CC BY
47
^ 10.24411/2409-5419-2018-10014
основные результаты применения автоматизированной системы научных исследований методов и алгоритмов Автономной навигации и ориентации космических аппаратов
КУЗНЕЦОВ Владислав Иванович1
ДАНИЛОВА Тамара Валентиновна2
АРХИПОВА
Марина Александровна3
Сведения об авторах:
1д.т.н., с.н.с, старший научный сотрудник Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected], 2к.т.н., старший научный сотрудник Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected], 3старший научный сотрудник Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Представлено краткое описание автоматизированной системы научных исследований методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации космических аппаратов. Автоматизированная система научных исследований - сложная система, объединяющая с одной стороны подсистему разработки и применения инструментальной среды, ответственной за корректный учет специфики предметной области, с другой - подсистему управления, создающую равные возможности исследования многих разновидностей моделей предметной области. Автоматизированная система научных исследований построена аналогично системам управления технологическими процессами с различными контурами обратной связи, с широкой степенью визуализации процесса решения задачи. Созданные в инструментальной среде имитационные модели различных методов и алгоритмов частично известны из общей практики, либо модифицированы, либо разработан. Всего рассмотрены четырнадцать методов автономной навигации и четыре метода автономной навигации и ориентации. Построенные по единой методике, они представляют общность возможностей анализа и синтеза системы автономной навигации и ориентации, способствующих выбору алгоритмов при удовлетворении целей и задач полета космических аппаратов. Представлены основные научные результаты, полученные при моделировании и исследованиях в данной предметной области. Наиболее современны разработки астрономических систем автономной навигации и ориентации на основе использования оптико-электронных приборов с зарядовой связью. В этом ряду перспективен разработанный метод по виртуальным измерениям зенитных расстояний звезд. Метод защищен двумя патентами. В этом методе удалось решать задачи навигации и ориентации, используя одинаковую информацию: измерения яркости и приборных координат предварительно распознанных звезд. Более того, на основе этой же информации оказалось возможным построение многофункциональной системы автономной навигации и ориентации космических аппаратов, позволяющей сделать определенные логические выводы из ситуационной обстановки на орбите.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автономная навигация; автономная ориентация; самоопределение; автоматизированная система научных исследований; оптимальная стратегия измерений.
Для цитирования: Кузнецов В. И., Данилова Т. В., Архипова М. А. Основные результаты применения автоматизированной системы научных исследований методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации космических аппаратов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2018. Т. 10. № 1. С. 4-14. doi 10.24411/2409-5419-2018-10014
Vol 10 No 1-2018, H&ES RESEARCH AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
Термин «автономная навигация и ориентация космических аппаратов (КА)» несет на себе смысл, который больше проясняется словом «самоопределение», т.е. подразумевается такое определение собственной орбиты и ориентации в пространстве, для которого достаточно средств самого КА. Сложность такой задачи и состояние бортовых вычислительных и измерительных средств сравнительно долго не позволяли ее реально решать. Но уже в первом десятилетии после запуска первого искусственного спутника Земли появляются научные исследования и защищаются диссертации по данной тематике. Как нам представляется, в настоящее время, благодаря успехам отечественной и мировой науки и техники, исчезли технические причины, сдерживавшие разработку систем автономной навигации и ориентации (САНиО).
Представляется, что теперь нужна лишь человеческая воля.
Тем не менее, в системе ГЛОНАСС до сих пор орбиты КА определяются в наземном комплексе управления, а КА системы лишь транслируют эту информацию, размножая эфемериды между закладками. Правда, алгоритм, функционирующий на КА ГЛОНАСС, на определенный промежуток времени может прогнозировать свою орбиту, но качество этого прогноза с течением времени неизбежно ухудшается, т.е. ГЛОНАСС не является системой автономной навигации и, тем более, ориентации. Хотя в последнее время можно услышать и обратное ошибочное мнение.
Конечно, определение орбиты любым КА с помощью сигналов КА ГЛОНАСС создает впечатление автономности навигации для самого определяющегося КА, но оно поверхностно, ибо в основе этого факта лежит определение наземным комплексом орбит КА ГЛОНАСС и использование определенной части информационного поля ГЛОНАСС.
САНиО создают робототехническое качество КА, ибо владение собственной орбитой и ориентацией закладывает основу возможности самостоятельного решения и других задач, связанных с ситуационной обстановкой на орбите, как минимум, упрощается управление аппаратом с Земли.
Подчеркнем, что это качество любой КА может приобрести с помощью САНиО без какого-либо влияния других информационных полей и систем.
Само по себе определение орбиты центра масс КА при различных возмущающих воздействиях космических факторов достаточно сложно, поэтому определение орбиты иногда рассматривается отдельно от определения углового движения корпуса относительно центра масс. Однако часто необходимо иметь данные оценки одновременно. При решении этих задач совместно на борту КА уровень сложности решаемой проблемы еще более повышается из-за необходимости подбора измерительных средств для решения обеих задач.
Единственный метод всестороннего исследования проблем автономной навигации и ориентации — имитационное моделирование на ЭВМ.
Несмотря на то, что история решения различными исследователями задач автономной навигации и ориентации насчитывает уже много лет, до недавних пор не были разработаны общие методологические основы моделирования решений таких задач, не разрабатывалась инструментальная среда, в которой это моделирование осуществлялось бы удобно, быстро и всесторонне, а исследования процессов, протекающих при решении этих задач, были бы, как минимум, рациональными или, по возможности, оптимальными, глубокими и наглядными.
С целью ускорения развития теории и практики моделирования задач САНиО за период 1990-2006 годов в ВКА имени А. Ф. Можайского была разработана автоматизированная система научных исследований (АСНИ) методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации. Была написана монография об основах построения АСНИ и решении с помощью ее проблем автономной навигации и ориентации любых КА [1], а также по мере достижения успехов в исследованиях — вторая монография, где определена роль автономной астрономической навигации и ориентации в теории и практике навигационного обеспечения, применяемого в ВС РФ [2].
Общий объем этих материалов содержит около тысяч страниц. Результаты разработки АСНИ докладывались на I, II и III конференциях Космических Войск [3], проводившихся в академии; на VI и VII Всероссийских конференциях по фундаментальному и прикладному ко-ординатно-временному и навигационному обеспечению в Институте прикладной астрономии [4].
Поэтому, чтобы не повторяться в деталях описания АСНИ и теории автономной навигации и ориентации, отметим лишь некоторые особенности системы. Были разработаны две версии АСНИ — версия 1.0 и версия 1.1 [5]. Обе версии написаны с использованием языка Pascal, инструментальная среда моделирования версии 1.0 разработана с помощью комплекса Turbo Pascal Professional, а версия 1.1 — с помощью среды программирования C++ Builder 6.0 и HTML-редактора.
В версии 1.0, в основном, было выяснено «что» и «как», и «в каком объеме» можно моделировать интересующие нас проблемы на языке Pascal, т.е. определены структура и архитектура инструментальной среды. Сейчас эта версия стала неактуальной.
В версии 1.1 более мощные средства программирования позволили создать рабочую версию системы, которая описана в упомянутых основных источниках [1-2], а также [6-12].
В АСНИ, версия 1.1, используя разработанную инструментальную среду, соединены необходимые средства
для всестороннего изучения, исследования и разработки САНиО на любых орбитах, практически при всех составах бортовых измерений.
Все программы обладают дружественным интерфейсом. По своим функциям их можно условно разделить на исследовательские, сервисные и управленческие. Исследовательские программы реализуют либо алгоритмы определенного метода решения задачи, либо посвящены отдельным частным или вспомогательным вопросам, решения которых либо входят в общий алгоритм метода, либо формируют исходные данные для запуска метода.
Управленческие программы организуют общее направление выбранного исследования. Сервисные программы демонстрируют функционирование программы в целом в космическом пространстве, а также отдельно решение своих задач определенными частями программ. Все программы написаны по типу «сверху в низ». Общие узлы программ, свойственные всем или большинству методов, оформлены в виде модулей. Т.е. программа каждого метода содержит файл исходных данных, список используемых модулей, алгоритм, соответствующий измеряемым параметрам, их частным производным и результаты расчетов, которые могут быть записаны в базу решений соответствующего метода.
В обобщенном виде структура АСНИ, версия 1.1, включает основные разделы:
- баллистический анализ, используемый с точки зрения полезности для автономной навигации;
- автономная навигация;
- автономная навигация и ориентация;
- космические навигационные системы (КНС);
- межпланетный перелет;
- электронный учебник по основам теории автономной навигации и ориентации.
Структуру поддерживают две бортовые базы звезд, разработанные на основе фундаментальных каталогов FK-5 и Hipparcos.
Баллистический анализ включает возможные предварительные расчеты согласно представляемым темам по методам числового интегрирования уравнений движения КА, функционированию отдельных приборов, видимостью навигационных ориентиров, представлению области неопределенности, в условиях которых будут решаться задачи навигации и ориентации. В конце анализа могут быть переданы соответствующие данные в исследовательские программы.
Всего в системе свыше сорока исследовательских программ, они посвящены четырнадцати методам автономной навигации и четырем методом автономной навигации и ориентации, их краткие характеристики представлены в [2, стр. 188-190].
Блок программ КНС характеризуется ниже.
Межпланетный перелет содержит программу расчета на заданную дату баллистики движения Земля-Венера, Марс и обратно, визуализации фаз перелетов в зависимости от преобладания гравитационного влияния на КА соответствующей планеты или Солнца (1-я фаза — движение у планеты отлета, 2-я фаза — гелиоцентрическое движение, 3-ья фаза — движение относительно планеты перелета), а также определения точности автономной навигации КА при различных измеряемых параметрах в течение первой фазы перелета Земля-Марс (Венера).
Электронный учебник содержит 24 основных тем, относящемся к предметной области, а также описание схемы расчетов математического программирования и теории решения задач синхронизации шкал КА на основе приема сигналов пульсаров.
Предусматривались два основных режима исследований: однократное, называемое иногда в текстах программ одноразовым, или статистическое. Однократное исследование чаще используется как прикидочное и в базу решений метода, как правило, не записывается. Статистическое исследование может быть различной направленности:
- набор решений в темпе орбитальных движений, когда последующее решение начинается с окончания предыдущего (например, по виткам);
- когда решения повторяются с одинаковыми исходными данными, но изменяются некоторые параметры задания;
- по представленному плану, включающему различные сочетания процессов «решение задач» или «прогнозный расчет орбиты»;
- набор статистики может быть автоматическим или ручным.
Каждый временной ряд заканчивается расчетом математических ожиданий и среднего квадратического отклонения всех параметров уточненной опорной орбиты от фактической.
Результаты статистических исследований являются предпочтительными, и различные решения задач, в том числе и оценки свойств методов, сравниваются на этом уровне.
Базы решений методов содержат, как правило, сотни записей, временной ряд каждой записи содержит до 35 однократных решений.
В комментарии к записи отражается оценка исследователем данной статистики.
Совокупная протяженность непрерывных статистических решений может достигать до года и более.
Исследования в среде АСНИ, версия 1.1, привели к решению ряда проблем автономной навигации и ориентации. Основные научные результаты, полученные к настоящему времени можно охарактеризовать следующими положениями.
Уо! 10 N0 1-2018, Н&ЕБ ЕЕЗЕЛЕСН АУ!АТ!ОМ, БРАБЕ-РОСКЕТ HARDWARE
1. Наиболее прогрессивен метод навигации и ориентации по виртуальным измерениям зенитных расстояний звезд (ВИЗРЗ) [8-9, 13-14], основанный на измерениях приборных координат и яркости звезд в оптико-электронных приборах (ОЭП). В этом методе реализован принцип оптимального расположения навигационных ориентиров, требующий при их минимизации, чтобы один ориентир находился в плоскости орбиты, другой — в ее полюсе; применен минимальный по погрешности расчет виртуального зенитного угла предварительно выбранной на основании параметров опорной орбиты субоптимальной яркой звезды. Виртуальным метод назван потому, что местная вертикаль фактически не строится, а требуемый угол рассчитывается относительно координат орта радиус-вектора орбиты в текущей орбитальной системе координат (ТОСК) и преобразованных в эту же систему измеренных приборных координат предварительно распознанных звезд. Оригинальность расчета заключается в том, что он проводится не в той системе координат, в которой потом проводится решение навигационной задачи. В результате получен простой и точный алгоритм, который к тому же решает обе задачи — навигации и ориентации — по одинаковой исходной информации и по схожему алгоритму, но с использованием различных частных производных.
При средней квадратической погрешности измерений в ОЭП приборных координат звезд, равной 0,1", статистическая точность навигации на любых орбитах достигает порядка единиц метров по положению и по модулю вектора скорости около 0,1 мм/с, практически при любой погрешности знания опорной орбиты.
Статистическая точность ориентации при колебании осей ТОСК относительно связанной с корпусом КА системы координат до 5° по каждой из осей и погрешности ОЭП в 0,1" не превосходит единиц и долей секунд. Моделировались погрешности силовой гироскопической или магнито-гравитационной стабилизаций.
Для реализации метода по ВИЗРЗ необходимы два ОЭП в кардановых подвесах и один — жестко закрепленный на корпусе КА, т.е. метод не требует от КА значительных весогабаритных нагрузок, обладая высокой помехоустойчивостью и скрытностью.
2. Был усовершенствован известный метод так называемый взаимной навигации КА путем исключения активного способа измерения дальности между аппаратами. Этого достигли увеличением при визировании аппарата числа видимых звезд, используемых в измерениях, и расчете частных производных до пяти (в классическом методе предполагалось использовать одну-две звезды).
Отметим, что, используя метод взаимной навигации в классическом варианте, был разработан ряд программ для космических навигационных систем Цикада и ГЛО-НАСС с целью их объединения для повышения качества
навигационного поля. При этом разработан оригинальный алгоритм, позволяющий получать оценки обоих КА при отсутствии оптической видимости наблюдаемого КА [15].
Усовершенствованный взаимный метод был назван взаимным угловым. В нем по-прежнему сохранена возможность оценивать как параметры обоих аппаратов (двенадцатимерная задача), так и одного (шестимерная задача). Причем во втором случае точность определяемых оценок, конечно, зависит от знания орбиты второго аппарата. Чтобы исключить последнее, взаимный угловой метод был, в свою очередь, доработан. Модифицированный метод, названный методом слежения [10-11], определяет только орбиту визируемого аппарата. При этом полагается, что орбита визирующего КА известна и определяется на основе метода по ВИЗРЗ. Высокие оценки орбиты визируемого аппарата достигаются на основе измерений в двух ОЭП. Один по-прежнему жестко закреплен на корпусе визирующего аппарата и используется для оценки его геоцентрической ориентации и расчета начальных углов поворота для визирования согласно опорным знаниям орбиты визируемого аппарата, а затем и для контроля визирования. Второй ОЭП, находящийся в кардановом подвесе визирующего аппарата, наводится на визируемый КА и измеряет приборные координаты и яркость попавших в поле зрения звезд. По этой информации распознаются звезды, и уточняется орбита визируемого аппарата. При постоянном слежении (минимум часть или один виток) по специальному алгоритму [10] оценивается факт изменения орбиты. При резком изменении орбиты, например, при импульсе порядка 50-100 м/с, оценивание может произойти практически мгновенно или в течение порядка 0,1 витка; импульс порядка 1-3 м/с может быть зафиксирован в течение одного или на следующем витке. Факт изменения орбиты определяется на основе анализа сумм поправок в координатах и составляющих скорости визируемого КА и сумм невязок измерений за определенный промежуток времени.
3. Из описания рассмотренных методов следует, что они близки по составам измерителей, по виду измеряемых параметров и в совокупности могут решать различные задачи, связанные с оценками орбитального движения на основе алгоритма [12].
Текущее точное определение собственной орбиты и орбиты наблюдаемого КА (наблюдаемых, если на борту больше двух ОЭП в кардановых подвесах) позволяет программно из результатов расчета сделать некоторые интеллектуальные выводы:
- по предварительному анализу опорных орбит оценить возможность решения навигационной задачи при слежении на следующем витке, т.е. сделать вывод о замене режима определения орбиты прогнозом движения, предвосхищая тем самым аварийное решение задачи слежения;
- по анализу получаемых виток за витком оценок орбиты наблюдаемого КА и отсутствию изменения оценок собственной орбиты сделать оперативный вывод об изменении орбиты наблюдаемого КА;
- оценивая расстояние между аппаратами, сделать вывод об опасном сближении и необходимости оперативной коррекции своей орбиты.
Вообще, САНиО по своему основному назначению, как средство самоопределения, может быть удачно использовано при различных движениях: в лунной программе на траектории Земля-Луна-Земля и в орбитальном движении при создании лунных поселений и обслуживании их. Они могут также использоваться при обеспечении межпланетных полетов, по крайней мере, в Солнечной системе. САНиО также будут, пожалуй, являться единственным контрольным средством при планетоцентриче-ском движении, использоваться при принятии решений об изменении орбиты КА по результатам наблюдения поверхности планеты, а также о посадке КА на планету. Не лишним будет использование САНиО и при посещении астероидов и подобных им объектов, а также при посещении спутников различных планет. Для лунного координирования и обеспечения связи, очевидно, придется создавать космические навигационные системы на базе КА, снабженных САНиО.
В процессе проведения экспериментов в АСНИ, версии 1.1, получен первый опыт моделирования баллистики движения при межпланетных полетах. Разработанные программы по заданной дате рассчитывают целесообразную дату отлета, которая приводит к движению, близкому к оптимальному по энергетике полуэллипсу Хомана. Определяется приблизительное время перелета, по полученным данным рассчитывается приближенное гелиоцентрическое движение, которое уточняется в зависимости от задаваемых параметров эллиптических и гиперболических орбит вокруг планет отлета и прилета. Интерактивно строится таблица данных движения по фазам перелета. Результаты моделирования показали, что, например, при использовании метода по ВИЗРЗ (три ОЭП: один—жестко на корпусе, два—в кардановых подвесах) со среднеквадратической погрешностью в 0,1" искомую границу первой фазы перелета Земля-планета КА может пересечь с точностью знания своего вектора геоцентрического состояния в первые сотни метров по положению и единицы сантиметров в секунду по модулю вектора скорости. Возможно, такую точность можно сохранить и при гелиоцентрическом движении и далее до планетоцентрической орбиты.
4. Описанные САНиО были созданы при разработке ряда частных алгоритмов, из них наиболее значимы, прежде всего, три алгоритма.
Первый — алгоритм распознавания звезд на основе знания только опорной орбиты КА или знания ее фактиче-
ской орбиты [2, 7]. Ценность алгоритма заключается в его направленности на поиск рациональных значений коэффициентов фильтров, участвующих в расчетах матриц измеренных взаимных угловых расстояний звезд; в сравнении этих матриц с матрицами фактических угловых расстояний, выбираемых из бортового каталога звезд [2, стр. 64-69]. Для контроля процесса распознавания важен разработанный алгоритм визуализации. Новым шагом является и распознавание звезд на основе использования только опорной орбиты [7].
Второй — алгоритм оптимальной стратегии навигационных измерений на основе решения неклассической вариационной задачи, сведенной к задаче управления [6]. Взяв за основу эту работу, рассчитанную для кеплерова движения и для формирования решения на основе минимизации дисперсии одного параметра, модифицировав ее для возмущенных движений и использования широкого спектра минимизируемых функционалов, был получен многофункциональный оптимальный алгоритм для реальных условий решения навигационной задачи при массовых измерениях по нескольким критериям оптимальности в линейном и циклическом режиме расчетов [2, стр. 77-113], [16].
Третий — устойчивый и высокоточный алгоритм оценки ориентации корпуса КА, работоспособный при всех значений погрешностей системы стабилизации от 0° до 15° по каждой из осей. Оригинальность алгоритма заключается в том, что он внешне повторяет алгоритм решения навигационной задачи и использует те же измерения — приборные координаты и яркость звезд,— но частные производные строятся относительно погрешностей углов ориентации. При этом данный алгоритм получился менее требовательным к погрешностям оценок упомянутых координат, чем в алгоритме навигации [1, т. 1, стр. 149-155].
Все три алгоритма поддерживают большинство методов автономной навигации и все методы автономной навигации и ориентации КА.
5. В процессе разработки АСНИ, версии 1.1, были получены и новые результаты, которые использовались, в основном, в методах автономной навигации. Был разработан и исследован алгоритм модификации метода наименьших квадратов, не требующий обращения матрицы [1, т. 1, стр. 158-162]. Очевидно, при использовании плохо обусловленных матриц этот алгоритм будет весьма полезен. Точность навигации при классическом и модернизированном алгоритмах наблюдалась одинаковой, но время решения задачи после модификации алгоритма уменьшилось.
Была также разработана и исследована модель построения оптической вертикали на борту КА [17], основанная на проектировании видимой фазы Земли на картинную плоскость, т.е. плоскость, проходящую через центр
Уо! 10 N0 1-2018, Н&ЕБ РЕЗЕЛРСН АУ!АТ!ОМ, БРАБЕ^ОСКЕТ HARDWARE
геоида и перпендикулярную лучу зрения, направленному с КА к геоиду. Математическая модель основывается на фиксации с определенной точностью пяти точек, приблизительно равномерно расположенных по дуге видимой части «серпа» и использовании общего уравнения конических сечений, не проходящих через начало координат. Программа имеет два режима: с ограничением угла Солн-це-КА и без ограничения. Точность решения навигационной задачи по измерениям фактических зенитных расстояний двух звезд при оптической вертикали представлена в [1], наивысшая точность достигает порядка 150 м по положению и единиц сантиметров в секунду по модулю вектора скорости для низкоорбитных КА.
Таким образом, разработанная впервые в отечественной науке и практике АСНИ методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации КА, оценивающая широкий спектр движения в космосе, позволила получить новые научные результаты, которые изменяют облик КА, приближая их к робототехническим устройствам.
Следует отметить, что исследования в среде АСНИ, версия 1.1, способствуют решению ряда теоретических проблем практики, ибо эта система позволяет:
- получить гарантированную статистическую оценку точности различных методов автономной навигации и ориентации КА,
- определить, с одной стороны, алгоритм и условия, повышающие точность навигационных оценок и точность определения ориентации КА, с другой — минимизировать число измерителей и измерений, доставляющих заданную точность знания орбиты и ориентации КА,
получить гарантированную статистическую оценку чувствительности навигации и ориентации к любым факторам космического полета, шумам модели движения, погрешностям измерений и альтернативам алгоритма.
В результате создаются объективные возможности выбора рациональных методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации в соответствии с условиями и целями полета КА на любой отрезок времени.
Предлагаемая многофункциональная САНиО [12], решающая ряд задач навигации и ориентации, благодаря таким ее положительным качествам:
- универсальность, т.е. применимость для любых околоземных орбит и орбит достижения других планет Солнечной системы,
- малые весогабаритные характеристики измерителей,
- пассивность измерений,
- устойчивость к возмущениям орбит,
- высокая точность решения задач,
может являться своего рода стандартом для автономных систем навигации и ориентации различных классов КА.
В процессе разработки АСНИ были защищены две кандидатские диссертации.
Ряд разработанных и исследованных в среде АСНИ новых тем опубликованы в изданиях, поддерживаемых ВАК (всего 12 статей за 2002-2017 годы), часть из них защищены патентами.
Идея предварительной разработки АСНИ для построения программ различных алгоритмов и методов проблемы автономной навигации и ориентации КА оказалась продуктивной.
Литература
1. Кузнецов В. И. Автоматизированная система научных исследований методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации космических аппаратов: Монография: в 2 т. СПб.: ВКА имени А. Ф. Можайского, 2010. Т. 1. 289 с. Т. 2. 164 с.
2. Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Теория и практика навигационного обеспечения применения ВС РФ: Монография. Часть 2. Автономная астрономическая навигация и ориентация космических аппаратов. СПб.: ВКА имени А. Ф. Можайского, 2015. 233 с.
3. Кузнецов В. И., Смолицкий X. Л., Силов В. Н., Данилова Т. В. Новая система автономной навигации и ориентации, пригодная для любых орбит КА // Сборник трудов I Военно-научной конференции Космических войск (Санкт-Петербург, 29-30 октября 2002). МО РФ, 2003. Т. 2. С. 315-319.
4. Кузнецов В. И., Данилова Т. В., АрхиповаМ. А. Автономный метод определения оценок параметров орбиты и ориентации космического аппарата при отсутствии априорной информации // Фундаментальное и прикладное ко-ординатно-временное и навигационное обеспечение: сб. трудов VI Всероссийской конференции (Санкт-Петербург, 20-24 апреля 2015). СПб.: Труды Института прикладной астрономии РАН, 2016. Вып. 38. С. 38-43.
5. Свидетельство РФ о государственной регистрации программ для ЭВМ 2013617182. Программный комплекс расчетно-информационного обеспечения автоматизированной системы научных исследований методов и алгоритмов автономной навигации и ориентации космических аппаратов (АСНИ 1.1) / Кузнецов В. И., Данилова Т. В., Архипова М. А. Заявл. 19.06.2013. Опубл. 20.09.2013.
6. Козлов Н. Н. Об оптимизации процесса траектор-ных измерений // Космические исследования, 1971. Т. 9. Вып. 1. С. 3-15.
7. Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Алгоритмы распознавания «рабочих» звезд по звездному полю // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2003. Т. 46. № 4. С. 16-23.
8. Патент РФ 2454631. Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов на основе виртуальных измерений зенитных расстояний звезд / Кузнецов В. И., Данилова Т. В., Косулин Д. М. Заявл. 28.10.2010. Опубл. 27.06.2012. Бюл. № 18. 12 с.
9. Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Система автономной навигации и ориентации ИСЗ, основанная на виртуальных измерениях зенитных расстояний звезд // Космические исследования. 2011. Т. 49. № 6. С. 555-562.
10. Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Автономная астрономическая система навигации и слежения // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2015. Т. 58. № 8. С. 167-172.
11. Патент РФ 2624408. Способ автономного оценивания изменений орбиты визируемого космического аппарата / Кузнецов В. И., Данилова Т. В., Архипова М. А. За-явл. 01.12.15. Опубл. 03.07.2017. Бюл. № 19. 22 с.
12. Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Многофункциональная астрономическая самоорганизующаяся система автономной навигации и ориентации искусственных спутников Земли // Космические исследования. 2017. Т. 55. № 2. С. 150-166.
13. Кузнецов В. И., Смолицкий Х. Л., Данилова Т. В. Метод автономной астрономической навигации и ориен-
тации ИСЗ // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2003. Т. 46. № 4. С. 5-16.
14. Патент РФ 2318188. Способ автономной навигации и ориентации космических аппаратов / Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Заявл. 17.07.2006. Опубл. 27.02.2008. Бюл. № 6. 10 с.
15. Кузнецов В. И. Система автономного определения орбит космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 5. С. 3-9.
16. Кузнецов В. И., Силов В. Н., Данилова Т. В. Алгоритмы и программы оптимальной стратегии измерений в задачах автономной навигации космических аппаратов // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2003. Т. 46. № 4. С. 43-50.
17. Смолицкий Х Л., Кузнецов В. И., Данилова Т. В. Модель оптического построителя местной вертикали ИСЗ // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2005. Т. 48. № 5. С. 45-52.
THE MAIN RESULTS OF APPLICATION OF THE AUTOMATED SYSTEM OF SCIENTIFIC RESEARCH OF METHODS AND ALGORITHMS OF AUTONOMOUS NAVIGATION AND ORIENTATION OF SPACECRAFTS
VLADISLAV I. KUZNETSOV, KEYWORDS: autonomous navigation; autonomous orienta-
St. Petersburg, Russia, [email protected] tion; self-determination; automated system of scientific re-
searches; optimum measurements strategy.
TAMARA V. DANILOVA,
St. Petersburg, Russia, [email protected] MARINA A. ARKHIPOVA,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
ABSTRACT
It is presented the short description of the automated system of scientific research (ASSR) of methods and algorithms of autonomous navigation and orientation of the spacecrafts (SC). ASSR is a complex system uniting, on the one hand, a subsystem of development and application of an instrumental environment responsible for correct accounting of specifics of subject domain, and on the other hand - the subsystem of management creating equal opportunities of a research of many varieties of models of subject domain. ASSR is constructed similar to process control systems with various contours of feedback, with wide extent of visualization of process of the solution of a task. The imitating models
of various methods and algorithms created in the instrumental environment are partially known from the general practice, or are modified by us, or developed by us. The fourteen methods of autonomous navigation and four methods of autonomous navigation and orientation are considered. Constructed by a uniform technique, they represent community of opportunities of the analysis and the synthesis of system of autonomous navigation and orientation promoting the choice of algorithms at satisfaction of the purposes and problems of flight of SC. The main scientific results received during the modeling and researches in this subject domain are presented. Developments of astronomical systems of au-
Vol 10 No 1-2018, H&ES RESEARCH AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
tonomous navigation and orientation on the basis of use of optical-electronic devices with charge coupling instrumental are most modern. The method developed by us on virtual measurements of zenith distances of stars is perspective. The method is protected by two patents. In this method it was succeeded to solve problems of navigation and orientation using the same information: measurements of brightness and instrument coordinates of previously recognizable stars. Based on the same information, it was possible to build a multifunctional system of autonomous navigation and SC orientation, which allows making certain logical conclusions from the situation in orbit.
REFERENCES
1. Kuznetsov V. I. Avtomatizirovannaya sistema nauchnykh issledovaniy metodov i algoritmov avtonomnoy navigatsii i orientatsii kosmicheskikh apparatov [Automated system scientific research of methods and algorithms autonomous navigation and orientation of spacecrafts: Monograph. In 2 vol.]. St. Petersburg: Military Space Academy of A. F. Mozhaysky, 2010. Vol. 1. 289 p. Vol. 2. 164 p. (In Russian)
2. Kuznetsov V. I., Danilova T. V. Teoriya i praktika navigat-sionnogo obespecheniya primeneniya VS RF: Monografiya. Chast' 2. Avtonomnaya astronomicheskaya navigatsiya i ori-entatsiya kosmicheskikh apparatov [Theory and practice of navigation ensuring application of Armed Forces RF: Monograph. Part 2. Autonomous astronomical navigation and orientation of spacecrafts]. Monograph. St. Petersburg: Military Space Academy of A. F. Mozhaysky, 2015. 233 p. (In Russian)
3. Kuznetsov V. I., Smolitskiy Kh.L., Silov V. N., Danilova T. V. No-vaya sistema avtonomnoy navigatsii i orientatsii, prigodnaya dlya lyubykh orbit kosmicheskikh apparatov [New system of autonomous navigation and orientation, suitable for any orbital of spacecrafts]. Sbornik trudov I Voenno-nauchnoy kon-ferentsii Kosmicheskikh voysk [The collection of works of 1th Military-scientific conference of Space troops, St.-Petersburg, October 29-30, 2002]. The Ministry of Defence of the Russian Federation, 2003. Vol. 2. Pp. 315-319. (In Russian)
4. KuznetsovV. I., Danilova T. V., Arkhipova M. A. Avtonomnyy metod opredeleniya otsenok parametrov orbity i orientatsii kosmicheskogo apparata pri otsutstvii apriornoy informatsii [Autonomous method of definition of estimates of parameters of an orbit and orientation of the spacecraft in the absence of aprioristic information]. Fundamental'noe i prikladnoe koor-dinatno-vremennoe i navigatsionnoe obespechenie: sbornik trudov VI Vserossiyskoy konferentsii [The collection of works of 6th All-Russian conference «Fundamental and applied coordinate-time and navigation providing», St.-Petersburg, April 20-24, 2015]. St.-Petersburg: Transactions of Institute of Applied Astronomy RAS, 2016. Vol. 38. Pp. 38-43. (In Russian)
5. Certificate RF on the state registration of the computer programs 2013617182. Programmnyy kompleks raschetno-in-
formatsionnogo obespecheniya avtomatizirovannoy sistemy nauchnykh issledovaniy metodov i algoritmov avtonomnoy navigatsii i orientatsii kosmicheskikh apparatov (ASN11.1) [Software complex of calculation-information support of the automated system of scientific research of methods and algorithms of autonomous navigation and orientation of spacecrafts (ASSR1.1)]. KuznetsovV. I., Danilova T. V., Arkhipova M. A. Declared 19.06.2013. Published 20.09.2013. (In Russian)
6. Kozlov N. N. Ob optimizatsii protsessa traektornykh iz-mereniy [About optimization of process of trajectory measurements]. Cosmic Research. 1971. Vol. 9. No 1. Pp. 3-15. (In Russian)
7. Kuznetsov V. I., Danilova T. V. Algoritmy raspoznavaniya «rabochikh» zvezd po zvezdnomu polyu [Identification algorithms of «workers» stars on a sidereal field]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering]. 2003. Vol. 46. No. 4. Pp. 16-23. (In Russian)
8. Patent RF 2454631. Sposob avtonomnoy navigatsii i orientatsii kosmicheskikh apparatov na osnove virtual'nykh izmereniy zenitnykh rasstoyaniy zvezd [Method for autonomous navigation and orientation of spacecraft based on virtual measurements of zenith distances of stars]. Kuznetsov V. I., Danilova T. V., Kosulin D. M. Declared 28.10.2010. Published 27.06.2012. Bulletin No. 18. 12 p. (In Russian)
9. Kuznetsov V. I., Danilova T. V. A system of autonomous navigation and orientation for satellites based on virtual measurements of zenith distances of stars. Cosmic Research. 2011. Vol. 49. No. 6. Pp. 538-545. (In Russian)
10. Kuznetsov V. I., Danilova T. V. Avtonomnaya astronomicheskaya sistema navigatsii i slezheniya [Autonomous astronomical system for navigation and tracking]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering]. 2015. Vol. 58. No. 8. Pp. 625-638. (In Russian)
11. Patent RF 2624408. Sposob avtonomnogo otsenivani-ya izmeneniy orbity viziruemogo kosmicheskogo appara-ta [Method of autonomous estimation of orbit changes of sighted spacecraft]. Kuznetsov V. I., Danilova T. V., Arkhipova M. A. Declared 01.12.2015. Published 03.07.2017. Bulletin No 19. 22 p. (In Russian)
12. Kuznetsov V. I., Danilova T. V. Multifunctional astronomical self-organizing system of autonomous navigation and orientation for artificial Earth satellites. Cosmic Research. 2017. Vol. 55. No. 2. Pp. 142-158. (In Russian)
13. Kuznetsov V. I., Smolitskiy Kh.L., Danilova T. V. Metod avtonomnoy astronomicheskoy navigatsii i orientatsii ISZ [Method of autonomous astronomical navigation and orientation for artificial Earth satellites]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering]. 2003. Vol. 46. No. 4. Pp. 5-16. (In Russian)
14. Patent RF 2318188. Sposob avtonomnoy navigatsii i orientatsii kosmicheskikh apparatov [The method of autonomous
navigation and orientation of spacecrafts]. Kuznetsov V. I., Danilova T. V. Declared 17.07.2006. Published 27.02.2008. Bulletin No. 6. 10 p. (In Russian)
15. Kuznetsov V. I. Sistema avtonomnogo opredeleniya orbit kosmicheskikh apparatov sputnikovykh radionavigatsion-nykh system [System of autonomous definition of orbits of spacecrafts of satellite radio navigational systems]. Izvesti-ya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering]. 2008. Vol. 51. No. 5. Pp. 3-9. (In Russian)
16. Kuznetsov V. I., Silov V. N., Danilova T. V. Algoritmy i pro-grammy optimal'noy strategii izmereniy v zadachakh avtonomnoy navigatsii kosmicheskikh apparatov [Algorithms and programs of optimum strategy of measurements in problems of autonomous navigation of spacecrafts]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [Journal of Instru-
ment Engineering]. 2003. Vol. 46. No. 4. Pp. 43-50. (In Russian) 17. Smolitskiy Kh.L., Kuznetsov V. I ., Danilova T. V. Model' op-ticheskogo postroitelya mestnoy vertikali ISZ [Model of the optical plotter of a local vertical of the artificial Earth satellite]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [Journal of Instrument Engineering]. 2005. Vol. 48. No. 5. Pp. 45-52. (In Russian)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Kuznetsov V. I., PhD, Senior Research Officer; Senior Research Officer of the Military Research Institute of Military Space Academy;
Danilova T. V., PhD, Senior Research Officer of the Military Research Institute of Military Space Academy; Arkhipova M. A., Senior Research Officer of the Military Research Institute of Military Space Academy.
FOR CITATION: Kuznetsov V. I., Danilova T. V., Arkhipova M. A. The main results of application of the automated system of scientific research of methods and algorithms of autonomous navigation and orientation of spacecrafts. H&ES Research. 2018. Vol. 10. No. 1. Pp. 4-12. doi 10.24411/2409-5419-2018-10014 (In Russian)
