Моделеориентированное проектирование систем электропитания космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Математические методы моделирования, управления и анализа данных

5. Sima D. M., Van Huffel S. Separable nonlinear least squares fitting with linear bound constraints and its application in magnetic resonance spectroscopy data quantification // Journal of Computational and Applied Mathematics. 2007. Vol. 1. P. 264-278.

6. Bro R., De Jong S. A fast non-negativity-constrained least squares algorithm // Journal of Chemometrics. 1997. Vol. 11. P. 393-401.

© Дергачёв В. Д., Дергачёв И. Д., Петров А. И., 2014

УДК 629.76/78.064

МОДЕЛЕОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

А. В. Журавлев, Р. В. Козлов, А. С. Тетерин

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: zhuravlev@iss-reshetnev.ru

Описывается применение моделеориентированного проектирования при разработке системы электропитания космического аппарата (СЭП КА). Показаны основные преимущества имитационного моделирования при проектировании СЭП КА. Показаны основные инструменты и возможности их применения при имитационном моделировании. Приведены примеры разработанных имитационных моделей элементов СЭП КА и перспективы дальнейшего применения моделеориентированного проектирования.

Ключевые слова: моделеориентирование, проектирование, имитационное моделирование, модель, система электропитания космического аппарата.

MODEL ORIENTED DESIGN OF SPACECRAFT ELECTRIC POWER SYSTEMS

A. V. Zhuravlev, R. V. Kozlov, A. S. Teterin

JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: zhuravlev@iss-reshetnev.ru

The description of model-oriented design application in spacecraft for Electric Power System (EPS) development is proposed. It has some benefits of simulating modeling in spacecraft for EPS development. The main tools and possibilities of their application in simulating modeling are described. The examples of developed simulating models of spacecraft EPS elements and perspectives for further application of model-oriented design are given.

Keywords: model-oriented design, simulating modeling, model, spacecraft electric power system.

Имитационное моделирование основано на прямом описании моделируемого объекта. Существенной характеристикой таких моделей является структурное подобие объекта и модели. При построении имитационной модели описываются законы функционирования каждого элемента объекта и связи между ними.

Ценными качествами имитации являются:

- возможность управлять масштабом времени;

- возможность решения более сложных задач по сравнению с аналитическим моделированием;

- возможность учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и др., которые часто создают трудности при аналитических исследованиях;

- возможность имитировать поведение объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны;

- единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы, особенно на этапе ее проектирования.

Исследование и разработка имитационных моделей технических систем и устройств является основной практикой, которая применяется в технологиях моделеориентированного проектирования. Моделео-риентированное проектирование является наиболее динамично и успешно развивающейся технологией проектирования, изготовления и эксплуатации технических систем.

В настоящее время существует множество инструментов для моделеориентированного проектирования, при помощи которых можно пройти любой этап разработки: от моделирования установки до внедрения при помощи автоматической генерации кода. Одним из таких инструментов является МА^АВ компании MathWorks, который позволяет инженерам в единой среде осуществлять весь процесс разработ-

Решетневскуе чтения. 2014

ки, начиная от создания технических требований и заканчивая испытаниями.

В настоящее время имитационное моделирование широко используется во всем мире при разработке и проектировании в наиболее передовых проектах, в том числе и аэрокосмической отрасли. В ОАО «ИСС» применяется имитационное моделирование работы отдельных составных частей КА и КА в целом с использованием языков программирования высокого уровня. Причем при изменении логики работы КА или его составных частей необходимо перерабатывать код программ, что требует значительных затрат времени на доработку программного кода модели.

Применение имитационных моделей позволяет практически исключить из процесса создания модели специалиста с квалификацией «программист», повышает скорость разработки систем, сокращает стоимость разработки, а также увеличивает степень соответствия между предъявляемыми к системе требованиями и ожидаемым результатом.

Поэтому исследование и разработка имитационных моделей при разработке сложных технических систем и их составных частей, в том числе системы электропитания космических аппаратов, является актуальной задачей.

Имитационное моделирование применимо на всех этапах жизненного цикла СЭП, в том числе:

- на этапе эскизного моделирования - разработка моделей, оценка характеристик системы и ее составных частей;

- на этапе рабочего проектирования - разработка и отработка интерфейсов, логики функционирования;

- на этапе наземной отработки - верификация модели и требований к бортовой аппаратуре, а также исследование аномальных ситуаций;

- на этапе штатной эксплуатации - подтверждение характеристик и исследование аномальных ситуаций.

Для имитационного моделирования систем электропитания и ее элементов в ОАО «ИСС» в настоящее время проводятся работы по внедрению инструментов для физического моделирования, позволяющие производить взаимодействие между моделями составных частей КА, в том числе и с уже имеющимися моделями. Использование указанных инструментов позволит производить создание математических моделей и базы данных по каждому элементу СЭП, создание программной среды, позволяющей обеспечить решение задач анализа и прогноза параметров БС, АБ и автоматики в различных режимах эксплуатации, в том числе и при постепенных и внезапных отказах.

В настоящее время в ОАО «ИСС» уже разработано несколько имитационных моделей составных частей СЭП, в частности БС и АБ.

Для БС разработана модель, учитывающая влияние освещенности и температуры, а также деградации в зависимости от срока эксплуатации. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) одного фотопреобразователя в зависимости от температуры и освещенности приведены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Зависимость ВАХ от температуры

V №5

49 -

а1 -ЛВ" «МНФ№т7Я

-мин

V

D I I I I I I

О ■ ' 1 ' ' I ■ ' I ■

Рис. 2. Зависимость ВАХ от освещенности

Данная модель поможет проводить оценку электрических параметров БС при штатной эксплуатации.

Для АБ разработана электроэнергетическая модель ЛИАБ, позволяющая оценить выходные энергетические и тепловые параметры батареи в каждый момент времени. По разработанной модели получены временные характеристики аккумулятора MP 176065 Integration (рис. 3).

Рис. 3. Временные зарядные диаграммы аккумулятора

MP 176065 Integration, полученные при моделировании

Таким образом, опыт применения программных продуктов моделеориентированного проектирования успешен, и разработанные модели могут быть адаптированы к различным разрабатываемым и эксплуатируемым КА.

© Журавлев А. В., Козлов Р. В., Тетерин А. С., 2014