close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка моделей и бортовых алгоритмов автономного формирования программ управления угловым движением космических аппаратов при специальных видах съёмки земной поверхности

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Юрин Виталий Евгеньевич
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И БОРТОВЫХ АЛГОРИТМОВ
АВТОНОМНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММ УПРАВЛЕНИЯ
УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
ПРИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДАХ СЪЁМКИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
05.07.09 – Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Самара – 2017
Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном
учреждении высшего образования «Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С. П. Королёва» на кафедре дифференциальных
уравнений и теории управления.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Горелов Юрий Николаевич
Официальные оппоненты:
Аверкиев Николай Фёдорович, доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры навигационно-баллистического обеспечения применения
космических средств и теории полёта летательных аппаратов
федерального государственного казенного военного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Военно-космическая академия имени
А. Ф. Можайского» Министерства обороны Российской Федерации;
Кузнецов Павел Константинович, доктор технических наук, профессор,
директор НИИ проблем надежности механических систем
ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет».
Ведущая организация:
Государственный научный центр Российской Федерации
Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский
институт "Электроприбор" (АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»),
г. Санкт-Петербург.
Защита состоится 31 марта 2017 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета
автономного
Д212.215.04
на
базе
федерального
государственного
образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный
исследовательский университет имени академика С. П. Королёва» (Самарский
университет) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Самарского
университета: http://ssau.ru/resources/dis_protection/yurin/.
Автореферат разослан «__» января 2017 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д 212.215.04,
кандидат технических наук, доцент
А. Г. Прохоров
2
Общая характеристика работы
Исследование посвящено разработке моделей и бортовых алгоритмов
формирования программ управления угловым движением (ПУУД) космических
аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Актуальность работы. Программы управления задают требуемое для
решения задач управления кинематическое состояние КА, в частности, они
обеспечивают наведение связанной с КА аппаратуры зондирования на заданные
объекты земной поверхности и их съёмку в виде маршрутов – сканируемых
сектором захвата аппаратуры оптико-электронного наблюдения (ОЭН) полос.
Форма объектов, определяемые потребителями задачи и условия зондирования
требуют использования специальных видов одномаршрутной и многомаршрутной
съёмки земной поверхности (рис. 1), причём многомаршрутная съёмка (съёмка
площадок, стереосъёмка, многократная съёмка маршрутов) обеспечивается
последовательной съёмкой на одном витке заданного набора маршрутов.
Рисунок 1
С появлением и развитием космических систем ОЭН существенно возросли
требования по точности управления при реализации новых видов съёмки земной
поверхности. Это связано с необходимостью более точной компенсации сдвигов
изображения пространственными поворотами КА при уменьшении размеров
чувствительных элементов аппаратуры ОЭН, которые основаны на «приборах с
зарядовой связью» и функционируют в режиме временной задержки и
накопления.
Синтез интегральных (непрерывных) ПУУД высокопроизводительных КА,
таких, как первый в России КА высокодетального ОЭН народнохозяйственного
назначения «Ресурс-ДК1» и новейшие КА «Ресурс-П», проводится в соответствии
с программно-координатным методом автономно в бортовом комплексе
управления (БКУ). Основными показателями эффективности решения задач
зондирования (целевой эффективности КА ДЗЗ) являются производительность КА
и измерительные характеристики получаемой информации. Они напрямую зависят
3
от точности выполнения условий сканирования и продуктивности использования
ресурсов управления и вычислительных ресурсов БКУ. Ресурсы управления
определяются динамическими характеристиками системы управления движением
в виде ограничений на предельные значения кинематических характеристик
углового движения КА, которые должны учитываться в БКУ при формировании и
реализации программ управления.
Актуальность темы исследования обусловлена практической необходимостью разработки программно-методических средств автономного формирования непрерывных программ управления на интервалах планирования с учётом
ресурсов КА для повышения его производительности, автономности и обеспечения заданного уровня измерительных характеристик получаемой информации.
Разработанные для КА ДЗЗ предыдущих поколений модели и алгоритмы
формирования ПУУД КА не обеспечивали требуемый уровень производительности и точности управления при реализации новых видов съёмки аппаратами
«Ресурс-П». В сравнении с КА «Ресурс-ДК1» разработанные модели и алгоритмы
обеспечивают, во-первых, снижение методической погрешности вычисления
кинематических характеристик углового движения КА при съёмке маршрутов и
улучшение измерительных характеристик получаемой информации зондирования;
во-вторых, существенное снижение затрат ресурсов управления при
перенацеливании КА между маршрутами съёмки и соответствующее увеличение
его производительности; в-третьих, эффективную реализацию многомаршрутной
съёмки объектов зондирования с заданными геометрическими характеристиками.
Объектом исследования является управление угловым движением КА ДЗЗ.
Предмет исследования – модели и бортовые алгоритмы автономного
формирования программ управления угловым движением КА ДЗЗ.
Степень разработанности темы. Исследованию управления угловым
движением КА ДЗЗ с точки зрения проектного обоснования их основных
показателей и управления аппаратурой зондирования посвящены работы
Г. П. Аншакова,
А. В. Соллогуба,
А. А. Лебедева,
О. П. Нестеренко,
Ф. Р. Ханцеверова, В. В. Остроухова, В. В. Малышева, М. Н. Красильщикова,
М. С. Бородина,
А. И. Мантурова,
Ю. Н. Горелова,
А. С. Батракова,
Г. М. Полищука, Ю. С. Мануйлова, А. С. Галкиной и других авторов. Эти
исследования проводились в АО «Ракетно-космический центр «Прогресс», ФГУП
«НПО им. С. А. Лавочкина», ФГУП «Государственный космический научнопроизводственный центр им. М. В. Хруничева», ОАО «Ракетно-космическая
корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва», Военно-космической академии
им. А. Ф. Можайского, ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт
машиностроения», Московском авиационном институте (национальном
исследовательском университете), АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»,
Самарском национальном исследовательском университете имени академика
С. П. Королёва и других организациях. Тем не менее, часть вопросов, касающихся
разработки моделей и бортовых алгоритмов формирования ПУУД КА, а также
вариантов повышения целевой эффективности КА ДЗЗ с учётом требований по
реализации специальных видов съёмки требует дополнительной проработки.
4
Целью исследования является повышение основных показателей целевой
эффективности КА ДЗЗ посредством разработки моделей, методик и реализующих
их алгоритмов автономного формирования в БКУ непрерывных ПУУД КА.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
1. Построение математических моделей управления сканированием
маршрута и переориентацией КА ДЗЗ при перенацеливании аппаратуры
зондирования.
2. Разработка бортовых алгоритмов формирования гладких ПУУД КА на
участках сканирования маршрутов съёмки и участках переориентации КА.
3. Построение модели многомаршрутной съёмки районов зондирования.
4. Разработка
алгоритма
автономного
формирования
программ
многомаршрутной съёмки.
5. Разработка методики и построение модели формирования программ
управления на интервалах планирования.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Построена модель управления сканированием маршрута, которая обеспечивает согласование законов сканирования с кинематическими характеристиками
углового движения КА ДЗЗ при реализации специальных видов съёмки.
2. Предложен новый способ решения двухточечной граничной задачи
переориентации КА при перенацеливании аппаратуры зондирования с учётом
ограничений на переменные состояния (фазовые координаты, в том числе,
угловые ускорения).
3. С использованием элементов теории оптимальных покрытий дана новая
постановка задачи многомаршрутной съёмки, в рамках которой разработаны
модели специальных видов многомаршрутной съёмки и методика решения таких
задач в БКУ.
4. Построена модель автономного формирования непрерывных программ
управления угловым движением КА ДЗЗ, обеспечивающая на интервалах
планирования автономную реализацию планов зондирования, которые включают в
себя объекты специальных видов одномаршрутной и многомаршрутной съёмки.
Теоретическая значимость работы определяется тем, что на основе
существующего комплекса моделей и методов управления КА ДЗЗ и выявленных
факторов, снижающих эффективность решения целевых задач, проведена
систематизация и модернизация имеющихся частных моделей, построены новые
модели, а именно: единая модель управления сканированием маршрута съёмки и
общая модель формирования ПУУД КА ДЗЗ при специальных видах съёмки
земной поверхности; обоснованы методики и разработаны реализующие их
алгоритмы формирования интегральных ПУУД КА на интервалах планирования с
учётом ограничений БКУ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1) построенные модели, разработанные алгоритмы и соответствующее
программное обеспечение используются при баллистическом обосновании
разрабатываемых АО «РКЦ «Прогресс» КА ДЗЗ, а также при моделировании
процессов управления КА ДЗЗ типа «Ресурс-П» на всех этапах разработки
5
(техническое и эскизное проектирование, разработка рабочей документации,
лётные испытания и штатная эксплуатация);
2) реализация разработанных моделей и бортовых алгоритмов в БКУ КА
«Ресурс-П» позволила существенно повысить показатели его целевой
эффективности по сравнению с КА «Ресурс-ДК1» за счёт более полного
использования ресурсов управления и вычислительных ресурсов;
3) разработанные модели, алгоритмы и соответствующее программное
обеспечение могут использоваться в наземном комплексе целевого планирования
при формировании планов зондирования для перспективных КА ДЗЗ.
Методология и методы исследования. При проведении исследования
использованы общенаучные методы (классификация, анализ, синтез), методы
теории полёта, методы управления движением КА, методы математического
моделирования, численные методы решения прикладных задач.
Положения, выносимые на защиту:
1. Модель управления сканированием маршрута съёмки.
2. Методика параметризации в БКУ КА ДЗЗ программ углового движения
при управлении сканированием маршрутов съёмки.
3. Алгоритм формирования управления переориентацией КА при
перенацеливании аппаратуры зондирования на основе решения двухточечной
граничной задачи с учётом ограничений на переменные состояния.
4. Методика автономного формирования программ многомаршрутной
съёмки районов зондирования.
5. Новая модель автономного формирования непрерывных ПУУД КА ДЗЗ на
интервалах планирования для реализации специальных видов одномаршрутной и
многомаршрутной съёмки районов зондирования.
Достоверность результатов подтверждается тем, что разработанные
методики, математические модели и реализующие их алгоритмы основаны и
являются развитием известных математических моделей и методов, таких, как
модели движения КА, программно-координатный метод управления КА ДЗЗ,
численные методы решения прикладных задач. Результаты работы согласуются с
известными опубликованными результатами и подтверждаются отсутствием
замечаний в части точности ПУУД КА и эффективности использования ресурсов
управления при эксплуатации КА «Ресурс-П».
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на
следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах:
− на XVI-XIX, XXII, XXIII Санкт-Петербургских международных
конференциях по интегрированным навигационным системам [7-12, 15];
− на XV-XVIII Всероссийских семинарах по управлению движением и
навигации летательных аппаратов (г. Самара);
− на XV международной научной конференции «Системный анализ,
управление и навигация» (г. Евпатория);
− на I, II, IV Всероссийских научно-технических конференциях
«Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («Козловские чтения»,
г. Самара).
По теме диссертации опубликованы 38 печатных работ, в том числе:
6
6 – в изданиях, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией
Министерства образования и науки Российской Федерации [1-6];
8 – в изданиях, индексируемых в SCOPUS [5-12];
24 – в изданиях, индексируемых в РИНЦ, включая [1-15].
Некоторые результаты исследований получены при проведении АО «РКЦ
«Прогресс» ОКР «Ресурс-П» и НИР «Планирование СМ» (Госконтракт
№ 14.740.11.0155 от 13.09.2010 г.); при разработке научно-технических отчётов по
теме «Оптимизация и моделирование процессов управления КА ДЗЗ» по проекту
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы».
Основное содержание диссертации изложено в 15 работах, список которых
приведён в конце автореферата. Содержание диссертации и автореферата
отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Основные
результаты исследования получены автором лично.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, трёх глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий
объём диссертации – 161 страница, текст проиллюстрирован 40 рисунками, список
литературы включает 135 наименований. В Приложения вынесены исходные
данные и результаты моделирования, а также функциональные блок-схемы
разработанных алгоритмов.
Содержание работы
актуальность
темы
диссертации,
Во введении обосновывается
формулируются цель и задачи исследования. Отмечены новизна и практическая
ценность работы, приведены сведения о публикациях по теме диссертации,
апробации работы и внедрении результатов в научно-технические разработки АО
«РКЦ «Прогресс».
В первой главе рассмотрены модели, используемые как инструментальная
основа для моделирования управления процессами ДЗЗ с помощью оптикоэлектронной аппаратуры зондирования сканирующего типа.
Основные геометрические характеристики процессов ДЗЗ для КА ОЭН
сканирующего типа показаны на рисунке 2, где rКА – радиус-вектор КА в
геоцентрической гринвичской системе координат (ГСК); vКА – вектор скорости
центра масс КА в ГСК; ωКА – вектор абсолютной угловой скорости КА;
GM – гладкая поверхность, с помощью которой аппроксимируется физическая
поверхность Земли в пределах района зондирования.
Модель орбитального движения КА ДЗЗ в ГСК представлена в виде системы
кинематических уравнений:
drКА (t )
rКА = rКА (t ) ;
.
(1)
=
v КА v=
t
(
)
КА
dt
Модель углового движения КА ДЗЗ задаётся дифференциальными соотношениями для его кинематических характеристик. Текущее угловое положение КА
относительно орбитальной системы координат (ОСК) Cx o yo z o в работе
определено последовательностью углов Крылова {ϑ, γ, ψ} (рис. 2). Векторы
7
параметров ориентации КА
=
σ col (ϑ, γ, ψ ) и угловой
скорости
его
связанной
системы координат (ССК)
Cx c yc z c относительно ОСК –
 = col(ω x , ω y , ω z ) – связаω
ны между собой уравнениями:
d ω
dσ
= ω + f σ ; = ε упр + f ω , (2)
dt
dt
где ε упр = col (ε x , ε y , ε z ) –
вектор углового ускорения
КА, обусловленный действием управляющих моментов;
f σ = f σ (t , σ ) и f ω = f ω (t , σ, ω ) –
некоторые вектор-функции,
учитывающие нелинейности
кинематических соотношений,
динамических
уравнений
Эйлера
и
обусловленные
влиянием возмущающих сил.
Решения кинематических уравнений (2) в виде
Рисунок 2
σ = σ (t ) , ω = ω (t )
(3)
вместе с какой-либо моделью формирования управляющего параметра – углового
ускорения ε упр – представляют собой математическую модель углового движения
КА.
В качестве модели маршрута съёмки в работе принята модель центральной
линии маршрута (ЦЛМ) в виде отрезка гладкой кривой М на поверхности GM
(рис. 2), которая может явно задаваться в ГСК векторным уравнением
rM=rM(s),
(4)
где rM – радиус-вектор текущей точки ЦЛМ; s=s(t) – её дуговая координата,
отсчитываемая от начальной точки маршрута съёмки M0; s(t0)=0, r(0)=M0, s(tf)=sf,
r(sf)=Mf.
Управление процессами ДЗЗ требует согласования моделей орбитального и
углового движения КА с моделью маршрута съёмки. С этой целью введены
необходимые условия сканирования.
Первое (основное) условие сканирования маршрута на интервале
сканирования [t 0 , t f ] имеет вид:
rКА (t ) + rЛВ (t ) =
rМ (t ) , ∀t ∈ [t 0 , t f ] .
8
(5)
Если текущее положение
ССК в ГСК задать ортами ex,
ey, ez (рис. 2) и ось аппаратуры
зондирования – центральную
линию визирования (ЦЛВ) –
совместить с осью
Cy c
(рис. 3), то (5) может быть
записано в виде:
e х (t ) = e ЛВ (t ) , ∀t ∈ [t 0 , t f ] . (6)
При этом совмещение
трёхгранника ССК с трёхгранником (e ЛВ , e D , e π ) , где
=
e π (t ) e ЛВ (t ) × e D (t ) ,
и,
соответственно, определение
текущей ориентации КА ДЗЗ в
процессе
сканирования
обеспечивается
вторым
необходимым
условием
сканирования:
e у (t ) = e D (t ) , ∀t ∈ [t 0 , t f ] . (7)
v (t )
Здесь
–
e D (t ) = D
|v D (t )|
Рисунок 3
направляющий
вектор
ортогонального к ЦЛВ компонента вектора v М – скорости конца вектора ЦЛВ при
скольжении по кривой М.
Кроме того, для управления сканированием маршрута необходимо задать
ds (t )
= v М (t ) , s (t 0 ) = 0 , причём
закон сканирования s = s (t ) , такой, что
dt
D(t )
v М (t ) =
w зад (t ) ,
(8)
f sin α(t )
где v М (t ) – скорость сканирования; w(t ) – скорость бега изображения текущей
точки ЦЛМ в приёмной плоскости аппаратуры ОЭН; f – параметр аппаратуры
α (t , s (t )) – угол между векторами v М и e ЛВ ;
зондирования; α(t ) =
D(t ) = D (t , s (t )) – расстояние от КА до текущей точки маршрута съёмки М.
Исходя из особенностей функционирования аппаратуры ОЭН, в качестве
управляющего параметра, как правило, выбирают w . Тогда модель управления
сканированием произвольного маршрута вводится уравнением:
ds
D (t , s )
(9)
=
w , s(t0)=0,
0 < wmin ≤ w ≤ wmax < ∞ .
dt f sin α (t , s )
9
Вторая глава посвящена разработке моделей и бортовых алгоритмов
синтеза в БКУ КА ДЗЗ интегральных (непрерывных) программ углового движения
на длительных (многовитковых) интервалах планирования при съёмке заданного
набора одиночных маршрутов.
Задача синтеза интегральных программ управления КА ДЗЗ на интервалах
планирования сведена к задачам расчёта параметров углового движения на
участках решения задач трёх выделенных типов: целевых, режимных и краевых.
Целевые задачи – задачи управления ориентацией КА ДЗЗ при съёмке заданных
маршрутов. Режимные задачи управления характеризуются необходимостью
поддержания на заданных интервалах времени определённой ориентации КА в
заданной системе координат. Краевые задачи управления решаются на участках
перенацеливания связанной с КА аппаратуры зондирования или, что то же самое,
при его переориентации между па́рами целевых и (или) режимных задач.
Необходимые условия формирования программ управления определяются
требованиями реализующей системы – системы управления движением (СУД) – и
её динамическими характеристиками:
а) непрерывность изменения кинематических характеристик углового
движения КА;
б) накладываемые на кинематические характеристики ограничения вида:
||ω(τ)||ν ≤ ω MAX , ||ε(τ)||ν ≤ ε MAX , ||ε (τ)||ν ≤ k MAX ∀t∈ [t 1 , t 2 ] ,
(10)
где ωMAX , ε MAX , kMAX – константы; ||·||ν – гёльдеровская норма с показателем 1 ≤ ν ≤ ∞ .
В работе систематизированы требования к алгоритмам бортового
программного обеспечения (БПО) БКУ. При разработке алгоритмов должны
учитываться как общие требования: например, дискретность, конечность,
детерминированность, отсутствие ошибок, так и специальные: точность,
цикличность, модульность, минимальное время решения задачи. Кроме того, при
разработке бортовых алгоритмов необходимо учитывать вычислительные ресурсы
БКУ: ограничения по объёму используемой памяти, времени решения задач и
дискретности работы. Важнейшим требованием к алгоритмам БПО БКУ является
обеспечение необходимой точности проводимых вычислений.
Порядок и особенности формирования интегральных ПУУД КА определяются изложенной методикой автономного синтеза интегральных программ
управления. Согласно методике, в первую очередь формируется ПУУД КА на
участках решения режимных и целевых задач (синтез ПУУД КА на интервалах
решения режимных задач заключается в переводе параметров ориентации КА из
одной системы координат в другую), а затем – краевых. При этом необходимая
точность формирования ПУУД КА должна обеспечиваться с учётом ресурсов
управления q1 при рациональном использовании вычислительных ресурсов БКУ
q2. Исходя из ограничений по объёму памяти БКУ и скорости выполнения
вычислительных операций, аппроксимация параметров углового движения КА
алгебраическими сплайнами вводится как необходимый этап в процессе
формирования программ управления.
Разработанный бортовой алгоритм формирования программ углового
движения КА ДЗЗ при решении целевых задач реализует модель управления
10
сканированием маршрута. Исходными данными для формирования ПУУД на
участках решения целевых задач являются:
а) набор характеристик, отвечающих используемой модели ЦЛМ.
Например, параметрическая модель ЦЛМ в системах управления КА «РесурсДК1» и «Ресурс-П» задаётся следующими характеристиками:
(11)
{λ0 , ϕ0 , А, ∆Н , ϑУ , wзад , τ} ,
где λ0, ϕ0 – гринвичская долгота и геоцентрическая широта начальной точки ЦЛМ
M0 (рис. 2); А – азимут ЦЛМ в начальной точке M0, который задаёт касательный
вектор к ЦЛМ τм; ∆Н – среднее на маршруте превышение над общеземным
эллипсоидом; ϑУ – угол упреждения на начало наблюдения маршрута; wзад –
заданная скорость бега изображения в приёмной плоскости аппаратуры
зондирования; τ – длительность сканирования маршрута, τ=tf – t0;
б) параметры орбитального движения КА на интервале сканирования;
в) условия сканирования, определяющие виды одномаршрутной съёмки.
Для общего случая, когда требования по точности формирования ПУУД КА
на участках решения целевых задач не задаются явным образом, введены
показатели качества и признак точности формирования ПУУД КА ДЗЗ как
необходимое условие отсутствия смаза изображения для аппаратуры ОЭН:
1
δс (t ) ≤ , ∀t ∈ [t0 , t f ] ,
(12)
3
где δс(t) – сдвиг проекции ЦЛВ на фотодетекторы аппаратуры зондирования
(измеряемый в пикселях). Отметим, что по результатам оценки точностных
характеристик СУД КА и определения так называемого «бюджета ошибок» правая
часть неравенства (12) может уточняться.
Выделены факторы, влияющие на точность формирования ПУУД КА.
Помимо погрешности первичных исходных данных, основным из них является
погрешность аппроксимации программы углового движения КА. С целью её
уменьшения разработана методика параметризации в БКУ КА ДЗЗ программ
углового движения КА на маршрутах. Согласно методике, в первую очередь
определяется тестовый набор маршрутов, характеристики которых охватывают
допустимый диапазон изменения исходных данных (11). Реализующие их
программы углового движения аппроксимируются различными алгебраическими
сплайнами различной степени N дефекта N-2, отличающимися шириной
фрагментов и сеткой узлов. Из всех вариантов, отвечающих условию (12),
выбирается тот, который обеспечивает наиболее эффективное использование
вычислительных ресурсов БКУ q2 (q2 →min).
Выбранный в соответствии с методикой вариант параметризации программ
углового движения на участках сканирования маршрутов реализован в алгоритме
БПО КА «Ресурс-П». Объём памяти, занимаемый параметризованной с использованием этого алгоритма программой углового движения, которая отвечает условию (12), до 2,5 раз меньше, чем при использовании алгоритма БПО КА «РесурсДК1». Причём последний в ряде случаев не обеспечивает выполнение (12).
Для решения краевых задач управления КА поставлена и решена задача
управления угловым движением КА при его переориентации за определённый
11
промежуток времени [t0, tf ] c ограничениями на параметры состояния (фазовые
координаты) (10). Эта задача сведена к двухточечной краевой задаче с
граничными условиями следующего вида:
 (t f ) = ω
 f ; ε (t0 ) = ε 0 ; ε (t f ) = ε f ,
σ (t0 ) = σ 0 ; σ (t f ) = σ f ; ω (t0 ) = ω 0 ; ω
(13)
 0 , ω f , ε 0 , ε f – векторные константы, определяющие кинематичесгде σ 0 , σ f , ω
кое состояние КА в ОСК при t=t0 на начало манёвра и при t=tf − на начало выполнения очередной целевой или режимной задачи. Модель углового движения КА
(2) в этом случае дополняется соответствующим уравнением относительно ε̃(t):
dσ
d ω
d ε
= ω + f σ , = ε упр + f ω ,
= u + fε ,
(14)
dt
dt
dt
  ) – нелинейная векторгде u – вектор управляющих параметров; f ε = f ε (t , σ, ω,ε
функция, обусловленная нелинейностью кинематических соотношений и
динамических уравнений Эйлера, а также влиянием возмущающих сил.
Разработан бортовой алгоритм формирования программы углового
движения КА ДЗЗ при решении краевых задач (13), (14) с ограничениями по
ресурсам управления (10). Решение в виде дважды непрерывно-дифференцируемой
вектор-функции σ (t )= col (ϑ(t ), γ (t ), ψ (t )) на интервале [t0, tf ] строится
последовательно по каналам управления ориентацией КА. Согласование решений
по каналам управления обеспечивается выбором минимизируемого функционала:
=
J (ω ) max ω (t) 2 .
(15)
t∈[ t 0 ,t f ]
 k (t ) по каждому каналу управления ( k = 1,2,3 )
Общая структура решения σ
имеет вид, показанный на рисунке 4, где
[t0, t3k) – участок «разгона», [t3k, t4k) – участок
движения с постоянной угловой скоростью,
[t4k, tf ] – участок «торможения», при этом
некоторые из подынтервалов [tjk, t(j+1)k]
(0≤ j≤6) могут отсутствовать. Выполнение
ограничений (10) ∀t∈[t0, tf] обеспечивается
 k (t ) , оптимальность
при построении σ
решения σ (t )= col (ϑ(t ), γ (t ), ψ (t )) по (15) –
Рисунок 4
за счёт выбора σ iср
Рисунок 4
k и узлов {t1 , t2 , t3 , t4 , t5 , t6 }k
( k = 1,2,3 ) разбиения отрезка [t0, tf ].
Разработанный алгоритм реализован в БКУ КА «Ресурс-П». Эффективность
получаемых решений в виде алгебраических сплайнов степени 3 дефекта 1 по
критерию (15) до двух раз выше по сравнению с решениями в виде сплайнов
степени 5 дефекта 3, которые формируются БПО КА «Ресурс-ДК1» ,что
обеспечивает увеличение производительности до полутора раз.
Модели управления КА ДЗЗ при решении задач управления вместе с
методикой синтеза интегральных программ управления и методикой параметризации программ углового движения КА представляют собой модель формирования
ПУУД КА ДЗЗ при съёмке заданного набора одиночных маршрутов.
12
В третьей главе рассмотрена
задача автономного формирования
в БКУ программ многомаршрутной
съёмки районов зондирования:
съёмки площадок, стереосъёмки и
многократной съёмки маршрутов.
Площадная съёмка (рис. 5)
предназначена для оперативного
получения информации об участках
земной поверхности, меньший из
Рисунок 5
линейных
размеров
которых
превышает ширину полосы захвата аппаратуры зондирования. Стереосъёмка и,
отчасти, многократная съёмка маршрутов предназначены для построения трёхмерной модели местности в результате восстановления при фотограмметрической
обработке пространственного положения совокупности лучей, последовательно
формирующих изображения. Необходимая при этом идентичность условий
наблюдения достигается N -кратной съёмкой одного и того же маршрута ( N ≥ 2 ) с
разными углами упреждения на одном витке полёта КА. Многократная съёмка
применяется также при необходимости отслеживания изменения состояния
объекта наблюдения на коротком интервале времени.
В настоящее время задачи многомаршрутной съёмки реализуются заданием
в БКУ исходных данных (11) для съёмки набора одиночных маршрутов.
Некоторые из этих маршрутов могут быть исключены БКУ из программы
наблюдения при формировании ПУУД в случае невыполнения ограничений (10).
Предложена методика решения задач многомаршрутной съёмки посредством
синтеза в БКУ перспективных КА ДЗЗ программ многомаршрутной съёмки
районов зондирования в виде набора маршрутов (11) и соответствующих им
программ углового движения КА для реализации заданных объектов
многомаршрутной съёмки. Решение этих задач в БКУ повышает
производительность и автономность КА ДЗЗ.
Формализованы условия и определён состав исходных данных для формирования программ многомаршрутной съёмки районов зондирования, задающие
модели специальных видов многомаршрутной съёмки: площадок; стереосъёмки и
многократной съёмки маршрутов.
Дана новая постановка задач многомаршрутного сканирования
геометрически сложных районов (площадок) X̃ аппаратами ДЗЗ как задач
оптимального покрытия полосами двумерных областей {Mk}N∈Ỹ с произвольными
границами с использованием элементов теории оптимальных покрытий:
Задача 1. Для заданного X требуется выбрать систему таких N «центров»
{Mk}N∈Ỹ (N≥1, N задано), задаваемых набором характеристик (11), чтобы X̃
покрывалось при наименьшей максимальной дальности D>0.
Задача 2. Для заданного максимального значения дальности Dmax>0 выбрать
систему «центров» {Mk}N∈Ỹ, задаваемых набором характеристик (11), которая
покрывает X̃ с «радиусом покрытия» αЗ наименьшим количеством маршрутов N.
Стереосъёмка маршрутов может проводиться в разных вариантах, исходя из
13
условий получения стереоизображений, диктуемых особенностями их обработки:
а) стереосъёмка с постоянной дальностью; дальность от центра масс КА до
каждой точки ЦЛМ при съёмке маршрутов, образующих стереопару, постоянна:
(i )
∀t (i ) ∈[t0(i ) , t (fi ) ] : D (t ) = 0 (i=1, 2 – индекс маршрута стереопары);
б) стереосъёмка с постоянным углом места для ЦЛВ. Углом места для ЦЛВ,
направленной в момент времени t ∈ [t0(i ) , t (fi ) ] , i = 1,2 , в некоторую точку ЦЛМ,
называется угол между ЦЛВ и плоскостью местного горизонта в этой точке;
в) стереосъёмка с постоянным стереоуглом. Стереоуглом δс в некоторой
точке центральной линии стереомаршрута называется угол между ортами eлв,
направленными в эту точку, при съёмке первого и второго маршрутов стереопары.
(1)
Если ϑ(2)
у = −ϑ у , то постоянство стереоугла обеспечивается при стереосъёмке
π − δC
и задача сводится к предыдущей.
2
≠ ϑ(1)
у , то постоянство стереоугла обеспечивается постоянством ЦЛВ в
маршрутов с постоянным углом места β =
Если ϑ(2)
у
ОСК, что для КА, функционирующих на околокруговых рабочих орбитах,
выполняется при съёмке с постоянными углами тангажа и крена.
Многократная (N-кратная) съёмка маршрутов в зависимости от назначения
сводится к съёмке площадок с полным перекрытием маршрутов или к
последовательной съёмке k пар стереомаршрутов, k=N/2.
Представлены модель многомаршрутной съёмки районов зондирования и
реализующие её алгоритмы расчёта характеристик маршрутов (11) при
специальных видах многомаршрутной съёмки. Указанная модель включает модель
формирования программ управления при съёмке заданного набора одиночных
маршрутов и методику формирования программ многомаршрутной съёмки,
которая базируется на методике синтеза интегральных ПУУД КА ДЗЗ и моделях
специальных видов многомаршрутной съёмки. Перечисленные модели составляют
общую модель формирования программ управления при специальных видах съёмки
земной поверхности.
Приведённые в работе результаты расчёта характеристик маршрутов (11)
для специальных видов многомаршрутной съёмки объектов зондирования,
полученные с использованием разработанного алгоритма, подтверждают
адекватность разработанных математических моделей и эффективность
разработанных алгоритмов.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты,
полученные в работе:
1. Построенная модель управления сканированием маршрута обеспечивает
согласование законов сканирования с кинематическими характеристиками
углового движения КА ДЗЗ при реализации специальных видов съёмки.
2. Предложенный способ решения двухточечной граничной задачи переориентации КА обеспечивает существенное повышение производительности КА
ДЗЗ (до полутора раз в сравнении с бортовым алгоритмом КА «Ресурс-ДК1»).
14
3. Разработанные модели специальных видов многомаршрутной съёмки
районов зондирования позволяют формировать программы съёмки в БКУ КА ДЗЗ
и обеспечить увеличение производительности КА и автономности БКУ.
4. Построенная модель формирования непрерывных программ управления
угловым движением КА ДЗЗ на интервалах планирования обеспечивает
автономную реализацию БКУ планов зондирования, которые включают объекты
специальных видов одномаршрутной и многомаршрутной съёмки.
5. Разработаны бортовые алгоритмы формирования непрерывных программ
углового движения КА, обеспечивающие заданный уровень измерительных
характеристик получаемой информации и производительности за счёт более
полного использования ресурсов управления и вычислительных ресурсов БКУ.
Разработанные модели, методики и реализующие их алгоритмы автономного
формирования программ управления угловым движением КА позволяют
увеличить производительность КА ДЗЗ, автономность БКУ и обеспечить
заданный уровень измерительных характеристик получаемой информации при
специальных видах съёмки земной поверхности.
Список основных публикаций по теме диссертации
В изданиях, рекомендуемых ВАК:
1.
Анализ точности формирования и реализации программ управления
угловым движением космического аппарата при использовании системы
спутниковой навигации [Текст] / А. С. Галкина, А. И. Мантуров, В. И. Рублёв,
В. Е. Юрин // Гироскопия и навигация. - 2010. - №1(68). - С. 15-25.
2.
Горелов, Ю. Н. Об оптимальном многомаршрутном сканировании
для космических аппаратов дистанционного зондирования Земли [Текст] /
Ю. Н. Горелов, В. Е. Юрин // Известия СНЦ РАН. - 2013. - Т.15. - № 6. - С.140-147.
3.
Использование вычислительных методов при параметризации
программы управления угловым движением в бортовых комплексах управления
космических аппаратов дистанционного зондирования Земли [Текст] /
А. С. Галкина, А. И. Мантуров, Н. И. Пыринов, В. Е. Юрин // Вестник Самарского
государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва
(национального исследовательского университета). - 2012. - № 4 (35). - С. 59-68.
4.
К задаче оптимизации программ управления угловым движением
космического аппарата дистанционного зондирования Земли [Текст] /
Ю. Н. Горелов, Л. В. Курганская, А. И. Мантуров, А. В. Соллогуб, В. Е. Юрин //
Гироскопия и навигация. - 2014. - № 1 (84). - С. 81-97.
В изданиях, рекомендуемых ВАК и индексируемых в SCOPUS:
5.
Galkina, A.S., Manturov, A.I., Rublev, V.I. and Yurin, V.E. Analyzing
The Level Of Accuracy In Creating And Implementing Computer Programs For
Controlling A Space Vehicles Angular Movement Using Systems Of Satellite
Navigation. Gyroscopy and Navigation. 2010. Т. 1. № 3. С. 155-162.
6.
Gorelov, Yu.N., Kurganskaya, L.V., Manturov, A.I., Sollogub, A.V., and
Yurin, V.E. On Optimization Of Attitude Control Programs For Earth Remote Sensing
Satellite. Gyroscopy and Navigation. 2014. Т. 5. № 2. С. 90-97.
15
В изданиях, индексируемых в SCOPUS:
7.
Anshakov, G.P., Manturov, A.I., Mochalov, V.A., and Yurin, V.E.
Mission Implementation By Remote Sensing Satellites Onboard Control System. 18th
Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS
2011 - Proceedings. 18. 2011. С. 263-269.
8.
Galkina, A.S., Manturov, A.I., Pyrinov, N.I., and Yurin, V.E. Optimal
Choice Of Angular Motion Control Program In On-Board Control Systems Of Earth
Remote Sensing Satellites. 19th Saint Petersburg International Conference on Integrated
Navigation Systems, ICINS 2012 - Proceedings. 19. 2012. С. 291-293.
9.
Galkina, A.S., Manturov, A.I., and Yurin, V.E. Estimation Of Remote
Sensing Satellite Attitude Control For Curvilinear Swaths. 17th Saint Petersburg
International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2010 - Proceedings.
17. 2010. С. 295-297.
10.
Galkina, A.S., Manturov, A.I., and Yurin, V.E. Technique For Evaluation
Of Remote Sensing Satellite Attitude Control For Curvilinear Swaths. 18th Saint
Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2011 Proceedings. 18. 2011. С. 332-334.
11.
Gorelov, Yu.N., Manturov, A.I., Yurin, V.E., and Pyrinov N.I. Generation
Of Satellite Attitude Control Programs For Stereo Imaging. 22nd Saint Petersburg
International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2015 - Proceedings.
22. 2015. С. 120-122.
12.
Gorelov, Yu.N., Manturov, A.I., Yurin, V.E., and Pyrinov N.I. Evaluating
The Dynamic Performance Of ERS Spacecraft Motion Control System For Earth
Remote Sensing Spacecraft. 23rd Saint Petersburg International Conference on
Integrated Navigation Systems, ICINS 2016 - Proceedings. 23. 2016. С. 514-517.
В других изданиях:
13.
Юрин, В. Е. Разработка бортовых алгоритмов переориентации
космического аппарата дистанционного зондирования Земли [Текст] / В. Е. Юрин
// Сборник трудов XVIII Всероссийского семинара по управлению движением и
навигации ЛА: Ч.I. Самара, 15-17 июня 2015 г. – Самара: АНО "Изд-во СНЦ",
2016.- 264 с.- С. 148-155.
14.
Юрин, В. Е. Разработка бортовых алгоритмов управления переориентацией космического аппарата дистанционного зондирования Земли [Текст] /
В. Е. Юрин // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды
XVII Международной конференции. - Самара: СНЦ РАН, 2015. - С. 667-673.
15.
Galkina, A.S., Manturov, A.I., Rublyov, V.I., and Yurin, V.E. Accuracy
Of Creation And Implementation Of Remote Sensing Satellite Attitude Control Software
Using A Navigation Satellite System. 16th Saint Petersburg International Conference on
Integrated Navigation Systems, ICINS 2009 - Proceedings. 16. 2009. С. 276-282.
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа