Бортовые комплексы управления космических аппаратов

Е.А. Микрин 

 

БОРТОВЫЕ 
КОМПЛЕКСЫ УПРАВЛЕНИЯ 
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ  

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению подготовки 161100 
«Системы управления движением и навигация»  

 

 

 

 

 

 

Москва 
2014 

Предисловие 
 

УДК 629.7.05 
ББК 39.62 
 М59

 

Р е ц е н з е н т ы :   

кафедра «Управление движением» МФТИ  
(заведующий кафедрой академик РАН В.П. Легостаев); 
генеральный директор ГНЦ ФГУП ГосНИИАС, заведующий кафедрой 
«Системы автоматического и интеллектуального управления» МАИ 
(национального исследовательского университета) 
член-корреспондент РАН С.Ю. Желтов 

 Микрин, Е. А. 

М59 
Бортовые комплексы управления космических аппаратов : 
учебное  пособие /Е. А. Микрин. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 245, [1] с. : ил. 

 
ISBN 978-5-7038-3983-6 
Изложены методология и средства создания бортовых комплексов 
управления современных космических аппаратов. Представлены 
структура и состав бортового комплекса управления, а также описа-
ние его составных частей, методология модульного проектирования 
структуры программного и информационного обеспечения бортовых 
комплексов управления. 
Показана технология разработки и отработки программного 
обеспечения систем управления космических аппаратов.  
Содержание данного пособия соответствует курсу лекций, читаемому 
автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Системы автоматического 
управления». 
Для студентов старших курсов, аспирантов соответствующих специальностей, 
полезно также научно-техническим работникам, занимающимся 
созданием и эксплуатацией систем управления космических 
аппаратов, и специалистам по вычислительным системам и комплексам, 
информатике и программному обеспечению информационно-
управляющих систем. 

 
 
 
УДК 629.7.05 
           ББК 39.62 
 
                                                                         Микрин Е. А., 2014 
                           Оформление. Издательство МГТУ 
                             им. Н.Э. Баумана, 2014
ISBN 978-5-7038-3983-6

Предисловие                                                  3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Космическая эра, начавшаяся запуском первого искусственного 
спутника Земли, характеризуется не только выдающимися 
успехами человечества в деле изучения и освоения космического 
пространства, но и возникновением и развитием новых направлений 
науки, техники, промышленности, без которых эти успехи были 
бы невозможны. Одним из таких направлений является теория 
управления космическими аппаратами.  
Начиная с проектирования самых первых космических аппаратов 
и кораблей, система управления движением относилась к числу 
важнейших бортовых систем, и ее роль увеличивалась по мере 
роста возлагаемых на нее функций.  
Ввиду особой важности систем управления С.П. Королёв в конце 
1950-х гг. привлек к их созданию выдающихся ученых академиков — 
М.В. Келдыша, Б.Н. Петрова, Б.В. Раушенбаха, Б.Е. Чертока, 
В.П. Легостаева, ставших основоположниками теории управления 
движением космических аппаратов. 
Успешное развитие технических средств, в первую очередь 
бортовых вычислительных машин, привело к значительной модернизации 
систем управления и к существенному расширению их 
возможностей при одновременном повышении качества работы 
этих систем. 
Применение вычислительных средств позволило перейти к системам 
управления на основе корректируемых бескарданных 
инерциальных систем и построения управления по схеме динами-
ческой фильтрации. Моделирование процесса движения дало воз-
можность развивать диагностические и адаптационные свойства 
управления, что в свою очередь  позволило существенно повысить 
тактико-технические характеристики космического аппарата. 
Создание долговременных орбитальных станций потребовало 
существенной модернизации комплекса средств управления и 

Предисловие 
 

дальнейшей разработки их методических основ. Помимо жестко 
детерминированных  алгоритмов управления программное обеспе-
чение бортовой цифровой вычислительной системы  содержало 
гибконастраиваемые компоненты программно-временного управ-
ления и развитые диагностические средства, позволявшие накап-
ливать статистику отказов и учитывать ее в алгоритмах управле-
ния конфигурацией бортовых систем.  
Крупной вехой в создании интегрированных систем управле-
ния космических аппаратов на базе бортовых вычислительных си-
стем стала созданная на рубеже XX и XXI вв. Международная 
космическая станция, объединяющая системы управления Россий-
ского и Американского сегментов.  
Для создания современных космических аппаратов и кораблей 
потребовался новый комплексный подход к разработке  их систем 
управления, в основу которого были положены следующие основ-
ные принципы и требования: максимальная автоматизация про-
цессов управления, максимальная автономность и модифицируе-
мость системы, гибкость управления по командной радиолинии, 
комплексирование различных функций управления в рамках об-
щей задачи управления полетом. Реализовать все перечисленные 
задачи удалось за счет  объединения основных систем космиче-
ских аппаратов, таких как бортовая цифровая вычислительная си-
стема, система управления движением и навигацией, система 
управления бортовым комплексом, бортовой радиотехнический 
комплекс, система бортовых измерений, а также программного 
обеспечения в единый бортовой комплекс управления. 
Обобщением результатов многолетних научных исследований 
и опыта практического применения, а также совершенствования 
методов проектирования и эксплуатации бортовых комплексов 
управления космических аппаратов стал цикл работ под общим 
названием «Модели и методы проектирования информационно-
управляющих систем реального времени Космических аппаратов», 
созданный автором совместно с  доктором технических наук, про-
фессором В.В. Кульбой, доктором технических наук, профессором 
Б.В. Павловым и доктором технических наук, профессором 
В.Н. Платоновым в 2002–2006 гг. 
Помимо многочисленных публикаций в основу этого цикла ра-
бот был положен курс лекций «Бортовые комплексы управления и 
их программное обеспечение»  и одноименный учебник,  написан-

Предисловие                                                  5 

ный автором для подготовки студентов кафедры «Системы авто-
матического управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2003 г. 
В нем впервые на примере создания модулей Российского сегмен-
та Международной космической станции и автоматических кос-
мических аппаратов  была представлена формализованная техно-
логия разработки и отработки программного обеспечения бор-
товых комплексов управления.   
Для преподавания учебных дисциплин, связанных с разработ-
кой систем управления летательных аппаратов, возникла необхо-
димость создания нового учебного пособия (в дополнение к 
предыдущему), в котором на основе опыта создания цифровых си-
стем управления для новых модулей Российского сегмента МКС, 
современных автоматических космических аппаратов разного 
класса и назначения, грузовых кораблей «Прогресс М-01М» и 
транспортных кораблей «Союз ТМА-М» были бы обобщены, си-
стематизированы и дополнены материалы по ключевым системам 
бортовых комплексов управления, что, по мнению автора, являет-
ся весьма актуальным.  
Это учебное пособие должно стать первым в цикле учебников, 
посвященных вопросам управления в технических системах. 
При написании книги были использованы работы следующих 
сотрудников РКК «Энергия» имени С.П. Королева: И.В. Орлов-
ского, С.И. Гусева, В.Н. Платонова, В.А. Гаршина, Н.К. Беренова, 
Г.П. Погорельца, И.О. Воронина, Ю.Н. Борисенко, С.Н. Евдокимо-
ва, А.В. Богачева, С.Н.Тимакова, Н.Е. Зубова, И.В. Дунаевой, М.В. 
Михайлова, С.А. Емельянова, Р.А. Панова, Д.Ю. Самсонова, Б.Ф. 
Рядинского и других, а также лекции, читавшиеся автором студен-
там МГТУ им. Н.Э. Баумана и МФТИ. 
Учебное пособие состоит из трех глав. Первая глава содержит 
результаты анализа процессов проектирования бортовых комплек-
сов управления для разных типов космических аппаратов. В ней 
сформулирована концепция построения, определены задачи, 
структура и состав БКУ. 
Как основное интегрирующее звено БКУ, представлена борто-
вая цифровая вычислительная система, основные характеристики 
компьютеров, входящих в ее состав на Международной космиче-
ской станции, транспортных кораблях «Союз» и «Прогресс», ав-
томатических космических аппаратах. 

Предисловие 
 

Представлены три контура — кинематический, навигационный 
и динамический — функционального решения задач системы 
управления движением и навигации, а также внешний вид и основ-
ные характеристики датчиковой аппаратуры исполнительных орга-
нов этой системы. 
На примере пилотируемых космических аппаратов приведены 
результаты разработки режимов системы управления движением и 
навигации орбитального участка полета, сближения и стыковки, 
спуска в атмосфере.  
Показано, что программное обеспечение сформировалось как 
отдельный, ключевой  компонент бортовых комплексов управле-
ния космических аппаратов.  
Вторая глава учебника посвящена вопросам проектирования 
программного обеспечения бортовых комплексов управления кос-
мических аппаратов. Здесь представлено описание структуры про-
граммного обеспечения на примере Российского сегмента Между-
народной 
космической 
станции, 
рассмотрены 
особенности 
создания, методология модульного проектирования архитектуры и 
структурного проектирования его компонентов, содержатся мате-
риалы об операционных системах, используемых при создании 
программных средств БКУ. 
В третьей главе дано описание концепции комплексной разра-
ботки и испытаний программного обеспечения бортовых комплек-
сов управления космических аппаратов на основе методологии 
ранней функциональной интеграции и сценарного подхода, а так-
же структура и состав наземного комплекса отработки программ-
ного обеспечения. 
Сформулирована задача выбора оптимальной стратегии реали-
зации сценария комплексной отладки программного обеспечения 
бортовых комплексов управления космических аппаратов, опреде-
ляющая состав и последовательность отлаживаемых подструктур 
комплекса программ и обеспечивающая оптимизацию показателей 
качества. Рассмотрены общие принципы построения, структура и 
состав наземного комплекса отработки программного обеспечения 
бортовых комплексов управления для различных типов космиче-
ских аппаратов с использованием стендов имитационного модели-
рования на разных этапах жизненного цикла разработки, отработ-
ки и сопровождения бортовых комплексов управления косми-
ческих аппаратов. 

Предисловие                                                  7 

В приложениях рассмотрены вопросы, связанные с орбиталь-
ным движением (законы Кеплера и типы орбит); описаны три ос-
новные группы кинематических параметров (углы Эйлера и Кры-
лова, элементы матрицы направляющих косинусов, компоненты 
кватерниона), а также связь этих параметров; представлены основ-
ные базовые системы координат, используемые в системе управ-
ления движением космических аппаратов. 
Сведения, приведенные в приложениях, использованы в ос-
новном в первой главе, однако они могут использоваться и как са-
мостоятельные данные. 
Автор выражает благодарность президенту МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана академику РАН И.Б. Федорову и ректору МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана профессору, доктору технических наук А.А. Александрову за 
содействие в издании и решении организационных вопросов. 
Отдельную благодарность автор выражает доценту кафедры  
«Системы автоматического управления» И.В. Дунаевой за помощь 
при подготовке рукописи. 
Автор также благодарит за помощь в создании книги коллег: 
сотрудников РКК «Энергия» имени С.П. Королёва, кафедры «Си-
стемы автоматического управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана и 
лично академика РАН В.П. Легостаева, члена-корреспондента 
РАН С.Ю. Желтова,  кандидата технических наук, профессора 
В.В. Зеленцова за внимательное отношение к книге и за рекомен-
дации, сделанные при обсуждении рукописи, следование которым 
позволило улучшить данное учебное пособие. 
Автор надеется, что учебное пособие окажется полезным не 
только студентам старших курсов и аспирантам соответствующих 
специальностей, но и специалистам по системам управления кос-
мических аппаратов, вычислительным системам и комплексам, а 
также информатике и программному обеспечению информацион-
но-управляющих систем и для всех интересующихся вышепере-
численными дисциплинами. 
 
 
 
 
 
 
 

Список основных сокращений 
 

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

АРМ 
— автоматизированное рабочее место 

АКА 
— автоматический космический аппарат 

АС 
— Американский сегмент 

АСН 
— аппаратура спутниковой навигации 

АСС 
— аппаратура сбора сообщений 

БИНС 
— бесплатформенная инерциально-навигационная система 

БИТС 
— информационная телеметрическая система 

БИТС 
2-12 
— бортовая информационно-телеметрическая система 
(радиотелеметрическая система) 

БИТС 
ПВД 
— подсистема выдачи данных БИТС 2-12

БИТС 
ППМ 
— подсистема приема массивов БИТС 2-12

БКУ 
— бортовой комплекс управления 

БРТК 
— бортовой радиотехнический комплекс 

БС 
— бортовая система 

БСК  
— блок силовой коммутации 

БУБК 
— блок управления бортовым комплексом 

БЦВМ — бортовая цифровая вычислительная машина в составе 

БЦВС 

БЦВС 
— бортовая цифровая вычислительная система 

ГИВУС — гироскопический измеритель вектора угловой скорости 

ГСК 
— гринвичская система координат 

Список основных сокращений                                     9 

ДО 
— двигатель ориентации 

ДОС 
— долговременная орбитальная станция 

ДПО 
— двигатели перемещения и ориентации 

ДУ 
— двигательная установка 

ЕКА 
— Европейское космическое агентство 

ЗУ 
— запоминающее устройство 

ИД 
— исходные данные 

ИКВ 
— инфракрасная вертикаль 

ИИО 
— инерционные исполнительные органы  

ИО 
— информационное обеспечение 

ИСЗ 
— искусственный спутник Земли 

ИСК 
— инерциальная система координат  

ИТС 
— информационно-телеметрическая система 

ИУС 
— информационно-управляющая система 

КА 
— космический аппарат 

КД 
— корректирующие двигатели 

КПИ 
— командно-программная информация 

КПО 
— компонент программного обеспечения 

КС 
— комплексный стенд 

КСК 
— контроллер сетевых каналов 

КСР 
— коммутатор согласующих регистров 

КУ 
— команда управления 

КЦП 
— компьютер центрального поста 

ЛКИ 
— летно-конструкторские испытания 

МДМ 
— мультиплексор-демультиплексор 

МИМ 1 — малый исследовательский модуль 1 («Рассвет») 

МИМ 2 — малый исследовательский модуль 2 («Поиск») 

МЛМ 
— многоцелевой лабораторный модуль («Наука») 

МКО 
— мультиплексный канал обмена (шина данных) 

Список основных сокращений 
 

ММ 
— математические модели 

НА 
— наземная аппаратура 

НИО 
— наземное испытательное оборудование 

НИП 
— наземный измерительный пункт  

НКО 
— наземный комплекс отработки 

НКУ 
— наземный комплекс управления 

НШС 
— нештатная ситуация 

ОДУ 
— объединенная двигательная установка 

ОЗУ 
— оперативное запоминающее устройство 

ОНА 
— остронаправленная антенна 

ОС 
— операционная система 

ОСК 
— орбитальная система координат 

ОСРВ 
— операционная система реального времени 

ОТР 
— организационно-техническое решение 

ПЗУ 
— программное запоминающее устройство 

ПК 
— программный компонент 

ПМ 
— программный модуль 

ПМИ 
— программа и методика испытаний 

ПО 
— программное обеспечение 

ПРМ 
— приемное устройство (с модуляцией) 

ПСИ 
— приемо-сдаточные испытания 

ПСК 
— приборная система координат  

РВ 
— реальное время 

РК 
— релейная команда 

РКТ 
— ракетно-космическая техника 

РМ 
— рабочее место 

РС 
— Российский сегмент 

РСУС 
— радиотехническая система управления и связи 

САПР 
— система автоматизированного проектирования