книги из ГПНТБ / Шаталов, В. А. Применение ЭВМ в системе управления космическим аппаратом

В.А.Шаталов, С.Н.Селетков, Б.С.Скребушевский

ПРИМЕНЕНИЕ

ЭВМ

ВСИСТЕМЕ

УПРАВЛЕНИЯ

КОСМИЧЕСКИМ

АППАРАТОМ

Под редакцией д-ра техн. наук Г. Г. БЕБЕНИНА

Москва

« М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »

1 9 7 4

П Р Е Д И С Л О В И Е

Развитие ракетной и космической тех­ ники и большие достижения в разработке быстродействующих вычислительных устройств привели к созданию нового типа систем управления космических аппаратов (КА), в состав которых входят электрон­ ные вычислительные машины (ЭВМ).

Задачи управления, решаемые борто­ выми цифровыми вычислительными машинами (БЦВМ), в зависимости от назначения аппарата и программы иссле­ дований могут быть различными, но в об­ щем случае они сводятся к навигации, управлению движением центра масс аппарата, и угловой ориентации с задан­ ной точностью.

Вычислительные операции, связанные с оценкой функционирования КА и систе­ мы его управления, также могут выпол­ няться БЦВМ.

В контуре управления БЦВМ обеспе­ чивает гибкость в смене программы управления и позволяет полностью авто­ матизировать вычислительные операции, реализующие требуемые законы управле­ ния на основе заложенных в память БЦВМ констант и поступающей текущей информации о положении и скорости КА. Бортовая цифровая вычислительная ма­ шина обладает достаточным быстродей­ ствием, памятью и используется также

для адаптации системы к изменяющимся условиям.

В книге последовательно изложены

3

КЛАССИФИКАЦИЯ И ЗАДАЧИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

3) космические аппараты, совершающие полеты к планетам Солнечной системы. Траектории их движения еще более сложны, чем траектории аппаратов предыдущей группы.

Космические аппараты всех трех групп могут быть как пилотируемые, так и беспилотные. Беспилотные космические аппараты, кроме того, классифицируют по целевому назначению. Они могут быть научно-исследовательские, связные, метеороло­ гические, навигационные.

1.1. БЕСПИЛОТНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

Беспилотные космические аппараты применяются в тех слу­ чаях, когда выполнение целевых задач возможно осуществить без участия человека. Обычно это аппараты с длительным сро­ ком существования. Несмотря на различное целевое назначение беспилотных КА, каждый из них имеет отдельные общие систе­ мы, предназначенные для навигации, управления движением

ифункционированием КА в целом, и специальную аппаратуру. Навигационная система предназначена для определения

местоположения КА и прогнозирования движения его центра масс. Система, выполняющая эти функции, должна включать измерительные и вычислительные средства. Эти средства могут располагаться как на борту КА, так и на Земле.

5

Система управления предназначена для управления дви­ жением КА, близкйм к расчетному. Различают систему управления движением КА как материальной точки (движение центра масс) и систему управления угловым движением (система угловой ориентации и стабилизации). Системы управления дви­ жением включают в себя чувствительные элементы, преобразу­ ющие устройства, блоки формирования управляющих сигналов и исполнительные органы, вырабатывающие управляющие воз­ действия.

Кроме перечисленных, на борту беспилотных КА имеются си­ стемы энергоснабжения, терморегулирования и телеметрическая! система.

Система энергоснабжения КА предназначена для снабжения систем аппарата электроэнергией. Она состоит из источника первичной энергии, преобразователя первичной энергии в элек­ трическую и автоматического устройства, формирующего режи­ мы работы системы энергоснабжения в зависимости от условий работы систем КА.

Система терморегулирования осуществляет поддержание внутри КА заданного теплового режима. В состав системы входят чувствительные элементы, измеряющие температуру в контроли­ руемых точках КА, блоки формирования управляющих сигналов на поддержание номинального теплового режима и исполнитель­ ные органы, воздействующие непосредственно на тепловые про­ цессы.

Телеметрическая система предназначена для передачи на Землю информации о результатах измерений, характеризующих состояние систем КА и различных технических устройств или происходящие в них процессы. Телеметрическая система делится на' бортовую и наземную. В состав бортовой системы входят датчики, формирователи сигналов, устройства обработки данных,, шифратор и передатчик.

Для обеспечения выполнения поставленных перед космиче­ ским аппаратом задач в каждую из рассмотренных систем в определенное время должны поступать соответствующие команды. Помимо команд управления пространственным дви­ жением на борту должно быть своевременно выработано боль­ шое число команд, предназначенных для управления функцио­ нированием.

Выработка и коммутация команд управления функциониро­ ванием возлагается на специальное устройство. Такое устройство осуществляет контроль за текущим временем и вырабатывает команды в соответствии с программой полета. Временная диаграмма выработки команд не является постоянной и жесткой. При изменении условий полета отдельные команды или их набо­ ры изменяются. Измененные наборы команд формируются на борту или передаются с Земли.

6

Искусственные спутники Земли

Исследовательские ИСЗ предназначены для проведения гео­ физических исследований околоземного космоса и астрономиче­ ских наблюдений. Целью геофизических исследований является изучение гравитационного и магнитного полей Земли, а также процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы Земли. При исследовании геомагнитного поля изучают, например, суточные магнитные вариации, магнитные бури и связь их с изменением солнечной активности. Наряду с отмеченными задачами большое значение придают изучению физики ионосферы, а именно, опре­ делению концентрации ионизированных частиц, связи ее с про­ цессами на Солнце, исследованию особенностей распространения радиоволн в ионосфере.

Дополнительно к основным системам на исследовательскихИСЗ могут быть установлены датчики научной информации [8]:

—датчик радиации для изучения электромагнитного излу­ чения и регистрации космических частиц;

—датчик инфракрасного излучения для изучения распределе­ ния температуры в ионосфере и на поверхности Земли;

— магнитометры для измерения магнитных полей Земли

иизучения вариаций земного магнетизма;

—детекторы метеорных частиц для регистрации столкнове­ ний ИСЗ с микрометеорными частицами;

■— датчики для исследования верхних слоев атмосферы, измеряющие низкие давления порядка 103—10-2 Па;

—фототелевизионная аппаратура для получения изображе­ ния Земли.

Связные ИСЗ применяются для ретрансляции радиосигналов в диапазоне УКВ. Целесообразность такого применения обу­ словлена возможностью видимости больших районов Земли и длительного времени существования ИСЗ. Радиолинии с кос­ мическими ретрансляторами позволяют осуществлять связь между любыми пунктами Земли, исключая влияние нестабиль­ ности ионосферы. Так, трех спутников, выведенных на геоста­ ционарные орбиты (как бы зависших над поверхностью Земли на высоте около 36 000 км), достаточно, чтобы в зону вещания попало 90 процентов поверхности Земли.

На спутниках связи устанавливается приемо-передающая антенная система с усилительно-преобразующим трактом. Кроме того, устанавливается специальная система для пространствен­ ной ориентации и стабилизации антенн. Примером связных ИСЗ может служить советский ИСЗ типа «Молния», излучающий сиг­

передач программ Центрального телевидения. При помощи одно­ го ИСЗ, выведенного на высокоэллиптическую орбиту (апогей

7

порядка 40 000 км, перигей — порядка 550 км, наклонение орби­ ты 1,025 рад), достигнуто время непрерывной работы около 7—8 ч в режиме ретрансляции с усилением. Мощность бортового передатчика достигает 40 Вт, что обеспечивает уверенный прием сигналов на Земле.

Длительное время проводятся эксперименты по передаче при помощи спутника связи цветного телевизионного изображе­ ния. В 1970 году были организованы передачи цветного телеви­ дения между СССР и Францией. Спутники связи используются также при усовершенствовании линии прямой связи СССР — США. Была достигнута договоренность о проведении технических и организационных мероприятий по вводу в действие и эксплуа­ тации двух спутниковых каналов связи. При этом Советский Союз обеспечивает спутниковый канал через систему «Молния», а Соединенные Штаты Америки через систему «Интелсат».

Метеорологические ИСЗ. Перед службой погоды ставятся все новые задачи. Увеличиваются требования к объему получаемых сведений, их точности. Поэтому при решении задач метеороло­ гии приходится учитывать большое количество факторов, а сле­ довательно, и существенно расширить объем исходной информа­ ции, необходимой для решения данных задач. Эта проблема может быть решена при создании непрерывно функционирующей и охватывающей весь земной шар метеорологической службы. Эта задача затрудняется в связи с тем, что 2/3 земной поверхно­ сти являются водным пространством, на котором размещение метеопостов крайне затруднено.

При помощи метеорологических спутников эта проблема в настоящее время успешно решается, и не только потому, что увеличился объем информации, но и потому, что некоторые ма­ териалы не могут быть получены другими средствами. Так, спут­ ники передают на землю синоптические данные, характеризую­ щие метеообстановку над территорией мировых океанов- и труднодоступных районов. Из космоса удается наблюдать изо­ бражения циклонических вихрей. Советские спутники «Метеор», американские «Тирос» и «Нимбус» позволяют получить опера­ тивную информацию об изменении облачности, на основании чего прогнозируют изменение погоды, перемещение вихрей и ураганов. Если при помощи геосинхронных спутников удается наблюдать общие явления на больших площадях, то для детального изуче­ ния синоптических условий используются низкоорбитальные системы метеорологических спутников.

Регистрация картины распределения облачности осущест­ вляется при помощи телевизионных камер. Например, на амери­ канских ИСЗ «Тирос» установлены две телевизионные камеры —• широкоугольная и узкоугольная, позволяющие получить изобра­ жение облачного покрова в двух масштабах [8]. На спутнике осуществлена одноосная ориентация (спутник вращается вокруг оси, параллельно которой ориентированы оптические оси телеви-

8

зионных камер, направленных на Землю). Для получения изобра­ жения облачного покрова Земли в ночное время на спутниках устанавливаются датчики, работающие в ИК-диапазоне.

Навигационные ИСЗ служат для обеспечения навигации кораблей и самолетов. Так, глобальная навигационная система с использованием ИСЗ позволит определить местоположение самолета и корабля в любых метеорологических условиях в любой точке земного шара. Погрешность определения коорди­ нат при использовании на самолете или корабле простейшего оборудования составляет ±900 м, а при обработке данных наблюдения за ИСЗ погрешность сокращается до ±180 м [8].

Координаты объекта, имеющего аппаратуру для связи с нави­ гационным ИСЗ, определяют измерением доплеровского сдвига частоты бортового передатчика ИСЗ во время прохождения его

взоне видимости объекта.

Всостав бортовой аппаратуры навигационных ИСЗ, кроме основных систем, входят передатчики, излучаюшие когерентные колебания, и бортовое запоминающее устройство.

Автоматические станции лунной программы

Автоматические станции лунной программы предназначены для изучения Луны и окололунного пространства.

Изучение Луны и окололунного пространства предусматри­ вает выполнение следующих исследований [4]:

—изучение гравитационного и магнитного полей Луны;

—изучение части лунной поверхности, недоступной для на­ блюдения с Земли;

—изучение деталей лунной поверхности;

—исследование излучения Луны в тех участках спектра, которые недоступны при наблюдении с Земли из-за поглощения земной атмосферой.

Возможны следующие баллистические траектории, на которых выполняются исследования Луны:

—пролет около Луны;

—облет Луны;

—жесткая посадка с частичным гашением скорости аппа­ рата у поверхности;

—мягкая посадка с гашением скорости до нуля у поверхно­ сти Луны;

—выход на селеноцентрическую орбиту;

—облет Луны с возвращением на Землю;

—посадка на Луну и возвращение на Землю.

Первые полеты советских автоматических станций к Луне начались в 1959 году, когда 2 января была запущена станция «Луна-1», которая прошла вблизи Луны на расстоянии 5000— 6000 км.

9