Разработка алгоритмического обеспечения систем управления космическими летательными аппаратами

Управление космическими летательными аппаратами (KJIA) осуществляется на основе информации от различных измерительных систем. Обычно измерительные системы объединяются в измерительные комплексы, и, как правило, состоят из инерциальных навигационных систем (ИНС), спутниковых радио — навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, различных РЛС и др. [9,22,36,39,43].

При штатном движении KJIA точностные характеристики современных измерительных систем вполне удовлетворяют требованиям, предъявленным к точности навигационных определений. Однако при интенсивном маневрировании к точности, измерительной информации предъявляются повышенные требования. Разработка и производство более точных измерительных систем требует больших временных и финансовых затрат. Поэтому для повышения точности навигационной информации с целью экономии предлагается осуществлять алгоритмическую обработку сигналовуже существующих измерительных систем KJIA.

В связи с усложнением задач которые решаются с использованием навигационной информации, осуществляется комплексная обработка информации от нескольких датчиков или систем, объединенных в измерительный комплекс KJIA.

Традиционной схемой навигационного комплекса является ИНС, принятая за базовую систему, снабженная несколькими датчиками внешней информации, алгоритмами комплексирования, управления, оценивания и прогнозирования.

В настоящее время наиболее точными являются навигационные системы с коррекцией от спутников. Однако встречаются случаи, когда воспользоваться корректирующим сигналом со спутников не представляется возможным. Поэтому используются различные навигационные системы и их сочетания, а также алгоритмический метод повышения точности навигационной информации при функционировании систем в условиях активных и пассивных помех, а также при энергичном маневрировании KJIA.

Таким образом, необходимо исследовать особенности функционирования измерительных систем KJIA в различных условиях его движения и разработать алгоритмическое обеспечение, позволяющее повысить точность определения параметров KJIA, а также выбрать или синтезировать структуры систем управления, в которых будут использованы разработанные алгоритмы. Повышение точности измерительной информации алгоритмическим путем позволит использовать серийные навигационные системы, существенно повышая их точность. На основе более точной навигационной информации появляется возможность эффективно осуществлять маневры KJIA.

Целью диссертации является разработка алгоритмических способов повышения точности системы управления КЛА и навигационных определений КЛА при интенсивном маневрировании, что позволяет повысить эффективность осуществления маневров, сократить энергетические и временные затраты.

На защиту выносятся:

— на основе анализа систем управления KJIA разработаны структуры систем управления, включающие блок прогноза;

— алгоритм построения прогнозирующих моделей для экстраполяции ошибок инерциальной навигационной системы при движении КЛА на атмосферном участкегибридный модифицированный алгоритм построения прогнозирующих моделей с использованием подхода самоорганизации и нейронной сети, отличающийся повышенным быстродействиемкомпактный алгоритм самоорганизации для краткосрочного прогнозирования ошибок навигационного комплекса KJIA, включающего ИНС и GPS.

Научная новизна проведенных исследований и полученных результатов заключается в проведенном анализе наиболее перспективных систем управления и разработанных, на его основе, структур систем управления KJIA. В структурах систем управления KJIA предложено использовать блок прогноза для предсказания информации о траектории движения и ошибках в определении навигационной информации.

При движении KJIA на атмосферном участке для построения прогнозирующей математической модели ошибок базовой системы навигационного комплекса KJIA используется алгоритм самоорганизации с априорным выбором базисных функций.

Гибридный модифицированный алгоритм построения прогнозирующих моделей представляет собой симбиоз нейронной сети и метода самоорганизации. Для ускорения работы алгоритма на начальном этапе использована структура сети Вольтерра.

При использовании в навигационном комплексе ИНС и GPS возникают ситуации, когда сигнал GPS пропадает на короткое время (смена рабочего созвездия, аномальные измерения и др.) Для предотвращения потери информации предложено осуществлять краткосрочное прогнозирование информационного сигнала с помощью компактного алгоритма самоорганизации, который отличается простотой реализации.

Выполненные теоретические исследования и практические расчеты базируются на использовании теории навигационных систем, математической статистики, теории самоорганизации, оптимального управления, теории интеллектуальных систем, а также методах программирования и компьютерного моделирования.

Достоверность полученных теоретических и практических результатов подтверждается результатами математического моделирования, а также согласованностью полученных теоретических и практических результатов с имеющимися данными в литературе.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

Разработанные структуры систем управления KJIA и алгоритмическое обеспечение позволяют повысить точность осуществления маневров, увеличить точность навигационных определений KJIA, повышает эффективность функционирования KJIA в целом. Представленные структуры систем управления и алгоритмы прогнозирования могут составлять основу построения перспективных KJIA. Материалы диссертации использованы в учебном процессе кафедры ИУ-1 МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и семинарах, в том числе на:

— XXVIII академических чтениях по космонавтике, Москва, 2004;

— всероссийской международной конференции «Космонавтика, радиоэлектроника, геоинформатика», Рязань, 2003;

— VI международном симпозиуме «Интеллектуальные системы», Саратов, 2004;

— VII международной симпозиум «Интеллектуальные системы», Краснодар, 2006;

— «XXXI актуальные проблемы Российской Космонавтики», Москва,.

2007;

— «XXXII актуальные проблемы Российской Космонавтики», Москва, 2008;

— VII международной симпозиум «Интеллектуальные системы», Нижний Новгород, 2008;

— семинаре кафедры ИУ-1 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации

:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы и заключение.

Исследованы особенности функционирования измерительных систем КЛА в различных условиях его движения и разработаны элементы алгоритмического обеспечения, позволяющее повысить точность определения параметров КЛА, представлены структуры систем управления с акцептором действия, в которых использованы разработанные алгоритмы.

Разработанные алгоритмические способы повышения точности навигационных определений КЛА, представляющие различные модификации алгоритма самоорганизации позволяют повысить эффективность системы управления КЛА.

— на основе анализа систем управления КЛА разработаны структуры систем управления, включающих блок прогноза;

— алгоритм построения прогнозирующих моделей для экстраполяции ошибок инерциальной навигационной системы при движении КЛА на атмосферном участкегибридный модифицированный алгоритм построения прогнозирующих моделей с использованием подхода самоорганизации и нейронной сети, отличающийся повышенным быстродействием;

— компактный алгоритм самоорганизации для краткосрочного прогнозирования ошибок навигационного комплекса КЛА, включающего ИНС и GPS.

1. Проведен анализ наиболее перспективных систем управления и разработанных, на его основе, структур систем управления КЛА. В структурах систем управления КЛА предложено использовать блок прогноза для предсказания информации о траектории движения и ошибках в определении навигационной информации.

2. При движении KJIA на атмосферном участке для построения прогнозирующей математической модели ошибок базовой системы навигационного комплекса КЛА разработан алгоритм самоорганизации с априорным выбором базисных функций. Разработан метод непрерывного определения гравитационного поля в коридоре движения КЛА на атмосферном участке.

3. Представлен гибридный модифицированный алгоритм построения прогнозирующих моделей, который представляет собой симбиоз нейронной сети и метода самоорганизации. Для ускорения работы алгоритма на начальном этапе использована структура сети Вольтерра.

4. При использовании в навигационном комплексе ИНС и GPS возникают ситуации, когда сигнал GPS пропадает на короткое время. Для предотвращения потери информации предложено осуществлять краткосрочное прогнозирование информационного сигнала с помощью компактного алгоритма самоорганизации, который отличается простотой реализации, и последующую коррекцию в выходном сигнале ИНС.

5. При длительном отсутствии сигнала GPS разработаны алгоритмы самоорганизации с априорным выбором базисных функций и с учетом эффекта инбридинга. Использование этих алгоритмов в схеме коррекции ИНС позволяют существенно повысить точность навигационной информации в автономном режиме работы системы.

Разработанные структуры систем управления КЛА и алгоритмическое обеспечение позволяют повысить точность осуществления маневров, увеличить точность навигационных определений КЛА, повышает эффективность функционирования КЛА в целом. Представленные структуры систем управления и алгоритмы прогнозирования могут составлять основу построения перспективных КЛА.