1. Введение
7 марта 2006 года завершена программа полета автоматического космического аппарата (КА) «Метеор-3М». КА «Метеор-3М» был выведен на орбиту искусственного спутника Земли 10 декабря 2001года ракетоносителем «Зенит -2» с космодрома Байконур.
Аппарат являлся многоцелевым искусственным спутником Земли, одновременно решающим задачи изучения природных ресурсов, контроля состояния окружающей среды, исследования параметров атмосферы и мирового океана, гелиогеофизического и гидрометеорологического обеспечения.
Заказчиками КА являлись Российское авиационно-космическое агентство (Росавиакосмос) и Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Разработчиком - изготовителем является Научно - исследовательский институт электромеханики (НИИЭМ). Управление полетом КА осуществляется из Центра управления полетами и моделирования (ЦУП-М), город Королев Московской области.
2. Состав и задачи научно - измерительной аппаратуры
Научно - измерительная аппаратура по своему назначению подразделяется на три части:
- Видеоинформационный природно - ресурсный комплекс, предназначенный для получения изображений земной поверхности высокого и среднего пространственного разрешения. На базе этой информации решаются задачи природопользования, изучения природных ресурсов, обнаружения и контроля чрезвычайных ситуаций и т.п.
- Комплекс научной аппаратуры, включающий следующие приборы. Микроволновые многоканальные сканирующие радиометры, служащие для всепогодного зондирования атмосферы и определения параметров Мирового океана. Аппаратура гелиогеофизического обеспечения, предназначенная для мониторинга параметров околоземного космического пространства. По согласованию между Росавиакосмосом и НАСА (США) установлена американская аппаратура «Сейдж-3», предназначенная для определения характеристик аэрозоля и содержания малых газовых примесей в атмосфере.
- Комплекс метеорологической аппаратуры, задачами которого является получение информации в интересах гидрометеорологического обеспечения ряда регионов России и зарубежных стран.
КА функционирует на круговой солнечно - синхронной орбите высотой 1018 км и наклонением 99,64°. Орбита постоянно ориентирована относительно Солнца, чем достигаются наиболее благоприятные условия освещенности при съемках районов. Трасса движения КА является изомаршрутной: каждые трое суток (41 виток) КА пролетает над одними и теми же районами Земли.
К основным задачам программы управления КА относятся:
- изучение природных ресурсов, контроля состояния окружающей среды;
- осуществление экологического мониторинга, контроля чрезвычайных ситуаций;
- получение многозональных изображений земной поверхности высокого и среднего пространственного разрешения;
- осуществление всепогодного зондирования атмосферы и определение параметров океана;
- контроль и прогноз радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве;
- прогноз условий распространения радиоволн;
- контроль и диагностика магнитосферы и ионосферы;
- гидрометеорологическое и гелиогеофизическое обеспечение, мониторинг системы «океан-атмосфера»;
- обеспечение получения, запоминания и передачи на наземные приемные пункты данных об облачном покрытии Земли, границах снежного и ледового покровов, температуры морской поверхности и облаков;
- проведение озонометрических исследований.
3. Кооперация участников управления КА
Согласно концепции Росавиакосмоса, задачи управления КА научного и социально - экономического назначения (НСЭН), в том числе и КА «Метеор-3М» возложены на ЦУП-М. В ЦУП-М созданы и неоднократно апробированы технические и программные средства, подготовлены квалифицированные специалисты, организована надежная связь со многими российскими и зарубежными организациями.
Для выполнения программы полета КА «Метеор-3М» создана Главная оперативная группа управления (ГОГУ). Функции руководителя и заместителей руководителя полета, сменных руководителей полета, руководителей групп планирования и анализа возложены на специалистов ЦУП-М.
Техническое руководство полетом обеспечивается специалистами НИИ ЭМ. НИИ ЭМ - ведущее предприятие в России по созданию КА серии «Метеор». Изготовлено и запущено 35 КА этой серии на них были успешно реализованы международные проекты с участием США (ТОМС), Франции (СКАРАБ), Болгарии (Болгария - 1300), Германии (ПРАРЕ, Тубсат), Италии (Темисат). На территории НИИ ЭМ создан Сектор Главного конструктора, обеспечивающий взаимодействие с ЦУП-М на всех этапах управления и эксплуатации КА.
В кооперацию по управлению КА также входят:
- Центр космических наблюдений Росавиакосмоса - Главный Оператор космической системы, обеспечивающий взаимодействие с потребителями космической информации, с центрами и станциями приема информации;
- Научно - исследовательский центр «Планета», обеспечивающий прием, обработку и архивацию научно - исследовательской информации;
- Научно - исследовательский институт Точных приборов - Главный конструктор Наземного комплекса управления, обеспечивающий взаимодействие ЦУП -М со станциями слежения КА, находящимися на территории РФ;
- Институт прикладной геофизики, обеспечивающий специальную обработку и использование данных гелиогеофизических измерений;
- Центральная аэрологическая обсерватория, обеспечивающая обработку данных, получаемых с прибора «Сейдж-3»;
- Исследовательский центр им. Ленгли (США), обеспечивающий разработку и выдачу в ЦУП-М исходных данных для управления прибором «Сейдж-3».
Общая схема взаимодействия ЦУП-М с российскими организациями, представлена на рис.1.
Рисунок 1. Общая схема взаимодействия ЦУП-М
4. Основные задачи управления полетом
Для обеспечения эксплуатации КА по целевому применению персонал управления решает следующие задачи:
- составление долгосрочных планов полета;
- реализация программ сеансов связи с КА. Программы включают в себя списки разовых команд немедленного исполнения и программные команды, отрабатываемые бортовой машиной в заранее определенное время. Программы составляются на основе исходных данных Главного конструктора, программ заявок Главного оператора, командных листов от Центра им. Ленгли США;
- оперативный анализ работоспособности бортовой аппаратуры по данным телеметрической информации, включая выработку рекомендаций по выдаче командных воздействий на КА при возникновении нештатных ситуаций;
- детальный анализ работоспособности бортовой аппаратуры с целью выявления тенденций и особенностей функционирования приборов. Это дает возможность скорректировать программу управления с целью обеспечения более эффективного получения целевой информации;
- баллистико - навигационное обеспечение управления КА;
- командно - программное обеспечение управления КА;
- телеметрическое обеспечение управления КА;
- информационное взаимодействие ЦУП - М с организациями, участвующими в управлении КА.
Качественное выполнение задач управления КА позволило с максимальной эффективностью реализовать программу включения бортовой аппаратуры, оперативно получить целевую информацию и довести ее до потребителей.
5. Принципы построения аппаратно - программных средств ЦУП
Для обеспечения управления КА в ЦУП-М созданы высокотехнологичные аппаратно - программные средства. При этом была реализована направленность на достижение следующих целей.
- Оперативность выполнения функций управления. Это было достигнуто использованием параллельного решения задач управления. Вычислительный сервер выполнял только функции базы данных о полетной информации, а все функциональные задачи параллельно решались на персональных компьютерах.
- Надежность решения задач управления. При этом использовался принцип горячего резервирования. В случаях неисправностей сервера или компьютеров решение задач автоматически переводится на резервные средства без информационных и временных потерь.
- Информационная безопасность вычислительного процесса. Для этого применялись как программные (fair woll), так и аппаратные средства защиты информации (минимизация доступа входной информации через внешние устройства).
- Рентабельность эксплуатации аппаратно - программных средств. Обеспечивается за счет создания достаточно значительной универсальной составляющей средств, которые могут применяться при управлении практически любым КА. При этом переменная составляющая часть средств дорабатывается с учетом специфики управления каждым конкретным КА. Это позволяет минимизировать затраты на создание аппаратно - программных средств для управления каждым последующим КА.
6. Особенности управления КА
В процессе полета КА ГОГУ столкнулась с необходимостью оперативной коррекции программно-математического обеспечения и технологии управления.
1) В связи с отсутствием работоспособности бортовой аппаратуры спутниковой навигации (БАСН) разработана новая технология баллистико-навигационного обеспечения работы прибора «Сейдж-3». Суть ее заключается в следующем:
- еженедельно из ЦУП-М в Центр им. Ленгли выдается баллистическая информация о состоянии движения КА;
- на ее основе в Центре им. Ленгли моделируются вектор состояния в формате GPS/GLONASS и выдается в ЦУП-М;
- в ЦУП-М формируются информационные массивы командно-программной информации, включающая данные о смоделированном векторе GPS/GLONASS;
- после согласования содержание массивов с НИИ ЭМ командно-программная информация закладывается на борт КА и используется при проведении экспериментов с прибором «Сейдж-3».
2) На начальном этапе управления КА зафиксирована выдача несанкционированной команды на включение передатчика научной информации. Для устранения негативных последствий выдачи таких команд специалистами ЦУП-М и НИИ ЭМ разработаны и заложены на борт КА циклограммы «Сторож». Эти циклограммы обеспечивают профилактическую выдачу команд для периодического отключения основных узлов бортовой аппаратуры.
3) Было зафиксировано существенное систематическое рассогласование бортовой и наземной шкал времени (БШВ и НШВ). Для расчета скорректированных значений БШВ использовалось разработанное ЦУП-М совместно с НИИ ТП программно-математическое обеспечение.
7. Основные итоги управления КА
Срок эксплуатации КА «Метеор-3М» составил 4 года 3 месяца при гарантийном сроке существования КА, равном 3 года. Программа полета КА полностью выполнена. За это время КА совершил более 20000 витков вокруг Земли, в течение этого срока проведено 970 сеансов связи по командной радиолинии и 2850 телеметрических сеансов. Осуществлено более 12500 сеансов передачи целевой информации, в том числе около 6000 сеансов с использованием прибора «Сейдж-3», 600 сеансов с другими приборами научного комплекса, около 6000 сеансов с применением видеоинформационного природно-ресурсного комплекса. Получены космические снимки высокого качества. С использованием сканирующего устройства высокого пространственного разрешения были получены изображения отдельных регионов России (см. рис. 2, 3). Это дало возможность эффективно и непрерывно контролировать созревания сельскохозяйственных культур и точно определять сроки агротехнических работ, картировать типы почв, определять их состояние. Полученная информация также нашла применение при наблюдении за экологическими процессами в окружающей среде, судовождении, рыболовстве и во многих других социально-экономических областях.
Рисуноки 2, 3. Изображения отдельных регионов России