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

ных слова и на ~ 1 % превышает необходимый объем памяти. Для достижения высокой надежности на станции установлены две БЦВМ, одна из которых находится в горячем резерве и осу­ ществляет периодически самопроверку.

Обработка информации от датчиков угловой скорости и фор­ мирование законов управления силовыми гироскопами (быстрые вычисления) осуществляется 5 раз в секунду. Навигационные вычисления (медленные вычисления) осуществляются 1 раз в 1 с. Программа самопроверки требует ~4000 слов и работает каждую секунду в течение 60 мксек.

8.3. БЦВМ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ «АПОЛЛОН»

Одним из важных классов космических аппаратов являются обитаемые космические корабли, предназначенные для изучения

иосвоения Луны.

Всостав бортового комплекса командного модуля КК «Аполлон» входят:

— блок инерциальных измерений;

—бортовой вычислитель с индикатором и пультом управ­

ления;

—оптические средства;

—средства управления;

—двигатели ориентации;

—индикатор углового положения.

Лунный модуль содержит ряд аналогичных устройств. Борто­ вой вычислитель командного модуля (КМ) и лунного модуля (ЛМ) является основным элементом управляющего комплекса

ивыполняет следующие задачи:

—навигацию и наведение на всех этапах полета;

—рациональное управление угловым положением;

—вырабатывает сигналы для синхронизации работы различ­ ных систем;

—осуществляет информационный обмен с космонавтами через клавишный пульт и световые указатели;

—осуществляет связь с наземными станциями слежения по каналам цифровой информации.

Рис. 3. 2. Схема модульной конструкции БЦВМ для ИСЗ:

1 — процессоры ; 2 — блоки З У ; 3 — устройства ввода — выдачи

191

Орбитальная станция

Д а т ч и к и у г л о ­ вых ск о р о сте й

Да т ч и к си ст е м ы

об н а р у ж ен и я Солнца

С р е д ст в а к о н т — роля и и н в и ка —

ния бортового вычислителя в бортовой комплекс соответственно КМ и ЛМ КК «Аполлон» [1,4].

БЦВМ КК «Аполлон» обладают большими вычислительными возможностями при малых габаритах и массе. Отличительной особенностью БЦВМ является возможность решения ряда раз­ личных задач в реальном масштабе времени в одном централь­ ном процессоре на приоритетной основе. Другой особенностью является большое количество сигналов, поступающих на борто­ вой вычислитель от различных схем КК. ЦВМ «Аполлон» состоит из трех основных узлов.

Центральный узел включает в себя арифметическое устрой­ ство, дешифратор команд, дешифратор адресов запоминающего устройства и несколько регистров с фиксированными адресами специального назначения.

Второй узел — устройство управления, обеспечивающее опре­ деленную последовательность выполнения программ и блок прерывания и запроса. Генератор устройства управления выра-

192

л]

Рис. 8. 4. Функциональные схемы включения бортовых вычислителей в бортовой комплекс КМ и ЛМ космического корабля «Аполлон»:

а — связь бортового вычислителя с элементами КМ; б —- связь бортового вы­ числителя с элем ентами ЛМ

193

батывает тактовые импульсы обращения к памяти, серии управ­ ляющих импульсов, реализующих выполнение команд в машине, и включает в себя приоритетную схему прерывания.

Третий узел — запоминающее устройство, включающее посто­ янную память (только для считывания данных) емкостью 36864 слов и оперативную память емкостью 2048 слов.

Постоянная память выполнена в виде системы из переплетен­ ных проводников и сердечников и в состоянии закодировать 5-105 единиц информации. Время цикла ~12 мкс. Оперативная память выполнена на ферритовых сердечниках и имеет цикл так­ же ~12 мкс. Различие между двумя типами памяти состоит в том, что содержание постоянной памяти не могут изменить про­ граммные операции. Каждый код, хранимый в памяти, состоит из 16 двоичных разрядов (15 для записи информации и 1— до­ бавочный контрольный). Числа хранятся в виде слов, записанных в дополнительном коде и состоящих из 14 цифровых и одного знакового разряда. Команды состоят из трехразрядных кодов операций и 12-разрядных кодов адреса.

Часть вычислителя лунного модуля, используемая в контуре управления, называется цифровым автопилотом. Он занимает около 11% памяти вычислителя. Цикличность работы цифрового автопилота составляет 10 циклов/с. Цифровой автопилот наряду с формированием логики управления ориентацией обрабатывает получаемую с гироплатформы информацию, осуществляет ее пре­ образование к осям КК и вычисляет угловые скорости дифферен­ цированием угловых отклонений по осям КК. Автопилот уточ­ няет информацию, получаемую с гироплатформы. Текущее состояние параметров движения оценивается с учетом экстра­ поляции прошлого состояния, поворота двигателя посадки и включения сопел системы ориентации.

Кроме того, автопилот позволяет корректировать коэффици­ енты усиления контура стабилизации. Ускорения, измеренные инерциальным блоком, используются для оценки уменьшения массы КК за счет расхода топлива.

с системами КК. Этот обмен занимает значительную часть вре­ мени работы машины. Природа информации, передаваемой от систем к машине и от машины к системам, различна, большая часть поступающей в ЦВМ информации представлена в инкре­ ментном виде (информация в приращениях). Поступающая информация преобразуется в инкрементную форму в аналогоцифровых блоках связи корабля, куда поступают сигналы с элек­ трических датчиков угла.

При передаче сигналов из ЦВМ на элементы корабля также часто используется инкрементная передача управляющей инфор-

194

Т а б л и ц а 8. 1

мации. Объем связи БЦВМ «Аполлон» с другими системами при­ веден в табл. 8. 2.

Т а б л и ц а 8. 2

и отладке программ. В процессе этой работы были рассмотрены свыше 750 изменений программы.

В программах предусмотрены ситуации, возникающие при ошибочных сигналах с пульта управления, которые могут воз­ никнуть при перепутывании клавиш. В этом случае на пульте появляется сигнал «ошибка оператора», указывающий космонав­

заставляет вычислитель повторить вычисления. Соответствующий сеанс заставляет программу вернуться на несколько шагов назад

к точке, где результат вычислений был введен в память. Затем

сэтой точки начинаются новые вычисления. Космонавт узнает о случившемся по световым сигналам.

На борту ЛМ помимо основного вычислителя установлен дополнительный вычислитель аварийной системы управления. Он представляет собой универсальный вычислитель, выполненный

195

Рис. 8. 5. Схема траектории полета автоматической станции «Маринер'9» к Марсу

на ферритовых сердечниках, имеющий запоминающее устройство объемом 4096 18-разрядных слов. Память делится поровну на постоянную и переменную. Скорость выполнения операции сло­ жения 10 мкс, умножения—70 мкс. Вычислитель снабжен бло­ ком ввода данных и индикации. Основной задачей дополнитель­ ного вычислителя является решение задач навигации и управле­ ния в аварийных ситуациях в любой момент после отделения ЛМ от КМ до спуска на поверхность Луны. В течение всего участка снижения, во время нахождения ЛМ на поверхности Луны и при взлете с нее вычислитель осуществляет непрерывный расчет тра­ ектории полета для встречи с КМ, если откажет основная система. Полет КК «Apollo-13» показал, что вычислитель аварий­ ной системы может быть использован как резервный для управ­ ления движением КК на любой фазе полета вне пределов атмо­ сферы Земли.

8.4. МЕЖПЛАНЕТНЫЕ ПОЛЕТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Межпланетные полеты КА характеризуются сложностью усло­ вий функционирования систем аппарата и большой продолжи­ тельностью полета и последующего активного существования КА. Пример межпланетной траектории полета КА приведен на рис. 8. 5, где дана типичная трасса движения аппарата «Маринер», запущенного к Марсу в мае 1971 года.

Космические аппараты, предназначенные для межпланетных полетов, должны быть автономными и надежными в высшей сте­ пени. Вместе с тем функционирование КА должно предусматри­ вать управление по командам с Земли. Высокая автономность системы управления КА возможна только при наличии ключевого элемента системы управления — бортовой ЦВМ. Задачи, решае­ мые ЦВМ в межпланетных полетах, рассмотрим на характерных примерах.

196

При межпланетных полетах в общем случае возможно управ­ ление при помощи ЦВМ на участках:

— полета в сторону планеты назначения;

—при движении аппарата по планетоцентрической орбите;

—при выполнении мягкой посадки аппарата на поверхность

планеты и ее исследовании.

БЦВМ КА «Маринер-6», «Маринер-7»

Командные функции на борту космических аппаратов вы­ полняются центральной вычислительной машиной и программно­ временным устройством. Вычислительная машина программи­ руется набором слов и инструкций. Программа полета заклады­ вается в память машины с объемом 128 слов еще до запуска космического аппарата. Однако вся бортовая подсистема может быть полностью переграммирована в полете по радиокоманде [3].

Центральная вычислительная машина и программный меха­ низм рассчитывают, согласовывают во времени и определяют последовательность действий бортовых систем космического аппарата. Выполнение указанных действий осуществляется на основных этапах движения: при запуске, в пассивном полете, при выполнении маневров и в период сближения с планетой. Напри­ мер, при коррекции на среднем участке траектории выходные сигналы вычислительной машины и программного устройства сравнивают между собой и если есть расхождение, коррекцию' прекращают. При этом восстанавливают логику движения на среднем участке траектории. Причину нарушения выясняют по телеметрическим данным, после чего '-вновь предпринимают попытку скорректировать траекторию при помощи исправно работающего устройства.

Основными частями вычислительной машины и программногомеханизма являются датчик времени, дешифратор входных сиг­ налов, матрица памяти и группа регистров для временного хра­ нения информации. Программа для вычислительной машины состоит из 16 инструкций, по которым производится запись, и извлечение данных из основного и вспомогательного запомина­ ющих устройств. Вся информация хранится в памяти в форме 22 слов двоичного разряда. Код слов указывает тип инструкции, адрес ячейки памяти и время событий. Можно запрограммиро­ вать события, которые имеют степень дискретности 1 ч, 1 мин, 1 с.

Программный механизм имеет датчик времени, аналогичный датчику в вычислительной машине, и собственный дешифраторвходных сигналов. При помощи дешифратора получают команды с Земли и подают их на регистры магнитной памяти.

При непредусмотренных ситуациях, а также если необходимо выполнить более сложную по сравнению с рассчитанной после­

197

довательность, центральная вычислительная машина и программ­ ный механизм могут быть перепрограммированы по команде -с Земли.

БЦВМ аппарата, предназначенного для исследования поверхности планет

Для изучения поверхностей планет большое значение приоб­ ретают автоматические аппараты, передвигающиеся по их поверх­ ности и способные проводить научные исследования. В качестве примера таких аппаратов рассмотрим автономный аппарат, пред­ назначенный для изучения Марса [4]. Аппарат должен функцио­ нировать относительно длительное время независимо от Земли, для чего необходима автономность и высокая надежность, воз­ можность анализа окружающей обстановки и управление иссле­ дованиями в соответствии с ее изменениями.

Важнейшим элементом системы управления автономного ■аппарата будет являться бортовая ЦВМ, которая должна выпол­ нять следующие функции:

—обрабатывать и приводить к стандартному виду показа­ ния датчиков:

—осуществлять навигацию, проводить расчеты по управле­ нию движением и наведению специальных датчиков (например, антенн, солнечных и звездных датчиков и т. п.);

—оценивать местность, определять курс и вырабатывать со­ ответствующие команды управления;

,— оценивать состояние аппарата и принимать решения по использованию энергетических ресурсов;

—формировать логику последовательности операций систе­ мы управления движением и синхронизацию действий различных

•систем аппарата.

Следует особо отметить, что обнаружение неисправностей и восстановление работоспособности аппарата в условиях дли­ тельного функционирования являются очень важными задачами. При неисправности какого-либо узла необходимо, чтобы ЦВМ ■обнаружила неисправность и подключила бы дублирующий узел или перевела бы аппарат на работу во вспомогательном режиме. Аварийные режимы должны учитывать всевозможные неисправ­

автономно вырабатывать команды управления. В последнем слу­ чае необходимо перейти на управление с Земли. Функциональная

контура. Основным элементом ЦВМ является главная програм­ мирующая система (ГПС), при помощи которой все функцио­ нальные блоки связаны между собой. ГПС ответственна за

i 9 8