|
DOI: 10.7256/2454-0714.2018.2.26217
Дата направления статьи в редакцию:
07-05-2018
Дата публикации:
13-06-2018
Аннотация:
В работе сформулированы основные требования к бортовому комплексу космического летательного аппарата (КЛА) для целей наведения и посадки на малые тела солнечной системы. Основными задачами спускаемых и посадочных аппаратов являются торможение и сближение с поверхностью небесного тела, посадка, работа на его поверхности, возможно, взлет с поверхности для доставки возвращаемого аппарата на землю. Обеспечивая высокие требования к точности и надежности работы бортового комплекса наведения и посадки предложено актуальное решение. Используя традиционный подход к моделированию процессов и систем в работе создана функциональная модель бортового комплекса наведения и посадки в нотации IDEF0. В процессе создания функциональной модели описаны основные процессы, выполняемые комплексом во время схода с орбиты и посадки. В результате работы получено описание процедур, выполняемых многофункциональным бортовым комплексом наведения и посадки космического летательного аппарата. Построена прикладная функциональная модель уровня «to-be», основанная на использовании комплексного подхода. Предлагаемый комплексный подход ориентирован на совместное использование данных от всех бортовых устройств, как основной и дублирующей информации. Такой подход позволяет повысить точность и надежность процедуры посадки.
Ключевые слова:
Бортовой многофункциональный комплекс, визуальное наведение, комплексный подход, навигация КЛА, наведение КЛА, посадка КЛА, функциональная модель, оптический пеленгатор, оптическая обработка, малые тела
Abstract: The basic requirements for the on-board complex of the spacecraft for purposes of guidance and landing on small bodies of the solar system are formulated in the work. The main tasks of the landing and landing vehicles are braking and approaching the surface of the celestial body, landing, working on its surface, possibly taking off from the surface to deliver the returned vehicle to the ground. Providing high requirements to the accuracy and reliability of the on-board guidance and landing system, an actual solution is proposed. Using the traditional approach to the modeling of processes and systems, a functional model of the onboard guidance and landing system in IDEF0 notation was created. In the process of creating a functional model, the main processes performed by the complex during descent from orbit and landing are described. As a result of the work, a description of the procedures performed by the multifunctional on-board guidance and landing system of the spacecraft has been obtained. An applied functional model of the "to-be" level was constructed, based on the use of an integrated approach. The proposed integrated approach is focused on the sharing of data from all on-board devices, both basic and backup information. This approach allows to increase the accuracy and reliability of the landing procedure.
Keywords: Onboard multifunctional environment, visual guidance, integrated approach, navigation of the spacecraft, guidance of the spacecraft, landing a spacecraft, functional model, optical direction finder, optical processing, small bodies
Краткий анализ проблемы построения многофункционального бортового комплекса наведения и посадки.
Процедура спуска и посадки один из самых важных и ответственных этапов космического полета, только успешное его выполнение позволит решить поставленные задачи. При разработке данной модели было принято ограничение, что рассматривается посадка на малые тела солнечной системы, которые обладают незначительной силой притяжения, а атмосфера отсутствует. Схемы спуска предполагает использование реактивных двигательных установок, для коррекции манёвра спуска и посадки КЛА.
Посадка на малые тела солнечной системы необходима, как минимум, по двум причинам. Первая причина – изучение состава таких тел. Согласно общепринятой гипотезе, некоторые из малых тел сложены из первородной материи, той самой, из которой образовалась солнечная система. Таким образом их изучение должно дополнить знания научного сообщества и понимание процесса формирования нашего мира. Вторая причина – отведение угрожающих тел, которые могут столкнуться с Землей, вызвав апокалипсис [1-7]. В обоих случаях, необходима либо посадка на поверхность, либо наведение КЛА вплотную к поверхности МТСС [3,4,8]. Как уже отмечалось, посадка является одним из самых сложных этапов космической миссии. Это, в первую очередь связано с большим удалением от Земли. Из-за ограниченной скорости распространения света ручное управление процедурой посадки с Земли в реальном масштабе времени невозможно. Таким образом, посадка должна выполняться автономно [9-19]. К месту посадки аппарата предъявляются жесткие требования по ориентации антенн связи для контакта с Землей, освещённости, для заряда батарей, а также рельефу, для того, чтобы аппарат при посадке не перевернулся. Таким образом, требования к точности посадки следует признать высокими, что усложняет задачу автономного наведения и посадки [20].
Ограниченная мощность бортовых вычислительных ресурсов не позволяет, по крайней мере на данный момент, выполнить все процедуры полностью автоматически. Требуется вмешательство в работу центра управления полетами (ЦУП) [8,21]. Однако заключительный этап посадки, когда КЛА начнет сходы с траектории искусственного спутника (ИС) МТСС и посадку на его поверхность будет выполняться полностью автономно. Для повышения точности этого этапа предлагается использовать оптический пеленгатор в составе бортового комплекса наведения и посадки. Принцип действия пеленгатора основан на оптической обработке пространственной двухмерной информации для постоянного определения угловых координат места посадки путем распознавания образов [8,21].
Для повышения надежности заключительного этапа посадки авторами предлагается использовать комплексную обработку данных от всех бортовых устройств. Для решения поставленных задач предлагается многофункциональный бортовой комплекс наведения и посадки (БКНП) КЛА. БКНП в режиме «Посадка» осуществляет управление работой бортовых устройств, для решения навигационных задач, автономную обработку получаемой информацией и обмен данными при спуске КЛА на поверхность МТСС. Навигационные-посадочные задачи включают: уточнение орбиты космического аппарата КЛА на трассе перелета и при маневрировании на траектории искусственного спутника малого тела солнечной системы; уточнение траектории МТСС; выбор района посадки на МТСС; навигационная поддержка посадки; измерения расстояния до поверхности и составляющие относительной скорости КЛА. Полученные в процессе спуска и посадки данные должны обеспечивать целый комплекс задач, включая: уточнение модели фигуры МТСС, создание карт рельефа; уточнение параметров собственного возмущенного движения малого тела солнечной системы и траектории его движения, и ряд других научных задач [9-20].
Проектирование системы в нотации IDEF0. Моделирование контекстной диаграммы.
Объектом выступает бортовой комплекс наведения и посадки КЛА. Рассматриваются процессы, происходящие внутри него. Основная задача описание процесса посадки КЛА на поверхность МТСС для создания функциональной модели БКНП [22]. Для достижения этой задачи необходимо описать процедуру навигации КЛА на орбите искусственного спутника МТСС, для детального изучения параметров его движения и создания цифровой модели малого тела. Полученные на этом этапе данные необходимы для уточнения процедуры наведения и посадки КЛА. При корректировке сведений об интересующем МТСС и его детальной съемке широко задействован БКНП, что делает описание этих процедур неотъемлемой частью настоящего исследования. На основе анализа, выполненного в рамках настоящей работы, были определенны вводные данные моделируемого процесса:
1) по управлению:
• Полетное задание;
• Задачи миссии;
2) по входу:
• Траектория КЛА (баллистические данные);
• Траектория исследуемого тела;
3) по механизму:
• БКНП (Бортовой комплекс наведения и посадки);
• ЦУП (центру управления полетами);
3) по выходу:
• Отчет о посадке КЛА.
Рисунок 1 – Контекстная диаграмма процедуры изучения малого тела и посадки КЛА на его поверхность в нотации IDEF0.
Описанные выше вводные параметры на уровне контекстной диаграммы А-0 были представлены в виде следующих граничных связей для функционального блока изучение малого тела солнечной системы (МТСС) и посадка космического летательного аппарата (КЛА) на его поверхность, изображенного на рисунке 1. В соответствии с требованиями методологии IDEF0 была выполнена дальнейшая декомпозиция описываемых процессов, результаты которой представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Диаграмма декомпозиции контекстной диаграммы «Посадка КЛА на поверхность МТСС» в нотации IDEF0.
На диаграмме уровня А0 декомпозиции функционального блока изучение малого тела солнечной системы и посадка космического летательного аппарата на его поверхность обозначены процессы и функциональные блоки выполняемые в рамках процедуры:
· Корректировка сведений об интересующем МТСС, (А1);
· Детальная съемка МТСС, (А2);
· Выбор точки посадки, (А3);
· Расчет параметров маневра посадки КЛА, (А4);
· Автономное наведение и посадка КЛА, (А5).
Задачей является создание функциональной модели бортового комплекса, осуществляющего процедуру автономного наведения и посадки КЛА, на последнем этапе, после схода с траектории ИС МТСС, спуске и посадке на поверхность малого тела. Основная задача БКНП повышение точности и надежности процесса автономной посадки. Руководствуясь приведенными ранее соображениями и ограничениями, была построена диаграмма на которой отображаются процессы и связи между ними.
Первым процессом, определенным на основе анализа предметной области, является Корректировка сведений об интересующем небесном теле, который в процессе функционирования получает в качестве исходных данных траекторию и другие параметры движения МТСС. Эти исходные данные являются первичными и могут быть недостаточно точными для осуществления всех этапов космической миссии. Поиск малых тел солнечной системы, как правило осуществляется на Земле, традиционными методами, например, сравнением фотографических изображений звездного неба. После обнаружения МТСС на фотографических изображениях, с помощью специальных алгоритмов вычисляются параметры траектории движения таких тел. При этом невозможно учесть ряд объективных параметров, искажающих расчетные значения параметров, таких как: влияние атмосферы, возмущающие воздействия от других малых и больших тел солнечной системы, собственное возмущенное движение, например, вращение и т.д. Точности этих параметров, однако, достаточно для того, что сблизить КЛА с изучаемым телом настолько, чтобы стало возможным дальнейшее детальное изучение МТСС. В процессе детального изучения МТСС уточняются параметры движения МТСС, а также впервые определяются такие параметры малого тела солнечной системы, как его размеры, форма, объем, масса, плотность и другие параметры, которые требуется учитывать при наведении и посадке КЛА. Параметры, включая траекторию движения малого тела уточняются бортовыми средствами КЛА, в основном визуальными. При этом необходимо располагать точными данными о положении самого КЛА. Задача точного определения параметров возложена на БКНП, в частности на звездные датчики, фотокамеры, инерциальные датчики и вычислительные средства, которые входят в его состав. В этой ситуации БКНП выступает в роли механизма, проектируемого функционального блока. Процедуры и алгоритмы работы рассматриваемого функционального блока выполняются в соответствии с документами полетного задания, которое выступает в роли управления. Под полетным заданием в работе подразумевается описание алгоритмов и правил выполнения различных этапов и отдельных процедур в рамках миссии. В результат функционирования блока на выходе получаем Уточненную информацию о малом теле. Заметим, что в этом блоке выделено получение и уточнение тех параметров, которые влияют на баллистику маневра посадки КЛА на поверхность изучаемого тела.
Для создания цифровой модели МТСС, а также карт и выбора точки посадки КЛА производится детальная фотосъемка изучаемого малого тела солнечной системы. Соответственно функциональный блок «Выполнение детальной съемки МТСС», работает используя уточненную информацию о небесном теле, полученную из функционального блока А1, а также использую Траектория КЛА (баллистические данные), которые в свою очередь являются граничной связью. В качестве управления функционального блока используется полетное задание, в качестве механизма Бортовой комплекс наведения и посадки (БКНП), а также ЦУП. Под работой центра управления полетами подразумевается работа команды ученых, вовлеченных в миссию. Бортовых вычислительных средств недостаточно, для создания всех необходимых материалов, в том числе цифровой трехмерной модели МТСС, карт и т.д. Именно поэтому эту часть работы целесообразно выполнять при помощи наземных служб.
Следующим функциональным блоком процедуры посадки, является Выбор точки посадки. После создания всех пространственных (топографических) материалов выбирается место посадки, которое отвечает всем требованиям, по ориентации на Землю, освещенности и отсутствию опасных форм рельефа, которые могут быть опасны для КЛА при посадке. Выбор точки посадки, а также резервных точек посадки производится учеными разных специальностей на Земле, поэтому инструментом выступает центру управления полетами (ЦУП), как некое обобщение наземной команды миссии. По результатам этой работы, после того, как выбраны основная и резервные точки посадки, их координаты закладываются с Земли в бортовой комплекс наведения и посадки с целью коррекции полетного задания и передачи материалов. В качестве механизма используются центр управления полетами (ЦУП) совместно с БКНП. Полностью автоматически скорректировать полетное задание используя только БКНП невозможно, поэтому используются все вычислительные мощности на Земле. Остановимся более подробно на этой процедуре. Уточненное полетное задание фактически создается на Земле и закладывается в бортовой комплекс наведения и посадки центром управления полетами. Заметим, что использование ЦУП не противоречит общей концепции заложенной в данной работе. Автономно выполняется наиболее ответственный этап посадки – сход с орбиты искусственного спутника МТСС и посадка в точке с заранее определенными координатами. В свою очередь целью и результатом функционирования блока определение координат посадки, являются пространственные данные – координаты точки посадки КЛА. Координаты точки посадки используются для дальнейшего расчета параметров баллистического маневра посадки космического летательного аппарата или спускаемого аппарата. Таким образом, в модель необходимо ввести функциональный блок Расчет параметров маневра посадки КЛА. Внутри этого блока модели выполняется расчет баллистических параметров для схода с орбиты искусственного спутника малого тела и посадки КЛА, для этого используется скорректированное полетное задание, в частности, координаты точки посадки, полученные из функционального блока А2. Ограниченные возможности бортовых ресурсов требуют использовать в качестве механизма в данном блоке ЦУП. Целью и результатом функционирования данного блока, являются Уточненная траектория КЛА.
Функциональный блок «Наведение и посадка КЛА» описывает процедуру автономного наведения и посадки КЛА. Посадка КЛА выполняется с использованием координат точки посадки, полученных в результате выполнения функционального блока А4, в качестве управления используется скорректированное полетное задание, а в качестве механизма используются БКНП и основные устройства обеспечения наведения и посадки – Оптический пеленгатор и Высотомер.После посадки бортовой комплекс определяет истинное положение и ориентацию аппарата на поверхности исследуемого тела. Полученные данные включатся в отчет о посадке КЛА, который какрезультат функционирования блока и в целом всего процесса передается на Землю для анализа и уточнения задач миссии. Приведем диаграммы процессов, происходящих в функциональных блоках, приведенных выше.
Рисунок 3. Диаграмма декомпозиции функционального блока А1.
На диаграмме А1 Корректировка сведений об интересующем небесном теле. (Рисунок 3) рассмотрена декомпозиция функционального блока А1. Исходя их анализа предметной области и детального уточнения выполняемых задач ИС, были определенны следующие функциональные элементы:
· Определение истинного положения и параметров движения малого тела солнечной системы;
· Дистанционное изучение МТСС (включая определение истинного размера малого тела солнечной системы;
· Формирование сводной информации об истинных параметрах малого тела солнечной системы;
Первым процессом является определение истинного положения и параметров движения малого тела солнечной системы. Данный блок использует параметры траектории движения малого тела солнечной системы, которые известны из наземных наблюдений и заложены в память бортового комплекса наведения и посадки специалистами команды миссии. В качестве управления используется полетное задание, описывающее алгоритм выполнения этих действий, а в качестве механизма ЦУП и БКНП, включая такие устройства, как фотокамеры, звездные датчики, инерциальные датчики и вычислительные средства на борту КЛА. Результатом функционирования является уточненные параметры движения малого тела солнечной системы.
Следующий этап – дистанционное изучение МТСС. В этом функциональном блоке выполняются процедуры по определению свойств МТСС, необходимых для расчета параметров маневра КЛА, для сближения и фотосъемки поверхности, с целью поиска места посадки. Для определения размеров, формы, массы, плотности, собственного возмущенного движения и других важных параметров на входе в блок, используются уточненные параметры движения МТСС, а также данные о траектории КЛА, в качестве управления используется полетное задание, а в качестве механизма Бортовой комплекс наведения и посадки и центру управления полетами (ЦУП), где обрабатываются данные, которые не могут быть обработаны БКНП. На выходе из блока получаем данные результаты изучения МТСС, которые вместе с уточненными параметрами движения МТСС направляются на вход следующего блока – Формирование сводной информации об истинных параметрах МТСС. Управляющим воздействием в данном блоке выступает полетное задание. Многие из процедур и алгоритмов этого функционального блока весьма сложны и требуют использования производительных средств вычисления, которых нет в составе БКНП, поэтому в качестве формального механизма блока используется ЦУП. В результате формируется сводная информация об исследуемом МТСС. Результатом функционирования является уточненная информация об исследуемом малом теле солнечной системы, включая параметры, необходимые для расчета параметров траектории КЛА для дальнейшего детального изучения МТСС. Эта информация является входящей в информационном блоке А2.
Рисунок 4. Диаграмма декомпозиции функционального блока А2. IDEF0.
На диаграмме декомпозиции уровня А2 (Рисунок 4), рассматривается процесс выполнения детальной съемки МТСС. На основании анализа предметной области определенны следующие функциональные блоки:
- Расчет параметров маневра КЛА для выполнения съемки;
-
|
Cn
© 1998 – 2024 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.
