Членкорреспондент ран, профессор В. А. Соловьёв Основы управления космическими полётами
 Скачать 2.42 Mb.
|
|
Член-корреспондент РАН, профессор В.А. Соловьёв Основы управления космическими полётами Понятие об управлении полетом КА R З Н мкс Соотношение высоты орбиты МКС к радиусу Земли Радиус Земли ≈ 6370 км Высота орбиты МКС ≈ 400 км Управление полетом КА Планирование полета Реализация разработанного плана Контроль полета Результаты контроля норма (N) не норма ( Ñ) Принятие решения по результатам контроля Выполнение оперативных мероприятий по парированию нештатной ситуации Коррективы к разработанному плану Продолжение полета по разработанному плану ( Ñ) (N) 3 4 Командно-программное управление КА – это реализация запланированных операций КА наземным комплексом управления с использованием командной радиолинии и бортового комплекса управления КА. Под операциями в данном случае нужно понимать совокупность управляющих воздействий на КА, «объединённых единым замыслом и направленных на достижение заданной цели» СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ ПИЛОТИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 5 Зоны видимости НИПов ТнA ТкA ТнB ТкB ЦУП-КА ЦУП 6 Зона сеанса связи А Зона сеанса связи B A B Зоны видимости НИПов ЦУП-КА ЦУП ТнA ТкB ТнA ТкB| 7 Зона сеанса связи А Зона сеанса связи B B A Схема процесса управления Реализация плана полета осуществляется последовательным выполнением запланированных операций бортовыми системами КА и системой управления полетом. Состояние КА S 1 Состояние КА S2 Состояние КА S3 Состояние КА S’2 Состояние КА S’3 Зона сеанса связи А Зона сеанса связи В 8 9 Наземный контур (НИПы) Восток 10 Задействование пунктов связи при полете Гагарина Щёлково Симферополь Тбилиси Сибирь Сахалин Сучан Долинск Краснодар Ильичевск Тюра-Там Улан-Удэ Петропавловск- Камчатский Якутск Корабли Наземные пункты 11 12 12 Структура комплекса управления полетом КА Система связи и передачи данных Наземный контур управления ЦУП-КА ЦУП Спутниковый контур управления КА 13 Наземные каналы связи, каналы связи на базе ВОЛС Телеметрия Голос Телевидение Команды Радиоконтроль орбиты КА ЦУП-КА ГОГУ Связь через СС Связь через СС Наземные пункты Спутник связи Состав наземного контура управления 14 R З Зоны видимости СР СР 1 СР 2 Зона видимости СР 2 Зона видимости СР 1 Управление КА через СР ЦУП-КА ЦУП ЦУП-ЕКА ЦУП-Х ЦУП-М Наземный контур (НИПы) ATV МКС ЦУП-JAXA HTV Союз Dragon Спутниковый контур (TDRSS) 17 Зоны видимости НИПов 18 Усложнение процесса управления полётом пилотируемых космических аппаратов ПКА Кол-во операций Кол-во управляющих воздействий Количество ТМ- параметров Особенности управления полетом «Восток» 1961 5 48 400 Сеансное управление одиночным объектом «Союз» 1966 30 256 1000 Управление разовыми и числовыми командами; с 1979 г. цифровой и аналоговые контуры управления «Мир» 1986 500 4096 14000 «Суточное» управление различными объектами МКС 1998 5 000 >8000 Многоуровневые и многовариантные программы 30000 Распределенное управление из ЦУП-Х и ЦУП-М МКС 2013 94 000 >12000 Многоуровневые и многовариантные программы более 50000 Распределенное управление из нескольких центров 19 Развитие средств наземного контура управления 20 21 Передатчик Модулятор Синтезатор частот Приемник Демодулятор Си ст емы ф ор ми ров ани я и по л учени я инф ор м аци и Антенно-фидерное устройство Обобщенная схема радиотехнической приемо-передающей системы Модуляция сигнала Амплитудная модуляция Модуляция сигнала Частотная модуляция Командно-программная информация и управляющие воздействия • Командно-программная информация (КПИ) – данные, содержащие цифровые коды команд, массивы цифровой информации, данные помехозащитного кодирования, передаваемые в бортовой комплекс управления (БКУ) КА из наземного комплекса управления (НКУ) по командным радиолиниям (КРЛ); • Управляющие воздействия – обобщённое название всех видов цифровой управляющей информации, независимо от её источника: БКУ, НКУ, экипаж пилотируемого КА. 24 Последовательность решения задач КПУ Исходные данные • Текущее состояние бортовых систем • Плановая информация Анализ исходных данных Разработка программ управления бортовыми системами Формирование массивов КПИ Верификация КПИ на математических моделях БКУ Планирование сеансов управления Передача КПИ в БКУ по КРЛ в сеансах управления Анализ результатов сеанса управления 25 Характеристики задач КПУ Характеристика Наименование Устойчивость к ошибкам (необратимость) Временные ограничения Критичное влияние на эффективность Анализ исходных данных Да Нет Нет Разработка программ управления бортовыми системами Да Да Да Формирование массивов КПИ Да Нет Нет Верификация КПИ на математических моделях БКУ Да Да Нет Передача КПИ в БКУ Нет Да Да 26 Виды управляющих воздействий • Управление системами КА осуществляется с помощью электрических сигналов, воздействующих на их электронные схемы, электромеханические и электромагнитные элементы • Источником УВ на системы КА могут быть: БКУ, другие бортовые системы (команды взаимного управления), экипаж и НКУ (ЦУП). • УВ, выдаваемые из ЦУП, делятся на функциональные команды и массивы цифровой информации, закладываемые в БВС КА. • Все УВ подразделяются на: – «прямого исполнения» - исполняемые независимо от состояния КА; – «отложенного исполнения» - исполняемые при наличии определенных условий. 27 28 Массивы цифровой информации Функциональные команды Командно- программное управление КА с Земли Воздействия на борт КА с Земли (от НКУ) Отложенного исполнения (условные) Прямого исполнения (безусловные) С временным условием С логическим условием Методы расширения возможностей КПУ при ограниченной доступности тракта «Земля-борт» 1) Комплексирование отдельных команд в стандартные группы – создание обобщенных команд. 2) Объединение отдельных элементарных и обобщенных команд во временные последовательности – «жёсткие» программы управления. 3) Использование команд отложенного управления – код команды содержит кроме имени еще и время исполнения. 4) Использование гибких бортовых программ полёта, исполняющихся по временным и логическим условиям на основе анализа статусных телеметрических параметров. 5) Использование параметрических управляющих воздействий для запуска заранее запрограммированных функций бортовых систем. 29 Управление КА с Земли Процесс управления КА с Земли включает следующие процедуры: 1. Организация канала связи для передачи УВ из ЦУП на станции слежения. 2. Выдача КПИ из ЦУП в канал связи и передача ее на борт КА: I. Предварительная передача КПИ из ЦУП на станцию слежения и передача КПИ со станции слежения на борт КА в темпе сеанса связи. Наземная станция работает в режиме терминала. II. Непосредственная передача в темпе сеанса связи КПИ из ЦУП на борт КА – организация обмена информацией между вычислительным комплексом ЦУП и БВС КА в реальном времени. Наземная станция работает в режиме шлюза. 30 3. Прием по обратному каналу квитанционной телеметрической информации о получении КПИ на борту КА. Если КПИ передано на борт штатно обработано БВС, в БВС формируется квитанции и передается в ЦУП в обратном канале. Если квитанции нет, или она отрицательная – может быть предпринята попытка повторной выдачи этой команды (если допустимо изменение времени ее выдачи на борт КА). 4. Случай возникновения необходимости экстренной выдачи на борт радиокоманд. I. Станция слежения в режиме терминал – в темпе сеанса связи на станцию слежения передается шифр требуемых команд и время их выдачи (автоматическая выдача предварительно записанных команд приостанавливается). II. Станция слежения в режиме шлюз – изменяется программа реализуемого сеанса связи или команды выдаются из ЦУП в ручном режиме. Управление КА с Земли 31 Передача КПИ с записью на наземную станцию (терминал) • Передача КПИ в память наземной станции до начала сеанса связи • Ограничена возможность выдачи команд, не предусмотренных программой сеанса связи • Невозможна повторная выдача отдельных команд • Невозможна оперативная смена программы сеанса связи • Не требуется широкополосный канал связи с наземной станцией ЦУП-М НРТК " Квант-П" · Запись КПИ в ОЗУ КИП · Квитирование ячеек ОЗУ КИП · Выдача КПИ в БКУ КА · Передача в квитанций в ЦУП Обм ен К ПИ и к вит анц иям и КИП Формирование КПИ Сервер БД АПД Приём Хранение Передача КПИ ТЛФ-канал 32 Передача КПИ в реальном времени (наземная станция в режиме шлюза) • Передача КПИ в БКУ непосредственно в ходе сеанса связи в реальном масштабе времени • Нет ограничений по выдаче команд, не предусмотренных программой сеанса связи • Возможна повторная выдача отдельных команд и произвольной последовательности команд • Возможна оперативная смена программы сеанса связи • Требуется широкополосный канал связи с наземной станцией в реальном времени ЦУП-М · Обмен КПИ и квитанциями в составе Единого цифрового потока в реальном масштабе времени Об мен ЕЦ П в пр ям ом и о бра тно м кан але Синхронный ШП-канал КИП Формирование КПИ КП В ГЗУ Транзитная Передача ЕЦП Сервер БД НРТК 33 Комплекс управления полетом КА • Наземный автоматизированный комплекс управления (НАКУ) – базовый, универсальный для всех видов КА комплекс стационарных и подвижных систем обмена информацией с КА, средств связи и автоматизированного сбора и обработки информации с необходимым программно-математическим обеспечением, предназначенный для управления всей совокупностью КА, функционирующих в космическом пространстве. • Наземный комплекс управления КА (НКУ) – совокупность средств из состава НАКУ, используемых для управления КА или несколькими КА. 34 ЦУП-ЕКА ЦУП-Х ЦУП-М Наземный контур (НИПы) ATV МКС ЦУП-JAXA HTV Союз Dragon Спутниковый контур (TDRSS) 35 Управление КА со стороны БКУ БКУ выполняет следующие функции: 1. Управление движением и навигация КА 2. Контроль работы и диагностика бортовых систем КА. Управление системами КА в соответствии в заложенными в БКУ алгоритмами. Управление бортовыми системами и целевыми нагрузками 3. Взаимодействие с НКУ и экипажем (для пилотируемых КА) Коммутация команд, поступающих с приемников радиолинии и с бортовых систем. Логическая обработка условных команд. Преобразование поступающих команд в вид, требуемый для исполнения системами КА. Преобразование отдельных команд в «жесткие» временные последовательности. Реализация заданной задержки времени выдачи принятых радиокоманд в бортовые системы КА. 36 Цифровой БКУ – рост объёма КПИ • Высокоинтеллектуальный цифровой БКУ самостоятельно решает основные задачи управления бортовыми системами и не нуждается в управлении из ЦУП при решении рутинных задач управления бортовыми системами • Интеллектуализация БКУ расширяет его функциональные возможности, но требует увеличения объёма информации, передаваемой из ЦУП в БКУ, содержащей многоуровневые программы полёта и данные, необходимые для их реализации 37 16.05.2013 16.05.2013 38 Рост объёма КПИ по годам, тыс. слов Конец лекции 39 |