Технические науки/12. Авиация и космонавтика

 

К.т.н. Петров С.В., Зорин А.П.

Украинская инженерно-педагогическая академия, Харьков, Украина

ПЛАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НАЗЕМНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ

 

В настоящее время эффективность функционирования косми­ческой системы (КС) любого назначения определяется, прежде всего, эффективностью решения задач планирования процесса управле­ния входящими в её состав объектами. Под управлением космическим аппаратом (КА) понимают управление тремя его взаи­мосвязанными функциями: перемещением в пространстве, состоя­нием бортовой аппаратуры и информационным обменом, с целью выполнения поставленных перед КА задач, то есть выработку таких воздействий на его бортовые системы, которые бы обес­печивали изменение всех функций КА в желаемом направлении.

Решение указанных задач обеспечивается путем реализации комплекса операций процесса управления КА в определенном порядке их выпол­нения, причем для большинства типов объектов процесс управ­ления состоит из последовательно повторяющихся отрезков при­мерно одинакового содержания - технологических циклов управ­ления (ТЦУ).

Чтобы обеспечить своевременное и качественное выполне­ние всех операций, необходимо осуществлять планирование ра­боты бортовых систем КА и средств наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ) на период ТЦУ. Причем длительность ТЦУ и комплекс операций, реали­зуемых в нем, определяется спецификой данного типа КА как объекта управления, составом и особенностями используемых средств НАКУ, а также схемой управления.

В течение всего полета по линии КА - Земля - КА цирку­лирует три вида служебной информации: телеметрическая, кото­рая позволяет судить о состоянии бортовых систем КА и усло­виях их работы; траекторная, получаемая в результате прове­дения траекторных измерений; программно-установочная, опре­деляющая стратегию работы бортовых систем и КА в целом.

Обмен этой информацией может осуществляться различными способами, содержание которых определяет используемая техно­логия управления КА. А от нее, в свою очередь, зависит структура, размещение и состав технических средств НАКУ КА. Возможность и целесообразность реализации той или иной технологии управления КА определяется как техническими и ма­териальными возможностями, так и качеством решения задач по управлению КА. Технические и материальные возможности опре­деляются состоянием науки, техники и экономики. Отсутствие соответствующих алгоритмов анализа и планирования ТЦУ при ограниченной длительности последних приводит, как правило, к нештатным ситуациям и неэффективному использованию КА по целевому назначению (или, в крайнем случае, выходу аппаратуры из строя).

Таким образом, необходимо внедрять принципиально новые подходы к органи­зации управления КА. При этом, одним из ключевых моментов является задача сокращения суммарного времени на проведение служебных операций ТЦУ при соблюдении требований по точности и оперативности решения задач управления на заданном уровне. Решение данной задачи возможно путем усовер­шенствования математи­ческого обеспечения НАКУ КА.

Для управления полетом КА определенного целевого назначения из общего состава средств НАКУ формируются наземные комплексы управления (НКУ) данным типом КА. НАКУ не является простой суммой всех НКУ. Это обусловлено тем, что отдельные элементы НАКУ одновременно могут входить в несколько НКУ. Использование средств в этом случае осуществляется по принципу временного разделения, предполагающего планирование и оперативное переподчинение их органам конкретных НКУ, обеспечиваемого координирующим центром НАКУ. С помощью НКУ КА реализуется решение целевых задач КА.

Цели функционирования НАКУ заключаются прежде всего в выполнении намеченной программы полета КА с заданными показателями качества. С этой точки зрения целевые задачи формируются на основе требований, поставленных системой высшего уровня. В зависимости от типа космической системы ее целевые задачи можно разделить на три категории: 1)постоянные в течение всего полета; 2) программно-изменяемые; 3) оперативные задачи (появляющиеся при возникновении нештатных ситуаций и изменении оперативной обстановки).

Исходными данными для планирования являются заявки потребителей, в интересах которых функционируют КС, а также результаты текущего контроля функционирования бортовых систем по данным телеметрии и траекторных измерений. Программа полета КА реализуется на основе формирования последовательности технологических циклов управления и конт­роля их выполнения. Каждый такой ТЦУ содержит всю необходимую совокупность операций, выполняемых персоналом дежурной смены ЦУП. Каждая операция привязана ко времени исполнения и рабочему месту оператора (заданному бортовому устройству КА).

Практика применения и эксплуатации КА выявила вполне определенные периоды планирования, в которых определяется состав и последовательность операций, необходимых для выпол­нения целей запуска: перспективного планирования; долгосрочного планирования; оперативного планирования; оперативного управления.

Результаты долгосрочного планирования являются основой для проведения оперативного планирования (ОП). Задачей ОП является составление детального плана всех операций взаимодействия (ОВ) средств НАКУ с КА на интервале планирования. Длительность этапа ОП зависит от насыщенности программы полета и составляет от одного се­анса связи с КА до нескольких суток, и для большинства объ­ектов совпадает с длительностью ТЦУ. Существенным отличием ОП от долгосрочного является то, что его приходится осуществлять в ограниченное время, а иногда и при остром дефиците времени. Чтобы избежать ошибок при планировании в таких условиях, по возможности используются типовые, стандартные элементы плана полета, заранее разработанные и проверенные. Для повышения надежности необходимо более широко применять автоматизированные способы формирования плана, осуществлять проверку возможных вариантов оперативно подготовленных планов на имитационных моделях (моделирующих стендах) до начала их выполнения.

 В процессе ОП решаются следующие задачи: уточнение состава средств НАКУ; определение вариантов программ работы средств; координация программ; составление для каждого средства выписок из общего оперативного плана; составление детальных планов (программ) каждого сеанса; рассылка программ по средствам пунктов.

Суть оперативного управления средствами состоит в контроле за ходом подготовки и проведения сеанса и в принятии решения при возникновении нештатных ситуаций. Соответственно этому в процессе оперативного управления решаются следующие задачи: контроль состояния средств; получение и отображение информации о ходе каждого сеанса; коррекция программы сеанса при возникновении нештатной ситуации.

Таким образом, своевременное решение задач оперативного планирова­ния и управления должно обеспечиваться путем совершенствования автоматизации процесса пла­нирования операций ТЦУ.

Основным системным свойством НАКУ КА является его функ­циональная эффективность, то есть динамическое свойство комп­лекса обеспечивать управление заданной совокупностью КА с требуемым качеством (оперативностью, надежностью, гибкостью и другими системными и частными характеристиками) в предус­мотренных условиях работы. Показателем этого свойства в большинстве случаев выбирается вероятность выполнения задач (целей), возложенных на НАКУ, либо какая-нибудь более слож­ная целевая функция.

Основной задачей функционирования НАКУ является эффективное управление КА с целью выполнения последним, всей программы полета за заданное время. Учитывая, что программа полета реализуется как последовательность ТЦУ КА, в качестве показателя эффективности функционирования НАКУ можно использовать вероятность выполнения ТЦУ за заданное время. Данный показатель существенным образом зависит от оперативности, надежности и гибкости управления.

Оперативность управления можно характеризовать таким показателем эффективности как длительность ТЦУ (), которая в общем случае является случайной величиной. Она зависит от суммарной продолжительности комплекса операций взаимодействия средств НАКУ с КА (), от длительности сеансов связи с объектом управления (), а также от длительности интервалов между сеансами связи (), которые в общем случае также являются случайными величинами, и для рассматриваемого класса КА можно записать в виде

                       (1)

где  - резервное время, не занятое под ОВ в сеансе связи с КА;

 - необходимое для реализации операций ТЦУ количество сеансов связи с КА.

Суммарная продолжительность операций взаимодействия средств НАКУ с КА является функцией от длительностей ОВ ТЦУ и зависит от степени совместимости отдельных ОВ по времени, которую условно обозначим

 ,

где - длительность ОВ командно-программного обеспечения полета КА в k-ом сеансе связи;  - длительность ОВ баллистико-навигационного обеспечения полета КА в k-ом сеансе связи;  - длительность операций приема и обработки телеметрической информации в k-ом сеансе связи;

 - длительность операций по сверке бортовой шкалы времени и бортового эталона времени в k-ом сеансе связи.

Длительность ТЦУ характеризует количество затрачиваемых временных ресурсов и может оказаться либо неоправданно завышенной, либо заниженной в зависимости от того, насколько полно учтены факторы, сопутствующие процессу реализации ТЦУ. Поэтому длительность ТЦУ должна рассматриваться совместно с вероятностью успешного выполнения всех запланированных операций, которая характеризует надежность управления КА.

Если считать, что каждая группа операций ТЦУ по расс­матриваемому классу КА выполняется независимо и необходима в ТЦУ, то выражение для  примет следующий вид:

 ,                                   (2)

где  - вероятность достоверного командно-программного обеспечения полета КА, зависящая от успешности операций по расчету программ управления объектом в сеансах связи и вне зон радиовидимости, по приему их командно-измерительными средствами и передаче на борт объекта;  - вероятность достоверного баллистико-навигацион­ного обеспечения средств и объекта, зависящая от успешности операций по съему измерительной информации необходимого объ­ема и качества, по передаче ее в баллистический центр и по расчету параметров движения объекта;  - вероятность правильной оценки состояния бортовой аппаратуры и условий функционирования объекта по данным телеметрического контроля, зависящая от успешности операций по съему телеметрической информации, по передаче ее в телемет­рический центр, по дешифровке и обработке;  - вероятность достоверного временного обеспечения управления КА, зависящая от успешности операций по сверке и коррекции бортовых и наземных шкал времени, по оценке и ком­пенсации уходов эталонных частот;  - вероятность правильного приема на средствах целеуказаний и разовых команд для выполнения динамических операций.

Таким образом,  вычисляется через характеристики функциональных каналов (контуров), а они, в свою очередь, за­висят от показателей выполнения частных операций, по которым может собираться статистика в процессе моделирования, испы­таний или эксплуатации.

Успешность выполнения отдельных операций можно характеризовать тремя временными оценками: оптимистической (), пессимис­тической () и наиболее вероятной (). Исходя из этих оценок и закона распределения времени выполнения операции, можно определить длительность операции (), обеспечиваю­щую успешность её реализации с требуемой вероятностью.

Поскольку ТЦУ представляет собой, по сути, параллельно-последовательный процесс, то его продолжительность является функцией случайных величин

,

где K - количество операций (в том числе и ожиданий), определяющих продолжительность ТЦУ.

А дисперсия времени выполнения ТЦУ является функцией от значений дисперсий распределения времени выполнения каждой операции:

.

В первом приближении, полагая, что согласно центральной предельной теореме закон распределения времени выполнения ТЦУ близок к нормальному, выражение для вероятности выполнения ТЦУ за заданное время () можно записать в виде

 ,                                 (3)

где  - функция Лапласа.

На основе (3) можно сформировать критерий наибольшей вероятностной гарантии результата

,                                        (4)

где G – множество допустимых планов ТЦУ.

Использование данного критерия требует осуществлять оптимизацию как по , так и по . Однако, влияние  на вероятность  значительно меньше, чем .

Поэтому, в рассматриваемых условиях, максимум в выражении (3) будет достигаться при минимальном значении . В связи с этим, вместо критерия (4) для оптимизации ТЦУ можно использовать, так называемый критерий наибольшего среднего результата. Данный критерий рекомендует выбирать в качестве оптимальной стратегию управления J, для которой

                                                                                               (5)

Условие сохранения качества управления на уровне не ху­же заданного может быть представлено как

                                                           (6)

где  - заранее заданная величина.

Следует также отметить, что количество оптимальных и близких к ним вариантов проведения ТЦУ, полученных с помощью критерия (5), будет определять гибкость управления КА.

Таким образом, в общем виде задачу оптимального планирования операций ТЦУ (задачу оперативного планирования) можно сформулировать следующим образом: необходимо спланировать работу имеющихся средств НАКУ по всем типам КА так, чтобы обеспечивалось вы­полнение всех возложенных на КА задач в заданное время с требуемой вероятностью или, иными словами, необходимо соста­вить план проведения операций ТЦУ, реализация которого обеспечивала бы максимум критерию оптимизации при заданных ограничениях.

Для решения задач оптимального планирования ТЦУ необходимо иметь модели проведения ТЦУ. При этом для описания процесса выполнения операций ТЦУ необходимо привлечение различного класса моде­лей (детерминированные и стохастические, статические и дина­мические, имитационные модели). Модели, используемые при оперативном планировании, должны наиболее точно описывать процесс реализации операций ТЦУ, на соответствующих интервалах планирования, и процессы, происходящие при управлении КА и средствами НАКУ.

Увеличение времени между сеансами связи с КА повышает вероятность возникновения нештатных (незапланированных, критических) си­туаций из-за отказов в оборудовании КА и НАКУ, влияния возмущающих факторов внешней среды, а также других негативных воз­действий, что приводит к снижению вероятности вы­полнения операций ТЦУ за заданное время, а также к необходи­мости в оперативной коррекции плана ТЦУ и программы полета КА. Это, в свою очередь, предъявляет высокие требования к оперативности решения задач планирования операций управления КА. Данное требование можно обеспечить только путем автоматизации про­цесса планирования с использованием специального математического обеспечения и быстро­действующих средств компьютерной техники.

Вся совокупность операций ТЦУ реали­зуется с помощью технических и программных средств НАКУ. Проведенный анализ структуры НАКУ КА, а также целей и задач, решаемых им, позволяет определить возможные варианты построения схем управления КА и исследовать их влияние на качество решения задачи оптимизации ТЦУ. В формализо­ванном виде структуру НАКУ можно задать в виде множеств:

 - множество КА;

 - множество командно-измерительных пунктов (КИП);

 - множество технических средств.

Исходными данными будут являться ограничения, наклады­ваемые на процесс управления космическими аппаратами.

Во-первых, это группа ограничений, характеризующих усло­вия видимости объекта управления (KA) в зоне радиовидимости КИПа:

1) продолжительность сеанса связи с КА ();

2) минимальный и максимальный угол азимута ( и ) и угол места ( и );

3) минимальная () и максимальная () дальность до КА, обеспечивающая вхождение в связь:

                                            (7)

Во-вторых, это ограничения по точности сопровождения КА и прогноза его параметров движения в заданных пределах. Чаще всего, эта группа ограничений задается как требование к ве­личине некоторой функции, зависящей от ковариационной матри­цы  ошибок определения параметров движения КА.

В-третьих, это ограничения, задающие отношения совмести­мости в момент времени t и предшествования на множестве опе­раций:

1) техническая совместимость операций, которая задается матрицей

 ,                                                      (8)

где

2) энергетическая совместимость операций, которая определяется путем сравнения требуемого для одновременного проведения заплани­рованных операций уровня потребляемой энергии с допустимым:

 ,                                               (9)

где  - требуемый, для совместного выполнения  операций, уровень энергии;  - уровень энергии, требуемый для проведения i-ой операции;

 - допустимый уровень потребления энергии; - количество одновременно реализуемых операций;

3) логическая совместимость операций, которая задается матрицей

,                                                      (10)

где

 - длительность интервала времени, внутри которого i-я операция должна быть повторена.

Матрица  служит для искусственного задания совместимости различных типов операций, а также операций одного типа, но реализуемых для различ­ных КА, и является дополнительным резервом оптимизации, пос­кольку позволяет изменять условия совместимости операций по желанию лица, осуществляющего планирование, не изменяя самого математического аппарата;

1)    отношение предшествования операций, которое задается матрицей

  ,                                                   (11)

где  - промежуток времени, по прошествии которого j-я операция может начать выполняться после окончания i-й (если , то j-я операция не может следовать за i-й;  - промежуток времени, по прошествии которого i-я операция должна быть повторена).

В-четвертых, это ограничения, связанные с особенностями и правилами выдачи командно-программной информации с наземных средств на КА.

И в-пятых, это ограничения задающие приоритетность одних операций перед другими. Как правило, данное ограничение задается в виде набора правил предпочтения:

 где  - множество КА;  - множество необходимых для выполнения операций ТЦУ; q - коэффициент, определяющий степень приоритетности.

В общем случае теоретико-множественная модель планиро­вания операций ТЦУ может быть представлена в виде математической структуры выбора с мультипредпочтением

 ,                                (12)

где - исходная математическая структура некоторого типа S, которая определяет тип модели планирования (например, статическая модель, динамическая модель и т.п.);  - связанное с  множество альтернатив (решений) на котором непосредс­твенно производится выбор;  - множество отно­шений, ограничивающих выбор в соответствии с конкретными ус­ловиями функционирования КА и средств НАКУ;  - множество отношений предпочтения, характеризующих различные предпочтения при выборе оптималь­ного решения (плана);  - множество операторов, позволяющих задавать результирующее отношение предпочтения  задачи планирования:

.

Анализ содержания задачи планирования и учет особеннос­тей, возникающих при ее решении, позволяет свести выражение (12) к виду

,

где  - множество допустимых альтернатив задачи планирова­ния, которое задается на основе построения математической модели определенного типа (статической, динамической и т.д.). Составление плана работы средств НАКУ проводится на суженом множестве альтернатив , которое получено в ре­зультате учета части отношений , описывающих потенци­альные возможности проведения сеансов управления КА средствами НАКУ (например, учет зон радиовидимости средств НАКУ, их профилактики и т.д.).

Тогда выбор оптимального плана проведения ТЦУ зак­лючается в выделении подмножества альтернатив , удовлетворяющего совокупности условий  и наи­лучшего в смысле выбора правил, задаваемых . Он представляет собой унарное отношение, которое может однозначно характеризоваться индикаторной функцией

.

Тогда задача планирования ОВ средств НАКУ с КА сводится к поиску функции , которая для каждой операции принимает значения 1 или 0 в зависимости от того, выполняется ли данная операция в момент времени t или нет. Возможно несколько вариантов задания множества  и соответственно несколько вариантов построения моделей и алгоритмов планирования применения средств НАКУ. Определяющим при этом является выбор вида критерия оптимизации и системы учитываемых ограничений.

С учетом вышесказанного сформулируем задачу оптимизации ТЦУ следующим образом.

Найти матрицу  моментов начала или матрицу  моментов окончания операций, входящих в состав ТЦУ, удовлетворяющую заданным ограничениям (7-12) и доставляющую основному показателю (5) аб­солютный максимум по сравнению со всеми другими матрицами моментов начала (окончания) операций, отвечающими тем же условиям и ог­раничениям.

Для выполнения требования, предъявляемым к управлению КА, необходимо для каждой операции определить интервалы времени, в пределах которых возможно выполнение данной операции, чтобы выполнялись заданные условия и ограничения на всем интервале планирования.

Использование приведенных выражений для оптимизации процесса управления КА позволит: повысить оперативность принятия решения и увеличить надежность управления КА; увеличить уровень автоматизации в процессе принятия решений по задействованию средств НАКУ; повысить вероятность выполнения ТЦУ за заданное время.

 

Литература:

1. Куренков В.И. Методы исследования эффективности ракетно-космических систем. Методические вопросы: Учебное пособие. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2012. 201 с.

2. Загорулько А.Н. Интегрированная автоматизированная система управления КА // Системи обробки інформації. Вип. 2 (69). – Харьков, 2008. – С. 48 – 51.

3. Петров С.В., Махонин Е.И. Анализ возможных подходов к оптимизации планирования операций при однопунктной технологии управления космическими аппаратами // Сб. научн. трудов. Информационные системы. Вып. 1 (12). – Харьков: НАНУ, ПАНИ, ХВУ, 1999. – С. 62 – 66.