Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности
Рассмотрена задача повышения надежности звездного датчика ориентации, который функционирует в условиях с существенной неопределенностью и относится к средствам космической техники критического назначения. Представлена интерпретация задачи повышения надежности с применением теории катастроф и управле...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Кибернетика и вычислительная техника |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/45688 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности / В.Е. Набивач // Кибернетика и вычисл. техника. — 2011. — Вип. 166. — С. 25-38. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860236547420323840 |
|---|---|
| author | Набивач, В.Е. |
| author_facet | Набивач, В.Е. |
| citation_txt | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности / В.Е. Набивач // Кибернетика и вычисл. техника. — 2011. — Вип. 166. — С. 25-38. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Кибернетика и вычислительная техника |
| description | Рассмотрена задача повышения надежности звездного датчика ориентации, который функционирует в условиях с существенной неопределенностью и относится к средствам космической техники критического назначения. Представлена интерпретация задачи повышения надежности с применением теории катастроф и управления рисками. Обоснована необходимость создания инвариантных многоканальных интегрированных приборов ориентации, содержащих полнофункциональные каналы ориентации, основанные на разных физических принципах.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:24:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
25
УДК 519.6; 681.5
В.Е. Набивач
ТЕОРИЯ КАТАСТРОФ И УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ:
ЗВЕЗДНЫЙ ДАТЧИК — ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ
Рассмотрена задача повышения надежности звездного датчика ориен-
тации, который функционирует в условиях с существенной неопределенностью и отно-
сится к средствам космической техники критического назначения. Представлена ин-
терпретация задачи повышения надежности с применением теории катастроф и управления
рисками. Обоснована необходимость создания инвариантных многоканальных интег-
рированных приборов ориентации, содержащих полнофункциональные каналы ориентации,
основанные на разных физических принципах.
Введение
При рассмотрении проблемы создания конкурентоспособных образцов
датчиков астроориентации (звездных датчиков (ЗД) ориентации) космических
аппаратов (КА) существенную роль играет проблема повышения надежности
их функционирования.
ЗД используются в системах управления КА и для космических систем яв-
ляются устройствами критического назначения [1]. Это определяется тем, что
отказ функционирования ЗД может привести к потере функциональных харак-
теристик КА, а порой и всей с ним связанной миссии. Поэтому для повышения
надежности функционирования на КА устанавливается несколько ЗД, причем
они могут использоваться синхронно или асинхронно, в режиме «горячего» или
«холодного» резервирования. У мировых лидеров в области создания и произ-
водства ЗД наметилась тенденция создания нескольких каналов получения
первичной информации [2–5].
Приборы серии «БОКЗ — Блок определения координат звезд» (Институт
космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)) достаточно
удачно эксплуатируются в Российской Федерации. Они предназначены для вы-
сокоточного определения в реальном времени параметров трехосной ориента-
ции по изображениям сегментов звездного неба. Прибор «БОКЗ-М» использу-
ется в качестве астрокорректора гироскопических датчиков угловых скоростей,
работающих в реальном времени. Поэтому требования по точности к ЗД предъ-
являются все более жесткие. Так, для координатной привязки элемента съемоч-
ной системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)
высокого пространственного разрешения требуется точность определения орие-
нтации порядка долей угловой секунды [2].
Прибор «БОКЗ-М» имеет точность углового позиционирования оси Z —
1,5 угл. с при измерении параметров вращения вокруг осей X, Y. При измере-
нии параметров вращения вокруг оси Z точность определения угла составляет
15 угл. с.
Для повышения точности определения ориентации в ИКИ РАН предложе-
но использовать синхронно работающие приборы. Проведены серии экспери-
ментов по совместной работе двух ЗД с минутным и трехсекундным
интервалом выдачи данных. На основе этих экспериментов в отделе оптико-
В.Е. Набивач, 2011
ISSN 0452-9910. Кибернетика и вычисл. техника. 2011. Вып. 166
26
физических исследований ИКИ РАН [2] реализован алгоритм равноточного
определения трехосной ориентации до 1,5 угл. с по каждой из координат.
Приборы SED-16/26 [3] фирмы Sodern (Франция) — это полностью авто-
номные трехосные универсальные приборы для определения ориентации по
изображениям звезд. Эти ЗД предназначены для управления ориентацией КА в
космическом пространстве на низких, средних и геостационарных орбитах или
в дальнем космосе. Перспективная разработка фирмы Sodern [4] — HYDRA
Star Traker — представляет собой интегрированный прибор, состоящий из трех
оптических каналов регистрации первичной информации, использующих в ка-
честве чувствительных элементов активные пикселы (Active Pixel Sensor). Об-
работка информации сконцентрирована в отдельном блоке электроники.
Сейчас в космическом приборостроении наблюдается тенденция к комп-
лексированию функционально близких приборов. В ИКИ РАН создан звездный
координатор, сочетающий ЗД ориентации и гироскоп. Эта связь двух приборов
удачно взаимодополняет их, увеличивая надежность выполнения целевого за-
дания. В настоящее время в ИКИ РАН разрабатывается интегрированный при-
бор, который сочетает ЗД ориентации, гироскоп средней точности и устройство
спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS. Предполагается, что этот прибор бу-
дет полностью удовлетворять требованиям КА ДЗЗ по точности ориентации.
Отметим, что приборы спутниковой навигации, например ГЛОНАСС/GPS,
также интегрированы по источникам первичной информации. Кроме того, в
приборы спутниковой навигации предполагается интеграция
и третьего источника первичной информации — Европейской системы спутни-
ковой навигации Galileo.
Снижение риска отказа — путь повышения надежности приборов критиче-
ского назначения.
1. Постановка задачи. Принципы управления рисками
Теорию катастроф следует рассматривать как прикладной аспект теории
особенностей гладких отображений [6–11]. Она представляет собой теорию ус-
тойчивости особых точек динамических систем, поведение которых определя-
ется семействами гладких потенциальных функций .),( mi CxP
Особенностью в теории катастроф является резкое, скачкообразное изме-
нение состояния сложной системы при непрерывном изменении ее параметров,
что и используется при моделировании соответствующих явлений.
В работе фатальным отказом (особенностью — катастрофой) будем назы-
вать полную (невосстанавливаемую) потерю работоспособности приборов и
устройств критического назначения в рассматриваемом случае ЗД.
Широкое приложение методов теории катастроф началось после выхода в
свет книги одного из создателей этой теории — Рене Тома [9], где теория ката-
строф применялась для изучения теории морфогенеза (формообразования) в
биологии.
В дальнейшем методы теории катастроф использовались для моделирова-
ния скачкообразных процессов в физике (механике и оптике), биофизике, био-
логии, психологии, общественных науках [7–11].
Скачкообразные процессы часто сопряжены с действительно катастрофи-
ческими явлениями. Возникающее новое положение равновесия во многих
случаях является нежелательным, связано с разрушением конструкции или сис-
27
темы, а в отдельных случаях — с утратой функциональности и другими по-
следствиями. Это остойчивость судов, прощелкивание упругой балки, пробой
электроизоляции, гидродинамические неустойчивости в механике жидкости,
дифференциация клеток в биологии развития и т.д. Исходя из этого, есть все
предпосылки связать задачи управления рисками с приложениями теории ката-
строф.
2. Математическая основа и основные закономерности
Катастрофическое поведение внутренне присуще большинству сложных
систем. Для них характерны общие закономерности, которые могут быть выяв-
лены на основе нелинейной динамики и системного анализа.
Устойчивость — фундаментальное понятие, которое характеризует одну
из важнейших черт поведения сложных систем. Оно применяется для описания
постоянства состояния системы, последовательности состояний, в которых ока-
зывается система, постоянства структуры и функционирования системы.
Строгое определение устойчивости, получившее широкую известность,
ввел А.М. Ляпунов [12].
Бифуркация — изменение числа решений или потеря их устойчивости
для уравнений определенного типа. В прикладном плане этим термином обо-
значают поворотные пункты развития, потерю устойчивости предшествующего
состояния, подчеркивая ситуацию выбора, возможность нескольких вариантов
дальнейшего хода событий.
Понятие бифуркации, родившееся в математике, сейчас широко использу-
ют в технике и естественных науках, физике, химии, биологии, кибернетике и
теории управления, экономике, политологии, психологии и социологии, других
отраслях знаний.
Рассмотрим признаки бифуркации, признаки риска.
— Чувствительность системы. Малые воздействия вблизи точки бифур-
кации приводят к качественно (кардинально) различным сценариям воз-
можного поведения системы. (Рождение риска — малые причины могут вызы-
вать большие последствия — система становится предельно уязвимой).
— Неустойчивость предшествующего устойчивого состояния. При неп-
рерывном изменении параметров происходит потеря свойства устойчивости
предшествующего состояния равновесия сложной системы. Если в качестве па-
раметра системы выступает время, то принцип «завтра будет примерно
так же, как и сегодня» не работает. Будущие устойчивые состояния системы
будут отличаться от предшествующего состояния — локально необратимые по-
следствия изменения параметров системы.
— Потеря или угроза (риск) потери непрерывности движения сложной
системы. Эволюция системы может развиваться скачком, сохраняя свойство
непрерывности развития. Возможность прохождения в непрерывной системе
дискретных изменений (катастрофических скачков) — реализация конечного
отклика при бесконечно малых воздействиях на сложную систему.
Риск — наличие потенциально опасных факторов (значений изменяемых
параметров системы), которые могут привести к необратимым последствиям
(возникновению нескольких новых локально устойчивых положений равнове-
сия).
28
Значение элементарной теории катастроф Р. Тома состоит в том, что она
сводит огромное многообразие ситуаций эволюции динамических систем
потенциального типа к небольшому числу стандартных схем (канонических
форм), которые можно подробно исследовать раз и навсегда.
Доказано, что для четырехпараметрических семейств динамических систем
потенциального типа в общем положении (структурно устойчиво) существует
только семь элементарных катастроф [7, 8], семь элементарных
катастроф Р. Тома [9], которые имеют канонические деформации (формы),
представленные в таблице.
Таблица
№
пп
Название
особен-
ности
Коразмер-
ность Каноническая деформация Размер-
ность
1 Складка один cxxcx += 3),(Cat один
2 Сборка два xcxcxcx 1
2
2
4),(Cat ++= один
3 Ласточкин
хвост
три xcxcxcxcx 1
2
2
3
3
5),(Cat +++= один
4 Бабочка четыре xcxcxcxcxcx 1
2
2
3
3
4
4
6),(Cat ++++= один
5 Гипербо-
лическая
омбилика
три
1322211
3
1
3
2),(Cat xcxcxxcxxcx −−++= два
6 Эллипти-
ческая ом-
билика
три −++−= )(3),(Cat 2
2
2
11
2
12
3
2 xxcxxxcx
1322 xcxc −−
два
7 Параболи-
ческая ом-
билика
четыре −+++= 2
12
2
21
4
11
2
2),(Cat xcxcxxxcx
1423 xcxc −−
два
Приведенный перечень семи элементарных катастроф Р. Тома включает
все возможные структурно устойчивые особенности, которые могут наблюдать-
ся при воздействии на динамическую систему гладких изменений численных
значений от одного до четырех варьируемых параметров.
Классификация особенностей дифференцируемых отображений и ассо-
циированных с ними динамических систем проведена В.И. Арнольдом [6, 13].
В элементарной теории катастроф рассматривается частный случай
динамических систем, который предполагает, что для изучаемой системы су-
ществует потенциальная функция ),,( mi CxP например потенциальная энергия
механических систем.
3. Задача управления риском отказа устройств критического назначения
Рассмотрим многообразие особенностей коразмерности два «сборка», рис.
1.
В незаштрихованной части плоскости параметров особенности коразмер-
ности два «сборка» имеется одно устойчивое положение равновесия (унимо-
дальная потенциальная функция) — штатный режим функционирования сис-
29
темы. При возникновении отказа система критического назначения утрачивает
работоспособность и скачком переходит в другое устойчивое положение равно-
весия. Если переход необратим — неустранимый отказ, то новое устойчивое
состояние является уже глобальным минимумом — фатальный отказ (риска
нет, он реализовался (система снова находится в области унимодальности)).
1с
2
1
3
2 274 сс =
2с
Рис. 1
В заштрихованной части плоскости параметров особенности коразмерно-
сти два «сборка» исследуемая система имеет два устойчивых и одно неустой-
чивое положение равновесия. Возникшее новое устойчивое положение равно-
весия на первых порах является энергетически невыгодным, но риск его реали-
зации (перехода системы в это положение равновесия), как локального
экстремума, уже существует. При дальнейшей эволюции системы
в этом направлении критической области параметров новый экстремум потен-
циальной функции становится энергетически выгодным, и система в какой-то
момент все же перейдет в него (в новое положение равновесия).
Это может быть восстанавливаемый отказ, если еще остается возможным
обратный переход, как в случае действия высокоэнергетических частиц сол-
нечного ветра и космического излучения на ПЗС-матрицы ЗД [14], так
и фатальный отказ, когда второе положение равновесия не обеспечивает функ-
циональность устройства критического назначения.
4. Повышение надежности устройств критического назначения
(приборов ориентации)
На данный момент других возможностей, кроме как резервирование кана-
лов, не просматривается, но какое резервирование и каких каналов нужно про-
изводить? Что в этом случае мы делаем с точки зрения теории катастроф? Мы
создаем новое устойчивое положение равновесия (там, где у нас было одно по-
ложение равновесия (фатальный отказ системы), теперь их будет больше, при-
чем они должны обеспечивать функционирование системы).
Выше уже указывалось на создание двух (в ИКИ РАН — для выравни-
вания точностных характеристик) или трех (в HYDRA Star Traker фирмы
Sodern) оптических каналов. Это целесообразно для выравнивания точности,
борьбы с «ослеплением» — засветкой чувствительных элементов, повышения
быстродействия и для решения других задач ЗД.
30
Однако наиболее целесообразно, особенно для устройств критического
назначения, которые должны надежно функционировать в условиях с сущест-
венно неопределенными факторами (орбитальные полеты у Земли, других пла-
нет и космических тел, дальнем космосе), следует создавать дополнительные
полнофункциональные каналы, которые работают на других физических прин-
ципах, например инерциальный канал в ЗД. Исторически так и сложилось: не-
зависимо один от другого фирмой Dreper и ИКИ РАН создано два интегриро-
ванных прибора, которые объединяют звездный датчик и гироскоп.
В течение нескольких лет [15] в ИКИ РАН ведется работа по созданию ин-
тегрированного прибора, сочетающего звездный датчик ориентации и датчики
угловой скорости. Создан интегрированный прибор БОКЗ-МФ, в котором ис-
пользованы датчики угловой скорости (ДУС) ADIS16251 фирмы Analog
Devices (США), изготовленные по технологии МикроЭлектроМеханических
систем (МЭМС-технологии). Эти датчики имеют уход на уровне 60 град/ч
и шум около 3 угл. мин/c. Испытания на стенде в ИКИ РАН и на реальном небе
показали значительное преимущество интегрированного прибора по сравнению
со звездным датчиком без поддержки инерциальными средствами.
Встроенные датчики угловой скорости позволили прибору грубо оп-
ределять параметры ориентации при превышении максимальной угловой
скорости для оптического канала, а сразу после снижения угловой скорости,
при наличии априорной информации, вступать в работу оптическому каналу —
восстанавливаемый отказ (инерциальный канал является полнофункцио-
нальным каналом с ограниченным временем работоспособности — накопление
ошибки).
Следующим шагом развития интегрированных приборов определения ори-
ентации в ИКИ РАН стала модернизация прибора БОКЗ-МФ-01, в который
были встроены более точные датчики угловой скорости CRG20-01 фирмы
Silicon Sensing (Великобритания). Характеристики этих ДУС на порядок пре-
восходят характеристики датчиков ADIS16251 при тех же габаритах, массе
и энергопотреблении. Испытания датчиков CRG20-01 показали, что их точ-
ность сопоставима с точностью оптического канала.
С помощью этих датчиков стало возможным прогнозирование положения
звезд в кадре, из-за чего был существенно расширен диапазон рабочих угловых
скоростей оптического канала и значительно повышено быстродействие алго-
ритмического и программного обеспечения датчика. Также существенно воз-
росла точность определения параметров ориентации при засветке поля зрения
прибора, а также при превышении максимально допустимой угловой скорости.
Параллельно в ИКИ РАН ведется разработка прибора БФНИ (блок форми-
рования навигационной информации) [15, 16], который способен определять
все параметры движения КА. Прибор содержит датчики угловой скорости, при-
емник спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, солнечный датчик
грубой ориентации и магнитометр. Кроме того, прибор способен перехватывать
от звездных датчиков информацию об ориентации на шине МКО (мультип-
лексный канал обмена), по которой строится равноточная по всем осям ориен-
тация и осуществляется калибровка датчиков угловой скорости.
В режиме точной ориентации прибор способен с частотой 10 Гц выдавать па-
раметры ориентации с точностью не ниже 10 угл. с, координаты центра масс с
точностью не ниже 10 м, текущее время с точностью не хуже 0,2 мкс.
31
Наземные испытания датчиков угловой скорости CRG20 и SiRRS01 фирмы
Silicon Sensing (Великобритания) проводились в ИКИ РАН для оценки возмож-
ности и целесообразности их использования в составе интегрированного при-
бора ориентации БОКЗ-МФ-01 и БФНИ.
Исследования основных характеристик ДУСов показали, что точность оп-
ределения ориентации по результатам их измерений достаточна для использо-
вания этих данных в качестве априорной информации во всех режимах работы
звездного датчика, т.е. на фиксированном временнóм интервале, инерциальный
канал, построенный на основе датчиков угловой скорости CRG20 и SiRRS01,
может рассматриваться как полнофункциональный канал, эквивалентный оп-
тическому каналу.
Для оценки радиационной стойкости ДУС CRG20 к ионизирующему излу-
чению проводились испытания на источнике излучения Co-60 с последующим
их отжигом в активном режиме. В результате получены зависимости парамет-
ров датчиков от накопленной дозы, показавшие достаточно высокую радиаци-
онную стойкость ДУС CRG20.
Интегрирование приборов определения ориентации ведет к уменьшению
числа сборочных единиц на борту КА, сокращению кооперации изготовителей,
увеличению помехозащищенности прибора, упрощению процессов сборки и
испытаний готового изделия, к уменьшению удельной стоимости составляю-
щих единиц.
Совместное использование информации с оптических звездных датчиков и
гироскопов [17] характерно для многих КА, что обусловлено особенностями
датчиков обоих типов. В отличие от звездных датчиков, гироскопы функцио-
нируют в широком диапазоне угловых скоростей и независимо от внешних оп-
тических условий. Однако при отсутствии коррекции по измерениям
от других приборов, точность определения угловой скорости и параметров ори-
ентации со временем снижается.
В настоящее время все шире разрабатываются интегрированные приборы,
в состав которых входят достаточно медленные звездные координаторы
и значительно более быстродействующие датчики угловой скорости. Матема-
тическая обработка информации с обоих типов датчиков позволяет определять
параметры ориентации и угловой скорости с высокой точностью
и частотой (порядка 10 и выше Гц), которая необходима для работы системы
управления движением КА.
Сферы применения миниатюрных ДУС и гироскопов уже сегодня чрезвы-
чайно широки — от космонавтики, авионики и автомобильной электроники до
цифровых фотоаппаратов. Гарантия тому — резкое снижение цены таких дат-
чиков. Если традиционные гироскопы — это относительно сложные и дорогие
приборы, то подавляющее большинство миниатюрных гироскопов представ-
ляют собой МЭМС — системы, которые изготавливают по технологиям, близ-
ким к технологиям изготовления сверхбольших интегральных схем (СБИС).
Такие устройства производятся массово и стоят столько же, сколько и другие
микросхемы, — единицы–десятки долларов.
Мы делаем акцент на серийно производимые устройства и пока оставляем
без внимания технологические особенности изготовления МЭМС-гироскопов и
многие из их свойств, которые важны для специальных применений. Практи-
чески все МЭМС-гироскопы вибрационные. Это означает, что в каждом есть
рабочее тело, которое в простейшем случае совершает
32
возвратно-поступательное движение в плоскости. Если поставить это тело
на вращающуюся платформу, плоскость которой совпадает с плоскостью
колебаний, то на колеблющуюся массу начнет действовать сила Кориолиса: Fс
= 2m[Ω×v ] , где Ω — вектор угловой скорости (перпендикулярен плоскости
вращения); v — вектор линейной скорости тела относительно вращающейся
платформы; m — масса тела.
Модуль значения силы Кориолиса определяется соотношением
Fс = 2mΩv⋅sinφ, где φ — угол между векторами линейной и угловой скоростей.
Итак, сила Кориолиса направлена перпендикулярно направлению колеба-
ний и оси вращения. При противоположных направлениях движения сила Ко-
риолиса также действует в противоположных направлениях. На этом эффекте
основан принцип действия вибрационного гироскопа.
Определив силу Кориолиса и зная линейную скорость тела, несложно вы-
числить угловую скорость и ее изменение (угловое ускорение).
Программно-алгоритмическое обеспечение интегрированных приборов
должно обеспечивать решение таких задач:
1) совместную фильтрация измерений звездного координатора и ДУС для
формирования своевременной информации об ориентации и угловой скорости;
2) определение ориентации путем интегрирования измерений ДУС с мо-
мента получения последних измерений звездного датчика при отсутствии оп-
тических измерений;
3) уточнение параметров ДУС, подверженных случайному дрейфу,
по измерениям звездного координатора;
4) уточнение матрицы взаимной ориентации двух звездных датчиков
и построение равноточной трехосной ориентации.
Сегодня есть много задач по проведению постоянного мониторинга по-
верхности земли и околоземного космического пространства. Решение таких
задач может осуществляться путем измерений во многих точках и по неко-
торому числу интересующих параметров. В этом случае на борту КА доста-
точно располагать небольшим набором измерительных инструментов.
Установка на борт таких КА нескольких комплексированных приборов
ориентации иногда нецелесообразна в силу высокой итоговой стоимости
каждого космического аппарата. Для решения задач на основе сетевых
структур [18] обычно используют большое количество малых КА со стандарт-
ным приборным оснащением. В ряде стран проводятся работы по созданию ма-
лых и супермалых аппаратов (микро-, нано- и пикоКА). Наиболее перспектив-
ными для решения таких задач являются нано- и пикоКА, что определяется их
стоимостью. Нано- и пикоКА также необходимо оснащать системой ориента-
ции, что, в свою очередь, требует создания миниатюрных датчиков. Уже су-
ществуют датчики ориентации массой в сотни граммов, что приемлемо даже
для супермалых КА. Такие датчики должны быть надежными и универсальны-
ми, поскольку предназначены для поддержки выполнения нескольких функций
системы управления КА. Они должны, например, выполнять функции звездно-
го и солнечного датчиков, что важно для борьбы с засветками чувствительных
элементов звездных координаторов и начального позиционирования приборов
определения ориентации, датчиков угловых скоростей, что важно при высоких
скоростях вращения. Для орбитальных и суборбитальных полетов возможно
также использование магнитных датчиков, гиромагнитных бесплатформенных
33
курсовертикалей, интегрированных с оптическими средствами [19, 20] и т.д.
Применение универсального датчика с несколькими каналами, работающими
на различных физических принципах, позволяет повысить надежность устрой-
ства критического назначения, обеспечивает экономию
по массе и стоимости аппарата, что особенно важно для малых КА. Основой
для интегрированных датчиков астроориентации может являться одна или нес-
колько миниатюрных камер с пониженной чувствительностью, ДУСы средней
точности, а на данный момент уже и соизмеримой точностью.
Разработка интегрированных систем астроориентации, функционирующих
на разных физических принципах, основана на комплексной обработке пер-
вичной информации из различных источников в целях повышения быстродей-
ствия, надежности и точности автономной системы ориентации. Среди схем
комплексирования систем ориентации различных типов наибольшее распро-
странение [20] нашли инвариантные схемы, которые оценивают не параметры
ориентации, а их погрешности. Неинвариантные алгоритмы требуют дополни-
тельного привлечения информации о динамике объекта и командах управле-
ния. В неинвариантных схемах информация с датчиков используется только
для формирования вектора измерения и не учитывает то, что данные ДУС по-
зволяют определить изменение именно тех параметров, которые характеризует
отклонение ориентации объекта.
Привлечение информации ДУС для краткосрочного прогноза ориентации
позволяет избавиться от необходимости привлечения данных о динамических
свойствах объекта и командах управления. Этот подход позволяет строить ин-
вариантные схемы комплексирования датчиков первичной информации раз-
личной физической природы в автономный интегрированный датчик ориента-
ции, который сможет использоваться для широкого круга КА. Это особенно
важно при массовом использовании автономных систем ориентации в группи-
ровках малых КА ввиду высокой стоимости систем ориентации по сравнению
со стоимостью малых и супермалых аппаратов.
Последнее поколение ЗД автономной астроориентации на основе ПЗС-
матриц входит в большинство современных систем ориентации и навигации
космических средств. Дальнейшее развитие ЗД направлено на использование
чувствительных сенсоров с активными пикселами, которые позволяют нес-
колько повысить быстродействие ЗД, являются более радиационно-стойкими,
энергосберегающими, дешевыми и компактными. Кроме того, значительное
внимание уделяется комплексированию функционально близких приборов и
интегрированию источников первичной информации (например гироскопа
и ЗД, двух или трех ЗД, приборов спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS).
Возможно создание микросистем ориентации на базе инерциальных,
оптических и магнитометрических датчиков микросистемного исполнения, ко-
торые должны удовлетворять массогабаритным и точностным требованиям, а
также обеспечивать выполнение целевых заданий малоразмерных КА.
При этом важным, особенно для малых и супермалых космических аппаратов,
является использование инвариантных схем комплексирования систем ориен-
тации, которые оценивают не параметры ориентации, а погрешности их
траекторного исполнения.
34
5. Алгоритм определения ориентации для интегрированного инерциально-
оптического ЗД повышенной надежности и быстродействия
Блок-схема алгоритма определения ориентации для интегрированного
инерциально-оптического ЗД повышенной надежности и быстродействия
на тактах работы оптического канала (ОК) представлена на рис. 2. Более
быстрый инерциальный канал (ИК) работает с большей частотой, которая
должна быть синхронизирована по первичной информации (ПИ) с ОК. Вери-
фицированные и заверенные данные ориентации периодически вводятся
в более быстродействующий ИК.
Важное место для решения задач определения ориентации КА опти-
ческими средствами ЗД занимает задача прогнозирования траектории движе-
ния датчика, а именно, траектории движения поля зрения чувствительных эле-
ментов. Это позволит минимизировать риск ослепления ЗД и попадания
в поле зрения объектива крупных космических тел.
Современные средства получения первичных данных для инерционного
канала могут использоваться в ЗД для поддержки функционирования оптиче-
ского канала, а также для поддержки функционирования датчика ориентации в
период потери работоспособности оптическим каналом (высокие
угловые скорости, засветка чувствительных элементов оптического канала
и пр.). Для использования в инерционном канале ЗД могут применяться
бесплатформенные схемы получения первичных инерционных данных и алго-
ритмы вычисления координат вектора ориентации требуемого порядка
точности [21].
35
Регистрация изображения ЗН
Определение ориентации
средствами БИНС
Выбор ОЗ для
определения ориентации
Верификация и заверка вычисленных
параметров ориентации
Определение параметров
ориентации по центрам ОЗ
Решение задачи прогноза движения
на следующий цикл регистрации ПИ ОК
Детальный анализ
и отбраковка ОЗ
Пригодность ПИ ОК
Да
Да
Нет
Нет
Начало
Угловые скорости
в допустимых пределах
Угловые скорости с ДУС ПИ ИК
Да
ПИ ОК Нет
Определение ориентации
средствами ОК и БИНС ЗД
Коррекция ухода параметров
ориентации средств ИК
Параметры
ориентации ОК
Параметры ориен-
тации ИК или ОК
Параметры ориентации
ОК корректны
Рис. 2. Блок-схема алгоритма определения ориентации ЗД повышенной надежности:
звездное небо (ЗН), первичная информация (ПИ), оптический канал (ОК),
окно — звезда (ОЗ), инерциальный канал (ИК); датчик угловых скоростей (ДУС)
Их можно использовать для определения ориентации оптических элемен-
тов ЗД на сегмент ЗН. При этом должна учитываться точность алгоритма опре-
деления ориентации по данным инерционного канала и быстродействие опти-
ческого канала, в первую очередь — время экспонирования чувствительных
элементов оптического канала датчика ориентации.
36
Заключение
Изучая, с позиции теории катастроф, вопросы повышения надежности
звездных датчиков ориентации КА (минимизация риска фатального отказа),
следует указать на целесообразность дублирования (резервирования) опти-
ческих каналов получения ПИ.
Кроме того, учитывая, что датчики ориентации КА являются приборами
критического назначения, которые должны надежно функционировать в усло-
виях с существенно неопределенными факторами, дублирование однотипных
каналов имеет некоторые недостатки. Главные из них — зависимость между
техническими характеристиками и возможность одновременного отказа всех
однотипных каналов.
Поэтому, если это позволяет технология, массогабаритные характеристики
и энергетические возможности на борту, следует создавать дополнительные
полнофункциональные каналы ориентации, которые работают на разных фи-
зических принципах. Это могут быть, например, инерциальный и оптический
каналы в ЗД.
Рассматривая возможность повышения надежности датчиков ориентации,
следует уделить особое внимание решению таких задач:
• повышение помехозащищенности прибора, т.е. способности датчика нор-
мально функционировать при наличии неблагоприятных инерционных фак-
торов и факторов внешней оптической среды;
• повышение быстродействия и точности определения ориентации;
• обеспечение функционирования прибора в условиях высоких угловых
скоростей движения;
• создание равноценных по точности и быстродействию полнофункцио-
нальных каналов, способных в нештатном режиме автономно определять ори-
ентацию с согласованной точностью и быстродействием, а в штатном режиме
работать совместно с лучшими характеристиками.
Последнее время в ИКИ РАН сосредоточено внимание на создании интег-
рированных приборов определения ориентации на базе датчиков серии БОКЗ.
Сначала в аппаратурный состав оптического датчика ориентации БОКЗ-МФ
были включены низкоточные датчики угловой скорости, выполненные
по МЭМС-технологии. Эти датчики, практически не повысив энергетических и
массогабаритных характеристик системы ориентации, позволили восстанавли-
вать работоспособность звездного прибора после засветки оптических чувстви-
тельных элементов или прохождения со значительной угловой скоростью уча-
стка переориентации КА.
В ИКИ РАН ведется разработка нового поколения прибора БОКЗ-М30/500,
в котором планируется использовать МЭМС ДУС значительно
более высокой точности. Такие датчики позволят прогнозировать положение
звезд на следующем кадре и реализовывать оконный режим работы звездного
прибора, при котором в обработку берутся только малые «окна» вокруг звезд.
Использование режима малых окон позволяет ускорить распознавание
звезд и повысить частоту обновления информации об ориентации, поставляе-
мую звездным прибором. Применение ДУС более высокой точности,
соизмеримой с точностью ОК, позволит определять положение малых окон при
любом угловом ускорении, повышая тем самым помехоустойчивость определе-
ния ориентации, а также повысить быстродействие звездного прибора практи-
37
чески до быстродействия ИК. Полезными для комплексирования в интегриро-
ванном приборе определения ориентации может оказаться солнечный датчик, а
для околоземных полетов — системы ГЛОНАСС/GPS-навигации
и магнитометры.
Возвращаясь к задаче управления рисками, следует отметить, что целевое
интегрированное многоканальное устройство ориентации является более слож-
ным прибором по сравнение даже с многоканальным оптическим звездным
датчиком. В этом смысле существенно усложняется программное обеспечение
интегрированных устройств критического назначения и их логика работы. По-
этому для адекватного повышения надежности целевого интегрированного
многоканального устройства ориентации требуется разработка системы проек-
тирования с поэтапным тестированием компонентов устройства и системы
в целом, а также в полном объеме выполнять квалификационные испытания
программного обеспечения, созданного с использованием средств проектиро-
вания инвариантных систем определения ориентации и управления, что акту-
ально для создания универсальных решений по управлению группировками
нано-, микро- и мини-спутников.
1. Квалификационные испытания критического программного обеспечения космических
систем: целевая технология независимой верификации и прогнозирования скрытых
дефектов / Б.М. Конорев, Ю.Г. Алексеев, С.А. Засуха, Л.П. Семенов, В.С. Харченко,
Г.Н. Чертков // Космическая наука и технология. — 2008. — 14, № 4. — С. 9–26.
2. Аванесов Г.А., Красиков В.А., Никитин А.В. Оценка точности прибора БОКЗ-М по ре-
зультатам наземных и летных испытаний. Анализ синхронной работы двух приборов //
Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппара-
тов. — Таруса, 2008. — С. 44–45.
3. Multipurpose star trackers SED16/26. — http://www.sodern.com/site/FO/scripts/siteFO_
contenu.php?mode=&noeu_id=56&lang=E.
4. HYDRA Star Traker. — http://www.sodern.com.
5. Набивач В.Е., Опанасенко В.Н., Семенив О.В., Яценко В.А. Алгоритм ориентации кос-
мического аппарата с помощью звездного датчика // Космическая наука и технология. —
2011. — 17, № 1. — С. 84–89.
6. Арнольд В.И., Варченко А.Н., Гусейн-Заде С.М. Особенности дифференцируемых отоб-
ражений. — М.: Наука, 1984. — 336 с.
7. Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и ее приложения. — М.: Мир, 1980. — 608 с.
8. Томпсон Дж.М.Т. Неустойчивость и катастрофы в науке и технике. — М.: Мир, 1985. —
254 с.
9. Thom R. Stabilite structurelle et morphogenese. — N. Y.: W.A. Benjamin, 1972. — 362 p.
10. Том P. Динамическая теория морфогенеза // На пути к теоретической биологии. — М.:
Мир, 1970. — С. 145–155.
11. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф: В 2-х кн. 1984. — 640 с.
12. Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. — М.: Гос. изд-во техн.-теорет.
литературы, 1950. — 472 с.
13. Арнольд В.И. Теория катастроф. — М.: Наука, 1990. — 127 с.
14. Дослідження впливу факторів космічної погоди на супутникові прилади та системи /
В.О. Яценко, Ю.О. Кліменко, В.Є. Набівач, Л.В. Підгородецька, Ю.В. Пруцко, О.В. Се-
менів, С.О. Черемних // Цільова комплексна програма фундаментальних досліджень
«Наукові основи, методичне, технічне та інформаційне забезпечення створення системи
моніторингу геосистем на території України (GEO-UA)». Зб. наук. звітів. — К.: НАН
України, 2010. — С. 136–148.
15. Аванесов Г.А., Бессонов Р.В., Дятлов С.А. Интегрированные приборы определения па-
раметров движения космического аппарата // Современные проблемы ориентации и на-
38
вигации космических аппаратов. — Таруса, 2010. — С. 6, 7.
16. Бессонов Р.В., Дятлов С.А., Куркина А.Н. Результаты наземных испытаний микромеха-
нических датчиков угловой скорости CRG20 и SIRRS01 // Там же, 2010. — С. 43.
17. Аванесов Г.А., Бессонов Р.В., Куркина А.Н., Сазонов В.В. Алгоритмы совместной обра-
ботки данных измерений звездных координаторов и датчиков угловой скорости //
Там же, 2010. — С. 7, 8.
18. Многофункциональный звездный датчик для пикокосмических аппаратов / С.А. Анто-
ненко, О.Н. Андреев, Г.В. Захаркин, А.Н. Липатов, А.Н. Ляш, В.С. Макаров, А.П. Эко-
номов // Там же, 2010. — С. 9, 10.
19. Нестеренко О.И., Сергиенко Н.Ю., Кортунов В.И, Кравчук А.С. Интегрированная инер-
циально-оптическая система ориентации // ХVIII Санкт-Петербургская междунар. конф.
по интегрированным навигационным системам. — СПб: ГНЦРФ ЦНИИ «Электро-
прибор», 2011. — С. 170–178.
20. Распопов В.Я., Иванов Ю.В., Алалуев Р.В., Матвеев В.В. и др. Комплексированные мик-
росистемы ориентации малоразмерных беспилотных летательных аппаратов // Там же,
2011. — С. 161–169.
21. Панов А.П. Математические основы теории инерциальной ориентации. — Киев: Наук.
думка, 1995. — 280 с.
Институт космических исследований
НАН Украины и ГКА Украины, г. Киев Получено 30.08.2011
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-45688 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0452-9910 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:24:34Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Набивач, В.Е. 2013-06-17T18:50:28Z 2013-06-17T18:50:28Z 2011 Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности / В.Е. Набивач // Кибернетика и вычисл. техника. — 2011. — Вип. 166. — С. 25-38. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0452-9910 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/45688 519.6; 681.5 Рассмотрена задача повышения надежности звездного датчика ориентации, который функционирует в условиях с существенной неопределенностью и относится к средствам космической техники критического назначения. Представлена интерпретация задачи повышения надежности с применением теории катастроф и управления рисками. Обоснована необходимость создания инвариантных многоканальных интегрированных приборов ориентации, содержащих полнофункциональные каналы ориентации, основанные на разных физических принципах. ru Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України Кибернетика и вычислительная техника Сложные системы управления Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности Article published earlier |
| spellingShingle | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности Набивач, В.Е. Сложные системы управления |
| title | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности |
| title_full | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности |
| title_fullStr | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности |
| title_full_unstemmed | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности |
| title_short | Теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности |
| title_sort | теория катастроф и управление рисками: звездный датчик — пути повышения надежности |
| topic | Сложные системы управления |
| topic_facet | Сложные системы управления |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/45688 |
| work_keys_str_mv | AT nabivačve teoriâkatastrofiupravlenieriskamizvezdnyidatčikputipovyšeniânadežnosti |