВРЛ на показатели оперативности. Для обеспечения характеристик оперативности передачи информации внешние устройства КА ДЗЗ должны находиться достаточное время в условиях радиовидимости (прямой видимости) с приёмными наземными устройствами или спутником-ретранслятором. Если эти условия не соблюдаются, то происходит задержка передачи видеоинформации, что ухудшает показатели оперативности. В свою очередь, от показателей оперативности существенно зависит такая характеристика, как старение информации.
В процессе разворотов КА условия взаимной радиовидимости могут изменяться и, как следствие, это может влиять на производительность и оперативность космической системы наблюдения. Основным требованием к ВРЛ с точки зрения установки на борту КА ДЗЗ является максимальное нахождение антенн в условиях прямой видимости с НППИ. Влияние расположения оптических головок МЛСПИ на показатели оперативности. Для повышения оперативности доставки видеоинформации с КА ДЗЗ на наземные пункты приёма в дополнение к операции непосредственной передачи информации с передающих антенн КА на НППИ может использоваться операция передачи информации через геостационарные спутники-ретрансляторы (СР). Для этого используется межспутниковая лазерная система передачи информации – МЛСПИ. При этом процесс передачи видеоинформации возможен тогда, когда передающая и приёмные устройства спутников находятся в условиях взаимной видимости и не затенены корпусом или другими навесными элементами КА. Передача видеоинформации через СР может совмещаться со съёмкой объектов наблюдения, при которой КА совершает целевые развороты, что влияет на радиовидимость КА ДЗЗ и СР.
Возможности межспутниковых лазерных систем передачи информации по увеличению скорости передачи информации и дальности связи значительно выше средств ВРЛ. Основным требованием к МЛСПИ с точки зрения установки на борту КА ДЗЗ является максимальное нахождение оптических головок в условиях прямой видимости со спутником-ретранслятором.
Влияние ориентации звёздных датчиков БОКЗ на точность геопривязки снимков. Для повышения точности привязки снимка к геодезическим координатам одновременно со съёмкой наземных объектов осуществляется съёмка звёздного неба с помощью блока определения координат звёзд (БОКЗ). Весте с тем, звёздные координаторы используются в составе бортового комплекса управления для непосредственного управления угловым движением КА совместно с другими приборами.
Звёздный датчик (координатор) представляет собой астроприбор, предназначенный для определения углового положения связанной системы КА в системе координат звёздного каталога. Оптические блоки звёздного координатора устанавливаются на внешней поверхности КА, как правило, в количестве не менее двух штук (посеольку двух координаторов достаточно для построения системы координат).
Целевые развороты КА могут приводить к тому, что оптические элементы БОКЗ не всегда будут направлены на звёздное небо, что может приводить к снижению точности геопривязки снимка. Основным требованием к БОКЗ с точки зрения установки на борту КА ДЗЗ является максимальное нахождение в поле «зрения» звёздных датчиков звёздного неба. Влияние расположения приёмных антенн системы спутниковой навигации на точность геопривязки снимка. Ещё одним элементом системы, обеспечивающим геодезическую привязку снимка, является система спутниковой навигации, с помощью которой определяются пространственные координаты КА в моменты проведения съёмок. Основным требованием к ССН с точки зрения установки на борту КА ДЗЗ является надёжная работа, для чего необходимо, чтобы с борта КА обеспечивалась радиовидимость не менее заданного количества навигационных спутников (как правило, не менее четырёх).
Это условие не всегда может соблюдаться. Во-первых, навигационные спутники движутся по своим орбитам. Во-вторых, КА ДЗЗ также совершает орбитальное движение по своей орбите. В-третьих, КА совершает целевые развороты. Количество НС, находящихся в условиях прямой радиовидимости, постоянно меняется. Аналитическое построение моделей для оценки радиовидимости практически невозможно.
Разработка математических моделей и алгоритма для оценки показателя эффективности при выборе предпочтительных мест установки радиаторов охлаждения
КА ДЗЗ представляют собой сложные технические системы. Аналитические методы при разработке моделей для оценки параметров функционирования таких систем ограничены и не позволяют учитывать многочисленные факторы, влияющие на результаты моделирования. Поэтому требуются другие методы моделирования.
Для оценки показателей целевой эффективности сложных технических систем в настоящее время наибольшее распространение получило так называемое имитационное моделирование [6, 7, 16, 20, 39, 40]. Возможности этого метода ограничиваются лишь разработанными моделями и ресурсами вычислительной техники.
Суть этого метода применительно к КА ДЗЗ заключается в том, что через определённые промежутки времени в течение расчётного периода (вплоть до всего срока активного существования) отслеживается состояние интересующих параметров. На этой основе проводится оценка показателей эффективности при выборе мест и углов ориентации внешних устройств КА ДЗЗ, а также может быть проведена оценка влияния проектных параметров КА на показатели эффективности космической системы.
Анализ влияния проектных параметров на параметры целевого функционирования КА ДЗЗ возможен только на основе моделирования с использованием комплекса моделей, алгоритмов и программного обеспечения. Как правило, модели для исследования операций состоят из многих частных моделей, которые объединяются в единую комплексную модель с помощью специального алгоритма. В процессе расчёта частные модели «подключаются» в определённые моменты времени и используют в общем случае исходные данные, меняющиеся в зависимости от текущего (в процессе расчёта) времени и состояний тех или иных элементов системы, а также в зависимости от случайных факторов, воздействующих на исследуемую систему.
Неопределённость углов разворота корпуса КА при отработке будущих маршрутов съёмки имеет поведенческй характер и переводится в разряд случайных факторов с помощью рандомизации, что возможно с учётом большого количества потенциальных объектов наблюдения и ограничений по углам разворота в полосе обзора.
На реальный полёт и целевое функционирование КА ДЗЗ оказывает влияние очень большое количество факторов, и все их учесть в имитационной модели не представляется возможным, так как в этом случае модель будет перегружена деталями, мало влияющими на общий результат. Кроме того, учёт как можно большего числа факторов приводит к увеличению времени расчёта при оценочном моделировании и перестаёт отвечать требованиям оперативности получения результатов, необходимых для разработки рабочей документации.
Поэтому одной из важных задач моделирования поставленной задачи является выбор параметров, влияющих на результаты моделирования в наибольшей степени. При выборе таких параметров желательно до предела упростить расчётные модели, не упуская существенных деталей. Выбор может осуществляться на основе анализа частных аналитических моделей, если таковые имеются или разработаны ([4, 23, 32]). Такой выбор может осуществляться также на основе анализа чувствительности частных моделей, то есть на основе анализа степени влияния изменения проектных параметров космического аппарата на показатели эффективности космической системы по результатам численных экспериментов.
Наиболее полно геометрию КА можно воспроизводить с использованием систем твёрдотельного моделирования. Однако, во-первых, детальное моделирование геометрии для рассматриваемых задач избыточно и приводит к увеличению времени моделирования. Во-вторых, в этом случае требуется интеграция работы системы программирования и системы твёрдотельного моделирования, что усложняет решение задачи.
В данной работе будем применять упрощённые модели, которые нетрудно реализовать в среде программирования. Такие модели основаны на описании внешних обводов КА и навесных элементов набором простых фигур (прямоугольник, параллелепипед, шар, цилиндр, конус, тор и др.).
В некоторых случаях, когда не требуется подробная геометрия внешних обводов КА, модели можно задавать с помощью уравнений нескольких плоскостей, ограничивающих внешний контур тела.
Наконец, ограничения по геометрии (линейных или угловых размеров) можно задавать в виде параметрических таблиц, которые включаются в программный код и используются в процессе имитационного моделирования.
Далее для различных внешних устройств и в зависимости от их сложности и расположения на КА будем использовать разные методы.
В данной работе для уменьшения размерности решаемой задачи введены некоторые ограничения и допущения, применимые для низкоорбитальных КА [1]. Основные ограничения: 1. Высота орбит КА ДЗЗ – не более 1200 км. 2. Предельный угол наклонения оптической оси оптико-электронного телескопического комплекса к направлению на надир - не более 60 градусов. 3. На освещённом участке траектории при отсутствии целевой работы КА ориентируется плоскостью БС перпендикулярно направлению на Солнце. 4. КА ДЗЗ радиолокационного наблюдения могут снимать объекты наблюдения в любое время местных суток и при облачности. 5. Целевая работа КА оптико-электронного наблюдения возможна при угле Солнца над горизонтом снимаемого объекта не менее заданного угла (как правило, не менее 10 градусов). 6. Приём видеоинформации с борта КА на наземные пункты приёма информации возможен, если обеспечена «видимость» спутника с НППИ. Приём информации возможен через спутник-ретранслятор, если он находится в зоне радиовидимости c КА ДЗЗ.
Модель для оценки факта нахождения объекта наблюдения в зоне обзора космического аппарата
Если выполняется условие (навигационный спутник виден с КА) cos[z(eg)] cosr3, (2.33) то выполняется пункт 8 алгоритма. В противном случае осуществляется переход к пункту 10. Отметим, что на рисунке 2.17 орбиты КА и двух навигационных спутников условно показаны в одной плоскости, хотя это не всегда так. Однако это обстоятельство не оказывает влияние на математическую запись условия (2.33). При последовательном переборе (на основе алгоритма) навигационных спутников рассматриваются другие плоскости. Семейство линий, отграничивающих взаимную видимость и невидимость КА и множества навигационных спутников, в пределе образуют коническую поверхность границы взаимной видимости-невидимости.
Проверяется условие взаимной видимости навигационного спутника и приёмной антенны КА с учётом её затенения корпусом или навесными элементами. Для этого производятся следующие действия.
Осуществляется пересчёт координат вектора h последовательно из неподвижной геоцентрической СК (Oxyz ) в геоцентрическую орбитальную СК ( O1x1 y1z1 ), связанную с перицентром орбиты [11, 69], далее в барицентрическую СК (O2x2 y2 z2 ) и, наконец, в СК (OН xН yН zН ), связанную с центром масс КА, по пунктам 4…10 алгоритма, приведённого в подразделе 2.1.
При осуществлении пересчётов вместо проекций вектора направления на Солнце используется вектор h - направление на навигационный спутник: где MH - матр 4 Aица поворота (матрица косинусов между осями систем координат) с учётом вариантов компоновочной схемы КА и расположения базовых осей. 8.4. Для КА детального оптического наблюдения (кроме КА инфракрасного наблюдения) проверяется условие нахождения КА в световом пятне согласно условию (2.6). Для КА детального радиолокационного наблюдения это не нужно, так как съёмка может осуществляться и на теневой стороне Земли. 8.5. Если (для КА оптического наблюдения) условие (2.6) выполняется, то периодически ( через заданное время) производится имитация перенацеливания КА с одного объекта наблюдения на другой по алгоритму, приведённому в разделе 3 для КА оптического наблюдения (см. раздел 3).
Для КА радиолокационного наблюдения производится имитация перенацеливания КА и смены полосы обзора по алгоритму, приведённому в разделе 3. Если условие, представленное в п. 8.4, не выполняется, то КА детального оптического наблюдения ориентируется панелями солнечной батареи на Солнце. Осуществляется пересчёт координат вектора h из СК (OН xН yН zН ), связанной с центром масс КА и центром Земли, в базовую СК (OБ xБ yБ zБ ) с учётом углов тангажа & и крена у КА. Пересчёт осуществляется с помощью выражения, аналогичного выражению (2.8: xБh yБh = МБ- yh„ zБh 4 где МБ - матрица поворота (матрица косинусов между осями систем координат). Выражение для матрицы поворота выбирается в зависимости от компоновочной схемы КА и базовой системы координат.
Если косинус угла г положительный, то навигационный спутник находится в полупространстве, в котором установлена антенна КА, и, следовательно, условие взаимной видимости навигационного спутника и антенны выполняется.
Если условие 8.8 выполняется, то включается счётчик количества навигационных спутников, видимых с антенных устройств КА m = m + \. 10. Осуществляется приращение по номеру навигационного спутника гнс =гнс+\ и проверяется условие окончания цикла по всем НС. Если гнс к, то пункты 1 - 9 повторяются. Если інс =к, то осуществляется переход к пункту 11. 11. Проверяется условие видимости с антенных устройств КА не менее заданного количества навигационных спутников к. Если m к, то осуществляется переход к пункту 13. Если т к, то осуществляется приращение времени te k видимости с антенных устройств КА наблюдения не менее заданного (к) количества НС: 12. Рассчитывается относительное время видимости с антенных устройств КА наблюдения не менее к навигационных спутников: Т к= , t где t - время имитации полёта для КА. Для КА РЛН время t соответствует полному времени, а для КА детального оптического наблюдения - суммарному времени полёта в условиях возможной съёмки (в световым пятне). Расчёт также может проводиться по формуле: где At k - приращение только тех шагов расчёта по времени, в которых выполнялось условие т к. 13. Осуществляется вывод результатов расчёта (в динамике) в определённые окна программы (через заданное время имитации полёта КА, например, через каждый час или виток). Рассчитываются функции распределения и плотности распределения количества видимых с борта КА навигационных спутников. 14. Осуществляется приращение времени имитации полёта КА наблюдения и навигационных спутников на шаг At. 15. Пункты 1-14 циклически повторяются до остановки по решению оператора или по истечении заданного времени имитации полёта. Выводы по разделу 2 Разработаны математические модели и алгоритмы для оценки показателей эффективности при выборе предпочтительных мест установки и ориентации внешних устройств КА ДЗЗ: - панелей солнечных батарей; - радиаторов охлаждения системы терморегулирования; - антенных устройств высокоскоростной радиолинии для передачи целевой информации на наземные пункты приёма информации; - передающих устройств межспутниковой лазерной системы передачи информации; - звёздных датчиков блока определения координат звёзд; - антенн системы спутниковой навигации. Модели учитывают программные развороты КА при целевом функционировании, влияние на показатели эффективности параметров геометрии устройств и их экранирование корпусом и другими внешними устройствами КА.
Описание программного обеспечения для оценки количества навигационных спутников, видимых с борта космического аппарата дистанционного зондирования Земли
Для каждого анализируемого внешнего устройства определяются ограничения по зонам размещения и углам ориентации.
Применительно к панелям солнечных батарей ограничения связаны с возможным затенением панелей СБ элементами корпуса КА и с возможностью экранирования других внешних устройств КА.
Установка панелей радиаторов охлаждения системы терморегулирования связана с наличием свободных мест на боковой поверхности КА (или ограничениями по имеющейся свободной площади) и с ограничениями, связанными с возможностью затенения звёздного неба панелями солнечной батареи и другими внешними устройствами КА. В отдельных случаях панели РО могут быть установлены с выносом на определённое расстояние от поверхности корпуса КА.
Ограничения по установке корпусов и антенн устройств передачи целевой информации (антенн высокоскоростной радиолинии) связаны с наличием жёстких каркасных элементов конструкции и возможным экранированием антенн корпусом КА и другими внешними элементами. Учитывая, что наземные пункты приёма информации располагаются на поверхности Земли, то, как правило, устройства ВРЛ должны располагаться в нижней части корпуса КА и не затеняться другими внешними элементами.
Применительно к оптическим головкам межспутниковой лазерной системы передачи информации ограничения связаны с возможностью затенения этих элементов панелями солнечных батарей, корпусом КА и другими внешними элементами.
Ограничения на установку оптических элементов звёздных датчиков связаны с возможностью затенения звёздного неба панелями солнечной батареи. Поэтому предварительно с помощью программы «СОФОКС», разработанной А.В.Соллогубом (АО «РКЦ «Прогресс»), проверяется незатенение звёздных датчиков панелями СБ.
С помощью программы производится построение диаграмм затенения с заданной точностью. В качестве примера на рисунке 5.2 представлена диаграмма затенения антенного устройства командно-измерительной системы элементами конструкции КА и панелями солнечной батареей при фиксированных значения углов поворота батареи.
Ограничения на установку антенн системы спутниковой навигации связаны с тем обстоятельством, что большинство навигационных спутников имеют более высокие орбиты, чем КА ДЗЗ. Следовательно, антенн системы спутниковой навигации КА ДЗЗ не должны устанавливаться в нижней части корпуса КА (при его номинальной ориентации в рабочем положении).
Для каждого устройства выбираются варианты конкретных мест и углов установки с учётом выявленных ограничений. Учитывая, что на внешней поверхности КА не так много свободного места, то количество вариантов размещения внешних устройств ограничено.
Запускается программа для расчёта показателей эффективности, используемых при выборе вариантов установки внешних устройств КА.
В окнах пользовательского интерфейса программы выбирается тип КА – оптического или радиолокационного наблюдения.
С помощью разработанного и встроенного в программу 3D редактора строится упрощенная трёхмерная модель КА, в которой допускается отсутствие элементов, не влияющих на затенение исследуемых внешних устройств. При этом учитываются места установки и углы ориентации внешних устройств.
Правильность построения моделей контролируется визуально. Если аналогичные модели строились ранее, то открываются файлы геометрии этих моделей и производится уточнение моделей (необходимое графическое редактирование). После уточнения файлы с геометрией редактированных моделей сохраняются. Выбирается вариант размещения внешних устройств (начиная с крупногабаритных) и строятся трёхмерные модели ВУ. Правильность построения моделей ВУ контролируется визуально. 4.5. Задаются исходные данные: - по параметрам орбиты КА ДЗЗ; - по параметрам орбит спутников-ретрансляторов (если они используются); - по параметрам навигационных спутников (имеются публикации в интернете). Правильность задания параметров орбит контролируется визуально. 4.6. Выбираются параметры функционирования КА по программным и целевым разворотам. Для КА ДЗЗ оптического наблюдения задаются: - углы Солнца над местным горизонтом, при которых возможна съёмка; - максимальные значения углов отклонения оптической оси от надира; - ориентация КА на участке орбитального полёта от момента выхода КА из светового пятна до момента входа в тень Земли; - ориентация КА на теневом участке орбиты.