CC BY
34
УДК 378.147.88
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ «УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА»
С.А. Алдаев1, Г.М. Гринберг1, С В. Меус2
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, пр. имени газеты «Красноярский рабочий», 31 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail:asa-kr@y andex.ru
Одной из основных задач высшего образования является формирование научного мировоззрения студента. Этому способствуют все формы организации учебного процесса в ВУЗе, но особое значение придается лабораторному практикуму. Предложен компьютерный лабораторный практикум для изучения студентами параметров движения космического аппарата и получения навыков управления этим движением.
Ключевые слова: управление движением космического аппарата, компьютерный лабораторный практикум.
THE COMPUTER LABORATORY PRACTICAL WORK «MOVEMENT CONTROL OF THE SPACECRAFT»
S.A. Aldaev1, G.M. Grinberg1, S.V. Meus2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
E-mail: [email protected]
Formation of the student'sscientific outlook is one of the main objectives of the higher education. All forms of the organization of educational processin higher education institutionpromote it, but special significance attaches to thelaboratory practical work. Actual article describes the computer laboratory practical workfor studyingof the spacecraft movement parameters by students and obtaining skills of movement control of the spacecraft.
Keywords: movement control of the spacecraft, the computer laboratory practical work.
Одной из основных особенностей технического образования является необходимость организации и проведения лабораторных практикумов. Важность этого вида учебных занятий находит подтверждение в государственных образовательных стандартах, регламентирующих перечни учебных дисциплин, изучение которых должно сопровождаться выполнением лабораторных практикумов (ЛП).
Новые образовательные стандарты и сформулированные в них требования к квалификации выпускников высших учебных заведений ставят перед ВУЗами задачи активного использования новых информационных технологий в организации и проведении учебного процесса. Одной из таких задач является разработка и внедрение специализированных электронных автоматизированных учебных комплексов. Областью применения таких учебных комплексов являются образовательные технологии, реализующие систему дистанционного обучения, а также самостоятельная работа студента при очном и очно-заочном обучении [1]. Значимой составляющей электронных учебных комплексов является компьютерный лабораторный практикум.
Секция «Инновационные и здоровьесберегающие технологии в современном образовании»
Целью выполненной работы является разработка компьютерного лабораторного практикума, позволяющего студентам в рамках дисциплин «Технические средства навигации и управление движением летательных аппаратов» и «Информационно-измерительные комплексы космических аппаратов» изучать параметры движения космического аппарата (КА) и получать навыки управления этим движением. По этим дисциплинам на кафедре систем автоматического управления (САУ) Сибирского государственного аэрокосмического университета осуществляется обучение бакалавров и специалистов по направлению подготовки 24.03.02 «Системы управления движением и навигация» и 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами» соответственно, а также магистрантов по направлению подготовки 24.04.02 «Системы управления движением и навигация».
Имеющийся на кафедре САУ опыт проведения лабораторных работ позволяет сформулировать некоторые требования к качественному ЛП: лабораторные занятия должны проводиться своевременно, фронтально, вариативно, реально (когда это возможно), с применением современного оборудования, современных образовательных технологий, современных технологий проведения экспериментальных исследований, качественного методического обеспечения, при этом должен обеспечиваться дифференцированный, индивидуальный и личностно-ориентированный подходы в обучении [2].
Эксперимент, выполняемый во время лабораторного практикума, по сути, является опытом, состоящим в воздействии на изучаемый объект посредством специальных инструментов и приборов. Эксперимент, проводимый непосредственно над самим объектом, является натурным экспериментом. Но проведение натурного эксперимента в учебных целях не всегда представляется возможным. Особенно это касается таких сложных и дорогостоящих объектов, как КА.
С развитием компьютерных технологий наряду с натурным стал широко использоваться компьютерный (численный, виртуальный) эксперимент - эксперимент, выполняемый над математической моделью объекта исследования на ЭВМ. Суть компьютерного эксперимента состоит в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие её параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью. Виртуальный лабораторный эксперимент в ряде случаев может быть одним из эффективнейших инструментов при поддержке практической подготовки студентов [3].
Для организации лабораторного практикума «Управление движением космического аппарата» была разработана компьютерная программа, моделирующая управление движением КА и позволяющая моделировать следующие процессы: орбитального движения КА; коррекции орбиты КА (движение центра масс КА) при помощи двигателей коррекции; управления ориентацией КА (движение вокруг центра масс КА) с помощью системы маховиков; создания управляющих моментов для управления ориентацией КА, а также для разгрузки системы маховиков при работе двигателей ориентации.
Программа написана на языке программирования Python с использованием дополнительных библиотек numpy (для работы с матрицами и векторами) и matplotlib (для вывода графиков на экран) [4].
Основными параметрами, определяющими орбиту КА, являются большая полуось, эксцентриситет, наклонение, долгота восходящего узла, аргумент перицентра, средняя аномалия. При движении КА по орбите существует ряд внешних сил, изменяющих параметры орбиты, такие как гравитационные лунно-солнечные возмущения, вызванные неоднородностью гравитационного поля Земли, и другие [5, 6].
Программа позволяет в качестве исходных данных задаватьпараметры орбиты КА, параметры влияющих на поведение КА возмущений, а также характеристики самого КА (масса КА, параметры двигателей коррекции и двигателей ориентации).
Таким образом, программа моделирует орбитальное движение КА; возмущения, изменяющие параметра орбиты КА; а также управляющие воздействия исполнительных органов, позволяющие корректировать орбиту КА и стабилизировать его трехосную ориентацию на орбите. При помощи этой программы студенты могут управлять движением спутника, получая исчерпывающую информацию о его положении на орбите, такую же, как и при управлении реальным КА.
Лабораторный практикум делится на три части - теоретическую, практическую и написание отчета. Теоретическая часть оформлена в виде учебно-методических материалов и включает
в себя краткие сведения по теории, описание исследуемого объекта, описание программы моделирования, задание на выполнение и методику выполнения эксперимента, рекомендуемую литературу, требования к отчёту и контрольные вопросы. Учебно-методические материалы подготовлены с таким расчётом, чтобы студенты смогли самостоятельно и качественно подготовиться к выполнению лабораторной работы. Во время практической части непосредственно выполняется само экспериментальное исследование. Написание отчета включает необходимые расчёты по исходным и полученным в ходе эксперимента данным, оформление табличных и графических материалов, сравнение полученных результатов с расчётными, оценку погрешностей, формулирование выводов и заключений.
Лабораторный практикум с использованием данной компьютерной программы позволит студентам в полной мере показать возможности управления движением КА. Студенты получат практические навыки разработки алгоритмов управления движением КА (при помощи двигателей коррекции и двигателей ориентации), чтобы противодействовать возмущающим силам, действующим на КА, и сохранять заданные параметры орбиты КА.
Библиографические ссылки
1. Константинов И.С. Основные положения формирования электронного лабораторного практикума для систем дистанционного обучения [Электронный ресурс] / И. С. Константинов, Д.В. Рыженков. URL: http://5fan.ru/wievjob.php?id=87232. (Дата обращения 11.02.2017 г.).
2. Гринберг Г. М. Организация лабораторного практикума с помощью современных информационных технологий / Г.М. Гринберг, Д.В. Романов, ВА. Исаев // Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании: Четвертая международная научно-техническая конференция, г. Ставрополь, 28 - 30 июня 2010 г. / Северо - Кавказский государственный технический университет. С. 48-52.
3. Гринберг Г.М. Использование современных информационных технологий для организации лабораторного практикума / Г.М. Гринберг, Пак Н.И., Д.В. Романов // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры. Материалы Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием); Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2013. - С. 1808-1815.
4. Лутц М. Изучаем Python, 4-е издание. - Пер. с англ. - СПб.: Символ-Плюс, 2011. -1280 с., ил.
5. Крылов В.И. Основы теории движения ИСЗ (часть первая: невозмущённое движение): учебное пособие. - М.: МИИГАиК, 2015. - 52 с.: ил.
6. Суханов А.А. Астродинамика. Серия «Механика, управление, информатика»: учебное пособие. -М.: ИКИ РАН, 2010. - 204 c.
© Алдаев С.А., Гринберг Г.М., Меус С.В., 2017
