1.2 Анализ современной структуры построения НБО при использовании СРНС

Целью навигационного обеспечения НКА является определение и прогнозирование ПДЦМ КА для получения необходимых для управления навигационных данных с требуемой точностью и оперативностью для использования в различных системах КА.

в российских КАДЗЗ, которые относятся к НКА для НБО предпочтительно использовать информацию, полученную от спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС.

К основным системам НКА, использующим навигационную, информацию относятся /44/:

системы стабилизации и ориентации НКА;

система определения углового положения;

системы управления движения центра масс, в том числе:

системы управления корректирующими маневрами,

системы управления спуском;

система управления аппаратурой ДЗЗ.

Система управления движением (СУД) КАДЗЗ реализует следующие основные функции управления КА:

управление на начальном участке полета;

управление при работе аппаратуры ДЗЗ;

управление при работе двигательной установки;

управление при работе системы автономной навигации (САН).

Основными показателями работы СУД является;

точность ориентации КАДЗЗ, в том числе точность наведения оптической оси на объект наблюдения;

точность определения углового положения;

точность стабилизации программного положения;

точность исполнения маневра;

точность реализации программного поворота.

К показателям БКУ, непосредственно зависящим от качества (точности) навигационной информации, относятся:

точность определения скорости компенсации сдвига изображения;

автономность бортового комплекса управления;

производительность бортового комплекса управления;

точность наведения оптической оси аппаратуры ДЗЗ на объект;

точность исполнения маневра.

Опишем важнейшие из перечисленных показателей БКУ:

Под автономностью КАДЗЗ понимают способность КА выполнять поставленные перед ним задачи с заданным уровнем качества без связи с Землей в течение некоторого интервала времени полета /40/.

Под производительностью КАДЗЗ принято понимать характеристику, определяющую количество информации наблюдения, получаемое КАДЗЗ за определенный интервал времени /40/.

Оперативность наблюдения КАДЗЗ определяется оперативностью выхода КА в заданный район и оперативностью перенацеливания аппаратуры наблюдения /40/.

Точность наведения оптической оси КАДЗЗ на объект будет оцениваться величиной отклонения точки цели от точки пересечения оптической оси с поверхностью Земли.

Для осуществления привязки к географическим координатам изображения земной поверхности, поступающего из аппаратуры дистанционного зондирования информации, необходимы знания радиуса-вектора F КА в моменты работы аппаратуры и ориентации ее оптической оси 1.

важное место в эксплуатации КАДЗЗ занимают точностные характеристики: -точность определения скорости компенсации сдвига изображения бУк - f ^^ /40/,

где W вектор относительной скорости точки пересечения линии визирования "КАДЗЗ - цель" и поверхности Земли на уровне цели в плоскости, параллельной фокальной плоскости объекта КАДЗЗ; d - дальность до цели; f- фокусное расстояние аппаратуры ДЗЗ;

Таким образом, точность определения скорости компенсации сдвига изображения

5Vk в БКУ определяется точностью определения отношения o вектор ^/j определяется

Wv / W, /

обычно величинами проекций , на оси прямоугольной связанной с КАДЗЗ

системы координат ОХсУс^с, начало которой совпадает с центром масс КАДЗЗ, ось ОХс совмещена с оптической осью аппаратуры наблюдения, ось ОУс параллельна направлению

движения носителя информации в аппаратуре навигации, ось OZc дополняет систему до правой.

величина погрешности определения зависит от таких характеристик, как точность

ориентации и стабилизации НКА по каналам тангажа, крена и рыскания; точность определения и прогнозирования ПДЦМ на момент работы аппаратуры наблюдения по положению бг и скорости 5V, а также точности бортовой шкалы времени 5t.

К параметрам навигации для обеспечения приемлемой точности определения скорости компенсации сдвига изображения \7к предъявляются высокие требования. Зависимость ошибки определения скорости компенсации сдвига изображения (5Vk) от ошибки по высоте (5h) является почти пропорциональной. Таким образом, для уменьшения ошибки необходимо уменьшить ошибку по высоте 5h.

Одним из характерных режимов функционирования КАДЗЗ является автономный попет.

перед началом автономного полета провести уточнение баллистического коэффициента НКА (Sg) на интервале, который предшествует автономному полету и равному по продолжительности периоду автономного полета;

в процессе автономного полета при отсутствии динамических операций обновлять значение Sg в БКУ.

Целью н авигационно-балл истичес кого обеспечения КА является обеспечение навигационной информацией бортовых и наземных средств управления с требуемой точностью.

в задачи навигационно-баллистического обеспечения входят:

определение в НКУ вектора начальных условий движения центра масс КА;

прогнозирование ПДЦМ НКА в наземном комплексе управления (НКУ);

определение для БКУ и наземных средств и служб согласованных начальных условий движения КА в НКУ;

прогнозирование ПДЦМ НКА в БКУ.

Под начальными условиями движения КА понимается вектор состояния (t, Г, V, Эб), по которому рассчитывается положение и скорость КА на любой момент времени, где г- радиус-вектор НКА, V- вектор скорости НКА в выбранной системе координат с привязкой по времени (t), Sg - баллистический коэффициент (м3/кг с2). Баллистический коэффициент определяется следующим образом

Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления (безразмерный);

Sm - площадь миделева сечения, определенная как проекция НКА на плоскость, перпендикулярную направлению скорости полета;

m - масса НКА.

При выборе и реализации алгоритмов обработки навигационных измерений и получения навигационной оценки на борту НКА могут возникнуть существенные проблемы, обусловленные ограниченностью ресурсов БЦвМ.

Научная аппаратура заказчика, установленная на борту НКА, является одним из потребителей навигационной информации. Для проведения научного эксперимента на борту КА может понадобиться навигационная информация для привязки результатов эксперимента по времени и по положению на всех этапах проведения. Для проведения эксперимента может понадобиться хронологическая навигационная картина его проведения. Это может быть необходимо и для управления самим экспериментом в зависимости от условий его прохождения. Таким образом, в современных и проектируемых НКА появился дополнительный потребитель навигационной информации: научная аппаратура заказчика.

в практике разработки и эксплуатации НБО КАДЗЗ утвердилась традиционная схема снабжения потребителей навигационной информацией, при которой СУД, система управления аппаратурой ДЗЗ, НКУ, наземный потребитель информации ДЗЗ и научная аппаратура заказчика, установленная на борту, используют однотипную навигационную информацию, полученную на момент поступления последнего навигационного измерения.

Обновление навигационной информации на борту может происходить по трём вариантам:

в результате работы САН после обработки навигационных измерений полученных во время мерного интервала (временного промежутка работы НП);

передаваться в БКУ из НКУ во время сеанса связи с НКА, как вспомогательный дублирующий источник навигационной информации;

вычисляется в БКУ после динамических операций с НКА на основании имеющейся навигационной информации и моделирования программными средствами работы двигательных установок.

вся навигационная информация хранится в памяти бортовой вычислительной системы и структурирована по разным массивам для удобства работы различных сегментов бортового программного обеспечения.

Ниже охарактерезованы основные потребители навигационной информации и указаны требования, которые они предъявляют к точности навигационного обеспечения.

СУД предназначена для управления пространственной ориентацией НКА вокруг центра масс для решения задач ориентации, в том числе при динамических операциях.

Система управления аппаратурой ДЗЗ предназначена для выбора моментов времени включения аппаратуры и ориентации линии визирования аппаратуры. Для функционирования системы управления аппаратурой ДЗЗ необходимо вычисление значений

параметра компенсации продольного сдвига изображения с заданным шагом по

времени. Для управления аппаратурой ДЗЗ характерны требования к точности вектора навигационных параметров различные по разным компонентам. При определении момента включения аппаратуры ДЗЗ при продолжительной ее работе главные требования по точности предъявляются к ошибке определения положения НКА вдоль орбиты (проекции радиуса- вектора на трансверсаль т в ОСК). При организации функционирования аппаратуры ДЗЗ в

нее передаются значение параметра W/^. Точность вычисления этого параметра тоже в

существенной степени определяет качество работы этой аппаратуры.

НКУ предназначен для управления функционированием НКА в процессе автономного или неавтономного полета посредством команд передаваемых в БКУ во время сеансов связи. Под автономным полетом понимается полет без привлечения средств НКУ (продолжительностью до нескольких суток) с выполнением НКА целевых задач по наблюдению земной поверхности. Неавтономный полет характеризуется использованием средств НКУ для периодического задания на борт НКА программы наблюдения земной поверхности, получения навигационной и контрольной информации о функционировании систем НКА. в НКУ навигационная информация о НКА используется для организации сеансов связи с ним, для формирования рабочих программ организации функционирования аппаратуры и передаваемых во время сеансов связи на борт.

Наземный потребитель информации ДЗЗ использует навигационную информацию для привязки изображения фрагмента поверхности Земли к географическим координатам, а также для использования информации о взаимном расположении НКА и объекта наблюдения для формирования входных параметров в алгоритмах программных средств обработки видео информации поступающей от НКА ДЗЗ. в случае решения задачи привязки изображения фрагмента поверхности Земли к географическим координатам необходимы точные знания координатной части вектора навигационной оценки. При использовании информации ДЗЗ при программной обработке в наземном комплексе заказчика необходима наиболее полная информация об условиях функционирования аппаратуры ДЗЗ в процессе

работы. При этом нужна информация о полном векторе ПДЦМ, а также о параметре W/^.

Различная бортовая научная аппаратура заказчика при своей работе в процессе полета может использовать полную навигационную информацию или только ее часть в преобразованном виде, например текущую высоту НКА над поверхностью Земли и его географическое положение. Соответственно требования к точности навигационной информации определяются ее составом.

Необходимо отметить, что деление БКУ на различные системы достаточно условно и претерпевает изменения в процессе создания новых и модернизации существующих КАДЗЗ. Однако, при различном перераспределении функций, возложенных на перечисленные системы НКА, требования к основным характеристикам не меняются. К общим требованиям, предъявляемым к БКУ, можно отнести следующие:

точность отслеживания заданного параметра W/j IIO величине и направлению для

центральной линии визирования;

точность коррекции орбиты при проведении маневра НКА;

соблюдение ограничений на величину рассеивания при посадке.

На рисунке 1.3 изображена структурная схема движения навигационной информации в типовой системе навигатигонно-баллистического обеспечения до потребителей систем КАДЗЗ.

в типовой, традиционной схеме навигационная информация вычисляется на заданный момигт времени с использованием алгоритмов прогнозирования параметров движения НКА и информации из базы данных навигационной информации.

Используемую схему построения НБО КАДЗЗ при использовании СРНС можно проиллюстрировать рисунком 1.4. На рисунке изображено: сигналы от СРНС поступают в НП спутниковой навигации, который, как правило, является много канальным (12 и более каналов). в НП для текущего момента времени tj формируются радионавигационные

параметры: Dj и Di - дальности и скорости их изменения от КАДЗЗ до опрашиваемого 1-го спутника СРНС.

в НП в результате решения навигационной задачи по поступающим сигналам от СРНС в момент времени tj формируется навигационное решение: шестимерный вектор ПДЦМ НКА q(tj)=(r,V)|tf и Kq(t;) и ковариационная матрица навигационных решений. Навигационное решение, формируемое в НП и поступающее в структуру НБО, может считаться измерением для навигационного алгоритма. На рисунке 1.4. обозначены: q(t[*j) и 3(t*} - шестимерные вектора оценок ПДЦМ на моменты времени In и t*; K^(tN) и K^(t*) -

ковариационные матрицы соответствующих оценок <^(tN) и Јj(t*); cf^ =q(t^) - вектор оценок ПДЦМ на момент времени tfj с ковариационной матрицей ошибокКд(^) J 2((t*) - вектор оценок ПДЦМ на момент времени t* с ковариационной матрицей ошибок Kg (t*).

Далее в БКУ программными средствами решается задача сглаживания и производится статистическая обработка векторов q(ti),q(t2),...,q(tN) и соответствующих им ковариационных матриц Kq(ti), ..., Kq(trj), накопленных на интервале времени ti - tN, и определяется уточненный вектор ПДЦМ q(tN). Этот вектор, найденный, как правило, с использованием стандартного метода взвешенных наименьших квадратов, используется как

для различных бортовых систем КАДЗЗ, так и НКУ и наземными потребителями информации ДЗЗ.

Рисунок 1.3 - Структурная схема движения навигационной информации в типовой системе навигационно-баллистического обеспечения КАДЗЗ

- - запрос навигационной информации, , - движение навигационной информации, q - навигационные оценки, структурированные по времени, системам координат, источнику и способу получения (i = 1,к).

Потребители навигационной информации

Рисунок 1.4 - Используемая схема НБО КАДЗЗ с предлагаемым дополнением Навигационная информация с момента времени получения уточненного вектора tn до момента времени использования его потребителем t* пересчитывается (прогнозируется) в соответствии с моделью движения НКА.

Для обеспечения потребителей в БКУ и НКУ навигационной информацией по известным измеренным ПДЦМ, полученным из НП, кроме задачи уточнения параметров движения НКА решаются также задача уточнения баллистического коэффициента. Аналогичные задачи решаются, как в БКУ, так и в НКУ. Задача получения уточненного значения баллистического коэффициента относится к задаче уточнения модели движения (задаче идентификации). Задача уточнения параметров движения относится к задаче сглаживания измерений.

Баллистический коэффициент используется в модели движения в БКУ для прогнозирования уточненных параметров движения. При этом прогнозирование осуществляется на интервале, соизмеримом по длине с интервалом уточнения баллистического коэффициента. Погрешности в определении используемого в модели движения баллистического коэффициента являются основным источником ошибок навигации для НКА.

За последние годы в развитии СРНС и совершенствовании НП произошел большой скачок, при этом потенциально достижимая точность навигационных определений существенно возросла. Однако, не смотря на это, потребность в дальнейшем повышении качества навигационного обеспечения остается весьма актуальной. К системе НБО в настоящее время предъявляются требования, которые ранее характеризовались, как "технически неосуществимые": высокая точность решения навигационной задачи практически в любой момент времени. У современных КАДЗЗ точность навигационных определений, получаемых системой автономной навигации в бортовом комплексе управления, в существенной степени определяет качество информации, поступающей потребителям из аппаратуры ДЗЗ. Качество информации из аппаратуры ДЗЗ является одним из главных факторов определяющих предпочтение потенциального потребителя при выборе конкретного КАДЗЗ. Повышение качества навигационных определений за счет разработки или выбора алгоритма обработки навигационных измерений, не предъявляя дополнительных требований к характеристикам НП, является одним из вариантов повышения эффективности НБО КАДЗЗ.

Используемая схема НБО (рис 1.4) имеет недостатки т.к. точность навигации в момент t* в существенной степени зависит не только от точности вычисления оценки q (In) , но и от погрешности используемой модели движения на интервале прогнозирования [t^, t*]. в используемой схеме НБО при вычислении навигационной оценки на момент In уровень ошибки минимизируется за счет остаточной ошибки сглаживания и за счет погрешности используемой модели движения. При этом темп роста ошибок возрастает с увеличением интервала прогнозирования. Это относится к ошибке сглаживания и к ошибке модели движения. Рост ошибки сглаживания в прогнозе хорошо описан и его уровень определяется количеством и точностью навигационных измерений (т. е. N и Kq(tj) , j=1 ,...,N). Рост ошибок сглаживания в прогнозе можно уменьшить увеличением количества навигационных измерений N, участвующих в обработке алгоритма сглаживания. Компенсация роста ошибки модели движения, в используемой схеме ИБО, не предусмотрена. Априорной информацией об ошибках модели движения в t* является величина уровня погрешности модели и последние навигационные измерения q(tj) (j=1,...,N) перед интервалом прогнозирования [tN, t*]. Эта информация в настоящее время не используется в алгоритмах ИБО НКА.

Существующие алгоритмы обработки навигационных измерений в НБО НКА универсальны и вычисляют навигационную оценку без учета длины ее прогнозирования и величины влияния на ошибку навигации модели движения. Поэтому представляется естественным дополнить существующую схему навигационного обеспечения вспомогательным алгоритмом, который совмещает в себе одновременно две функции: "сглаживания" и "прогнозирования". Предлагаемое дополнение в структуре НБО показано на рисунке 1.4 пунктиром.