РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Аннотация. В статье рассматриваются сфера космического пространства с анализом и изучением движения, ориентации и переориентации космического аппарата, а также использование вычислений в электронно-вычислительной машине для моделирования и визуализации алгоритмов управления ориентацией.

Введение.

В настоящее время космическая отрасль продолжает развиваться. Это позволяет искать все новые и новые виды реализаций тех или иных задач, поскольку не только электронные компоненты вышли на новый уровень, но и космическая техника предоставляет широкий выбор аппаратов, различных по целевому оборудованию и габаритно-массовым характеристикам.

Актуальность заключается в том, что ориентация космического аппарата является одним из самых важных факторов от которого зависит не только успешность выполнения поставленных задач, но и жизни операторов, которые находиться на борту космического аппарата.

Целью является создание исследовательского программно-аппаратного комплекса для изучения алгоритмов управления ориентацией космического аппарата (КА) как в автоматическом, так и в ручном режиме.

Элементарные режимы ориентации КА.

Почти любой сеанс ориентации может быть получен как последовательность ряда элементарных режимов. Чаще других на практике имеют дело с такими режимами:

Рисунок 1. Элементарные режимы ориентации

Успокоением называется режим, в котором гасятся большие по величине составляющие угловой скорости космического аппарата либо до нуля, либо до заданных значений. Обычно с него начинается первый (после выведения на орбиту) сеанс ориентации. Для успокоения используются только сигналы датчиков угловых скоростей, включаемые по простейшей логике – момент, создаваемый исполнительными органами, имеет знак, противоположный знаку угловой скорости.

Режим поиска ориентира. Под ориентиром понимается все то внешнее по отношению к космическому аппарату, что используется в данной системе для ориентации. Это могут быть опорные небесные звезды, направление вектора скорости космического аппарата относительно внешней среды и так далее.

Режимы приведения ориентации к заданной и поддержание заданной ориентации входят как составные режимы в процесс двухступенчатого поиска и являются главными режимами системы ориентации.

Режим программного поворота необходим при проведении научных наблюдений, чтобы направить соответствующую аппаратуру на объект исследования.

Режим смены ориентиров (перехвата) связан с поиском слабого ориентира, для этого сначала ищется один ориентир, потом одноосным вращение поиска вокруг направления на второй ориентир, приступить с помощью соответствующего датчика к поиску третьего ориентира, а после его нахождения и приведения ориентации по нему к заданной точности прекратить ориентацию по второму и так далее, то это и есть один из вариантов перехвата ориентиров [1, с. 79].

Уравнения динамики и кинематики КА.

В среде Simulink было реализована модель абсолютно твердого тела с шестью степенью свободы, он представлен на рисунке 2

Рисунок 2. Модель твердого тела с 6 степенью свободы

Основными уравнениями были:

Система динамических уравнений Эйлера

Система кинематических уравнений

[2, с. 34]. Для создание правильной работы модели и моделирования необходимых управлений ориентации мне было достаточно получить углы, угловые скорости, линейные скорости и координаты космического аппарата.

Схема моделирования алгоритмов управления ориентацией КА.

Мной была реализована схема в программном в среде Simulink, показанная на рисунке 3 которая позволяет моделировать и визуализировать различные режимы управления КА как со стороны внешнего наблюдателя, так и изнутри пилотируемого аппарата.

Рисунок 3. Общая схема моделирования

В общей схеме есть 7 блоков, которые отвечают за определенную работу при моделировании:

1. Блок кабина
2. Блок управления
3. Блок двигателей
4. Блок кинематики и динамики космического аппарата.
5. Блок датчиков
6. Блок визуализации
7. Тумблеры для переключения режимов работы

Рисунок 4. Стабилизация КА по углам ориентации со стороны внешнего наблюдателя

Заключение

В работе рассмотрены элементарные режимы ориентации, описаны уравнения динамики и киниматики КА и представлена схема реализованная в программе Matlab с визуализацией как изнутри пилотируемого аппарата, так и со стороны внешнего наблюдателя. Отличительной особенностью данного программно-аппаратного комплекса является его мобильность, стандартизованность и легкость развертывания в помещениях, где необходимо провести занятия по отработке навыков у операторов космических аппаратов.

Список литературы:

1. Управление ориентацией космических аппаратов / Б. В. Раушенбах, Е. Н.Токарь. – М. : Наука,. 1974. – 600 с
2. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. -М.: Машиностроение. 1974 – 300 с.
3. Черных И.В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем – М. 2003. – 252 с.