Помощь студентам в учебе
Алгоритмы управления и обработки информации космического аппарата на этапе посадки на астероид
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1 Обзор совершенных миссий 8
1.2 Требования к алгоритму управления КА на этапе посадки на астероид 9
1.3 Цель и задачи 10
Вывод 11
2 СОСТАВ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА НА ЭТАПЕ ПОСАДКИ 12
2.1 Обзор космических платформ 14
2.2 Блок силовой автоматики 15
2.3 Бортовая цифровая вычислительная машина 16
2.4 Звездный датчик 18
2.5 Датчик ориентации на Солнце 19
2.6 Характеристика гироскопического измерителя вектора угловой скорости 20
2.7 Инерциальный измерительный блок 22
2.8 Лазерный дальномер 23
2.9 Двигательные установки 24
2.10 Компоновка КА 26
Вывод 29
3 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ КА НА ЭАТПЕ ПОСАДКИ НА
АСТЕРОИД 30
3.1 Управление угловым движением КА 31
3.2 Управление движением центра масс КА 33
3.2.1 Вертикальная посадка КА на астероид 35
3.2.2 . Посадка КА с орбиты ожидания 36
3.3 Алгоритм оптимального управления этапа посадки КА на астероид 38
4 ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ КА НА ЭТАПЕ ПОСАДКИ 46
4.1 Оценивание с помощью фильтра Калмана 46
4.2 Задача оценивания минимаксным фильтром 48
4.3 Сравнение фильтра Калмана и минимаксного фильтра 52
Вывод 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 57
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1 Обзор совершенных миссий 8
1.2 Требования к алгоритму управления КА на этапе посадки на астероид 9
1.3 Цель и задачи 10
Вывод 11
2 СОСТАВ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА НА ЭТАПЕ ПОСАДКИ 12
2.1 Обзор космических платформ 14
2.2 Блок силовой автоматики 15
2.3 Бортовая цифровая вычислительная машина 16
2.4 Звездный датчик 18
2.5 Датчик ориентации на Солнце 19
2.6 Характеристика гироскопического измерителя вектора угловой скорости 20
2.7 Инерциальный измерительный блок 22
2.8 Лазерный дальномер 23
2.9 Двигательные установки 24
2.10 Компоновка КА 26
Вывод 29
3 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ КА НА ЭАТПЕ ПОСАДКИ НА
АСТЕРОИД 30
3.1 Управление угловым движением КА 31
3.2 Управление движением центра масс КА 33
3.2.1 Вертикальная посадка КА на астероид 35
3.2.2 . Посадка КА с орбиты ожидания 36
3.3 Алгоритм оптимального управления этапа посадки КА на астероид 38
4 ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ КА НА ЭТАПЕ ПОСАДКИ 46
4.1 Оценивание с помощью фильтра Калмана 46
4.2 Задача оценивания минимаксным фильтром 48
4.3 Сравнение фильтра Калмана и минимаксного фильтра 52
Вывод 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 57
Желание понять, как устроен мир, в котором живет человек, определило большое внимание к космическому пространству. Ранее человек мог только наблюдать движение небесных тел и изучать их свойства на расстоянии. На сегодняшний день научно – техническая революция дает возможность не только наблюдать, но и достигать ряд небесных тел Солнечной системы и проводить наблюдения и эксперименты с близкого расстояния на поверхностях. Все это требует развития методов и средств исследований, то есть разработки, проектирования, изготовления и запуска космического аппарата (КА).
Особый интерес в наше время занимают астероиды. Большая часть астероидов сосредоточена на расстояниях от 2,1 до 3,5 а.е. от Солнца. Они образуют «Пояс астероидов». С помощью спектроскопических измерений астероиды были разделены на ряд типов. Была выявлена тенденция к пространственной зональности распределения разных типов астероидного вещества в зависимости от расстояния от Солнца. Изучение астероидов имеет большое значение для развития сравнительной планетологии, так как именно среди тел астероидального размера происходит качественный скачок от геологически пассивных малых тел типо Фобоса и Деймоса к планетным телам с собственным ходом развития. Исследование астероидов является долгосрочной целью.
Среди целей исследования астероидов наиболее важной целью является исследование с целью поиска свидетельства жизни, чтобы понять историю Солнечной системы, а также поиск ресурсов. Для того, чтобы совершить данные исследования необходимо совершить посадку на астероид.
На сегодняшний день было выполнено всего две посадки на астероид: космический корабль NEAR на Эросе и космический корабль Hayabusa на Итакове.
Астероиды имеют достаточно необычную и разнообразную форму, так как сила тяжести на них мала, то она не можем сформировать из них шар. Также астероид движется в космическом пространстве с достаточно большой скоростью и вращается относительно своего центра масс. Поэтому задача посадки является достаточно сложной задачей с точки зрения управления.
В большинстве случаев при выполнении своего полета КА должен быть определенным образом ориентирован в пространстве. Если первые искусственные спутники, которые были предназначены для научного исследования космоса, были неуправляемыми, то последующие объекты имели на борту комплекс устройств, который обеспечивал заданную ориентацию их в пространстве.
Система автоматического управления играет важную роль в решении задач, поставленных перед космическим аппаратом. По принципу построения такаясистема является замкнутой системой автоматического управления. К системе управления космическим аппаратом предъявляются повышенные требования такие, как надежность, точность работы, вес и потребление энергии.
Целью работы является выбор алгоритмов управления и обработки информации космического аппарата на этапе посадки на астероид. Для достижения заданной цели решаются следующие задачи:
• обзор общих сведений о бортовых системах управления космических аппаратов;
• определение требований к проектируемой системе управления;
• выбор органов управления для КА;
• описание управления движением центра масс КА;
• описание управления угловым движением КА;
• описание алгоритма фильтрации.
В первой главе проведен обзор миссий, которые смогли совершить посадку на астероид. Рассмотрены основные требования, которые накладываются на алгоритм управления космическим аппаратом на этапе посадки на астероид. Поставлена цель работы и задачи, которые необходимо выполнить для достижения данной цели.
Вторая глава посвящена выбору состава бортового комплекса управления КА на этапе посадки. Описаны основные характеристики элементов бортового комплекса управления.
В третьей главе рассмотрен алгоритм управления КА для выполнения посадки на малое космическое тело. Здесь рассмотрены управление угловым движением КА и управление движением центра масс КА. Получены результаты данного алгоритма управления
Четвертая глава посвящена обзору обработки информации. Рассмотрены задача ориентации и навигации, а также алгоритм оценивания этапа посадки.
Особый интерес в наше время занимают астероиды. Большая часть астероидов сосредоточена на расстояниях от 2,1 до 3,5 а.е. от Солнца. Они образуют «Пояс астероидов». С помощью спектроскопических измерений астероиды были разделены на ряд типов. Была выявлена тенденция к пространственной зональности распределения разных типов астероидного вещества в зависимости от расстояния от Солнца. Изучение астероидов имеет большое значение для развития сравнительной планетологии, так как именно среди тел астероидального размера происходит качественный скачок от геологически пассивных малых тел типо Фобоса и Деймоса к планетным телам с собственным ходом развития. Исследование астероидов является долгосрочной целью.
Среди целей исследования астероидов наиболее важной целью является исследование с целью поиска свидетельства жизни, чтобы понять историю Солнечной системы, а также поиск ресурсов. Для того, чтобы совершить данные исследования необходимо совершить посадку на астероид.
На сегодняшний день было выполнено всего две посадки на астероид: космический корабль NEAR на Эросе и космический корабль Hayabusa на Итакове.
Астероиды имеют достаточно необычную и разнообразную форму, так как сила тяжести на них мала, то она не можем сформировать из них шар. Также астероид движется в космическом пространстве с достаточно большой скоростью и вращается относительно своего центра масс. Поэтому задача посадки является достаточно сложной задачей с точки зрения управления.
В большинстве случаев при выполнении своего полета КА должен быть определенным образом ориентирован в пространстве. Если первые искусственные спутники, которые были предназначены для научного исследования космоса, были неуправляемыми, то последующие объекты имели на борту комплекс устройств, который обеспечивал заданную ориентацию их в пространстве.
Система автоматического управления играет важную роль в решении задач, поставленных перед космическим аппаратом. По принципу построения такаясистема является замкнутой системой автоматического управления. К системе управления космическим аппаратом предъявляются повышенные требования такие, как надежность, точность работы, вес и потребление энергии.
Целью работы является выбор алгоритмов управления и обработки информации космического аппарата на этапе посадки на астероид. Для достижения заданной цели решаются следующие задачи:
• обзор общих сведений о бортовых системах управления космических аппаратов;
• определение требований к проектируемой системе управления;
• выбор органов управления для КА;
• описание управления движением центра масс КА;
• описание управления угловым движением КА;
• описание алгоритма фильтрации.
В первой главе проведен обзор миссий, которые смогли совершить посадку на астероид. Рассмотрены основные требования, которые накладываются на алгоритм управления космическим аппаратом на этапе посадки на астероид. Поставлена цель работы и задачи, которые необходимо выполнить для достижения данной цели.
Вторая глава посвящена выбору состава бортового комплекса управления КА на этапе посадки. Описаны основные характеристики элементов бортового комплекса управления.
В третьей главе рассмотрен алгоритм управления КА для выполнения посадки на малое космическое тело. Здесь рассмотрены управление угловым движением КА и управление движением центра масс КА. Получены результаты данного алгоритма управления
Четвертая глава посвящена обзору обработки информации. Рассмотрены задача ориентации и навигации, а также алгоритм оценивания этапа посадки.
Выбран состав бортового комплекса управления КА для совершения полета и посадки на астероид в автономном режиме: звездные датчики БОКЗ-МФ, трехкомпонентный измеритель угловой скорости ТИУС-200 (трехосный волоконно-оптический гироскоп), разработанный в рамках проекта «Фобос-грунт», инерциального измерительного блока АИСТ-350, лазерного дальномера ЛСДК, бортовой цифровой вычислительной машины МАРС 4 и блока силовой автоматики, разработанные МОКС «Марс».
Рассмотрен алгоритм управления КА на этапе мягкой посадки на астероид, а именно управление движением центра масс космического аппарата и управление движением относительно центра масс космического аппарата. Применен алгоритм оптимального управления КА, в ходе которого минимизировали массу топлива, которое затрачивается на совершение этапа посадки. Результаты были получены в условиях полной информации. На момент соприкосновения с поверхность астероида: горизонтальная и вертикальная скорости КА должны быть Ух = Уу = 0 и угол тангажа ^ = 90°, Для случая, когда КА находится на высоте 200 м и на расстоянии 200 м от предполагаемой точки посадки КА затрачивает 2,5 кг топлива и 10134,4 Вт • с энергопотребления за 80 секунд. Начальные значения горизонтальной Ух и вертикальной Уу скоростей равны нулю. Для преодоления расстояния в 200 м КА необходимо сообщить некоторое значение горизонтальной скорости. Максимальное значение горизонтальной скорости достигло 3,5 м/с, что удовлетворяет требованиям технического задания. Набор скорости КА до данного значения и дальнейшего торможения до удовлетворяющего конечного условия по Ух осуществляется с помощью вывода КА на угол тангажа ^т[П = 86° и при его разгоне ^тах = 94°.
Управление КА заключается в определении параметров ориентации объекта относительно заданной системы координат. Параметры ориентации помогают не только в решении задач управления движением центра масс КА, но и управления движением относительно центра масс КА. Данные об ориентации сообщаются КА с бортовых датчиков, но не точность информации может привести к ошибкам не только ориентации КА, но и полной работы КА.
Рассмотрены способы обработки информации, которые осуществляются с помощью фильтра Калмана и минимаксного фильтра. Фильтр Калмана не только не определяет момент, когда истинное значение вектора состояния системы находится вне доверительного эллипса, но и когда оценка полностью совпадает с истинным значением. В отличие от ФК при минимаксном фильтре истинное значение находится в пределах информационного множества. Минимаксныйфильтр способен отличить ситуацию, когда информационное множество стягивается в точку и совпадает с истинным значением.
Рассмотрен алгоритм управления КА на этапе мягкой посадки на астероид, а именно управление движением центра масс космического аппарата и управление движением относительно центра масс космического аппарата. Применен алгоритм оптимального управления КА, в ходе которого минимизировали массу топлива, которое затрачивается на совершение этапа посадки. Результаты были получены в условиях полной информации. На момент соприкосновения с поверхность астероида: горизонтальная и вертикальная скорости КА должны быть Ух = Уу = 0 и угол тангажа ^ = 90°, Для случая, когда КА находится на высоте 200 м и на расстоянии 200 м от предполагаемой точки посадки КА затрачивает 2,5 кг топлива и 10134,4 Вт • с энергопотребления за 80 секунд. Начальные значения горизонтальной Ух и вертикальной Уу скоростей равны нулю. Для преодоления расстояния в 200 м КА необходимо сообщить некоторое значение горизонтальной скорости. Максимальное значение горизонтальной скорости достигло 3,5 м/с, что удовлетворяет требованиям технического задания. Набор скорости КА до данного значения и дальнейшего торможения до удовлетворяющего конечного условия по Ух осуществляется с помощью вывода КА на угол тангажа ^т[П = 86° и при его разгоне ^тах = 94°.
Управление КА заключается в определении параметров ориентации объекта относительно заданной системы координат. Параметры ориентации помогают не только в решении задач управления движением центра масс КА, но и управления движением относительно центра масс КА. Данные об ориентации сообщаются КА с бортовых датчиков, но не точность информации может привести к ошибкам не только ориентации КА, но и полной работы КА.
Рассмотрены способы обработки информации, которые осуществляются с помощью фильтра Калмана и минимаксного фильтра. Фильтр Калмана не только не определяет момент, когда истинное значение вектора состояния системы находится вне доверительного эллипса, но и когда оценка полностью совпадает с истинным значением. В отличие от ФК при минимаксном фильтре истинное значение находится в пределах информационного множества. Минимаксныйфильтр способен отличить ситуацию, когда информационное множество стягивается в точку и совпадает с истинным значением.
