Geum.ru

Программа по курсу: «Радиотехнические методы и средства управления космическими аппаратами» По направлению  010600: 

Вид материалаПрограмма

Содержание


Всего часов
Заведующий кафедрой
РАЗВЕРНУТАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИЙ (66 часов)
Подобный материал:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский физико-технический институт (государственный университет)»


УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

_______________Е.В.Глухова

«____» ____________2008 г.


ПРОГРАММА


По курсу: «Радиотехнические методы и средства управления космическими аппаратами»

По направлению  010600:  «Прикладные математика и физика»

Магистерская программа 010625: «Космические информационные системы. Связь, навигация и дистанционное зондирование»

Факультет: ФРТК

Кафедра: «Радиотехнические космические системы»

Курс: 4

Семестр: 7,8

Лекции: 66 часов

Практические – нет

Лабораторные занятия – нет

Экзамен – нет

Зачет с оценкой – 8 семестр


ВСЕГО ЧАСОВ: 66


Программа утверждена на заседании кафедры

«Радиотехнические космические системы»

24 июня 2008 г.


Разработал программу

Кандидат технических наук, доцент В.А.Архангельский


Заведующий кафедрой

Доктор технических наук, профессор ________________А.А.Романов


Председатель

Ученого совета ФРТК

Доктор технических наук ________________С.Н.Гаричев

СОДЕРЖАНИЕ


АННОТАЦИЯ


Курс «Радиотехнические методы и средства управления космическими аппаратами (КА)», рассчитан на слушателей, имеющих базовую университетскую (политехническую) подготовку по общей физике, высшей математике, радиотехнике, теории информации, цифровым методам обработки сигналов.

Основное внимание в курсе уделяется методам и средствам управления КА. При этом рассмотрении отражаются две стороны радиоуправления КА:

- с одной стороны это частный случай общей задачи дистанционного управления сложной технической системой – КА,

- с другой стороны особенности КА, их конструкция, состав входящих в них систем, условия эксплуатации, законы движения – предъявляют к методам и средствам радиоуправления столь существенные требования и приводят к столь существенным особенностям их, что выделяет их в отдельный класс радиотехнических систем. Выявлению общности и особенностей радиоуправления КА уделяется в курсе достаточно много внимания.

Изложению материала по управлению КА предшествует краткое изложение общих принципов и методов управления, основных понятий теории автоматического управления и кибернетики. Применительно к управлению КА конкретизируются объекты, цели, общие задачи и методы управления. Рассматриваются два взаимосвязанных контура управления КА: управление движением КА и управление системами КА. Выделяются особенности реализации этих контуров для КА различных классов. На этой основе даются принципы построения и основные методы расчета систем и средств радиоуправления КА: радиосистем измерения текущих навигационных параметров КА, радиотелеметрических систем, систем передачи команд и программ управления КА.


РАЗВЕРНУТАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИЙ (66 часов)


Тема 1. Задача радиоуправления КА как частный случай общей задачи дистанционного управления сложным техническим объектом. Пример системы управления КА – управление международной космической станцией (МКС). Особенности управления КА различного целевого назначения.


Тема 2. Основные понятия, определения, принципы и методы теории автоматические управления (технической кибернетики). Управление с участием человека-оператора или группы лиц. Общие идеи кибернетики. Задачи и цели управления. Объекты управления. Источники информации («датчики») о положении и состоянии объекта управления и внешней по отношению к нему среды (обстановки). Органы управления. Регуляторы. Закон (алгоритм) управления. Принцип обратной связи. Замкнутый контур управления.


Тема 3. Математические методы описания и функционирования управляемых систем. Непрерывные системы. Дискретные системы. Непрерывные системы с дискретным (цифровым) управлением. Системы с дистанционным управлением. Уравнения состояния систем, методы решения уравнений.


Тема 4. Устойчивость и управляемость систем. Критерии устойчивости. Наблюдаемость параметров состояния систем. Управляемость системой. Качество управления. Критерии качества.

Тема 5. Оптимальное управление. Критерии оптимальности. Оптимальные по быстродействию системы. Оптимизация при ограничениях на переменные или/и ресурсы системы. Использование принципа максимума Понтрягина и динамического программирования. Оптимальные системы управления по критерию минимума ошибки. Модели воздействий на системы. Случайные воздействия. Математические методы вычисления минимальных ошибок исполнения задач управляемой системой. Методы синтеза оптимальных систем.


Тема 6. Устройство КА как объекта управления. Особенности конструкций КА. Целевые системы. Служебные системы. Принципы регулирования в различных системах КА. Контур управления состоянием и системами КА. Телеметрическая (ТМ) система. Методы и средства обработки и анализа ТМ информации. Методы и средства анализа состояния систем КА и КА в целом. Принятие решений по измерению состояния КА и его систем. Разработка программы управления КА. Разработка команд и программ передаваемых на КА. Командно-программные радиолинии. Контур управления положением и движением КА. Входящие в этот контур радиосистемы измерения текущих навигационных параметров (ИТНП) орбит КА, баллистический центр, командно-программные радиолинии. Многофункциональные радиолинии управления КА. Командно-измерительные системы (КИС). Бортовые и наземные средства КИС.


Тема 7. Траектории полета (орбиты) КА. Параметры орбит. Орбиты ИСЗ. Орбиты дальних (лунных, межпланетных, околопланетных и межзвездных) КА. Зоны видимости КА с наземных пунктов (НП). Геометрические размеры зон видимости КА на поверхности Земли. Время нахождения КА в зоне видимости НП. Сеансы связи. Дальности и скорости КА относительно НП. Доплеровское смещение частоты принимаемого сигнала. Углы места и азимуты КА с НП. Динамика изменения дальности, скорости, азимута и угла места КА относительно НП для различных КА. Низкоорбитальные ИСЗ. Управление низкоорбитальными ИСЗ через промежуточные спутники-ретрансляторы. Среднеорбитальные ИСЗ. Геостационарные ИСЗ. Дальние КА. Изменения (эволюции) орбит. Торможение ИСЗ в атмосфере Земли. Прецессия орбит ИСЗ за счет сжатия Земли. Влияние притяжения Луны и Солнца на орбиты ИСЗ. Выбор параметров орбит для КА различного назначения. Орбиты связных ИСЗ. Высокоэллиптические и геостационарные орбиты. Орбиты глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, Галилео). Орбиты ИСЗ для ДЗЗ.


Тема 8. Энергетика радиолиний КА. Энергетический потенциал радиолинии. Зависимость требуемого энергетического потенциала от скорости передачи информации, методов модуляции и кодирования, методов и средств обработки сигналов в радиосистемах. Особенности расчета требуемого энергетического потенциала в радиосистемах ИТНП. Зависимость энергетического потенциала от особенностей и режима полета (ориентации) КА. Зависимость энергопотенциала от диапазона частот радиолиний. Факторы, влияющие на выбор рабочей частоты радиолиний различного назначения. Типичные значения параметров антенн, передатчиков и приемников при радиоуправлении КА различного назначения.


Тема 9. Радиотелеметрические системы (РТС). Методы уплотнения и разделения каналов в РТС. Выбор частоты квантования по времени. Каскадное уплотнение каналов. Разделение каналов в наземной системе. Средства обработки и отображения ТМ информации. Кодирование в радиолиниях передачи ТМ-информации. Блочные и непрерывные (сверточные) коды. Выигрыш в энергетическом потенциале при использовании кодирования. Зависимость выигрыша от требуемой вероятности правильного приема информации.


Тема 10. Командно-программные радиосистемы. Особенности командно-программной информации.(КПИ) управления КА. Разовые команды. Программы. Методы формирования КПИ. Требования по надежности и помехоустойчивости передачи КПИ. Передача КПИ с квитированием. Кодирование при передаче КПИ. Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) и коды Рида-Соломона.


Тема 11. Радиосистемы измерения текущих навигационных параметров (ИТНП) орбит КА. Задачи систем ИТНП. Определение орбит КА по результатам ИТНП. Методы и алгоритмы определения орбит. Алгоритм метода наименьших квадратов. Связь точности определения орбит КА с точностью измерения ТНП.

Тема 12. Радиосистемы измерения дальности и/или радиальной скорости КА. Беззапросные и запросные системы. Модулирующие сигналы, используемые для измерения дальности до КА. Функциональные схемы бортовой и наземной аппаратуры для измерения дальности и радиальной скорости КА. Цифровые методы, средства и алгоритмы обработки сигналов в системах измерения дальности и радиальной скорости КА.

Тема 13. Радиосистемы измерения направления на КА. Способы измерения азимута и угла места КА. Фазовые радиопеленгаторы. Радиоинтерферометры со сверхдлинными базами (РСДБ). Измерение угловой скорости движения КА, Определение положения и орбит КА с помощью глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS). «Классический» метод. Орбитальный метод. Особенности определения орбит геостационарных ИСЗ с помощью глобальных навигационных систем.


Тема 14. Методы расчета точности измерений ТНП. Классификация ошибок измерений. Шумовые ошибки. Методы расчета. Типичные величины для современных радиосистем ИТНП. Ошибки ИТНП за счет неопределенности и неизвестности параметров среды распространения радиоволн. Тропосферные ошибки. Ионосферные ошибки. Методы борьбы с ионосферными ошибками. Ошибки из-за межпланетной среды и атмосфер планет.


Тема 15. Командно-измерительная система для управления связными и навигационными ИСЗ. История создания и развития. Функциональные схемы бортовой и наземной аппаратуры. Основные параметры и характеристики (Спецификация). Размещение наземных пунктов. Наземные комплексы управления (НКУ).


Тема 16. Единая командно-измерительная и телеметрическая система (ЕКТС) для управления пилотируемыми ИСЗ. Функции. История создания и развития. Функциональные схемы бортовой и наземной аппаратуры. Спецификация ЕКТС. НКУ для пилотируемых ИСЗ и МКС.


Тема 17. Радиотехнические системы управления дальними КА. Особенности траекторий полета ДКА. Функции радиосистем. Особенности ИТНП ДКА. Энергетика радиолиний ДКА–НП и НП–ДКА. Наземные средства радиоуправления ДКА. Антенны наземных пунктов. Функциональная схема бортового радиокомплекса ДКА. Управление и передача информации со спускаемых и находящихся на планетах аппаратов через промежуточные ретрансляторы – искусственные спутники планет. Использование аппаратуры управления ДКА для проведения научных исследований.


Тема 18. Спутники-ретрансляторы для управления низко-орбитальными ИСЗ. Энергетика радиолиний с ретрансляторами. Прямая ретрансляция сигналов («линейные» ретрансляторы) и ретрансляторы с обработкой сигналов. Спутники-ретрансляторы систем TDRSS, DRS и DTRS. Спутники-ретрансляторы семейства «Луч». Радиолинии СР индивидуального и много станционного доступа.


ЛИТЕРАТУРА


1. Д.Сю, Н.Мейер. Современная теория автоматического управления и ее применения.

2. Радиосистемы управления. / Под ред. В.А Вейцеля – М.: Дрофа, 2005.

3. Молотов Е. П. Наземные радиотехнические системы управления космическими аппаратами. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.

4. Урличич Ю. М., Ежов С. А.,   Жодзишский А. И.,    Круглов А. В., Махненко Ю. Ю. Современные технологии навигации геостационарных спутников. – М.: Физматлит, 2007.

5. Радиотехнические комплексы для управления дальними космическими аппаратами и для научных исследований. / Под ред. Молотова Е. П. –М.: Физматлит, 2007.

6. Победоносцев В.А. Очерки истории развития отечественной ракетной радиотелеметрии (1946 – 2005 г.г.). – Троицк.: Троланд, 2005.

7. Радиотехнические системы межпланетных космических аппаратов. / Под ред. Винницкого А. С. – М.: Радио и связь, 1993.

8. Тепляков И. М., Рощин Б.В, Фомин А.И., Вейцель В.А. Радиосистемы передачи информации. – М.: Радио и связь, 1982.

9. Калашников И.Д., Степанов В.С., Чуркин А.В., Адаптивные системы сбора и передачи информации. - М.: Энергия, 1976.