Полеты в космос. Оперативное управление космическими аппаратами. Контроль полета и парирование нештатных (лекция 5)

1. Полеты в космос. Оперативное управление космическими аппаратами

Контроль полета и парирование нештатных
ситуаций
Профессор
В.А. Соловьёв

2. Управление полетом КА

Планирование полета
Коррективы к
разработанному
плану
Реализация разработанного плана
Контроль полета
Продолжение
полета по
разработанному
плану
(N)
Результаты контроля
норма
(N)
не норма
(Ñ)
Принятие решения по результатам
контроля
(Ñ)
Выполнение
оперативных
мероприятий по
парированию
нештатной
ситуации

3. Контроль состояния КА

Контроль параметров состояния КА играет роль обратной
связи, с помощью которой оценивается способность КА к
выполнению поставленных задач
КА
Управляющие
воздействия
Информация о
состоянии КА
ЦУП

4.

КА
Экипаж
Процесс S1
Процесс S2
Процесс Sn
Датчик
Д1
Датчик
Д2
Датчик
Дn
Сбор
Сбор
Преобразование
БКУ
Передача по каналам
связи
Регистрация
Приём
Наземная станция
слежения
Обработка
Отображение
ЦУП

5. Получение телеметрической информации

Бортовые системы
Наземная часть
КА
Совокупность телеметрических датчиков,
преобразующих, коммутационных и
передающих устройств образует
радиотелеметрическую систему (РТС).
ЦУП
Радиотелеметрическая
система (РТС)
Непосредственная
передача
Режимы работы РТС
Воспроизведение
Запись

6.

Состав наземного контура управления
КА
Спутник связи
Связь
через СС
Связь
через СС
Голос
Телевидение
Наземные каналы
связи,
каналы связи на
базе ВОЛС
ЦУП-КА
Команды
Радиоконтроль
орбиты
Телеметрия
Наземные пункты
ГОГУ

7.

Объем телеметрических параметров
по транспортному пилотируемому кораблю «Союз»
Бытовой
отсек
Спускаемый
аппарат
Переходный
отсек
Приборный
отсек
Агрегатный
отсек
Полный объем телеметрической информации – более 5 тыс.
параметров

8.

Объемы контроля ТМ-параметров
Объем ТМИ,
тыс.ТМ-параметров
140
МКС
120
МКС
100
80
«Мир»
60
«Салют-7»
40
20
«Салют-6»
0
1976
1980
1984
1988
1992
1996
2000
2004
2008
2012
8

9.

Параметры состояния КА
Параметры
состояния КА
Управляемые
Контролируемые
Не управляемые
Не контролируемые

10.

ОБЩИЙ АЛГОРИТМ КОНТРОЛЯ БОРТОВЫХ СИСТЕМ
МКС, ТК и
ТКГ
ТМИ, ТВ
ПОЛУЧЕНИЕ, ОБРАБОТКА, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
ИНФОРМАЦИИ
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ
1. допусковой контроль
2. сравнение с эталоном, сравнение с прогнозом
ОПЕРАТИВНЫЙ ВЫБОР ПРИОРИТЕТНОГО СОСТАВА
КОНТРОЛИРУЕМЫХ СИСТЕМ
ДЕТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ВЫБРАННОГО СОСТАВА СИСТЕМ
БАЗЫ ДАННЫХ, ОБЩИЕ МОДЕЛИ
СИСТЕМ
ТМИ ОСНОВНЫХ СИСТЕМ
ПЛАНЫ ПОЛЕТА КПИ, БНО МОДЕЛИ
БАЗЫ ДАННЫХ, МОДЕЛИ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ПРОГНОЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ
ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ И ИНТЕРВАЛА
ПРОВЕДЕНИЯ СЛЕДУЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ БАЗЫ ДАННЫХ
РАСПОЛАГАЕМЫХ РЕСУРСОВ
ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ ПО АНАЛИЗУ
С ЦУП-ами ПАРТНЕРОВ
ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ, ВЫДАЧА
РЕКОМЕНДАЦИЙ
ДЕТАЛЬНЫЙ ПЛАН ПОЛЕТА

11. Датчики

Датчик выполняет преобразование параметра в электрический сигнал
Датчики
Датчики контроля процессов
Датчики контроля событий
Типы датчиков: потенциометрические, тензометрические,
индуктивные, емкостные, терморезисторные, пьезоэлектрические,
термопары, сельсинные, индукционные и т.д.

12.

Обработка и анализа телеметрической
информации (ТМИ)
Отбраковка сбойной информации
Восстановление сбойной информации
Тарирование параметров
Вычислительные и логические операции
Автоматизированный анализ
Отображение информации

13.

Типовой формат отображения ТМИ
Эти работы выполняются специалистами оперативного контура
управления в соответствии с разработанной полетной эксплуатационной
документацией и включают в себя следующий состав работ:
На каждом сеансе связи:
- Оценка технического состояния бортовых систем по данным ТМИ и
докладам экипажа;
- Распознавание нештатных ситуаций в бортовых системах РС МКС;
- Выработка рекомендаций по выходу из нештатных ситуаций в
бортовых системах;
В течение смены:
- Согласование детального плана полета на n+4 сутки;
- Согласование р/г в части эксплуатации бортовых систем;
- Учёт наработок приборов за смену;
- Подготовка оперативных материалов для анализа нештатных ситуаций;
14

14.

Мнемосхема КОБ1 СОТР СМ
15

15.

Обобщенная схема анализа КА
Анализ состояния КА последовательно выполняется по
следующей обобщенной схеме:
1. Анализ значений отдельных параметров системы и
сравнение полученных результатов с расчетными.
2. Анализа состояния отдельных систем КА.
3. Анализа состояния КА в целом

16. Обобщенная схема анализа КА

Пример: иерархическая структура форматов отображения
телеметрической информации
Обобщенные комплексные форматы по РС МКС
Обобщенные комплексные форматы по модулям РС МКС
Обобщенные комплексные форматы по бортовым системам модулей РС МКС
(контроль исправного состояния системы и выполнения запланированных операций)
Общий
формат СУДН
Общий
формат СОЖ
Общий
формат СОТР
Общий
формат ОДУ
Общий
формат СЭП
Форматы первичных параметров (контроль состояния элементов системы)
Форматы
первичных
параметров
РС МКС
Форматы
первичных
параметров
Форматы
первичных
параметров
Модули
Форматы
первичных
параметров
Система
Форматы
первичных
параметров
Элементы системы
17

17.

Анализ телеметрической информации
Анализ
Оперативный анализ
Послеполетный анализ
Выполняется в ходе полета КА в
реальном масштабе времени,
его результаты используются
непосредственно
для управления полетом
Результаты используются для
дальнейшего совершенствования
конструкции, систем и
оборудования КА

18. Анализ телеметрической информации

Методы автоматизированного анализа ТМИ
метод двухуровневого контроля
метод параллельного моделирования
метод дерева состояний
метод матрицы состояния

19. Методы автоматизированного анализа ТМИ

Метод двухуровневого контроля
(p)
Зона 1
Зона 3
1
Зона 3
Зона 2
Зона 2
0
доп
pmin
cp
pmin
cp
pmax
доп
pmax
p
Зона 1 – область штатного функционирования объекта контроля
Зона 2 – область пограничного функционирования объекта контроля
Зона 3 – область нештатного функционирования объекта контроля

20. Метод двухуровневого контроля

Метод параллельного моделирования
Бортовые системы КА
ПМО
сравнения
Модель
Результат

21. Метод параллельного моделирования

Пример метода дерева состояний
P1
+
N
Параметр 1
N
P2
+
N
S1
P2
N
S2
Заключение о текущем
состоянии делается как итог
последовательного анализа
состояния каждого из
параметров
+
N
S3
Параметр 2
N
+
N - параметр в норме
N - параметр не в норме
S4
Возможные состояния объекта анализа

22. Пример метода дерева состояний

Метод матрицы состояния
c1
cn
S1
p
p
c
c
S2
p
p
c
c
Sk
p
p
c
c
Sтек
pтек
pтек
стек
стек
……….
pm
……….
p1
Заключение о текущем
состоянии делается как итог
сравнения с матрицей заранее
определенных состояний
………..……..
p – параметры, получаемые с
борта КА;
c – вычисляемые параметры;
S – состояния объекта анализа
(КА).

23. Метод матрицы состояния

Возможные результаты контроля
III
K
Кф (t2)
II
Кф (t1)
I
t1
t2
t
I. Состояние космического аппарата в норме
II. Значение некоторого параметра вышло за среднестатистический порог
III. Значение некоторого параметра за пределы нормы

24. Возможные результаты контроля

Значение некоторого параметра вышло
за среднестатистический порог
Формируется сообщение:
«ВНИМАНИЕ. Параметр вышел за среднестатистический порог и имеется
тенденция к выходу за допустимый предел».
Среднестатистический порог значений параметра получают в результате
статистической обработки его фактических значений.
Предельно допустимые значения параметра указаны в техническом
описании систем КА.
Темп изменения параметра:
ΔКф / Δt = (Кф (t2) - Кф (t1)) / (t2 - t1)
Прогнозируемое время достижения параметром допустимого значения:
tп = (Кп - Ксс) / (ΔКф / Δt)прогн + tсс
tсс – время достижения параметром значения Ксс,
(ΔКф / Δt)прогн – прогнозируемый темп изменения параметра

25. Значение некоторого параметра вышло за среднестатистический порог

Значение некоторого параметра за
пределы нормы
Ситуация приводит к одному из двух исходов:
1. Соответствующие бортовые системы справятся с
возмущением и параметры вернутся в область
среднестатистических значений
2. Указанная тенденция сохранится и параметры выйдут за
допустимые пределы – возникнет нештатная
(аномальная) ситуация

26. Значение некоторого параметра за пределы нормы

Возмущающие воздействия, действующие на
контур управления полетом
Космический аппарат
внутренние
возмущающие
воздействия
управляющие
воздействия
внешние
возмущающие
воздействия
внутренние
возмущающие
воздействия
Система управления полетом
Расчетные
воздействия
внешней среды
Информация о
состоянии КА

27. Возмущающие воздействия, действующие на контур управления полетом

Нештатные ситуации
Совокупность обстоятельств, обусловленных действием
возмущающих факторов приводящих к недопустимому
изменению состоянию КА, его функциональных
возможностей и способности выполнения
запланированной операции, невыполнению какой-либо
запланированной операции, снижению уровня
безопасности полета принято называть нештатной
ситуаций.

28. Нештатные ситуации

Классификация нештатных ситуаций
Расчетные нештатные ситуации – действия по их парированию
рассматриваются заранее, в при анализе работы систем КА до полета,
также включаются ситуации возникавшие при наземных испытаниях
систем и в процессе проведенных ранее полетов.
Нерасчетные нештатные ситуации – причиной является не рассмотренный
заранее отказ, характерны тем, что при их возникновении необходимо
оперативно проводить анализ ситуации и вырабатывать меры по ее
парированию.
Нештатные ситуации, сложившиеся в результате неустранимых отказов и
приводящие к нарушению требований безопасности экипажа и КА,
называют аварийными.

29. Классификация нештатных ситуаций

Нештатные ситуации в
космическом полёте
• Нештатная ситуация: состояние космического комплекса,
его составных частей и привлекаемых средств, а также
условий полёта, не предусмотренные программой
штатного функционирования или отклонение состояния
здоровья космонавта от нормального.
• Рассмотренная нештатная ситуация: нештатная ситуация,
которая была выявлена и рассмотрена в процессе
создания космического комплекса и предполётного
анализа и внесена в конструкторскую документацию.
• Расчетная нештатная ситуация: нештатная ситуация,
способы и средства выхода из которой предусмотрены и
внесены в конструкторскую документацию.
30

30. Нештатные ситуации в космическом полёте

ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ
НЕШТАТНОЙ СИТУАЦИИ
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НС
АВТОМАТИКА
ОК
ЭКИПАЖ
ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КА
ПЕРСОНАЛ
УПРАВЛЕНИЯ
Т1
ИДЕНТИФИКАЦИЯ НС
ДА
ОПИСАНИЕ НС
ИМЕЕТСЯ В АРХИВЕ
НЕТ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСПОЛАГАЕМОГО ВРЕМЕНИ ТРАСП
ДЕЙСТВИЯ
В СООТВЕТСТВИИ
С ИНСТРУКЦИЕЙ
(ИЗ ОПИСАНИЯ НС)
ШТАТНАЯ
РАБОТА
• ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СИТУАЦИИ НА РЕАЛЬНЫХ
БОРТОВЫХ СИСТЕМАХ С ЦЕЛЬЮ ЛОКАЛИЗАЦИИ
НЕИСПРАВНОСТЕЙ
• ПРОВЕРКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ БОРТОВЫХ СИСТЕМ
СБОР И АНАЛИЗ НЕОБХОДИМОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО НС
Т2
ВЫДВИЖЕНИЕ И ПРОВЕРКА
ГИПОТЕЗ ПО ВОЗНИКШИМ НС
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММ ДЕЙСТВИЙ ПО ВЫХОДУ ИЗ НС
0,7 - 0,8 ТКРИТ = ТРАСП
ТРАСП > Т1 + Т2
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ
ПО ВЫХОДУ ИЗ НС
ШТАТНАЯ
РАБОТА
ВИДОИЗМЕНЕНИЕ
НС
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КА
• ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СИТУАЦИИ С УЧЕТОМ
ВНЕШНЕЙ ОБСТАНОВКИ
• ГЕНЕРИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ НЕШТАТНЫХ
СИТУАЦИЙ
• ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ
КОЭФФИЦИЕНТОВ В ЗАКОНАХ УПРАВЛЕНИЯ
• ПРОВЕРКА ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ
• ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ СФОРМИРОВАННЫХ
УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
БАЗЫ ДАННЫХ
• ПОИСК И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НС, ИДЕНТИЧНОЙ ИЛИ
БЛИЗКОЙ К ВОЗНИКШЕЙ
• ОЦЕНКА РЕСУРСОВ
• АРХИВ БОРТОВЫХ СИСТЕМ И АГРЕГАТОВ,
ИНФОРМАЦИЯ ПО ЭТАПАМ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ
• ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВОЗНИКШЕЙ НС
(С ИПОЛЬЗОВАНИЕМ БАЗЫ ДАННЫХ)
• ВЫРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ВЫХОДУ ИЗ НС
• ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ СИСТЕМЫ, ВЫВЕДЕННОЙ
ИЗ НС, ПРИ ЕЕ ДАЛЬНЕЙШЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
Ткрит – время до наступления необратимых отрицательных изменений в состоянии КА

31. ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ НЕШТАТНОЙ СИТУАЦИИ

Модель безопасности управления
полетом
Появление нештатной
ситуации
Аварийная (критическая)
ситуация
Невыход из аварийной
ситуации
Нарушение безопасности
Некритическая
нештатная ситуация
Выход из аварийной
ситуации
Обеспечение
безопасности

32.

Аварийные ситуации
Авария на борту КА
Видимые
Пример: аварийная
разгерметизация
орбитального
комплекса «Мир»
Скрытые
Пример: аварийное
разделение отсеков
транспортного
пилотируемого корабля
«Союз»

33.

Пример парирования нештатной ситуации
на орбитальном комплексе «Мир»
Описание НШС:
26 июня 1997 года при проведении отработки режима ручной стыковки
грузового транспортного корабля «Прогресс М-34» с орбитальным
комплексом «Мир» произошло столкновение корабля со станцией, что
привело к разгерметизации объёма жилых отсеков ОК «Мир» с темпом до
20 мм рт. ст. в минуту.

34. Пример парирования нештатной ситуации на орбитальном комплексе «Мир»

График падения давления в станции «Мир»
Р, мм
рт.ст.
790
Давление воздуха в станции
740
Фактическое давление с учетом газа баллонов БНП
690
640
Тенденция падения давления
Т1=12:01 - стокновение
Т2=12:09 - срабатывание сигнализации
590
Т3=12:22 - наддув воздухом из БНП
540
Т4=12:28 - закрытие крышки люка
Ниж няя граница допустимого давления
490
0
1
5
2
10
3
15
4
20
5
25
6
7
30 Время,
мин.

35. График падения давления в станции «Мир»

Пример парирования «скрытой» нештатной ситуации
при проведении спуска корабля «Союз ТМ-5»
Описание НШС:
7 сентября 1988 года при проведении спуска пилотируемого транспортного
корабля «Союз ТМ-5» в результате сбоя в вычислительной машине при закладке
тормозного импульса на спуск вместо необходимых 115 м/с в оперативной памяти
машины остался записанным импульс последнего маневра перед стыковкой (3 м/с),
что привело к выдаче недостаточного для спуска тормозного импульса.
При этом спусковая циклограмма была запущена, по которой через 20 минут
после выдачи импульса должно было произойти разделение отсеков корабля.
Исполнение этой циклограммы привело бы к тому, что экипаж остался бы в
спускаемом аппарате без приборно-агрегатного отсека, и в этом случае становилось
бы невозможным его возвращение на Землю.
Действия экипажа:
при вхождении в зону связи экипаж доложил на Землю о ситуации с тормозным
импульсом, но о загорании транспаранта «Программа разделения» экипаж
не доложил;
по результатам анализа ситуации Земля приняла решение о переносе спуска на
следующие сутки, а для прекращения всех динамических операций экипажу была
выдана рекомендация о выдаче с пульта команды «Отбой динамических режимов»;
экипаж реализовал выданные рекомендации, что привело к отбою программы
разделения за 42 сек до исполнения операции разделения.
Итог:
действия Земли и экипажа позволили избежать катастрофической ситуации;
на следующие сутки спуск прошел в штатном режиме, экипаж благополучно
возвратился на Землю.

36. Пример парирования «скрытой» нештатной ситуации при проведении спуска корабля «Союз ТМ-5»

Циклограмма спуска корабля «Союз ТМ-5»
Тормозной импульс-115 м/с
Разделение
Программа разделения – 20 мин.
Фактический импульс- 3 м/с
Программа разделения – 20 мин.
Разделение
Сеанс связи

37. Циклограмма спуска корабля «Союз ТМ-5»

Конец лекции