Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0100

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0100
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Реализация проекта направлена на решение проблемы снижения эксплуатационных затрат на поддержание и развертывание компонент Национальной информационной спутниковой системы на геостационарной орбите (ГСО).
Целью реализуемого проекта является разработка перспективных методов и средств высокоточной навигации и управления движением космических аппаратов, обеспечивающих:
- Повышение автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы на ГСО за счет использования в составе бортовой аппаратуры КА многоканальных приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), ориентированных на характеристики ГЛОНАСС нового поколения в части использования межспутниковых и беззапросных измерений, а также автономного уточнения параметров вращения Земли.
- Снижение нагрузки на наземную инфраструктуру в процессе развертывания и под-держания компонент Национальной информационной спутниковой системы на геостационарной и высокоэллиптической орбитах вследствие повышения автономности их функционирования.
- 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.
Актуальность и новизна исследования
Реализация проекта позволит снизить затраты на поддержание и развертывание компонент Национальной информационной спутниковой системы на ГСО, исключить влияние человеческого фактора на надежность контура управления системой, повысить эффективность решения целевых задач информационными спутниковыми системами в процессе их автономного функционирования.
Новизна применяемых решений определяется, прежде всего, использованием ГНСС в качестве «интеллектуального ядра» создаваемой интегрированной автономной системы навигации и управления КА на ГСО, а также разработанными алгоритмами управления движением центра масс КА на этапах довыведения, приведения на рабочую долготу и удержания, обработки данных ГНСС и планирования работы бортовых аппаратных средств, которые являются оригинальными, что подтверждается соответствующими публикациями в источниках, входящих в международные системы цитирования.
Описание исследования

Для обоснования направлений исследований, применяемых методик и технических решений были проведены патентный поиск и аналитический обзор литературы, касающейся современных и перспективных систем навигации и управления движением КА на ГСО. В результате был сделан вывод о том, что основное направление исследований в области методов и алгоритмов управления движением центра масс КА на этапах его довыведения на геостационарную орбиту, перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе  должно базироваться, в том числе, на обобщенном вероятностно-гарантирующем подходе, позволяющем анализировать влияние на процессы управления и навигации неконтролируемых факторов различной природы: детерминированных, стохастических, неопределенных. В качестве основных аппаратных средств решения задач управления движением центра масс КА на ГСО были рассмотрены электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) различных типов как наиболее перспективные для использования как на этапе довыведения, так и на этапах перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе. Далее было показано, что обеспечить поставленные требования к надежности, точности и автономности навигации и управления движением возможно лишь в рамках соответствующей интегрированной системы навигации и управления движением КА, базирующейся на современных и перспективных информационных ГНСС-технологиях.
Разработка такой системы сопровождалась применением следующих технических решений:
1. Разрабатываемые методы и алгоритмы учитывают влияние разнородных по своей природе неконтролируемых факторов (возмущений) на процессы навигации и управления движением КА на ГСО на всех этапах его жизненного цикла;
2. Обеспечение автономности процессов довыведения КА на ГСО, перевода на рабочую долготу и удержания на рабочей долготе строится на использовании измерений, получаемых от навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, а также по межспутниковой радиолинии с привлечением сети наземных станций беззапросных измерений.
3. Синтез алгоритмов управления движением и навигации КА на ГСО на всех этапах его жизненного цикла проводился с использованием стохастического (вероятностно-гарантирующего) подхода.
4. Сформированный базовый вариант архитектуры интегрированной системы навигации и управления движением использует в качестве основного алгоритма интеграции данных разработанную авторами проекта «скалярную» модификацию нелинейного фильтра Калмана. При этом для повышения его эффективности с точки зрения достоврености навигационного решения применяются алгоритмы оптимального планирования сеансов измерений, отсеивания аномальных измерений и интервального оценивания, также разработанные в рамках исследования. Кроме того, на этапе довыведения в состав бортовых алгоритмов навигации включен специальный алгоритм, позволяющий сформировать сглаженные оценки вектора состояния с одновременным уточнением модуля и ориентация вектора тяги ЭРДУ. Для пассивных участков траектории произведено разделение задач определения параметров движения ц.м. КА на основе метода наименьших квадратов по полной совокупности измерений и углового движения на основе рекуррентного алгоритма оценивания.
5. Состав перспективных средств высокоточной навигации и управления движением КА на ГСО на этапах довыведения, удержания в точке и коррекции орбиты включает: 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. Для обеспечения автономного управления движением центра масс используются достаточные условия оптимальности в форме Беллмана, обеспечивающие синтез стохастических алгоритмов управления, минимизирующих энергозатраты с учетом  требований к терминальной точности. Эти алгоритмы позволяют генерировать циклограммы динамических операций на рассматриваемых этапах жизненного цикла КА на ГСО в реальном масштабе времени с учетом случайных и неопределенных факторов непосредственно на борту КА.
Для подтверждения адекватности предложенных подходов и решений были разработаны методики, включающие серии экспериментальных исследований процессов функционирования системы навигации и управления КА на ГСО с использованием созданного авторами программно-аппаратного комплекса. В состав ПАК вошли имитаторы ГНСС сигналов и имитаторы ГНСС приемника, позволяющие максимально достоверно имитировать работу ГНСС аппаратуры в широком диапазоне высот.

Результаты исследования

Развита концепция формирования перспективных методов и средств автономной высокоточной навигации и управления КА на ГСО. Разработаны технические требования к условиям моделирования процессов автономного функционирования КА на ГСО на всех этапах жизненного цикла. Выполнен отчет о патентных исследованиях. Проведен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по данной тематике. Разработаны математические и компьютерные модели автономной интегрированной системы (ИС) навигации и управления КА на ГСО с использованием оригинальных высокоточных алгоритмов навигации и управления. Разработан, реализован и введен в эксплуатацию программно-аппаратный комплекс моделирования ИС навигации и управления КА на ГСО. Проведены приемочные испытания комплекса в соответствии с разработанной программой и методиками приемочных испытаний.
Разработаны алгоритмы стохастического управления движением центра масс КА на ГСО на этапах довыведения, перевода на рабочую долготу и удержания в рабочей точке на основе достаточных условий оптимальности в форме Беллмана, минимизирующие энергозатраты при выполнении требований по терминальной точности. Алгоритмы являются автономными в том смысле, что позволяют в режиме реального времени определять необходимые углы ориентации тяги электрической ракетной двигательной установки как функции текущего состояния КА на этапе довыведения, а также формировать непосредственно на борту КА последовательности управляющих импульсов на этапах перевода и удержания КА в рабочей точке на ГСО.
Разработаны методы и алгоритмы навигации, обеспечивающие с использованием бортового приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) оценку модуля и ориентации вектора тяги маршевого двигателя на этапе довыведения с точностью до 1% от номинала (3 СКО), а также решение навигационной задачи с точностью (3 СКО) до 9 метров по положению и 1 м/с по скорости на этапах перевода на рабочую долготу и удержания в рабочей точке. При этом достигается требуемый уровень (0.95) достоверности результатов решения навигационной задачи. С использованием созданного программно-аппаратного комплекса проведено имитационное моделирование процессов функционирования замкнутого контура бортовой интегрированной системы навигации и управления, подтвердившее с необходимой достоверностью правильность основных решений в части архитектуры системы, выбранных аппаратных средств и алгоритмов управления и навигации.
В ходе экспериментов с реальными аппаратными средствами КА, проведенных с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса, в том числе с бортовым приемником ГНСС сигналов, подтверждена возможность приема и обработки сигналов навигационных КА вплоть до высот 90 тысяч км.
С использованием уникальной научной установки уточнена математическая модель разброса тяги электрической ракетной двигательной установки плазменного типа, используемой на этапах довыведения и коррекции орбиты.
Насколько известно авторам, в том числе на основе результатов аналитического обзора литературы и патентных исследований, аналогичных работ в настоящее время не проводится. Полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований в данной предметной области, что подтверждается шестью публикациями в источниках, индексируемых в международных системах цитирования, а также выступлениями на конференциях различного уровня, включая международные (ESA).

Практическая значимость исследования
Решение поставленных задач будет способствовать созданию на территории РФ, а также на территориях, представляющих интерес для государственных органов РФ, единого информационного пространства, образуемого системами мониторинга земной поверхности с целью оперативного обеспечения потребителей актуальной картографической информацией, предупреждения и/или минимизации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф, метеонаблюдений, кадастрового учета земель РФ, информационной поддержки судоходства, оперативного обмена информацией между службами и подразделениями государственных органов РФ, в том числе в удаленных районах, обеспечения телевизионного вещания, телефонной связи и доступа к глобальной сети Интернет для любых потребителей на территории РФ, в том числе в Арктической зоне, включая шельф Северного морского пути, а также анклавах РФ, вне зависимости от степени развитости наземной инфраструктуры.
Перспективы практического внедрения определяются, главным образом, фактом проведения соответствующих работ по совершенствованию ГЛОНАСС, включая внедрение навигационных КА (НКА) поколения ГЛОНАСС-К, межспутниковых каналов связи, беззапросных измерений и технологии автономного уточнения параметров вращения Земли на борту НКА. Все перечисленные работы направлены, в конечном счете, на повышение точности эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС и, как следствие, на повышение точности и достоверности навигационного решения, получаемого с помощью ГНСС-приемника на всех этапах жизненного цикла КА на ГСО.
Полученные научные результаты будут, по нашему мнению, способствовать расширению объема и углублению содержания работ на предприятии – Индустриальном партнере по обеспечению автономности функционирования КА на ГСО, в том числе, в рамках проводимых в настоящее время НИР и ОКР.
Разработанные в рамках ПНИ алгоритмы управления и навигации позволят достичь точности позиционирования центра масс КА на ГСО не хуже единиц метров, точности оценки углов ориентации – не хуже единиц угловых минут, автономности функционирования КА – не менее 1 года.
Постер

14574210100.ppt