Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последнее время всё более широкое распространение получают глобальные источники информации – источники, которые могут получать и передавать потребителям информацию по всем районам Земли. Такими источниками информации являются спутниковые системы мониторинга земной поверхности, оснащённые космическими аппаратами (КА) – наблюдателями, которые способны осматривать земную поверхность аппаратурой осмотра различного типа и передавать полученную информацию на наземные комплексы приёма и передачи данных.
В космических системах дистанционного зондирования земной поверхности для точного определения географического положения, наблюдаемых объектов, выведения космического аппарата в определённую точку пространства с заданной точностью, долгосрочного прогнозирования параметров орбиты необходима высокая точность измерения параметров движения КА, зависящая от точности наведения антенны наземной радиотехнической станции слежения за КА. В дальнейшем, антенна наземной станции слежения рассматривается как объект управления.
Работа следящей системы происходит в условиях помех и шумов. В результате их влияния полезный сигнал оказывается искажённым, что приводит к ошибкам при обработке и извлечении из него информации. В современных следящих системах случайные ошибки в основном определяются шумами приёмного устройства и колебаниями антенны, вызванные внешними возмущающими воздействиями. На практике угломерные ошибки слежения являются значительными, и поэтому возникает необходимость их уменьшения или компенсации.
В частности, в указанных системах управления процессом слежения возникает задача повышения динамической точности в установившемся режиме при изменении динамики КА (траектории движения КА). Эффективным методом устранения и уменьшения установившихся динамических ошибок, при изменении динамики КА, является повышение порядка астатизма системы, как это и производится в существующих системах слежения (работы отечественных учёных: Г.В.Щипанов, В.С.Кулебакин, Б.Н.Петров и др.). В отличие от традиционного способа повышения порядка астатизма за счёт включения в замкнутую часть системы управления слежения за КА интегрирующих звеньев, уменьшающих запас устойчивости системы, повышение порядка астатизма может быть достигнуто с помощью связи по задающему воздействию при условии, что последнее измеряется непосредственно (профессора: Г.Ф.Зайцев, Г.М.Уланов, Б.М.Менский и др.). На практике внешние (задающие) воздействия зачастую непосредственно измерить нельзя. Поэтому появляется задача косвенного измерения данных воздействий и перестройки структуры и параметров системы управления.
В существующих автоматических системах управления процессом слежения в основном используются замкнутые одноконтурные системы с принципом управления по ошибке, работающие в непрерывном времени. Здесь качество слежения связано с условиями устойчивости одноконтурной системы.
Например, при переходе КА с одной орбиты на другую возникают дополнительные ускорения, приводящие к возрастанию динамической ошибки слежения.
Известно, что для исключения ошибки по ускорению необходимо в следящий измеритель, помимо уже имеющихся двух интеграторов, включить третий интегратор. Однако это приводит к нарушению устойчивости замкнутого контура. Из вышеизложенного следует противоречие между условиями инвариантности (точности) и устойчивости в автоматических системах слежения за КА в условиях, как внешних воздействий, так и изменения динамики объекта слежения.
Наиболее эффективным средством для разрешения вышеуказанного противоречия является теория двухконтурных систем, эквивалентных комбинированным системам, где отсутствует противоречие между условиями инвариантности и устойчивости при косвенном измерении внешнего воздействия (работы профессора Е.Ю.Пушкарёвой).
В рамках этой теории разработаны два метода:
метод отделения процедуры оценивания от процедуры управления, позволяющий вынести оптимальный фильтр оценивания во второй контур, что позволяет не нарушать устойчивость первого контура;
метод повышения порядка астатизма всей следящей системы, что также не приводит к нарушению устойчивости первого контура.
Указанные выше методы были разработаны для дискретного времени и позволяли повышать точность слежения систем автоматического управления при изменяющихся задающих воздействиях и случайных ошибках измерений.
Однако на практике существующие системы слежения за КА работают в непрерывном времени. Кроме того, слежение за низкоорбитальным КА (для решаемой научной задачи это, примерно, 1000 км) связано с более быстрыми изменениями угловых координат по сравнению с высокоорбитальными КА (высокоэллиптические, геостационарные).
Следует также иметь в виду, что часто на практике антенны слежения за низкоорбитальными КА не имеют радиопрозрачного укрытия или же подвержены морской качке (в случае их размещения на морских судах). В указанных ситуациях возникает необходимость компенсации этих внешних возмущений на антенну слежения с одновременной задачей воспроизведения угловых координат КА, что связано с возможностью значительных ошибок, как от возмущения, так и от изменения самих угловых координат. Это требует разработки дополнительного научно-методического аппарата обеспечения синтеза регуляторов управления угловым положением антенны при автоматическом слежении за КА. Эффективным методом решения данной научной задачи следует считать теорию двухконтурных систем автоматического управления, эквивалентных комбинированным системам.
Особенностью управления угловым положением антенны наземной станции слежения является наличие двух режимов работы: режима целеуказания (ЦУ) и режима автоматического слежения (АС). В режиме ЦУ в качестве задающего воздействия используются угловые координаты КА, рассчитанные по известной орбите его движения. В режиме АС управление разворотом антенны осуществляется по измеренной разности между линией визирования на КА и текущим угловым положением антенны.
Между указанными режимами существует принципиальное отличие. В первом режиме задающее воздействие является детерминированным, а во втором режиме задающее воздействие является случайным с наложенными на него случайными ошибками измерения. Поэтому при синтезе регуляторов управления угловым положением антенны слежения за КА во втором режиме работы необходимо использовать статистические (а не детерминированные) методы управления.
Таким образом, исследование, посвященное разработке вышеуказанного научно-методического обеспечения, можно считать актуальным.
Объект исследования - автоматические системы управления антеннами наземных станций слежения по угловым координатам.
Предмет исследования - методики синтеза регуляторов систем повышенной динамической и статистической точности слежения за низкоорбитальными КА.
Цель исследования - повышение точности управления антенной по угловым координатам в режимах целеуказания и автоматического сопровождения низкоорбитального космического аппарата в условиях наличия внешних возмущений и случайных ошибок измерений.
Научная задача исследования
Разработка методик и алгоритмов управления угловым положением антенны при слежении за низкоорбитальным космическим аппаратом в классе двухконтурных систем, эквивалентных комбинированным автоматическим системам.
Научные результаты, выносимые на защиту:
методика синтеза регуляторов непрерывной системы управления угловым положением антенны в режиме программного слежения (целеуказания) за низкоорбитальным космическим аппаратом с достижением заданной динамической точности в условиях амплитудных изменений внешних воздействий на антенну в широком диапазоне;
методика синтеза регуляторов непрерывной системы управления угловым положением антенны в режиме автоматического слежения за низкоорбитальным космическим аппаратом с достижением высокой статистической точности в условиях наличия случайных шумов измерения угловой координаты КА и его меняющегося движения.
Научная новизна:
разработана методика синтеза регуляторов системы управления угловым положением антенны в режиме программного слежения за низкоорбитальным космическим аппаратом, отличающаяся от методики синтеза аналоговых регуляторов одноконтурных систем программного слежения за космическим аппаратом тем, что повышение порядка астатизма (как следствие динамической точности) и компенсация внешних возмущений достигается не в первом, а во втором контуре, что не приводит к нарушению устойчивости системы слежения за космическим аппаратом;
разработана методика синтеза регуляторов системы управления угловым положением антенны в режиме автоматического слежения за низкоорбитальным космическим аппаратом, отличающаяся от методики синтеза аналоговых регуляторов одноконтурных систем автоматического слежения за космическим аппаратом тем, что в условиях наличия случайных ошибок измерений повышение порядка астатизма и фильтрация случайных ошибок измерения достигаются во втором контуре управления, что не приводит к нарушению устойчивости системы слежения за космическим аппаратом.
Практическая значимость
использование двухконтурной непрерывной системы слежения за низкоорбитальным КА, с его изменяющейся динамикой движения, в условиях гармонических возмущающих воздействий и в отсутствии их ошибок измерения приводит к повышению динамической точности слежения за КА в 13-36 раз по сравнению с существующими одноконтурными системами в диапазоне частот =0.5…0.7 рад/c;
использование двухконтурной системы слежения за низкоорбитальным КА, в условиях наличия ошибок измерений в сигнале ошибки системы слежения, приводит к повышению точности оценивания в 4-5 раз по сравнению с существующими одноконтурными системами.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
XXX Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических систем», 2011 г., г. Серпухов, московская область;
межрегиональная научно-практической конференция «Молодежь и инноватика», 2012 г;
XXXI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических систем», 2012 г., г. Серпухов, московская область;
на научно-технических семинарах МОУ «ИИФ», 2012-2013 гг.
Публикации
Основные теоретические и практические результаты изложены в 11 статьях (6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), в 2 отчетах о проведенных исследованиях по НИР: МОУ «ИИФ» в НИР «2010-1.2.1-400-027-085»; ОАО «Корпорация «Комета», г. Москва по договору о научно-техническом сотрудничестве между ОАО «Корпорация «Комета» и МОУ «ИИФ», г. Серпухов.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты исследований внедрены в следующих организациях:
МОУ «ИИФ» в НИР «2010-1.2.1-400-027-085» «Комплексные исследования и разработка интеллектуальных навигационных систем на основе интеграции инерциально-спутниковых и геоинформационных технологий», государственный контракт № 16.740.11.0391 от 26 ноября 2010г. при обосновании методики оценки точности интегрированных навигационных систем и комплексов, и методики испытаний инерциального навигационного комплекса;
в учебном процессе филиала ВА РВСН имени Петра Великого (г. Серпухов, московская область) в виде «Методики анализа качества функционирования замкнутого электропривода управления антенной» (Теория автоматического управления. Практикум, МО РФ, 2013 г.);
ОАО «Корпорация «Комета» (г. Москва) при проведении ОКР «Герб» при разработке космических систем мониторинга земной поверхности.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Текст диссертации изложен на 130 листах, включает 56 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 108 наименований.
