Путешествие в космос - Баллистика и навигация космических аппаратов - 11.9. Анализ стратегий коррекции движения АМС «Вега»

Баллистика и навигация космических аппаратов

11.9. Анализ стратегий коррекции движения АМС «Вега»

Хотя с момента реализации полета АМС «Вега» к комете Галлея прошло уже достаточно много времени, уникальность и сложность этого, без преувеличения, выдающегося научного эксперимента, по крайней мере, с точки зрения баллистического обеспечения, таковы, что заслуживают детального анализа в учебной литературе в качестве примера практической реализации рассмотренных выше теоретических положений.

В третьей главе мы уже делали ссылку на этот полет с точки зрения эффективности использования гравитационного маневра для решения задачи последовательного облета одним аппаратом двух космических тел. Там же описана принятая в процессе реализации экспедиции схема полета.

Здесь основное внимание сосредоточим на анализе выбора стратегий коррекции и реализации выбранного варианта [38].

Сложность решения обсуждаемой задачи обусловливалась прежде всего невозможностью достаточно надежной оценки точности параметров орбиты кометы Галлея и прогнозирования условий встречи с ней АМС «Вега».

Период обращения кометы Галлея вокруг Солнца составляет (см. § 1.10) около 76 лет, поэтому оптических наблюдений за ее движением не проводили с 1909—1911 гг., когда она последний раз приближалась к Земле. Следовательно, при проектировании АМС «Вега» и выборе стратегии коррекции их движения необходимо было учитывать, что новые наблюдения кометы могут быть проведены только в 1985—1986 гг., уже после запуска станций. Естественно было предположить, что из-за действия на комету малых негравитационных ускорений, появляющихся при ее прохождении вблизи Солнца, новые наблюдения могут оказаться недостаточно согласованными с наблюдениями 1909—1911 гг. Поэтому при синтезе стратегии наведения АМС «Вега» рассматривали два варианта оценки точности определения параметров движения кометы Галлея: только по наблюдениям 1985—1980 гг.; и привлечением результатов наблюаений при предшествующих прохождениях кометы вблизи Земли. Предполагали, что новые измерения по условиям наблюдения кометы с Земли можно проводить в период с января по апрель 1985 г. и с августа 1985 по январь 1986 г. Ошибка измеревий прямого восхождения а_в и склонения 6_С кометы ростоит из собственно ошибки наблюдения небесного объекта и дополнительной составляющей, связанной с неопределенностью положении ядра коиеты в ее голове, угловые размеры которой увеличиваются при приближении кометы к Земле, а линейные размеры — при ее приближении к Солнцу. Предельное значение этой составляющей в момент проведения измерений оценивали следующим соотношением:

► для первого варианта — на момент пролета станциями Венеры (май 1985 г.) 600 тыс. км по радиусу-вектору, 10 тыс. км по бинормали и 1300 тыс. км по нормали, а на момент их встречи (март 1986 г.) соответственно 7 тыс. км, 1 тыс. км, 12 тыс. км;

► для второго варианта соответственно 25 тыс. км, 1 тыс. км, 3S тыс. км и 3 тыс. км; 0,5 тыс. км, 6 тыс. км.

Таким образом, при априорной оценке характеристик коррекции на этапе проектирования АМС необходимо было ориентироваться на первый вариант ошибок прогнозирования кометы, а затем непосредственно в полете осуществлять оперативный синтез оптимальной стратегии коррекции в соответствии с конкретной ситуацией.

При выборе стратегии коррекции траектории движения АМС «Бега» на участке полета «Венера — комета» учитывали ошибки радиотехнических навигационных измерений существующих систем, а начальные ошибки реализации межпланетной траектории перелета к комете определялись точностью наведения на участке подлета к Венере и не превышали 500 км по координатам и 1 м/с по скоростям в момент выхода АМС из сферы действия Венеры. В качестве корректируемых параметров были приняты координаты вектора относительного положения АМС и кометы в орбитальной системе на расчетный момент их встречи. Анализ эффективности независимой трехпараметрической коррекции показал: 1)в районе 75...90сут полета имеется область вырождения матрицы F_k(t_i) и, как следствие, резкое увеличение энергетических затрат на коррекцию начальных отклонений корректируемых параметров, связанных с ошибками прогнозирования кометы и наведения станций «Вега» при пролете их вблизи Венеры (рис. 11.5); 2)существуют два локальных экстремума энергетического критерия качества наведения в интервале 20...50 сут и 110...160 сут, для которых предельные характеристические скорости коррекции начальных отклонений корректируемых параметров практически одинаковы (рис. 11.6); 3) на участке подлета к комете (после 240 сут) эффективность коррекции существенно уменьшается (см. рис. 11.5).

ассматривали различные варианты проведения трех- и четырехра-зовых коррекций, причем во всех случаях время последней коррекции принимали одинаковым, равным 260-м сут, и выбирали из удобства организации управления полетом АМС при пролете возле кометы Галлея.

При трехразовой коррекции первую коррекцию могли проводить в области первого или второго локального экстремума. Выбор рациональной схемы зависел от возможных ошибок прогнозирования орбиты кометы. При больших ошибках прогнозирования (измерения 1985- 1986 гг.) коррекция d области первого локального экстремума могла исправить только ошибки наведения АМС, связанные с пролетом вблизи Венеры. Поэтому был сделан вывод о том, что трехразовую коррекцию целесообразно проводить таким образом, чтобы первая коррекция выполнялась в области второго локального экстремума. Ощутимый энергетический выигрыш в этом случае давала четырехразовая схема коррекции, которая существенно уменьшала величину характеристической скорости последней коррекции, а также результирующие ошибки наведения. Для второго, более оптимистичного варианта оценок точности прогнозирования параметров движения кометы, четырехразовая схема коррекции не обладала преимуществом перед трехразовой, и ее использование для наведения АМС было признано нецелесообразным. Трехразовые схемы коррекции с временами проведения первой коррекции в первой и второй областях локального экстремума по энергетике наведения практически эквивалентны. Однако последняя стратегия, как и в рассмотренном выше случае, имела недостаток, связанный с увеличением ошибок прогнозирования движения АМС из-за сокращения навигационных интервалов, особенно между первой и второй коррекциями. Поэтому этот вариант рассматривали как резервный для случая нештатного проведения первой коррекции в более ранние сроки. Результаты оптимизации стратегии коррекции приведены в табл. 11.1. Таким образом, для наведения АМС «Вега» на комету после пролета Венеры целесообразно было использовать четырехразовую схему коррекции, если оценка ошибок прогнозирования соответствовала первому варианту, и трехразовую схему, если ошибки соответствовали второму варианту. Суммарная характеристическая скорость составляла 160 м/с, а точность наведения в первом случае — 10 тыс. км (8 тыс. км по радиусу-вектору и 5 тыс. км по бинормали в точке встречи), а во втором — 3,5 тыс. км (3,1 тыс. км и 1,8 тыс. км соответственно). В суммарную характеристическую скорость здесь не включена характеристическая скорость маневра, проводимого после пролета Венеры и предназначенного для формирования номинальной траектории полета в комете, который может быть совмещен с первой коррекцией.

для случая нештатного проведения первой коррекции в более ранние сроки. Результаты оптимизации стратегии коррекции приведены в табл. 11.1. Таким образом, для наведения АМС «Вега» на комету после пролета Венеры целесообразно было использовать четырехразовую схему коррекции, если оценка ошибок прогнозирования соответствовала первому варианту, и трехразовую схему, если ошибки соответствовали второму варианту. Суммарная характеристическая скорость составляла 160 м/с, а точность наведения в первом случае — 10 тыс. км (8 тыс. км по радиусу-вектору и 5 тыс. км по бинормали в точке встречи), а во втором — 3,5 тыс. км (3,1 тыс. км и 1,8 тыс. км соответственно). В суммарную характеристическую скорость здесь не включена характеристическая скорость маневра, проводимого после пролета Венеры и предназначенного для формирования номинальной траектории полета в комете, который может быть совмещен с первой коррекцией.

При реализации полета проведенные к моменту пролета Венеры станциями «Вега» наземные оптические наблюдения за движением кометы Галлея показали хорошую их согласованность с уже имеющимися измерениями, в на участке «Венера — комета» была выбрана трехразовая схема наведения. Управляющие воздействия, совмещающие по своему функциональному назначению коррекцию и маневр, были проведены 25 июня 1985 г. на АМС «Вега-1» и 29 июня на АМС «Ве-га-2». Величина характеристической скорости управляющего воздействия на «Веге-1» составляла 158,5 м/с, в том числе на исправление ошибок пролета Венеры необходимо было затратить V_хар = 14 м/ с. На «Веге-2» из общей величины характеристической скорости 297,6 м/с на исправление ошибок пролета Венеры расходовалось V_хар = 6 м/с.

Наблюдения за кометой Галлея возобновили в августе 1985 г., когда она находилась на расстоянии около 600 мли км от Земли. К новому прохождению кометы был проявлен большой научный интерес во всем мире. Для исследования ее на близких расстояниях были запущены 5 АМС: кроме двух советских, две японские и одна по проекту «Джотто» (Европейского космического агентства — ЕСА).

Задачи управления полетом АМС требовали повышения точности расчета эфемерид кометы на несколько порядков по сравнению с результатами, полученными при ее появлении в 1909 г. Для достижения этих целей была разработана и реализована специальная международная программа наблюдения кометы Галлея (IHW), в которой участвовало большое число обсерваторий, расположенных на различных континентах. Результаты измерений оперативно передавались всем заинтересованным странам. Был составлен также общий банк наблюдений кометы, который включал 10 тыс. оптических измерений, охватывающих интервал в 230 лет, т. е. при предшествующих ее прохождениях. Все это дало возможность осуществления оперативного уточнения эфемерид кометы Галлея для наведения АМС «Вега». Анализ информации, полученной к началу декабря 1985 г., показал, что ошибки в параметрах движения кометы, использованных ранее для расчета маневров на АМС «Вега-1» и «Вега-2» в июне 1985 г., существенно меньше, чем ожидалось. Достаточно сказать, что новая оценка этих параметров приводила к соответствующему изменению координат в моменты встречи АМС с кометой не более чем на 100 тыс. км, т. е. оказывала в основном влияние ва время встречи (отклонения по радиусу-вектору и бинормали не превышали 1000 км). С другой стороны, телеметрическая информация, переданная с АМС в сеансах выполнения маневров, а также последующие навигационные измерения траекторий их движения позволили установить, что расчетные маневры выполнены с высокой точностью.

Таким образом, в середине декабря, когда согласно принятой оптимальной стратегии предполагалось проведение очередных коррекций траекторий движения станций, выяснилось, что отклонения корректируемых параметров от заданвых значений сравнительно невелики: величины характеристических скоростей коррекций, необходимые для исправления этих отклонений, ве превышали 3 м/с. Выло принято решение не проводить коррекцию траектории в декабре 1985 г. При этом учитывали, что запасы топлива на борту станций позволяли скорректировать существующие ошибки наведения в феврале 1986 г. при проведении заключительных коррекций, несмотря на возможное увеличение соответствующих энергетических затрат почти на порядок. Приняли во внимание также то обстоятельство, что отмена очередной коррекции будет одновременно способствовать повышению точности решения задачи навигации АМС.

Выполнение последних коррекций, определяющих точность наведения станций «Вега» ва комету Галлея, было намечено на середину февраля 1986 г., примерно за 20 сут до встречи с ней. При подготовке к их проведению, как и при управлении полетом любых других АМС, окончательно выбирали условия пролета относительно кометы, которые должны были учесть фактическую точность оценки параметров движения АМС, а также дополнительную информацию о самой комете Галлея. Анализ ограничений, связанных с работой бортовых систем, проводили с помощью построения изолиний для соответствующих характеристик в картинной плоскости, связанной с центром ядра кометы. При этом в качестве корректируемых параметров удобно было использовать координаты

точки пересечения траектории АМС с картинной плоскостью и время t_pm пролета на наименьшем расстоянии от нее. Какие новые условия необходимо было учесть при оценке их влияния на выбор номинальных значений корректируемых параметров

для последних коррекций?

Во-первых, отмена коррекций траекторий в декабре 1985 г., как отмечено выше, позволила повысить точность прогнозирования параметров движения АМС по данным радиотехнических измерений, принятых для расчета коррекций. Во-вторых, оценка фактической точности определения орбиты кометы Галлея, как показала обработка оптических измерений, оказалась вдвое выше априорной. Напомним, что согласно априорным оценкам предельные ошибки прогнозирования местоположения кометы на расчетный момент ее встречи с АМС не должны были превышать 3 тыс. км по координатам в картинной плоскости и 6 тыс. км по нормали к ней (соответствующее отклонение t_pm = 80 с). В-третьих, несколько изменилось представление о пылевой модели комет на основе данных, полученных американской станцией ICE. Эта станция, которая ранее находилась на орбите вблизи точки либрации L — 1 системы Земля—Луна, в 1984 г. была переведена с помощью серии маневров на орбиту перелета к комете Джакобини—Цивнера. Перед ней ставили задачу совершить пролет через голову и хвост кометы на расстоянии около 10 тыс. км. В результате управления движением станция прошла на расстоянии 7860 км позади ядра кометы (через кому и хвост) с относительной скоростью 21 км/с. На основе полученной научной информации была уточнена пылевая модель комет, и минимально допустимое расстояние от ядра кометы для АМС «Вега» было уменьшено с 10 до 6 тыс. км.

Таким образом, анализ реальных условий полета и основных научных задач, решаемых при встрече с кометой, позволил осуществить окончательный выбор номинальных значений корректируемых параметров и области их допустимых значений для АМС «Вега-1». Расчетные значения координат точки встречи в картинной плоскости, принятые для последней коррекции, составили

, а время встречи — 6 марта 1986 г. 10 ч 19 мин 50 с московского времени, причем предельные ошибки наведения (с учетом ошибок исполнения) не должны были превышать 2 тыс. км в картинной плоскости и 50 с по времени. Что касается АМС «Вега-2», то оказалось, что фактическая траектория ее полета с учетом полученных к середине февраля уточненных значений параметров орбиты кометы позволила реализовать все условия, необходимые для работы комплекса научных приборов, без проведения последней коррекции. Вероятность такого события исключительно мала, однако в реальном полете могут реализоваться и такие «невероятные» события. Согласно полученной по навигационным измерениям оценке условий встречи с кометой Галлея, АМС «Вега-2» должна была пролететь на расстоянии 7,6 тыс. км от ядра (

), причем возможные ошибки такой оценки не превышали 1,5 тыс. км.

10 февраля была проведена коррекция траектории движения станции «Вега-1». Величина характеристической скорости коррекции составляла 19,5 м/с. Следует отметить, что установленный на АМС «Вега» комплекс научных приборов позволял определять фактические значения углов, характеризующих направление с нее на центр ядра кометы. С помощью специальных программно-аппаратных средств на АМС осуществляла высокоточное измерение в базовой системе ее координат, реализуемой с помощью ИНС, и слежение за ядром кометы телевизионной системой в течение всего сеанса ее исследования при пролете на близких расстояниях. Эти данные оказалось возможным использовать в качестве автономных астронавигационных измерений для уточнения условий пролета АМС относительно кометы.

При соответствующей статистической обработке этой информации, когда одновременно определяют яе только траекторию движения АМС относительно кометы, но и некоторые систематические ошибки самого измерителя, эффективность автономных измерений оказалась исключительно высокой. Они позволили с ошибкой, не превышающей 100 км, оценить точность реализации заданных значений корректируемых параметров и ошибки прогнозирования эфемерид кометы Галлея, полученных по данным наземных измерений. Анализ результатов автономных измерений показал, что фактические условия пролета автоматических межпланетных станций «Вега» относительно кометы характеризуют следующими параметрами:

Таким образом, результирующие ошибки наведения составили около 400 км в картинной плоскости и 15 с во времени встречи. Основным их источником являются ошибки задания параметров орбиты кометы, принятые ори расчете последней коррекции. Эти данные вполне согласуются с приведенной выше оценкой возможной точности наведения и составляют 25% от предельных значений возможных ошибок наведения, соответствующих уровню вероятностир - 0,997.

На движение кометы Галлея и прогнозирование условий встречи с АМС существенное влияние оказывают негравитационные силы реактивного характера, увеличивающиеся при приближении кометы к Солнцу за счет улетучивающихся из ядра под действием солнечных лучей молекул газов и частиц пыли (хвоста кометы). Значительная неопределенность в оценке величины этих сил и является основным источником ошибок моделирования движения кометы. Необходимо подчеркнуть, что сложная модель движения кометы, большой эксцентриситет орбиты и значительный объем измерительной информации, ограниченное время решения задачи уточнения параметров движения кометы в случае использования при наведении АМС ставят ее в ряд наиболее сложных задач практической астрономии.

Обработка астроиэмсрсний, полученных после прохождения кометой перигея орбиты 9 февраля 1986 г. (наблюдения кометы с 15 января были прерваны из-за неблагоприятных условий, связанных с заходом ее за Солнце относительно Земли и возобновлены 20 февраля), показала, что математические ожидания ее координат на расчетные моменты встречи с автоматическими межпланетными станциями «Вега» за короткий интервал времени изменились более чем на 500 км. Это изменение было тем более существенно, что в предшествующие два месяца оценку параметров орбиты считали достаточно стабильной.

Прогнозируемые значения корректируемых параметров, реализованных в результате наведения АМС, только по данным наземных астроиз-мерений, выполненных к моменту подлета к комете станций, составляли:

Сравнивая их с приведенными выше более точными дянныии, полученными по автономным астроизмерениям, нетрудно видеть, что различие составляет до 1000 км вдоль орбиты кометы и до 200 км в плоскости, ортогональной относительной скорости встречи кометы и АМС.

АМС «Вега-1» прилетела к комете Галлея ранее всех других станций, а европейская станция «Джотто» — позднее других и прошла на более близком расстоянии от ядра. Программа «Джотто» предусматривала встречу с кометой 14 марта на минимальной расстоянии около 500 км от ядра со стороны, освещенной Солнцем. Обеспечение такой высокой точности наведения только по данным наземных наблюдений за движением кометы Галлея практически невозможно. В связи с этим предполагали, что проведение последней коррекции траектории движения АМС «Джотто» должно осуществляться с использованием результатов автономных астроизмерений, выполненных советскими станциями «Вега-1» и «Вега-2». В этом состояла основная цель международного проекта «Лоцман», в котором АМС «Вега» отводили роль первопроходцев. Проект предусматривал проведение большого объема работ по согласованию методических принципов решения задач навигации и наведения для советских и европейских станций, а также по уточнению орбиты кометы Галлея по данным совместной обработки наземных и автономных наблюдений, разработки и тестирования специального программного обеспечения, отработки взаимодействия, обмена информацией и согласования результатов. Особые трудности были связаны с крайне ограниченным временем, которым располагали участники проекта для предварительной обработки и анализа автономных измерений, их передачи в ЕСА, расчета уточненных эфемерид кометы и принятия решений, так как последняя коррекция траектории движения «Джотто» была намечена на 11 марта 1986 г., т. е. через двое суток после пролета кометы АМС «Вега-2». Для эффективного использования задачи навигации на заключительном участке полета станций «Вега» (автономные измерения по своему характеру являются относительными, так как связаны с положением наблюдателя в пространстве, т.е. с траекториями движения АМС). Для повышения точности определения параметров движения станций «Вега» на сравнительно небольших навигационных интервалах (от последней коррекции до встречи с кометой) предполагали в рамках проекта «Лоцман» использовать дополнительно дифференциальные радиоинтерферометрические измерения (см. гл. 12). Их осуществляли американскими наземными станциями слежения за объектами дальнего космоса DSN, расположенными близ Мадрида, Канберры и в Голдстоуне. Большие расстояния между этими пунктами позволяли с высокой точностью определять соответствующие угловые координаты АМС. Обработка угломерных и дальномерных навигационных измерений, выполненных советскими наземными станциями слежения, позволила уменьшить ошибки навигации АМС «Вега» до 40 км (среднеквадратичная ошибка оценки координат). Специально для проекта «Лоцман» была разработана и реализована методика высокоточного определения траектории движения кометы Галлея по данным совместной обработки наземных и автономных астроизмерений. Она предусматривала одновременное согласование движевия кометы и двух АМС. В результате решения этой задачи была получена новая эфемерида кометы Галлея, которая характеризовалась среднеквадратичными значениями возможных ошибок их расчета не более 80 км. При проведении последней коррекции траектории движения «Джотто» прицеливание осуществляли таким образом, чтобы номинальное значение минимального расстояния от ядра составляло 560 км. Полученные с борта станции данные показали, что фактическое значение минимального расстояния от ядра составляло около 610 км. Таким образом, реализация проекта «Лоцман» обеспечила высокую точность наведения АМС «Джотто» и позволила при близком пролете кометы Галлея провести исследования, которые дополняли результаты, полученные советскими АМС «Вега».

<<<Назад Страница 106 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz