Обучающее устройство

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на космических тренажерах. Предполагаемое авторами обучающее устройство позволит проводить подготовку космонавтов управлению космическим кораблем на участке спуска в автоматическом режиме управления с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления) с выдачей информации на ПК «Нептун-МЭ». Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение на динамическом тренажере спуска на базе центрифуги ЦФ-18 моделирования режима автоматического управляемого спуска с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления) с отображением полного объема информации на ПК «Нептун-МЭ». Поставленная цель достигается тем, что к обучающему устройству - прототипу дополнительно вводятся модель измерителя линейных ускорений, модель прогноза движения космического корабля, модель цифрового вычислителя спуском, блок формирования форматов. Обучающее устройство содержит модель движения, второй выход которой соединен с первым входом модели датчиков, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением, третий выход которой соединен с первым входом модели системы исполнительных органов, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля, первый выход которой соединен с первым входом космического навигационного индикатора, второй выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом, которая вторым выходом соединена с параллельно соединенными со вторым входом модели датчиков, с четвертым входом модели системы управления движения, с третьим входом модели системы исполнительных органов, а ручка управления подключена ко второму входу модели системы управления движением. Второй выход пульта контроля и управления тренировкой подключен к третьему входу модели системы управления бортовым комплексом, а первый вход пульта контроля и управления тренировкой соединен с третьим выходом космического навигационного индикатора, третий выход пульта контроля и управления тренировкой соединен с четвертым входом модели движения, а пятый выход модели системы управления движением соединен с входом модели измерителя линейных ускорений, выход которого соединен со вторым входом модели цифрового вычислителя спуском, третий вход которого соединен с пятым выходом модели системы управления движением, а четвертый выход модели цифрового вычислителя спуском соединен с входом блока формирования форматов, выход которого соединен с четвертым входом космического навигационного индикатора, а четвертый выход пульта контроля и управления тренировкой соединен с входом модели прогноза движения космического корабля, выход которого соединен с первым входом модели цифрового вычислителя спуска. На вход модели измерителя линейного ускорения из модели движения космического корабля поступают три компоненты линейного ускорения космического корабля в ортогональной связанной с космическим кораблем системе координат. Модель измерителя линейного ускорения производит обработку этих компонент ускорений в соответствии с геометрией расположения чувствительных элементов. В модель измерительного тракта для каждого канала заложены следующие погрешности: систематическая составляющая нулевого сигнала;

случайное отклонение нулевого сигнала постоянное в запуске; погрешность ориентации оси чувствительности. Модель прогноза движения космического корабля предназначена для обеспечения космонавтов прогнозируемой и текущей информацией о ходе спуска спускаемого аппарата (СА) на участке полета от момента включения тормозного двигателя до ввода парашютной системы. В процессе решения задачи текущего прогноза определяются текущие значения вектора состояния и ряда характерных параметров спуска, в том числе: высота, дальность полета до полигона посадки, перегрузка. Модель прогноза движения космического корабля состоит из двух моделей. Первая модель это модель прогноза движения космического корабля от момента выдачи тормозного импульса до момента разделения корабля на приборный отсек, спускаемый аппарат, бытовой отсек. Вторая модель это модель прогноза движения спускаемого аппарата от момента разделения корабля до раскрытия парашютной системы. Модель цифрового вычислителя спуска включает блок настройки динамического контроля и блок баллистического обеспечения спуска при аварии тормозного двигателя. Блок настройки динамического контроля обеспечивает решение следующих задач: - расчет траектории автоматического управляемого спуска СА; - подготовка массивов для динамического контроля текущего прогноза; - выдача на пульт космонавта информации и предупреждающих сообщений. Блок баллистического обеспечения спуска при аварии тормозного двигателя обеспечивает решение следующих задач: - расчет траектории спуска СА при аварии тормозного двигателя в процессе торможения при сходе с орбиты и доработке требуемого импульса V_Т двигателями ориентации и причаливания (ДПО-БТ); - коррекция величины импульса ДПО-БТ V_T по результатам решения задачи прицеливания по параметрам входа в атмосферу; - контроль соответствия траектории спуска требуемым условиям (, Т_раз, T_вх , _вх, ). Блок формирования информации для форматов обеспечивает перекодирование динамических и статических параметров, вычисленных в модели вычислителя спуска, в требуемом для космонавта виде. Для обеспечения управления и контроля за режимом спуска со стороны космонавтов на пульт космонавта формируются следующие форматы: ИНК, БНО, РУС, АУС. Блоки 9, 10, 11, 12 выполнены на универсальных вычислителях типа Pentium-4. Обучающее устройство разработано в 2002 году в виде динамического тренажера спуска транспортного корабля «Союз-ТМА» на базе центрифуги ЦФ-18 в РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов 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.

Для повышения надежности системы, точности посадки космонавтов на транспортном космическом корабле «СОЮЗ-ТМА» была усовершенствована система управления спуском за счет введения в бортовую систему управления спуском цифрового вычислителя спуска КС020-М.

На тренажных средствах обучения должна воспроизводиться система автоматического управления спуском с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления спуском) с вводом аварий (НшС) и полной программой отображения информации на пульте космонавта (ПК) «Нептун-МЭ».

Известно обучающее устройство, описанное как полезная модель-Патент №31671 на полезную модель от 29.04.2003 г. Авторы: А.Ф.Еремин и др. Данная полезная модель принимается за прототип. Приведенное обучающее устройство позволяет производить обучение космонавтов ручному и автоматическому управлению космическим кораблем в аналоговом (резервном) контуре управления на участке спуска в атмосфере Земли.

Однако это обучающее устройство не позволяет проводить подготовку космонавтов управлению космическим кораблем на участке спуска в автоматическом режиме управления с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления) с выдачей информации на ПК «Нептун-МЭ».

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение на динамическом тренажере спуска на базе центрифуги ЦФ-18 моделирования режима автоматического управляемого спуска с цифровым вычислителем спуска (дискретный контур управления) с отображением полного объема информации на ПК «Нептун-МЭ».

Поставленная цель достигается тем, что к обучающему устройству - прототипу дополнительно вводятся модель измерителя линейных ускорений 9, модель прогноза движения космического корабля 10, модель цифрового вычислителя спуском 11, блок формирования форматов 12.

На фиг.1 представлена структурная схема обучающего устройства.

На фиг.1 обозначены:

1 - космический навигационный индикатор (пульт космонавта «Нептун-МЭ»);

2 - модель системы управления бортовым комплексом;

3 - модель движения космического корабля;

4 - модель датчиков;

5 - ручка управления;

6 - модель системы управления;

7 - модель исполнительных органов;

8 - пульт контроля и управления тренировкой;

9 - модель измерителя линейного ускорения;

10 - модель прогноза движения космического корабля;

11 - модель цифрового вычислителя спуском;

12 - блок формирования форматов.

Обучающее устройство содержит модель движения 3, второй выход которой соединен с первым входом модели датчиков 4, третий выход которой соединен с первым входом модели системы управления движением 6, третий выход которой соединен с первым входом модели системы исполнительных органов 7, второй выход которой соединен с третьим входом модели движения космического корабля 3, первый выход которой соединен с первым входом космического навигационного индикатора 1, второй выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом 2, которая вторым выходом соединена с параллельно соединенными со вторым входом модели датчиков 4, с четвертым входом модели системы управления движения 6, с третьим входом модели системы исполнительных органов 7, а ручка управления 5 подключена ко второму входу модели системы управления движением 6. Второй выход пульта контроля и управления тренировкой 8 подключен к третьему входу модели системы управления бортовым комплексом 2, а первый вход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с третьим выходом космического навигационного индикатора 1, третий выход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с четвертым входом модели движения 3, пятый выход которой соединен с входом модели измерителя линейных ускорений 9,выход которого соединен со вторым входом модели цифрового вычислителя спуском 11, третий вход которого соединен с пятым выходом модели системы управления движением 6, а четвертый выход модели цифрового вычислителя спуском 11 соединен с входом блока формирования форматов 12, выход которого соединен с четвертым входом космического навигационного индикатора 1, а четвертый выход пульта контроля и управления тренировкой 8 соединен с входом модели прогноза движения космического корабля 10, выход которого соединен с первым входом модели цифрового вычислителя спуска.

На вход модели измерителя линейного ускорения 9 из модели движения космического корабля 3 поступают три компоненты линейного ускорения космического корабля в ортогональной связанной с космическим кораблем системе координат. Модель измерителя линейного ускорения производит обработку этих компонент ускорений в соответствии с геометрией расположения чувствительных элементов и адекватно отражает функционирование бортового измерителя линейного ускорения на корабле «СОЮЗ-ТМА». Измеритель линейных ускорений, расположенный на корабле «СОЮЗ-ТМА», предназначен для измерения вектора линейного ускорения в связанных осях корабля. Прибор измерителя линейного ускорения содержит 6 измерительных каналов на базе маятниковых кварцевых акселерометров. Оси чувствительности акселерометров измерительных каналов равномерно распределены по образующей конуса с углом полураствора 54,7356°. Алгоритм моделирования внешнего интерфейса измерителя линейного ускорения подключает измерительные каналы в соответствии с поступающими командными признаками, вычисляет проекции вектора линейного ускорения, заданного в связанной системе координат, формирует выходные показания с учетом дискретизации сигнала по амплитуде, имитирует отказы измерительных каналов. Вычисление показаний измерительного канала производится интегрированием проекции ускорения на ось

чувствительности на временном интервале 0,2 с. Интеграл преобразуется в количество импульсов, накопленное на такте, путем деления на масштабный коэффициент, при этом предусмотрен алгоритм учета ошибки квантования. В модель измерительного тракта для каждого канала заложены следующие погрешности: систематическая составляющая нулевого сигнала; случайное отклонение нулевого сигнала постоянное в запуске; погрешность ориентации оси чувствительности. Алгоритм формирования выходной информации моделирует процесс накопления унитарного кода измерителей на 14-разрядных счетчиках входных устройств КС020-М. Программа считывает приращение проекций кажущейся скорости на оси чувствительности акселерометров накопленные за время базового такта. Умножением на масштабные коэффициенты показания измерительных каналов приводятся к единой размерности (мм/с), после чего из них вычитаются паспортизированные смещения нуля. Далее по результатам работы алгоритмов контроля и диагностики из 6-ти датчиков выбирается лучшая с точки зрения шумовых составляющих базовая тройка датчиков. Показания опорной тройки перепроецируются в ортогональный связанный базис космического корабля и накапливаются в виде вектора текущей кажущейся скорости.

Модель прогноза движения космического корабля 10 предназначена для обеспечения космонавтов прогнозируемой и текущей информацией о ходе спуска спускаемого аппарата (СА) на участке полета от момента включения тормозного двигателя до, ввода парашютной системы. В процессе решения задачи текущего прогноза определяются текущие значения вектора состояния и ряда характерных параметров спуска, в том числе: высота, дальность полета до полигона посадки, перегрузка. Модель прогноза движения космического корабля состоит из двух моделей. Первая модель это модель прогноза движения космического корабля от момента выдачи тормозного импульса до момента разделения корабля на приборный отсек (ПАО), спускаемый аппарат, бытовой отсек (БО). Вторая модель это модель прогноза движения спускаемого аппарата от момента разделения корабля до раскрытия парашютной системы спускаемого аппарата.

Основными блоками модели прогноза движения являются:

- блок интегрирования уравнений движения космического корабля,

- блок вычисления гравитационного ускорения,

- блок вычисления аэродинамического ускорения,

- блок вычисления ускорения от двигателей,

- блок описания параметров атмосферы.

Входной информацией для модели прогноза движения являются начальный вектор состояния в гринвичской системе координат, распределения случайных отклонений плотности атмосферы и случайных отклонений аэродинамических характеристик объекта, тяга двигателей, кватернион программного разворота, текущее московское время. Выходной информацией модели прогноза движения космического корабля являются вектор состояния космического корабля в гринвичской системе координат, углы крена, рысканья и тангажа, угловые скорости по крену, рысканью и тангажу, текущая долгота, текущая географическая широта, текущая перегрузка.

Основные уравнения движения космического корабля в модели прогноза в векторной форме приведены ниже. Движение центра масс:

где: - радиус - вектор объекта,

- вектор линейной скорости объекта,

- вектор гравитационного ускорения обусловленного несферичностью Земли,

- вектор угловой скорости,

- вектор тяги двигателей,

- вектор аэродинамической силы,

-гравитационная постоянная,

m -масса объекта.

Движение вокруг центра масс:

Где: -вектор угловой скорости объекта,

- вектор моментов внешних сил,

- тензор моментов инерции.

Модель цифрового вычислителя спуска 11 включает блок настройки динамического контроля и блок баллистического обеспечения спуска при аварии тормозного двигателя. Блок настройки динамического контроля обеспечивает решение следующих задач:

- расчет траектории автоматического управляемого спуска СА;

- подготовка массивов для динамического контроля текущего прогноза;

- выдача на пульт космонавта информации и предупреждающих сообщений. Блок настройки динамического контроля совместно с моделью прогноза предназначен для информационной поддержки штатного спуска СА в режиме автоматического управляемого спуска. Расчет траектории спуска" вперед" осуществляется интегрированием уравнений движения объекта методом Рунге-Кутта четвертого порядка в ускоренном масштабе времени. При расчете осуществляется контроль следующих условий:

- обеспечение входа в атмосферу СА,

- угол входа в атмосферу не менее _{заданного}

- высота разделения СА-ПАО-БО должна быть не менее Н_{заданной}

По результатам расчета после прохождения контроля формируются массивы для последующего оценивания точности работы блока текущего прогноза полета СА и для отображения на пульт космонавта расчетных значений долготы и широты полигона посадки. В том случае, если результаты контроля отрицательны, на ПК выдаются соответствующие предупреждающие сообщения, и прекращает свою работу модель прогноза.

Блок баллистического обеспечения спуска при аварии тормозного двигателя обеспечивает решение следующих задач:

- расчет траектории спуска СА при аварии тормозного двигателя в процессе торможения при сходе с орбиты и доработке требуемого импульса V_Т двигателями ориентации и причаливания (ДПО-БТ);

- коррекция величины импульса ДПО-БТV_Т по результатам решения задачи прицеливания по параметрам входа в атмосферу;

- контроль соответствия траектории спуска требуемым условиям (, Т_раз, T_вх , _вх, );

Входной информацией данного блока является:

- признак готовности вектора состояния в программных блоках текущего прогноза на орбитальном участке;

- время и вектор состояния в гринвичской системе координат из текущего прогноза орбитального участка. Выходной информацией является:

- признак готовности навигационного обеспечения спуска при аварии тормозного двигателя;

- расчетная суммарная величина импульса, который необходимо отработать для посадки на штатный полигон.

Аналитическое описание модели цифрового вычислителя спуска представляется в форме множеств, состоящих из трех элементов [1, 2]:

Т=<X, Y, S >

Где: Х- множество входных параметров агрегатов вычислителя

здесь N-количество агрегатов в модели цифрового вычислителя.

Y - множество выходных параметров агрегатов модели вычислителя

S₁- отображение вида S ₁: ХY, 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={D₁, D₂, D _L} - множество промежуточных параметров,

U={U ₁₁, U₁₂, ... U_zk }- множество характеристик данных (признаков),

R(D)={R ₁(D), R₂(D),...R_z (D)}-множество отношений на множестве элементарных данных (признаков),

N={N₁, N₂, ... N_z}-множество экземпляров данных (признаков) в отношениях,

F(R)={F₁(R), F ₂(R), ... F_x(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 состояние в другое определяется поступлением входных сигналов, окончанием выполненной операции преобразования структур данных и типом события, возникшего по окончании операции.

Для обеспечения информацией космонавтов по управлению и контролю за режимом спуска блок формирования форматов 12 производит перекодирование динамических и статических параметров, вычисленных в модели вычислителя спуска, в требуемом для космонавта виде и выдачу ее на пульт космонавта. В режиме спуска на транспортном корабле «СОЮЗ-ТМА» используются следующие форматы: ИНК, БНО, РУС, АУС.

ФОРМАТ «ИНК»

Формат "ИНК" ("индикатор навигационный космический") предназначен для обеспечения экипажа информацией о положении КА относительно земной поверхности, светотеневой обстановке и зонах радиовидимости.

Формат представляет собой карту Земли в прямоугольной проекции, в диапазоне от 180 градусов западной долготы до 180 градусов восточной долготы (в дальнейшем именуется кадром), на фоне которой выводится баллистическая информация о параметрах полета на интервале одного кадра:

1) трасса полета с индексом подспутниковой точки;

2) границы входа в тень, выхода из тени;

3) зоны видимости наземных измерительных пунктов (НИП) и спутников-ретрансляторов (СР), с которыми возможна связь на протяжении текущего кадра.

Кроме того, на формат выводится цифровая информация о текущей высоте орбиты.

Формат может находиться в следующих основных состояниях:

1) на формате нет информации - состояние соответствует отсутствию в КС020-М начального вектора состояния;

2) на формате нет информации, но горит сообщение "расчет ВС" - состояние соответствует этапу ускоренной "подгонки" начального ВС к текущему моменту времени;

3) на формат выводится информация о текущей высоте полета, но трассы полета и прочей информации нет, горит сообщение "идет расчет ИНК"-состояние отображает этап расчета баллистической информации текущего кадра;

4) на формат выводится ненулевая информация, но горит сообщение "идет расчет ИНК" - состояние отображает этап перерасчета текущего или следующего кадров или перерасчет зон видимости НИИ и СР;

5) на формате представлена вся информация, сообщений нет - нормальное состояние формата.

Формат «БНО»

Формат "БНО" ("баллистико-навигационное обеспечение") предназначен для отображения уставочной информации и числовых данных по циклограмме спуска. Вместе с форматами "АУС" и "СУС" предоставляет экипажу полную информацию по контролю и обеспечению спуска, подготовленную в КС020-М.

Формат «РУС»

Формат "РУС" предназначен для управления спуском в режиме РУС и контроля спуска в режимах АУС и БС, а также контроля ускорения при работе двигателя.

На формате "РУС" в левой части экрана отображается телевизионный кадр "ТВ РУС", формируемый прибором КЛ-110.

В правой части экрана отображаются:

1) текущая перегрузка nх в единицах go на атмосферном участке и ускорение в м/с ² на участке до разделения.

2) внеатмосферный промах Твн - рассогласование между фактическим временем достижения кажущейся скоростью величины 25.6 м/с и уставкой Те (если она была введена) или расчетным временем входа в атмосферу. До входа в атмосферу это окно заполнено звездочками *****.

3) расчетный интеграл рассогласования инт. Этот интеграл имеет тот же смысл и масштаб, что и интеграл рассогласования от КЛ-110, но имеет знак, не имеет переполнения и рассчитывается при наличии в КС020-М

информации об уставках РУС: Тc, К и N (они должны быть введены или подтверждены экипажем через формат "АУС").

В правой нижней части формата размещается электронный образ БРВИ, который можно использовать для ввода и контроля уставок.

Формат «АУС»

Формат "АУС" предназначен для контроля спуска в режиме АУС, а также ввода уставок РУС.

Формат "АУС" напоминает формат "РУС", но имеет ряд существенных отличий:

1) отображается программная зависимость АУС;

2) отображается управляющий угол крена;

3) выводится информация о текущих расчетных параметрах движения СА: высоте и удалении от расчетной точки посадки;

4) отсутствует интеграл рассогласования;

5) точечной линией отображается уставка на момент переворота,

6) в правой части формата находятся поля ввода-вывода уставок РУС.

Блоки 9, 10, 11, 12 выполнены на универсальных вычислителях типа Pentium-4. Обучающее устройство разработано в 2002 году в виде динамического тренажера спуска транспортного корабля «Союз-ТМА»на базе центрифуги ЦФ-18в РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов по международной программе МКС.

Обучающее устройство, содержащее космический навигационный индикатор, модель системы управления бортовым комплексом, модель движения космического корабля, модель датчиков, ручку управления, модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, отличающееся тем, что дополнительно введены: модель измерителя линейных ускорений, модель прогноза движения космического корабля, модель цифрового вычислителя спуском, блок формирования форматов, пятый выход модели системы управления движением соединен с входом модели измерителя линейных ускорений, выход которого соединен со вторым входом модели цифрового вычислителя спуском, третий вход которого соединен с пятым выходом модели системы управления движением, а четвертый выход модели цифрового вычислителя спуском соединен с входом блока формирования форматов, выход которого соединен с четвертым входом космического навигационного индикатора, а четвертый выход пульта контроля и управления тренировкой соединен с входом модели прогноза движения космического корабля, выход которого соединен с первым входом модели цифрового вычислителя спуска.