Технология оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций наземного комплекса управления современных и перспективных космических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.09, кандидат технических наук Сыпало, Кирилл Иванович

• Сыпало, Кирилл Иванович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сыпало, Кирилл Иванович

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 несферичности 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 геопотенцнала, вызванные приливными деформациями Земли.

1.3. Математическая модель движения наземных измерительных пунктов в задаче высокоточного определения и прогнозирования состояния систем КА.

1.4. Математическая модель измерительного канала.

1.5. Эффективные методы численного интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений в задаче высокоточного определения и прогнозирования состояния созвездия КА.

1.5. (.Особенности реализации традиционных методов численного интегрирования.

1.5.2. Модифицированный метод Эверхарта.

1.6. Аппроксимация численного решения. 7. Выводы по главе 1.

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 управления 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 2.

Глава 3. Программная реализация технологии оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации рутинных операций НКУ в современных космических системах.

3.1. Принципы построения ПМО.

3.2. Модель представления данных.

3.3. Структура ПМО.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Основные результаты.

4.1. Результаты верификации математических моделей неконтролируемых факторов и численных методов.

4.1.1. Неконтролируемые факторы в модели движения КА.

4.1.2.Неконтролируемые факторы в модели движения НИИ.

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 КЛ 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 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций наземного комплекса управления современных и перспективных космических систем»

В составе всех современных и перспективных космических систем принято выделять космический и наземный сегменты [1, 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 (антенно-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 - НЬСУ (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.п.), 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 па 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.п. и интенсивным. т.е. оптимизацией типовых операции за счет применения соответствующих программно-алгоритмических средств. Как показывает анализ современных тенденций [I. 2] проектирования и эксплуатации космических систем, второй подход более эффективен с учетом ограничений на материальные затраты, необходимые для обеспечения целевой функции системы.

Таким образом, настоящая работа, посвященная созданию технологии оптимального планирования работы навигационных средств наземного комплекса в интересах поддержания заданной баллистической структуры орбитальной группировки и автоматизации соответствующих типовых операции, решает актуальную техническую задачу, являющуюся важным резервом повышения эффективности космической системы в целом. Под технологией здесь понимается совокупность разработанных моделей и алгоритмов, а также их реализация в виде соответствующего программно-математического обеспечения, обеспечивающего решение исходной технической задачи.

Альтернативой этому подходу к повышению эффективности космической системы является максимизация автономности, т.е. возможности функционирования космической системы без поддержки наземного комплекса. Этот путь в части поддержания баллистической структуры также связан с необходимостью планирования работы навигационных средств КА, оснащенных автономными навигационными системами и межспутниковыми каналами связи и измерений, и в данной работе не рассматривается.

Таким образом, целью настоящей работы является снижение затрат на поддержание баллистической структуры орбитальной группировки космической системы путем оптимального планирования работы навигационных средств наземного комплекса управления и совершенствование алгоритмов выполнения необходимых типовых операций.

Методологической основой для достижения поставленной цели являются математические модели движения КА, наземных измерительных пунктов (ПИП) и измерительных каналов, определяемые современным уровнем фундаментальных исследований в данной предметной области и новейшие численные методы, потенциально обеспечивающие миллиметровый уровень точности позиционирования КА орбитальной группировки.

Прежде чем переходить к обсуждению конкретных путей решения поставленной задачи обсудим основные особенности современных и перспективных космических систем, существенным образом влияющих на содержание типовых операций, возникающих перед комплексом управления.

1. Как уже указывалось выше, в современных и перспективных системах навигации все большое применение находят автономные средства навигации, основанные на использовании межспутниковых измерений, информации от глобальных навигационных систем, естественных навигационных полей и т.п. [21]. Типовые операции в таких системах должны быть реализованы не только на наземном комплексе управления, но и для бортовой системы управления КА созвездия.

2. Для современных космических систем, наряду с традиционными показателями, рассматриваемыми для единичных КА (с.к.о. ошибок определения координат, вероятность нахождения в заданной области пространства и т.п.) широкое применение находят показатели, отражающие системный характер предъявляемых к ним требований, с точки зрения целевого функционирования орбитальной группировки, объединенную в баллистическую структуру, наземного сегмента системы, включающего сеть ИИГ1 и баллистический центр (центры) [2]. Среди таких системных показателей часто рассматриваются комплексные критерии, сложным образом учитывающие требования как к космическому сегменту, гак и к наземному, например, коэффициент покрытия земной поверхности, качество эфемерид и достоверность навигационного послания (для навигационных систем), пропускная способность и среднее время ожидания (для систем связи) и т.п.

3. Большинство современных и перспективных систем являются системами двойного или тройного назначения (см. таблицу В.1). В этой связи комплексные критерии для таких систем должны учитывать различные целевые функции. Кроме того, типовые операции в таких системах должны быть организованы с учетом удовлетворения требований каждой целевой задачи.

4. Еще одним фактором, определяющим реалии современных космических систем, стал международный характер создания и эксплуатации большинства гражданских космических проектов. Это дает возможность использовать для улучшения качества эксплуатации космических систем динамическую сеть НИП, поставляющих измерительную информацию в объединенные баллистические центры, типовые операции для которых должны быть организованы с учетом состава измерительной информации, точностных характеристик и реальных технических ограничений тех или иных измерительных средств в интересах именно системных критериев функционирования системы.

5. Наряду с требованиями к повышению точности навигации и управления КА существуют стоимостные ограничения поддержания и эксплуатации космических систем, которые могут стать одним из определяющих факторов (или даже основным критерием при точностных ограничениях) при проектировании и развертывании относительно дешевых коммерческих систем мониторинга. Можно утверждать, что именно интегральный критерий "точность/стоимость" является наиболее адекватным для большинства современных космических систем [1, 2\.

Таблица B.l

Характеристик^ Система Galileo 1птаг5а1 ICO Азт5а1 Iridium Wo rid Space

Назначение Глобальная навигация и связь Мобильная телефония, передача данных, автоматическая связь не морских, сухопутных и авиационных подвижных средств Подвижная и персональная спутниковая связь Телефонная связь, организация частных сетей передачи данных трансляция ТВ программ Подвижная спутниковая телефония (включая роуминг с сотовых сетях различных стандартов), передача данных, SMS, пейджинг Непосредственн ая трансляция радио и телепрограмм для Африки и Ближнего Востока Организация навигации и связи в Тихоокеанском регионе

Орбитальная группировка 27 спутников на трех околокруговых орбитах, высота орбиты 24000 км. + 3 в резерве 9 активных ИСЗ, формирующих глобальную зону покрытия и обеспечивающи х устойчивую связь между 70 град. ю.ш. и 70 град.с.ш. 10 ИЗС, расположенных в двух орбитальных плоскостях по пять ИЗС в каждой с наклонением 45о и высотой 10 390 км. три ИСЗ Аз1а5аМ, -2, -3 на геостационарны х орбитах в точках стояния 105,5 и 100,5" в.д. 66 спутников на низких круговых орбитах ( высота 780 км) в 6 плоскостях с наклонением 86,4 град. три спутника, расположенные в точках 21, 105.5 град. в.д. и 95 град, з.д., а один спутник -резерв 3 спутника на псевдостациона рной орбите

Наземный сегмент Сеть наземных станций контроля и управления (предп. 9 НИП)+сеть станций коммерческого обсуживания 38 береговых (центральных) станций; 7 станций слежения 12 узловых станций спутниковой связи, 6 станций слежения 4 станции слежения 3 станции сопряжения (планируется 14), 8 станций слежения три баллистических центра, пять станций передачи команд и приема телеметрии, три контрольные станции 2 станции слежения, 10 станций обслуживания (проект)

Помимо всех перечисленных особенностей современных и перспективных космических систем, существует еще одно важное обстоятельство, определяющее актуальность и своевременность предлагаемой технологии. Анализ существующего специализированного программного обеспечения как рынке, так и внутрикорпоративном сегменте показывает, что в настоящее время практически отсутствуют универсальные, открытые, относительно дешевые программные образцы технологии, предназначенной для автоматизации типовых операций при управлении космическими системами. Так, известные прикладные пакеты иностранного производства (Satellite System Toolbox [21], Bernese Software [20]) при своей относительной дороговизне позволяют решать лишь часть из требуемых технических подзадач (при этом взаимодействие между подзадачами осуществляется на уровне файлов), практически нерасширяемы и абсолютно закрыты с точки зрения используемого программного кода. Как правило, используемые в центрах управления полетом, баллистических центрах и отраслевых НИИ корпоративные пакеты российского производства также не универсальны и не дешевы в эксплуатации. Отметим также, что решение задачи оптимального планирования работы навигационных средств НКУ в этих пакетах как правило не рассматривается и сводится, по сути, к экспертной оценке процесса управления космическим сегментом.

С учетом сказанного выше, оказывается, что все задачи, стоящие перед наземным комплексом управления на этапе эксплуатации космической системы, реализуются путем организации так называемых типовых операций, выполняемых либо автоматически программно-аппаратными средствами НКУ, либо операторами центра управления полетом в соответствии с текущей обстановкой. В общем случае, все основные типовые операции НКУ могут быть отнесены к следующим группам [1,2]:

• Прием и анализ телеметрической и навигационной информации от бортового комплекса управления;

• Организации работы измерительных пунктов и проведение измерений;

• Статистическая обработка траекторных измерений и формирование оценок состояния КЛ орбитальной группировки и, возможно, параметров модели движения КА;

• Прогнозирование движения КА орбитальной группировки на основе полученных оценок состояния КА;

• Выработка управляющих команд, основанных на полученных оценках состояния КА, спрогнозированного движения орбитальной группировки и целевой задачи системы и направленных на либо удержание КА в орбитальной группировке, либо на его перевод в другую точку;

• Передача сформированных команд управления бортовому комплексу управления К А.

Реализация перечисленных типовых операций требует наличия как минимум следующих математических моделей и алгоритмов:

• Модель динамики созвездия КА;

• Модель динамики сети ПИП наземного комплекса управления;

• Модель навигационных измерений;

• Модель внешней среды, как источника неконтролируемых факторов;

• Алгоритм планирования работы навигационных средств НКУ;

• Алгоритм планирования работы приемо-передающих станций НКУ;

• Алгоритм статистической обработки траекторных измерений;

• Алгоритм построения эфемерид КА орбитальной группировки;

• Алгоритм расчета оптимального управления и коррекции КА созвездия.

Очевидно, что конкретная реализация и степень детализации .моделей зависят от специфики той или иной космической системы, и определяются, в конечном счете, ее целевой задачей.

Как уже отмечалось, центральной задачей, рассматриваемой в данной работе, является задача оптимального планирования работы навигационных средств наземного комплекса управления, как основного средства снижения затрат на подержание баллистической структуры орбитальной группировки с заданной точностью.

Отметим также, что среди перечисленных выше типовых операций ниже рассматриваются только те, которые можно выполнить априори, т.е. организацию работы измерительных пунктов и проведение измерений, а также прогнозирование движения КА орбитальной группировки на основе полученных оценок состояния КА. Это позволяет использовать предлагаемую технологию не только на этапе развертывания или эксплуатации космической системы, но и на этапе проектирования, моделируя процесс функционирования проекта системы и анализируя различные варианты построения как-космического, так и наземного сегментов, при этом не привязываясь к особенностям реализации технологии типовых операции в конкретной системе.

Надо отметить, что теория оптимального планирования эксперимента, занимающаяся вопросами построения оптимальных процедур измерений, существует уже более полувека, и имеет ряд направлений, широко используемых в промышленности. Наибольшее распространение получили два направления теории планирования: классическое, основанное на использовании статической (регрессионной) модели эксперимента и динамическое планирование, рассматривающее оптимизируемый эксперимент как динамическую систему и использующее для решения задачи оптимизации методы теории оптимального управления [3]. Совершенно очевидно, что вследствие использования динамических моделей и большого многообразия постановок динамические задачи оптимального планирования несравненно сложнее, но, в то же время более адекватно учитывает суть процесс, рассматриваемых в данной работе.

Один из наиболее общих подходов к решению задач оптимизации процессов наблюдения и управления в динамических системах был сформулирован в [3]. В соответствии с упомянутым подходом, задача оптимального планирования навигационных наблюдений трактуется как задача управления точностью определения положения КА на основе методов динамической фильтрации (рекуррентные байесовские алгоритмы оценивания) путем варьирования планов проведения навигационных измерений измерительным комплексом. Данный подход основан на аналитических свойствах уравнения Риккати (лежащего в основе традиционного метода априорного анализа точности линеаризованных динамических систем), использование которых позволяет осуществить эквивалентный переход от исходных нелинейных задач оптимизации к задачам управления в линейной по фазовым переменным динамической системе, представляющей собой проекцию так называемой гамильтоновой системы уравнений. Одним из наиболее значимых достижений упомянутого подходи является возможность формулировки и решения задачи оптимального планирования для различных критериев, традиционно используемых в теории планирования эксперимента, в рамках единой структуры системы эквивалентных уравнений, обладающих аналитической структурой и монотонной сходимостью, что позволяет с успехом применять ею в различных практических задачах [4].

Вместе с тем, численная реализация процедуры оптимального планирования, особенно в сложных системах с учетом большого числа разнообразных стохастических и неопределенных случайных факторов, основанная на использовании метода последовательных приближений Крылова-Черноусько [5], в силу уже отмечавшейся сложности постановки динамических задач планирования и точности используемых моделей, жестко привязана к особенностям конкретной технической задачи. Таким образом, на настоящий момент существует лишь несколько вариантов решения задачи оптимального планирования навигационных наблюдений единичных КА, обслуживаемых единственным НИП в стохастической постановке как с традиционными, так и с вероятностными критериями оптимальности [4].

В соответствии с изложенными выше соображениями сформулируем постановку технической задачи оптимального планирования работы навигационных средств НКУ по космической системе, заданной своей орбитальной группировкой (созвездием).

Будем предполагать, что на некотором временном интервале, называемом в дальнейшем навигационным, НКУ с использованием сети НИП производит измерения навигационных параметров, характеризующих состояние орбитальной группировки космической системы.

Сеть НИП НКУ, расположенных на поверхности Земли, располагает возможностью проведения траекторных измерений различных физических параметров и обмена измерительной информацией. При этом не обязательно задействуются все из общего числа НИП сети. Кроме того, сеансы измерений располагаются не на всем навигационном интервале, а лишь на тех его участках, где выполняются геометрические условия видимости между элементами сети НИП и КА, входящего в созвездие.

Затраты на измерения для каждого КА будут определяться суммарным количеством сеансов навигационных измерений, и, в случае необходимости с учетом матрицы стоимости каждого из измерений на каждом из НИП, входящих в состав баллистической сети.

Предполагается, что измерительная информация, поступающая с сети НИП, обрабатывается с помощью алгоритмов Калмановской фильтрации либо с помощью рекуррентной модификации метода наименьших квадратов [4, 6], что позволяет учесть динамику наблюдаемой системы и включить в состав расширенного фазового вектора необходимые оценки систематических ошибок и неопределенных параметров моделей как в канале движения, так и в канале измерений.

Для сети НИП НКУ требуется определить план работы навигационных средств, представляющий собой совокупность программы измерений и состава измеряемых параметров на всем навигационном интервале в целях оптимизации выбранного критерия оптимальности при выполнении заданных ограничений. Варианты постановки будут уточнены ниже, при обсуждении метода решения задачи оптимального планирования (глава 2).

В работе среди всех показателей качества, традиционно используемых в российской практике исследований космических систем, в качестве основного будем использовать точность определения орбит КА созвездия (прямая задача планирования). Использование этого критерия, как будет показано ниже, наиболее удобно и с точки зрения минимизации затрат на поддержание баллистической структуры орбитальной группировки космической системы (обратная задача планирования). Можно показать [3. 4], что на основании этого критерия удается оценить большинство показателей качества. определяющих эффективность космической системы - вероятность обслуживания той или иной территории космическим сегментом, точность поддержания заданной баллистической структуры и т.п.

В качестве показателя, характеризующего степень выполнения требований по точности отдельного КА и для характеристики качества конкретной программы навигационных измерений рассматривается точность определения скалярного параметра /, где / -величина разброса положения КА вдоль орбиты, который, как показывает практика [8], является наиболее трудно контролируемым параметром применительно к околокруговым орбитам, наиболее употребительным в практике космических систем, и, стало быть, от точности его определения зависит точность определения и подержания баллистической структуры орбитальной группировки. Для обратных задач планирования точность определения параметра / (характеризуемая его дисперсией) рассматривается нами как ограничение в минимизации затрат на поддержание баллистической структуры орбитальной группировки.

Иными словами, результирующий план работы наземного комплекса по выбранному созвездию КА представляет собой матрицу (или, иначе совокупность векторов) каждая строка которой соответствует конкретному плану работы каждого НИГ1 (программе переключения антенны НИП) по видимым КА созвездия в пределах зон видимости данного ПИП. Таким образом, каждому навигационному сеансу из общего для данного НИИ числа сеансов ставится в соответствие номер обслуживаемого в данном сеансе КА созвездия.

Проводя декомпозицию исходной технической задачи, выделим ряд частных подзадач, последовательное решение которых позволит достичь конечной цели представляемой работы. Итак, для решения задачи оптимального планирования и автоматизации типовых операций наземного комплекса управления необходимо получить решение следующих подзадач:

• моделирование (прогнозирование) динамики созвездия КА на требуемых навигационных интервалах;

• моделирование динамики сети НИП на требуемых навигационных интервазах;

• построение зон видимости и формирование матриц баллистических производных с учетом возмущений в канале измерений;

• априорный анатиз точности оценивания векторов состояния КА созвездия космической системы и построение квазиоптиматьной программы работы наземных средств сети НИП на основе оценок априорного анализа точности оценивания;

• построение оптиматьной программы работы навигационных средств сети НИП в соответствии с терминальными или интервальными критериями оптиматыюсти при временных или точностных ограничениях.

Анализ приведенных подзадач показывает, что их список практически исчерпывает перечень типовых операций для наземного комплекса управления космической системой, реализацию которых можно осуществить априори, т.е. до начат эксплуатации реальной системы.

В соответствии с проведенной декомпозицией основной задачи предлагаемой технологии далее в диссертации рассматривается решение каждой из перечисленных подзадач.

В первой главе диссертации приведены математические модели и алгоритмы, используемые при решении задачи определения и прогнозирования состояния орбитальной группировки космической системы. Основное внимание уделяется модификации известных моделей неконтролируемых факторов, реализованных в соответствии с современными международными и отечественными стандартами [10] в целях повышения их вычислительной эффективности. Кроме того, в главе предложены модификации методов численного интегрирования и их отдельных механизмов в качестве алгоритмического базиса для реализации технологии оперативного планирования работы навигационных средств с целью автоматизации типовых операций в реальных прикладных задачах. Предложена методика так называемой утилизации эфемерид КА созвездия космических систем на основе непосредственного использования Чебышопекой аппроксимации численного решения.

Во второй главе диссертации определены основные черты технологии, предназначенной для реализации известного динамического подхода к планированию работы наземных измерительных средств в целях его адаптации к высокоточным моделям неконтролируемых факторов в условиях новых постановок задачи планирования применительно к современным и перспективным космическим системам. Сформулированы основные критерии оптимальности и ограничения, отражающие особенности постановки задачи планирования в современных условиях, проведена модификация динамического подхода к планированию в целях решения задачи планирования в новых постановках. Кроме того, предложена эффективная в вычислительном смысле технология оперативного планирования работы навигационных средств сети наземных измерительных пунктов в современных и перспективных космических системах с целью реализации типовых операций с требуемым качеством и минимальными затратами с учетом современных технических ограничений и возможностей измерительных средств, объединенных в единую баллистическую сеть.

В третьей главе диссертации сформулированы требования к программно-математическому обеспечению, реализующему представляемую технологию, как к неотъемлемой и актуальной части исследований, позволяющей оптимизировать затраты на алгоритмическую поддержку НКУ. В главе сформулированы основные принципы построения и описана архитектура ПМО, приведено описание модели данных и структура разработанного ПМО, предназначенного для решения задачи оптимизации работы навигационных средств и типовых операции наземного комплекса управления в современных и перспективных космических системах.

В четвертой главе диссертации приводятся основные результаты, демонстрирующие возможности и преимущества моделей и алгоритмов, разработанных для обсуждаемой технологии. Здесь представлены результаты, демонстрирующие потенциальную точность используемых в развиваемой технологии моделей неконтролируемых факторов, результаты сравнения разработанных в диссертации численных методов интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) с традиционными, убедительно доказывающие преимущество усовершенствованных и разработанных в работе методов численного интегрирования систем ОДУ.

Здесь же представлен основной результат, демонстрирующий качество и работоспособность технологии оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций наземного комплекса управления на примере современной коммерческой системы ЯЯК (Бразильский проект системы экологического мониторинга).

Заключение диссертации по теме «Динамика, баллистика, дистанционное управление движением летательных аппаратов», Сыпало, Кирилл Иванович

4.5. Выводы по главе 4

1. Представлены результаты, демонстрирующие потенциальную точность используемых в развиваемой технологии моделей неконтролируемых факторов и подтверждающих тот факт, что полученное численное решение прогнозирования движения КА орбитальной группировки и наземного комплекса допустимо использовать в алгоритмах априорного анализа точности оценивания вектора состояния КА и оптимального планирования работы навигационных средств наземного комплекса управления современных и перспективных космических систем.

2. Представлены результаты сравнения разработанных в диссертации численных методов интегрирования систем ОДУ с традиционными, убедительно доказывающие преимущество усовершенствованных и разработанных в работе методов численного интегрирования систем ОДУ. Разработанные методы позволяют обеспечить, с одной стороны, необходимый для задачи прогнозирования движения КЛ современных и перспективных космических систем уровень точности, а с другой -вычислительную эффективность, особенно актуальную с точки зрения проблемы автоматизации рутинных операций наземного комплекса управления.

3. Представлены результаты, демонстрирующие уникальность технологии с точки зрения эффективности утилизации полученного численного решения на основе чебышевской аппроксимации эфемерид КА и массивов баллистических производных при сохранении субсантиметрового уровня точности.

4. Представлены результаты, демонстрирующие влияние организации плана проведения навигационных измерений не только на точность определения вектора состояния КА, но и на точность определения параметров моделей, что доказывает актуальность постановки задачи оптимального планирования эксперимента в традиционных и фундаментальных задачах исследования космических систем.

5. Представлены результаты, демонстрирующие качество и работоспособность технологии оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации рутинных операций наземного комплекса управления на примере современной коммерческой системы (Бразильский проект системы экологического мониторинга) в классической постановке и при использовании критерия на быстродействие. Данные результаты хорошо согласуются с реальной практикой обслуживания этой космической системы и позволяют утверждать, что применение обсуждаемой технологии позволяет более чем в два раза снизить загрузку, а, следовательно и стоимость эксплуатации наземного комплекса при выполнении ограничений по точности позиционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе сформулирована и решена актуальная научно-техническая задача снижения затрат на поддержание баллистической структуры орбитальной группировки космической системы путем оптимального планирования работы навигационных средств наземного комплекса управления и совершенствования алгоритмов выполнения необходимых типовых операций. Показано, что решение исходной задачи сводится к ряду частных подзадач, последовательное решение которых позволяет обеспечить решение исходной.

Для решения упомянутых подзадач была проведена модификация известных моделей неконтролируемых факторов, действующих в данной задаче, модификация традиционных и разработка новых методов численного интегрирования и их отдельных механизмов в качестве алгоритмического базиса для оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций в прикладных задачах.

Осуществлена адаптация общего подхода к планированию навигационных измерений применительно к высокоточным моделям неконтролируемых факторов, а также системным критериям и требованиям к точности определения движения КА спутниковых систем с учетом современных технических ограничений и возможностей измерительных средств, объединенных в единую сеть. Адаптация основана на разработанной модификации процедуры Крылова-Черноусько, а также механизме численного расчета матриц баллистических производных на основе Чебышевской аппроксимации.

Все перечисленные выше модели алгоритмы образуют предлагаемую технологию оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций наземного комплекса космических систем.

Предложенная технология является новой и отличается от известных подходов повышенной вычислительной эффективностью, достигаемой следующим образом:

• С целью существенного уменьшения ошибок линеаризации и времени расчета оптимального плана модифицирована рекуррентная процедура априорной оценки точности путем построения частных производных на основе полиномиальной аппроксимации Чебышева для представления элементов матрицы Коши как функции времени в зоне видимости КА и методов высокоточного численного интегрирования уравнений движения КА с учетом моделей неконтролируемых факторов, приведенных в главе 1, для вычисления частных производных методом конечных разностей.

• С целью ускорения сходимости процесса построения оптимального плана навигационных средств создана процедура формирования квазиоптимального плана на основе априорной информации и решения задачи априорного анализа точности как первоначального приближения численной процедуры.

Для программной реализации перечисленных выше моделей и алгоритмов как неотъемлемой части созданной технологии сформулированы требования, основные принципы построения, разработана архитектура и создано программно-математическое обеспечение с использованием объектно-ориентированного подхода, реализующее блочное решение всех частных подзадач объединенных в систему с точки зрения единой структурой объектов и информационных потоков, реализованных на основе технологии баз данных.

Приведены результаты, подтверждающие эффективность и работоспособность предлагаеиой технологии в соответствии с декомпозицией подзадач, составляющих ее основу, а именно:

1. Продемонстрирована потенциальная точность используемых в развиваемой технологии моделей неконтролируемых факторов и подтвержден тот факт, что полученное численное решение прогнозирования движения КА орбитапьной группировки и наземного комплекса допустимо использовать в алгоритмах априорного анализа точности оценивания вектора состояния КА и оптимального планирования работы навигационных средств наземного комплекса управления современных и перспективных космических систем.

2. Осуществлено сравнение разработанных в диссертации численных методов интегрирования систем ОДУ с традиционными, убедительно доказывающее преимущество усовершенствованных и разработанных в работе методов численного интегрирования систем ОДУ. Разработанные методы позволяют обеспечить, с одной стороны, необходимый для задачи прогнозирования движения КА современных и перспективных космических систем уровень точности, а с другой - вычислительную эффективность, особенно актуальную с точки зрения задачи автоматизации типовых операций наземного комплекса управления.

3. Продемонстрирована эффективность утилизации полученного численного решения на основе чебышевской аппроксимации эфемерид КА и массивов баллистических производных при сохранении субсантиметрового уровня точности.

4. Продемонстрировано влияние организации плана проведения навигационных измерений не только на точность определения вектора состояния КА, но и на точность определения параметров моделей, что доказывает актуальность постановки задачи оптимального планирования эксперимента в традиционных и фундаментальных задачах исследования космических систем.

5. Представлены результаты, демонстрирующие качество и работоспособность технологии оптимального планирования работы навигационных средств и автоматизации типовых операций наземного комплекса управления на примере современной коммерческой системы ЯЯЯ (Бразильский проект системы экологического мониторинга) в классической постановке и при использовании критерия на быстродействие. Данные результаты хорошо согласуются с реальной практикой обслуживания этой космической системы и позволяют утверждать, что применение обсуждаемой технологии позволяет более чем в два раза снизить загрузку, а, следовательно и стоимость эксплуатации наземного комплекса при выполнении ограничений по точности позиционирования.

На защиту выносятся следующие основные положения:

I. Масштабируемая высокоточная модель возмущающих ускорений, действующих на КА, включая ряд практических усовершенствований, эффективных с точки зрения атгоритмической реализации задачи оперативного планирования работы навигационных средств, состоящих в следующем:

- реализация модели гравитационного влияния Земли с учетом несферичности потенциала с использованием алгоритма Каннигхема для расчета ускорений непосредственно в декартовой мгновенной абсолютной СК;

- реализация модели возмущений геопотенциала, обусловленных приливными деформациями Земли и создание методики представления соответствующих поправок в коэффициенты ГГ13 в виде полиномов Чебышева;

- реализация стохастической модели тяги корректирующей двигательной установки активного КА и создание методики отслеживания моментов включения и выключения установки малой тяги с целью "перенастройки" правых частей системы дифференциальных уравнений движения активного КА;

- реализация модели гравитационного влияния Солнца и других планет солнечной системы на основе использования международных стандартов эфемерид небесных тел или технологии утилизации эфемерид небесных тел;

- реализация модели давления солнечного света с учетом конической тени и разработка оригинального алгоритма учета эффекта вхождения КА в тень с непрерывной функцией тени.

Масштабируемые высокоточные модели движения наземного измерительного пункта и измерительных каналов, реализованные в соответствии с рекомендациями международных стандартов.

Библиотека современных высокоточных численных методов интегрирования (вложенные методы Дормана и Принса 5(4) и 8(7), экстраполяционный метод Грегга-Булирша-Штера, метод прогноза-коррекции с переменным порядком (до 8), модифицированный метод Эверхарта, разработанный автором и базирующийся на известном неявном одношаговом алгоритме Эверхарта), а также специальные алгоритмические механизмы, позволяющие повысить точность и вычислительную эффективность численных методов интегрирования.

Методика утилизации эфемерид КА созвездия космических систем на основе непосредственного использования Чебышевской аппроксимации численного решения.

Модифицированная процедура расчета матриц баллистических производных и априорного анализа точности определения орбит созвездия КА;

Методика и алгоритм оптимального планирования работы наземных навигационных средств с использованием современных терминальных и интервальных критериев точности определения орбит, в том числе задачи на быстродействие.

Специализированное программное обеспечение, предназначенное для решения задач высокоточного прогнозирования и оптимального планирования работы наземных навигационных средств в современных и перспективных космических системах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сыпало, Кирилл Иванович, 2005 год

1. Малышев В.В., Красильщиков М.Н. и др. Системы спутникового мониторинга, М.: МАИ, 2000.

2. Основы синтеза систем летательных аппаратов, под редакцией Лебедева А.А., М. МАИ, 1996.

3. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Карлов В.И. Оптимизация управления и наблюдения летательных аппаратов, М.: Машиностроение. 1989.

4. Решетнев М.Ф., Лебедев А.А., Бартенев В.А., Красильщиков М.Н., Малышев В.А., Малышев В.В. Управление и навигация искусственных спутников Земли на околокруговых орбитах, М. Машиностроение, 1988.

5. Черноусько Ф.Л. Оценивание фазового состояния динамических систем, М. Наука 1988.

6. Дубошин Г.Н. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. М.: Наука, 1976.

7. Жданюк Б. Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений. М.: Машиностроение, 1978.

8. Эльясберг П.Е. Определение движения по результатам измерений. М.: "Наука", 1976.

9. Основы теории полета космических аппаратов, под редакцией Нариманова Г.С и Тихонравова М.К. М. Машиностроение, 1972.

10. IERS Technical Note 13. IERS Standards (1992). Ed. Dennis D. McCarthy, US Naval Observatory. July 1992.

11. Параметры общего земного эллипсоида и гравитациоиного поля Земли. (Параметры Земли 1990 года). Военно-топографическое управление Генерального штаба, Редакционно-издательский отдел. М.:, 1991.

12. Хайрер Э., Нерсетт С., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Машиностроение, 1990.

13. Everhart Е. Implicit single-sequence methods for integrating orbits. Celestial Mechanics, 10, 1974, p.35-55.

14. Беликов M.B., Трубицина A.A. Метод полиномиальной аппроксимации эфемеридных данных. ИТА АН СССР, 1990, №10. 18 с.

15. Плахов Ю.В., Мыценко A.B., Шельпов В.А. "О методике численного интегрирования уравнений возмущенного движения ИСЗ в задачах космической геодезии". Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, №4, 1989.

16. TOPEX/POSEIDON Project. Software Intercomparision Plan. NASA/GS FC Space Geodesy Branch. 1991.

17. TOPEX/POSEIDON Project. Software Intercomparision Results. NASA/GSFC Space Geodesy Branch. 1992.

18. BERNESE GPS SOFTWARE, Astronomisches Institut Universität, Bern Switzerland, 2003.

19. Satellite Tool Kit v.5., Analytical Graphics, Inc 2003.

20. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров, Изд. «Лань», 2003г.

21. Malyshev V.V., Krasilshchikov M.N., Koudryashov S.V., Sypalo K.I. Development of Algorithms and Software for the Global Positioning System of the Third Generation. 45th International Astronautical Congress (Jerusalem, Israel, October, 1994)

22. Krasilshchikov M.N., Koudryashov S.V., Sypalo K.I. Modelling of the Illrd Generation Global Navigation System Operating, 17 Conference IFIP TC7, Praga, Czechia, July 1995.

23. Сыпало К.И. Технология оптимального планирования работы наземного комплекса в задачах определения орбит спутниковых систем, 1ая Международная конференция «Системный анализ, управление и навигация», Евпатория, 1999г.

24. Красильщиков М.Н., Козорез Д.А., Сыпало К.И. Моделирование процесса навигации и определения ориентации КА на основе ГЛОНАСС/GPS технологии 1ая Международная конференция «Системный анализ, управление и навигация», Евпатория 1999г.

25. Krasilshchikov M.N., Sypalo K.I. Optimal On-ground Tracking Station Operation Scheduling Technique, 51-th International Astronautical Congress, Rio de Janeiro, Brazil, October, 2000.

26. Красильщиков M.H., Сыпало К.И., Козорез Д.А., Белоусов И.А. Формирование алгоритмов интегрированной навигационной системы малого ИСЗ на основе ГЛОНАСС/GPS технологии. «Полет» №3, 2000

27. Красильщиков М.Н., Дишель В.Д., Сыпало К.И., Козорез Д.А. Формирование облика интегрированной навигационной системы малого ИСЗ на основе GPS/TJIOHACC технологий, Изв. РАН Теория и системы управления, 2001 г. №6

28. Krasilshchikov M.N., Sypalo K.I. Unificated Approach of The Multichannel Glonass/GPS Receiver Adaptation to Aerospace Vehicle Onboard Integrated System, 5-th ESA International Conference, Milan, Italy, October, 2002.

29. Сыпало К.И., Чой К. Анализ влияния алгоритмов бесплатформенной инерциальной навигационной системы на точность выведения полезной нагрузки ракеты-носителя. Всероссийской конференции «Теория колебаний и управление», Москва, МАИ, 2002 г.

30. Krasilshchikov M.N., Sypalo K.I. Unificated Approach of The Multichannel Glonass/GPS Receiver Adaptation to Aerospace Vehicle Onboard Integrated System, European GNSS 2003 Conference, Graz, Austria

31. Красильщиков М.Н., Сыпало К.И. и др. Под редакцией Себрякова Г.Г. и Красилыцикова М.Н. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий., М.: Физматлит, 2003.

32. Красильщиков М.Н., Сыпало К.И., Козорез Д.А. "Интегрированная навигационная система вертолета" часть 1; "Математические модели и алгоритмы". Авиакосмическое приборостроение, №6, 2004, стр. 32-40.

33. Красильщиков М.Н., Сыпало К.И., Козорез Д.А. "Интегрированная навигационная система вертолета" часть 2; "Результаты моделирования". Авиакосмическое приборостроение, №6, 2004, стр. 40-50.

34. Красильщиков М.Н., Сыпало К.И., Крючков A.M. "О реализации автоматизированного управляемого маловысотного полета вертолета на основе данных интегрированной навигационной системы" Вестник компьютерных и информационных технологий, №6, 2004г., стр. 2-11.

35. Krasilshchikov M.N., Sypalo К.Г., Kozorez D.A. Helicopter Terrain-following Integrated Navigation & Control System, Based on GPS/GLONASS Technique and Technology, European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), Moscow, July 2005.

36. Рамбо Дж., Якобсон А., Буч Г. UML Специальный справочник, «Питер», Санкт-Петербург, 2002