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

Рис. 1. 1. Блок-схема цифровой вычислительной машины

переход к решению другой задачи требует лишь замены про­ граммы и исходных данных, необходимых для ее решения. Эта замена сводится к перемещению определенных массивов данных из внешней памяти в оперативную. В более сложных ЦВМ, когда в оперативной памяти хранится несколько программ, для пере­ хода на решение другой задачи достаточно передать управление новой программе.

Целесообразно выделить две области применения цифровых систем, используемых для решения задач на борту КА:

—обработка получаемых данных;

—управление КА.

Первая область применения характеризуется большим пото­ ком поступающих данных и относительно несложной обработкой. Во втором случае ЦВМ используется в контуре автоматического управления (рис. 1.2).

При помощи ЦВМ могут быть решены следующие основные задачи:

—управление пространственным положением КА;

—управление функционированием аппарата;

—контроль за состоянием экипажа;

—контроль за состоянием и работой систем КА;

—перестройка программы на борту при выходе отдельных элементов из строя;

—предварительная обработка экспериментальных данных (сокращает объем передаваемой в наземные центры инфор­ мации).

Эти задачи Можно разделить на две группы. Решение одной группы задач обеспечивает управление аппаратом, другой— позволяет оптимизировать процесс сбора и обработки различных экспериментальных данных, получаемых в процессе полета.

При создании БЦВМ необходимо учитывать следующие фак­ торы.

1. Возможность ввода в бортовую ЭВМ сигналов различных типов, как аналоговых так и цифровых.

20

Существенное влияние на задачи, решаемые при помощи БЦВМ, и требования, предъявляемые к машине, оказывают прин­ ципы построения системы управления КА.

Вавтономных системах (рис. 1.3) основные задачи управле­ ния: навигация, управление движением, функционированием, оперативный контроль за состоянием аппарата и другие решаются на борту. На Землю периодически передаются резуль­ таты эксперимента и телеметрическая информация, характери­ зующая состояние аппарата. С Земли на борт могут переда­ ваться данные, уточняющие цели исследования или программу полета.

Вполуавтономных системах (рис. 1.4) наблюдается более тесная связь корабля с наземным центром обработки. В этом случае на Земле решаются основные наиболее трудоемкие зада­ чи такие, как определение местоположения аппарата, выработка исходных данных, необходимых для управления пространствен­

ным положением аппарата, решение задач по анализу состояния аппарата в интересах управления и т. д. На бортовые средства в этом случае возлагаются такие частные задачи, как своевре­ менная выдача (на основании исходных данных, полученных с Земли) и распределение по системам команд управления, сжа­ тие телеметрической информации, передаваемой с борта в назем­ ный центр обработки, и т. д.

■к ДУ

12

Перспективы развития бортовых средств управления и обра­ ботки информации определяются следующими четырьмя глав­ ными тенденциями, характеризующими развитие космических аппаратов и расширение области их применения:

— увеличением объема оборудования различного назначения,, устанавливаемого на КА, и объемов экспериментов, проводя­ щихся в процессе полетов;

— увеличением продолжительности активного существова­ ния КА;

23

—увеличением числа членов экипажа обитаемых КА;

—увеличением степени автономности систем управления при ^сохранении, если это возможно, способности управлять аппара­

том с Земли.

Первая тенденция связана с заметными успехами в области

•средств вывода на орбиту значительных масс. Масса первого ИСЗ, запущенного в СССР в 1957 году, была 83,6 кг. Уже в 1965 году масса советского космического аппарата «Протон-1» была 12 200 кг. Естественно, что появившаяся возможность рас­ ширения объемов экспериментов и все более возрастающий инте­ рес к широкому и детальному исследованию космического про­ странства требуют расширения состава оборудования, предназначенного для проведения различных экспериментов. Число задач, решаемых при полете данного КА, увеличивается. Все это приводит к постоянному росту объемов информации, под­ лежащей обработке на бортовых вычислительных средствах

(рис. 1.5).

В связи с увеличением объема программ увеличивается объем памяти и все более возрастают требования к про­

ного существования КА определяется двумя факторами. Прин­ ципиально новые задачи требуют увеличения продолжительности полетов. Так, например, полет межпланетной станции «Пио­ нер-10», запущенной в США 3 марта 1972 года, должен продол­ жаться до Юпитера 21 месяц, а связь со станцией рассчитывают поддерживать 7—7,5 лет, пока она не окажется между орбитами

•Сатурна и Урана. Проектирование орбитальной космической

24

станции предполагает использование ее в течение 10 лет. Второй фактор определяется тем, что увеличение продолжительности эксплуатации ряда спутников существенным образом снижает экономические затраты на решение поставленной задачи. Так, например, в системе метеорологических или связных спутников увеличение продолжительности активного существования КА существенно удешевляет систему.

Увеличение продолжительности существования КА предъяв­ ляет одно из самых важных требований к бортовым машинам — постоянное повышение надежности. Надежность— это преждевсего гарантия сохранения жизни экипажа. Поэтому требования к надежности систем космического аппарата различаются в зави­ симости от степени их влияния на безопасность полета (успеш­ ное возвращение экипажа на Землю). К системам, оказывающим непосредственное влияние на безопасность полета, предъяв­ ляются более высокие требования по надежности, чем к другим системам, отказ которых может сорвать выполнение постав­ ленной задачи, но не повлиять на возвращение экипажа на Землю.

Поэтому при определении требований к надежности борто­ вых систем и их элементов исходят из следующих крите­ риев:

—вероятности успешного выполнения задачи;

—вероятности успешного возвращения экипажа на Землю.

ВСША эти вероятности принимаются соответственно равными 95 и 99,9%. Естественно, что такие высокие требования опреде­ ляют еще более высокие требования к бортовым вычислителям. Необходимо отметить, что в этой области также достигнут существенный прогресс. Так, например, время безотказной рабо­ ты БЦВМ возросло с 1000 ч в 1965 году до 9000 ч в 1970 году.

Однако потребуются еще более значительные усилия в этой

25

области для того, чтобы выполнить требования, предъявляемые к бортовым ЭВМ, для аппаратов, предназначенных для пилоти­ руемых полетов.

Тенденция увеличения числа членов экипажа также сущест­ венно влияет на характеристику БЦВМ. Широкий круг задач, решаемых экипажем космического корабля, потребует большой загрузки вычислителей по обработке данных наблюдения, конт­ роля за окружающей средой, управления сложной системой жиз­ необеспечения и координации деятельности членов экипажа. Заметной тенденцией является увеличение степени автономности космических аппаратов. Автономность систем управления с БЦВМ особенно необходима для межпланетного КА из-за зна­ чительного запаздывания радиосигналов, а также из-за ограни­ ченности периода существования связи. На рис. 1.6 приведен график запаздывания управляющих сигналов при связи между Марсом и Землей для программы исследования с посадкой КА на Марс 15 октября 1975 года. Среднее время запаздывания сиг­ нала для 6-месячной программы исследований составит 15,2 мин. Время же принятия решения в особо сложных ситуациях может составлять гораздо меньшие интервалы времени. Кроме того, управление с Земли аппаратом, находящимся на Марсе, нежела­ тельно из-за ограниченности времени существования радиосвязи. Земля видна с Марса только часть каждых земных суток, а аппа­ ратом, перемещающимся по поверхности Марса, необходимо управлять непрерывно. Связь же в течение 8—12 ч в сутки воз­ можна только для узкой полосы широт в экваториальной части Марса, и продолжительность периода радиосвязи уменьшается с увеличением широты.

Автономность управления является существенным преимуще­ ством и для КА, совершающих полет вблизи Земли, так как сокращается время реакции системы управления на внешние воз­ действия из-за исключения из контура управления Земли, а так­ же обеспечивается возможность своевременно принять соответ­ ствующие меры при аварийных ситуациях и ' отсутствии радиовидимости КА с Земли.

Указанные тенденции определяют жесткие требования, предъ­ являемые к таким характеристикам, как масса оборудования, потребляемая мощность, надежность и продолжительность существования аппарата. Учитывая эти противоречивые требова­ ния, необходимо решать на БЦВМ или с использованием БЦВМ в контуре управления принципиально новые задачи:

минимизации расхода топлива при решении задач коррек­ ции и маневра;

оптимального перераспределения энергоресурсов в процес­ се полета;

учета при управлении в процессе полета изменяющихся статических и динамических характеристик КА;

26

НАВИГАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ПОМОЩИ БЦВМ

Задачи по управлению движением КА могут быть разделены на следующие группы:

—навигации;

—наведения или управления движением КА как материаль­ ной точки;

—управления ориентацией КА.

Перечисленные группы задач требуют для своей реализации применения различных систем координат и уравнений движе­ ния.

В данной главе будут рассмотрены задачи первой группы, а также основные системы координат и уравнения движения, используемые при вычислениях на БЦВМ.

Анализ возможных методов управления предусматривает следующую схему:

—рассмотрение методов управления, которые могут быть решены на БЦВМ;

—определение области их применения в зависимости от усло­ вий полета и задач, стоящих перед КА;

—анализ особенностей задач управления, влияющих на тре­ бования к БЦВМ.

На структуру цифровой вычислительной машины, характери­ стики ее вычислителя и математическое обеспечение существен­ ным образом влияют следующие особенности решения задач:

—класс вычислительных операций;

—методы решения, точности решения;

—ожидаемые объемы исходных данных и программ, реали­ зующих задачи;

—требования к времени решения (задача может решаться заранее или в реальном масштабе времени);

диапазоны изменения вычисляемых величин, особенности масштабирования;

28

— ожидаемое соотношение операций, характерное для дан­ ного класса задач.

Перечисленные особенности могут быть выяснены только при помощи анализа применяемых методов управления движением КА и его функционирования.

2.1. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

При описании уравнений движения КА применяются различ­ ные системы координат. Рассмотрим некоторые из них, исполь­ зуемые при дальнейшем изложении материала.

Началом координат могут быть выбраны центр планеты, центр

Геоцентрическая подвижная система координат

Начало координат в этой системе совпадает с центром Земли (рис. 2. 1), ось OZF— с осью вращения Земли, ось ОХг направ­ лена на точку пересечения гринвичского меридиана с экватором, Ось ОУг перпендикулярна оси ОХг и лежит в плоскости эква­ тора.

Положение космического аппарата в системе координат OXrYrZT определяют расстояние г от центра Земли до КА и два угла: Аг — долгота, угол между плоскостью гринвичского мери­ диана и плоскостью местного меридиана, проходящей через век­ тор положения КА, изменяется от 0 до я рад к востоку и к западу (соответственно восточная и западная долгота); <рг — геоцентри­ ческая широта, угол между вектором положения КА и плоско­ стью экватора (положительное направление отсчитывается на Север).

Рис. 2. 1. Геоцентрическая подвижная система координат

29