Баллистическое, аппаратурное обеспечение и дистанционное управление полетом автоматических космических аппаратов

Баллистическое, аппаратурное обеспечение и дистанционное управление полетом автоматических космических аппаратов

 

Особенностью космических аппаратов (КА), создаваемых в НПО им. С.А. Лавочкина является их разнообразие. Автоматические КА разрабатывались и для низких околоземных траекторий, и для полетов по вытянутым эллиптическим орбитам, и для существования на геостационарной орбите, и для полетов к другим планетам и объектам Солнечной системы. Наиболее дискутируемым в последние годы вопросом является необходимость и возможность унификации процесса обеспечения управления столь разнообразными космическими аппаратами. Методы подхода к решению данного вопроса рассматриваются в настоящих материалах.

 

История вопроса

Разнообразие космических аппаратов, создаваемых в НПО им. С.А. Лавочкина одновременно обуславливает их несерийность. То есть при создании нового КА приоритетом является не воспроизведение в максимальном объеме функций и возможностей предшественника, а достижение новой целевой функции, которая в обязательном порядке должна быть существенно обновлена. Это связано в первую очередь с научным характером задач космических аппаратов, требующих использования различных телескопов, исследовательских приборов, орбит, информационных потоков, энергетического обеспечения, средств по обеспечению защиты от вредных воздействующих факторов. Конечно, успешные достижения, полученные на КА научного назначения, могут и должны использоваться на последующих аппаратах, но метод этого использования состоит в построении ряда КА, при котором каждый последующий решает все более сложную задачу, опираясь на результаты предыдущей экспедиции. В первую очередь это относится к сериям КА, предназначавшимся для исследования Луны и планет солнечной системы и миссиям астрофизических наблюдений. Слово «серия» здесь упомянуто умышленно, чтобы подчеркнуть, что такие серии аппаратов не относятся к традиционному понятию «серийных космических аппаратов». Чтобы избежать путаницы понятий, правильнее было бы сказать не «серия», а «цепочка», «поколение» или «последовательность» космических аппаратов. В дальнейшем будем использовать термин «поколение» для того, чтобы подчеркнуть, что для научных исследований (относящихся в первую очередь к дальнему и среднему космосу) не создаются серийные КА. Особенностью понимания этого термина является то, что поколение космических аппаратов, за счет постепенного усложнения позволяет в итоге решить одну конкретную научную задачу исследований, решая по пути отдельные частные задачи. При этом характеристики и задачи аппаратов, составляющих поколение, вообще говоря, не совпадают.

Как результат, непосредственное управление космическими аппаратами и создание средств автоматизации управления полетом сосредоточилось, в основном, в скоординированной работе следующих организаций: ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (НПОЛ), Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (ИПМ) и ОАО «Российские космические системы» (РКС).

НПОЛ обеспечивало подготовку центра управления полетом и непосредственно управляло полетом КА собственной разработки силами собственного персонала.

ИПМ обеспечивало баллистическую поддержку полета, так как за несколько десятилетий совместных работ эта организация накопила опыт и сохранила кадры для поддержки разнообразных околоземных экспедиций и межпланетных полетов.

РКС обеспечивало подготовку наземных станций управления и участвовало в разработке большинства бортовых служебных радиокомплексов, решая эти задачи также для разнообразных типов КА, в том числе и для межпланетных полетов.

Следует отметить, что подобная практика использовалась и используется всеми головными предприятиями космической отрасли на начальном этапе разработки новых серий космических аппаратов.

Однако с 1996 года и по настоящее время в НПОЛ, в силу различных причин, не был запущен ни один космический аппарат научного назначения. Теперь, в конце 2010 года, находясь на завершающем участке к возобновлению запусков КА научного назначения, необходимо рассмотреть концептуальные вопросы организации управления этими и последующими аппаратами с целью наибольшего удовлетворения реалий и возможностей текущего момента.

 

Баллистическое обеспечение

Унификация баллистического обеспечения достигается, в основном, за счет интернационализации и стандартизации структур данных, используемых в задачах баллистических расчетов. Основой для стандартизации является инструментарий PDS (Planetary Data System), развиваемый организациями США и свободно распространяемый по всему миру. Специфическими остаются только методы обработки траекторных измерений, которые зависят от характеристик наземных станций и бортовых радиокомплексов. Однако и в этом направлении проводится активная международная деятельность по стандартизации, осуществляемая в рамках комитетов CCSDS. Учитывая наличие в свободном доступе большого количества стандартных программ для проведения всевозможных баллистических расчетов, создание системы баллистического обеспечения для конкретного КА постепенно становится процессом компиляции стандартных данных и программ с настройкой на наборы конкретных параметров, определяемых баллистической схемой и техническими характеристиками КА.

 

Аппаратурное обеспечение

Аппаратурное обеспечение наземных систем состоит из трех основных составляющих:

- технические средства центров управления полетом и баллистических центров;

- технические средства информационных каналов связи;

- технические средства наземных станций.

Оборудование центров управления полетом и автоматизации каналов связи обеспечивается стандартными вычислительными средствами. Значительные усилия по унификации данных технических средств предприняты в последнее время Роскосмосом в рамках программы ГосНАКУ.

Сложнее обеспечивается стандартизация средств наземного радиотехнического комплекса (НРТК). В международной практике в последние годы приняты наборы стандартов для наземных станций. Этим стандартам должны соответствовать вновь разрабатываемые космические аппараты, поскольку считается, что наземные станции должны обеспечивать работу по многим космическим экспедициям в режиме разделения времени. Практика РКС не совсем следует международным стандартам, что приводит к необходимости разработки или доработки средств НРТК под каждый новый космический аппарат. В результате сложилась напряженная ситуация с обеспечением наземными станциями космических аппаратов научного назначения. В первую очередь не обеспечены необходимым образом средствами наземных станций программы исследования дальнего космоса и полетов к Луне. НПОЛ подготовило предложения по созданию на базе существующих наземных станций средств НРТК, которые обеспечили бы проведение программы лунных исследований, запланированной к реализации с 2013 года.

 

Методика управления

Методика управления полетом для каждой миссии включает в себя разработку и реализацию трех основных компонент

- определение типового цикла управления,

- определение информационных потоков и связей как между КА и Землей, так и между всеми участниками контура управления,

- определение организационных форм работы персонала управления.

Типовой цикл управления. Типовой цикл управления включает в себя три основных контура:

- контур перспективного планирования с периодом 1–3 месяца;

- контур оперативного планирования с периодом 1–4 дня;

- контур реализации сеанса связи в реальном времени.

Каждый из этих контуров включает в себя элементы планирования, анализа и коррекции планирования на различном уровне. Для каждого уровня создаются свои организационно-технические структуры персонала управления и необходимые аппаратно-программные комплексы ЦУП.

Информационные потоки:

1) Потоки информации, циркулирующие между Землей и КА:

- телеметрическая информация с КА, содержащая данные о работе систем служебного модуля и полезной нагрузки, бортовые навигационные данные и информацию от аппаратуры ПН;

- командно-программная информация, выдаваемая в бортовые системы КА;

- измерения параметров орбиты для решения навигационных задач и обеспечения управления полетом (измерения дальности, скорости, углов и т.д.).

Структура сигналов, частотные диапазоны, возможности разделения и совмещения этих потоков закладываются на стадии проектирования КА и наземного сегмента и оказывают определяющее влияние на состав средств и программного обеспечения Земного сегмента, на аппаратно-программные комплексы ЦУП и линий связи.

2) Потоки информации, циркулирующие в контуре управления полета определяют организационно-техническую структуру, формы взаимодействия и ответственность участников контура управления для различных уровней цикла управления КА. Формирование этих потоков и управление ими выполняется средствами ЦУП.

Организация работы персонала управления. Создание рациональной иерархической структуры принятия решений при управлении полетом путем эффективного разделения ответственности и функций руководства полетом, специалистов по управлению полетом КА, Земного сегмента и разработчиков бортовой аппаратуры для различных этапов полета.

На рис. 1- 5 приведён ряд схем, которые иллюстрируют сказанное выше.

 

Рисунок 1. Наземно-космическая система

 

Рисунок 2. Типовой цикл управления полетом

 

Рисунок 3. Информационные потоки

 

 

Рисунок 4. Контур управления

 

Рисунок 5. Основные задачи ЦУП

Нештатные ситуации

В настоящем разделе рассматриваются подходы к ликвидации возможных нештатных ситуаций (НШС), которые являются общими для научных космических миссий.

В общем случае, НШС зависят от реализации бортовых систем КА и систем ЗС. Поэтому для каждого конкретного проекта выпускается специальный документ (до полета КА) с описанием возможных НШС и путей выхода из них.

Как правило, основными критериями эффективности научных миссий являются:

-количество времени, отведенного на научные исследования за определенный календарный период;

-оперативность и надежность персонала управления при изменении программы наблюдений или режимов работы комплекса ПН (по согласованной методике);

-оперативность и надежность персонала управления при определении и парировании НШС.

В соответствии с уровнями планирования работы КА рассматриваются следующие уровни НШС:

1) НШС ведущие к невыполнению задач миссии;

2) НШС ведущие к невыполнению текущей программы научных исследований (ПНИ);

3) НШС ведущие к невыполнению текущей программы работ (ПР);

4) НШС ведущие к невыполнению текущей программы сеанса связи (ПСС).

По источнику возникновения НШС делятся на НШС КА и НШС ЗС.

Парирование НШС может осуществляться:

- путем изменения ПР с КА, если НШС обнаружена вне сеанса связи или не была парирована в прошедшем сеансе,

- путем изменения ПСС в ходе проведения сеанса связи, если НШС обнаружена во время сеанса.

 

Баллистическое, аппаратурное обеспечение и дистанционное управление полетом автоматических космических аппаратов

 

Особенностью космических аппаратов (КА), создаваемых в НПО им. С.А. Лавочкина является их разнообразие. Автоматические КА разрабатывались и для низких околоземных траекторий, и для полетов по вытянутым эллиптическим орбитам, и для существования на геостационарной орбите, и для полетов к другим планетам и объектам Солнечной системы. Наиболее дискутируемым в последние годы вопросом является необходимость и возможность унификации процесса обеспечения управления столь разнообразными космическими аппаратами. Методы подхода к решению данного вопроса рассматриваются в настоящих материалах.

 

История вопроса

Разнообразие космических аппаратов, создаваемых в НПО им. С.А. Лавочкина одновременно обуславливает их несерийность. То есть при создании нового КА приоритетом является не воспроизведение в максимальном объеме функций и возможностей предшественника, а достижение новой целевой функции, которая в обязательном порядке должна быть существенно обновлена. Это связано в первую очередь с научным характером задач космических аппаратов, требующих использования различных телескопов, исследовательских приборов, орбит, информационных потоков, энергетического обеспечения, средств по обеспечению защиты от вредных воздействующих факторов. Конечно, успешные достижения, полученные на КА научного назначения, могут и должны использоваться на последующих аппаратах, но метод этого использования состоит в построении ряда КА, при котором каждый последующий решает все более сложную задачу, опираясь на результаты предыдущей экспедиции. В первую очередь это относится к сериям КА, предназначавшимся для исследования Луны и планет солнечной системы и миссиям астрофизических наблюдений. Слово «серия» здесь упомянуто умышленно, чтобы подчеркнуть, что такие серии аппаратов не относятся к традиционному понятию «серийных космических аппаратов». Чтобы избежать путаницы понятий, правильнее было бы сказать не «серия», а «цепочка», «поколение» или «последовательность» космических аппаратов. В дальнейшем будем использовать термин «поколение» для того, чтобы подчеркнуть, что для научных исследований (относящихся в первую очередь к дальнему и среднему космосу) не создаются серийные КА. Особенностью понимания этого термина является то, что поколение космических аппаратов, за счет постепенного усложнения позволяет в итоге решить одну конкретную научную задачу исследований, решая по пути отдельные частные задачи. При этом характеристики и задачи аппаратов, составляющих поколение, вообще говоря, не совпадают.

Как результат, непосредственное управление космическими аппаратами и создание средств автоматизации управления полетом сосредоточилось, в основном, в скоординированной работе следующих организаций: ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (НПОЛ), Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (ИПМ) и ОАО «Российские космические системы» (РКС).

НПОЛ обеспечивало подготовку центра управления полетом и непосредственно управляло полетом КА собственной разработки силами собственного персонала.

ИПМ обеспечивало баллистическую поддержку полета, так как за несколько десятилетий совместных работ эта организация накопила опыт и сохранила кадры для поддержки разнообразных околоземных экспедиций и межпланетных полетов.

РКС обеспечивало подготовку наземных станций управления и участвовало в разработке большинства бортовых служебных радиокомплексов, решая эти задачи также для разнообразных типов КА, в том числе и для межпланетных полетов.

Следует отметить, что подобная практика использовалась и используется всеми головными предприятиями космической отрасли на начальном этапе разработки новых серий космических аппаратов.

Однако с 1996 года и по настоящее время в НПОЛ, в силу различных причин, не был запущен ни один космический аппарат научного назначения. Теперь, в конце 2010 года, находясь на завершающем участке к возобновлению запусков КА научного назначения, необходимо рассмотреть концептуальные вопросы организации управления этими и последующими аппаратами с целью наибольшего удовлетворения реалий и возможностей текущего момента.