Технология оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций наземного комплекса управления современных и перспективных космических систем

• Автор: Сыпало, Кирилл Иванович
• Шифр специальности: 05.07.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 164 с. : ил.

Введение. Постановка задачи

Глава 1. Математические модели и алгоритмы, используемые при решении задачи определения и прогнозирования состояния космических систем

/./. Координатно-временной базис в задаче высокоточного определения и

прогнозирования состояния созвездия КА

1.1.1. Системы счисления времени

1.1.2. Системы координат

1.2. Математическая модель движения центра масс КА в задаче высокоточного определения и прогнозирования состояния созвездия КА

1.2.1. Гравитационное влияние Земли с учетом нссферичности потенциала

1.2.2.Сила тяги двигательной установки

1.2.3. Аэродинамические силы

1.2.4.Силы, вызванные гравитационным влиянием Луны и Солнца

1.2.5. Модель давления солнечного света
1.2.6.Возмущения геопотенциала, вызванные приливными деформациями Земли
1.3. Математическая мод&зь движения наземных измерительных пунктов в
задаче высокоточного определения и прогнозирования
состояния систем Ю
1.4. Математическая модезь измерительного капала
1.5. Эффективные методы численного интегрирования систем обыкновенных
дифференциальных уравнений в задаче высокоточного определения и прогнозирования состояния созвездия КА
1.5.1. Особенности реализации традиционных методов численного интегрирования
1.5.2.Модифицированный метод Эверхарта
1.6. Аппроксимация численного решения
/. 7. Выводы по главе
Глава 2. Оптимальное планирование работы навигационных средств НКУ в современных космических системах
2.1. Постановка задачи
2.2. Алгоритм решения задачи оптимального планирования работы наземного
комплекса
2.2.1. Решение задачи оптимального планирования в традиционной постановке
2.2.2. Решение задачи планирования работы навигационных средств наземного комплекса управлении в современных и перспективных космических системах
2.3. Модификация вычислительной процедуры планирования для решения
прикладных задач
2.3.1.Модифицированная рекуррентная процедура априорной оценки точности
2.3.2. Процедура формирования квазиоптималыюго плана работы наземных измерительных средств
2.4. Выводы по главе
Глава 3. Программная реализация технологии оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации рутинных операций НКУ в современных космических системах
3. /. Принципы построения ПМО
3.2. Модель представления данных
3.3. Структура ПМ0
3.4. Выводы по главе
Глава 4. Основные результаты
4.1. Результаты верификации математических моделей неконтролируемых
факторов и чиезеппых методов
4.1.1. Неконтролируемые факторы в модели движения КЛ
4.1.2. Неконтролируемые факторы в модели движения НИН
4.1.3. Неконтролируемые факторы в модели измерительных каналов
4.1.4.Численные методы интегрирования систем ОДУ
4.1.5.Методы аппроксимации численного решения
4.2. Результаты решения задачи прогнозирования движения КА орбитальной
группировки космических систем
4.3. Результаты решения задачи априорного анализа точности оценивания
вектора состояния КА
4.4. Результаты решения задачи оптимального планирования работы
навигационных средств космической системы
4.5. Выводы по главе
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В составе всех современных и перспективных космических систем принято выделять космический и наземный сегменты [I. 2]. Космический сегмент представлен орбитальной группировкой космических аппаратов, характеризующейся своими баллистическими параметрами, а также ТТХ космического аппарата, включая состав и характеристики его бортовых систем (подсистема ориентации и стабилизации, подсистема управления движением, подсистема навигации) и аппаратуры, предназначенной для решения целевой задачи системы (аитенно-фидерные устройства, бортовая специальная аппаратура и т.п.). Наземный сегмент состоит из наземного ракетно-технического комплекса (ракеты-носители, стартовые комплексы, технические комплексы, измерительные траекторные комплексы), наземного комплекса управления - НКУ (сеть НИП и баллистических центров, осуществляющих управление космической системой на этапе эксплуатации) и наземного специального комплекса (пункты приема специальной информации и центры обработки информации), формализующего наземную часть целевой задачи системы. Отметим при этом, что наземный комплекс управления совместно бортовым комплексом управления образует автоматизированную систему управления КА, обеспечивающую эффективность поддержания необходимой баллистической структуры на этапе эксплуатации системы и отвечающую за ряд обеспечивающих критериев качества системы (точность позиционирования, целостность и т.н.), а наземный специальный комплекс совместно с бортовой специальной аппаратурой образует комплекс специальной аппаратуры, формализующий непосредственно целевую задачу (поддержание навигационного поля, прием и передача информации и т.п.). Специфика той или иной космической системы определяется как раз комплексом специальной аппаратуры, в то время как функциональность комплекса управления одинакова с точностью до деталей реализации для всех космических систем.
Анализ накопленного к настоящему моменту опыта проектирования, развертывания и эксплуатации космических систем различного назначения (мониторинга, связи, навигации и т.п.) убедительно показывает [1, 2], что эффективность современной космической системы определяется в значительной степени качеством выполнения типовых операций, реализуемых комплексом управления космической системой. В дальнейшем под типовыми операциями понимается последовательность программно-алгоритмических действий, обеспечивающих достижение данной космической системой ее целевого назначения. Это операции по определению и поддержанию баллистической структуры орбитальной группировки, анализу состояния бортовых систем, в том числе и бортового программного обеспечения, обмену данными «наземный комплекс управления»-«бортовые системы» и т.п. (более подробно см. ниже). Заметим, что требования к точности навигации и управления неуклонно растут. Подчеркнем также, что эти, все возрастающие требования должны выполняться в условиях недетерминированности возмущений, ошибок навигационных измерений и реализаций управления. Такая ситуация объясняется, с одной стороны, возрастающими требованиями потребителей космических систем, как гражданских, так и военных, целевые задачи * которых в настоящее время рассчитаны на геодезический уровень точности (системы
управления транспортом, мониторинг обстановки, геоинформационные системы и т.п.). и, с другой стороны, стремлением снизить затраты на эксплуатацию космических систем. Удовлетворение этих требований можно осуществить двумя путями: экстенсивным, повышением точности измерительных средств, пропускной способности каналов передачи данных, ужесточения требований к бортовой аппаратуре и т.н. и интенсивным.

• реали мини моле, і и лавлении солнечного снега с учетом конической
ієни и ратработка оригинального алгоритма учета аффекта вхождения КА н ієні, е непрерывной функцией тени позволяет адекватно отразить реальные процессы, что особенно важно при исследовании
выеокоорбиталытых систем;
• реализация модели возмущений геопотенциала, обусловленных
приливными деформациями Земли и создание методики представления соответствующих поправок в коэффициенты ГГГЗ в виде полиномов Чебышева позволяет существенного (до 50%) сократить время расчета данною возмущающего фактора.
Сформирована и реализована масштабируемая высокоточная модель движения наземного измерительного пункта, учитывающая в соответствии с рекомендациями международных стандартов:
• прецессию,
• нутацию.
• мі иовенное смещение полюса.
• приливы в твердом теле Земли.
• приливы велело і вне смешения мгновенной оси вращения Земли,
• океаническую паї рутку,
• атмосферную нагрузку,
• движение тектонических плит.
Сформирована и реализована масштабируемая высокоточная модель канала измерений для большинства дальномерных и угломерных измерений, включая модель измерений квантово-оптических средств в соответствии с рекомендациями международных стандартов.
Сформирована и реализована библиотека современных высокоточных численных мсгодов интегрирования, включающая
• вложенные методы Дормана и Принса 5(4) и 8(7);
• экстраполяционный метод Г'регга-Булирша-Штера;
• меюд прогноза-коррекции с переменным порядком (до 8);
• модифицированный метод Эверхарта, разработанный автором и блшруюшпйся на известном неявном одношаговом алгоритме Эверхарт, использующий трехточечное разбиение Гауеа-Радо.
Разрдбопшы и реализованы специальные алгоритмические механизмы, позволяющие повысить точность и вычислительную эффективность численных методов интегрирования, а именно:
• механизм плотной выдачи результатов на основе использования нерационагьної о В-еплайна:
• механизм "неявной" выдачи результатов, используемый при моделировании ускорения, обусловленного давлением солнечного света и при моделировании движения активных КА, для которых существует прої рамма коррекции орбиты;