Метод решения многоцелевой задачи управления движением околоземной пилотируемой станции на больших временных интервалах

Полёты долговременных пилотируемых станций начались в 1971 году. Станции первых двух поколений («Салют-1», «Салют-3», «Салют-4», «Салют-5») имели ограниченный ресурс, не превышавший 180 суток для станций второго поколения.

Единственная американская станция «Скайлэб», не имеющая собственных двигателей, находилась в космосе в течение 6 лет вследствие её выведения на высоту 430 км и трёх поддержаний орбиты средствами транспортных кораблей «Аполлон», доставлявших экипажи экспедиций на станцию.

Таким образом, до 1977 г. в мировой практике обеспечения функционирования станций рассматривались только задачи поддержания орбиты.

В сентябре 1977 г. была выведена на орбиту долговременная станция «Салют-6» третьего поколения, снабженная двумя стыковочными узлами и предусматривающая дозаправку топливом, доставляемым грузовыми кораблями «Прогресс». Это позволило увеличить время активного функционирования станции до нескольких лет.

Впервые перед баллистиками была поставлена задача обеспечения не только поддержания высоты полёта, но и формирования рабочей орбиты (ФРО) станции перед выведением транспортного корабля (ТК) «Союз». Необходимость ФРО была обусловлена высокими требованиями к точности фазового рассогласования между станцией и ТК «Союз» в момент выведения при односуточном сближении. Вероятность случайного выполнения указанного требования составляла менее 10%.

В дальнейшем появились дополнительные требования к параметрам орбиты станции, связанные с обеспечением оптимальных условий сближения со станцией грузовых ТК и прохождением трассы станции через определенные районы земной поверхности.

Возникла необходимость планирования совокупности манёвров, времена и значения которых нельзя было рассматривать независимо друг от друга. Потребовался новый концептуальный подход к управлению движением станции при ФРО, в соответствии с которым должен осуществляться поиск совместных решений задачи для ряда независимых требований программы полёта к параметрам орбиты.

С появлением международной космической станции (МКС) возникли дополнительные требования к баллистическим условиям полёта со стороны членов кооперации. В практику управления полётом была введена процедура уклонения от космического «мусора», повышающая неопределенность условий решения задачи ФРО.

Таким образом, потребовалось решение новой задачи планирования управляемого движения станции, не имевшей аналогов среди существовавших задач баллистического обеспечения. Особенностями новой задачи являлись многомесячные интервалы маневрирования и наличие разнесенных по времени (политерминальных) требований к параметрам орбиты.

Политерминальность условий задачи, влияние случайных вариаций плотности атмосферы и возмущений орбиты в процессе функционирования станции требовали рассмотрения всего множества возможных решений задачи с целью последующего выбора решения, устойчивого к условиям неопределённости исходных данных.

Таким образом, условия функционирования околоземных пилотируемых станций и особенность планирования их работы, связанная с распределением операций на больших интервалах времени, позволяют считать сложную научно-техническую задачу планирования долговременных схем ФРО станции актуальной.

Объектом исследования является околоземная пилотируемая космическая станция.

Предмет исследования — методы управления движением станции при ФРО.

Целью работы является повышение эффективности выполнения программы полёта околоземной космической станции за счёт разработки метода долговременного планирования управления движением станции при ФРО в условиях влияния случайных флуктуаций плотности атмосферы, при политерминальных требованиях к орбитальным параметрам и неполной определенности исходных данных.

Достижение цели осуществлялось в результате проведения исследований в следующей последовательности:

— исследовалось управление движением центра масс пилотируемых станций с целью выявления всего множества ситуаций, связанных с баллистическим обеспечением выполнения требований к параметрам орбиты, и оценки особенностей, требующих неординарных методических подходов;

— проводилась классификация решавшихся баллистических задач по основным признакам, определяющим общность метода решения, и выявлялись задачи, требующие разработки новых методов решения;

— формулировались задачи ФРО;

— исследовался один из наиболее важных возмущающих параметроввлияние плотности атмосферы на движение станций в диапазоне высот их функционирования при различных уровнях солнечной активности;

— разрабатывались методики оценки характеристической скорости поддержания орбиты и определения взаимосвязи между разнесёнными по времени трассами станции;

— рассматривались вопросы снижения параметричности задачи в результате перехода к обобщенным параметрам терминальных условий при агрегировании операционных дат;

— разрабатывался метод общего решения задачи планирования управления движением станции при ФРО, позволяющий исследовать всё множество решений.

В соответствии с поставленной целью в работе решена научно-техническая задача, связанная с разработкой метода долговременного планирования управления движением станции.

Методы исследования. В работе использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории случайных функций, номографии.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Предложена концепция долговременного планирования многоцелевого управления движением станции, функциями которого являются выполнение разнесенных по срокам требований к параметрам орбиты станции при условии минимизации топлива на поддержание орбиты, включающая:

— многомесячные интервалы управления движением;

— необходимость парирования нерасчётных возмущений орбиты;

— удовлетворение баллистическим требованиям реализации разнесенных по срокам операций на станции при неполной определенности исходных данных.

2. На основе исследования движения станций «Салют», «Мир» и МКС получены эмпирические зависимости, позволяющие вычислять влияние атмосферы на скорость снижения высоты полета.

3. Выведена аналитическая зависимость прогноза трассы станции от высоты полёта, и получены номограммы соответствия между долготами восходящих узлов орбиты станции при выведении и спуске ТК.

При решении указанной задачи в работе получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:

1. Постановка задачи управления движением пилотируемой станции, ранее не входившей в число задач баллистического обеспечения и вызванной необходимостью долговременного формирования рабочих орбит в стохастических условиях.

2. Аналитические соотношения, позволяющие вычислить влияние плотности верхней атмосферы Земли на скорость снижения высоты полёта околоземных пилотируемых станций в диапазоне высот их функционирования при разных уровнях солнечной активности, полученные на основе обработки результатов наблюдений за движением отечественных станций в течение 30-летнего периода.

3. Методики оценки приращения характеристической скорости, необходимой для поддержания орбиты на долговременном интервале, и определения смещения трассы в зависимости от высоты полёта станции и продолжительности прогноза.

4. Методика нахождения областей существования решений задач долговременного формирования рабочих орбит на основе разработанного способа геометрической интерпретации управления движением станции.

5. Применение разработанного метода для оценки влияния факторов, связанных с изменением продолжительности временного интервала формирования рабочей орбиты, с распределением характеристической скорости поддержания орбиты между участками маневрирования, с наличием разнесенных по времени требований и со смещением операционных дат, на области решений.

Научная значимость работы заключается в развитии методов баллистического обеспечения околоземных пилотируемых станций в части методологии долговременного планирования.

Практическая значимость результатов определяется прикладной направленностью исследований, включающей разработку метода решения новой задачи космической баллистики и внедрение его в практику управления полётов станций «Мир» и МКС. Решение задачи долговременного ФРО при одновременном поддержании высоты полёта станции широко использовалось в процессе баллистического обеспечения полёта станций «Салют» и «Мир» и показало высокую эффективность подобного подхода. Разработанный метод в настоящее время используется в практике баллистического обеспечения управления движением центра масс МКС. Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами.

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов обеспечивается соответствием математических моделей изучаемым явлениям при принятых допущениях, корректностью формализации и подтверждается практикой успешного внедрения разработанного метода в процесс управления движением станций.

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертационной работы докладывались на III и IV Международных конференциях «Малые спутники, новые технологии.

Области эффективного применения в XXI веке" (г. Королев, 2002 и 2004 гг.), на XI и XV Гагаринских чтениях (г. Москва, 1981 и 1985 г. г.), а также на научных семинарах ЦУП-М ФГУП «ЦНИИмаш» и кафедры 604 МАИ. По теме диссертации опубликовано 5 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобразования России, а также подготовлена глава 10 для монографии «Навигационное обеспечение полёта орбитального комплекса «Салют-6» — «Союз» — «Прогресс» под редакцией Б. Н. Петрова и И. К. Бажинова.

Вклад автора в проведение исследований заключается:

— в разработке концепции и постановке задач долговременного планирования управления движением станции при ФРО;

— в разработке метода решения задач долговременного ФРО и выводе приближенных аналитических соотношений для оценки влияния атмосферы на движение станции на основе обработки результатов наблюдений за движением российских станций в течение 30-летнего периода;

— в организации работы и личном участии в формировании рабочих орбит станций «Салют», «Мир» и МКС;

— в подготовке исходных данных и анализе результатов реализации схем ФРО и поддержания орбит станций.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 15 наименований и трёх приложений. Общий объем диссертации — 153 страницы машинописного текста, в том числе: 140 страниц основного текста и 13 страниц приложений, 18 рисунков, 7 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы, посвящённой управлению движением станции при ФРО, сводятся к следующему:

1. Выявлены особенности управления движением станции при долговременных формированиях рабочих орбит и выделено четыре типа задач по признакам общности методов решения.

2. Сформулирован новый класс ранее не рассматривавшихся при баллистическом обеспечении полёта задач управления движением станции при долговременном формировании рабочих орбит с множеством разнесённых по времени требований к параметрам орбит и при случайном характере вариаций плотности атмосферы, и проведена их математическая постановка.

3. Разработан алгоритм решения задачи долговременного формирования рабочей орбиты при отсутствии дополнительных требований к параметрам орбиты внутри временного интервала формирования, как задачи двухэтапного стохастического программирования.

Разработан метод решения многоцелевой задачи планирования долговременного управления движением станции.

Исследован один из наиболее важных возмущающих фактороввлияние плотности атмосферы на движение станций. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить влияние атмосферы на скорость снижения высоты полёта и прогнозировать расположение плоскости орбиты относительно поверхности Земли.

Разработаны методики для оценки характеристической скорости поддержания орбиты на долговременных этапах полёта станции и для сокращения параметричности задач в результате перехода к обобщенным параметрам терминальных условий.

С использованием разработанного метода решения многоцелевой задачи планирования получены оценки критических ситуаций управления и проведен анализ влияния смещений операционных дат, а также изменения продолжительности формирования рабочей орбиты и затрат характеристической скорости на поддержание орбиты на схему управления.

Данный метод был апробирован при баллистическом обеспечении полётов станций «Мир» и МКС и показал хорошие результаты. В течение последних 15 лет было реализовано около 30 схем формирования рабочих орбит, обеспечивших оптимальные условия сближения транспортных кораблей со станцией.

Заключение

.

Функционирование современных пилотируемых околоземных космических станций предусматривает планирование соответствующих операций, выполнение которых в ряде случаев требует решения специальной задачи, получившей название «Формирование рабочей орбиты (ФРО)».

Отличительными особенностями ФРО является значительная продолжительность интервала времени планирования соответствующих операций, а также наличие политерминальных условий, которые необходимо обеспечить как в конце, так и в промежуточные моменты интервала ФРО.

Полёт станции сопровождается разнообразными возмущающими факторами, в число которых входят случайные флуктуации плотности атмосферы, нештатные ситуации функционирования станции (например, необходимость уклонения от космического «мусора») и непредсказуемые изменения терминальных условий.