Как солнечный зонд Parker нацеливается на Солнце с помощью программного обеспечения Simulink GNC

Перевод статьи о трудностях, с которыми столкнулись при разработке солнечного спутника Паркер, бесчисленном множестве симуляций и успешном запуске.

В понедельник, 5 ноября 2018 года, солнечный зонд Parker Solar Probe (PSP, солнечный зонд Паркер – прим. пер.) достиг своего первого перигелия (ближайшая к Солнцу точка орбиты – прим. пер.), пройдя ближе к поверхности Солнца, чем любой космический аппарат до этого (рис. 1). Даже при максимальной скорости около 213 200 миль в час (342 112 км/ч – прим. пер.) космическому кораблю потребуется несколько дней, чтобы обойти Солнце и выйти на другую сторону. Все это время исследователи и инженеры из НАСА и Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHU APL) с тревогой ждали первого сигнального маяка. В среду, 7 ноября, был получен сигнал: зонд Parker Solar Probe работал в состоянии «A», при этом все научные инструменты работали и собирали данные.

Рис. 1. Художественное изображение солнечного зонда Паркера, приближающегося к Солнцу. Изображение предоставлено лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса.

Менее чем через две недели Parker Solar Probe восстановила полный контакт. По мере того, как каждая подсистема опрашивалась на предмет ее статуса, энтузиазм групп в лаборатории прикладной физики рос. Регистраторы научных данных заполнялись, как и ожидалось, космический корабль сохранил свое положение и был на правильной траектории. В течение своей почти семилетней миссии Parker Solar Probe будет облетать Солнце 24 раза, постепенно приближаясь к нему после каждого из семи облетов Венеры с помощью гравитации, пока не пройдет в пределах 3,83 миллиона миль (6.16 миллиона километров – прим. пер.), что достаточно близко, чтобы пролететь через атмосферу Солнца (рис. 2).

Подтверждение того, что Parker Solar Probe впервые установил конакт с Солнцем стало особенно приятной новостью для группы управления, навигации и контроля в JHU APL, которая отвечала за разработку алгоритмов управления ориентацией космического корабля. Эти алгоритмы, разработанные, реализованные и проверенные с использованием Simulink®, имеют чрезвычайно важное значение: они не только контролируют ориентацию космического корабля, но и обеспечивают направление его углеродно-композитной системы тепловой защиты (TPS) в сторону Солнца. Отклонение на один или два градуса в ориентации TPS может означать разницу между успешным полетом и разрушением космического корабля.

Рис. 2. График, показывающие запланированный путь миссии Parker Solar Probe и расстояния сближения с Солнцем. Изображение предоставлено лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса.

Ограничения проектирования руководства и управления

На орбите вокруг Солнца Parker Solar Probe будет подвергаться воздействию тепла в 475 раз более интенсивно, чем на орбите Земли, что означает, что система ориентации должна была ориентировать Parker Solar Probe так, чтобы он постоянно находился под защитой TPS.

Поскольку Солнце является самым большим и ярким объектом в Солнечной системе, сначала может показаться, что удерживание космического корабля ориентированным на него не должно составлять проблем. Однако на практике управление ориентацией для Parker Solar Probe довольно сложно. Одна из проблем заключается в том, что вблизи перигелия ни один из датчиков, обеспечивающих входные данные для алгоритмов ориентации, на самом деле не направлен напрямую на Солнце. Вместо этого они располагаются за TPS для защиты от солнечного теплового излучения (Рисунок 3).

Рис. 3. Солнечный зонд Parker. Изображение предоставлено JHU APL.

Два звездных трекера, направленных в сторону от Солнца, можно использовать для определения ориентации по положению звезд, но команде разработчиков пришлось спланировать вероятность того, что эти датчики будут непригодны для использования вблизи перигелия. Космический корабль оснащен двумя цифровыми датчиками солнечного излучения (DSS), но использовать их можно только вдали от Солнца. Солнечные датчики лимба (SLS) предназначены для использования на близком расстоянии, но они обнаруживают край Солнца только тогда, когда космический корабль начинает отклоняться от своего идеального положения. Чтобы разработать единую отказоустойчивую систему для каждого сегмента орбиты, было жизненно важно обеспечить, чтобы достаточное количество оборудования было размещено на аппарате и включено в алгоритмы управления.

Вторая проблема заключалась в том, что алгоритмы управления должны были корректировать ориентацию, используя как можно меньше электроэнергии и топлива двигателя. Близко к Солнцу солнечные панели Parker Solar Probe почти полностью остаются в тени TPS, поэтому они не могут производить большое количество электроэнергии. Расширение панелей увеличивает оказываемое на них давление, что приводит к возникновению нежелательного крутящего момента. Кроме того, топливо для двигателей космических кораблей нужно было использовать экономнично, чтобы его хватило на многолетнюю миссию.

Разработка истинной модели

«Истинная» модель космического корабля, построенная в MATLAB®, Simulink и Simscape Multibody ™, по сути является моделью объекта, фиксирующей орбитальные эффекты, физические взаимодействия и прочую динамику космического корабля (рис. 4).

Рис. 4. Модель установки Parker Solar Probe, состоящая из почти 1400 блоков и 1811 строк кода MATLAB.

Со временем в модель были включены различные подсистемы, в том числе подсистема аккумуляторной батареи, двигатели, звездные трекеры и инерциальный измерительный блок. Команда также смоделировала физические соединения между солнечными батареями и главной шиной. По мере того, как модель становилась более сложной, они могли проводить более точные симуляции. Например, они добавили подсистему, которая моделирует влияние выплескивания топлива на динамику космического корабля.

Разработка программного обеспечения GNC Flight

Первоначальная конструкция системы ориентации не включала реактивные колеса. Использование только двигателей для управления движением и корректировки положения было одним из возможных способов снижения массы и потребления энергии. Чтобы проверить осуществимость этого подхода, команда GNC смоделировала несколько конструкций контроллера, в том числе один с широтно-импульсным частотно-импульсным модулятором, и выполнила моделирование с обратной связью с моделью истинности. Хотя конструкция контроллера выглядела многообещающей, не было никаких гарантий, что миссия может быть выполнена без добавления реактивных колес. К счастью, по мере совершенствования конструкции команда смогла освободить для них место, что значительно упростило общую конструкцию и позволило повысить точность и стабильность научных наблюдений.

Они создали систему, которая без движения управляет инерцией через реактивные колеса и запускает подруливающие устройства, чтобы снизить инерцию, когда колеса достигают заданного уровня. Они повторно использовали большую часть работы модели Simulink только для двигателя в модернизированном контроллере. В целом модель контроллера включала более 22 000 блоков и почти 1200 строк кода MATLAB (рис. 5).

Рисунок 5. Модель контроллера.

Из-за неумолимой среды, в которой будет работать Parker Solar Probe, было выполнено беспрецедентное количество симуляций. Фактически, количество формальных симуляций было увеличено более чем на порядок по сравнению с предыдущей миссией под руководством JHU APL. Моделирование охватывало как сценарии нормальной эксплуатации, включая сброс импульса и маневры коррекции траектории, так и сценарии всевозможных неисправностей.

Большинство космических аппаратов спроектированы как отказоустойчивые системы, но для этой миссии солнечные условия были более суровыми, чем на всех предыдущих космических аппаратах. Например, потеря звездного трекера на космическом корабле считается серьезной ошибкой, но для Parker Solar Probe необходимо было спланировать вероятность того, что не только один, но и оба звездных трекера могут быть ослеплены солнечным событием, что могут возникнуть дополнительные неисправности, происходяшие одновременно.

Создание кода и проверки на испытательном стенде

Первоначальная проверка конструкции контроллера была выполнена с помощью моделирования с обратной связью в Simulink. После генерации кода из модели контроллера с использованием Simulink Coder ™, команда выполнила моделирование программного обеспечения в цикле (SIL), в котором модель управления была заменена сгенерированным кодом.

После тестирования SIL и оптимизации кода конструкция управления была проверена на испытательном стенде JHU APL (рисунок 6). На этом этапе код, сгенерированный из модели управления ориентацией Simulink, был передан группе полетного программного обеспечения, которая включила его в полетное программное обеспечение Parker Solar Probe. Команда также доставила код модели истинности группе испытательных стендов, которые интегрировали его с испытательным стендом, имитирующим оборудование Parker Solar Probe. Затем на испытательном стенде были проведены приемочные испытания полетного программного обеспечения. Ближе к запуску все большее количество смоделированных компонентов на испытательном стенде было заменено реальными аппаратными компонентами, интегрированными в космический корабль; например, эмулированные реактивные колеса были заменены настоящими.

Рис. 6. Испытательный стенд в JHU APL. Изображение предоставлено JHU APL.

Внесение корректировок в миссию

В воскресенье, 12 августа 2018 года, Parker Solar Probe был запущен с помощью ракеты Delta IV Heavy со станции ВВС на мысе Канаверал, Флорида (рис. 7). Помимо передачи научных данных на Землю, космический аппарат отправляет данные телеметрии, которые наша команда анализирует и сравнивает с результатами моделирования в Simulink. Они уже уточнили и откалибровали нашу истиную модель на основе этих сравнений.

Космический корабль, включая систему ориентации, был разработан для автономной работы, отчасти потому, что радиосигналам может потребоваться более 15 минут, чтобы достичь Земли. Тем не менее, есть три способа внести корректировки в полет: отправить команды для выполнения заранее запланированных маневров или действий, изменить параметры полетного программного обеспечения или обновить само полетное программное обеспечение. С момента запуска команда выполнила два обновления программного обеспечения, которые включают улучшения, проверенные с использованием обновленной модели истинности.

По мере продолжения миссии орбиты Parker Solar Probe будут сужаться, а время между орбитами будет становиться короче. Команда APL разрабатывает инструменты автоматизации MATLAB, которые позволят им быстро анализировать новые данные с космического корабля и достаточно быстро реагировать, чтобы внести любые необходимые изменения до следующего пролета. Управляющее программное обеспечение работает очень хорошо - фактически, оно намного превзошло ожидания.

Опубликовано 2020,  Greg Drayer Andrade, MathWorks

Переведено в октябре 2020, Буровцева Анастасия,СПбПУ