Е.А. Микрин
БОРТОВЫЕ
КОМПЛЕКСЫ УПРАВЛЕНИЯ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки 161100
«Системы управления движением и навигация»
Москва 2014 2 Предисловие УДК 629.7.05 ББК 39.62 М59 Рецензенты:
кафедра «Управление движением» МФТИ (заведующий кафедрой академик РАН В.П. Легостаев);
генеральный директор ГНЦ ФГУП ГосНИИАС, заведующий кафедрой «Системы автоматического и интеллектуального управления» МАИ (национального исследовательского университета) член-корреспондент РАН С.Ю. Желтов Микрин, Е. А.
Бортовые комплексы управления космических аппаратов :
М учебное пособие /Е. А. Микрин. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 245, [1] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3983- Изложены методология и средства создания бортовых комплексов управления современных космических аппаратов. Представлены структура и состав бортового комплекса управления, а также описание его составных частей, методология модульного проектирования структуры программного и информационного обеспечения бортовых комплексов управления.
Показана технология разработки и отработки программного обеспечения систем управления космических аппаратов.
Содержание данного пособия соответствует курсу лекций, читаемому автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Системы автоматического управления».
Для студентов старших курсов, аспирантов соответствующих специальностей, полезно также научно-техническим работникам, занимающимся созданием и эксплуатацией систем управления космических аппаратов, и специалистам по вычислительным системам и комплексам, информатике и программному обеспечению информационноуправляющих систем.
УДК 629.7. ББК 39. Микрин Е. А., Оформление. Издательство МГТУ ISBN 978-5-7038-3983-6 им. Н.Э. Баумана, Предисловие
ПРЕДИСЛОВИЕ
Космическая эра, начавшаяся запуском первого искусственного спутника Земли, характеризуется не только выдающимися успехами человечества в деле изучения и освоения космического пространства, но и возникновением и развитием новых направлений науки, техники, промышленности, без которых эти успехи были бы невозможны. Одним из таких направлений является теория управления космическими аппаратами.Начиная с проектирования самых первых космических аппаратов и кораблей, система управления движением относилась к числу важнейших бортовых систем, и ее роль увеличивалась по мере роста возлагаемых на нее функций.
Ввиду особой важности систем управления С.П. Королёв в конце 1950-х гг. привлек к их созданию выдающихся ученых академиков — М.В. Келдыша, Б.Н. Петрова, Б.В. Раушенбаха, Б.Е. Чертока, В.П. Легостаева, ставших основоположниками теории управления движением космических аппаратов.
Успешное развитие технических средств, в первую очередь бортовых вычислительных машин, привело к значительной модернизации систем управления и к существенному расширению их возможностей при одновременном повышении качества работы этих систем.
Применение вычислительных средств позволило перейти к системам управления на основе корректируемых бескарданных инерциальных систем и построения управления по схеме динамической фильтрации. Моделирование процесса движения дало возможность развивать диагностические и адаптационные свойства управления, что в свою очередь позволило существенно повысить тактико-технические характеристики космического аппарата.
Создание долговременных орбитальных станций потребовало существенной модернизации комплекса средств управления и 4 Предисловие дальнейшей разработки их методических основ. Помимо жестко детерминированных алгоритмов управления программное обеспечение бортовой цифровой вычислительной системы содержало гибконастраиваемые компоненты программно-временного управления и развитые диагностические средства, позволявшие накапливать статистику отказов и учитывать ее в алгоритмах управления конфигурацией бортовых систем.
Крупной вехой в создании интегрированных систем управления космических аппаратов на базе бортовых вычислительных систем стала созданная на рубеже XX и XXI вв. Международная космическая станция, объединяющая системы управления Российского и Американского сегментов.
Для создания современных космических аппаратов и кораблей потребовался новый комплексный подход к разработке их систем управления, в основу которого были положены следующие основные принципы и требования: максимальная автоматизация процессов управления, максимальная автономность и модифицируемость системы, гибкость управления по командной радиолинии, комплексирование различных функций управления в рамках общей задачи управления полетом. Реализовать все перечисленные задачи удалось за счет объединения основных систем космических аппаратов, таких как бортовая цифровая вычислительная система, система управления движением и навигацией, система управления бортовым комплексом, бортовой радиотехнический комплекс, система бортовых измерений, а также программного обеспечения в единый бортовой комплекс управления.
Обобщением результатов многолетних научных исследований и опыта практического применения, а также совершенствования методов проектирования и эксплуатации бортовых комплексов управления космических аппаратов стал цикл работ под общим названием «Модели и методы проектирования информационноуправляющих систем реального времени Космических аппаратов», созданный автором совместно с доктором технических наук, профессором В.В. Кульбой, доктором технических наук, профессором Б.В. Павловым и доктором технических наук, профессором В.Н. Платоновым в 2002–2006 гг.
Помимо многочисленных публикаций в основу этого цикла работ был положен курс лекций «Бортовые комплексы управления и их программное обеспечение» и одноименный учебник, написанПредисловие ный автором для подготовки студентов кафедры «Системы автоматического управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2003 г.
В нем впервые на примере создания модулей Российского сегмента Международной космической станции и автоматических космических аппаратов была представлена формализованная технология разработки и отработки программного обеспечения бортовых комплексов управления.
Для преподавания учебных дисциплин, связанных с разработкой систем управления летательных аппаратов, возникла необходимость создания нового учебного пособия (в дополнение к предыдущему), в котором на основе опыта создания цифровых систем управления для новых модулей Российского сегмента МКС, современных автоматических космических аппаратов разного класса и назначения, грузовых кораблей «Прогресс М-01М» и транспортных кораблей «Союз ТМА-М» были бы обобщены, систематизированы и дополнены материалы по ключевым системам бортовых комплексов управления, что, по мнению автора, является весьма актуальным.
Это учебное пособие должно стать первым в цикле учебников, посвященных вопросам управления в технических системах.
При написании книги были использованы работы следующих сотрудников РКК «Энергия» имени С.П. Королева: И.В. Орловского, С.И. Гусева, В.Н. Платонова, В.А. Гаршина, Н.К. Беренова, Г.П. Погорельца, И.О. Воронина, Ю.Н. Борисенко, С.Н. Евдокимова, А.В. Богачева, С.Н.Тимакова, Н.Е. Зубова, И.В. Дунаевой, М.В.
Михайлова, С.А. Емельянова, Р.А. Панова, Д.Ю. Самсонова, Б.Ф.
Рядинского и других, а также лекции, читавшиеся автором студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана и МФТИ.
Учебное пособие состоит из трех глав. Первая глава содержит результаты анализа процессов проектирования бортовых комплексов управления для разных типов космических аппаратов. В ней сформулирована концепция построения, определены задачи, структура и состав БКУ.
Как основное интегрирующее звено БКУ, представлена бортовая цифровая вычислительная система, основные характеристики компьютеров, входящих в ее состав на Международной космической станции, транспортных кораблях «Союз» и «Прогресс», автоматических космических аппаратах.
Представлены три контура — кинематический, навигационный и динамический — функционального решения задач системы управления движением и навигации, а также внешний вид и основные характеристики датчиковой аппаратуры исполнительных органов этой системы.
На примере пилотируемых космических аппаратов приведены результаты разработки режимов системы управления движением и навигации орбитального участка полета, сближения и стыковки, спуска в атмосфере.
Показано, что программное обеспечение сформировалось как отдельный, ключевой компонент бортовых комплексов управления космических аппаратов.
Вторая глава учебника посвящена вопросам проектирования программного обеспечения бортовых комплексов управления космических аппаратов. Здесь представлено описание структуры программного обеспечения на примере Российского сегмента Международной космической станции, рассмотрены особенности создания, методология модульного проектирования архитектуры и структурного проектирования его компонентов, содержатся материалы об операционных системах, используемых при создании программных средств БКУ.
В третьей главе дано описание концепции комплексной разработки и испытаний программного обеспечения бортовых комплексов управления космических аппаратов на основе методологии ранней функциональной интеграции и сценарного подхода, а также структура и состав наземного комплекса отработки программного обеспечения.
Сформулирована задача выбора оптимальной стратегии реализации сценария комплексной отладки программного обеспечения бортовых комплексов управления космических аппаратов, определяющая состав и последовательность отлаживаемых подструктур комплекса программ и обеспечивающая оптимизацию показателей качества. Рассмотрены общие принципы построения, структура и состав наземного комплекса отработки программного обеспечения бортовых комплексов управления для различных типов космических аппаратов с использованием стендов имитационного моделирования на разных этапах жизненного цикла разработки, отработки и сопровождения бортовых комплексов управления космических аппаратов.
В приложениях рассмотрены вопросы, связанные с орбитальным движением (законы Кеплера и типы орбит); описаны три основные группы кинематических параметров (углы Эйлера и Крылова, элементы матрицы направляющих косинусов, компоненты кватерниона), а также связь этих параметров; представлены основные базовые системы координат, используемые в системе управления движением космических аппаратов.
Сведения, приведенные в приложениях, использованы в основном в первой главе, однако они могут использоваться и как самостоятельные данные.
Автор выражает благодарность президенту МГТУ им. Н.Э. Баумана академику РАН И.Б. Федорову и ректору МГТУ им. Н.Э. Баумана профессору, доктору технических наук А.А. Александрову за содействие в издании и решении организационных вопросов.
Отдельную благодарность автор выражает доценту кафедры «Системы автоматического управления» И.В. Дунаевой за помощь при подготовке рукописи.
Автор также благодарит за помощь в создании книги коллег:
сотрудников РКК «Энергия» имени С.П. Королёва, кафедры «Системы автоматического управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана и лично академика РАН В.П. Легостаева, члена-корреспондента РАН С.Ю. Желтова, кандидата технических наук, профессора В.В. Зеленцова за внимательное отношение к книге и за рекомендации, сделанные при обсуждении рукописи, следование которым позволило улучшить данное учебное пособие.
Автор надеется, что учебное пособие окажется полезным не только студентам старших курсов и аспирантам соответствующих специальностей, но и специалистам по системам управления космических аппаратов, вычислительным системам и комплексам, а также информатике и программному обеспечению информационно-управляющих систем и для всех интересующихся вышеперечисленными дисциплинами.
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АРМ — автоматизированное рабочее место АКА — автоматический космический аппарат АС — Американский сегмент АСН — аппаратура спутниковой навигации АСС — аппаратура сбора сообщений БИНС — бесплатформенная инерциально-навигационная система БИТС — информационная телеметрическая система БИТС — бортовая информационно-телеметрическая система 2-12 (радиотелеметрическая система) БИТС — подсистема выдачи данных БИТС 2- ПВД — подсистема приема массивов БИТС 2- БИТС ППМ БКУ — бортовой комплекс управления БРТК — бортовой радиотехнический комплекс БС — бортовая система БСК — блок силовой коммутации БУБК — блок управления бортовым комплексом БЦВМ — бортовая цифровая вычислительная машина в составе БЦВС — бортовая цифровая вычислительная система ГИВУС — гироскопический измеритель вектора угловой скорости ГСК — гринвичская система координат ДО — двигатель ориентации ДОС — долговременная орбитальная станция ДПО — двигатели перемещения и ориентации ДУ — двигательная установка ЕКА — Европейское космическое агентство ЗУ — запоминающее устройство ИД — исходные данные ИКВ — инфракрасная вертикаль ИИО — инерционные исполнительные органы ИО — информационное обеспечение ИСЗ — искусственный спутник Земли ИСК — инерциальная система координат ИТС — информационно-телеметрическая система ИУС — информационно-управляющая система КА — космический аппарат КД — корректирующие двигатели КПИ — командно-программная информация КПО — компонент программного обеспечения КС — комплексный стенд КСК — контроллер сетевых каналов КСР — коммутатор согласующих регистров КУ — команда управления КЦП — компьютер центрального поста ЛКИ — летно-конструкторские испытания МДМ — мультиплексор-демультиплексор МИМ 1 — малый исследовательский модуль 1 («Рассвет») МИМ 2 — малый исследовательский модуль 2 («Поиск») МЛМ — многоцелевой лабораторный модуль («Наука») МКО — мультиплексный канал обмена (шина данных) ММ — математические модели НА — наземная аппаратура НИО — наземное испытательное оборудование НИП — наземный измерительный пункт НКО — наземный комплекс отработки НКУ — наземный комплекс управления НШС — нештатная ситуация ОДУ — объединенная двигательная установка ОЗУ — оперативное запоминающее устройство ОНА — остронаправленная антенна ОС — операционная система ОСК — орбитальная система координат ОСРВ — операционная система реального времени ОТР — организационно-техническое решение ПЗУ — программное запоминающее устройство ПК — программный компонент ПМ — программный модуль ПМИ — программа и методика испытаний ПО — программное обеспечение ПРМ — приемное устройство (с модуляцией) ПСИ — приемо-сдаточные испытания ПСК — приборная система координат РВ — реальное время РК — релейная команда РКТ — ракетно-космическая техника РМ — рабочее место РС — Российский сегмент РСУС — радиотехническая система управления и связи САПР — система автоматизированного проектирования СА — спускаемый аппарат СБ — солнечная батарея СБИ — система бортовых измерений СМ — служебный модуль («Звезда») СО — стыковочный отсек («Пирс») СОГС — система обеспечения газового состава СОД РВ — система обработки данных реального времени СОЖ — система обеспечения жизнедеятельности СОТР — система обеспечения температурного режима СПО — специальное программное обеспечение СР — спутник-ретранслятор СТИ — система телеметрических измерений СТТС — система телефонно-телеграфной связи СУБА — система управления бортовой аппаратурой СУБД — система управления базой данных СУБК — система управления бортовым комплексом СУДН — система управления движением и навигации СУС — система управления спуском СЭС — система энергоснабжения ТВМ — терминальная вычислительная машина ТВС — телевизионная система ТВУ — терминальное вычислительное устройство ТГК — транспортный грузовой корабль ТЗ — техническое задание ТЛФ — телефония ТМ — телеметрия ТМИ — телеметрическая информация УС — устройство сопряжения ФГБ — функционально-грузовой блок («Заря») ФМ — функциональный модуль ЦВМ — центральная вычислительная машина ЦПК — Центр подготовки космонавтов ЦУП — Центр управления полетами ЦУП-М — Центр управления полетами в Москве ЦУП-Х — Центр управления полетами в Хьюстоне ЭКПО — элемент конфигурации программного обеспечения ЭП — эскизный проект ЭРИ — электрорадиоизделия AL — прикладной уровень для хранения, обработки и использования программ пользователя / уровень прикладных программ ATV — Европейский автоматический транспортный корабль AVI — уровень интерфейса по шинам 1553В (уровень управления вводом/выводом информации) центральная ВМ Американского сегмента и станции консультативный комитет по космическим системам CCSDS — CMG — американские силовые гироскопы ESA — Европейское космическое агентство FML — уровень управления голосованием и обработкой отказов FTC — устойчивый к отказам компьютер (ЦВМ и ТВМ СМ) — Терминальная ВМ Американского сегмента, выполGNC MDM — мультиплексор/демультиплексор (БЦВМ) — Национальное управление по воздухоплаванию и исNASA следованию космического пространства RT — удаленный терминал Гл. 1. Принципы построения БКУ космических аппаратовПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ БОРТОВЫХ
КОМПЛЕКСОВ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ
Понятие и концепция построения бортовых комплексов управления (БКУ) разрабатывались исходя из требований системного подхода к проектированию бортовых средств управления и контроля и реальной практики управления полетом космических аппаратов (КА) различного класса и назначения. С усложнением средств управления и контроля, выделением подсистем разного функционального назначения возникла потребность в едином подходе к таким вопросам проектирования и эксплуатации, как:унификация взаимодействия c многочисленными потребителями управляющей и контрольно-диагностической информации;
рациональное сочетание централизованных и децентрализованных средств управления и контроля;
организация локальных и автономных контуров управления;
стандартизация каналов и протоколов обмена информацией;
создание, отработка и верификация программного обеспечения.
Содержание понятия «бортовой комплекс управления» и концепция его построения со временем менялись.
На этапе проектирования первых космических аппаратов каждая задача решалась автономной работой отдельной системы, содержащей свою датчиковую аппаратуру, исполнительные органы, автоматику управления.
Концепция построения БКУ на первых этапах предусматривала проектную идеологическую увязку общих вопросов управления, распределения задач управления, разграничение функций, формироваБортовые комплексы управления космических аппаратов Информация в кадровом и пакетном заголовках позволяет принимающей системе выделять пакеты и их содержимое стандартным алгоритмом.
Подводя итоги, следует отметить преимущества пакетной передачи данных — возможность в рамках одного канала передавать различную по своей природе информацию и гибкий выбор передаваемой информации, что позволяет увеличить ее информативность.
Основной недостаток систем пакетной передачи данных — сокращение полезной информативности за счет введения дополнительной служебной информации при передаче данных, однако высокая скорость передачи данных современных радиосистем делает этот недостаток не критичным.
1. Что такое космический аппарат? Перечислите известные вам типы.
2. Дайте определение бортовых комплексов управления, перечислите их основные задачи. Какова структура и что входит в состав БКУ?
3. Что такое жизненный цикл создания БКУ? Назовите основные технические решения, применяемые при разработке БКУ.
4. Каково распределение функций управления между БКУ и бортовыми системами? Перечислите основные характеристики внутренних и внешних интерфейсов БКУ.
5. Какие вы знаете основные контуры управления БКУ? Что такое режим управления БКУ? Перечислите основные режимы управления КА на примере БКУ Российского сегмента МКС.
6. Что такое бортовая вычислительная система? Перечислите ее основные функции. Какова структура и что входит в состав БЦВС?
7. Что представляет собой сетевая структура БЦВС?
8. Какова структура и что входит в состав аппаратных средств БЦВМ? Перечислите основные виды конструкций БЦВМ.
9. Каковы методы обеспечения надежности БЦВС и БЦВМ?
10. Перечислите основные требования к характеристикам БЦВС и БЦВМ.
11. Какие существуют методы эксплуатации и сопровождения БЦВС и БЦВМ?
12. Что такое система управления движением и навигации? Перечислите ее задачи. Какова структура и что входит состав СУДН?
13. Какие принципы лежат в основе построения современных СУДН.
Что такое БИНС? Как устроено аппаратное и программное обеспечение БИНС? Перечислите основные характеристики датчиков БИНС.
Гл. 1. Принципы построения БКУ космических аппаратов 14. Какие приборы ориентации использует СУДН? Перечислите их основные характеристики.
15. Перечислите основные характеристики аппаратуры спутниковой навигации (АСН).
16. Какие бывают контуры СУДН? Перечислите основные системы координат, применяемые в СУДН.
17. Какие вы знаете режимы СУДН?
18. Какие параметры управления угловым движением КА вам известны? Что такое кватернион?
19. Что такое орбитальное движение КА? Какие законы Кеплера вы знаете? Какие типы орбит КА вы знаете?
20. Как осуществляется управление движением и стыковкой космического корабля? Перечислите основные этапы сближения КА. Что такое «быстрая» схема сближения?
«