Обґрунтування та актуальність напряму
Напрям присвячено розв’язанню критичних задач сучасної космонавтики – розробці методів прецизійного автономного управління космічними апаратами (КА) під час зближення, інспектування, стикування та м’якої посадки на небесні тіла. Особливої актуальності дослідження набувають у сфері обслуговування некооперованих космічних об’єктів (що не мають спеціальних докових пристроїв та не видають власної навігаційної інформації), а також для захвату космічного сміття.
Дослідження спрямовані на створення інтелектуального бортового софту та спеціалізованих обчислювальних комплексів, які здатні забезпечити автономність функціонування апаратів в умовах жорсткого дефіциту часу та невизначеності, що суттєво підвищує безпеку місій та знижує матеріальні і часові витрати на їх розробку.
Історія розвитку та промислова кооперація
Витоки напряму закладені у масштабних проєктах Національного космічного агентства України (з 2007 р.) та фундаментальних темах Президії НАН України під керівництвом засновника школи, академіка В. М. Кунцевича (1929–2022).
Напрям зародився як відгук на актуальну прикладну проблему створення надійного програмного забезпечення прецизійних систем управління сучасними і перспективними космічними апаратами на основі нових досягнень теорії керування. Початковою метою став розвиток конструктивного математичного апарату та алгоритмів, що реалізуються в спеціалізованих обчислювальних комплексах для інтелектуальної підтримки автономної навігації. Це дозволило значно скоротити матеріальні і часові витрати на проектування систем орієнтації КА широкого призначення.
Унікальною перевагою напряму була глибока науково-виробнича інтеграція фахівців інституту з легендарним Науково-виробничим об’єднанням «ХАРТРОН» – провідним вітчизняним розробником систем управління ракетно-космічною технікою. Результатом цієї кооперації став перший варіант спеціалізованого обчислювального комплексу (ОК) автономної навігації.
В 2016 році В.Ф. Губарев, М.М. Сальніков, С.В. Мельничук (стаття) отримали вагомі результати у розвитку нового способу керування КА з використанням відеозображень для визначення відносного розташування двох космічних кораблів. Активний практичний розвиток напрям набув із перших фундаментальних досліджень та створення теоретичних засад систем технічного зору (СТЗ) для керування космічними апаратами. Вагомий внесок у становлення цих методів та моделювання відносного просторового руху КА зробив видатний учений відділу – д.т.н. В. В. Волосов (1942–2024).
Важливою віхою в отриманні результатів став комплекс унікальних натурно-технічних та експериментальних досліджень, проведених у тісній кооперації із ПАТ НВК “Курс” (на етапі його активного функціонування). Ці спільні випробування дозволили експериментально підтвердити працездатність математичних моделей на реальних фізичних макетах.
Ключові науково-інженерні завдання та архітектура напряму
В межах напряму виконується комплексне вирішення таких взаємопов’язаних завдань:
- Теорія польоту космічних апаратів (орбітальна механіка): розрахунок кінематики та балістики відносного просторового руху об’єктів на орбіті.
- Математичне моделювання та синтез оптимальних алгоритмів керування: створення ефективних законів та програм кутового руху і причалювання КА під час виконання стикувальних маневрів.
- Методи оцінювання вектора стану динамічних систем: обчислення поточних координат, кутових швидкостей та тензорів інерції об’єктів в умовах дефіциту вимірювальних даних.
- Розвиток математичних методів обробки візуальних даних: створення робастних алгоритмів фільтрації та розпізнавання образів для стабільної роботи СТЗ навіть в умовах неповної видимості чи складної освітленості космічного об’єкта.
- Комп’ютерне моделювання динамічних систем (візуальна імітація): раніше фахівцями відділу було успішно виконане комп’ютерне статичне моделювання просторових станів. На сучасному етапі розробляється комплексна динамічна імітація процесів стиковки та захоплення космічного сміття для наочної демонстрації, проведення апробації результатів розрахунків та експертної перевірки роботи алгоритмів керування в реальному часі.
Новітній розвиток теоретичного апарату (2021–2025 рр.)
Дослідження колективу відділу сформували цілісну систему методів, що активно розвиваються та публікуються у провідних світових виданнях (Elsevier / IFAC, River Publishers, Проблеми керування та інформатики). До найважливіших результатів останніх років належать:
- Модифікований метод еліпсоїдального оцінювання та математичне доведення його властивостей для нелінійних ДС (монографічні праці д.т.н. М.М. Сальнікова, 2024–2025 рр.).
- Алгоритми оцінювання параметрів руху некооперованих космічних об’єктів за одночасними вимірюваннями орієнтації та відстані (розробки С. В. Мельничука, д.т.н. М.М. Сальнікова, 2024–2025 рр.).
- Математичне моделювання та синтез керування відносним просторовим рухом космічних апаратів безпосередньо у процесі причалювання та посадки (праці д.т.н. В.В. Волосова (1942-2024), к.т.н. В.М. Шевченка, 2021–2023 рр.).
- Математичне вирішення особливих випадків (Singular Cases) при визначенні просторового положення та кутового нахилу КА засобами комп’ютерного зору (колектив авторів під керівництвом член-кор. НАН України В.Ф. Губарєва, 2021 р.).
Практичне значення
Розроблені методи, алгоритми та архітектурні принципи побудови спеціалізованих обчислювальних комплексів складають теоретичну основу для проектування систем управління автономних транспортних модулів, міжпланетних зондів та перспективних багаторазових космічних систем нового покоління.