Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предпосылки создания систем спутниковой связи 7
1.1. История создания спутников связи в СССР 7
1.2. Состояние системы спутниковой связи в середине 90-х 9
1.3. Необходимость развития телекоммуникаций в России И
1.4. Программа «Ямал» ОАО «Газком» и развитие космических телекоммуникаций в России 14
Глава 2. Системное проектирование спутниковой системы связи «ЯМАЛ» 18
2.1. Системный проект ССС «Ямал» 18
2.2. Основные этапы реализации программы ССС 20
2.3. Программа «Ямал-0» и создание сети технологической связи ОАО «Газпром» 21
2.4. Программа «Ямал-100» и создание спутника связи 24
2.5. Разработка БРК для спутника связи «Ямал» 30
2.6. Требования к служебной платформе и космическому аппарату 34
2.7. Проектные требования к наземному комплексу управления 36
Глава 3. Управление ориентацией движением спутника связи 38
3.1 Эволюция систем управления космических аппаратов 38
3.2. Анализ задач и выбор технических решений при определении ориентации и управления движением спутника связи 41
3.3. Кинематический контур ориентации. Выбор схем корректирования 49
3.4. Задачи ориентации начального участка полета 55
3.5. Динамический контур управления 56
3.6. Динамика маневрирования при удержании КА в точке стояния 63
Глава 4. Бортовой комплекс управления. внедрение цифровых технологий в управление КА 71
4.1. Интеграция задач управления на основе БЦВС 71
4.2. Расширение автономности управления БКУ 72
4.3. Проектные требования к бортовому цифровому вычислительному комплексу БЦВС 74
4.4. Наземные средства сопровождения БЦВС и его программного обеспечения НКО-АИС-НКУ 75
4.5. Цифровые технологии и создание промышленных объектов в космосе 77
4.6. Цифровая концепция БРК 78
4.7. Цифровая концепция служебной платформы 80
Глава 5. Реализация проектных решений. итоги разработки 82
5.1. Структура ССС «Ямал» и основные технические решения 82
5.2. Опыт и уроки летных испытаний «Ямал-100» 86
5.3. Опыт реализации концепции цифровой платформы в программах «Ямал-100» и «Ямал-200» 90
5.4. Структура НКУ как компоненты наземных средств поддержки цифровой платформы и КА на всех этапах создания и эксплуатации 91
5.5. «Ямал-100» и развитие спутниковых телекоммуникаций в России 93
Заключение 97
Приложение
- Состояние системы спутниковой связи в середине 90-х
- Основные этапы реализации программы ССС
- Анализ задач и выбор технических решений при определении ориентации и управления движением спутника связи
- Расширение автономности управления БКУ
Введение к работе
Актуальность темы. Изменение государственного строя России, произошедшее вслед за распадом СССР, определение рыночных отношений как основы экономики существенным образом отразились на смене приоритетов государственных систем, обеспечивающих нормальное функционирование хозяйственных механизмов страны. В этих условиях особое значение приобретали средства телекоммуникаций, обеспечивающие связь как между государственными структурами, необходимую для функционирования субъектов федерации, так и для работы хозяйственных механизмов страны. Существовавшие в СССР средства телекоммуникаций были далеки от совершенства, а события, произошедшие в связи с изменением государственного строя, значительно усугубили положение в этой отрасли. Ранее введенные в эксплуатацию системы связи морально и технически устаревали, происходил их естественный износ, а новые системы в 90-х не разрабатывались и не вводились.
Решение данной проблемы, приобретавшей общенациональный характер, требовало неотлагательных мер, задержки в ее реализации грозило потерей Россией ее информационного пространства. Положение осложнялось тем обстоятельством, что государство резко сокращало финансирование космической отрасли и уже не предполагало вкладывать большие ресурсы в новые разработки, а для привлечения инвестиций не было оснований, т.к. спутники, которые могли изготавливать российские предприятия не выдерживали конкуренции с зарубежными. Задача разработки и создания современной по техническому уровню спутниковой системы связи и ее основного элемента - космического аппарата связи нового поколения, не уступающего по своим техническим параметрам современным мировым аналогам - приобрела в 90-х особую актуальность.
Представляемая диссертационная работа посвящена разработке концепции, поиску и реализации путей и методов решения задачи создания спутника связи, его систем управления, обеспечивающих надежное функционирование этого аппарата в течении длительного ресурса времени. Особенностью этой работы является то, что она была выполнена в очень сложное и трудное время - с одной стороны экономического кризиса, с другой - время становления новых рыночных отношений в развитии экономики страны. Эти подходы стали формироваться при создании технологической сети ведомственной связи для промышленных предприятий Газпрома и затем при разработке спутника связи нового поколения «Ямал-100» в последнем десятилетии прошлого века в трудных экономических условиях после распада Советского Союза.
Видимо не случайно именно спутники связи стали тем местом космической деятельности, где впервые в отечественной практике реализовались эти подходы. Причин здесь видится две: первая - это жесткая конкуренция на открытом рынке предоставления услуг по космической связи. Отсталые технические решения спутников связи, оставшихся в наследство от советского периода монопольной схемы развития этого направления, чуть было не привели к потере для страны этой области космической промышленности вообще. Только создание «де-факто» спутника связи «Ямал-100», не уступающего по своим потребительским качествам западным спутникам, оставило возможность развития отечественного сектора этой космической промышленности. Вторая причина- это реализация разработки спутника и всей сопутствующей инфраструктуры на принципах коммерческого, а не государственного финансирования. Именно эта особенность характеризует появление промышленного подхода в рассматриваемой области деятельности, и именно таким образом была реализована разработка комплекса связи «Ямал», включая и сам спутник связи.
В диссертации представлены работы автора периода 1992-2002 годов, связанные с разработкой и созданием спутниковой системы связи для РАО «Газпром», выполненной вновь созданной организацией ОАО «Газком». В этом же цикле работ была выполнена разработка и изготовление спутника связи нового поколения «Ямал-100», запущенного на орбиту в сентябре 1999 года. На основе созданных заделов впоследствии был выполнен ряд работ и внедрение новых подходов в решении задачи информатизации страны. Разработка спутника была осуществлена по заказу ОАО «Газком» и выполнена РКК «Энергия» совместно с ОАО «Газком» в период 1995 - 1999 годов. Автор диссертационной работы был генеральным директором ОАО «Газком» и одновременно в период разработки спутника в РКК «Энергии» -директором программы спутниковых систем связи и заместителем генерального конструктора РКК «Энергия», н осуществлял руководство и принимал непосредственное участие в разработке и создании этого спутника. Практический опыт разработки спутниковой телекоммуникационной системы и спутника нового поколения позволил автору сделать попытку сформулировать концепцию создания промышленных объектов в космосе, базирующуюся на современных цифровых технологиях и отвечающую задачам развития космической отрасли в современных условиях.
Как показал последующий опыт, именно спутниковые телекоммуникации оказались наиболее эффективным средством предоставления связных услуг как по качеству предоставляемых услуг, так по скорости их внедрения. Безусловно, основными факторами, влияющими на их развитие является их способность быть конкурентными с другими видами связи. В середине 90-х, когда стоял выбор какие средства связи следует выбрать предприятиям газовой отрасли для обеспечения работоспособности своей промышленной структуры, это положение не было столь очевидным.
В диссертации приведены результаты работ по формированию программы развития спутниковой технологической системы связи для предприятий газовой отрасли и затем по использованию этой системы для задач информатизации страны. В ходе выполнения этой программы были реализованы разработки всех компонент спутника связи нового поколения и его систем управления как бортовых, так и наземных, обеспечивающих высокие характеристики по точности ориентации и по точности удержания спутника в его точке стояния на геостационарной орбите. При решении этой задачи необходимо было найти пути и методы поэтапного развития системы спутниковой связи, начиная с наземного сегмента при наличии ряда условий и ограничений: быстрой и эффективной практической реализации поставленных задач по предоставлению услуг связи, как главное условие коммерческой поддержки и обеспечения разработки; разработки и введения в эксплуатацию спутника связи нового поколения, соответствующего по своим пользовательским качествам современным спутникам связи; - разработке цифровых систем управления спутником, как единого комплекса бортовых систем и наземного комплекса управления, т.е. реализация всего комплекса спутниковой связи как системы нового поколения.
Цель диссертационного исследования состоит в решении поставленной сложной научно-технической задачи получения в конечном итоге высокого (по современным меркам) качества спутниковой связи на основе концепции применения современных, в том числе цифровых, технологий, интеграции бортового и наземного контуров управления на основе применения цифровых технологий при разработке, отработке, испытаний и эксплуатации системы.
Научная новизна работы и методы исследования. Создание современного по своим техническим параметрам спутника связи и наземных компонент системы было получено как итог анализа и использования последних технических достижений как в отечественных, так и в зарубежных спутниках и системах связи. Проектные разработки, системный анализ позволили сформулировать технический облик создаваемой системы в целом, этапность ее создания. Детальное исследование осуществлялось при проектировании ключевых компонентов спутника связи: системы ориентации и управления движением, построения интегрированного бортового комплекса управления и наземных средств поддержки разработки и функционирования СС. Ряд новых решений, основанных на внедрении цифровых технологий, позволил получить в итоге решение поставленной задачи.
Практическая ценность и внедрение. Практический опыт разработки спутниковой телекоммуникационной системы и спутника нового поколения, выполненных для системы технологической связи ОАО «Газпром», позволил автору сформулировать концепцию создания промышленных объектов в космосе, базирующуюся на современных цифровых технологиях и отвечающую задачам развития космической отрасли в современных условиях. Как показал последующий опыт, именно спутниковые телекоммуникации оказались наиболее эффективным средством предоставления связных услуг как по качеству, так по скорости их внедрения. Безусловно, основными факторами, оказавшими влияние на их развитие, является их способность быть конкурентными с другими видами связи. В середине 90-х, когда стоял выбор какие средства связи следует выбрать предприятиям газовой отрасли для обеспечения работоспособности своей промышленной структуры, это положение не было столь очевидным.
Апробация результатов работы и новых технических проектных и научных подходов автора была осуществлена на ряде научных конференций и международных симпозиумах по интегрированным навигационным системам (указаны в списке трудов).
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в работах [1-14], две из которых - в изданиях перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на 158 страницах, 57 рисунках, 25 таблицах, списка литературы из 24 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие положения: разработка системного проекта и программы поэтапного развития спутниковой системы связи нового поколения; формирование концепции и программы создания наземного сегмента системы связи «Ямал-0», внедрение цифровых методов передачи информации; формирование проектных требований к компонентам спутника при разработке спутника связи нового поколения «Ямал-100»; разработка высокоточных методов и средств управления ориентацией и удержания спутника в точке стояния; разработка различного вида обеспечений, цифровых технологий и подходов к построению интегрированных бортовых и наземных систем управления;
Состояние системы спутниковой связи в середине 90-х
В СССР и затем в России в начале 90-х годов основным производителем спутников связи оставался НПО Прикладной механики (г. Красноярск). Этим предприятием были разработаны все существующие российские (советские) геостационарные спутники связи «Горизонт», «Радуга», «Экран», «Экспресс», «Галс» - основы российской государственной программы спутниковых телекоммуникаций.
Все эти спутники были разработаны в советский период и служили как для гражданских, так и военных целей; все компоненты спутника были российского производства и базировались на отечественной электронной базе. Отсутствие конкуренции, а также общее отставание Советского Союза в электронике привело к тому, что технические параметры отечественных спутников связи к середине 90-х годов существенно уступали зарубежным (см. таблицу 1.1)Таблица 1.1
В этой таблице из всех западных спутников выбраны спутники серии Hughes, т.к. по основным показателям (отношение мощности транспондеров к весу спутника) они примерно одинаковы.
В таблице не указаны такие важные параметры спутника как ЭИИМ (эквивалентная интенсивность излучаемой мощности) в зоне обслуживания создаваемой антеннами и ретранслятором спутника, как точность его удержания в отведённой позиции на ГСО, как точность ориентации антенны РТР на Землю, полетный ресурс и т.п. По всем этим показателям отечественные спутники также существенно уступали западным на начало 90-х годов. Важным показателем является точность удержания спутника в заданной позиции на ГСО; для современных спутников она равна 0,1 как по долготе, так и по наклонению. Именно высокая точность удержания совместно с хорошей энергетикой транспондера позволила использовать наземные антенны малого диаметра с жёсткой установкой без приводов и систем слежения за спутником. Всё это привело к массовому использованию спутниковых каналов связи.
Нужно отдать должное НПО ПМ, которое пыталось сделать всё возможное, чтобы совершенствовать российские спутники связи. Безусловным достижением школы М.Ф.Решетнева - главного конструктора НПО ПМ - является создание поточного производства спутников, создание базовой конструкции и схемы постепенного эволюционного совершенствования компонент спутника. Так, уже на приведённом в таблице 1.1 спутнике «Галс» впервые была установлена система коррекции положения спутника с помощью плазменных двигателей не только по долготе, но и по наклонению. Транспондеры Ки диапазона этого спутника создавали ЭИИМ на уровне 55 Вт - близкую к западным спутникам. Однако, если взять всю сумму показателей базовой платформы НПО ПМ и сравнить её с западными прототипами, легко установить, что по показателю энергетика/масса спутника они проигрывают своим западным аналогам в 3-7 раз при существенно меньшем сроке службы. В новых экономических условиях, складывающихся в России в начале 90-х годов, при резко сокращаемых объёмах государственного финансирования, вопрос перехода на современные в производстве спутников связи приобрёл решающее значение
В постсоветский период, если не считать низкоорбитальных связных спутников «Гонец-М» (1992 г.) и «Гонец Д1» (1996 г.), обеспечивающих телефонную связь и электронную почту, за последнее десятилетие было выполнено всего несколько запусков: - КА «Галс» изготовлен и запущен в 1994 г. в интересах Министерства связи. На этом аппарате была реализована схема корректирования по долготе и наклонению с помощью электореактивных двигателей. - КА «Экспресс» изготовлен в 1994 году на базе КА «Галс» и «Луч-1» с модульной разбивкой КА на отсек служебных систем и полезной нагрузки. На этом аппарате предпринята попытка усовершенствования ретранслятора, закончившаяся неудачей.
Российские коммерческие КА связи («Горизонт», «Радуга») к моменту разработки КА «Ямал-100» были построены на морально устаревших принципах и технологиях. Ретранслятор был построен на схемно-технических принципах, крайне неэффективных для коммерческих БРК (с двойным преобразованием частоты СВЧ - УГТЧ - СВЧ). Использованная элементная база значительно отставала от мирового уровня. Конструктивное исполнение соответствовало требованиям морально устаревшей платформы (функционирование внутри герметичного контейнера с жидкостным охлаждением). Использовались простые конфигурации антенн с одной поляризацией.
Следует отметить, что в 90-х годах российские предприятия, разработчики БРК и КА, сделали попытку создать КА «Экспресс» с БРК нового поколения, основанного на схемно-технических принципах, аналогичных используемым за рубежом. Однако, из-за проектных ошибок и отсутствия адекватной элементной базы практически сразу после вывода на орбиту 2-х КА «Экспресс», в БРК имели место отказы, сделавшие невозможным их дальнейшую эксплуатацию.
На начало 1996 года на орбите находилось всего три спутника «Горизонт» с общим количеством транспондеров 18С+3 Ки (заметим, что в 1996 году было запущено еще два «Горизонта»). Появилась угроза потери Россией собственного информационного пространства, так как возникли трудности с трансляцией на территорию России государственного телевидения.
По сути дела в это время вопрос о спутниковых телекоммуникациях стоял таким образом: или Россия сумеет выйти на мировой уровень в производстве связных спутников, или ей придется пойти по пути стран третьего мира, заказывающих спутниковые телекоммуникационные услуги у развитых стран запада.
Основными факторами, влияющими на развитие спутниковых телекоммуникаций в России, является их безусловная конкурентоспособность с остальными видами связи, обусловленная большой и слабозаселенной территорией, с суровым северным климатом, возможностью быстрого внедрения локальных районов обслуживания. Близким прототипом России по климатическим, территориальным условиям и по плотности расселения населения может служить Канада и Аляска (США); развитие местных спутниковых телекоммуникаций этих стран показало существенные преимущества спутниковых систем связи. Несмотря на то, что история развития спутниковых телекоммуникаций в развивающихся странах и в Канаде, раньше других стран начавшей внедрение спутниковых систем связи, достаточно схожи, тем не менее имеет смысл остановиться несколько подробнее на истории внедрения спутниковой связи в Канаде и на Аляске. Правительство Канады в 1967 г. после доклада научного комитета «Космическая программа для Канады» принимает программу «Национальная
Основные этапы реализации программы ССС
Целевые задачи и этапы разработки программы создания спутниковой системы связи «Ямал» необходимо было формировать с учетом двух аспектов. Прежде всего, следовало учитывать важность получения основных технических пользовательских свойств ССС на уровне аналогичных западным спутникам связи. По сути дела одной из целевых задач была задача преодоления примерно двадцатилетнего отставания в технической области от коммерческих телекоммуникационных систем Запада и предоставляемых ими услуг. Но не менее важным и практически решающим оказался второй вопрос: нужно было «выстроить» стратегию поэтапной реализации связных услуг таким образом, чтобы любая разработка была предельно короткой и практически немедленно востребованной. Анализ развития систем спутниковой связи в США, проведенный выше, показывал, что государство выполняя за счет бюджета начальные технологические прорывные разработки и технологии (вплоть до создания системы государственных телекоммуникаций), далее создало благоприятный инвестиционный климат для частных телекоммуникационных компаний, как в создании наземных средств связи, так и для разработки спутниковых систем. Конкурентное производство и конкурентное развития связных услуг (очень часто при государственной поддержке) привело к быстрому прогрессу в этой области. Рассчитывать в 90-х годах в России хоть на какую-либо государственную поддержку новых разработок не приходилось; точно также маловероятно было получить инвестиции на длительный по времени и весьма дорогостоящий программе (разработка нового поколения спутников связи) проект. По сути дела проблема в России в это время ставилась так: возможно ли найти путь, как превратить космические технологии в продукт потребления, востребованный на современном рынке России.
Важнейшим вопросом, во многом определившим план работ и этапы создания спутниковой системы связи, оказалось требование заказчика -северных газодобывающих предприятий - предельно быстрой реализации поставленных задач обеспечения связи для предприятий газовой отрасли. Стало понятно, что Газпрому нужна в первую очередь связь, а не перспективные проекты новых спутников связи. Нужно было выстроить стратегию развития таким образом, чтобы она удовлетворяла главному требованию заказчика по быстрейшей отдаче вложенных средств. С другой стороны, стратегия и концепция создания спутниковой системы связи должна быть такой, чтобы в итоге привести к современной телекоммуникационной системе, в которой должен занять свое место и проектируемый новый спутник связи.
В итоге была сформулирована следующая последовательность этапов создания системы спутниковой связи: - разработка концепции системы; - создание пилотной сети связи «Ямал-0» - создание полномасштабной ведомственной системы спутниковой связи и телевидения ОАО «Газпром» (шифр «Ямал»), включая космический и наземный сегмент; - развитие системы «Ямал» в общероссийскую систему спутниковой связи и телевидения. В конце 1992 года с целью создания системы спутниковой связи предприятия ОАО «Газпром»: ООО «Ямбурггаздобыча», 000 «Тюменбургаз». 000 «Уренгойгазпром», 000 «Надымгазпром» 000 «Тюментрансгаз», акционерным банком «Газпромбанк» и РКК «Энергия» им. СП. Королева образовали акционерное общество «Газком». В октябре 1993 года был принят проект создания сети спутниковой связи «Ямал-О» в интересах северных предприятий ОАО «Газпром». При проектировании сети ставку делали на ограниченные по нынешним временам возможности спутника «Горизонт». Из-за невысокой энергетики спутника приходилось использовать наземные станции (НЗС) с большим диаметром антенн, что в свою очередь вызвало серьезные трудности при развертывании сети в условиях Крайнего Севера. Первая НЗС спутниковой связи была установлена в Ямбурге, она обеспечила через арендованный канал действующего спутника связи «Горизонт» линию связи со станцией, установленной на здании ЛКК в РКК «Энергия»; где в итоге развития сети «Ямал-О» был создан телепорт телефонной связи с прямым выходом на московскую АТС. Далее развертывание наземных станций для обеспечения прямой телефонной связи было выполнено в Югорске, Надыме, Уренгое и целом ряде поселков газодобывающей отрасли. Антенное оборудование земных станций производило в России несколько предприятий; одним из лучших было производство в Красноярске. Быстрая установка наземных станций и особенно в удаленных и слабооборудованных буровых площадках, позволила решить проблему связи между технологическими звеньями газовой отрасли по разведке, бурению, добыче и транспортировке газа. За три года была развернута сеть НЗС «Ямал-О» (рис. 2.1). Она объединила наземные станции спутниковой связи в Ямбурге, Новом Уренгое. Надыме, Заполярном, Югорске, Мысе Каменном, Бованенково, Харасавее, Тазовском, Приобье, Сосьве, Уральской, Москве, Королеве.и др. населенных пунктах. На базе сети «Ямал-О» было создано более 100 магистральных каналов связи. Появилась возможность обеспечить связь с новыми месторождениями на полуострове Ямал с другими объектами. Однако, при создании этой сети станций была поставлена задача иметь перспективу их использования уже в новом качестве при появлении нового спутника связи с современными параметрами ретранслятора. Соответственно этой целевой задаче была выбрана стратегия «открытости» создаваемой сети к расширению. Работа этих станций осуществлялась с использованием КА-ретрансляторов «Горизонт», однако, даже в такой схеме были предприняты шаги к совершенствованию услуг предоставляемой связи. Первые станции спутниковой связи «Пихта» и «Енисей» Газком приобрел у двух красноярских предприятий «Искра» и КРТЗ. Тем не менее, от них пришлось почти сразу отказаться, так как они были аналоговые и качество телефонии не устраивало заказчика. Поэтому «Газком» в этот период разрабатывал свои собственные станции спутниковой связи «Ямал-ГК», где впервые в России применил цифровые модемы в каналообразующем оборудовании. Это не только решило вопрос качества телефонной связи, но и позволили организовать спутниковые соединительные линии между цифровыми АТС и каналы передачи данных между компьютерными сетями.
Важным шагом по расширению объемов и видов предоставляемых услуг явилась модернизация НЗС на основе использования мультиплексорного оборудования импортного производства с более качественным алгоритмом оцифровки речевых сигналов и мультиплексированным каналом передачи данных. По сути дела переход на цифровую связь выполнялся сразу же по опыту работы аналоговых систем телефонии. Одновременно этот переход создал предпосылки для организации нового вида услуг - организации сети обмена данными..
Анализ задач и выбор технических решений при определении ориентации и управления движением спутника связи
Для выполнения задач ориентации и управления движением определим несколько опорных физических систем координат, оси которых связаны с астрономическими объектами. Относительно этих систем координат будем определять в дальнейшем задачи ориентации и управления движением и точностные характеристики режимов управления.
Будем использовать следующие физические опорные системы координат: У2000 - экваториальная геоцентрическая система координат на эпоху 2000 г., ось OZ3 этой с.к. направлена на Северный полюс Мира, ось OZ] - в точку весеннего равноденствия (пересечение эклиптики с экватором); S - геоцентрическая эклиптическая солнечная система координат, ось OYi которой направлена на центр солнечного диска; Q - геоцентрическая орбитальная система координат, ось qt направлена по вектору, соединяющему центр геоида с центром масс космического аппарата; ось q2 лежит в плоскости орбиты и направлена по вектору скорости орбитального движения; ось q3 образует правую тройку (направлена в сторону Северного полюса мира).
Угловое расположение этих систем координат между собой известно и определяется астрономическими параметрами годового движения Земли вокруг Солнца и суточного вращения Земли. Исключение составляет орбитальная система координат Q, положение которой определяется орбитой движения КА, т.е. навигационными параметрами. Положение КА описывается в геоцентрической инерциальной системе координат [16] радиусом вектором F, идущим из центра геоида в центр масс КА (рис. 3.1), где g(r) - вектор гравитационного ускорения, причем для геостационарной орбиты ГПЗ достаточно хорошо аппроксимируется центральным полем;
Движение КА по геостационарной орбите удобно описывать координатами долготы X(t) и широты p(t) в геоцентрической гринвичской системе координат (рис.3.2), поскольку период обращения и орбита спутника связи выбираются таким образом, чтобы обеспечить его неподвижное положение в системе координат, связанных с Землей. Положение спутника связи для его стационарного движения должна задаваться только долготой точки его «стояния» над экватором. Орбита спутника связи находится (определяется в процессе полета) по измерениям наземного комплекса управления (НКУ), ее возмущения определяются действием гравитационных сил в основном Земли, Луны и планет. Задачей управления движением КА является проведение маневров коррекции орбиты, призванных уменьшить величины (p(t) и Л(0-Лс Д приемлемого значения.
Относительно У2000 система координат Q совершает плоское вращение по оси #3 на угол где t - время, отсчитываемое от гринвичского полдня, Т - период вращения Земли, который может быть принят [16] приближенно равным 86 с. Введем далее приборные виртуальные системы координат, которые тоже, по сути, являются физическими: Е - связанная (с осями КА) система координат, оси которой OXi направлена по продольной оси КА, ОХ3 - по линии развернутых солнечных батарей; Д - системы координат, связанные с (і-м) оптическим датчиком, определяющим направления осей физических опорных систем координат. Введем, наконец, математические системы координат, моделирующие движение тех или иных опорных базисов: Ґ - инерциальная система координат БИНС; Q - орбитальная система координат; S - солнечная система координат. Взаимное положение систем координат будем задавать кватернионами переходов [17,20]; на рис.3.3. представлены обозначения следующих кватернионов:
Расширение автономности управления БКУ
Автономность автоматического управления является одним из основных проектных требований к бортовым системам управления; оно подразумевает в первую очередь возможность осуществления автоматического управления при всех возможных внешних воздействиях, включая отказы в элементах и приборах. Следующим важным компонентом, характеризующим автономность управления, является требование реализации поставленной целевой задачи полета на заданном отрезке времени при любых внешних (меняющихся) условиях. Далее расширение автономности предполагает не только автоматическое исполнение отдельных режимов управления или полетных операции, но и автоматическое выполнение длительных участков полета (от суток и более). При этом, начиная от простейшего выполнения временной программы полета, заданной наземной группой управления ЦУП, автономность подразумевает автоматическое планирование программы полетных операций в зависимости от поставленных целей и задач.
Решение всех задач управления в единой интегрированной цифровой системе открывает новые возможности для расширения автономности автоматического управления. В основе этого лежат следующие предпосылки: - наличие в бортовой ЦВМ всей информации о состоянии бортовых систем и приборов (телеметрических данных, получаемых от бортовой системы сбора информации) - практическое отсутствие ограничений на сложность построения по сути интеллектуальных алгоритмов управления (отсутствие ограничений по памяти и производительности ЦВМ).
Рассмотрим последовательно формирование проектных требований к поставленным задачам расширения автономности управления. Первая задача - сохранения работоспособности управления при возникновении отказов в приборах и элементах системы управления - решается путем формирования (и затем исполнения) требования контроля процесса управления1- т.е. обнаружения ошибки, ее изоляции и восстановления функций управления. Это требование предъявляется к функции управления каждым прибором. Другими словами, управление должно содержать встроенные диагностические функции, позволяющие определить нарушение работоспособности прибора (и/или процесса регулирования), не допустить управления по неправильной информации и осуществить изменение конфигурации системы с заменой отказавшего прибора на исправный (резервный). В более широком смысле это же требование должно быть предъявлено к любой аппаратуре, функциональному компоненту программного обеспечения или системе. Выполнение этого требования подразумевает наличие резервных возможностей в системе управления, как в приборной части, так и в режимах, обеспечивающих решение функциональных задач и наличие диагностических функций, обнаруживающих нарушение процесса управления, независимо от причины возникшего замечания.
Именно наличие резервных режимов управления и автоматической адаптации системы к текущему состоянию позволяет выполнить вторую задачу автономности
В последующих работах по системам управления МКС (совместно с НАСА и ЕКА) эти требования были сформулировали как FDIR: fault detection, isolation and recovery. Требование FDIR (т.е. определение ошибки и ее изоляция, восстановление работоспособности) является обязательным проектным требованием, предъявляемым к любой аппаратной или программной компоненте разработки. управления: выполнение целевой задачи полета,- если появляются какие-то причины, не позволяющие реализацию задачи в первоначально заданной конфигурации.
Задача автономного планирования в зависимости от текущего состояния КА (навигационных параметров, ресурсов КА и т.п.) для спутника связи, имеющего по сути один стационарный режим орбитальной ориентации и выполняющего маневры удержания КА в точке стояния по траекторным измерениям и баллистическим расчетам, проводимым наземным комплексом управления, сводится к программно-временному управлению.
Эти проектные требования легли в основу построения структуры и режимов работы бортовых систем спутника связи.
Бортовая цифровая вычислительная система предназначена для решения следующих задач: - предоставление системам КА вычислительных ресурсов для решения их задач в реальном масштабе времени; - обеспечение взаимодействия БВС, систем и приборов КА посредством различных сигналов контроля и управления; - сбор телеметрической информации от аппаратуры КА и представление ее ЦВС; - обеспечение информационного обмена с НКУ (ЦУП) посредством служебного канала управления (т.е. передачи ТМ информации от БКУ в НКУ и прием управляющей информации от НКУ);
- обеспечение информационного обмена с автоматизированной испытательной системой (АИС); - автономной диагностики, управления резервом и программно аппаратными ресурсами.
При создании БВС необходимо было определить требования к производительности ЦВМ и ресурсам памяти, определить структуру вычислительно-управляющего комплекса, решить задачу сокращения массогабаритных и энергетических характеристик, обеспечить длительный срок активного существования (10-15 лет) на открытой космической платформе при условии обеспечения защиты от внешних воздействующих факторов (ВВФ).
В соответствии с задачами БЦВС и структурой бортовых систем вычислительная система должна состоять из центральной цифровой вычислительной системы, устройств сопряжения с приборами и аппаратурой (УС) и системы сбора информации - информационно-телеметрической
системы (ИТС). Для сопряжения этих компонент БЦВС между собой предложено использовать стандартный надежный мультиплексный канал обмена согласно протоколу ГОСТ 26765.52-57 (аналог стандарта США MIL 1553В). Применение этого хорошо зарекомендовавшего себя и распространенного канала обмена позволяет осуществить прямое сопряжение с рядом образцов западной аппаратуры (например, блоком электроники служебного канала управления ТСШ), а также с датчиками, при разработке которых было поставлено требование соответствия этому протоколу сопряжения. Для связи с наземной станцией АИС наряду с мультиплексным каналом обмена используется стандартный канал по протоколу RS 232, имеющий порты обмена в стандартных персональных компьютерах.
Требование к производительности и ресурсам памяти ЦВМ было сформировано исходя из опыта по созданию систем управления предыдущих разработок (системы управления движением транспортного корабля «Союз -ТМ», орбитальной станции «Мир»); оно было определено нижним порогом производительности в 500т. оп. в сек. при наличии арифметики с плавающей запятой, объемах запоминающего устройства не ниже 500 Кбайт.
Требования к устройствам сопряжения диктовались составом и структурой сигналов управления и обмена всей бортовой аппаратуры. При этом для экономии числа выходных релейных команд устройств сопряжения была применена традиционная для системы управления бортовой автоматикой схема матричного размножения команд. Аналогично этому состав телеметрических сигналов (дискретные, аналоговые сигналы, получаемые от телеметрических датчиков, встроенных в аппаратуру) определили требования к информационно-телеметрической системе.
Обеспечение надежности работы центрального звена системы управления - БЦВС, а также длительного ресурса функционирования поставило соответствующее требование аппаратного резервирования всех компонент системы, так и развитой диагностики и встроенных тестов при всех операциях приема и выдачи управляющей информации.
