Реферат
Дипломная работасодержит 130 страниц, 7 таблиц, 26 рисунков, 10 источников.
Ключевые слова:система, орбита, возмущающее воздействие, коррекция.
Объектомисследования является космическая система спутниковой связи.
Целью работы сталанализ возмущений, действующих на космическую систему и выявление тех из них,которые наибольшим образом влияют на эволюцию орбит, выбор параметров алгоритмауправления для поддержания орбитальной структуры и разработка соответствующейрасчетной программы.
В ходе работы быливыявлены возмущающие воздействия на систему, определен их характер, выявленыорбитальные параметры, нуждающиеся в коррекции, произведены расчеты параметровсистемы коррекции и проведен их анализ. Расчеты проводились с помощьюспециально разработанной программы, написанной в среде TurboPascal7.0, а их результаты проиллюстрированы соответствующими графиками.
В результате работыбыла решена задача анализа устойчивости системы и поддержания орбитальнойструктуры.
Содержание
TOC o «2-3» h z t«Заголовок 1;1; ЗаголБезНом 1;1» Основные сокращения… PAGEREF_Toc127190255 h 8
Введение… PAGEREF_Toc127190256 h 10
1 системныйанализ Низкоорбитальной космической спутниковой системы связи… PAGEREF_Toc127190257 h 13
1.1 Анализкосмической системы связи (КСС)PAGEREF_Toc127190258 h 13
1.1.1 Дерево целей КСС и КА… PAGEREF_Toc127190259 h 13
1.1.2 Модели состава,структуры и внешней среды КСС… PAGEREF_Toc127190260 h 16
1.1.3 Модель внешней среды… PAGEREF_Toc127190261 h 24
1.1.4 Модель состава ифункции компонентов КА… PAGEREF_Toc127190262 h 26
1.2 Требования,предъявляемые к КСС… PAGEREF_Toc127190263 h 35
1.3 Формулировкатехнической задачи. PAGEREF_Toc127190264 h 38
2 анализустойчивости и управления поддержания орбитальной структуры системы спутниковойсвязи… PAGEREF_Toc127190265 h 40
2.1 Декомпозициятехнической задачи. PAGEREF_Toc127190266 h 40
2.2 Постановкарешаемой задачи. PAGEREF_Toc127190267 h 41
2.2.1 Постановка решаемойзадачи анализа возмущающих воздействий PAGEREF_Toc127190268 h 43
2.2.2 Постановка решаемойзадачи выбора алгоритмов управления. PAGEREF_Toc127190269 h 46
3 Решениезадачи анализа устойчивости и поддержания орбитальной структуры… PAGEREF_Toc127190270 h 48
3.1 Математическаямодель. PAGEREF_Toc127190271 h 48
3.2 Вычислениевозмущений. PAGEREF_Toc127190272 h 54
3.2.1 Вычисление возмущенийот солнечного давления. PAGEREF_Toc127190273 h 54
3.2.2 Вычисление возмущенийот торможения в атмосфере. PAGEREF_Toc127190274 h 59
3.2.3 Вычисление возмущенийот не центральности гравитационного поляЗемли PAGEREF_Toc127190275 h 62
3.3 Выборпараметров алгоритма управления. PAGEREF_Toc127190276 h 67
3.3.1 Расчет размеров шириныполосы обслуживания. PAGEREF_Toc127190277 h 67
3.3.2 Модель коррекции КА… PAGEREF_Toc127190278 h 69
3.3.3 Определение массырабочего тела системы коррекции. PAGEREF_Toc127190279 h 71
4 Структураорбитальной группировки… PAGEREF_Toc127190280 h 73
4.1 Параметрыноминальных орбит. PAGEREF_Toc127190281 h 73
4.2 ХарактеристикиКА… PAGEREF_Toc127190282 h 73
5 Анализрезультатов… PAGEREF_Toc127190283 h 75
5.1 Эволюцияпараметров орбиты… PAGEREF_Toc127190284 h 75
5.2 Влияниеотдельных возмущений на эволюцию параметров орбиты PAGEREF_Toc127190285 h 79
5.3 Моделированиекоррекции орбиты для удержания высоты.PAGEREF_Toc127190286 h 87
5.4 Выводыпо разделу. PAGEREF_Toc127190287 h 89
6 Анализзадачи разработки программы… PAGEREF_Toc127190288 h 90
7 Охранатруда на производстве… PAGEREF _Toc127190289h 91
7.1 Обеспечениепожаро- и взрывобезопасности. PAGEREF_Toc127190290 h 93
7.2 Обеспечениепожарной безопасности информационного отдела PAGEREF_Toc127190291 h 102
8 Оценкасроков и стоимости выполнения НИР. PAGEREF_Toc127190292 h 107
8.1 Оценказатрат на разработку ПП… PAGEREF_Toc127190293 h 107
8.2 Этапыразработки программного продукта. PAGEREF_Toc127190294 h 108
8.3 Виды,формы и системы оплаты труда.PAGEREF_Toc127190295 h 109
8.4 Затратына оплату труда. PAGEREF_Toc127190296 h 111
8.5 Затратына оборудование и материалы… PAGEREF_Toc127190297 h 113
8.6 Затратына разработку. PAGEREF_Toc127190298 h 115
9 Вопросыразвития и реализации результатов исследования… PAGEREF_Toc127190299 h 117
Заключение… PAGEREF_Toc127190300 h 119
Приложение… PAGEREF_Toc127190301 h 121
Используемыепостоянные. PAGEREF_Toc127190302 h 121
Результатырасчетов. PAGEREF_Toc127190303 h 121
Программный кодбиблиотеки. PAGEREF _Toc127190304h 121
Список литературы… PAGEREF_Toc127190305 h 130
Основные сокращения
АН– аппаратура наблюдения;
АФС– антенно-фидерная система;
БКУ– бортовой комплекс управления;
БОС– бортовые обеспечивающие системы;
БРТК– бортовой радиотехнический комплекс;
БСА– бортовая специальная аппаратура;
ИК– измерительный комплекс;
ИСЗ– искусственней спутник Земли;
КА– космический аппарат;
КИП– командно-измерительный пункт;
КСC – космическая система связи;
НИК– наземный измерительный комплекс;
НИР– научно-исследовательскаяработа;
НКУ– наземный комплекс управления;
НРТК– наземный ракетно-технический комплекс;
НСК– наземный специальный комплекс;
ППИ– пункт приема информации;
РН– ракета-носитель;
РРК– радиоретрансляционный комплекс;
СК– стартовый комплекс;
СНвг– система навигации;
СНвд– система наведения;
СОС– система ориентации и стабилизации;
СОТР– система обеспечения теплового режима;
СОУД– система ориентации и управления движением;
СПД– стационарный плазменный двигатель;
ССПД– система связи и передачи данных;
СУБС– система управления бортовыми системами;
СУД– система управления движением;
СЭП– система электропитания;
ТК– технический комплекс;
ЦОИ– центр обработки информации;
ЦПУ– центральный пункт управления;
ЭРД– электроракетный двигатель.
Введение
Все больше людей на Земле хотели бы иметьуслуги персональной связи вне зависимости от того, где они находятся. Удалениеабонента за пределы устойчивой связи местных (сотовых) радиосетей, спутниковая связьиграет ключевую роль при предоставлении этих услуг, так как снимает ограниченияна подключение к конкретной точке наземной сети.
Одним из новых направлений развитияспутниковой связи с начала 90-х годов является создание систем связи на базенизкоорбитальных космических аппаратов. Как правило, к низкоорбитальнымсистемам спутниковой связи относятся такие, для которых высота орбиты находитсяв пределах 700¸1500 км, орбитальный комплекс – от несколькихединиц до десятков спутников ретрансляторов. Для охвата связью большейтерритории Земли используют несколько плоскостей орбит.
Повышенный интерес к использованиюнизкоорбитальных систем объясняется возможностью предоставления услугперсональной связи, включая радиотелефонный обмен и связь с подвижными объектами,с использованием сравнительно дешевых, малогабаритных земных терминалов. Приэтом сложность терминалов соответствует уровню станций наземных сотовых систем.В числе факторов, способствующих развитию низкоорбитальных спутниковых систем,нельзя не учитывать биологический. Так, для реализации требований биозащитычеловеческого организма от излучения СВЧ рекомендуемый уровень непрерывноизлучаемой мощности радиотелефона составляет 50 мВт. Эффективный прием сигналатакой мощности геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнениемпоследнего, а именно, создание крупноразмерных антенн и удержание узких лучейдиаграммы направленности в заданных регионах земной поверхности. Длянизкоорбитального спутника, дальность радиолинии до которого от земной станциив сотни раз меньше, чем до геостационарного, проблема создания многолучевыхнаправленных антенн является менее острой. Однако возникают сложностиуправления комплексом таких спутников и поддержания непрерывной связи.
В представленной работе рассматриваетсясистема спутниковой связи (ССС) типа “Иридиум”, предназначенная для обеспечениянепрерывной глобальной связи.
Дипломная работа состоит из введения, девятиразделов и заключения.
В первом разделе проводится системный анализнизкоорбитальной космической спутниковой системы связи с целью выявления деревацелей КСС и КА, формируются модели состава, структуры и внешней среды КСС, атакже модель состава и функций компонентов КА. В результате формируютсятребования к КСС и техническая задача, рассматриваемая далее.
Во втором разделе проводиться декомпозициятехнической задачи анализа устойчивости и управления поддержания орбитальнойструктуры системы спутниковой связи, с целью постановки решаемой задачи. Врезультате появляется задача анализа возмущений и выбора алгоритмов управления.
Далее решается задача анализа устойчивости иподдержания орбитальной структуры. Описывается математическая модель,вычисляются возмущения и выбираются параметры алгоритма управления.
В следующем разделе представлена структура орбитальнойгруппировки. Параметры номинальных орбит и характеристики КА.
В разделе «Анализ возмущений» показаныграфически эволюции параметров орбиты, влияние отдельных возмущений на эволюциюпараметров орбиты, коррекция орбиты для удержания высоты и сделаны выводы поразделу.
В «Анализе задачи разработки программы» данытребования, предъявляемые к программе. В данном случае они должны предъявлятьсяк правильности, надежности и к обеспечению выполнения дипломной работы.
В седьмом разделе представлена охрана трудана производстве. В частности обеспечение пожаро- и взрывобезопасности.
Проведена оценка сроков и стоимостивыполнения научно исследовательской работы. Проведены оценки затрат наразработку программы, рассчитаны затраты на оплату труда, разработку, затратына оборудование и материалы.
В завершающей девятой главе подведены итогии рассмотрены в процессе работы результаты.1 1.1 1.1.1
Цель большой системы (БС) определяется в надсистеме(социотехнической системе) как требуемый потребителем результатфункционирования системы или это желаемый результат взаимодействия системы сосредой.
Основное назначение БС, удовлетворяющей общим требованиям — организация цифровой персональной связи сотового типа («каждый–с–каждым») врегиональных масштабах, доступной любому стационарному или мобильномупотребителю, с возможностью выхода в наземные сети общего пользования ипредоставлением телекоммуникационных услуг. Представим модель целирассматриваемой КCС ввиде списка требований к КCС и КА:
1.Обусловленные характеристиками обслуживаемых объектов:
1.1 необходимость глобального охвата Земли в любое времясуток;
1.2 сила сигнала 16 Дб;
1.3 рабочий диапазон спутника: телефония и пейджинг 1616¸1626.5МГц, межспутниковая связь 23.18¸23.38 ГГц.
2. К операциям системы:
2.1 к орбитальной структуре:
2.1.1 диапазонвысоты орбиты 370¸1111км (высоты ниже 350 км требуют большого запаса топлива для маневра КА, высотывыше 1200 км подвержены влиянию радиации, что увеличивает массу КА.);
2.2 к целевой операции:
2.2.1 непрерывность связи втечение всего сеанса;
2.2.2 обеспечение идентичнойдальности прямой видимости между соседними КА;
2.2.3 обеспечение независимойсвязи с двумя шлюзовыми станциями;
2.2.4 время установления связи t£tзад;
2.2.5 надежность связи ипропускная способность в радиолинии «КА‑Шлюзовая станция» и «Шлюзоваястанция‑КА» Pош£1.1*10-6;
2.2.6стабилизация КА – 3-х осная с точностью ±0.5 град по осям и ±20 км по высоте;
2.2.7вывод спутников на орбиту с использованием группового запуска;
2.2.8использование ракет-носителей: Дельта2, м.п.н.=3500кг; Протон, м.п.н.=4900кг;Великий поход, м.п.н.=1400кг;
3Обусловленных особыми условиями и ограничениями:
3.1 минимизация затрат на создание ОГ, с учетом весаКА и высоты орбиты;
3.2 срок службы КCС Tф=5 лет.
Цель БС достигается путем реализации целей ее подсистем.Чтобы проследить взаимосвязь между целями подчиненных систем и,непосредственно, целью БС, построим граф, называемый деревом целей (рис.1.1).
Рис.1.1. Дерево целей для глобальной СС.1.1.2 1.1.2.1
Состав основных компонентов КСС дан на рис. 1.2. Рассмотримчленение КСС по техническому признаку и назначения (функции) ее компонентов.
Рис.1.2.Состав КСС.
Космическая система – это совокупность функциональновзаимосвязанных КА и наземных технических средств, предназначенных для решенияцелевых задач. Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить связь стерминалами, размещенными в полярных широтах, и практически не имеютальтернативы при организации связи в регионах со слабой инфраструктурой связи инизкой плотностью населения. Стоимость услуг подвижной связи низкоорбитальнымисистемами, оказывается в несколько раз дешевле аналогичных услуг,предоставляемых геостационарными системами, за счет использования недорогихабонентских станций и менее дорогого космического сегмента.
Система“ИРИДИУМ” предназначена для обеспечения глобальной персональной связи попринципу «каждый с каждым».
Космические аппараты (КА) – в составе КССпредставляют собой ее подсистему, которая состоит из функциональновзаимосвязанных КА, совместно выполняющих целевую задачу. Эту подсистемуназывают орбитальным комплексом(ОК) (или орбитальной группировкой (ОГ)).
Базовый ОК в системе ИРИДИУМ имеет 6 плоскостей с 11-юосновными и одним резервным КА в каждой. Для предотвращения столкновения междуКА на полюсах, между плоскостями ОК вводится угловой разнос, образующийминимальную дистанцию «промаха». Вид орбиты становится квазиполярной.
Выведение КА на орбиту для построения сети КА и еевосполнения осуществляется наземным ракетно-техническим комплексом (НРТК).В системе предусматривается несколько вариантов вывода КА на орбиту сиспользованием группового запуска. Предусматривается, что для завершенияпостроения каждой из плоскостей, а также для восполнения израсходованногорезерва КА, будут использоваться одиночные запуски КА.
Комплекс управления запуском включает ракету-носитель и всеоборудование, используемое при запуске КА, оборудование и средства управления ианализа необходимых операций. В конце полета на активном участке комплексуправления запуском выдает траекторные данные в центральный пункт управления, ккоторому переходит управление КА при групповом запуске. Операции, производимыеперед запуском и при запуске традиционны: центральный пункт управленияопределяет программу запуска, комплекс управления запуском осуществляет сборкуракеты‑носителя и его проверку, установку полезной нагрузки и проведениеиспытаний и предстартовых проверок. Телеметрическая информация КА на активномучастке по радиолинии ракеты-носителя принимается комплексом управлениязапуском и транслируется в центр управления, который корректирует расчетныетраекторные данные для формирования промежуточной орбиты. Последующееуправление КА осуществляет центральный пункт управления: разворачиваютсясолнечные панели КА, передаются команды кратковременного включения двигательнойустановки для перевода КА на основную орбиту, т.е. в «нужный» интервал междудругими КА данной плоскости.
Управление орбитальной группировкой осуществляется пунктомуправления ОК с обеспечением следующих функций:
·
·
·
·
Указанные функции управления реализуются на основе команднойи телеметрической информации каждого КА орбитальной группировки прииспользовании как штатных каналов связи, с учетом перекрестной спутниковойсвязи, так и с задействованием отдельных, территориально разнесенныхкомандно-телеметрических станций для управления в нештатных режимах работы КА. Орбитальныйкомплекс, наземный ракетно‑технический комплекс и наземный комплексуправления объединяются в космический комплекс.
Для приема, автоматизированной обработки и анализапоступающей от КА специальной информации (т.е. информации целевого назначениядля потребителей) служит наземный специальный комплекс, который включаетв себя: абонентские терминалы нескольких типов: шлюзовые станции: станциипередачи и приема телеметрической информации.
Абонентскийтерминал.
Продукция системы “Иридиум” включает носимые портативныетерминалы, мобильные терминалы, передвижные терминалы и пейджеры. Тактоваячастота пакетов информации с временным разделением каналов в радиолинии«Земля-КА» синхронизируется с тактовой частотой пакетов в радиолинии«КА-Земля». Персональный терминал компенсирует изменение дальности до КА, атакже компенсирует уход доплеровской частоты путем автоматической регулировкичастоты передачи в радиолинии «Земля — КА». Ожидаемый вес портативного носимогои мобильного терминала составляет 700г. и 2500г., соответственно. В мобильном ипередвижном терминалах предусмотрена возможность подключения дискретныхисточников информации (факс) на скорости 2400 бит/сек.
Шлюзоваястанция.
Шлюзовая станция состоит из 3-х спутниковых терминалов(приемо-передающих комплексов), быстродействующего процессора, в которомнаходится банк данных региональных персональных терминалов и коммутационногооборудования связи с местной телефонной сетью общего пользования.
Спутниковые терминалы функционируют следующим образом:
1-й спутниковый терминал вступает в связь с КАj;
2-ой спутниковый терминал вступает в связь с КАj+1;
1-й спутниковый терминал после ухода из зоны КАj вступает в связь с КАj+2;
2-ой спутниковый терминал после ухода из зоны КАj+1 вступает в связь с КАj+3 и т.д.
3-ий спутниковый терминал находится в резерве, принеобходимости, может заменить 1 (2) спутниковый терминал.
Быстродействующий процессор осуществляет идентификациюперсонального терминала, участвующего в связи, и формирует адресацию внаправлении персонального терминала или абонента.
Коммутационное оборудование выполняет следующие функции:
·
·
·
·
·
Станцияпередачи команд и приема телеметрической информации.
Отдельная станция передачи команд на КА ОК и приемателеметрической информации, задействуется при нештатных ситуациях, когдаиспользование для этих целей связных радиолиний невозможно.
Передача командной информации на КА и передача с КАтелеметрической информации осуществляется на низкой скорости, при использованиина КА ненаправленной антенны с квазикруговой диаграммой направленности.
Предусматривается следующий алгоритм передачи команд. Каждаяисходная команда шифруется для защиты от постороннего доступа и передается наКА; после дешифрования КА передает проверенные информационные символы, которыепринимаются наземной станцией, дешифруются, и передаются на КА; КА выполняеткоманду после подтверждения своих проверочных символов.
Параметры орбитального комплекса:
·
·
· °;
· °);
· 1.1.2.2
Система на основе ИСЗ (в частности КСС) может выполнять тритипа операций: построение сети КА, поддержание технико-баллистическойготовности орбитального комплекса (путем коррекции орбит и восстановленияотказавших КА), выполнение целевых задач. Построение сети КА состоит ввыведении КА на орбиты, близкие к расчетным, с последующей коррекцией орбит.Чтобы КСС, рассматриваемая в данной работе, оставалась пригодной к выполнениюсвоего назначения в течение заданного срока функционирования, необходимоуправлять орбитальной структурой сети КА путем коррекции орбит из условияподдержания зоны обслуживания каждого КА в заданных пределах; в случае жевыхода из строя КА, необходимо восполнение орбитальной структуры резервным КА.В этом заключается процесс поддержания технико-баллистической готовности. Нарис. 1.3 представлена в графическом виде операционная модель по поддержаниютехнико-баллистической готовности.
Что касается выполнения целевых задач, то для КСС целевойзадачей является обеспечение непрерывной глобальной связи. На рис. 1.4представлена операционная модель обеспечения связи.
Не центральность поля тяготения Земли
Атмосфера Земли
Влияние солнечного давления
Температура
Осадки
Скорость и направление ветра
Турбулентность
РН, СК
Время подготовки
Нет отказавших КА
Есть отказавшие КА
Коррекция проведена
Ширина полосы обслуживания выходит за допустимые пределы
Орбитальные параметры не соответствуют расчетным
КА на орбите с погрешностями выведения
РН на начальном участке полета
Комплекс готов к пуску