Моделирование в запуске спутников

Космические аппараты — это очень сложные автономные инженерные устройства. Фактически это специальные роботы на орбите, которые должны с высокой надежностью много лет работать без вмешательства человека.

Спутник движется со скоростью семь километров в секунду, необходимо разогнать его до этой скорости, и 99 % массы ракеты — это масса топлива, которое будет сожжено, чтобы доставить его на орбиту. 15 минут, за которые космический аппарат выходит на орбиту, — самые сложные, и именно они определяют последующие пять лет его жизни.

Кроме того, в космосе при движении спутника по орбите периодическая, до 16 раз в сутки, смена света и тени приводит к большим перепадам температур конструкции, что требует выбора специальных материалов и покрытий. Необходимо решить вопросы, связанные с ориентацией и навигацией аппарата: как он определяет, где он находится и что на поверхности Земли нужно снимать.

Как у любого робота, у нашего робота-спутника тоже есть датчики, есть исполнительные органы, которые отвечают за его движение относительно центра масс. У крупных спутников есть газовые двигатели, которые меняют положение центра масс и тем самым меняют орбиту, но даже самому маленькому спутнику нужны специальные системы для разворота и определения ориентации, чтобы он мог снять нужную точку на Земле.

Для ориентации в пространстве аппарат использует все факторы космического пространства, которые только можно себе придумать: Солнце, звезды, а также магнитное и гравитационное поля Земли, сигналы с навигационных спутников. По Солнцу работает специальный солнечный датчик, по магнитному полю работает магнитный датчик, по звездам работает звездный датчик — камера, которая снимает звездное небо и, распознавая созвездия, понимает, куда в текущий момент направлена. Аппарат, используя сырые показания всех этих приборов, обрабатывает их и определяет, как он развернут относительно звезд, а дальше, зная свое местоположение на орбите, имеет достаточно информации, чтобы выполнять задание на съемку.

Вычислительные процессы космического аппарата проходят очень быстро. В аппаратах «Спутникса» время такта — примерно 100 миллисекунд. Каждые 100 миллисекунд аппарат пересчитывает свое положение и ориентацию. Он должен двигаться очень точно, поэтому на космических скоростях играют роль погрешности съема показаний с датчиков ориентации, неточности управления маховиками, погрешности бортовых часов и навигационных измерений. Данные нужно обрабатывать, фильтровать, и делать это надо достаточно быстро.

Цена ошибки высока, инженер, в отличие от математика, должен учитывать все погрешности, оценивая, как они влияют на качество съемки. Большие погрешности в управлении ориентацией могут привести к тому, что спутник дистанционного зондирования Земли наведет камеру на точку, но снимет не то, что нужно, и команда потеряет критически важный снимок. Следующая попытка будет через несколько дней, во время следующего пролета над интересующей территорией.

На первых этапах разработки аппарата используется численное моделирование. Моделируется идеализированный математический объект, твердое тело на круговой орбите. Упрощения необходимы, чтобы определить проектные параметры в первом приближении.

Математика важна уже на первых этапах, когда нужно создать модель, отражающую суть явления, которое мы моделируем. Этот творческий поиск происходит у инженера и математика вместе. Инженер понимает, как система будет строиться и какие у нее есть ограничения, а математик понимает, как лучше описать процессы. «Первое приближение» как раз и означает, что они отсекают все второстепенные факторы, оставляя только те, что существенно влияют на так называемые проектные параметры, то есть облик системы.

Модели, описывающие космический аппарат, итерационно уточняются по мере его разработки. Наступает этап эскизного проектирования, когда инженеры выбирают конкретные приборы и исполнительные органы, создают компоновку, определяют положение центра масс, моменты инерции, погрешности определения всех этих параметров. Возникает точная математическая модель спутника и космической системы на его основе (наземный контур управления и приема данных, тип ракеты-носителя для запуска и прочие факторы — Прим. автора) с хорошей системой дифференциальных уравнений. Когда инженеры углубляются в конкретную разработку, они определяют, какие еще факторы необходимо учесть при проектировании: на старте работы они могли не учитывать солнечное давление, а тут уже приходится вводить его в модель как значимый фактор, потому что оно может влиять на точность ориентации, отклоняя аппарат от требуемого положения на доли градусов. В расчете движения аппарата могут учитывать даже поправки специальной теории относительности Эйнштейна, например, для повышения точности геопривязки получаемых с аппарата снимков высокого разрешения.

Бортовое ПО обеспечивает задачи, связанные с ориентацией и основной работой спутника. А на Земле специалист Центра управления полетом должен уметь прогнозировать, когда аппарат появится в зоне видимости и, кроме того, иметь в доступе так называемый цифровой двойник. Это идеальная наземная модель спутника, которая обеспечивает возможность прогноза технического состояния аппарата по данным телеметрии, даже когда спутник находится вне зоны видимости наземной станции управления. Такой цифровой двойник нужен, чтобы помогать в принятии оперативных решений во время сеансов связи по управлению.

Чтобы ПО надежно работало в космосе, все надо отработать еще на Земле, и здесь тоже используется моделирование. Сначала пишется софт на языке высокого уровня, например, на С++, затем ПО переносится в окружение, имитирующее работу бортовой вычислительной машины, но работающее на персональном компьютере. Это виртуальная среда, приближенная к аппаратной реализации, в которой программисты прогоняют все свои алгоритмы, имея при этом полный набор удобных инструментов для отладки алгоритмов и визуализации данных. Процессы неплохо описаны и стандартизированы, и представляют собой V-образную модель. Используются симуляторы, которые ближе и ближе сходятся к бортовому железу. Поэтапно появляется первый вариант бортового софта, потому что отладить бортовой софт гораздо сложнее, чем наземный: там мало памяти у компьютера.

Мы придерживаемся той последовательности испытаний, которая принята в нашей космической отрасли со времен Королёва. Техника испытывается примерно в том порядке, в каком она эксплуатируется. Сначала мы проводим виброиспытания, потому что аппарат выводится на ракете-носителе. Потом термовакуумные испытания, потому что аппарат находится в условиях вакуума и перепада температур. И в начале, и в конце каждого вида испытаний мы проводим функциональные испытания, чтобы проверить, что после того, как мы потрясли аппарат, ничего не поломалось.

Стенды бывают имитационные, где программный комплекс моделирует режимы спутника, а датчики или элементы борта заменены либо программными, либо аппаратными симуляторами.

Для тестирования систем управления и ориентации необходимы специальные стенды.
Стенды, моделирующие невесомость, — это аэродинамический подвес на шаровом подшипнике, который парит в потоке воздуха от компрессора. Сила трения в нем минимальна, а если крутануть эту платформу, она может вращаться часами, словно в невесомости. Это дает возможность, с некоторыми ограничениями, конечно, отрабатывать алгоритмы управления аппаратом в космосе.
Имитаторы Солнца, которые создают подобие внешней среды, аналогичной той, в которой датчики ориентации будут работать в реальных условиях.

Есть еще испытания на электромагнитную совместимость, чтобы мощные токи и напряжения в проводах не мешали работе чувствительных датчиков.
Когда все системы испытаны и мы имеем летный образец спутника, его трясти на стендах не следует. Поэтому для летного образца обычно проводят приемо-сдаточные испытания. Это упрощенный вариант: инженеры убеждаются, что аппарат хорошо собран, что все винты закручены и датчики откалиброваны, чтобы не было грубых ошибок.

После запуска на Земле остается «стенд главного конструктора» (на западе его называют FlatSat, то есть «плоский спутник» — Прим. автора). Это функциональный аналог космического аппарата, собранный на стойке в виде приборов с проводами. Прежде чем проводить ответственные операции с летным аппаратом, например, перепрошивку на борту, методику необходимо отработать на этом стенде.

Например, нужно обновить прошивку бортовой вычислительной машины летного спутника. Сначала эту процедуру отрабатывают на Флатсате. Убедившись, что процедура перепрошивки работоспособна и новая прошивка работает нормально на стенде, ПО отправляют на борт.