Галкина, Анастасия Сергеевна. Синтез программ управления угловым движением космического аппарата для съемки криволинейных маршрутов : Галкіна, Анастасія Сергіївна. Синтез програм управління кутовим рухом космічного апарату для зйомки криволінійних маршрутів

Краткое описание

Галкина, Анастасия Сергеевна. Синтез программ управления угловым движением космического аппарата для съемки криволинейных маршрутов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.09 / Галкина Анастасия Сергеевна; [Место защиты: Сам. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева].- Самара, 2011.- 143 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/2773

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА национальный исследовательский университет»
На правах рукописи
04201161897
Галкина Анастасия Сергеевна
СИНТЕЗ ПРОГРАММ УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ СЪЁМКИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ
МАРШРУТОВ
Специальность 05.07.09 - Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель
д.т. н., профессор Мантуров А.И.
САМАРА 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ .
Список основных обозначений. — 4
Введение:.... — 5;
1. Управление угловым^ движением ЬСАіДЗЗї 14
К1 .Г1рограмма1управления1угловым*движениемгЕ1А Д331. .... 14
1.2Ж6дель движения^центрамасс;КА. — Г8|
КЗ-Виды зондирования^ реализуемые современными КА^ДЗЗ;............ 19>
1.41 Формализациякриволинейногогмаршрута;. ;—г .26/
1.5.Постановка задачи синтеза ПУУД на криволинейном маршруте...... 37
2. Основные аналитические соотношения .для определения параметров программ управления угловым движением на интервале: наблюдения^ криволинейного маршрута... , 41
I
I 2.1. Определение основных геометрических характеристик
I ' ■' , лл,
центральной линии маршрута; 41
2.2. Построение программной системы координат. 46
2:3.Определение скорости движения по земной поверхности
точки пересечения с ней ЦЛВ относительно FGK 47
2.4;Определение угловой;скорости и< ускорения КА-. 48
3. Определение области допустимых для синтеза программ; управления? значений кривизны ЦЛМ, параметра бега изображения и угла* упреждения:.— 53
3.1. Определение ограничения на кривизну ЦЛМ в зависимости от допустимой угловой скорости КА. 53
3.2. Определение ограничения для кривизны ЦЛМ в зависимости от допустимого коэффициента смещения 63
3.3. Методика; построения области допустимых значений кривизны ЦЛМ для синтеза программы управления в зависимости от параметра бега изображения 73
3.4. Алгоритм определения* области допустимых для синтеза программы управления значений параметра бега изображения в
зависимости от угла упреждения 83
4. Синтез программ управления КА на интервале наблюдения криволинейного маршрута 92
4.1. Схема синтеза программного углового движения для съёмки криволинейного маршрута 92
4.2. Алгоритм выбора значений угла упреждения и параметра бега изображения из области допустимых значений 94
4.3 .Алгоритм формирования программы управления угловым
движением для съёмки криволинейного маршрута 96
4.4. Моделирование ПУУД для съёмки криволинейных
маршрутов 100
5. Оценка точности формирования программы управления угловым движением на криволинейном маршруте 110
5.1. Анализ точности формирования программы управления угловым движением КА на интервале наблюдения 112
5.2. Анализ точности реализации программ управления угловым движением КА при использовании системы спутниковой навигации 115
Заключение 126
Список использованных источников 127
Приложение 137
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АЗ - аппаратура зондирования;
БКУ - бортовой комплекс управления;
БСКВУ - бортовое синхронизирующее координатно-временное устройство;
ГЄК - гринвичская система координат;
ДЛВ - дополнительная линия визирования;
ИСК - инерциальная система координат;
КА ДЗЗ - космический аппарат дистанционного зондирования Земли;
ОСК - орбитальная система координат;
ПСК - программная система координат;
ПУ - программа управления;
ПУУД — программа управления угловым движением;
ССН - система спутниковой навигации;
ЦЛВ - центральная линия визирования;
ЦЛМ - центральная линия маршрута;
Аотн ~ относительный азимут; а - угол захвата аппаратуры зондирования;
(3 - угол конуса обзора;
(Wxn /0)ЗАд - параметр бега изображения;
Зу - угол упреждения по тангажу; кем - коэффициент смещения;
к - модуль вектора кривизны центральной линии маршрута;
U - область допустимых значений кривизны ЦЛМ в зависимости от параметра бега изображения с учётом ограничений по угловой скорости КА и коэффициента смещения;
ид — область допустимых значений параметра бега изображения в зависимости от угла упреждения;
со - модуль вектора абсолютной угловой скорости вращения КА; є - модуль вектора абсолютного углового ускорения КА.
ВВЕДЕНИЕ
Построение и реализация программ управления угловым движением космических аппаратов дистанционного зондирования земли (КА ДЗЗ) для съёмки различных участков земной поверхности оказывают определяющее влияние на основные показатели аппаратов. Достижение желаемых показателей по оперативности, производительности и качеству получаемой информации зависит от возможностей бортовых комплексов управления (БКУ) КА обеспечивать съёмку участков поверхности - маршрутов наблюдения, имеющих различные характеристики. К числу характеристик могут относиться геометрическая форма центральной линии маршрутов, их длина и ширина (полоса захвата аппаратуры зондирования (АЗ)) и другие.
Цель
объектная

Рисунок 1 - Виды съёмки

ф, град

Х.град
Рисунок 2 - Пример задания кусочно-линейного маршрута, угол захвата АЗ а = 0,75°

Рисунок 3 - Пример задания площадки, угол захвата АЗ а = 1,93°
Однако, этот способ снижает оперативность получения информации при зондировании протяжённых объектов и предъявляет повышенные требования к
Современные КА ДЗЗ предназначены для съёмки маршрутов, центральная линия которых является трассой полёта КА или эквидистантна ей (например, Ikonos, QuickBird, Komposat-2, Ресурс-О), а также для проведения азимутальной съёмки, при этом центральная линия маршрутов расположена
под некоторым углом к трассе полёта (Ресурс-ДК, WorldView, Монитор-Э, QuickBird-2, OrbView-3, Pleiades, GeoEye-1). Вместе с тем для наблюдения ряда объектов маршруты можно располагать в непосредственной близости друг к другу, группируя их в так называемую «площадку» (рисунок 2) или в кусочно-линейный маршрут (рисунок 3).
системе ориентации КА для перенацеливания между маршрутами. Использование криволинейного маршрута, центральная линия которого проходит вдоль планируемых объектов наблюдения, означает возможность получения за один сеанс зондирования информации о целях сложной конфигурации, отвечающей, например, линиям железных и шоссейных дорог, линиям нефтепроводов, береговым линиям и т. п. (рисунок 4).
Я*, град

Л, град
Рисунок 4 - Пример задания криволинейного маршрута, угол захвата АЗ а = 0,75°

В настоящее время большинство КА ДЗЗ с установленной на них оптико-электронной аппаратурой зондирования высокого разрешения осуществляют съёмку земной поверхности в так называемом режиме “заметания”. В этом режиме за время экспозиции перемещение визируемой линии местности (оптической осью АЗ) не превышает проекции одного фоточувствительного элемента на местность в направлении сканирования. При этом для получения высококачественного изображения к БКУ предъявляются требования по решению следующих задач:
- синтеза программ управления угловым движением КА для наведения линии визирования (оптической оси АЗ) на центральную линию задаваемого маршрута,
- определения* программных значений продольных и поперечных составляющих скорости, сдвига изображения в фокальной плоскости и другой необходимой* информации для.управления работой АЗ на маршруте,
- реализации программ управления с учётом- ограничений по динамическимхарактеристикамаппарата.
С целью эффективного решения' этих задач наиболее перспективным является- использование программно-координатного метода управления* космическими аппаратами; реализация^ которого предполагает использование передаваемых с наземных средств исходных данных по районам зондирования, автономное решение задач баллистико-навигационного обеспечения, и формирование программ управления КА в, БКУ. Последнее является важной отличительной особенностью метода. Расчёт законов программного углового движения в БКУ может проводиться, непосредственно перед участком зондирования. Погрешности расчётных параметров, обусловленные ошибками прогноза параметров движения центра масс КА, определяемых системой спутниковой навигации, относительно^ малы. Эффективность автоматизированных систем управления таких КА выше, что позволяет автономно решать с достаточной точностью широкий круг задач в БКУ в течение нескольких суток автономного полёта.
Как показывает анализ известных публикаций [8, 10, 14, 22, 24, 34, 39, 61], управление КА ДЗЗ до недавнего времени осуществлялось преимущественно с использованием • программно-временного метода управления. Законы программного углового движения рассчитывались в наземном комплексе управления КА, после чего передавались в БКУ и отрабатывались исполнительными органами системы управления движением КА. Времена включения АЗ также рассчитываются в наземном комплексе управления. Расчёт проводится задолго до участка зондирования, при этом погрешности расчётных параметров, обусловленные ошибками прогноза движения центра масс КА, достаточно велики. Эффективность
автоматизированных систем управления таких КА ДЗЗ не удовлетворяет современным требованиям, а круг решаемых ими задач ограничен.
Современные требования, предъявляемые к космической съёмке, приводят к существенному повышениюs требований' к управлению современными и перспективными-КА ДЗЗ по улучшению таких показателей как качество' получаемой информации, производительность, автономность и оперативность доставки получаемой информации потребителям [2,12,13, 20, 55, 89]. При этом в значительной степени меняется характер и перечень решаемых задач по управлению движением КА ДЗЗ, включая сюда задачи его навигационного обеспечения, а также задачи по управлению бортовой аппаратурой при наблюдении задаваемого множества районов зондирования [8-11, 26, 34, 35]. Например, для КА «Ресурс-ДК», оснащённого оптико-электронным телескопическим- комплексом, районы зондирования представляют собой маршруты съёмки, которые могут иметь произвольное расположение относительно трассы полёта [11]. В общем случае на любом заданном интервале полёта КА ДЗЗ потенциальные районы зондирования могут образовать весьма интенсивный поток маршрутов съёмки в виде их некоторого множества переменного состава и с изменяющимися условиями зондирования, каждого из них. Очевидно, что в таких условиях управление функционированием КА ДЗЗ, обычно осуществляемое с помощью наземного комплекса управления, может оказаться неэффективным без привлечения ресурсов БКУ.
Исследованиями вопросов управления угловым движением КА ДЗЗ с точки зрения проектного обоснования их основных показателей и выполнения требований по управлению устанавливаемой на аппаратах ОЭА занимались Аншаков Г. П., Батраков А. С., Ханцеверов Ф. Р., Остроухов В. В., Малышев В. В., Полищук Г. М., Мануйлов Ю. С., Бородин М. С., Мантуров А. И., Горелов Ю. Н., Красильщиков М. Н. и другие авторы. Значительная часть исследований относится к управлению аппаратами для осуществления съёмки маршрутов широкозахватной ОЭА, съёмки маршрутов с
отклонением оптической оси* по углам- крена и тангажа аппарата. Такие исследования проводились в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», НПО им. С. А. Лавочкина, ФГУП ГКНПЦ им. М. В: Хруничева, РКК «Энергия» им. С. П. Королёва, ФГУП «КБ «АРСЕНАЛ», ВКА им. А. Ф. Можайского, ФГУП ЦНИИМАШ, МАИ, ©АО- «ЛОМО», ’ СГАУ, СамГУ и других организациях.
Данные по используемым методам управления» зарубежными КА ДЗЗ, крайне ограничены, что связано, в первую-очередь, с назначением КА. Тем не менее, известные характеристики лучших зарубежных КА ДЗЗ. позволяют сделать вывод о высокой эффективности их систем управления.
Технической базой для реализации различных видов зондирования маршрутов с использованием ОЭА в. режиме “заметания“ явилось создание систем ориентации, позволяющих выполнять пространственную ориентацию КА при сканировании маршрутов с произвольным расположением* их центральной линии относительно трассы полёта.
Таким образом, синтез программ, управления КА для съёмки криволинейных маршрутов требует проведения исследований по следующим направлениям:
- определение характеристик криволинейных маршрутов;
- выполнение ограничений по управлению аппаратами при проведении съёмки криволинейных маршрутов;
- построение алгоритмов синтеза программ управления аппаратами и аппаратурой зондирования в составе математического обеспечения БКУ. Актуальность настоящей работы обусловлена практической
необходимостью синтеза программ управления угловым движением КА ДЗЗ для съёмки криволинейных маршрутов, что определяет возможность улучшения показателей эффективности аппаратов.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности КА ДЗЗ на основе реализации съёмки криволинейных маршрутов наблюдения
на поверхности Земли. Для достижения этой цели в работе решается совокупность следующих задач:
1. формализация, характеристик криволинейных маршрутов и* вариантов их задания;
2. построение допустимой области изменения кривизны центральной линии- маршрута (ЦЛМ) в зависимости от ограничений на модуль угловой скорости КА и на коэффициент смещения;
3. построение алгоритма синтеза программ управления угловым движением аппарата на криволинейном маршруте в БКУ;
4. оценка точности формирования и реализации программ управления угловым движением КА при использовании системы спутниковой навигации.
Объектом исследования является управление космическим аппаратом дистанционного зондирования.
Предметом исследования является программа управления космическим аппаратом дистанционного зондирования для съёмки криволинейного маршрута.
Методы исследований основаны на использовании теории полёта КА, теории управления движением КА, численных методов решения задачи синтеза.
Научная новизна заключается в следующем:
1. предложена методика построения допустимой области изменения кривизны центральной линии маршрута на основе формализации её степенными полиномами с учётом ограничений на модуль угловой скорости КА и на коэффициент смещения;
2. разработан алгоритм синтеза программ управления угловым движением КА на криволинейных маршрутах;
3. предложен алгоритм оценки точности реализации программ управления угловым движением КА.
Достоверность результатов подтверждается использованиемшолученных аналитических соотношений и алгоритмов определения углового движения КА, базирующихся, на методах теоретической; механики, баллистики, динамики: полёта; а* также методах численного, интегрирования; В- работе* приведены* результаты численного, моделирования, их анализ, и сравнение' с соответствующими^ данными, ■ полученными' применительно; к эксплуатируемому КА «Ресурс-ДК».
Практическая значимость работы состоит в применении:
1. предложенных методики и алгоритмов^ для проектно-баллистического обоснования,и проектирования разрабатываемых КА ДЗЗ;
2. разработанных алгоритмов в программном обеспечении* БКУ КА ДЗЗ,. позволяющих, улучшить показателиих эффективности..
Реализация результатові работы. Научные и практические результаты работы, в виде научно-технических отчетов и материалов эскизных проектов используются, в проектных исследованиях и разработках ГНПРКЦ “ЦСКБ- Прогресс”, а также нашли- применение в документации1 по управлению^ находящихся в эксплуатации КА ДЗЗ; что подтверждается актом внедрения. Результаты работы используются в учебном процессе СГАУ им. С. П: Королёва в учебно-исследовательских работах студентов, а также в лекционных материалах по курсу “Управление движением твёрдого тела” на кафедре теоретической механики.
На защиту выносятся следующие положения:
1. формализация с помощью степенных полиномов ЦЛМ для использования в БКУ;
2. методика построения, допустимой области изменения кривизны ЦЛМ с учётом ограничений на модуль угловой скорости КА и на коэффициент смещения;
3. алгоритм оценки возможности реализации криволинейного маршрута с заданной кривизной;
. 13
4. алгоритм синтеза программ управления угловым движением аппаратов на криволинейных маршрутах;
5. алгоритм оценки- точности реализации программ управления: угловым движениемКА. . Апробация работы; Основные результаты работы, докладывались на*
международных, и, российских конференциях. Были сделаны доклады- на следующих конференциях: . '
- на XVI и XVII Санкт-Петербургской международной конференции, по» интегрированным навигационным системам (г. Санкт-Петербург, 2009 г., 2010 г.),
- на XIV Всероссийском семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2009 г.),
- на XIV и XV международной научной, конференции “Системный^ анализ, управление и навигация” (г. Евпатория; 2009 г., 2010 г.),
- на Всероссийской научно-технической конференции “Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества” (г. Самара, 2009 г.). Публикации: Основное содержание диссертационной* работы отражено в г
8 печатных работах, из которых 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах [25, 26, 27], определённых Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации, две статьи [28, 29] и* тезисы трёх докладов в сборниках трудов конференций [30-32].
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем 143 страницы, в том числе 133 рисунка. Список литературы включает 90 наименований. 

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведённые исследования параметров і программы; управления угловым движением^ КА ДЗЗ? на интервале; наблюдения? криволинейного маршрута? позволяют сделать следующие выводы. .
Is. Методика?, построения! допустимой^ области;; изменения кривизны* ЩЛМ* с учётом ограничений на? модуль угловой скорости КА и; коэффициент, смещения: позволяет, определять необходимые условия? для синтеза программ управления; с использованием формализации? степенными; полиномами центральной линии криволинейного маршрута.
2. Разработан алгоритм определения области* допустимых значений; параметра- бега изображения; в зависимости от угла упреждения, позволяющий давать оценку? возможности; реализации; криволинейного* маршрута. . .
3. На рснове разработанного алгоритма синтеза в БКУ программ управления угловым движением КА на криволинейных маршрутах получены результаты- моделирования,. подтверждающие возможность повышения оперативности; съёмки; протяжённых объектов по сравнению с другими видами съёмки.
4. Разработан алгоритм оценки точности реализации программ управления, использование которого позволяет улучшить точность определения фактических координат узловых точек маршрутов.
Предложенные методика и алгоритм синтеза ГГУУД могут использоваться при проектно-баллистическом обосновании перспективных КА, осуществляющих съёмку криволинейных маршрутов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Алексеев, К .Б., Бебенин Г. F. Управление космическими летательными аппаратами [Текст] / К. Б; Алексеев, Г. Г. Бебенин. — М.: Машиностроение, 1974.-340 с. ’
2. Управление космическими^ аппаратами, зондирования Земли: Компьютерные технологии [Текст]' / Д. И.' Козлов, Г. И. Аншаков, Я. А. Мостовой, А. В. Соллогуб,- М.: Машиностроение, 1998. — 368 с.
3. Козлов В. И. Системы автономного управления летательными аппаратами [Текст] / В. И. Козлов. - М.: Машиностроение, 1979. - 216 с.
4. Разыграев А. П. Основы управления полётом космических аппаратов* [Текст] / А. П. Разыграев. — М.: Машиностроение, 1990. — 480 с.
5. Гонин Г. БІ Космические съёмки Земли [Текст]* / Г. Б. Гонин. — Л.: Недра; 1989.-252 с.
6: Гарбук С. В., Гершензон В! Е. Космические системы дистанционного
зондирования.[Текст] / С. В. Гарбук, В. Е. Гершензон. - М.: Изд-во А и Б, 1997.-296 с.
7. Кирилин А. Н. Основные результаты и планы ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» по созданию космических средств ДЗЗ социально-экономического назначения [Текст] / А. Н. Кирилин, Р. Н. Ахметов, Г. П. Аншаков. // Вопросы электромеханики. Труды НГ111ВНИИЭМ, 2008. - Т.105. - G.40-48.
8. Аншаков Г. П. Интегрированная система управления угловым движением космического аппарата дистанционного зондирования Земли [Тескт] / Г. П. Аншаков, Ю. Г. Антонов, А. И. Мантуров, Ю. М. Установ, Б. Е. Ландау, В. Г. Пешехонов. // Сб. трудов IX Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам, 2002. - С. 77¬84.
9. Аншаков Г. П. Моделирование программ управления угловым движением космического аппарата дистанционного зондирования при сканировании набегающего потока районов наблюдения [Текст] / Г. П. Аншаков,
А. И. Мантуров, Ю. М. У сталов, : Ю: Н; Горелов, О. И; Горелова,
С. Б. Данилов. // Сб. трудов* XII Санкт-Петербургской конференции} по интегрированным-навигационным системам; .2005.'- С. 58-64;
10. Аншаков^ Г. П: Управление угловым; движением^ космического- аппарата дистанционного зондирования [Тескт] / Г. П: Аншаков, Ю: Ні Горелов, А^ Ж Мантуров; КШ М: Усталов:,// Научно-технйческий?журнал:«Полёт». -