40

Введение.

Эволюция земной цивилизации привела в текущем столетии к качест­вен­ному изменению её энергетического и информационного потенциала. Соз­даются и эксплуатируются сложные энергетическиесистемы, мощные произ­водственные комплексы, большие транспортные и коммуникационные сети, тре­бующие беспрецедентных в истории ресурсных затрат. Космическая деятель­ность, наряду с интеллектуализациейобщества на основе широкого примене­ния ЭВМ и развитием энергетики на базе новых ис­точников, выступает в ка­честве флагмана научно-технического прогресса. Развиваясь в трёх взаимосвя­занных направлениях исследование, освоение и использование космоса, - она расширяетсоциальную сферу, открывает новые возможности познания и исполь­зования происходящих на Земле локальных и глобальных процессов.

Многолетний опыт космической деятельности, по существу, является практи­кой исследования и создания сложных управляемых систем.Косми­ческие техногенные системы представлены первым искусственным спутником земли, космическими кораблями с человеком на борту,долго­вре­менными орбитальными станциями, космической многоразовой транспортной системой, аппаратами для полётов к Луне и планетамСолнечной системы, астрофизическими космическими лабораториями, спутниковыми системами на­блюдения Земли из космоса, спутниковыми телекоммуникационными системами, спутниковыми системами координатно-временного обеспечения. Искусственные спутники земли (ИСЗ) позволяют за короткое время производить обзор всей по­верхности Земного шара и осуществлять регулярные наблюдения в интере­сах природопользования, экологии, метеорологии. С использованием ИСЗ:

• соз­даются глобальные системы для приёма сигналов от терпящих бедствие;

• кос­мические системы ра­дио и телевидения;

• организуется получение различного рода информации от объектов, расположенных во всех земных средах;

• осуще­ствляется навига­ция морских и воздушных судов, наземного транспорта.

В обозримом будущем предполагается применять космиче­ские системы и для решения энергетических проблем на Земле. Речь идёт о солнеч­ных космических электростанциях, космических сетях передачи энергии,косми­ческих системах прямой подсветки приполярных районов Земли и освещения го­ро­дов в ночное бремя. На ИСЗ можно сосредоточитьгелиоэнергетику; воз­можно, значительную часть ядерных и термоядерных установок с лучистым охлаждением энергетических холодильников, что даст возможность избе­жать перегрева Земли. Одна из особенностей космических техногенных систем состоит в том, что для решения целевых задач в них используются новейшиедостиже­ния науки и техники. Существует и такая передовая область, как квантовая элек­троника, в которой квантовые генераторы (в зависимости от длинныволны, мощности и расходимости излучения), могут быть использованы в измери­тельных системах. Для космических исследований, длядистанционного зондирования Земли, управления космическими аппаратами, в оптических линиях связи. Способность лазеров генерировать когерентное оптическое излучение позволяет значительно повысить информативность и помехозащищённость каналов связи, концентрировать и транспортироватьмощное излучение в узком пучке, мгновенно выполнять сложнейшие математиче­ские операции в устройствах обработки информации, иметь небольшие габаритные размеры технических средств. Вместе с тем,кос­мическое окружение предъявляет специфические требования к техно­генным системам, в том числе лазерным.

Целевую задачу космической техногенной системы можно дифференцировать, в общем случае, на две составляющие: получение ин­формации, энергии, материалов и доставка их к цели. Для транспортировки энергии (информации) к потребителю космиче­скиесис­темы должны осуществлять совокупность функций:

- управление движением космического аппарата (КА) на траектории полёта;

- ориентацию и стабилизацию углового движения КА;

• формирование угла расходимости излучения;

• наведение и удержание излучения на цели.

Проблемы космических техногенных систем усложняются примени­тельно к лазерным системам, в которых необходимо обеспечить высокую точ­ность на­ведения луча ()в заданном направлении и высокую стабиль­ность удержания узкого пучка лазерного излучения. Косновным ограниче­ниям вне­дрения лазерных систем в практику космической деятельности, кроме про­блемы управления лазерным лучом, следует отнести:

- влияние атмосферы на прохождение лазерного луча на трассах «Земля

Космос - Земля», а также верхней атмосферы на межспутниковых трассах;

- несовершенство технологий производства компонент лазерных систем (элементы квантовых генераторов, фокусирующие зеркала, модуляторы) и компонент космической техники, обеспечивающих эксплуатацию лазерных систем на орбите.

Таким образом, проектирование космических информационных и энерге­тиче­ских систем с лазерной техникой на борту далеко нетривиальная задача. Структура систем, стратегия управления ими, их эффективность резко зави­сят от целой совокупности внутренних и внешних по отношению к этим сис­те­мам факторов. Их влияние должно быть полно и корректно учтено на этапе проектирования систем, что приводит к необходимости использования сис­темного подхода,математических методов и моделей для описания, анализа конструкторских разработок, т.е. математического моделирования и вычисли­тельногоэксперимента. Математическое моделирование, таким образом, стано­вится необходимым технологическим элементом проектирования, что даёт основание ставить его в один ряд с другими технологиями и трактовать в данном контексте как информационную технологию. Эта технологиявклю­чает в себя формулировку математической модели, сбор необходимой информа­ции, верификацию и коррекцию модели по результатамверифи­кации и, наконец, эксплуатацию модели, т.е. выполнение акций про­гноза функционирования системы с использованием результатов этого прогноза для проектирования системы (и управления ею).

Практика свидетельствует, что любая математическая модель адекватна ре­альности лишь в некоторых пределах. В случае уточнения, модель стано­вится сложнее, содержит больше величин и соотношений между ними.

В то же время обогащение модели часто не удаётся сопроводить эквива­лентным улучшением результатов и существует естественная граница слож­ности любой модели. Рациональный уровень сложности математической мо­дели зависит от возможности практически реализовать адекватный прогноз развития процесса за минимальное время с разумными затра­тами труда и ресурсов. Поэтому этот уровень сложности и определяется главным образом степенью развития информацион­ной технологии методов и средств сбора, хранения, передачи и обработкиинфор­мации. Новые информационные технологии включают вычислительные экспери­менты с математическими моделями в поток эмпирического опыта че­ловека, ре­зультаты исследования математических моделей укрепляютего знания. По мере всё более подробной детализации процесса имитации, ком­плекс имитаци­онного моделирования превращается из аппарата системного анализа в сред­ство проектирования, испытания и отладки проектируемой системы. Эта тех­нология, таким образом, предоставляет возможность для пе­ренесения испыта­ний на более ранние сроки проектирования хорошо из­вестно, что ошибки при проектировании тем дороже, чем на более ранней стадии проектирования они совершены. Технология имитационного модели­рования сложных систем по­зволяет совершать минимум таких ошибок.При построении имитационной модели космической системы необходимо учитывать, что космический аппарат представляет собойинтегрированную систему, а не комбинацию отдельно создан­ных, независимых друг от друга устройств. Данное обстоятельство явля­ется решающим при определении структуры программы имита­ционногомоделирования, содержания её блоков, характеристик составляющих её моде­лей. В конечном счёте, оно выявляет комплекс задач, требующихрешения и необходимых для формирования замкнутой имитационной модели космической ла­зерной системы. Исследованию и проектированию лазерных информационных и энергетических орбитальных систем посвящены многие книги. Разработанные методики, алгоритмы и программы используются для анализа и формирования технических требований к проектируемымсистемам, обоснования областей рационального применения космических аппаратов разных типов, оценки ка­чества принимаемых техническихрешений, синтеза алгоритмов управления аппаратами, а также детального наблюдения за поведением системы с цель выявления существенных факторов и особенностей присущих системе в це­лом.Целью данной работы является разработка грубого контура системы ав­томати­ческого управления радиолокационной станции, удовле­тво­ряющей заданным показателям качества показателям качества.

Глава 1. Описание системы автоматического управления антенной.

1.1 Режимы работы системы управления антенной.

Работа лазерной системы космической связи требует от систем наведе­ния антенн (СНА) обеспечения устойчивой работы в нескольких разных режи­мах. Система космической связи включает в себя^:

• единый наземный пункт (НП) приёма и обработки информации;

• несколько высокоорбитальных спутников-ретрансляторов (СР), находя­щихся на стационарных орбитах;

• спутники-абоненты (СА).

Вариантов работы такой системы много, особенно если учесть, что спутни­ков ретрансляторов может быть большое количество. Конкретный вариант работы выбирается в зависимости от места нахождения в данный момент спутника-абонента.В наиболее сложные технические условия поставлена СНА на линии связи СА-СР, т.к. на этой линии связи СНА помимо случайных колебаний спутников относительно их центров масс должна отслеживать взаимноеперемещение искус­ственных спутников Земли в пространстве, вызванное их движением по своим ор­битам. Поэтому СНА рассматривается именно в этих условиях работы Работусистемы наведения антенн можно разбить на следующие основные этапы.

1. Режим начальной выставки.

Этот режим необходим для установления начального углового положения антенн передатчиков и приёмников, расположенных на искусственных спутниках Земли перед началом сеанса связи, т.е. является этапом предварительной ориента­ции антенн двух спутников. Начальные углы установки антенн и(угол азимута и угол места) могут бытьрассчитаны заранее с большой степенью точности при условии, что оба спутника находятся на уже установившихся орбитах и известен момент начала сеанса связи.

Расчёт параметров и, может быть произведён как на НП спомощью вычислительной техники, так и на самих спутниках с помощью борто­вой вычислительной машины. Однако для одновременного исполнения начальных условий необходимо иметь на СА и СР единую систему времени, что возможно только путём периодической синхронизации этой системы по радиоканалу с Земли. Поэтому целесообразнее рассчитывать эти параметры на Земле, а затем посылать по радиоканалу на искусственный спутник для исполнения.Работа СНА после осуществления начальной выставки будет опреде­ляться соотношением между и диаграммой направленности приёмо-передающей лазерной антенны .

Если будет больше , СНА оказывается сразу замкнутой полазерному лучу. Для существующих в настоящее время систем может дости­гать нескольких угловых минут. Условию могут удовлетворять только диаграммынаправленности импульсных излучателей.

1.1.2 Режим импульсного захвата.

При установке на борту искусственного спутника Земли «импульсных маяков» и приёмников можно сразу после режима «начальной Выставки» наве­дения перейти в режим импульсного «захвата».

В этом режиме СНА является замкнутой по лазерному лучу, и он мо­жет рассматриваться как переходный режим в импульсной системе наведе­ния.

Начальное значение определяется погрешностью. Конечноезначение переходного процесса в режиме импульсного «захвата» должно быть меньше диаграммы направленности непрерывного лазерного излучателя, т.е.где- диаграмма направленности непрерывного излучателя.

Это условие должно выполняться в течение некоторого времени для перехода системы в режим автосопровождения. Работа «импульсного маяка» требует значительного потребления энер­гии, т.к. для осуществления обратной связи по лазерному лучу необходимо иметь диаграмму направленности излучателя в 30 угловых минут. Только та­кое значение позволит перекрыть максимальное значение ошибки режима начальной выставки.

В том случае, если на борту искусственного спутника Земли нет «импульсного маяка» или в случае выработки его временного ресурса работы, необходимо после режима начальной выставки некоторым программным пу­тем осуществлять решение задачи взаимного поиска.