Прогнозирование бортовых систем космических аппаратов на основе реконструкции фазового пространства

Использование метода «деревьев» поиска состояний

    Выявление признаков штатного, рассмотренного нештатного или нерассмотренного нештатного состояния является одной из основных задач комплексной оперативной  оценки бортовой системы космического аппарата. Одним из способов решения  этой задачи выступает метод деревьев поиска состояний. Суть метода состоит  в следующем.

Пусть текущее состояние S_тек бортовой системы характеризуется множеством единичных параметров , полученных с борта космического аппарата, кроме того состояние также может оцениваться с помощью обобщенных параметров , вычисляемых по значениям параметров, полученных с борта космического аппарата. Для каждого из параметров p_i или c_i заранее задана оценочная функция, в соответствии с принципами, рассмотренными в работе [2]. Это функция определяет степень соответствия параметра планируемым, штатным значениям и «значимость» отклонений значений этого параметра на представленном интервале значений. Пример оценочной функции одного параметра представлен на рис. 1.

Рис. 2. Пример оценочной функция для параметра, с учетом средних значений  

Метод деревьев поиска состояния состоит  в последовательном, начиная, например, с параметра p_i, соотнесении реальных значений параметров  или  на текущий момент времени со значением оценочной функции

где  или  - оценочные функции параметров p_i или c_i соответственно, или  аспект состояния или функционирования оцениваемой системы по параметру p_i или c_i соответственно.

При этом делается вывод о состояния или  функционирования оцениваемой системы  по рассматриваемому аспекту

 

где  ( ) – штатное состояние или функционирования оцениваемой системы по представленному аспекту; ( ) – рассмотренная нештатная ситуация оцениваемой системы по представленному аспекту; ( ) - нерассмотренная нештатная ситуация оцениваемой системы по представленному аспекту. Дерево состояний бортовой системы космического аппарата представлено на рис.2.

Рис. 3. Дерево состояний бортовой системы космического аппарата

В результате анализа всех параметров состояния  p_i и c_i возможно построение ориентированного графа , в котором правилом перехода от одной вершины к другой является соотнесении реальных значений параметров  или  на текущий момент времени со значением оценочной функции. Число выходов из каждой вершины определяется видом оценочной функции, используемой в этой вершине и уровней оценки параметров в данной оценочной функции.

Для оценки состояния системы на момент времени  t используются значения параметров  и  и на орграфе  находится единственный путь, характеризующий состояние систем. Так текущее состояние оцениваемой системы можно представить как совокупность аспектов состояния или функционирования

При этом система находится в штатном  состоянии, если выполняется условие

где S_штат - штатное состояние системы; ( ) – штатное состояние или функционирования оцениваемой системы по представленному аспекту;  - знак, предписывающий принимать решение

Система находится в состоянии нерассмотренной  нештатной ситуации, если выполняется  условие

 - состояние нерассмотренной  нештатной ситуации; ( ) - нерассмотренная нештатная ситуация оцениваемой системы по представленному аспекту;  - знак, предписывающий принимать решение

За определением текущего состояния следует соответствующая  реакция группы управления полетом, т.е. работа по имеющемуся плану полета и его изменение, исходя из сложившихся  условий.

Использование «деревьев» состояний бортовой системы  для комплексной оценки функционирования бортовой системы космического аппарата не единственный из возможных вариантов  и он имеет свои особенности.

К этим особенностям относятся:

1) Достаточная  наглядность и «прозрачность»  процесса получения текущей оценки  бортовой системы, которая способствует  более полному пониманию специалистов  группы управления полетом сложившейся  полетной ситуации. Необходимо отметить, что наглядность уменьшается  при очень больших числах параметров   или .

2) В  процессе подготовки к ответственным  полетным операциям, а также  при задании возможных альтернативных  состояний космического аппарата, характеризующихся различными векторами  состояния параметров   или , возможно использование известных математических методов, например работы [3,4], для поиска оптимальных с различных точек зрения путей на орграфе.

3) Сложность  создания унифицированных «деревьев»  для всех бортовых систем космического  аппарата, т.е. для каждой бортовой  системы необходимо построение  «дерева» в отдельности, так  как количество используемых  для анализа каждой системы  параметров p_i или c_i и количество операций сравнения для идентификации состояний различны.

4) Необходимо  изменять процедуру оценки при  изменении исходных данных по  использованию параметров p_i или c_i и числа операций сравнения. Так динамическая настройка процесса формирования орграфа потребуется при переходе анализа дежурного подмножества параметров к расширенному.

Можно сделать вывод, что метод «деревьев» состояний бортовой системы с  использованием оценочных функций  единичных параметров может быть использован для комплексной  оценки функционирования бортовой системы  космического аппарата в случае, если количество параметров, описывающих  работу данной системы, не превышает  определенных пределов и при формировании «дерева» состояний бортовой системы  предусмотрена динамическая настройка  орграфа.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

    Естественно, что основным направлением оптимизации  процесса анализа состояния бортовых систем является автоматизация этого  процесса. Хотя программно - математическое обеспечение не способно заменить специалиста  группы управления полетом космического аппарата в процессе анализа бортовых систем. Однако, распознавание состояния  отдельного, единичного параметра и  системы в целом, вполне возможно и, в большинстве случаев, необходимо с использованием вычислительной техники.

Представленный  подход к формированию комплексной  оценки бортовой системы для поддержки  принятия решения по ее состоянию  является в известной степени  универсальным. Он может быть реализован различными программными, аппаратными  и даже организационными средствами, в зависимости от специфики управления полетами конкретным космическим аппаратом. Однако, для перспективных космических  аппаратов,

исходя  из требований максимальной автоматизации  процессов управления полетом, данный подход может позволить сформировать для определенного класса бортовых систем достаточно эффективные алгоритмы  их автоматизированной комплексной  оценки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература:

1.Соловьёв  В.А., Лысенко Л.Н., Любинский В.Е.  Управление космическими полётами. Ч2. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. – 426с.

2. Матюшин  М.М., Саркисян Х.В. Построение  оценочной функции для поддержки  принятия оперативных решений  при контроле параметров состояния  космического аппарата // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011. ╧4

3. Ловас  Л. Прикладные задачи теории  графов – М.: Мир, 1998.- 653 с. 

4. Дистель  Р. Теория графов. – Новосибирск: Изд-во Института математики, 2002.-336 с.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пример: Бортовая аппаратура 

    Бортовые  приёмоиндикаторы радионавигационной системы “Омега” строятся на базе ЭВМ и цифровых методов обработки  информации. Эти устройства формируют  и выдают координаты и навигационные  параметры аппарата, необходимые  для уверенного вождения независимо от времени суток и метеоусловий.

Обобщённая  структурная схема приёмоиндикатора может быть представлена в

виде  трёх составных частей (рис.1):

Рис.4.Обобщенная структурная схема приёмоиндикатора 

- датчика радионавигационной  информации (ДРИ);

- вычислителя  (В);

- пульта управления  и индикации (ПУИ).

Датчик радионавигационной информации включает в свой состав:

- блок согласования  с антенной (БСА);

- трёхканальное  приёмное устройство (ПУ);

- измеритель  фазы сигнала (ИФ);

- аналого-цифровой  преобразователь (АЦП);

- устройство  сопряжения (УС);

- опорный генератор  (ОГ);

- синтезатор  частоты (СЧ);

- шину данных  и шину команд.

В качестве приёмных антенн применяются штыревая высотой 3 – 6 м или рамочная антенны ( в корабельных приёмоиндикаторах) и ножевые антенны с действующей высотой 0,1 – 0,2 м, либо специальные рамочные антенны, включающие 2 взаимно перпендикулярные рамки – продольную и поперечную (в самолётных приёмоиндикаторах). Преимуществом рамочных антенн по сравнению со штыревыми является меньшая чувствительность к влиянию помех за счёт электризации корпуса самолёта.

Блок  согласования с антенной (БСА) служит для предварительного усиления и фильтрации сигналов в широкой полосе, определяемой диапазоном принимаемых частот, а также для согласования первых каскадов усиления с выходным сопротивлением антенн.

Приёмоиндикатор обычно рассчитывается на работу от минимального уровня сигнала порядка ЕС = 5 – 30 мкВ ⁄ м в динамическом диапазоне 30 – 140 дБ.

Управление  диаграммой направленности рамочной антенны  осуществляется от вычислителя (бортовой ЭВМ) путём подключения рамки, в  которой наводится максимальное напряжение.

Приёмное  устройство (ПУ) имеет три независимых канала, настроенных на частоты f0 =10,2 кГц, f2 = 11,33 кГц и f3 = 13,6 кГц; построено по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты и обеспечивает автоматический поиск, обнаружение, взаимную синхронизацию и слежение за сигналами опорных станций. Выходные напряжения каналов ПУ используются для получения сигналов, несущих информацию трёх видов: об огибающей суммарных сигналов, о фазах сигналов на выходе каждого из каналов, об уровне несущих колебаний и отношении сигналов к шуму на выходе всех трёх каналов. Информация об огибающей используется для синхронизации бортовых эталонов времени с наземными.

Различие  в длительности посылок сигналов и определённый порядок их следования приводят к тому, что форма огибающей  суммарного сигнала fс(t) от каждой станции  получается различной. Для целей  синхронизации в синтезаторе  частоты (СЧ) формируется модель огибающей  сигнала fM(t) от выбранной ОС.

Путём подбора частоты, формируемой СЧ, добиваются изменения временного положения  модели и её совмещения с огибающей  принятых сигналов от этой ОС. Степень  совмещения огибающих определяется по величине взаимно корреляционной функции модели и сигнала.

где T –  период следования сигналов.