Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ТОЧНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ВЫВЕДЕНИЕМ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА	855

ЛА, в которы определяются регулируемые конечные (терминальные) параметры. По ре зультатам этого наблюдения (прогноза) вы числяются в явной или неявной форме рассо гласования (невязки) краевых (граничных) условий. Другой важной операцией ТУ явля ется возможное формирование управляющего (корректирующего) воздействия u ( u), при званного устранить невязки к моменту окончания ТУ.

ТУ обладает свойствами гибкости, т.е. позволяет двигаться не по жестким в про странстве и времени траекториям, а по сво бодным траекториям, образующим «трубку» всех возможных траекторий, удовлетворяю щих заданным граничным (краевым) услови ям и энергетике КР. Кроме того, ТУ позво ляет производить оперативное «переприце ливание» — смену параметров краевых усло вий, например, изменить высоту целевой ор биты или ее форму. При этом система ТУ автоматически отрабатывает это своеобраз ное «возмущение» по конечным параметрам состояния, поскольку она представляет со бой автомат, решающий двухточечную крае вую задачу.

Для систем ТУ существуют понятия тер минальной устойчивости и управляемости (с соответствующими критериями) и другие по нятия, методы анализа и синтеза.

8.1.6. ТОЧНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ВЫВЕДЕНИЕМ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА

Важнейшая проблема для СУ аналого вого и дискретного типов — обеспечение не обходимой точности управления КР и выве дения КА на требуемую орбиту. Эта пробле ма является комплексной. Результаты ее ре шения зависят от точностных характеристик ККП, от логических и вычислительных воз можностей БЦВМ, прикладного математиче ского обеспечения, возможностей АС эф фективно закончить переходные процессы регулирования движения КР в момент отде ления КА, а также других возмущающих факторов.

Факторы, влияющие на ошибки управле ния многообразны. Интегрально ошибками управления КР являются отклонения от рас четных значений кеплеровых параметров ор биты выводимого КА или вариации парамет ров движения на активном участке под влия нием инструментальных погрешностей ККП и

других факторов. На ошибки управления на кладываются ограничения, оговариваемые эксплуатационно технической документацией. Выход за пределы ограничений в данном пус ке КА считается неудачей.

Различают следующие основные по грешности управления СВ: динамическую, вычислительную, инструментальную, мето дическую.

Указанные составляющие случайны и не зависимы. Такое выделение составляющих особенно убедительно для баллистических РН, где в качестве главных ошибок управления вы ступают отклонения по дальности и в боковом направлении от точки цели.

Допустимые уровни погрешностей управления для суммарной величины и для перечисленных составляющих оцениваются на этапе проектирования РКК. По результа там проектных оценок в заводскую и экс плуатационную документацию внедряются требования ко всем ставшим известными возмущающим факторам, влияющим на со ответствующие составляющие погрешности управления. Эти данные служат основой применения разработанной и апробирован ной научной методики оценок точности управления КР по данным натурных испы таний ракетного комплекса. На основе меж ведомственных регламентных предписаний Государственной комиссии по проведению натурных испытаний принимаются решения о степени соответствия опытных точност ных характеристик КР их расчетным значе ниям.

Для каждого РКК разрабатываются и согласовываются с заказчиком методики оценок составляющих суммарной погреш ности управления по данным измерений на натурных испытаниях. Оценки составляю щих применяются для повышения досто верности оценок суммарной погрешности управления, по совокупности пусков КР, признанных успешными (обычно в преде лах десяти).

Динамическая погрешность управления.

Не завершенные до конца в АС к моменту отделения КА переходные процессы регули рования движения центра масс КР и ее угло вых эволюций приводят к в момент tк отделения КА параметры конечного со стояния оказываются возмущенными, что обуславливает рассматриваемую погрешность управления.

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

856	Глава 8.1. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ

Конечные состояния — это параметры движения КР или КА в ХТ траектории, соот ветствующие требуемому началу следующего участка, предусмотренного ПЗ. Примеры ХТ для объектов ракетно космической техники: точки разделения ступеней КР; выхода на траектории, попадающие в цель; выхода на промежуточную или целевую орбиты и др. В качестве параметров конечного состояния могут фигурировать координаты вектора R(t) положения центра масс КР или КА в системе координат, принятой для расчета «попадаю щей» траектории, компоненты вектора его скорости V (tк ), время прилета в ХТ, масса m(tк) аппарата в ХТ, параметры, характери зующие ориентацию КА в ХТ или скорость ее изменения и др.

Динамическая погрешность управления оценивается по данным телеметрических из параметров движения КР в момент

фактического отделения КА.

Вычислительная погрешность управления.

Вычислительная погрешность управления воз никает в момент отделения КА из за возмуще ний конечного состояния параметров вследст вие погрешностей вычислений в бортовых счетно решающих средствах, что характерно и для счетно4решающих приборов (СРП) аналого

типа и для БЦВМ.

Аналоговые СРП многообразны. В ка выходных сигналов для ХТ они чаще всего выдают углы поворотов кулачков, ки

нематически связанных с измерителем ско рости, значения которых заданы в ПЗ. При достижении заданного угла выдается коман да на изменение режима работы ДУ. Угол поворота выходного кулачка может быть суммой сигналов от устройств, измеряющих скорость и вариации проекции вектора по ложения R(t) на некоторое баллистическое направление, заданное в ПЗ. Командный сигнал СРП в ХТ выдается с погрешностью, обусловленной ошибками всех его механиче ских и электрических звеньев. Требования к уровню погрешностей СРП, которые кон тролируются по результатам наземных испы таний и оцениваются по данным телеметри ческих измерений при летных испытаниях, задаются техническим заданием на его про ектирование.

Вычислительная погрешность управле ния БСУ дискретного типа возникает при ее работе вследствие ограниченной разрядно сти вычислений по алгоритмам БСУ КР, за

ложенным в БЦВК для решения задач нави гации и наведения, при ее работе. Погреш ность возникает также в условиях аномалий, связанных с нарушением нормальной логи ки вычислений при появлении многократ ной смены логических признаков, при смен ном характере сравнений и нарушений учета округлений, предусмотренных вычислитель ным алгоритмом для однократного измене ния логического признака. Оценивают вы числительную погрешность моделированием по специальным методикам или сравнением результатов расчетов с удвоенной разрядно стью при использовании исследовательских программ.

Инструментальная погрешность управле ния. Явление инструментальной погрешности управления БСУ обнаруживается и оценива ется в результате совместной обработки ТМИ

ивнешнетраекторных измерений траектории

(ВТИ) активного участка, а также в отклоне ниях кеплеровых параметров орбиты КА от расчетных по окончании выведения. Инстру ментальная погрешность управления возни кает из за инструментальных ошибок борто вых командных приборов:

бортовой гиросистемы ориентации и ста билизации (или другого носителя инерциаль ного пространства);

бортовой системы текущих измерений параметров движения КР.

Инструментальная ошибка командного прибора — ошибка в работе и показаниях прибора, обусловленная нестабильностью в его конструктивных узлах, электрическими и магнитными возмущающими взаимодействия ми чувствительного элемента, температурны ми воздействиями, механическими взаимодей ствиями подвижных элементов, погрешностя ми ориентации измерительных осей после их предстартовой выставки и т.д. Наличие ошиб ки командного прибора приводит к пропор циональной ошибке выходного сигнала БСУ. ККП имеет свойство накапливать инструмен тальные погрешности командного прибора и, соответственно, погрешность управления с те чением времени.

На активном участке траектории инстру ментальная погрешность управления в авто номной СУ не может быть зарегистрирована

иучтена средствами самой СУ при выведе нии КА, ее можно наблюдать только извне средствами ВТИ и оценивать для параметров движения по результатам совместной обра

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ТОЧНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ВЫВЕДЕНИЕМ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА	857

ботки ВТИ и ТМИ, т.е. инструментальным вариациям одних и тех же параметров движе ния, вычисленных в одной и той же системе координат.

Для инструментальных вариаций разра ботаны и применяются методики выделения отдельных составляющих из состава инстру ментальных погрешностей ККП при ано мальных результатах пуска. При этом предпо лагается, что причина аномалии — выход за допустимые пределы одной (иногда более) из инструментальных погрешностей командных приборов. Методики разработаны примени тельно к идентификации линейно независи мых групп инструментальных погрешностей ККП с применением метода наименьших квадратов и других методов оптимальной фильтрации для подходящей модели влияния инструментальных погрешностей ККП на инструментальную вариацию параметра дви жения.

Инструментальные погрешности ККП — наиболее значимые факторы влияния на инст рументальную погрешность управления. По вышать точность ККП чрезвычайно трудно. Необходим переход на новую элементную ба зу, более тонкую и совершенную технологию изготовления и регулировки приборов.

Поиск путей повышения точности ККП всегда актуален. Использование внешней кор рекции от спутниковых систем, дающих высо кую точность коррекции ошибки управления на активном участке, лишает КР автономно сти, так как зависит от состояния международ ных отношений и в ряде случаев может быть катастрофичным для запуска.

Вцелях снижения ошибки управления и повышения надежности в измерительных трактах параметров движения применяются схемы группирования акселерометров, рабо тающих параллельно и независимо друг от друга. В основном применяются схемы «голо сования» (логическая) и «осреднения» (коли чественная).

Всхеме «голосования» принимается

управляющий сигнал m го канала из n сгруп пированных (m + n), в схеме «осреднения» показания n каналов осредняются, т.е. полу чают, например, среднее арифметическое значение сигнала. «Осредненный» канал при нимается как командный. Эффект возраста ния точности в двух случаях основан на вы боре сигнала для управления, имеющего бо лее предпочтительную точностную характе

ристику: в первом случае — лучший из груп пы, во втором — имеющий дисперсию (раз брос сигнала) в n раз меньшую, чем диспер сия единичного канала.

В настоящее время борьба за уменьшение погрешности управления ведется с привлече нием средств бортовой информатики и имеет следующие основные направления:

снижение уровня собственно инструмен тальных погрешностей ККП путем совершен ствования технологии их изготовления, регу лировок, подбора материалов и обеспечения благоприятных условий работы;

повышение стабильности инструменталь погрешностей приборов в период между изготовлением и испытаниями в целях либо создания условий для самокомпенсации влия ния стабильных составляющих на точность управления, например, выбор оптимальной ориентации чувствительного элемента прибо ра, либо выделение стабильных составляющих и введение соответствующих компенсирующих

поправок на их влияние в БСУ; выявление особенностей (стабильных

проявлений) в характере поведения изме няющейся составляющей инструментальной погрешности прибора в зависимости от вре мени, температурных условий и перегрузок, т.е. получение достоверных знаний для про гноза значений параметров, характеризую щих переменную составляющую и введения соответствующих компенсирующих попра вок в СУ.

Эффективность комплекса мероприятий, направленных на повышение точности ККП и снижение инструментальной погрешности управления проверяется при многократных наземных испытаниях отдельных командных приборов или БСУ в целом по частным про блемно ориентированным программам и ме тодикам, а также при штатных комплексных наземных испытаниях БСУ.

Основой контроля точностных парамет ров и характеристик ККП и БСУ в целом яв ляются точности знания:

проекций угловой скорости собственного Земли на оси любых систем коорди примененных в описании модели прояв инструментальной погрешности любого

командного прибора; ускорения силы гравитации непосредст

венно в точке расположения любого акселеро метра на организованном или штатном рабо чем месте проведения наземного испытания.

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

858	Глава 8.1. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ

Методическая погрешность управления.

Явление методической погрешности управле ния для БСУ возникает в условиях возмущен ной траектории активного участка КР и фор мируется в момент отсечки тяги ДУ в соот ветствии с реализованным на борту законом

отсечки в поле регистрируемы	БСУ возму
щенных параметров движения	к моменту
отсечки.

Возмущенная траектория возмущения, обусловленные разбросом характеристик тяги ДУ, аэродинамических сил и моментов, техно логических перекосов линии действия тяги ДУ, аномалиями поля тяготения Земли и дру гие внешние возмущения. Такого рода возму щения параметров траектории на два и более порядков превышают уровень инструменталь ных вариаций параметров движения. Тем не менее, баллистическая теория движения ра кетно космических объектов показывает, что управляя отсечкой тяги ДУ по определенному закону на основе бортовой информации о па раметрах движения КР, можно в условиях воз мущенного движения КР выводить КА на ор биту с допустимой ошибкой, которая называ ется методической погрешностью управления и относится к реализованному в БСУ закону отсечки тяги ДУ и нелинейно зависит от из вестных в БСУ вариаций параметров траекто рии в момент отсечки тяги ДУ и «сложности» закона управления отсечкой.

Простейший закон управления отсечкой тяги ДУ — расчетное время tkp отсечки для рас четной траектории. Такой закон дает приемле мую методическую погрешность управления только для очень близкой к расчетной траек тории (с уровнем вариаций параметров ниже уровня инструментальных вариаций парамет ров движения).

Теоретически методическую погреш ность управления можно сводить к нулю и при высоком уровне возмущений параметров траектории. Но формирование в вычисли тельной системе БСУ закона управления от сечкой тяги ДУ в нелинейной постановке резко усложняет бортовые алгоритмы расче тов для автоматического наблюдения за фор мированием конечных параметров траекто рий ХТ, обеспечивающих выведение КА на требуемую орбиту: R(tк ), V (tк ), tк .

При возрастании уровня возмущений (переход к более экономному, но и более гру бому регулированию режимов работы ДУ и т.п.) может быстро возникнуть дефицит вы

числительных мощностей БСУ, т.е. наступает момент перехода к новым идеям управления методической погрешностью управления, ко торый будет опираться на возможности роста ресурсов бортового вычислительного комплек са по вычислительной мощности и логиче ским построениям в БСУ и даже использова ния элементов искусственного интеллекта. Прогресс состоит в переходе на методологию терминального управления в БСУ, вплоть до решения на борту краевых задач.

8.1.7. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ

Развитие СУ КР можно условно разбить на этапы по определенной совокупности при знаков и характеризовать как смену поколе ний СУ и РКК.

На протяжении истории ракетной техни ки развитие СУ шло в основном по следую щим направлениям:

решение научно технических проблем обеспечения устойчивого полета и точного вы ведения полезной нагрузки;

создание материалов и элементной базы с внедрением новейших технологий для прибор ного состава СУ;

развитие прикладной баллистики на базе теории кеплерова движения в интересах воз можностей подготовки и расчета полетного за дания, особенно оперативного расчета полет ного задания;

обеспечение надежности, помехозащи щенности и стойкости к факторам поражаю щих излучений;

совершенствование средств и методов азимутального прицеливания;

и развитие научной методоло гии и аппаратно измерительных средств в ин тересах сбора, автоматизированной проблем но ориентированной обработки и анализа ре зультатов наземных и летных испытаний СУ КР для повышения достоверности оценок экс плуатационно технических характеристик но вых отрабатываемых РКК.

Развитие по данным направлениям было неравномерным. Достижения в разработке более совершенных методов стабилизации и управления, совершенствование элементной базы (прецизионных командных приборов, изделий электронной техники и микроэлек троники и т.п.) приводили к новым модифи

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ПРОГРАММНО МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ	859

кациям СУ, удовлетворяющим более высо ким требованиям расширившемуся кругу за дач РКК.

Развитие СУ по направлению создания прогрессивных материалов и новейшей эле ментной базы для приборного состава оказа ло наиболее существенное влияние на СУ и РКК в целом. Общие научно технические тенденции, отражающие основные качествен ные этапы развития и совершенствования РКК в разработках отечественных и зарубеж ных СУ выявляют два этапа аппаратурной реализации СУ, качественно различающиеся между собой.

До конца 60 х годов прошлого века СУ строились в основном на аналоговых схемах контуров регулирования, стабилизации и управления с применением электромеханиче ских или электрохимических счетно решаю щих приборов. В начале 70 х годов прошлого века начался этап разработок СУ с примене нием контуров регулирования, стабилизации и управления на дискретных принципах преоб разования управляющих сигналов, связей и обмена информацией между подсистемами на базе БЦВМ.

Переход на бортовую дискретную вычис лительную технику не прошел без дискуссий, главными предметами обсуждения в которых были стоимость, габаритно массовые характе ристики и надежность. Успехи в развитии электронной техники сравнительно быстро выявили реальные преимущества дискретного направления, не оставляя без внимания при менение аналоговых устройств там, где видны их преимущества.

Дискретные вычислительные устройства быстро получили широкое распространение, демонстрируя функциональные возможности, не доступные аналоговым и электромехани ческим вычислительным устройствам.

Функциональное разделение СУ на подсистемы выполняется по традиционной методике. Но содержание и реальные воз можности функциональных подсистем суще ственно расширились, качество выполнение функций существенно повысилось. В част ности, значительно расширились функции предстартовой подготовки, в которых появи лись операции предстартового определения состояния точностных параметров ККП (ка либровки и масштабирования) с введением предстартовых поправок в полетное задание в целях повышения точности управления,

обеспечена возможность автономного опре деления азимутальной ориентации измери тельных осей акселерометров или измерите лей скорости, их предстартовая ориентация относительно горизонта в точке старта. Ста ло возможным развитие методов оператив ного расчета полетного задания. Также полу чили развитие другие возможности, преиму щественно связанные с информационными и управляющими взаимодействиями со смеж ными системами.

В системах управления с БЦВМ аналого вые и электромеханические вычислительные устройства применяются в основном в трактах управления силовыми приводами по командам из БЦВМ.

8.1.8. ПРОГРАММНО МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ

Программно математическое обеспече ние — специфическая проблема СУ дискретно го типа, наиболее сложная, трудоемкая, ком плексная и дорогостоящая.

Производительность при создании бор тового математического обеспечения в ре шающей степени зависит от уровня развития универсальных ЭВМ, сервисного обеспече ния бортового программирования. В СССР и РФ, а также за рубежом проводились и про должают проводиться интенсивные исследо вания, направленные на решение возникшей проблемы.

Проблема создания бортового про граммно математического обеспечения имеет два аспекта: исследовательская проработка алгоритмов и определение структуры матема тического обеспечения в комплексе с супер визором; кодирование или программирова ние алгоритмов с тем, чтобы полученная про грамма после трансляции могла быть реали зована в БЦВМ. Опыт показывает, что иссле довательская работа по оптимизации алго ритмов продолжается и после того, как вари ант бортового математического обеспечения уже есть, что является естественным процес сом, так как происходят комплексная отладка и тестирование программ на аналого цифро вых моделирующих устройствах, отработка на комплексных стендах, широко применяемых в ракетостроении. Ученые постоянно совер шенствовуют алгоритмы, учитывая новые возможности цифровых комплексов и по