Особенности долгосрочного и оперативного планирования управления космическими полетами с позиций системного подхода

Л.11 Особенности долгосрочного и оперативного планирования управления космическими полетами с позиций системного подхода

П.1 Общие сведения о планировании полёта КА

Планирование космического полета является одним из отправных пунктов его практической реализации. Смысл в том, что именно номинальный план полета, т.е. план, составляемый в предположении пребывания фактических характеристик КА и условий полета в пределах расчетных значений или установленных статистических норм, предполагает гарантированное выполнение целевого назначения полета.

Исходя из системного подхода, очевидно, что априори составленный номинальный план с высокой степенью вероятности окажется не адекватным фактически реализуемым условиям полета. Для учета данного обстоятельства необходимо предусмотреть в методологии планирования, по крайней мере, двух направлений возможных коррекций номинального плана.

Во-первых, уже при разработке исходного плана определяются наиболее сложные с точки зрения управления полетом этапы. Для этих этапов заблаговременно разрабатываются резервные варианты их выполнения. Этому виду планирования ещё до полёта уделяется большое внимание, т.к. наличие заранее отработанных элементов резервных планов способно повысить надежность управления.

Во-вторых, помимо дополетного планирования, предусматривается этап оперативного планирования, осуществляемый непосредственно в процессе полета и ориентируемый на учет апостериорной информации об условиях его протекания.

Ситуации, требующие планирования в ходе полета (оперативного планирования), могут складываться в случаях:

• непредвиденного изменения внешней обстановки;
• при возникновении отказов в системах КА;
• в случае, если в ходе полета меняются задачи, решаемые КА,
• при уточнении программы работы его целевой аппаратуры,
• при выявляется необходимости корректировки либо изменения траектории полета КА.

Рассмотрим технологические особенности планирования КП. Для формирования исходного и оперативно разрабатываемого планов применяются одни и те же методы. Однако существенным отличием оперативного планирования от дополетного является то, что его приходится выполнять в ограниченное время, а иногда и при дефиците времени. Чтобы избежать ошибок при планировании в таких условиях, по возможности используются типовые элементы плана полета; заранее разработанные и проверенные. Для повышения надежности применяют автоматизированные способы формирования плана; оперативно разработанный план до начала его выполнения проверяют на моделирующих стендах.

Планирование полёта заключается (суть), в конечном итоге, в установлении состава и временной последовательности операций, приводящей к достижению целей полета, а также в определении порядка координированной деятельности всех служб и средств системы управления полётом КА в ходе выполнения этих операций.

Особенность: оперативное планирование полёта в настоящее время осуществляется персоналом ЦУП с использованием методики, которую рассмотрим ниже, но при выполнении полёта пилотируемого КА в режиме автономного управления эта функция может выполняться и экипажем с использованием практически той же методики. Возможна и автоматическая разработка упрощенного плана полёта бортовыми вычислительными средствами КА. В последнем случае упрощенный план полёта ПКА, разрабатываемый БКАУ автоматически, должен включать в себя следующие составляющие:

• баллистическая схема, определяющая номинальную траекторию полёта и допустимые пределы отклонения от неё фактической траектории. Баллистической схемой определяются также параметры каждого из маневров, необходимых для её реализации, например, вид маневра и соответствующая ему типовая операция, ориентация ПКА при работе его двигательной установки (ДУ), время начала маневра, критерии окончания маневра. Для межпланетного корабля с ДУ малой тяги в ряде случаев маневр может заключаться в изменении направления вектора тяги;
• план автоматического выполнения навигационных измерений. Кроме периодически выполняемых измерений, частота следования которых устанавливается заранее, должны планироваться их дополнительные сеансы по завершении маневров, а также в процессе маневра, если он имеет большую длительность, например, в случае использования ДУ с малой тягой;
• план автоматического выполнения технического обслуживания (ТО) бортовых систем ПКА, определяющий время реализации каждой операции ТО. Оценивая возможности автоматического выполнения ТО систем ПКА, можно отметить, что будет трудно обеспечить его равнозначность «ручному» обслуживанию, поскольку целый ряд операций ТО вряд ли сможет быть выполнен автоматически (например, замена кабелей и некоторых блоков бортовых систем, ремонт приборов, оборудования или элементов конструкции). Однако, в решении этой проблемы придётся продвигаться вперёд, поскольку от этого будет во многом зависеть эффективность эксплуатации космических станций и планетных баз, а также надёжность и безопасность полёта таких ПКА, как межпланетный корабль;
• план выполнения попыток восстановления связи с НКУ. Этот план формируется БКАУ, основываясь на методике, с учётом заранее разработанного алгоритма определения времени проведения сеансов связи, предназначенных для этой цели. Таким же алгоритмом руководствуется и НКУ при определении времени прослушивания эфира.

П.2 Особенности планирования полета космических аппаратов

1) Планирование полета требует наличия большого объема разнородной исходной информации, которая подразделяется на две части: постоянную и переменную (т.н. оперативную). В постоянную часть входят, например:

• описания всех полётных операций, которые могут выполняться данным КА (их циклограммы, характеристики, методики, требуемые условия их выполнения и т.д.);
• перечень работ, которые во время полёта данного КА должны выполняться периодически, а также требования к частоте их повторения или критерии, определяющие необходимость их очередного повторения;
• требования к построению режима труда и отдыха экипажа пилотируемого КА;
• правила и ограничения планирования.

Постоянная часть исходной информации в ходе полёта может подвергаться уточнению с учётом приобретенного опыта и фактического состояния КА. При этом должны соблюдаться меры, гарантирующие корректность проводимых изменений, например, их предварительная (до ввода в базу данных планирования) проверка с использованием моделирования полёта.

Переменная (оперативная) информация включает в себя данные, зависящие от времени и от фактического протекания полёта, такие как, например:

• баллистическая информация, необходимая для планирования полёта (периоды радиовидимости КА с наземных станций слежения, периоды полёта КА на освещенной Солнцем и на теневой части околоземной или околопланетной орбиты, географическая долгота восходящих узлов орбиты на разных её витках, расстояние от Земли, от Солнца и от планеты-цели при межпланетных полётах, прогноз траектории и трассы полёта и т.д.);
• информация о текущем состоянии бортовых систем и экипажа;
• информация о текущем состоянии бортовых ресурсов КА;
• данные о текущих и прогнозируемых внешних условиях;
• информация о результатах выполнении этапов полёта, предшествующих планируемому этапу;
• текущие директивы, поступающие от руководства полётом.

Переменная информация в ходе полёта обновляется данными, получаемыми ЦУП и экипажем пилотируемого КА в процессе контроля полёта и выполнения баллистических расчётов.

2) План полета разрабатывается в нескольких видах, соответствующих определенному уровню планирования.

На высшем, стратегическом, уровне планирования формулируются цели полёта, устанавливаются средства и способы их достижения, необходимые ресурсы и принципы их использования в полёте, а также основные ограничения, которые нужно учитывать при разработке плана полёта. Плановые документы этого уровня, содержащие указанную информацию, являются основой для разработки планов следующего уровня, а также используются в качестве исходных данных при подготовке КА к полёту и при его оснащении. Они разрабатываются задолго до начала полёта с тем, чтобы всесторонне проверить их выполнимость и, возможно, соответствующим образом скорректировать некоторые проектные параметры КА, например, его располагаемые ресурсы, комплектацию научно-исследовательской аппаратуры и т.д. В некоторой своей части они могут корректироваться в ходе полёта с учетом реальной полётной обстановки: внешних условий полёта, фактического состояния бортовых систем, экипажа и ресурсов КА, фактического выполнения задач полёта, а также могут быть кардинально изменены при возникновении существенных аномалий, приводящих к изменению целей полёта.

К тактическому уровню принадлежит вид планирования, которым определяются последовательность и методы выполнения операций, приводящих к достижению заданной цели полёта, порядок использования технических средств, входящих в состав системы управления полетом, программу обмена информацией между звеньями контура управления полетом.

К документам этого уровня относятся номинальный, долгосрочный и краткосрочный планы полёта.

Номинальный план полёта (НПП) охватывает либо весь полёт, либо достаточно большую его часть (например, этап работы очередной экспедиции на орбитальной станции). Разработка НПП так же, как и полётного задания, осуществляется до начала полёта или до начала той части полёта, которую он охватывает. НПП определяет последовательность выполнения основных операций, намечаемых к выполнению в каждые сутки полета на выбранном интервале планирования. В качестве примера приведем часть номинального плана полета орбитальной станции «Мир» на начальном этапе ее функционирования.

Полёт КА обычно начинается в соответствии с номинальным планом, но в процессе полёта НПП неизбежно периодически корректируется с учетом реально складывающегося хода полёта и общей полётной обстановки. Такой оперативно измененный номинальный план мы будем называть долгосрочным планом полёта.

Следующий, более подробный вид плана тактического уровня, именуемый краткосрочным планом полёта, основывается на данных номинального или долгосрочного плана, на реальной текущей полётной обстановке и на фактическом состоянии КА в текущий момент времени. Он определяет уточненный (по отношению к номинальному или долгосрочному плану) и детализированный состав, последовательность и время проведения всех полётных операций, которые необходимо выполнить в предстоящий ближайший период.

На основе краткосрочного плана, с использованием методик выполнения планируемых операций, оперативных данных о реальной полётной обстановке, а также текущей баллистической информации, персоналом управления полётом разрабатывается плановый продукт следующего, исполнительного, уровня, являющийся наиболее подробным руководящим документом для проведения полёта – детальный план полёта (ДПП). ДПП формируется частями последовательно на каждые сутки полёта. Целесообразность выбора интервала планирования равным одним суткам объясняется тем, что с периодом в одни сутки практически повторяются условия видимости КА с наземных станций управления. Кроме того, сутки являются удобным, хорошо обозримым интервалом времени для планирования полета с высокой степенью подробности.

К категории плановых документов исполнительного уровня, наряду с детальным планом, относятся и инструкции по выполнению отдельных операций. В этих инструкциях содержатся подробные указания о действиях персонала управления полетом и экипажа пилотируемого КА с их привязкой к циклограмме функционирования бортовых и наземных программно-технических средств, используемых для реализации выполняемой операции. В инструкциях также отражается порядок выдачи команд управления и контроля параметров бортовых систем. В ходе полёта они могут корректироваться в соответствии с приобретаемым опытом и состоянием объекта управления – КА.

Особенности долгосрочного и оперативного планирования управления космическими полетами с позиций системного подхода