СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВАМИ НАЗЕМНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ НАУЧНОГО И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЙ (ВАРИАНТЫ) И НАЗЕМНЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ НАУЧНОГО И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF CONTROLLING MEANS GROUND AUTOMATED CONTROL COMPLEX SPACE RESEARCH AND SOCIO-ECONOMIC PURPOSES AND MEASUREMENTS (VERSIONS) AND GROUND-BASED AUTOMATED SYSTEM SPACECRAFT CONTROL SCIENTIFIC AND SOCIO-ECONOMIC PURPOSES AND MEASUREMENTS (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области космонавтики, а именно к области наземных комплексов управления космическими аппаратами, а также к комплексам средств измерений, сбора и обработки информации от ракет-носителей, наземным измерительным комплексам разгонных блоков. Далее, для характеристики перечисленных выше комплексов используем обобщенные названия: наземный комплекс управления и измерений изделий ракетно-космической техники или наземный комплекс управления и измерений.
Известны два основных подхода к созданию наземных комплексов управления и измерений изделий ракетно-космической техники.
Первый подход состоит в том, что для каждого типа изделия ракетно-космической техники, а именно космического аппарата, создается свой отдельный (изолированный) наземный комплекс управления (НКУ КА), имеющий в своем составе центр управления полетом, закрепленные (выделенные) линии и каналы связи, командно-измерительные системы, комплекс телеметрических средств. К такому типу относятся наземные комплексы управления космическими аппаратами типа «Ямал», «Бонум», и др. Недостатком данного подхода является невысокая степень использования наземных командно-измерительных и телеметрических станций, каналов связи, средств автоматизации и передачи данных, длительность создания комплексов управления, большое количество средств и их номенклатуры.
Второй подход заключается в создании наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами (НАКУ КА), из совокупности средств которого формируются работоспособные конфигурации НКУ КА для обеспечения выполнения заданнной совокупности операций управления космическими аппаратами различных типов, в первую очередь космическими аппаратами научного и социально-экономического назначения типа «Фотон-М», «Ресурс-ДК1», «КОРОНАС-ФОТОН», «Канопус-В», «Электро-Л», «Бион-М», «Монитор-М», МКС, «Союз», «Прогресс».
НАКУ КА данного типа включает совокупность наземных средств (командно-информационные системы, командно-телеметрические системы, антенные системы, системы связи и передачи данных), из которых для каждого типа космического аппарата формируют НКУ (см. патент на изобретение RU2438941, опубликованный 10.01.12, ЦНИИмаш). В результате, возможно использовать одни и те же наземные средства для обеспечения управления разными типами космических аппаратов, общую сеть линий и каналов связи для передачи различных видов данных (цифровая, аналоговая, речь, телевидения), управлять трафиком и маршрутами передачи данных.
НАКУ КА, известный из RU2438941, созданный согласно охарактеризованному выше второму подходу, выбран в качестве ближайшего аналога изобретения. Основной недостаток известного из RU2438941 НАКУ КА и, соответственно, его применения заключается в недостаточной гибкости управления наземными средствами, определяемой невысоким уровнем наблюдаемости и управляемости средствами комплекса, что обусловливает недостаточную оперативность реконфигурации НАКУ КА, а также тем, что не учтены процессы формирования комплексов средств измерений, сбора и обработки информации от ракет-носителей, наземных измерительных комплексов разгонных блоков при быстро меняющихся условиях работы разнородных изделий ракетно-космической техники в космическом пространстве и наземных средств в местах их дислокации, что особенно важно при ограниченном количестве наземных средств и мест их размещения. Например, при полностью развернутой группировке космических аппаратов научного и социально-экономического назначения на суточном интервале необходимо проводить до 150 - 200 сеансов связи с изделиями ракетно-космической техники, т.е. формирование новых НКУ и измерений должно происходить в среднем каждые 5-10 минут.
В свою очередь, предлагаемое изобретение представляет собой дальнейшее совершенствование НАКУ КА, созданных по описанному выше подходу, предусматривающее повышение уровня наблюдаемости и управляемости путем включения в состав НАКУ КА автоматизированной системы оперативно-технических пунктов управления и пункта управления мультисервисной системой связи и передачи данных, позволяющих проводить направленную реконфигурацию средств НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений с требуемыми характеристиками по оперативности.
В результате станет возможным создание НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений, сохраняющего качество управления на всех этапах применения (использования) космического аппарата или иного изделия ракетно-космической техники путем динамического формирования унифицированных НКУ и измерений к заданным интервалам времени, определяемых технологическим циклом управления космическим аппаратом или циклограммой полета ракеты-носителя либо разгонного блока, сохранение этой конфигурации на интервале сеанса связи и оперативную реконфигурацию на очередной временной интервал. Это позволит существенно повысить степень использования отдельных наземных средств и комплексов в условиях необходимости значительного расширения объемов и видов национальной космической деятельности при ограниченных материально-технических ресурсах. Предлагаемый наземный автоматизированный комплекс управления и измерений обеспечит запуски и полет разнотипных изделий ракетно-космической техники, в том числе к Луне, Марсу и другим объектам Солнечной системы. Таким образом, предлагаемый комплекс сможет быть использован и для управления в отношении космических аппаратов, находящихся на различных орбитах: ближних, средних и дальних (межпланетных), и характеризующихся разнотипными интерфейсами взаимодействия.
Ожидаемый от использования заявленного изобретения технический результат достигается при использовании предложенных вариантов способа управления средствами НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений, а также предложенных вариантов наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научного и социально-экономического назначения и измерений.
Предложенный способ управления средствами НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений предусматривает командно-программного управление, баллистическое обеспечение, телеметрическое обеспечение, планирование полета при помощи единой и унифицированной для всех типов изделий ракетно-космической техники совокупности средств контроля и обработки информации, в составе информационно-вычислительных комплексов: баллистического, командно-программного, телеметрического обеспечения полета, а также средств вычислительных сетей и связи. В отличие от аналога, из комплекса средств НАКУ КА НСЭН и измерений для каждого заданного интервала времени, исходя из технологического цикла либо из даты и времени запуска ракет-носителей и/или разгонных блоков, циклограммы и трассы их полета, достаточно сформировать только одну работоспособную конфигурацию НКУ и измерений изделия ракетно-космической техники. В случае возникновения непредвиденных ситуаций (интенсивность наступления которых, в основном, определяется частотой отказов наземных средств и составляющую примерно 1 отказ на 500 часов работы), то есть при невозможности выполнения запланированной последовательности создания комплексов управления для космических аппаратов или же формирования запланированной конфигурации наземного комплекса измерений для ракет-носителей и разгонных блоков будет достаточно произвести оперативную направленную реконфигурацию, обеспечивающую выполнение заданного технологическим циклом либо циклограммой комплекса операций по управлению и измерениям.
Конфигурация НКУ и измерений, сформированная «внутри» НАКУ, на предшествующем интервале времени в подавляющем большинстве ситуаций управления и измерений отличается от конфигурации на последующем интервале времени. Указанные конфигурации формируются согласно плану, созданному с использованием средств центра ситуационного анализа, координации и планирования, с учетом исходных данных о текущем и прогнозном состоянии наземных средств управления и измерений, обработанных с использованием средств центра координации эксплуатации и развития и автоматизированной системы оперативно-технических пунктов управления и средств центра анализа информации от ракет-носителей и разгонных блоков. Средства центра ситуационного анализа, координации и планирования, средства центра координации эксплуатации и развития, средства центра анализа информации от ракет-носителей и разгонных блоков, автоматизированная система оперативно-технических пунктов управления представляют собой системы «человек - машина».
Предложенный НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений содержит совокупность средств контроля и обработки информации в составе информационно-вычислительных комплексов: баллистического, командного, телеметрического, моделирования и информационного обеспечения полетов, и совокупность средств вычислительных сетей и связи. Для управления и измерений, динамического формирования унифицированных, для каждого типа изделия ракетно-космической техники, наземных комплексов управления и измерений создана единая и унифицированная совокупность указанных средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей и связи. В отличие от аналога упомянутая единая и унифицированная совокупность указанных средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей и связи является динамически изменяющейся во времени. То есть из комплекса средств НАКУ КА НСЭН и измерений достаточно сформировать только одну работоспособную конфигурацию НКУ и измерений, которая выделена для интервала времени, заданного исходя из технологических циклов управления космическими аппаратами (либо циклограмм полета ракет-носителей, разгонных блоков) различных типов.
Конфигурация НКУ и измерений, сформированная «внутри» НАКУ КА НСЭН и измерений, на предшествующем интервале времени в подавляющем большинстве случаев отличается от конфигурации на последующем интервале времени. Единая и унифицированная совокупность средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей и связи НАКУ КА НСЭН и измерений включает: средства центра ситуационного анализа, координации и планирования; средства центра координации эксплуатации и развития; средства центра анализа информации от ракет-носителей и разгонных блоков; автоматизированную систему оперативно-технических пунктов управления, представляющие собой системы «человек - машина», а также единую мультисервисную систему связи и передачи данных.
Согласно ГОСТ Р 53802-2010 под наземным автоматизированным комплексом управления орбитальными средствами и измерений (НАКУ ОСр и измерений) понимается совокупность необходимой инфраструктуры, технических систем и средств наземного автоматизированного комплекса управления орбитальными средствами и измерительных комплексов космодромов, предназначенных для формирования наземных комплексов, обеспечивающих реализацию автоматизированных процессов контроля параметров полета изделий ракетно-космической техники и управления их функционированием. То есть, под НАКУ КА и измерений понимается совокупность технических средств и сооружений центров и пунктов управления, командно-измерительных и командных пунктов, центров информационного и математического обеспечения, предназначенная для динамического формирования НКУ и измерений, обеспечения автоматизации процессов управления их функционированием.
Основное оборудование НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений представляет собой средства контроля и обработки информации, а также совокупность средств вычислительных сетей и связи, при помощи которых средства контроля и обработки информации взаимосвязаны между собой. Средства контроля и обработки информации представляют собой информационно-вычислительные комплексы: баллистический, командный, телеметрический, моделирования и информационного обеспечения полетов, то есть комплексы, обеспечивающие управление и измерения в различных аспектах. Каждый из информационно-вычислительных комплексов представляет собой совокупность компьютерных средств обработки данных: серверов, персональных компьютеров, рабочих станций различного типа и т.п.; совокупность средств пользовательского и межсетевого интерфейса; программного обеспечения, необходимого для выполнения расчетов и моделирования. Перечисленные компьютерные средства управления управляются компетентными специалистами, которые взаимодействуют с вычислительными и информационными ресурсами данных средств, с образованием систем «человек - машина».
Для управления и измерений различного типа и/или назначения, «внутри» НАКУ выделен рабочий НКУ и измерений, то есть единая и унифицированная совокупность (сегмент) указанных средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей и связи, что устраняет излишнее дублирование средств НАКУ КА НСЭН и измерений для изделий ракетно-космической техники различного назначения. Для того чтобы обеспечить необходимую гибкость управления средствами НАКУ КА НСЭН и измерений единая и унифицированная совокупность (сегмент) указанных средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей и связи является динамически изменяющейся во времени исходя из постоянно меняющихся условий работы изделий ракетно-космической техники в космическом пространстве, необходимости ввода в эксплуатацию новых изделий ракетно-космической техники (космических аппаратов, ракет-носителей, разгонных блоков), изменения состава и состояния наземных средств. Таким образом, динамически изменяющаяся во времени совокупность средств контроля и обработки информации и вычислительных сетей представляет собой последовательность работоспособных конфигураций НКУ и измерений.
Каждая из таких конфигураций выбирается для интервала времени, заданного исходя из технологического цикла (циклограммы) управления и измерений для изделий ракетно-космической техники - 5-10 минут на одну конфигурацию, как показывает практика эксплуатации. При невозможности выполнения запланированной последовательности создания комплексов управления для космических аппаратов или же формирования запланированной конфигурации наземного комплекса измерений для ракет-носителей и разгонных блоков выполняют оперативную направленную реконфигурацию комплексов. Таким образом, весь период времени применения НАКУ КА НСЭН и измерений, разделяется на промежутки времени, для каждого из которых динамически формируется своя совокупность средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей, структура связей между средствами сбора, контроля и обработки информации. Очевидно, что для большинства случаев управления и измерений конфигурация наземного комплекса на предшествующем интервале времени отличается от конфигурации на последующем интервале времени, хотя можно предположить следующие друг за другом одинаковые конфигурации. То есть для каждой конфигурации обеспечивается свое подключение аппаратно-программных комплексов: серверов, пользовательских персональных компьютеров и т.п., с необходимой взаимной увязкой программного обеспечения, коммутацией информационных потоков, обеспечения элементов уникальными исходными технологическими данными, где уникальность определяется местом элемента в НКУ и измерений. Таким образом, можно будет избежать, как перегрузки оборудования, так и его «недогрузки» при ограниченном численном составе средств комплекса.
Для обеспечения работы динамически изменяющей во времени совокупности средств контроля и обработки информации и вычислительных сетей НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений включает средства центра ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1; средства центра координации эксплуатации и развития (ЦКЭР) 2, автоматизированной системы оперативно-технических пунктов управления (АС ОТПУ) 3, пункт управления мультисервисной системой связи и передачи данных (ПУ МПССПД) 4, представляющие собой системы «человек - машина», а также единую мультисервисную систему связи и передачи данных (МССПД) 5; средства центров ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1 и координации эксплуатации и развития (ЦКЭР) 2, автоматизированной системы оперативно-технических пунктов управления (АС ОТПУ) 3, пункта управления мультисервисной системой связи и передачи данных (ПУ МССПД) 4 представляют собой совокупность компьютерных средств обработки данных и формирования команд: серверов, персональных компьютеров и т.п.; средств пользовательского и межсетевого интерфейса, управляемых специалистами, обладающими необходимыми знаниями и опытом со своих рабочих мест и взаимодействующими с информационными и вычислительными ресурсами данных средств, то есть представляют собой системы «человек - машина» - системы, сочетающие деятельность человека и функционирование объекта техники, основанные на взаимодействии в соответствии с получаемой информацией с объектом управления и машиной посредством органов управления, технические особенности которых будут определяться через их функциональное назначение (см.чертеж).
Таким образом, центр ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1, базовый центр управления полетом космическими аппаратами (Базовый ЦУП КА), включающий сектора управления космическими аппаратами (Сектор управления КА № 1…m), количество которых может быть как увеличено, так и уменьшено, автоматизированная система оперативно-технических пунктов управления (АС ОТПУ) 3, а также центр координации эксплуатации и развития (ЦКЭР) 2 включают совокупность необходимого количества автоматизированных рабочих мест (АРМ), оборудование (серверы и т.п.) для размещения баз данных, компьютерное оборудование центра анализа информации (ЦАИ) 6 от ракет-носителей (РН) и разгонных блоков (РБ), пункт управления мультисервисной системой связи и передачи данных (ПУ МССПД) 4.
Управление предложенным НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений осуществляется следующим образом.
Необходимые последовательности операций командно-программного управления, баллистического обеспечения, телеметрического обеспечения, планирования полета космических аппаратов и т.п. выполняются при помощи описанной выше единой и унифицированной совокупности (сегмента) средств контроля и обработки информации. Как было пояснено выше, при описании НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений, для каждого интервала времени, заданного исходя из технологического цикла (циклограммы) управления, динамически формируют последовательность работоспособных конфигураций НКУ КА из состава единой и унифицированной совокупности (сегмента) средств контроля и обработки информации, а также средств вычислительных сетей и связи и каждый элемент НКУ КА обеспечивается уникальными для данной конфигурации исходными технологическими данными. При невозможности выполнения запланированной последовательности создания комплексов управления для космических аппаратов или же формирования запланированной конфигурации (возникновении нештатных ситуаций для создания работоспособных конфигураций) наземного комплекса измерений для ракет-носителей и разгонных блоков выполняют оперативную направленную реконфигурацию комплексов. Сформированная конфигурация комплекса на предшествующем интервале времени в большинстве случаев отличается от конфигурации на последующем интервале времени. Таким образом, при помощи описанной выше последовательности действий по формированию конфигураций, обеспечивается необходимая гибкость структуры НАКУ КА и измерений, повышающая наблюдаемость и управляемость наземными средствами при постоянно меняющихся условиях работы изделий ракетно-космической техники, развертывания новых космических аппаратов и наземных средств, повышается коэффициент использования наземных средств и т.п.
Указанные конфигурации формируют согласно плану (являющемуся, по существу, оперативно-производственным планом, учитывающим технологические особенности объекта, результаты наблюдения над техническими параметрами объекта, для которого сформирован план), созданному с использованием средств центра ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1, а также с учетом технологических данных, обработанных с использованием средств оперативно-технических пунктов управления центра координации эксплуатации и развития (ЦКЭР) 2 и секторов управления базового центра управления полетами КА, центра анализа информации (ЦАИ) 6 от ракет-носителей и разгонных блоков. Для обеспечения работы перечисленных выше центров и пунктов, передачи информации между ними и на командно-измерительные пункты используют автоматизированную систему оперативно-технических пунктов управления (ОТПУ), связанных с центром ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1, обеспечивающих управление процессами функционирования наземных средств, дежурными сменами, эксплуатации, обеспечение автоматизированного контроля за выполнением задач управления космическими аппаратами, выполнением эксплуатационных мероприятий, состоянием метеорологической и помеховой обстановки в районах размещения наземных средств, а также мультисервисную систему связи и передачи данных (МССПД) 5, обеспечивающую информационное взаимодействие между объектами, их внутренними локальными вычислительными сетями и управление информационными потоками при проведении реконфигураций.
С использованием средств центра ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1 составляют долгосрочные и суточные планы  сеансов связи с космическими аппаратами, использования наземных средств и комплексов, распределения ресурсов мультисервисной системы связи и передачи данных (МССПД) 6.
Оперативно-технические пункты управления (ОТПУ) командно-измерительных пунктов (КИП) проводят доведение исходных технологических данных до средств КИП, формируют программу эксплуатации и применения средств КИП при проведении и подготовке к проведению сеансов связи с космическими аппаратами ближнего, среднего и дальнего космоса, а также ракет-носителей и разгонных блоков, сбор данных о результатах автоматизированной диагностики наземной аппаратуры, контролируют ход подготовки основных (командно-измерительных систем (КИС), комплексов телеметрических средств (КТМС)) и обеспечивающих средств к проведению сеансов связи, обеспечивают оперативную реакцию управляющих органов НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений (т.е. ОТПУ ЦКЭР, ЦКЭР, ЦСАКП) при возникновении неисправностей. План, разработанный с использованием средств центра ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) 1 передается на оперативно-технические пункты управления (ОТПУ) НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений. Сведения, которые передаются с оперативно-технических пунктов управления (ОТПУ) командно-измерительных пунктов и измерительного комплекса космодрома, поверяются сведениями центра координации эксплуатации и развития (ЦКЭР) 2 и центра анализа информации (ЦАИ) 6 исходя из текущей ситуации, прогноза изменений в орбитальной группировке космических аппаратов, плана запусков ракет-носителей и разгонных блоков. То есть сведения поверяются с учетом оперативной обстановки по техническому состоянию и прогнозу ее развития.
Таким образом, предложен способ управления средствами НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений, а также НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений, характеризующийся гибкостью структуры, обеспечиваемой повышением наблюдаемости и управляемости наземными средствами, как в быстро меняющихся условиях управления и измерений в космическом пространстве, так и в случае изменений состава, состояния и условий эксплуатации средств НАКУ КА научного и социально-экономического назначения и измерений, что особенно важно при ограниченном количестве наземных средств и мест их размещения.