Летные испытания изделий ракетно-космической техники
8.2.1. Содержание задач баллистико-навигационного обеспечения управления изделий РКТ на этапах летных испытаний и применения
Среди многообразия проблем, связанных с обеспечением эффективности разработки и безаварийной эксплуатации изделий РКТ, можно выделить два значительных класса:
• обеспечение надежного баллистико-навигационного обеспечения (БНО) испытаний и применения изделий РКТ;
• достоверный анализ характеристик изделий РКТ по результатам летных испытаний (ЛИ).
При этом под изделиями РКТ понимаются ракеты, их головные части (ГЧ) и космические аппараты (КА) как элементы ракетных (РК) и ракетно-космических (РКК) комплексов. В зависимости от рассматриваемых задач под летным испытанием может подразумеваться как единичный эксперимент (пуск и полет ЛА независимо от поставленной цели), так и совокупность таких экспериментов.
Разработка научно-методического обеспечения решения названных проблем является прерогативой научной дисциплины «Экспериментальная баллистика». В рамках экспериментальной баллистики (ЭБ) рассматриваются следующие научно-технические задачи:
• определение движения изделий РКТ по результатам измерений текущих навигационных параметров (ИТНП);
• анализ летно-технических характеристик (ЛТХ) по результатам измерений параметров состояния и геофизических условий применения РКТ;
• оценка и анализ показателей целевого применения или основных ЛТХ РКТ по результатам летных испытаний;
• разработка моделей и методов БНО испытаний и применения изделий РКТ.
Прикладная часть ЭБ направлена на решение баллистических вопросов специального технического обоснования (СТО) перспектив развития КА и выработки требований к новым объектам, баллистическое проектирование средств (в соответствии с разработанными требованиями), а также на оперативное баллистико-навигационное обеспечение управления КА.
При решении баллистических вопросов специального технического обоснования и выработки требований к КА проводится анализ современного состояния и научно-технического прогнозирования тенденций развития баллистических характеристик, определяются баллистические возможности создания средств, исследуется их динамическая устойчивость и уровень требований к точности знания параметров гравитационного потенциала Земли, моделей атмосферы и др.
При баллистическом проектировании КА разрабатываются соответствующие разделы в технических предложениях и проектах, создается специальное программно-математическое обеспечение решения баллистико-навигационных задач, решаются целевые задачи, определяются баллистические данные (ИБД).
При непосредственном баллистико-навигационном обеспечении (БНО) управления КА проводится совокупность научно-методических и организационно-технических мероприятий по определению пространственно-временных параметров движения для управления КА на всех этапах полета, планированию и обеспечению работы бортовых систем, наземных специальных и управляющих комплексов, а также для решения других баллистических задач.
В широком смысле БНО рассматривают как составную часть работ, проводимых при создании КА, подготовке и проведении их испытаний и штатной эксплуатации. Оно оказывает влияние на всю совокупность работ, связанных с разработкой и созданием комплекса стационарных и подвижных систем, средств обмена данными, комплексов переработки информации.
Оперативное БНО на всех этапах испытаний и эксплуатации КА предусматривает решение следующих основных задач:
• выведение КА на заданную траекторию движения;
• определение и прогнозирование параметров движения КА;
• проведение динамических операций;
• создание, поддержание, восполнение орбитальных группировок КА;
• спуск и посадка КА (или его элементов);
• контроль работы систем КА;
• определение БНО для планирования средств, привлекаемых для управления служб;
• научно-прикладные эксперименты.
Оперативное БНО занимает особое место в автоматизированных системах управления (АСУ) КА, так как ему присущи все универсальные черты самостоятельного контура управления, реализующего совокупность информационных функций, программирования режимов управления, выработки и реализации управляющих воздействий. Реализация этих функций осуществляется на основе данных, получаемых в процессе решения множества баллистических задач, которые условно можно разделить на четыре класса [101]:
1. Задачи определения параметров движения и уточнения параметров математической модели (идентификации), используемой для описания движения КА, с учетом системы управления движением. Основными задачами этого класса являются:
• статистическая обработка измеренных текущих навигационных параметров (ИТНП) для определения вектора состояния КА, корректирующего импульса и согласующих коэффициентов, используемых в математической модели движения;
• расчет данных для выполнения динамических операций, связанных с проведением коррекции траектории;
• расчет данных на проведение спусков.
Результаты решения этих задач зависят от характеристик бортовой аппаратуры, измерительных средств, аэродинамических характеристик КА и являются исходными данными для решения всех других классов задач. Особенность этих задач заключается в том, что они решаются оперативно в определенной последовательности путем многократных приближений по оперативно выбираемой стратегии. Решение задач основано на оптимизации целевой функции, как правило, в жестком временном режиме, зачастую при противоречивых ограничениях.
2. Задачи оценки летно-технических характеристик КА, точностных характеристик результатов решения задач первого класса, а также наземных и бортовых измерительных средств навигационного обеспечения. К основным задачам этого класса относятся:
• априорная (апостериорная) оценка точности определения и прогнозирования движения КА;
• оценка точности работы двигательной установки, систем ориентации и стабилизации;
• контроль и оценка точности работы бортовых алгоритмов решения баллистико-навигационных задач;
• априорная оценка точности реализации коррекции, спусков и других операций.
Как правило, решение этих задач основано на применении метода статистического моделирования с использованием результатов ИТНП, оценок параметров орбиты, статистических характеристик исходных данных и осуществляется непосредственно после решения соответствующих задач первого класса.
3. Задачи расчета данных для планирования работы наземных служб, участвующих в управлении и контроле КА. Основными задачами этого класса являются расчет зон радиовидимости, целеуказаний, времени баллистического существования КА, освещенности, положения КА на траектории в заданных точках, положения и ориентации КА относительно заданных ориентиров, форм обмена между взаимодействующими организациями, данных для ввода баллистической информации в бортовую аппаратуру и других условий.
4. Задачи для обеспечения целевого применения КА.
Оперативному БНО как самостоятельному контуру управления в
АСУ КА присущ целый ряд специфических свойств и особенностей, основными из которых являются следующие:
1. Оперативность получения результатов, диктуемая потребностями технологических процессов управления КА более высокого иерархического уровня и в первую очередь работой его бортовых систем и средств.
2. Высокая точность результатов решения баллистических задач, вытекающая из необходимости обеспечения наилучшего качества управления. В самом деле, например, неудовлетворительная точность определения движения КА приведет к некачественному слежению за КА с помощью наземных или плавучих измерительных средств, так как целеуказания для антенн будут содержать большие погрешности. Кроме того, планирование и реализация управления полетом также будут выполняться некачественно, поскольку времена входа в зоны радиовидимости станции слежения будут вычислены с большими погрешностями. При расчетах параметров маневров КА погрешности знания траектории приведут к ошибкам вычисления этих параметров и отразятся на затратах бортового топлива, так как погрешности выполнения маневров должны компенсироваться изменением параметров последующих маневров.
3. Надежность результатов баллистических расчетов, являющаяся следствием того, что их погрешности приводят к необратимым процессам на борту КА и, как следствие, влияют на качество программы полета. Так, сбои в расчетах времен радиовидимости КА со станции слежения приводят к срывам сеансов связи с КА и программ управления, реализуемых во время этих сеансов.
4. Циркуляция в контуре оперативного БНО больших массивов информации. Ежесуточно в контур могут поступать результаты сотен сеансов измерений текущих навигационных параметров (ИТНП) и выдаваться потребителям десятки форм обмена.
5. Массовый характер баллистических расчетов, проводимых одновременно по нескольким КА, зачастую в реальном масштабе времени.
6. Широкий круг взаимодействующих организаций, использующих результаты БНО.
7. Технологичность процессов оперативного БНО, характеризуемая относительной стабильностью перечня решаемых задач для конкретного типа КА.
8. Использование большого комплекса разнообразных технических средств, включая ЭВМ, средств приема и передачи данных, отображения и контроля. Комплекс технических средств обеспечивает автоматизацию обработки информации и расчета требуемых баллистических данных.
9. Четко определенный предмет исследования как самостоятельный системный раздел управления и информационного обеспечения АСУ КА.
Анализ особенностей и специфических черт контура оперативного БНО показывает, что ему присущи все признаки сложной системы:
• содержит большое количество различных элементов;
• является информационной сетью, в которой циркулируют большие потоки информации;
• имеет замкнутое поле управления со связями с внешней средой — сверхсистемой, под которой подразумевается АСУ КА;
• посредством управляющей информации обеспечивает саморегулирование;
• характеризуется свойством эмерджентности по отношению к подсистемам, анализ которых возможен только при изучении всей системы как целостного образования;
• является иерархической структурой, в которой сочетаются принципы централизованного и децентрализованного управления;
• имеет входы и выходы — на вход поступают заявки на проведение расчетов по БНО КА, данные ИТНП, исходные баллистические данные, а на выходе получаем результаты решения баллистических задач в виде документов заданной структуры.
Отметим также, что важным признаком контура оперативного БНО как системы является наличие в нем людей как активных элементов.
С учетом перечисленных особенностей, свойств и признаков под системой оперативного БНО будем понимать комплекс средств, функционирующих под единым управлением с целью получения в течение заданного времени и с заданной точностью совокупности баллистико-навигационных данных, необходимых для управления КА различного целевого назначения.
Систему оперативного БНО с точки зрения теории массового обслуживания можно представить в виде сложной организационно-динамической системы открытого типа с параллельно-последовательным расположением элементов и принудительным по времени поступлением заявок на проведение работ по оперативному БНО управления КА.