Программно-математическая модель космического аппарата как многомодульной структуры

На сегодняшний день обязательным требованием к проектированию спутников различного назначения является системный подход, при котором сам спутник является, во-первых, иерархически организованной системой, элементы которой характеризуются как минимум своими массо-габаритными, кинематическими и динамическими свойствами, и, во-вторых, частью системы, включающей в ходе срока активного существования как минимум наземный и космический сегменты. Как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации обязательным является применение таких программных комплексов как STK, FreeFlyer, GMAT и т. д., охватывающих различные аспекты комплексного моделирования космической системы в целом. Разработка программно-математических инструментов, позволяющих работать с редактируемым составом объектов моделирования и предоставляющих как минимум функциональность «интегрированной среды разработки» для баллистика, по-прежнему является востребованной областью деятельности.

Целью настоящей работы является исследование возможностей программного комплекса MIDE, разработанного факультетом космических исследований, в области комплексного моделирования работы космических аппаратов, включая орбитальные станции. При таком моделировании, наряду с использованием верифицированных моделей движения центра масс и вращательного движения, важной является поддержка возможности моделирования объекта как иерархической структуры, например, космического аппарата как совокупности блока полезной нагрузки и блока служебных систем, каждый из которых, в своб очередь, делится на соответсвующие подсистемы. Особенный интерес представляет такая возможность для моделирования многомодульных станций, подобных МКС и перспективной РОСС.

Программный комплекс MIDE в базовом варианте рассматривает виртуальный «мир» как совокупность физических объектов (планеты, звезды, наземные станции с установленными на них сенсорами и космические аппараты с установленными на них сенсорами). К каждому из физических объектов привязываются «источники данных» о положении и ориентации (ими служат файлы данных, системы уравнений движения, наборы орбитальных элементов либо телеметрия) и настраиваемый набор «абстрактных объектов»: векторы, углы, плоскости и т. д., включая, например, ориентацию, заданную относительно системы координат, совершающей сложное движение относительно другой системы координат.

В рамках данной работы комплекс был дополнен функциональностью, позволяющей «собирать» участвующие в моделировании объекты из отдельных блоков. Типичным примером использования подобного подхода является моделирование работы полезной нагрузки КА таким образом, чтобы оператор, работая со всеми составными частями как с полноценными объектами, мог настраивать их параметры, «огрубляя» второстепенные для целей моделирования объекты. Приводятся примеры использования такого подхода для следующих вариантов моделирования: 1) космический аппарат с оптической полезной нагрузкой, организованный как многоуровневая система и допускающий моделирование поступательного и вращательного движения; 2) многомодульная станция (РОСС), допускающая настройку состава, поворотов солнечных батарей, расположения модулей и сенсоров и допускающая исследование типовых вариантов работы на различных типах орбит.