Принципы построения адаптивных бортовых информационно-измерительных комплексов космических аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АДАПТИВНЫХ БОРТОВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

И. В. ФОМИНОВ

Аннотация

Рассматриваются принципы построения адаптивного бортового информационно-измерительного комплекса (АБИИК), предназначенного для решения задач навигации и определения ориентации космического аппарата в условиях дестабилизирующих факторов космического пространства. В докладе предлагается теоретический подход к многоуровневой адаптации АБИИК, реализация которого позволяет повысить точность определения параметров навигации и ориентации космического аппарата в условиях различных дестабилизирующих факторов.

Введение

информационный измерительный бортовой навигация

Развитие современных космических аппаратов (КА) происходит в условиях ужесточения требований к эффективности выполнения ими целевых задач при ограничениях на массово-габаритные характеристики бортового комплекса управления (БКУ), характеристики ресурсоемкости и энергопотребления, уровни автономности, надежности и продолжительности функционирования КА и его бортового комплекса управления. Несмотря на существенные достижения в области космического приборостроения, удовлетворение таких противоречивых требований, предъявляемых к характеристикам КА, остается сложной научно-технической проблемой.

При решении этой проблемы возникает комплекс задач, в состав которых входят следующие:

- снижение временных затрат и стоимости разработки КА;

- сокращение сроков построения орбитальной группировки КА;

- увеличение срока активного существования КА;

- повышение уровня автономности функционирования КА;

- повышение эффективности выполнения целевых задач в условиях воздействия дестабилизирующих факторов различного происхождения.

Одним из способов достижения требуемой эффективности выполнения целевых задач КА является обеспечение достоверной информации о параметрах ориентации и навигации КА. Решение этой задачи возложено на измерительные устройства систем ориентации и навигации КА. Определение текущих параметров движения КА осложняется априорно-неопределенным характером действующих дестабилизирующих факторов, среди которых принято выделять внешние и внутренние факторы космического пространства.

Влияние дестабилизирующих факторов на качество функционирования существующих систем ориентации и навигации возможно оценить с позиции составных элементов [1].

Наиболее существенными для измерительных устройств КА внешними дестабилизирующими факторами космического пространства являются:

- тепловое излучение;

- радиоактивное излучение;

- вибрации корпуса КА;

- микрометеорные воздействия [2].

Внешние факторы являются главной причиной деградации измерительных устройств и других бортовых систем. Кроме того, они могут являться основными действующими факторами, приводящими к отказам чувствительных элементов систем навигации и ориентации КА.

Как правило, перечисленные дестабилизирующие факторы имеют случайный характер. Парировать их влияние возможно путем создания схем резервирования, мажоритарной схем построения измерительных устройств, применением бортовых комплексов защиты, а также использованием систем диагностирования и восстановления бортового оборудования. Применение этих подходов приводит к увеличению массово-габаритных характеристик систем ориентации и навигации, что может являться неприемлемым для некоторых типов КА. Одним из способов парирования влияния вышеперечисленных дестабилизирующих факторов является применение методов адаптивного управления в системах ориентации и навигации КА. Предлагаемый доклад посвящен обоснованию принципов построения адаптивных бортовых информационно-измерительных комплексов (АБИИК) КА, предназначенных для решения задач определения параметров ориентации и навигации в сложных априорно-неопределенных условиях функционирования.

Обоснование принципов построения адаптивных бортовых информационно-измерительных комплексов КА

Обоснование принципов, которые могут быть положены в основу построения АБИИК КА, целесообразно начать с формирования концептуальной структурной схемы (рисунок 1).

АБИИК КА включает в себя системы навигации (СН), системы определения параметров ориентации (СОПО), периферийных измерительных устройств (ИУ-П) и специализированный вычислитель (СВ-АБИИК). СН включает в свой состав навигационные измерительные устройства (ИУ-Н) и специализированный вычислитель системы навигации (СВ-Н). СОПО состоит из измерительных устройств (ИУ-О) и специализированного вычислителя системы ориентации (СВ-О).

Расчет текущих параметров поступательного и вращательного движения КА, а также комплексирование измерительной информации от различных ИУ осуществляется по алгоритмам, включенных в блок расчета параметров ориентации и навигации. Автоматический синтез этих алгоритмов определяется критерием , сформированным на основании оценивания условий функционирования , технического состояния ИУ, а также режимов функционирования КА.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Структурная схема АБИИК КА

В блоке анализа информации осуществляется сравнение данных, поступающих от систем навигации и ориентации и периферийных датчиков (характеризующих условия функционирования КА) с априорными данными , хранящимися в базе знаний. Априорные данные включают в себя предельные значения параметров движения КА, а также значения характеристик, обуславливающих условия эксплуатации КА, при которых определенные типы ИУ функционируют недостаточно эффективно, либо не способны выполнять свои целевые функции. Такими характеристиками являются диапазоны измерения ИУ, предельные значения вибраций и перегрузок, углы засветки солнечным излучением и др.

На основе предварительных оценок в блоке принятия решения формируется критерий, по которому осуществляется синтез алгоритмов определения ориентации и навигации , обеспечивающий требуемую точность определения параметров движения КА, а также производится управление режимами работы СН и СОПО (автономная калибровка, самонастройка и т.д.).

Подобные системы обладают способностью вариации структуры, параметров ее элементов или алгоритмического обеспечения, в условиях воздействия внешних и внутренних дестабилизирующих факторов с целью обеспечения требуемых показателей точности и быстродействия функционирования [3]. Проблема разработки и применения адаптивных информационно-измерительных систем может быть решена с помощью концепции многоуровневой адаптации, которая включает три основных уровня.

Первый уровень предполагает структурную адаптацию на этапе синтеза информационно-измерительной системы конкретного КА. На этом этапе обосновывается состав измерительных и вычислительных устройств, а также состав алгоритмов определения параметров движения КА в соответствии с возможными режимами эксплуатации КА и протоколы информационного взаимодействия.

Второй уровень предусматривает параметрическую адаптацию измерительных устройств к условиям функционирования КА. На этом этапе предусматривается самонастройка параметров регулятора адаптивных измерительных устройств с целью обеспечения требуемой точности измерительной информации о параметрах движения КА. Пример функционирования самонастраивающегося маятникового акселерометра описан в работе [4].

На третьем уровне предусматривается информационная адаптивность, заключающаяся в синтезе алгоритмов комплексирования информации от различных измерительных устройств, а также алгоритмов определения параметров ориентации и навигации КА в зависимости от конкретной ситуации.

Многоуровневая адаптация позволяет, с одной стороны, сузить диапазон возможных вариантов построения информационно-измерительной системы, а, с другой стороны, обеспечить требуемую точность информации о параметрах движения КА и условиях его эксплуатации за счет параметрической и структурной адаптации в процессе орбитального полета.

В основе методологии синтеза адаптивных ИИС лежат принципы их построения.

Принцип модульности. Этот принцип отвечает концепции первого уровня адаптации АБИИК, где осуществляется структурный синтез комплекса из конечного набора информационно-измерительных систем, измерительных и вычислительных устройств, представляющие собой функционально законченные изделия. При этом для обеспечения взаимодействия модулей, входящих в АБИИК КА, должны использоваться унифицированные стыковочные узлы и протоколы информационного обмена.

Принцип унификации. Этот принцип обеспечивает выбор минимальной совокупности измерительных устройств, удовлетворяющий требованиям унификации по стыковочным узлам, электрическим разъемам, информационным протоколам, электропитанию и т.д.

Очевидно, что измерительные устройства не могут быть полностью унифицированными, то есть соответствовать требованиям широкого класса КА по конструктивным и метрологическим характеристикам. Этому препятствуют различные требования по точности и быстродействию, предъявляемые к системам определения ориентации и навигации конкретных КА. В связи с этим, принцип унификации относится к отдельным элементам того или иного измерительного устройства, например, к информационным и стыковочным узлам, протоколам обмена информации и т.д. Обеспечение широкого спектра применения информационно-измерительных систем достигается путем параметрической адаптации их измерительных устройств.

Для обеспечения высокой точности определения параметров движения КА и условий его функционирования в условиях воздействиях различных дестабилизирующих факторов космического пространства АБИИК должен отвечать принципам структурной, параметрической и информационной адаптации и модернизации. Этот принцип предполагает вариацию структуры АБИИК на этапе предпусковой подготовки, параметрическую адаптацию измерительных устройств и информационную адаптацию алгоритмического обеспечения.

Принцип иерархичности. Этот принцип предполагает строгую иерархическую структуру построения АБИИК, в котором фигурируют, как правило, верхнее, среднее и нижнее звенья иерархии. Такой принцип позволяет обеспечить логичность структуры АБИИК, простоту реализации и, как следствие, высокую надежность при его эксплуатации.

Принцип многоструктурности и многомодельности. Этот принцип предусматривает возможность синтеза различных конечных структур и моделей АБИИК, обеспечивающих требуемые показатели точности и быстродействия определения параметрах движения КА в априорно-неопределенных условиях функционирования.

Принцип минимизации рисков. Этот принцип предусматривает комплекс мероприятий системного и алгоритмического характера, направленных на снижение вероятности возникновении опасного события и последствий от его появления.

Для практической реализации этого принципа на всех стадиях жизненного цикла АБИИК КА выполняется анализ риска, методические основы которого применительно к адаптивным информационно-измерительным навигационным системам приведены в работе [5].

Заключение

Таким образом, представленные в данном докладе принципы могут быть положены в основу теории построения адаптивных информационно-измерительных комплексов КА, обеспечивающих требуемые характеристики точности и быстродействия в условиях воздействия априорно-неопределенных факторов. Изложенные принципы позволяют выделить АБИИК КА в отдельный класс информационно-измерительных систем, существующих в настоящее время.

Литература

1. Стешенко, В. Перспективные подходы к созданию интегральных бортовых систем. Компоненты и технологии. №5. 2012 г., С. 7-12.

2. Бурдаков, В.П., 3игель, Ф.Ю. Физические основы космонавтики. Физика космоса // В.П.Бурдаков, Ф.Ю.Зигель - М., Атомиздат, 1975 г.

3. Пупков К.А., Неусыпин К.А., Кэ Фан. Интеллектуализация измерительного комплекса летательного аппарата // К.А.Пупков, К.А.Неусыпин, К.Фан. Известия вузов. Приборостроение. 2004. №8. Т. 47. С. 18-23.

4. Фоминов И.В., Малетин А.Н. Алгоритм самонастройки маятникового автоколебательного акселерометра при воздействии периодических возмущений // И.В.Фоминов, А.Н.Малетин. Известия вузов. Приборостроение. 2011. №9. Т. 54. С. 28-33.

5. Фоминов И.В., Голяков А.Д. Методические основы анализа рисков адаптивных информационно-измерительных навигационных систем // И.В.Фоминов, А.Д.Голяков. Навигация и гидрография. 2012. №34. С. 38-34.

Размещено на Allbest.ru