д.т.н., профессор Артюшенко В.М., Кучеров Б.А.

Финансово-технологическая академия, Россия

Анализ возможностей использования модели полета космических аппаратов при распределении средств управления

В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с анализов возможностей использования модели полета космических аппаратов по околоземной орбите при распределении средств управления. Дано краткое описание возможностей разработанной автоматизированной системы распределения средств управления космическими аппаратами. Приведено описание модели полета космических аппаратов по околоземной орбите. Предложены варианты использования модели полета космических аппаратов в процессе распределения средств управления.

Ключевые слова: автоматизированная система, средства управления, модель полета, космический аппарат.

В настоящее время в соответствии с Федеральной космической программой России на 2006-2015 годы проводится большой объем работ по укреплению и развитию космического потенциала Российской Федерации. Целью этих работ является расширение и повышение эффективности использования космического пространства в интересах решения экономических, социальных, научных и других задач. Наращивание орбитальной группировки в период 2009-2015 гг с одной стороны, и использование малопунктной (2-4 наземных пункта) технологии управления космическими аппаратами (КА) с другой стороны, предъявляет новые требования к процессу управления группировкой КА [1, 2].

Управление осуществляется при проведении сеансов связи, путем задействования средств управления. Заметим, что средства управления размещаются на командно-измерительных пунктах. Время их задействования зависит как от местоположения КА, так и его орбиты.

В связи с этим, одной из основных составляющих процесса управления группировкой КА является процесс распределении средств управления КА. В свою очередь к указанному процессу также предъявляются новые требования, а именно требования в части оперативности бесконфликтного распределения средств управления в условиях ресурсных ограничений для обеспечения непрерывного, надёжного и устойчивого управления КА. Распределение средств управления осуществляется на основании заявок от центров управления полётами КА на проведение сеансов связи.

Средства управления КА являются средствами коллективного доступа. По мере увеличения числа КА возрастает нагрузка на средства управления, что в свою очередь приводит к увеличению количества конфликтных ситуаций. Под конфликтной ситуацией с точки зрения распределения средств управления понимается ситуация, когда возникает необходимость задействования одних и тех же средств, в одно и тоже время, для разных КА, а так же противоречие заявки существующим ресурсным ограничениям [2].

Орган планирования, осуществляющий распределение средств управления КА, должен проводить анализ перспективной обстановки с целью оценки достаточности существующих средств для управления перспективной группировкой КА с требуемыми вероятностными характеристиками.

Для повышения оперативности распределения средств управления КА была разработана автоматизированная система распределения средств управления КА.

Среди функций автоматизированной системы (АС) распределения средств управления КА стоит отметить информационный обмен с абонентами, формирование и коррекцию плана задействования средств, формирование отчетов и статистическую обработку данных о работе средств управления КА [2]. Предусмотрено несколько вариантов информационного обмена, что позволяет обеспечить взаимодействие с абонентами различной степени подготовленности [3]. Заметим, что разработанная АС обеспечивает разрешение конфликтных ситуаций при составлении плана задействования средств.

Дальнейшее повышение оперативности и качества распределения средств управления КА возможно путем использования модели полета КА по околоземной орбите в функционировании разработанной АС. Разработанная модель позволяет осуществлять баллистический прогноз движения КА, а также визуализацию результатов моделирования с использованием трехмерной графики. Результаты баллистического прогноза включают зоны радиовидимости КА относительно заданных точек на поверхности Земли [4]. Другими словами, модель позволяет осуществлять расчет зон радиовидимости КА средствами управления.

Рассмотрим подробнее разработанную модель. Исходными данными для баллистических расчетов являются TLE (Two-line element set) – двухстрочные наборы усредненных кеплеровых орбитальных элементов, генерируемые службой North American Aerospace Defense Command (NORAD) и свободно распространяемые в сети Интернет [4].

В качестве орбитальной модели для баллистических расчетов по низкоорбитальным КА используется модель SGP4 (Simplified General Perturbations – обобщенные упрощенные возмущения). К низкоорбитальным относятся КА, период обращения которых менее 225 минут [4]. Для высокоорбитальных КА используется модель SDP4 (Simplified Deep Space Perturbations – упрощенные возмущения дальнего космоса).

Модели SGP4/SDP4 позволяют по TLE получить координаты КА на заданный момент времени в геоцентрической инерциальной системе координат. По координатам КА в геоцентрической инерциальной системе координат рассчитываются географические координаты КА, а также топоцентрические координаты КА относительно средств управления. Координаты средств управления задаются географическими координатами. Топоцентрические координаты КА используются данной моделью при расчете зон радиовидимости.

Визуализация результатов моделирования осуществляется с использованием трехмерной графики. На трехмерной модели осуществляется отображение Земли, КА и их орбит, а также командно-измерительные пункты. Каждый КА может быть отображен индивидуальной трехмерной моделью. Имеется возможность отображения поля обзора КА. Пример визуализации результатов моделирования с использованием трехмерной графики представлен на рис. 1.

Рис. 1. Пример визуализации результатов моделирования

В модели присутствует возможность управления ходом модельного времени, который может быть естественным, может быть ускорен, а может быть остановлен (отображение результатов моделирования на фиксированный момент времени) [4].

В настоящее время моделирование полета КА возможно только по начальным условиям в формате TLE. Это накладывает ряд ограничений на моделирование полета группировки КА. Как известно, начальные условия в формате TLE формируются только для КА, находящихся на орбите. В связи с этим моделирование полета перспективной группировки КА возможно только путем подбора из находящих на орбите КА, по параметрам орбиты наиболее близким к перспективным. Также возможно моделирование полёта гипотетической группировки, составляемой из находящихся на орбите КА. Предлагается усовершенствовать модель, реализовав моделирование по кеплеровым элементам орбиты.

Это позволит моделировать полет перспективной группировки КА путем задания параметров орбиты перспективных КА. Данный функционал открывает новые возможности для использования разработанной модели в процессе распределения средств управления КА. Так, могут быть заданы требуемые параметры орбиты КА моделируемой группировки. Например, параметры орбиты перспективных КА могут быть получены из плана запусков.

Моделирование полета перспективной группировки КА позволит, во-первых, спрогнозировать нагрузку на средства, а во-вторых, проверить работу АС распределения средств управления КА при большем количестве КА. Причем прогноз и проверки могут быть выполнены для различных составов и состояний наземного комплекса управления КА. Возможно моделирование различных ситуаций, в том числе возникновение нештатной ситуации на КА и/или средстве управления. В перспективе при моделировании может задаваться вероятность выполнения сеанса связи средством.

Модель может применяться для выявления узких мест разработанной АС распределения средств управления КА путем проверки работы системы в различных ситуациях. Результаты таких проверок могут быть использованы при формулировании требований к модернизации разработанной системы.

Другим возможным применением модели в процессе распределения средств управления КА может служить её использование при оценке достаточности средств для управления заданной группировкой. Критерием достаточности средств может является обеспечение выполнения технологического цикла управления (ТЦУ) КА с требуемой вероятностью. Упрощенным критерием может служить возможность запланировать без конфликтных ситуаций требуемое количество сеансов связи.

Как известно, управление космическим аппаратом осуществляется в соответствии с ТЦУ. ТЦУ определяет состав и периодичность операций, проводимых с КА. Так, в ТЦУ задается частота проведения измерения текущих навигационных параметров орбиты, определяется периодичность съема телеметрической информации и т.д. ТЦУ для КА различных типов могут существенно отличаться. Так, для низкоорбитальных КА как правило используются недельные ТЦУ, для геостационарных – месячные. Различия могут заключаться не только в периоде охвата ТЦУ, но и во входящих в его состав операциях. ТЦУ может быть весьма сложным, включать множество условий, ограничений, особенностей и т.п.

Использование базовой модели ТЦУ при моделировании полета группировки КА позволит повысить качество её использования. Под базовой понимается модель простого ТЦУ, достаточной для решения поставленных задач.

Внедрение модели полёта КА в работу АС распределения средств управления КА позволит, в числе прочего, проводить тренировки и обучение персонала. Так, возможно построить модель группировки КА, затем имитировать возникновение нештатной ситуации и отработать её парирование персоналом. Наглядность визуализации результатов моделирования может успешно использоваться при обучении персонала.

Визуализация результатов моделирования с использованием трехмерной графики может быть использована при информировании специалистов сведениями о состоянии КА и средств управления. Она может служить основой, на которой будет построено представление детальных сведений о КА и средствах.

Для наиболее полного использования возможностей модели полета КА в работе АС распределения средств управления КА необходима интеграция модели в АС. Это подразумевает получение исходных данных для моделирования из базы данных АС и выгрузку результатов моделирования в базу данных. При этом следует сохранить возможность автономного моделирования.

Таким образом, дано краткое описание возможностей разработанной автоматизированной системы распределения средств управления космическими аппаратами. Приведено описание модели полета космических аппаратов по околоземной орбите. Проведен анализ возможностей использования модели полета КА по околоземной орбите в процессе распределения средств управления КА. Применение предложенных вариантов использования модели позволит повысить оперативность распределения средств управления.

Литература:

1. Артюшенко В.М., Видов М.И. Анализ систем управления космическим летательным аппаратом // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2011): сб. статей II Международной заочной научно-технической конференции. Тольятти, Изд-во ПВГУС, 2011. C. 18-29.

2. Артюшенко В.М., Кучеров Б.А. Повышение оперативности бесконфликтного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т.9. №3. С. 59-66.

3. Артюшенко В.М., Кучеров Б.А. Повышение эффективности оперативного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений // Алгоритмические и программные средства в информационных технологиях, радиоэлектронике и телекоммуникациях: сб. статей I Международной заочной научно-технической конференции. Ч. 1. Тольятти, Изд-во ПВГУС, 2013. C. 244-249.

4. Кучеров Б.А., Коптев В.Б. Имитационная модель полета искусственного спутника Земли по низкой орбите // XII Ежегодная научная конференция студентов Королёвского института управления, экономики и социологии «Ресурсам области - эффективное использование». Королёв М.О.: Королёвский институт управления, экономики и социологии, 2012. C. 121-125.