Введение к работе
Актуальность темы. Система управления полётами космических аппаратов (КА) относится к разряду сложных систем и включает значительное количество элементов различного вида и функционального назначения с большим многообразием типов выполняемых ими работ. Объектом управления данной системы является космическая система (КС), которая состоит из КА, сети наземных станций слежения, системы приёма и передачи данных и Центра управления полётами (ЦУП), который представляет собой сложную «человеко-машинную» систему, обеспечивающую выработку программы функционирования для всей КС.
Составление такой программы относится к одной из наиболее сложных процедур, выполняемых в ЦУП. При её реализации необходимо учитывать множество исходных данных, большое количество факторов и различных полётных ситуаций, которые отражаются в плане полёта. Обеспечение выполнения данной процедуры сопровождается требованием максимальной надёжности, поскольку ошибки в составлении плана могут привести к негативным последствиям.
В связи со сложностью и неординарностью процедуры планирования полёта, необходимостью учёта различных факторов, не всегда формализуемых, в работе по составлению плана полёта присутствует значительная доля «ручного» труда. Необходимо существенно повысить производительность и надёжность всех видов работ по управлению КА, снизить величину эксплуатационных расходов при обеспечении функционирования космической техники. Кроме того, ставиться задача построения ЦУП, позволяющего решать задачи одновременного управления большим количеством автоматических КА. Поэтому задача автоматизации процедуры планирования полёта является актуальной.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методики автоматизированного планирования полёта автоматических околоземных КА. Её созданию предшествовала разработка автоматизированных систем планирования для 5 автоматических КА, выполненных автором в период 2002 - 2011 гг.
В диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматривается космическая система. Поскольку базовым элементом КС является КА, основное внимание в диссертации уделяется планированию выполняемых им операций, а также операциям, выполняемым при взаимодействии КА с наземным автоматизированным комплексом управления (НАКУ).
Планирование полёта автоматических КА и работы взаимодействующих с ними элементов НАКУ является предметом исследования настоящей диссертационной работы.
Анализ публикаций на данную тему, среди которых следует указать фундаментальные работы В.Е.Любинского и В.Г.Кравца, позволили определить основные особенности построения данной методики, а также пути исследований, направленных на определение общих принципов и методов решения этой задачи. Также необходимо отметить и результаты работ, выполненных авторами: Г.П.Аншаковым, К.А.Боярчуком, С.Н.Волковым, В.В.Даниловым, В.В.Дарнопыхом, В.К.Журавлёвым, Ю.Д.Котовым, В.И.Лобачёвым, Л.Н.Лысенко, Л.А.Макриденко, В.В.Малышевым, Д.В.Моисеевым, В.Н.Почукаевым, Р.С.Салиховым, НЛ.Соколовым, А.В.Соллогубом и В.А.Соловьёвым. В работах этих авторов излагались теоретические основы и методы проектирования КА, исследовались проблемы планирования баллистико-навигационного обеспечения полёта, планирования работы целевой аппаратуры и служебных систем, а также рассматривались вопросы общей организации работы ЦУП, оптимизации его функционирования.
Вместе с тем остаётся ещё ряд задач, связанных с автоматизацией процедуры построения плана полёта для автоматических КА. Рассмотрению этих вопросов и посвящена данная диссертационная работа.
Целью диссертационной работы является повышение оперативности и надёжности выполнения операций планирования при управлении полётом автоматических КА, снижение стоимости их выполнения, повышение производительности труда специалистов, участвующих в управлении полётом.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
-
исследование основных принципиальных положений, используемых при автоматизированном построении плана полёта;
-
разработка механизма автоматизированного построения программы полёта;
-
разработка средств проверки правильности формирования плана полёта, составленного автоматизированным способом;
-
разработка имитационной модели бортового комплекса управления (БКУ);
5) практическая реализация программного комплекса планирования полёта в ЦУП.
Методы исследования. В диссертации используются методы системного анализа, теории множеств, теории графов, имитационного моделирования и натурные эксперименты с реальным КА.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика автоматизированного планирования программы полёта автоматических КА с системой автоматизированной проверки.
-
Расширенный состав командных конструкций, используемых для построения плана полёта.
-
Имитационная модель бортового комплекса управления КА.
-
Программный комплекс автоматизированного планирования полёта, обеспечивающий составление плана полёта и его проверку.
Научная новизна. В работе получены результаты, обладающие новизной и научно" значимостью:
-
Формулировка задачи создания автоматизированного программного комплекса планирования полёта автоматических КА, а также требования по его разработке.
-
Методика автоматизированного составления плана полёта для автоматических КА, использующая наличие причинно-следственных отношений между командами и командными конструкциями.
-
Методика автоматизированной проверки правильности составленного плана полёта
-
Расширенный состав командных конструкций, позволяющих упростить процедуру составления плана полёта.
-
Имитационная модель бортового комплекса управления, удовлетворяющая условию адекватности реальному БКУ КА и функционирующая в режиме проверки правильности составления плана полёта.
Практическая значимость. Результаты, полученные при создании методики автоматизированного планирования полёта автоматических КА, могут найти применение при дальнейших исследованиях в области автоматизации процесса планирования, как для пилотиру емых космических аппаратов, так и для действующих и перспективных автоматических КА. В число этих результатов входят:
-
Повышение эффективности работы службы планирования полёта, уменьшение количества ошибок при составлении плана, увеличение надёжности выполнения процедуры планирования за счёт автоматизации процесса планирования полёта и автоматизированной проверки плана.
-
Эффективное использование возможностей имитационной модели БКУ, обеспечивающей сокращение сроков проверки плана полёта, снижение стоимости данной процедуры, реализацию возможности контроля прохождения операций, предусмотренных планом полёта, на борту КА.
-
Программный комплекс, позволяющий составлять план автоматизированным способом, осуществлять проверку плана также автоматизированным способом, обеспечивать контроль выполнения всех операций, производимых комплексом, со стороны оператора с использованием адаптированных интерфейсов. Данный комплекс позволил повысить оперативность и надёжность решения задач планирования полёта, а также снизить риск провоцирования нештатных ситуаций на КА из-за ошибок операторов.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается использованием методического аппарата для создания автоматизированных комплексов планирования полёта в ЦУП, сравнительного анализа формирования плана полёта «ручным» и автоматизированным способом, сопоставлением результатов расчётов, полученных с помощью имитационной модели БКУ, и ситуационного анализа состояния БКУ КА.
Внедрение результатов. Разработанный комплекс планирования внедрён в практику работы ЦУП, что подтверждается соответствующим актом о внедрении. Комплекс планирования полёта в виде отдельных программных модулей был использован при подготовке к управлению (на комплексных, интефационных и межведомственных испытаниях) КА «БелКА» и «Бауманец» и при непосредственном управлении КА «Сич-Ш», «Компас-2» и «Коронас-Фотон».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях различного уровня, в том числе: на третьей открытой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из
космоса» (Москва, ИКИ 2005), на 1-ой международной конференции академий космонавтики и астронавтики «Космос для человека», посвященной 50-летию космической эры (Королёв, ИПК «Машприбор» 2008), на отраслевой конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2008», посвященной 80-летию со дня рождения О.А.Сулимова (Королёв, ФГУП НПО ИТ, 2008), на научных чтениях, посвященных памяти Ю.А.Мозжорина (Королёв, ФГУП ЦНИИмаш 2010).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 статьях, в том числе: 3-х статьях [1-3] в журналах, входящих в рекомендованный ВАКом Минобрнауки РФ перечень изданий, тезисах 11 докладов, 6 научно-технических отчётах. На комплекс получено 7 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ [4-Ю] и одно свидетельство о государственной регистрации базы данных [11].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 47 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 167 машинописных страницах, включает 30 рисунков и 10 таблиц.
