Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка систем автономной навигации и управления движением на этапах выведения, удержания в рабочей точке и коррекции орбиты космических аппаратов на геостационарной орбите с использованием перспективных методов и аппаратных средств.

Докладчик: Красильщиков Михаил Наумович

Должность: заведующий кафедрой, доктор технических наук, профессор

Цель проекта:
Основной научно-технической задачей является формирование требований к составу и характеристикам бортовых аппаратных средств, алгоритмам позиционирования и определения ориентации космических аппаратов, алгоритмам управления движением центра масс. Эта задача решается путем использования специального аппаратно-программного комплекса для получения количественных оценок точностных характеристик интегрированных систем навигации, а также управления движением центра масс КА на ГСО. Таким образом, определяется архитектура соответствующей системы, её аппаратный состав и требования к аппаратуре, алгоритмы функционирования системы, а также её основные характеристики, определяющие её точность, оперативность, энергопотребление, её эффективность как элемента спутниковых информационных систем связи и вещания на геостационарной орбите. Разработанные алгоритмы должны обеспечивать точность навигационного решения по положению не хуже единиц метров, а по углам ориентации не хуже единиц угловых минут. Соответствующие способы высокоточного решения задач навигации и определения ориентации образуют результат, способный к правовой охране. Разработка перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов, обеспечивающих: 1.1. Повышение автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы на геостационарной орбите (ГСО) за счет использования в составе бортовой аппаратуры КА многоканальных ГНСС-приемников, ориентированных на характеристики ГЛОНАСС нового поколения в части использования межспутниковых и беззапросных измерений, а также автономного уточнения параметров вращения Земли; 1.2. Снижение нагрузки на наземную инфраструктуру в процессе развертывания и поддержания компонент Национальной информационной спутниковой системы на ГСО и ВЭО вследствие повышения автономности их функционирования; 1.3. Повышение эффективности функционирования целевой аппаратуры этих компонент за счет более высокой, по сравнению с достигнутой, точности позиционирования, ориентации и стабилизации КА на ГСО вследствие использования ГНСС-приемников, ориентированных на ГЛОНАСС нового поколения.

Основные планируемые результаты проекта:
За отчетный период должны быть получены следующие результаты:
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативно-технической, методической литературы в области современных методов и средств автономной навигации и систем управления движением КА,
2. Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3.Осуществлен выбор и обоснование направления исследований, проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований в части методов и средств разработки интегрированных систем навигации и управления КА на ГСО на основе перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов с использованием ГНСС-технологий.
4. Разработаны варианты возможных решений задачи формирования облика интегрированной системы КА на ГСО на основе перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов с использованием ГНСС-технологий, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи.
5. Разработана концепция формирования перспективных методов и выбора средств высокоточной навигации и управления движением КА на ГСО на этапах выведения, удержания в точке и коррекции орбиты. Определение и обоснование совокупности основных характеристик таких средств, необходимых для решения поставленной задачи.
6. Разработаны технические требования к условиям моделирования процессов автономного выведения, удержания в рабочей точке и коррекции орбиты КА на геостационарной орбите, а также к алгоритмам позиционирования, ориентации, стабилизации и управления движением центра масс КА.
Новизна предполагаемых результатов определяется фактом использования ГНСС в качестве интеллектуального ядра и основана на интегрированных бортовых системах навигации и управления движением целевых КА, использующих в качестве аппаратных средств многоканальные ГНСС-приемники, оптико-электронные средства и инерциальные чувствительные элементы. Проводимая в настоящее время модернизация Российской ГЛОНАСС (использование межспутниковых линий связи, беззапросных измерений, автономного уточнения параметров вращения Земли) позволит повысить точность эфемеридного обеспечения и существенно увеличить автономность систем на ГСО, что и определяет новизну предлагаемых научно-технических решений и одновременно является необходимой предпосылкой для достижения поставленных целей.
Насколько известно авторам, в том числе на основе результатов аналитического обзора литературы и патентных исследований, аналогичных работ в настоящее время не проводится.
Достижение целей исследований осуществляется путем:
1. Формирования иерархической системы критериев, характеризующих эффективность решения целевых задач и уровень автономности компонент Национальной информационной спутниковой системы на ГСО;
2. Создания системы математических моделей для получения количественных оценок эффективности и уровня автономности компонент Национальной информационной спутниковой системы на ГСО в рамках сформированной системы критериев;
3. Разработки информационной технологии формирования архитектуры соответствующей интегрированной системы навигации и управления движением, её аппаратного состава и требований к аппаратуре, алгоритмов функционирования системы, а также основных характеристик интегрированных систем навигации и управления движением центра масс КА на ГСО;
4. Создания функционально-программных прототипов интегрированных систем навигации и управления движением центра масс КА на ГСО;
5. Создания программно-аппаратного комплекса для моделирования процессов позиционирования и управления движением центра масс путем использования функционально-программных прототипов интегрированных систем навигации и управления движением центра масс КА на ГСО;
6. Моделирования процессов позиционирования и управления движением центра масс КА на ГСО, с учетом широкого спектра разнородных по своей физической природе неконтролируемых факторов;
7. Оптимизации архитектуры и аппаратного состава интегрированных систем навигации и управления движением центра масс КА на ГСО, разработки тактико-технических заданий на соответствующие ОКР.
Как уже указывалось выше, новизна предлагаемого подхода к достижению поставленных целей определяется фактом использования существующих ГНСС в качестве интеллектуального ядра интегрированных бортовых системах навигации и управления движением целевых КА на геостационарной орбите, в том числе в условиях активных помех различной природы.
Описанный путь решения сформулированных выше проблем в данной предметной области является единственным реальным способом повышения автономности и эффективности решения целевых задач информационными спутниковыми системами на геостационарной орбите, поскольку он основан на использовании межспутниковых линий связи и автономном уточнении параметров вращения Земли. Следствием этих работ является дальнейшее существенное повышение точности эфемерид навигационных КА что, в свою очередь, приведет к повышению точности позиционирования КА в составе целевых спутниковых систем, а также увеличению автономности этих систем.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Решение поставленных задач будет способствовать созданию на территории РФ, а также на территориях, представляющих интерес для государственных органов РФ, единого информационного пространства, образуемого системами:
1. мониторинга земной поверхности с целью оперативного обеспечения потребителей актуальной картографической информацией;
2. мониторинга земной поверхности с целью предупреждения и/или минимизации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф;
3. метеонаблюдений;
4. кадастрового учета земель РФ;
5. информационной поддержки судоходства, в том числе в арктических районах;
6. оперативного обмена информацией между службами и подразделениями государственных органов РФ, в том числе в удаленных районах;
7. обеспечения телевизионного вещания, телефонной связи и доступа к глобальной сети Интернет для любых потребителей на территории РФ, в том числе Арктической зоне, включая шельф Северного морского пути, а также анклавах РФ, вне зависимости от степени развитости наземной инфраструктуры.

Текущие результаты проекта:
За отчетный период проведены следующие работы и получены следующие результаты:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативно-технической, методической литературы в области современных методов и средств автономной навигации и систем управления движением КА. Показано, что основное направление исследований в области формирования методов и алгоритмов управления движением центра масс КА на этапах его выведения на геостационарную орбиту, перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе должно базироваться на обобщенном вероятностно-гарантирующем подходе, позволяющем на единой методической основе анализировать влияние на процессы управления неконтролируемых факторов различной природы: детерминированных, стохастических, неопределенных. В качестве основных аппаратных средств решения задач управления движением центра масс КА на ГСО на различных этапах его жизненного цикла должны рассматриваться ЭРДУ, используемые как на этапе довыведения, так и на этапах перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе. Основное направление исследований в области формирования методов и алгоритмов навигации КА на этапах его выведения на геостационарную орбиту, перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе должно быть связано с формированием интегрированных систем, базирующихся на современных и перспективных информационных ГНСС-технологиях.
2. Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96, которые показали, что в настоящий момент в открытой литературе отсутствует описание какой-либо единой концепции формирования перспективных методов и средств для автономного выведения, удержания в рабочей точке и коррекции орбиты КА на ГСО на всех этапах жизненного цикла. Кроме того, опираясь на приведенный выше обзор, можно сформулировать общие системные требования к разрабатываемой методике:
- разрабатываемые методы и алгоритмы должны учитывать влияние разнородных по своей природе неконролируемых факторов (возмущений) на процессы управления движением и навигации КА на ГСО на всех этапах его жизненного цикла;
- наиболее перспективный подход для обеспечения автономности процессов довыведения КА на ГСО, перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе состоит в использовании ГНСС-технологий.
Необходимо отметить также, что прямых аналогов разрабатываемой методике найдено не было.
3.Осуществлен выбор и обоснование направления исследований, получена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований в части методов и средств разработки интегрированных систем навигации и управления КА на ГСО на основе перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов с использованием ГНСС-технологий. Показано, что исследования в области синтеза алгоритмов управления движением и навигации КА на ГСО на всех этапах его жизненного цикла должны проводиться с использованием детерминированного, стохастического и минимаксного подходов. На данном этапе исследований ни один из перечисленных выше подходов не может быть исключен из дальнейшего рассмотрения.
4. Разработаны варианты возможных решений задачи формирования облика интегрированной системы КА на ГСО на основе перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов с использованием ГНСС-технологий, сделан обоснованный выбор оптимального варианта, в качестве которого предлагается рассмотреть сильно связанную архитектуру, базирующуюся на так называемой "скалярной" модификации нелинейного фильтра Калмана в качестве алгоритма интеграции данных.
5. Разработана концепция формирования перспективных средств высокоточной навигации и управления движением КА на ГСО на этапах выведения, удержания в точке и коррекции орбиты. Определена и обоснована совокупность основных характеристик таких средств, необходимых для решения поставленной задачи. В качестве таких средств приняты: стационарный плазменный двигатель, корректирующая двигательная установка на холодном газе, оптико-электронные средства навигации, в том числе средства межспутниковых измерений на основе лазерных каналов связи, многоканальный мультисистемный ГНСС-приемник.
6. Индустриальным партнером разработаны технические требования к условиям моделирования процессов автономного выведения, удержания в рабочей точке и коррекции орбиты КА на геостационарной орбите, а также к алгоритмам позиционирования, ориентации, стабилизации и управления движением центра масс КА.