Структурно-параметрический синтез многофункциональных космических систем на основе микроспутников дистанционного зондирования Земли

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МИКРОСПУТНИКОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

С.В. ПУШКАРСКИЙ, НИИ космических систем ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, канд. техн. наук

Известно [1], что первоначальным стимулом возникновения и развития космонавтики были задачи специального и военного назначения, для решения которых создавались и запускались космические аппараты. Однако уже в первые десятилетия практической космонавтики (1960-1970 гг.) наметилась устойчивая тенденция перехода от использования одиночных космических аппаратов к созданию и эксплуатации постоянно функционирующих на орбитах космических систем. Причем этот закономерный переход произошел очень быстро и носил лавинообразный характер. Уже к середине 80-х годов XX столетия соотношение одиночных космических аппаратов и постоянно функционирующих на орбитах космических систем составляло один к десяти. Закономерность этого перехода обусловлена насущной необходимостью использования таких возможностей этих систем, как оперативное получение информации из любой точки земного шара и передача ее потребителю практически в реальном масштабе времени.

Специализированные крупномасш-

табные космические системы постоянно расширяли спектр решаемых задач, охватывая все большее количество отраслей экономики и научных направлений. В середине 90-х годов, реализуя экономическую целесообразность освоения космоса, наряду со специализированными системами стали создаваться многофункциональные космические системы, включающие удовлетворение потребностей гражданского общества.

Особенно ярко это проявилось в обеспечивающей в этот период наибольшие выгоды области космической деятельности - спутниковой связи.

Обострившаяся к середине 90-х годов конкуренция за сферы влияния на рынке по предоставлению услуг связи с использованием космических средств, стремление охва-

niiks@khrunichev. com тить большее число потребителей привели к созданию космических систем, которые позволяют решать комплексные задачи, например, абоненту подвижной спутниковой связи пользоваться навигационными данными или осуществлять передачу формализованных данных, передачу данных дистанционного зондирования Земли, осуществлять связь между компьютерными сетями.

Примером системы, сочетающей функции дистанционного зондирования Земли и передачи данных является система ARGOS. Аппаратура этой системы, размещенная на метеорологических КА NOAA, принимает сигналы абонентских передатчиков и переносит обработанные данные в центр мониторинга, где производится окончательное вычисление их координат. Дополнительно к данным о позиции абонента центр мониторинга получает информацию дистанционного зондирования Земли.

С точки зрения обслуживания большого числа абонентов основным фактором, ограничивающим эффективность системы ARGOS, является ограниченное количество спутников в составе космического сегмента. В общем случае отличительной особенностью современных многофункциональных космических систем можно считать либо относительно большое (несколько десятков) количество спутников, располагаемых на низко- или средневысотных орбитах, либо одновременное использование в составе системы высокоорбитальных и низкоорбитальных космических аппаратов, то есть использование сложной орбитальной структуры космического сегмента.

Так, космический сегмент системы спутниковой связи GLOBALSTAR включает 48 ИСЗ, расположенных на восьми средневысотных круговых орбитах. Орбитальная структура предполагает глобальную зону обслуживания, ограниченную 70° с.ш. и 70°

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

143

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ю.ш. для большинства пользователей. Многофункциональность системы проявляется в том, что подвижные и персональные абоненты системы наряду с услугами телефонных сетей могут обеспечиваться передачей данных (включая FAX, Paging), а также данными местоположения.

Начало XXI века ознаменовалось появлением многофункциональных космических систем на основе космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Многофункциональные космические системы, как правило, являются международными. Это определяется как размерностью охватываемых территорий, так и значительной стоимостью систем.

Примерами таких многофункциональных космических систем являются:

- международная система мониторинга чрезвычайных ситуаций DMC, создаваемая и эксплуатируемая Великобританией, Алжиром, Турцией, Китаем, Таиландом и Нигерией;

- система предупреждения о катастрофах и стихийных бедствиях «Страж Азии», создаваемая под патронажем Японии с участием 18 стран Азиатско-Тихоакеанского региона;

- многофункциональная космическая система Союзного государства (МФКС) [2].

Эта многофункциональная космическая система должна обеспечить создание технических предпосылок для решения задач формирования единого информационного пространства России и Беларуси, рационального использования природных ресурсов, развития навигации и телекоммуникаций, проведения экологического мониторинга земной поверхности, эффективного использования транспорта и повышения качества гидрометеорологических прогнозов.

По результатам выполнения научнотехнических программ Союзного государства в НИИ космических систем ГКНПЦ им. М.В. Хруничева совместно с белорусской стороной разработана Концепция создания многофункциональной космической системы (МФКС) Союзного государства, которая одобрена на расширенном заседании научно-технического совета Роскосмоса с участием представителей Постоянного Комитета Союзного го-

сударства и заинтересованных организаций России и Беларуси. Концепция утверждена Руководителем Федерального космического агентства и Председателем Президиума академии наук Беларуси.

Целью создания МФКС является эффективное развитие и совместное использование космического потенциала Беларуси и России в интересах решения оборонных, социально-экономических и научных задач, стоящих перед Союзным государством, на основе создания общего научно-технического и информационного пространства в области внедрения результатов космической деятельности в повседневную жизнь и создания единой технологической базы для космической техники.

Основные области применения МФКС:

- обеспечение потребителей России и Беларуси мониторинговой информацией;

- обеспечение высокоточного определения местоположения стационарных и подвижных объектов, контроля и управления подвижными средствами на территории России и Беларуси;

- расширение возможностей получения знаний по ракетно-космическим специальностям гражданами России и Беларуси, проживающими вдали от крупных образовательных центров.

В состав многофункциональной космической системы Союзного государства войдут орбитальный и наземный сегменты.

В орбитальном сегменте многофункциональной космической системы планируется использование перспективных микроспутников ДЗЗ «Союз-Сат-О» с бортовой аппаратурой нового поколения [3]. Масса таких микроспутников находится в пределах 100-120 кг. Выбор микроспутников в качестве ключевых элементов космического сегмента МФКС связан с определяющей тенденцией развития космической техники на современном этапе, которая предполагает существенное сокращение затрат на разработку, развертывание и эксплуатацию космических систем путем микроминиатюризации, внедрения новых технологий, включая микро- и нанотехнологии, и перехода к мини- и микроспутникам и ракетам-носителям легкого класса.

144

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Разрешение 10 км f

1 км

Гелиогеофизика Метеорология Экология планеты

100 м

10 м

1 м 0,5 м 1 ч

Разрушительные природные процессы контроль газо и нефтепроводов

1 сут.

Природопользование Сельское, лесное хозяйство Региональная экология

Градостроительство Прокладка трасс трубопроводов

1 мес.

Период

1 год

Рисунок. Основные требования потребителей к многофункциональной космической системе с микроспутниками ДЗЗ «Союз-Сат-О»

Помимо микроспутников в орбитальном сегменте будут функционально использоваться существующие отечественные и зарубежные КА дистанционного зондирования Земли, навигации, связи и ретрансляции.

Полный состав орбитальной группировки МФКС планируется довести до штатного - 12 микроспутников «Союз-Сат-О».

На рисунке представлен спектр задач, решаемых многофункциональной космической системой с использованием семейства микроспутников «Союз-Сат-О».

В результате совместной эксплуатации МФКС Россия и Беларусь должны выйти на принципиально новый уровень сотрудничества в космической области.

Экономические процессы создания и использования МФКС ориентированы, прежде всего, на использование рыночных механизмов. Следовательно, разработка и использование МФКС как субъекта мирового рынка информационных услуг подразумевает получение реального экономического эффекта.

Экономический эффект от использования МФКС следует ожидать уже в процессе ее развертывания начиная с 2009 г. [4]

Оценка экономического эффекта от создания и применения МФКС проведена по отдельным направлениям с использованием метода экспертных оценок.

Экономические результаты использования МФКС в зависимости от рассматриваемого направления могут быть выражены в форме либо прямого, либо опосредованного эффекта. Получение прямого экономического эффекта планируется от следующих мероприятий:

- продажа мониторинговой информации, получаемой с использованием «Системы обеспечения потребителей мониторинговой информацией» (СОПМИ) на договорной основе;

- продажа аппаратуры мобильных комплексов обеспечения мониторинговой информацией на договорной основе;

- коммерческая продажа услуг «Интегрированной навигационно-информационной системы» (ИНИС).

Опосредованный экономический эффект создания и использования МФКС может быть оценен как:

- предотвращение ущерба за счет своевременного обеспечения государственных структур России и Беларуси максимально полной информацией о прогнозируемых и уже состоявшихся стихийных бедствиях, авариях и катастрофах (предполагается снижение себестоимости работ по предотвращению и ликвидации аварий и катастроф на 20 %);

- снижение затрат на развертывание и поддержание орбитальной группировки микроспутников МФКС Союзного государства по

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

145

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

отношению к альтернативным КА в составе орбитальной группировки МФКС (экономическая эффективность использования средств на поддержание орбитальной группировки микроспутников ДЗЗ составит порядка 12701400 млн руб. в течение 5-7 лет);

- обеспечение оптимизации грузопотока по направлению Москва-Минск-Брест за счет совместного использования СОПМИ и ИНИС (планируемый рост объемов перевозок в направлении Запад-Восток составит 15-20 %; на 30 % увеличится скорость доставки пассажиров и грузов по территории Союзного государства);

- совершенствование общеобразовательной системы Союзного государства с акцентом на кадровое обеспечение предприятий и организаций космической отрасли за счет создания системы дистанционного обучения специалистов (сокращение на 30-35 % затрат относительно традиционных форм обучения);

- создание технических предпосылок для укрепления позиций стран Союзного государства на мировом рынке космических технологий;

- создание постоянных высококвалифицированных рабочих мест на предприятиях и организациях России и Беларуси;

- создание упреждающего научно-технического задела в области космических технологий.

Многофункциональная космическая система Союзного государства сможет обеспечить решение перечисленных выше задач в пределах Республики Беларусь и большей части европейской территории России. Огромная часть Российской Федерации на территории Сибири и Дальнего Востока окажется при этом неохваченной. Следует отметить, что на указанных территориях России расположены громадные природные богатства. В экономическое развитие этих территорий будут вкладываться значительные материальные средства. Все это диктует необходимость расширения зоны действия многофункциональной космической системы на Восток.

Разработанная в рамках создания МФКС Союзного государства Концепция создания космической системы на основе мик-

роспутников нового поколения обосновывает основные принципы построения системы и ее применения и может быть использована при формировании системы взглядов на облик российской Многофункциональной космической системы в рамках перспективной 40-летней космической программы России.

Многофункциональную космическую систему России, так же как и систему Союзного государства, целесообразно создавать в составе трех составляющих систем:

- единой системы обеспечения потребителей мониторинговой информацией;

- интегрированной навигационно-информационной системы;

- системы дистанционного обучения.

Единая система обеспечения потребителей мониторинговой информацией предназначена для:

- обеспечения космической информацией федеральных и территориальных органов исполнительной власти, а также других организаций потребителей космической информации России, в том числе и на коммерческой основе;

- контроля погодообразующих и климатообразующих факторов для достоверного прогнозирования погоды и изменения климата, в том числе и в околоземном космическом пространстве;

- контроля состояния источников загрязнения атмосферы, воды и почвы с целью обеспечения природоохранных органов федерального и регионального уровней информацией для принятия управленческих решений;

- оперативного контроля чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера для эффективного планирования и своевременного проведения мероприятий по ликвидации их последствий;

- информационного обеспечения проведения земельной реформы, рационального землепользования и хозяйственной деятельности;

- контроля целевого расходования вкладываемых средств в отечественную экономику;

- создания динамической модели Земли с целью прогнозирования нарушений экологи-

146

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ческого баланса и разработки мероприятий по сохранению среды обитания человека.

Интегрированная навигационно-информационная система предназначена для высокоточного координатно-временного обеспечения стационарных и подвижных объектов, обеспечения контроля и управления подвижными средствами с территориально распределенных диспетчерских центров и пунктов при использовании в системах слежения и диспетчерского управления транспортом.

Система дистанционного обучения предназначена для предоставления обучающимся непосредственно по месту жительства или работы возможности освоения образовательных программ с использованием космических технологий.

В наземном сегменте Многофункциональной космической системы России представляется целесообразным использовать такие научно-технические результаты, полученные в программах Союзного государства серии «Космос», как:

- элементы единой системы обеспечения космической информацией;

- элементы интегрированной навигационно-информационной системы повышенной точности;

- научно-технический задел по новым материалам и элементам и др.

В космическом сегменте Многофункциональной космической системы России целесообразно использовать научно-технический задел по ключевым элементам бортовых специальных и служебных систем микроспутника нового поколения, полученный при выполнении программ серии «Космос».

На базе данного задела могут быть в кратчайшие сроки созданы микроспутники ДЗЗ. В дальнейшей перспективе этот задел может быть использован для создания микроспутников связи и ретрансляции, а также перспективной космической навигационной системы.

Таким образом, обеспечивается возможность формирования орбитальной группировки перспективной Многофункциональной космической системы России на основе микроспутников нового поколения.

Для создания и эффективной эксплуатации необходимо новое поколение специалистов, обладающих специальными знаниями в области ракетно-космической техники. Решение этой проблемы предполагается путем создания на базе Многофункциональной космической системы России системы дистанционного обучения с использованием спутниковых каналов связи.

Научно-технический задел, созданный в рамках работ по созданию МФКС Союзного государства, может быть также использован при создании Международной многофункциональной космической системы глобального мониторинга и информационного обеспечения.

Международная многофункциональная космическая система глобального мониторинга и информационного обеспечения будет создаваться в интересах решения задач дистанционного зондирования Земли, гидрометеообеспечения, навигационного обеспечения, связи и ретрансляции данных, глобального дистанционного обучения.

Основными задачами дистанционного зондирования Земли являются:

- экологический мониторинг окружающей среды и отдельных критически важных объектов мирового сообщества в интересах предупреждения и ликвидации последствий катастроф и чрезвычайных ситуаций;

- изучение Мирового океана и контроль ледовой обстановки;

- исследование природных ресурсов

Земли;

- глобальное картографирование земной поверхности.

Основными задачами гидрометеообеспечения являются:

- непрерывное наблюдение за развитием глобальных атмосферных процессов;

- контроль состояния поверхности Земли и океана и масштабов деятельности человека в интересах прогнозирования метеообстановки и предупреждения о катастрофических явлениях.

Основными задачами навигационного обеспечения являются:

- оперативный контроль местоположения подвижных объектов;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

147

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

- создание зон сверхточной навигации в интересах решения задач кадастровой деятельности, контроля состояния крупногабаритных конструкций.

Основными задачами связи и ретрансляции будут являться:

- повышение пропускной способности и качества сетей магистральной, зоновой и местной связи в различных регионах Земли;

- создание международных систем персональной связи нового поколения;

- создание глобальной системы связи со всеми классами подвижных объектов;

- глобальный охват теле- и радиовещанием всей территории Земли.

Основными задачами глобального дистанционного обучения будут являться:

- расширение возможностей получения образования по политехническим специальностям гражданами всего мира, проживающими вдали от крупных образовательных центров;

- повышение квалификации работников за счет привлечения преподавателей мирового уровня из ведущих учебных заведений.

Орбитальное построение международной многофункциональной космической системы глобального мониторинга и информационного обеспечения предусматривает наличие трех ярусов:

- низкоорбитального, основу которого будут создавать КА ДЗЗ и связи;

- среднеорбитального, основу которого составляют КА навигации;

- высокоорбитального, основу которого составляют КА связи, ретрансляции и гидрометеообеспечение.

Многофункциональность предлагаемых отечественной и международной космических систем, в основе построения орбитальных группировок которых используются микроспутники нового поколения, функционирующие на разных ярусах, позволяет обеспечивать глобальный, непрерывный, комплексный контроль за объектами, процессами или явлениями, происходящими на земной и водной поверхностях, в атмосфере и в космическом пространстве. Оперативно обеспечивается координатная и временная привязка полученной информации и доставка ее потребителю.

Международная многофункциональная космическая система глобального мониторинга и информационного обеспечения может быть использована, кроме России, прежде всего в интересах нашего юго-восточного соседа Китая, переживающего бурное экономическое развитие, Индии и других стран Юго-Восточной Азии.

Следует отметить, что создание российской многофункциональной космической системы и Международной многофункциональной космической системы глобального мониторинга и информационного обеспечения потребует больших материальных затрат. Вместе с тем, учитывая бурное экономическое развитие указанных регионов, даже значительные затраты будут, безусловно, оправданы.

Дальнейшим этапом освоения космоса должна стать его индустриализация. Существенными чертами индустриализации космоса, вероятно, будет еще более тесное объединение всех космических систем в едином взаимосвязанном комплексе и переход от «производства информации» к материальному производству в космосе. Значительное место в этом процессе будут занимать многофункциональные космические системы вследствие их технологической и коммерческой привлекательности.

Космонавтика - отрасль, которая традиционно сосредотачивает все передовые достижения науки и техники, динамично превращается в одну из наиболее технологичных и рентабельных отраслей современной экономики.

Библиографический список

1. Киселев, А.И. Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы / А.И. Киселев, А.А. Медведев, В.А. Меньшиков. - М.: Машиностроение, 2002. - 733 с.

2. Пушкарский, С.В. Прикладное использование космической информации// История Союзного государства / С.В. Пушкарский. - М.: Российский космос. - 2004. - С. 148-155.

3. Спутниковая система для Союзного государства. - М., 2006. - Т. 16. - № 11(286).

4. Меньшиков, В.А. Многофункциональная космическая система Союзного государства / В.А. Меньшиков, М.И. Макаров, С.В. Пушкарский. - М.: НИИ КС, 2007. - 479 с.

148

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008