СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТАМИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2014 года по МПК B64G3/00 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к средствам обеспечения управления полетами автоматических и пилотируемых космических аппаратов (АПКА). Изобретение может быть использовано при создании и развертывании центров управления полетами (ЦУП) существующих и перспективных АПКА ближнего и дальнего космоса. Наилучшее применение данное изобретение имеет для построения, например, Базового ЦУП (Приложение 1 к материалам данной заявки), структура, специальное математическое обеспечение (СМО), программные процедуры и аппаратно-программные средства управления которого позволят обеспечить полеты разнотипных АПКА ближнего и дальнего космоса, в том числе и в условиях техногенного засорения космического пространства.

Известны способы обеспечения управления полетами автоматических АПКА, которые реализуются аппаратно-программными средствами (АПС) в рамках секторов управления существующих и перспективных АПКА. Сектор управления является основной функционально-структурной единицей ЦУП для обеспечения управления полетов КА определенного типа.

Так, находившиеся и находящиеся в эксплуатации, а также планируемые Роскосмосом к запускам перспективные АПКА (в том числе «Фотон-М», «Ресурс-ДК1», «КОРОНАС-ФОТОН», «Канопус-В, «Электро-Л», «Бион-М» и другие КА) имеют собственные ЦУП КА (Материалы системного проекта «Проблемы и направления решения задач по развитию перспективных космических средств для дальнейшего исследования и освоения космического пространства» в части предварительной проработки проблем и направлений их решения». Книга 7, часть 2, «Управление космическими аппаратами. Центры управления полетами КА». ФГУП «ЦНИИмаш», инв. 851-2112/09-7.9-2009-8013-01 - [Д1]), (Научно-технический отчет «Исследования по созданию аппаратно-программных средств универсальных ИВК планирования полета КА и анализа состояния и функционирования бортовой аппаратуры. Разработка рациональных стратегий управления перспективной ОГ АПКА», НИР "Магистраль-2". ФГУП «ЦНИИмаш», инв. №851-2112/09-2.3-806300-2009-148 - [Д2]), (Космический комплекс «Коронас-Фотон», справочные материалы. Москва, ФГУП «ВНИИЭМ», 2008 г. - [Д3]) и информационно-вычислительные комплексы (ИВК), реализующие соответствующие способы обеспечения управления полетами ([Д1], п.7.9.2, стр.32).

С другой стороны, в РФ имеются ЦУПы и КА, эксплуатируемые в интересах других отраслей и ведомств. Например, создан ЦУП для обеспечения управления полетами КА «Ямал» (Центр обработки и отображения полетной информации КА «Ямал». Сайт в Интернете: http://coopi.khrunichev.ru/main.php?id=289, размещен ГКНПЦ им. М.В.Хруничева - [Д4]), предназначенный для решений целевых задач в интересах ОАО «Газпром», а также ЦУП КА «Монитор-Э» (Сайт в Интернете: http://www.khrunichev.ru/main.php?id=3&nid=40, размещен ГКНПЦ им. М.В.Хруничева), являющиеся аналогами по способам обеспечения управления полетами КА.

Анализ приведенных способов-аналогов обеспечения управления полетами КА НСЭН типа «Фотон-М», «Ресурс-ДК1», «Стерх», «Канопус-В», «Электро-Л», «Луч» показывает, что создаваемые для управления АПКА ЦУП сектора управления (и, соответственно, ИВК) обеспечивают управление полетами только определенного типа КА, отличаются разнообразием и несовместимостью используемых аппаратно-программных средств, реализующих способы обеспечения управления, и ориентированы, в основном, на использование уникальных радиотехнических средств: контрольно-измерительных систем (КИС) типа «Куб-Контур», «Компарус», «Клен», «Тамань-База», «Дока» и других, которые, по сути, не обладают свойствами унификации [Д1]-[Д4].

Из способов-аналогов по технической сущности к заявляемому способу обеспечения управления полетами АПКА достаточно близок способ, реализованный на основе созданного в ЦУП ЦНИИмаш ИВК ЦУП КА «Коронас-Фотон» ([Д1], стр.32; [3], стр.75, рис.3.1). Как показывает результат анализа, основным недостатком существующего способа обеспечения управления КА типа «Коронас-Фотон» является невозможность обеспечить управление полетом орбитальной группировки (ОГ) разнотипных АПКА, которое требует одновременного инициирования и выполнения стандартных программных процедур - функций обеспечения управления и использования унифицированных средств ИВК. В дополнение к этому способы-аналоги не обеспечивают управление полетами КА в условиях засоренности околоземного космического пространства (ОКП) фрагментами космического мусора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу обеспечения управления полетами АПКА является способ, реализованный в патенте РФ на изобретение №2438941 («Способ обеспечения управления полетами космических аппаратов» - [Д5]), который выбран в качестве прототипа. Техническим результатом указанного изобретения является создание унифицированного ИВК, реализующего способ обеспечения управления полетами разнотипных АПКА на основе соответствующего программного и информационного обеспечения, включающих совокупность программных процедур, инициируемых и одновременно выполняемых в локальной вычислительной сети на средствах единого для всех секторов управления структурно выделенного сегмента, образованного из специализированных баллистического, командного, телеметрического информационно-вычислительных комплексов, а также комплекса моделирования и информационного обеспечения полетов, с которыми осуществляют информационный обмен при обработке специфической информации оставшиеся после выделения структурного сегмента аппаратно-программные средства секторов управления. Структурное выделение сегмента и организация параллельного выполнения программных процедур, являющихся по сути обеспечивающими управление функциями, приводят в итоге к упрощению структуры ИВК, к удешевлению стоимости его развертывания и к обеспечению управления полетами разнотипных космических аппаратов.

Однако данный способ прототип не обеспечивает управление полетами КА в условиях засоренности ОКП фрагментами космического мусора.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение управления полетами космических аппаратов в условиях засоренности ОКП техногенным космическим мусором.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа, к локальной вычислительной сети единого структурно выделенного сегмента с помощью стандартного интерфейса подключают информационно-вычислительный комплекс центрального ядра автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, при этом на выделенном сегменте инициируют одновременное выполнение для всех управляемых космических аппаратов программных процедур - функций обеспечения управления, реализующих прогнозирование параметров относительного движения управляемых космических аппаратов и объектов техногенного происхождения, определение расстояний между этими объектами при их максимальном сближении, определение космических объектов риска, сближающихся с космическими аппаратами на расстояние, менее критически заданного, прогнозирование вероятностей их столкновения, расчет и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска при прогнозировании вероятности столкновения объектов, более критически заданной, причем осуществляемые программными процедурами расчеты и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска выполняют на средствах баллистического ИВК только после приема им из ИВК АСПОС ОКП информации по результатам выполнения программных процедур прогнозирования.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов (Мячев А.А., Никольский О.А. Стандартные интерфейсы микропроцессорных систем. Журнал «Микропроцессорные средства и системы». №1, 1984 - [Д6]; ГОСТ Р 53246-2008, Информационные технологии. СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ, Проектирование основных узлов системы. Общие требования, стр.10 - [Д7]).

Следует отметить, что программные процедуры разработаны и применяются в «Программном комплексе оценки риска столкновения Международной космической станции с наблюдаемым космическим объектом» - [Д8], обеспечивающем вычисления значений вероятности столкновения с космическим объектом риска и на который в ФИПС выдано свидетельство о регистрации программы ЭВМ за №2010612075 от 19.03.2010 г., а также в «Программном комплексе прогноза опасных сближений и оценки вероятности столкновения», осуществляющем в том числе вычисление расстояний между КА и космическим объектом (КО) риска - [Д9], инв. ЦУП/НС - 26 от 29.9.2010 (Приложение 2 к материалам данной заявки). Указанные разработанные программные комплексы содержат ряд программных процедур - функций обеспечения управления, реализующих в том числе оценку засоренности ОКП космическим мусором по траектории полета сопровождаемых КА, долгосрочный и среднесрочный прогноз времени баллистического существования КО риска, оперативное уточнение параметров движения и прогноза времени и районов падения опасных КО на этапе их схода с орбиты [Д9], а также функции, необходимые при обеспечении управления полетами космических аппаратов в условиях засоренности ОКП техногенным космическим мусором (Научно-технический отчет №8031-531 от 23.12.2010 г. «Построение программного комплекса мониторинга опасных ситуаций для КА, управляемых из ЦУП ЦНИИмаш, по навигационной информации из базы данных «NORAD» - [Д10]).

Таким образом, заявленный способ обеспечения управления полетами космических аппаратов заключается в планировании и инициировании программных процедур - функций обеспечения управления, реализующих обработку баллистической и телеметрической информации, составление долгосрочных и суточных планов полета, проведение автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, формирование списков разовых команд и программ сеансов связи, обработку специфической информации, присущей каждому управляемому космическому аппарату, причем данные процедуры выполняют одновременно на средствах единого структурно выделенного сегмента, включающего в себя интегрируемые средствами локальной вычислительной сети (стандартным интерфейсом) специализированные баллистический, командный, телеметрический информационно-вычислительный комплексы, комплекс моделирования и информационного обеспечения полетов, и при этом осуществляют информационное взаимодействие между структурно выделенным сегментом и оставшимися после выделения аппаратно-программными средствами секторов управления, а также в том, что к локальной вычислительной сети единого структурно выделенного сегмента с помощью стандартного интерфейса подключают информационно-вычислительный комплекс центрального ядра автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, причем на выделенном сегменте инициируют одновременное выполнение для всех управляемых космических аппаратов программных процедур - функций обеспечения управления, реализующих прогнозирование параметров относительного движения управляемых космических аппаратов и объектов техногенного происхождения, определение расстояний между этими объектами при их максимальном сближении, определение космических объектов риска, сближающихся с космическими аппаратами на расстояние, менее 15 км ([Д1], [Д8], [Д9], [Д10]), прогнозирование вероятностей их столкновения, расчет и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска при прогнозировании вероятности столкновения объектов более 10^-4 ([Д1], [Д8], [Д9], [Д10]). Причем осуществляемые расчеты и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска выполняют на средствах баллистического ИВК только после приема им из ИВК АСПОС ОКП информации по результатам выполнения программных процедур прогнозирования.

На фигуре 1 приведена структурная схема унифицированного ИВК АПКА, реализующая способ прототип.

На фигуре 2 приведена структурная схема унифицированного ИВК АПКА Базового ЦУП, реализующая заявленный способ.

На фигурах 1 и 2 приняты следующие обозначения:

1 - баллистический ИВК;

2 - командный ИВК;

3 - телеметрический ИВК;

4 - ИВК моделирования и информационного обеспечения полетов (МИОП);

5 - комплекс внешних информационных обменов (КВИО);

6 - информационные средства отображения (ИСО);

7 - локальная вычислительная сеть (ЛВС);

8 - АРМ реализации сеансов связи;

9 - АРМ анализа телеметрической информации;

10 - АРМ управления коллективных средств отображения;

11 - серверы баз данных;

12 - АРМ балллистико-навигационного обеспечения (АРМ БНО);

13 - АРМ командно-программного обеспечения (АРМ КПО);

14 - АРМ планирования;

15 - АРМ обмена;

16 - АРМ планирования сеансов связи;

17 - комплекс приема-передачи командно-программной информации;

18 - узел связи;

19 - сектор управления КА определенного типа;

20 - ИВК АСПОС ОКП.

Реализация заявляемого способа обеспечения управления осуществлена на основе унифицированного ИВК (фиг.1), являющегося прототипом, с введением дополнительных технических средств и программных процедур (фиг.2), описанных ниже по тексту.

В структуру унифицированного ИВК заложен принцип унификации, заключающийся в выделении из состава секторов управления АПКА некоторой общей части аппаратно-программных средств и методико-алгоритмического обеспечения, пригодных к использованию без ограничений при обеспечении управления полетами АПКА практически любого типа.

Унификация обеспечивается выделением единого для всех секторов управления сегмента локальной вычислительной сети 7 (ЛВС) путем интеграции специализированных ИВК 1, 2, 3, 4, а также КВИО 5 и ИСО 6 секторов управления 19. При этом интеграцию специализированных ИВК, а также информационное взаимодействие между указанным сегментом 7 ЛВС и АПС секторов управления 19 по обработке специфической информации, свойственной каждому типу КА, обеспечивают коммуникационными средствами сегмента ЛВС 7 - стандартным интерфейсом.

Для построения единого сегмента локальной вычислительной сети используются те же аппаратно-программные средства специализированных ИВК: командного, телеметрического, баллистического, ИВК МИОП, КВИО, средства ЛВС и связи, техническая реализация которых основывается на единой аппаратно-программной платформе [Д1], [Д2].

Прием и обработка телеметрической информации (ТМИ) осуществляют средствами телеметрического ИВК: прием и обработку полных потоков (ПП) ТМИ выполняют по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) и с использованием спутниковых систем связи (ССС).

Отображение полетной информации для КА любого типа осуществляют в зале управления средствами комплекса ИСО и индивидуальных ИСО.

Специальное математическое обеспечение (СМО) в составе баллистико-навигационного обеспечения (БНО), командно-программного обеспечения (КПО) в части планирования полета КА, телеметрического обеспечения (ТМО) в части обработки телеметрической информации, анализа состояния функционирования бортовой аппаратуры, ИСО, информационных обменов разрабатывают с использованием базовых модулей. Существующее в настоящее время базовое СМО ориентировано на реализацию способов по обеспечению работы с несколькими КА от одного рабочего места при условии осуществления определенных настроек и назначения соответствующих прав доступа. Использование единого базового СМО является также признаком унификации [Д1], [Д2].

Реализация изложенного подхода предоставляет возможность осуществления одновременного управления несколькими разнотипными КА из одного зала управления. Дополнительные рабочие места специалистов групп анализа и реализации при необходимости организуют в любом, лучше в рядом расположенном помещении. Для управления разноплановыми КА необходимо выделение отдельного помещения для группы планирования со своими техническими средствами и свой кластер баз данных.

В итоге, в состав унифицированного ИВК обеспечения полетов орбитальной группировки разнотипных АПКА включают выделенный из аппаратно-программных средств секторов управления единый сегмент ЛВС в составе специализированных ИВК: баллистического, командного, телеметрического, ИВК МИОП, а также средств КВИО, средств ЛВС и связи, построенных на единых аппаратных и программных платформах и функционирующих по единым протоколам. Причем остальную часть средств секторов управления - серверы БД 11 и АРМ 12-16 на базе ПЭВМ - объединяют в специфическую часть, которую в свою очередь интегрируют средствами стандартного интерфейса ЛВС 7 с унифицированной частью в виде единого сегмента для решения специфических задач, свойственных каждому типу АПКА.

Способ-прототип обеспечения управления полетами разнотипных АПКА, реализуют унифицированным ИВК (на едином для всех секторов управления сегменте) за счет планирования и соответствующей динамики инициирования и выполнения программных процедур по управлению полетом ОГ разнотипными АПКА, что обеспечивают возможностью одновременного (параллельного) их выполнения. Особенностью способа-прототипа является не только динамика процесса выполнения программных процедур, но и организационно-структурная часть. А именно, при создании и развертывании унифицированного ИВК достигаемая экономия обеспечивается с учетом выделения так называемой унифицированной части аппаратно-программных средств - единого для всех секторов управления сегмента ЛВС в составе баллистического, командного, телеметрического комплексов, комплекса моделирования и информационного обеспечения полетов.

Однако в способе-прототипе в едином структурно выделенном сегменте отсутствуют необходимые программные процедуры, с помощью которых производят прогнозирование параметров относительного движения управляемых космических аппаратов и объектов техногенного происхождения, определение расстояний между этими объектами при их максимальном сближении, определение космических объектов риска, сближающихся с космическими аппаратами на расстояние, менее критически заданного, и прогнозирование вероятностей их столкновения.

Для этого в заявляемом способе единый структурно выделенный для всех секторов управления сегмент расширяется посредством подключения ИВК 20 АСПОС ОКП к локальной вычислительной сети 7 через стандартный интерфейс (на фиг.2 стандартный интерфейс не показан, поскольку входит в состав коммутационного оборудования ЛВС 7). При этом на вычислительных средствах ИВК 20 АСПОС ОКП инициируют параллельное выполнение для всех управляемых космических аппаратов программных процедур - функций обеспечения управления КА в условиях засоренности ОКП техногенным космическим мусором. Основное назначение данных программных процедур - прогнозирование параметров относительного движения управляемых космических аппаратов и объектов техногенного происхождения, определение расстояний между этими объектами при их максимальном сближении, определение космических объектов риска, сближающихся с космическими аппаратами на расстояние, менее 15 км, прогнозирование вероятностей их столкновения, при этом расчеты и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска при прогнозировании вероятности столкновения объектов более 10^-4 осуществляют на средствах баллистического ИВК 1 из состава единого выделенного сегмента и только после приема им из ИВК 20 АСПОС ОКП информации по результатам выполнения программных процедур прогнозирования.

В общем случае способ обеспечения управления полетами космических аппаратов в условиях техногенного засорения космического пространства реализуют алгоритмом действий, содержащим следующие основные шаги:

- анализ степени риска в опасных ситуациях сближений;

- сбор и систематизацию информации по опасным сближениям с КА космического мусора;

- разработку оперативного плана проведения маневров уклонения;

- проведение на средствах наземного комплекса баллистических расчетов и отработки программ маневров уклонения;

- реализацию программ маневров уклонения.

Реализацию первых двух шагов алгоритма процесса обеспечения управления полетов КА осуществляют инициированием и выполнением на средствах ИВК 20 АСПОС ОКП следующих программных процедур:

- прогнозирование параметров относительного движения управляемых космических аппаратов и объектов техногенного происхождения;

- определение расстояний между этими объектами при их максимальном сближении;

- определение космических объектов риска, сближающихся с космическими аппаратами на расстояние, менее 15 км;

- прогнозирование вероятностей их столкновения.

В результате выполнения данные программные процедуры в ИВК 20 АСПОС ОКП формируют стандартные сообщения с указанием перечня КА, которым угрожают идентифицированные техногенные космические объекты риска (сближаются на расстояние менее 15 км), а также определяют значения вероятностей их столкновения. Данную информацию передают в баллистический ИВК 1, где после этого инициируют выполнение программной процедуры - расчет и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска при прогнозировании вероятности столкновения объектов более 10^-4. В результате выполнения в баллистическом ИВК 1 данной процедуры совместно с процедурой обработки баллистической информации реализуют следующие шаги алгоритма:

- разработка оперативного плана проведения маневров уклонения;

- проведение на средствах наземного комплекса баллистических расчетов и отработка программ маневров уклонения.

После этого программные процедуры обработки баллистической информации, формирования списков разовых команд и программ сеансов связи, обработки телеметрической информации, составления долгосрочных и суточных планов полета, обработки специфической информации, присущей каждому управляемому космическому аппарату, инициируемые и выполняемые соответственно на баллистическом ИВК 1, командном ИВК 2, телеметрическом ИВК 3, с задействованием автоматизированных рабочих мест 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16 и серверов БД 11 из состава ЛВС 19, соответствующих каждому типу угрожаемого КА, обеспечивают выполнение пятого шага алгоритма процесса обеспечения управления полетов КА - реализацию программ маневров уклонения.

Изобретение касается обеспечения управления полетами автоматических и пилотируемых космических аппаратов (КА). Оно может быть использовано при создании и развертывании центров управления полетами существующих и перспективных КА. Способ заключается в планировании и инициировании программных процедур - функций для обработки баллистической и телеметрической, а также специфической для каждого КА информации. Эти процедуры также составляют долгосрочные и суточные планы полета, проводят автоматизированную диагностику бортовой аппаратуры, формируют списки разовых команд и программ сеансов связи. Данные процедуры выполняются одновременно на средствах единого структурно выделенного сегмента, включающего в себя комплексы: баллистический, командный, телеметрический, информационно-вычислительный, моделирования и информационного обеспечения полетов. Комплексы интегрируются средствами локальной вычислительной сети. Осуществляют информационное взаимодействие между указанным сегментом и оставшимися после выделения аппаратно-программными средствами секторов управления. К локальной вычислительной сети данного сегмента с помощью стандартного интерфейса подключают информационно-вычислительный комплекс центрального ядра автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве. На этом сегменте инициируют выполнение одновременно для всех КА программных процедур - функций для прогнозирования параметров относительного движения КА и объектов техногенного происхождения. При этом определяются расстояния между этими объектами при их максимальном сближении, выявляются объекты риска (при сближении менее чем на 15 км), прогнозируются вероятности их столкновения. Реализуются маневры уклонения КА от объектов риска при вероятности столкновения более 10^-4. Расчет и проведение маневров уклонения выполняют на средствах баллистического информационно-вычислительного комплекса только после приема соответствующей информации по результатам выполнения программных процедур прогнозирования. Техническим результатом изобретения является обеспечение управления полетами КА в условиях засоренности околоземного космического пространства техногенным космическим мусором. 2 ил.

Способ обеспечения управления полетами космических аппаратов, заключающийся в планировании и инициировании программных процедур - функций обеспечения управления, реализующих обработку баллистической и телеметрической информации, составление долгосрочных и суточных планов полета, проведение автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, формирование списков разовых команд и программ сеансов связи, обработку специфической информации, присущей каждому управляемому космическому аппарату, причем данные процедуры выполняют одновременно на средствах единого структурно выделенного сегмента, включающего в себя интегрируемые средствами локальной вычислительной сети специализированные баллистический, командный, телеметрический информационно-вычислительный комплексы, комплекс моделирования и информационного обеспечения полетов, и при этом осуществляют информационное взаимодействие между структурно выделенным сегментом и оставшимися после выделения аппаратно-программными средствами секторов управления, отличающийся тем, что к локальной вычислительной сети единого структурно выделенного сегмента с помощью стандартного интерфейса подключают информационно-вычислительный комплекс центрального ядра автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, при этом на выделенном сегменте инициируют одновременное выполнение для всех управляемых космических аппаратов программных процедур - функций обеспечения управления, реализующих прогнозирование параметров относительного движения управляемых космических аппаратов и объектов техногенного происхождения, определение расстояний между этими объектами при их максимальном сближении, определение космических объектов риска, сближающихся с космическими аппаратами на расстояние, менее 15 км, прогнозирование вероятностей их столкновения, расчет и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска при прогнозировании вероятности столкновения объектов более 10^-4, причем расчеты и проведение маневров уклонения космических аппаратов от объектов риска осуществляют на средствах баллистического информационно-вычислительного комплекса только после приема им из информационно-вычислительных комплексов автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве результатов выполнения программных процедур прогнозирования.