Комплексное обучающее устройство

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на тренажерах пилотируемых космических аппаратов (ПКА), оборудованных электронными системами отображения и оптическими средствами наблюдения.

Наиболее близким к полезной модели являются «Комплексное обучающее устройство», описанное как полезная модель - Патент 81361 от 10.03.2009 г.

Авторы: Суворов А.П., Терехов В.В. и др.

Однако в данном комплексном обучающем устройстве используются математические модели штатных алгоритмов бортовых вычислителей, что приводит к вычислительным ошибкам моделирования режимов управления космического корабля и к не полным их функционального воспроизведения.

Подготовка космонавтов к космическому полету - целенаправленный процесс формирования у космонавтов знаний, навыков, умений, необходимых для успешного выполнения ими задач к полету, необходима комплексная подготовка космонавтов во всевозможных экстремальных ситуациях космического полета, устойчивость к воздействию неблагоприятным факторам космического полета и адекватные действия в нештатных (аварийных) ситуациях.

Учитывая всю сложность космического полета экипажа по программе МКС и соответственно программы подготовки экипажей по данной программе, необходимо вести процесс обучения на комплексном обучающем устройстве, имитирующий реальный полет с очень высокой степенью адекватности. Для выполнения этих требований в состав комплексного обучающего устройства вводят штатные бортовые вычислители, обеспечивающие наиболее полное и точное воспроизведение бортовых систем управления космического корабля на тренажере.

Поставленная цель достигается тем, что к наиболее близкому к комплексному обучающему устройству, дополнительно вводятся, бортовой центральный вычислитель, бортовой вычислитель спуска, мультиплексный канал информационного обмена, устройство связи с вычислителем, имитатор согласующих устройств..

Комплексное обучающее устройство на базе центрифуги ЦФ-18 введен в действие в 2007 году в ФБГУ «НИИ ЦПК имени Ю.А.Гагарина» и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов и экипажей по международной программе МКС.

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на тренажерах пилотируемых космических аппаратов (ПКА), оборудованных электронными системами отображения и оптическими средствами наблюдения.

Учитывая всю сложность космического полета экипажа по программе МКС и соответственно программы подготовки экипажей по данной программе, необходимо процесс обучения космонавтов вести на тренажерах с высокими техническими характеристиками и функциональными возможностями, с высокой степенью соответствия реальному космическому полету.

Наиболее близким к полезной модели является «Комплексное обучающее устройство», описанное как полезная модель - Патент 81361 от 10.03.2009 г., Авторы: Суворов А.П., Терехов В.В. и др.

Комплексное обучающее устройство - Патент 81361 позволяет проводить комплексное обучение космонавтов: поэтапное, включая этапы первоначального обучения, предтренажерного и заключительного этапа, когда воспроизводятся условия полного, так называемого сквозного космического полета, начиная с выведения, с физическим воздействием перегрузки на космонавта; полета по орбите с выполнением управляемых режимов ориентации, сближения, причаливания, стыковки и расстыковки в условиях физического воздействия невесомости, и спуск с орбиты с физическим воздействием перегрузки. Однако на данном комплексном обучающем устройстве, содержащее математические модели штатных алгоритмов бортовых вычислителей, не обеспечивается полное и точное воспроизведение полетных операций с учетом нештатных (аварийных) ситуаций, выполняемых экипажем по программе МКС.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение наиболее полного и качественного обучения космонавтов на комплексном обучающем устройстве, на всех этапах пилотируемого полета в космос: выведения, орбитального полета с выполнением управляемых режимов ориентации, сближения, причаливания, стыковки и расстыковки, спуска, с учетом нештатных (аварийных) ситуаций; с имитацией реальных физических воздействий на космонавта на всех перечисленных участках космического полета.

Поставленная цель достигается тем, что к наиболее близкому к комплексному обучающему устройству, укрупнено содержащий пульт космонавта, модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, модель движения космического корабля, ручку управления спуском (РУС), модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, генератор изображения Земли и станции МКС, имитатор визира специального космонавта (ВСК), ручку управления ориентацией (РУО), ручку управления движением (РУД), пульт управления центрифугой, систему управления центрифугой, кабину «А» центрифуги, дополнительно вводятся, бортовой центральный вычислитель, бортовой вычислитель спуска, мультиплексный канал информационного обмена, устройство связи с вычислителем, имитатор согласующих устройств.

На фиг.1 представлена структурная схема полезной модели. На фиг.1 обозначены:

1 - пульт космонавта;

2 - модель системы управления бортовым комплексом;

3 - модель движения космического корабля;

4 - модель датчиков;

5 - ручка управления спуском (РУС);

6 - модель системы управления движением;

7 - модель исполнительных органов;

8 - пульт контроля и управления тренировкой.

9 - ручка управления ориентацией (РУО);

10 - генератор изображения Земли и станции М К С;

11 - имитатор визира специального космонавта (В С К);

12 - ручка управления движением (РУД);

13 - пульт управления центрифугой;

14 - система управления центрифугой;

15 - кабина «А» центрифуги;

16 - бортовой центральный вычислитель;

17 - бортовой вычислитель спуска;

18 - мультиплексный канал информационного обмена;

19 - устройство связи с вычислителем;

20 - имитатор согласующих устройств.

Полезная модель содержит пульт космонавта 1, первый выход которого соединен с четвертым входом пульта контроля и управления тренировкой 8, пятый выход которого соединен со вторым входом модели движения космического корабля 3, пятый выход которой соединен с первым входом модели датчиков 4, третий выход которой соединен с седьмым входом модели системы управления движением 6, первый вход которой соединен с шестым выходом пульта контроля и управления 8, третий выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом 2, третий выход которой соединен с третьим входом пульта космонавта 1, а второй выход модели системы управления бортовым комплексом 2 параллельно соединен со вторым входом модели датчиков 4, со вторым входом модели исполнительных органов 7 и со вторым входом модели системы управления движением 6, третий выход которой соединен с первым входом модели исполнительных органов 7, третий выход которой соединен с первым входом модели движения космического корабля 3, третий выход которой соединен с входом генератора изображения Земли и станции МКС 10, выход которого соединен с входом имитатора визира специального космонавта (ВСК) 11, выход которого соединен с четвертым входом кабины «А» центрифуги 15, второй выход которой соединен со вторым входом пульта контроля и управления тренировкой 8, первый выход которого соединен с входом пульта управления центрифугой 13, выход которого соединен с первым входом системы управления центрифуги 14, третий выход которой соединен с первым входом кабины «А» центрифуги 15, а второй вход системы управления центрифугой 14 соединен с четвертым выходом модели движения космического корабля 3, а ручка управления ориентацией (РУО) 9 соединена с шестым входом модели системы управления движением 6, пятый вход которой соединен с ручкой управления спуском (РУС) 5, а ручка управления движением (РУД) 12 соединена с четвертым входом модели системы управления движением 6, восьмой выход которой параллельно соединен с третьим входом бортового центрального вычислителя 16 и с входом бортового вычислителя спуска 17, выход которого соединен с четвертым входом мультиплексного канала информационного обмена 18, третий выход которого соединен со вторым входом пульта космонавта 1, четвертый выход которого соединен с третьим входом кабины «А» центрифуги 15, восьмой выход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен со входом устройства связи с вычислителем 19, выход которого соединен с первым входом бортового центрального вычислителя 16, второй выход которого соединен со вторым входом мультиплексного канала информационного обмена 18, первый вход которого через имитатор согласующих устройств 20 связан с седьмым выходом пульта контроля и управления 8, третий выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом 2.

- Мультиплексный канал информационного обмена (МКИО) 18 служит основным каналом связи вычислительной системы тренажера с бортовым центральным вычислителем (БЦВ), с бортовым вычислителем спуска (БВС), с пультом космонавта (ПК), а также МКИО является каналом связи бортового центрального вычислителя, бортового вычислителя спуска с пультом космонавтов (ПК). Основные характеристики мультиплексного канала информационного обмена отражены в структуре канала, организации обмена информацией, линии передачи информации, организации контроля передачи. Мультиплексный канал информационного обмена обеспечивает:

- прием информации от абонентов по внешним интерфейсам;

- обработку принятой информации согласно заложенной программе;

- выдачу результирующей информации абонентам по внешним интерфейсам.

Обмен информацией в МКИО осуществляется посредством программного управления потоками информации с временным разделением в виде «циркулярной» передачи. Способ обмена информацией асинхронный. При «циркулярной» передаче информации источник одновременно передает одну и ту же информацию нескольким приемникам. Адрес изделия при обмене информацией по МКИО задается программно.

В состав МКИО входят: контролер, оконечные устройства, магистральная линия передачи информации.

Обмен информацией по МКИО осуществляется в режимах "контроллер" и "оконечное устройство".

Контроллер выполняет следующие основные функции: управления обменом информацией, сопряжения с линией передачи информации, контроля передачи информации, состояния оконечных устройств и самоконтроль.

Оконечное устройство принимает и выполняет адресованные ему команды контроллера, осуществляет сопряжение бортового оборудования с магистральной линией передачи информации, осуществляет контроль передаваемой информации, самоконтроль и передачу результатов контроля в контроллер.

В состав сообщений входят командные, информационные и ответные слова.

- Схема включения МКИО в состав тренажера приведена на фиг.2.

Бортовой центральный вычислитель 16, содержащий штатное математическое обеспечение, моделирует систему управления транспортным кораблем в полете по орбите, включая режимы: ориентации, сближения, причаливания, стыковку со станцией МКС, расстыковку транспортного корабля от орбитальной станции МКС.

- Бортовой центральный вычислитель по заданным начальным условиям (вектор состояния), поступающим по каналу имитатора командно-релейной линии, вычисляет (интегрирует нелинейные дифференциальные уравнения) прогнозируемое положение корабля, а также управляет космическим кораблем в автоматическом режиме согласно заложенных штатных алгоритмов в бортовом центральном вычислителе. Для выполнения режима спуска в бортовом центральном вычислителе производится расчет управляющих уставок и дальнейшая передача их в бортовой вычислитель спуска. Бортовой центральный вычислитель формирует управляющую информацию на пульт космонавтов для контроля со стороны космонавтов в виде форматов: «ОРИЕНТ», «СБЛИЖЕНИЕ», «ПРИЧАЛ», «СТЫКОВКА», «РАССТЫКОВКА».

Аналитическое описание бортовой программы системы управления орбитального полета, включая режимы ориентации, сближения, причаливания, стыковки и расстыковки, соответствующее штатным алгоритмам, представляется в форме множеств, состоящих из трех элементов [4]:

Т=<X, Y, S>

Где: Х - множество входных параметров агрегатов вычислителя

X=Y X, здесь N - количество агрегатов в модели цифрового вычислителя.

Y - множество выходных параметров агрегатов модели вычислителя

Y=Y Y;

S - отображение вида S: Х Y, называемое оператором сопряжения, ставящим в соответствие каждому входному параметру Х агрегата А некоторый выходной параметр Y агрегата А, связанный с ним элементарным каналом

.

Математическое описание модели агрегата представляется в виде следующего выражения:

P={X, Y, D, U, R(D), F(R), N};

где X, Y - множество входных и выходных параметров агрегата,

D={D, D, D} - множество промежуточных параметров,

U={U, U, U} - множество характеристик данных (признаков),

R(D)={R(D), R(D),R(D)} - множество отношений на множестве элементарных данных (признаков),

N={N, N,N} - множество экземпляров данных (признаков) в отношениях,

F(R)={F(R), F(R),F(R)} - множество функциональных зависимостей между отношениями.

Характеристика элементарных данных (признаков) структуры могут быть заданы кортежем вида U=(<вид представления>, <диапазон изменения>, <значение>). Переход агрегата из одного состояния в другое определяется поступлением входных сигналов, окончанием выполненной операции преобразования структур данных и типом события, возникшего по окончании операции.

Связь бортового центрального вычислителя с вычислительной системой тренажера, где реализовано математическое обеспечение (МО) тренажера: модель движения транспортного космического корабля, модели бортовых систем корабля, модель двигательной установки, модель датчиков, система визуализации осуществляется через устройства сопряжения (УСО) по линии МКИО-УСО-Ethernet по протоколу информационного обмена МО БЦВ с МО тренажера.

Связь бортового центрального вычислителя с пультом космонавта и с бортовым вычислителем спуска осуществляется через имитатор согласующих устройств по линии мультиплексного канала информационного обмена по протоколам информационного обмена МО БЦВ с МО ПК и МО БЦВ с МО БВС.

В состав бортового центрального вычислителя входят (фиг.3):

- центральный процессор;

- устройство кодового обмена;

- устройство приема и выдачи релейных команд;

- шина межмодульного обмена (Q-Bus);

- устройство вторичного источника питания.

Бортовой вычислитель спуска 17, содержащий штатное бортовое математическое обеспечение, моделирует на тренажере автоматическое управление спуском транспортного космического корабля с орбиты на Землю. В состав программного обеспечения бортового вычислителя спуска входят: программный компонент «текущий прогноз параметров движения спускаемого аппарата»; программный компонент «настройки динамического контроля»; программный компонент «автоматическое управление спускаемого аппарата»; программный компонент «баллистико-навигационного обеспечения»; программный компонент «формирование информации для пульта космонавтов форматов»: «БНО» («баллистико-навигационное обеспечение»), «СУС», «РУС», «АУС», «БВС/ТРАНЗИТ».

Связь бортового вычислителя спуска с пультом космонавтов и с центральным бортовым вычислителем осуществляется через имитатор согласующих устройств по линии мультиплексного канала информационного обмена по протоколу информационного обмена МО БВС с МО ПК и МО БВС с МО БВЦ..

Связь бортового вычислителя спуска с вычислительной системой тренажера, где реализованы модель движения спускаемого аппарата, модель работы двигательной установки, модель блока измерителей линейных ускорений, осуществляется через устройство сопряжения по линии Ethernet.

Устройство связи с вычислителем 19 обеспечивает обмен информацией между пультом контроля и управления тренировкой и центральным бортовым вычислителем. Устройство выполняет задачу управления центральным бортовым вычислителем, в частности задает начальные условия для выполнения вычислительных операций в центральном бортовом вычислителе, а также обеспечивает технологические операции, необходимые для проведения тренировок на динамическом тренажере управляемого спуска. Через устройство связи с бортовым центральным вычислителем выполняется контроль внутренних параметров БЦВ и модернизация алгоритмов БЦВ.

Имитатор согласующих устройств 20 обеспечивает обмен информацией между центральным бортовым вычислителем и пультом космонавтов, между бортовым вычислителем спуска и пультом космонавтов, а также между бортовыми вычислителями. Имитатор согласующих устройств производит структурирование, перевод в соответствующие форматы и масштабирование параметров космического корабля, поступающие в пульт космонавтов с бортовых вычислителей.

Комплексное обучающее устройство на базе центрифуги ЦФ-18 введено в действие в 2007 году в ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А.Гагарина» и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов и экипажей по международной программе МКС.

Источники информации.

1. Патент 81361 РФ 7 МКИ: G09В 9\16 2009 г. Комплексное обучающее устройство.

2. Патент 2254617 РФ 7 МКИ: G09В 9\16 2005 г. Динамический тренажер. БИПМ 17. 2005 г.

3. Основы теории полета космических аппаратов. Под редакцией Г.С.Нариманова, М. Машиностроение. 1972 г.

4. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. Под редакцией В.Е.Шукшунова, М. Машиностроение. 2005 г.

Комплексное обучающее устройство, содержащее модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, ручку управления спуском, модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, генератор изображения Земли и станции МКС, имитатор визира космонавта, ручку управления ориентацией, ручку управления движением, пульт управления центрифугой, систему управления центрифугой, кабину центрифуги, модель движения космического корабля, пульт космонавта, первый выход которого соединен с четвертым входом пульта контроля и управления тренировкой, пятый выход которого соединен со вторым входом модели движения космического корабля, пятый выход которой соединен с первым входом модели датчиков, третий выход которой соединен с седьмым входом модели системы управления движением, первый вход которой соединен с шестым выходом пульта контроля и управления, третий выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом, третий выход которой соединен с третьим входом пульта космонавта, а второй выход модели системы управления бортовым комплексом параллельно соединен со вторым входом модели датчиков, со вторым входом модели исполнительных органов и со вторым входом модели системы управления движением, третий выход которой соединен с первым входом модели исполнительных органов, третий выход которой соединен с первым входом модели движения космического корабля, третий выход которой соединен с входом генератора изображения Земли и станции МКС, выход которого соединен с входом имитатора визира космонавта, выход которого соединен с четвертым входом кабины центрифуги, второй выход которой соединен со вторым входом пульта контроля и управления тренировкой, первый выход которого соединен с входом пульта управления центрифугой, выход которого соединен с первым входом системы управления центрифуги, третий выход которой соединен с первым входом кабины центрифуги, третий вход которой соединен с четвертым выходом пульта космонавта, а второй вход системы управления центрифугой соединен с четвертым выходом модели движения космического корабля, а ручка управления ориентацией соединена с шестым входом модели системы управления движением, пятый вход которой соединен с ручкой управления спуском, а ручка управления движением соединена с четвертым входом модели системы управления движением, отличающееся тем, что дополнительно вводятся бортовой вычислитель спуска, мультиплексный канал информационного обмена, устройство связи с вычислителем, имитатор согласующих устройств, бортовой центральный вычислитель, третий вход которого параллельно соединен с восьмым выходом модели системы управления движения и с входом бортового вычислителя спуска, выход которого соединен с четвертым входом мультиплексного канала информационного обмена, третий выход которого соединен со вторым входом пульта космонавта, а первый вход мультиплексного канала информационного обмена соединен с выходом имитатора согласующих устройств, вход которого соединен с седьмым выходом пульта контроля и управления тренировкой, восьмой выход которого соединен с входом устройства связи с вычислителем, выход которого соединен с первым входом бортового центрального вычислителя, второй выход которого соединен со вторым входом мультиплексного канала информационного обмена.