Способ обеспечения управления полетами космических аппаратов
Владельцы патента RU 2522774:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) (RU)
Изобретение относится к космической области и может быть использовано для управления полетами космических аппаратов (КА). Интегрируют информационно-вычислительный комплекс центра управления ретрансляцией и связью коммуникационными средствами в структурно выделенный сегмент, организовывают канал связи с комплексом внешних информационных обменов, на едином структурно выделенном сегменте планируют, инициируют и реализуют одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществляют обмен по локальной вычислительной сети всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов, прогнозируют движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производят выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществляют доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формируют программы управления полетами космических аппаратов, реализуют выдачу программ управления на космические аппараты. Изобретение позволяет обеспечить управление полётами разнотипных КА. 2 ил.
Изобретение относится к космонавтике, к области ракетно-космической техники, а именно к средствам обеспечения управления полетами автоматических и пилотируемых космических аппаратов (АПКА) с использованием спутниковых систем ретрансляции. Изобретение может быть использовано при создании и развертывании центров управления полетами (ЦУП) существующих и перспективных АПКА ближнего и дальнего космоса. В частности, данное изобретение может найти эффективное применение при построении Базового ЦУП (Приложение к материалам данной заявки), структура, программные процедуры и аппаратно-программные средства которого позволят обеспечить устойчивое, непрерывное и в режиме реального или близком к реальному времени управление полетами разнотипных АПКА ближнего и дальнего космоса.
Известны способы обеспечения управления полетами автоматических космических аппаратов научного и социально-экономического назначения (КА НСЭН), которые реализуются аппаратно-программными средствами (АПС) в рамках секторов управления. Сектор управления является основной функционально-структурной единицей ЦУП для обеспечения управления полетом КА определенного типа.
Так, находившиеся и находящиеся в эксплуатации, а также планируемые к запускам перспективные АПКА (в том числе «Фотон-М», «Ресурс-ДК!», «КОРОНАС-ФОТОН», «Канопус-В, «Электро-Л», «Бион-М», «Ресурс-П» и другие) имеют собственные сектора управления, расположенные на территории ФГУП ЦНИИмаш (Материалы системного проекта «Проблемы и направления решения задач по развитию перспективных космических средств для дальнейшего исследования и освоения космического пространства», книга 7, часть 2, «Управление космическими аппаратами. Центры управления полетами КА», ФГУП ЦНИИмаш, инв. 851-2112/09-7.9-2009-8013-01 - [Д1]), (Научно-технический отчет «Исследования по созданию аппаратно-программных средств универсальных ИВК планирования полета КА и анализа состояния и функционирования бортовой аппаратуры. Разработка рациональных стратегий управления перспективной ОГ АПКА», НИР "Магистраль-2", ФГУП «ЦНИИмаш», инв. №851-2112/09-2.3-806300-2009-148 - [Д2]), (Космический комплекс «Коронас-Фотон», справочные материалы. Москва, ФГУП «ВНИИЭМ», 2008 г. - [Д3]) и информационно-вычислительные комплексы (ИВК), реализующие соответствующие способы обеспечения управления полетами ([Д1], п.7.9.2, стр.32).
Кроме того, на территории других организаций созданы и эксплуатируются сектора управления полетами КА «Ямал» и КА «Монитор-Э» (сайт в Интернете: http://coopi.khrunichev.ru/main.php?id=289 - [Д4]).
Анализ приведенных способов-аналогов показывает, что создаваемые для управления АПКА сектора управления обеспечивают управление полетами только определенного типа КА, отличаются разнообразием и несовместимостью используемых аппаратно-программных средств, ориентированы, в основном, на использование уникальных радиотехнических средств: контрольно-измерительных систем (КИС) типа «Компарус», «Клен», «Дока» и других, и которые, по сути, не обладают свойствами унификации [Д1]-[Д4]. Из способов-аналогов по технической сущности к заявляемому способу обеспечения управления полетами АПКА достаточно близок способ, реализованный на основе созданного в ЦУП ЦНИИмаш ИВК ЦУП КА «Коронас-Фотон» ([Д1], стр.32; [Д3], стр.75, рис.3.1). Как показывают результаты анализа, основным недостатком вышеуказанных способов обеспечения управления КА является невозможность обеспечить управление полетом орбитальной группировки (ОГ) разнотипных АПКА, которое требует одновременного инициирования и выполнения стандартных программных процедур - функций обеспечения управления, и использования унифицированных средств ИВК. В дополнение к этому способы-аналоги не обеспечивают управление полетами КА вне зон радиовидимости с наземными средствами, а также в режиме реального или близком к реальному времени. Применение этих способов не позволяет обеспечить непрерывность и надежность при оперативной передаче управления из одного сектора в другой (при необходимости).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу обеспечения управления полетами космических аппаратов является способ обеспечения управления полетами космических аппаратов, опубликованный 10.01.2012 года в патенте РФ №2438941 - «Способ обеспечения управления полетами космических аппаратов» - [Д5], и заключающийся в планировании и инициировании на специализированных баллистическом, командном, телеметрическом информационно-вычислительных комплексах, а также комплексе моделирования и информационного обеспечения полетов, соответствующих программных процедур, реализующих обработку баллистической и телеметрической информации, составление долгосрочных и суточных планов полета, проведение автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, формирование списков разовых команд и программ сеансов связи, использование аппаратно-программных средств секторов управления для обработки специфической информации, присущей каждому типу управляемого космического аппарата, при этом искомые программные процедуры по обеспечению управления полетами разнотипных космических аппаратов планируют и инициируют для их одновременного выполнения в локальной вычислительной сети на едином для всех секторов управления структурно выделенном сегменте, включающим в себя специализированные информационно-вычислительные комплексы в полном составе, причем интеграцию специализированных информационно-вычислительных комплексов в рамках единого сегмента, а также информационное взаимодействие между выделенным сегментом и остающимися после выделения аппаратно-программными средствами секторов управления, осуществляют коммуникационными средствами локальной вычислительной сети, производя обработку специфической информации, присущей каждому космическому аппарату любого типа. Данный способ по совокупности существенных признаков принят за ближайший аналог изобретения (прототип).
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что он не обеспечивает непрерывность управления полетами разнотипных космических аппаратов в режиме реального или близком к реальному времени.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе обеспечения управления полетами космических аппаратов, заключающимся в планировании, инициировании и одновременном выполнении на едином для всех секторов управления структурно выделенном сегменте в составе специализированных баллистического, командного, телеметрического информационно-вычислительных комплексов, комплекса моделирования и информационного обеспечения полетов и комплекса внешних информационных обменов - соответствующих программных процедур, реализующих обработку баллистической и телеметрической информации, составление долгосрочных и суточных планов полета, проведение автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, формирование списков разовых команд и программ сеансов связи, использовании в рамках локальной вычислительной сети совместно со структурно выделенным сегментом аппаратно-программных средств секторов управления для обработки специфической информации, присущей каждому типу управляемого космического аппарата, отличающийся тем, что информационно-вычислительный комплекс центра управления ретрансляцией и связью коммуникационными средствами интегрируют в структурно выделенный сегмент и связывают каналом связи с комплексом внешних информационных обменов, при этом на едином структурно выделенном сегменте планируют, инициируют и реализуют одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществляют обмен по локальной вычислительной сети всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, а также с внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов, прогнозируют движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производят выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществляют доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формируют программы управления полетами космических аппаратов, находящихся как в зонах, так и вне зон прямой радиовидимости с наземными средствами управления и реализуют выдачу программ управления на космические аппараты.
Сущность способа обеспечения управления полетами космических аппаратов заключается в планировании, инициировании и одновременном выполнении на едином для всех секторов управления структурно выделенном сегменте в составе специализированных баллистического, командного, телеметрического информационно-вычислительных комплексов, комплекса моделирования и информационного обеспечения полетов и комплекса внешних информационных обменов соответствующих программных процедур, реализующих обработку баллистической и телеметрической информации, составлении долгосрочных и суточных планов полета, проведении автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, формировании списков разовых команд и программ сеансов связи, использовании в рамках локальной вычислительной сети совместно со структурно выделенным сегментом аппаратно-программных средств секторов управления для обработки специфической информации, присущей каждому типу управляемого космического аппарата, дополнительно информационно-вычислительный комплекс центра управления ретрансляцией и связью коммуникационными средствами интегрируют в структурно выделенный сегмент и в соединяют каналом связи с комплексом внешних информационных обменов, что позволяет на едином структурно выделенном сегменте планировать, инициировать и реализовывать одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществлять обмен по локальной вычислительной сети всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, а также с внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов, прогнозировать движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производить выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществлять доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формировать программы управления полетами космических аппаратов, находящихся как в зонах, так и вне зон прямой радиовидимости с наземными средствами управления и реализовать выдачу программ управления на космические аппараты.
Заявленный способ обеспечения управления полетами космических аппаратов поясняется следующими фигурами.
На фигуре 1 приведена структурная схема ИВК управления КА НСЭН, реализующая способ-прототип.
На фигуре 2 представлена структурная схема ИВК управления КА НСЭН, реализующая заявленный способ.
На фигуре 1 приняты следующие обозначения:
1 - баллистический ИВК,
2 - командный ИВК,
3 - телеметрический ИВК,
4 - ИВК моделирования и информационного обеспечения полетов (МИОП),
5 - комплекс внешних информационных обменов,
6 - информационные средства отображения,
7 - локальная вычислительная сеть,
8 - АРМ реализации сеансов связи,
9 - АРМ анализа телеметрической информации,
10 - АРМ управления коллективных средств отображения,
11 - серверы баз данных,
12 - АРМ балллистико-навигационного обеспечения (АРМ БНО),
13 - АРМ командно-программного обеспечения (АРМ КПО),
14 - АРМ планирования,
15 - АРМ обмена,
16 - АРМ планирования сеансов связи,
17 - комплекс приема-передачи командно-программной информации,
18 - узел связи,
19 - сектор управления КА определенного типа.
На фигуре 2 приняты такие же обозначения, что и на фигуре 1, и дополнительно следующие:
20 - ИВК ЦУРС,
21 - группировка КА ретрансляторов и связи;
22 - КА-ретрансляторы и связи.
Заявленный способ обеспечения управления полетами КА реализуют так, что активируемые прикладные программные процедуры по обработке на специализированных ИВК (баллистическом 1, командном 2, телеметрическом 3, моделирования и информационного обеспечения полетов - МИОП 4) баллистической и телеметрической информации, по составлению долгосрочных и суточных планов полета, по проведению автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, по формированию списков разовых команд и программ сеансов связи, инициируют в секторе управления КА 19 для каждого конкретного КА, при этом осуществляют присущие данному управляемому КА использование аппаратно-программных средств (АПС) секторов управления 19 для обработки специфической информации, и для информационного взаимодействия со специализированными ИВК 1, 2, 3, 4. Реализация заключается также и в том, информационно-вычислительный комплекс 20 центра управления ретрансляцией и связью коммуникационными средствами интегрируют в структурно выделенный сегмент и связывают каналом связи с комплексом внешних информационных обменов 5, причем на едином структурно выделенном сегменте планируют, инициируют и реализуют одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществляют обмен по локальной вычислительной сети 7 всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, а также с внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов 5, прогнозируют движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производят выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществляют доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формируют программы управления полетами космических аппаратов, находящихся как в зонах, так и вне зон прямой радиовидимости с наземными средствами управления и реализуют выдачу программ управления на космические аппараты.
Обозначенные на фигуре 2 компоненты способа обеспечения управления полетами космических аппаратов имеют те же названия, что и на фигуре 1.
Для построения единого сегмента локальной вычислительной сети используются те же аппаратно - программные средства специализированных ИВК: командного 2, телеметрического 3, баллистического 1, ИВК МИОП 4, КВИО 5, средства ЛВС и связи 7, техническая реализация которых основывается на единой аппаратно-программной платформе [Д1, Д2].
Прием и обработка телеметрической информации (ТМИ) осуществляется средствами телеметрического ИВК 3: прием и обработка полных пакетов (ПП) ТМИ по ВОЛС и с использованием спутниковых систем связи (ССС).
Отображение полетной информации для КА любого типа осуществляется в зале управления средствами комплекса ИСО и индивидуальных ИСО.
Специальное программное обеспечение (СПО) в составе баллистико-навигационного обеспечения (БНО), командно-программного обеспечения (КПО) - в части планирования полета КА, телеметрического обеспечения (ТМО) - в части обработки телеметрической информации, анализа состояния функционирования бортовой аппаратуры, ИСО, информационных обменов разрабатывается с использованием базовых модулей. Существующее в настоящее время базовое СПО ориентировано на реализацию способов по обеспечению работы с несколькими КА от одного рабочего места при условии осуществления определенных настроек и назначения соответствующих прав доступа. Использование единого базового СПО является также признаком унификации [Д1, Д2].
Реализация изложенного подхода предоставляет возможность осуществления одновременного управления несколькими разнотипными КА из одного центра управления. Дополнительные рабочие места специалистов групп анализа и реализации, при необходимости, организуются в любом близлежащем помещении. Для управления разноплановыми КА, необходимо выделение отдельного помещения для группы планирования со своими техническими средствами и свой кластер баз данных (БД).
Итак, в состав реализуемого средствами унифицированного ИВК способа обеспечения полетов орбитальной группировки разнотипных КА НСЭН входят выделенный из аппаратно-программных средств секторов управления единый сегмент ЛВС 7 в составе специализированных ИВК: баллистического 1, командного 2, телеметрического 3, ИВК МИОП 4, КВИО 5, а также ИВК ЦУРС 20, средств ЛВС и связи 7, построенных на единых аппаратных и программных платформах и функционирующих по единым протоколам. Причем остальная часть средств секторов управления - серверы БД 11 и АРМ 12-16 на базе ПЭВМ, объединена в специфическую часть, которая в свою очередь, интегрирована коммуникационными средствами ЛВС с унифицированной частью в виде единого сегмента для решения специфических задач, свойственных каждому типу КА НСЭН.
Однако в способе прототипе в едином структурно выделенном сегменте отсутствуют необходимые программные процедуры, с помощью которых обеспечивают непрерывное управление полетами КА в случаях, когда КА находятся вне зоны прямой видимости с наземными средствами управления. Для этого информационно-вычислительный комплекс центра управления ретрансляцией и связью 20 коммуникационными средствами интегрируют в структурно выделенный сегмент (на фиг.2 коммуникационные средства не показаны, поскольку входят в состав коммутационного оборудования ЛВС 7), и связывают каналом связи с комплексом внешних информационных обменов 5, при этом на едином структурно выделенном сегменте планируют, инициируют и реализуют одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществляют обмен по локальной вычислительной сети 7 всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, а также с внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов 5, прогнозируют движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производят выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществляют доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формируют программы управления полетами космических аппаратов, находящихся как в зонах, так и вне зон прямой радиовидимости с наземными средствами управления и реализуют выдачу программ управления на космические аппараты.
Покажем возможность осуществления изобретения, т.е. возможность его промышленного применения. Указанная возможность подробно рассмотрена в статьях авторов Соколова Н.Л., Ногова О.А.:
а) «О возможностях повышения эффективности управления пилотируемыми и автоматическими космическими аппаратами с использованием многофункциональной космической системы ретрансляции», опубликованной в «Международном журнале экспериментального образования» №7, 2010 г., стр.123-124 - (Д6);
б) «Центр управления ретрансляцией и связью», журнал «Космонавтика и ракетостроение», изд. ЦНИИмаш, №4, 2010 г., стр.110-117 - (Д7).
Следует отметить, что структура ИВК ЦУРС представлена и описана в материалах «Стратегии развития Базового центра управления полетами космических аппаратов Роскосмоса», книга 9, инв. №851-2118/11-1.5-8013-01/11 - (Д8), выписка из которого приведена в Приложении к данной заявке.
Способ обеспечения управления полетами космических аппаратов, заключающийся в планировании, инициировании и одновременном выполнении на едином для всех секторов управления структурно выделенном сегменте в составе специализированных баллистического, командного, телеметрического информационно-вычислительных комплексов, комплекса моделирования и информационного обеспечения полетов и комплекса внешних информационных обменов - соответствующих программных процедур, реализующих обработку баллистической и телеметрической информации, составление долгосрочных и суточных планов полета, проведение автоматизированной диагностики бортовой аппаратуры, формирование списков разовых команд и программ сеансов связи, использовании в рамках локальной вычислительной сети совместно со структурно выделенным сегментом аппаратно-программных средств секторов управления для обработки специфической информации, присущей каждому типу управляемого космического аппарата, отличающийся тем, что информационно-вычислительный комплекс центра управления ретрансляцией и связью коммуникационными средствами интегрируют в структурно выделенный сегмент и связывают каналом связи с комплексом внешних информационных обменов, при этом на едином структурно выделенном сегменте планируют, инициируют и реализуют одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществляют обмен по локальной вычислительной сети всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, а также с внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов, прогнозируют движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производят выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществляют доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формируют программы управления полетами космических аппаратов, находящихся как в зонах, так и вне зон прямой радиовидимости с наземными средствами управления и реализуют выдачу программ управления на космические аппараты.
