Постановка задачи моделирования и синтеза МФКС

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

2. Хумала, А.Э. Оценка возможности применения аэрокосмических методов для мониторинга лесного покрова в Национальном парке «Водлозерс-кий» / А.Э. Хумала, А.В. Полевой, В.С. Шалаев и др. // Материалы научно-практической конференции, посвященной 15-летию НП «Водлозерский». - Петрозаводск, 2006. - С. 106-112.

3. Козодеров, В.В. Методы оценки состояния почвенно-растительного покрова по данным оптических систем дистанционного аэрокосмического зонди-

рования / В.В. Козодеров, Т.В. Кондранин. - М.: МФТИ, 2008. - 222 с.

4. Общесоюзные нормативы для таксации лесов: справочник. - М.: изд-во «Колос», 1992. - 495 с.

5. Hall F.G., Sellers P.J., MacPherson J.I. et al. FIFE: analysis and results: a review. //Adv. Space Res. -1989. - No.9. - p.275-293.

6. Kozoderov V.V., Deering D.W., Guess Editors. The Kursk-91 Experiment (KUREX-91)// Remote Sensing Reviews. 1998 - v.17, No.1-4.- Р.336.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И СИНТЕЗА МФКС

С.В. ПУШКАРСКИИ, с. н. с. НИИ космических систем, канд. техн. наук

Одной из задач системного проектирования космических систем является математическое моделирование с целью получения рекомендаций по выбору структуры и параметров системы, т.е. синтез. В данной статье объектом исследования будет многофункциональная космическая система (МФКС) - совокупность согласованно действующих и функционально взаимосвязанных космических аппаратов (КА) и наземных технических средств, предназначенная для решения целевых задач (рис. 1). Такими задачами для МФКС могут быть исследова-

niiks@khrunichev. com

ния природной среды, в том числе ресурсов Земли, экологический контроль, наблюдения за метеорологическими процессами, чрезвычайными ситуациями и др., входящими в комплекс задач дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Такие системы являются сложным техническим системам, т.к. компоненты космической системы (КС) представляют собой технические устройства и системы различной физико-технической природы (КА, наземные радиостанции, ЭВМ, сооружения и оборудование стартового комплекса, ракеты-носители и др.) [1, 2].

Рис. 1. Состав космической системы

40

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Рис. 2. Алгоритм неформализованных исследований при постановке задачи синтеза системы

Сложные технические системы представляют собой принципиально новые объекты проектирования, требующие разработки системы в целом - системного проектирования, которое является многоэтапным итерационным процессом. Оно включает в себя

этап определения целей и задач системы, требований к системе и основных ограничений на технические, организационные и экономические решения, в рамках которых должна в дальнейшем разрабатываться система (например, для КС такими ограничениями

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010

41

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

могут быть тип ракеты-носителя, срок создания КС, допустимые затраты на ее создание). Результаты исследований в виде технических требований на создаваемую систему дают возможность приступить к следующему этапу проектно-исследовательских работ - к разработке технических предложений. Задача системного проектирования на этом этапе состоит в формировании требований и ограничений, в рамках которых будет проходить эскизное проектирование системы. При этом уточняются облик системы, ее структура и тип каждого компонента, устанавливаются диапазоны изменения их основных параметров, обеспечивающие выполнение системой ее целевого назначения. Итогом этих работ является системный проект и технические задания на эскизное проектирование компонентов системы. Решения, принятые при системном проектировании, особенно важны, так как они определяют эффективность, стоимость, эксплуатационные качества будущей системы и всю ее дальнейшую «жизнь».

Методологию процесса постановки задачи синтеза системы можно представить в следующем виде.

Сначала это постановка задачи в первоначальном виде, затем некоторое ее развитие или расширение с целью лучшего понимания задачи и, наконец, некоторое ее сужение к решаемой задаче, связанное с выбором конкретного пути решения - построения и исследования модели.

Во втором, организационном, аспекте рассматривается план решения задачи. Принимаются во внимание условия выполнения задачи: располагаемые сроки и ресурсы (финансирование, штаты исполнителей экспериментальная база, информационное обеспечение, вычислительные средства и машинное время, помещение). Ограниченные сроки и ресурсы часто заставляют упрощать постановку задачи и уменьшать объем исследований.

На рис. 2 представлена одна из возможных схем алгоритма неформализованных исследований при постановке задачи синтеза системы.

Космическая система в процессе функционирования выполняет операции трех видов:

- построение сети КА;

- управление орбитальной структурой сети КА;

- выполнение целевых задач МФКС.

Построение сети КА состоит в выведении КА на орбиты, близкие к расчетным, с последующей коррекцией орбит. Орбитальная структура нарушается также при случайны отказах бортовых систем КА или при израсходовании рабочего тела системы ориентации (СО) или корректирующей двигательной установки (КДУ), в результате чего КА перестает выполнять свои задачи. Чтобы МФКС оставалась пригодной к выполнению своего назначения в течение заданного срока активного существования, необходимо управлять орбитальной структурой сети КА путем ее восполнения новыми КА и коррекции орбит КА с достаточно высокой точностью.

Для коррекции орбиты необходимо иметь КДУ с достаточно высокой точностью выдачи корректирующего импульса и достаточный запас рабочего тела. Случайные погрешности корректирующего импульса затрудняют сохранение орбитальной структуры. Чем больше запас рабочего тела на коррекцию, тем дольше КА будет управляемым и тем меньшее число КА потребуется для обеспечения заданного времени функционирования МФКС.

Контроль за состоянием орбитальной структуры, управление коррекциями орбит и заменой КА осуществляет наземный автоматизированный комплекс управления (НАКУ). Большое значение для обеспечения работоспособности МФКС имеют алгоритмы управления сетью КА (восполнением числа КА и коррекцией их орбит), пропускная способность НАКУ, от которой зависит возможное число управляемых КА в сети, и другие характеристики НАКУ.

Цель МФКС - получение специальной информации для потребителей - достигается с помощью функционирования многих компонентов МФКС и прежде всего аппаратуры наблюдения (АН) - одной из бортовых систем КА. Именно от ее характеристик зависит выполнение ряда требований к МФКС, определяющих ее эффективность. Качество получаемых АН изображений зависит как от свойств АН, так и от внешних условий на-

42

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

блюдения (освещенность, облачность, дымка, блики Солнца, другие внешние помехи).

В процессе наблюдения оптическая ось АН должна быть ориентирована в пространстве некоторым заданным образом, что осуществляется системой ориентации и стабилизации КА. Например, может использоваться управление ориентацией КА с целью более полного наблюдения заданного района. Иногда можно полагать, что ориентация оптической оси АН должна быть неизменной и определяться в зависимости от особенностей объектов наблюдения и АН.

Получаемая на борту КА информация должна быть передана потребителю в систему обеспечения потребителей мониторинговой информацией (СОПМИ). Этот процесс может осуществляться в режиме непосредственной передачи, а также с промежуточным запоминанием. Для этих целей используется бортовое запоминающее устройство (БЗУ). Возможности передачи изображения в том или ином режиме зависят, с одной стороны, от таких характеристик БЗУ, как его емкость, наличие системы предварительной обработки информации, число каналов, скорость передачи информации и др. Все эти характеристики находятся в прямой зависимости от массы бортового запоминающего устройства (БЗУ). С другой стороны, возможность передачи изображения определяется параметрами СОПМИ, числом и местоположением пунктами приема информации (ППИ) и их информационными характеристиками. Если для передачи информации в качестве ретрансляторов используются КА связи, то их характеристики также могут играть весомую роль. В конечном итоге от всех этих характеристик зависит оперативность передачи специальной информации от КА в СОПМИ.

Качество (или достоверность) информации зависит от характеристик процесса получения и передачи информации - от того, сколько КА одновременно осуществляют наблюдение, насколько качественно работает АН каждого КА, каковы внешние условия наблюдения, не засвечен ли объектив Солнцем, осуществляется ли наблюдение именно заданного района (поскольку последнее зависит от орбитальных параметров КА, то

повлиять на него можно проведением соответствующих коррекций, улучшив тем самым информационные возможности каждого КА). Достоверность информации, поступающей к потребителю, зависит также от характеристик СОПМИ, помех и искажений в радиотракте, алгоритмов обработки информации и т.д.

Цель системы непосредственно влияет на технический облик создаваемой системы, ее состав, структуру и характеристики. Поэтому определение и обоснование цели системы ее заказчиком является очень важным этапом проектирования системы.

Можно выделить следующие основные области применения КС ДЗЗ:

1) прогноз погоды и климата;

2) экологический мониторинг за распространением загрязнений во всех трех основных природных сферах (атмосфера, поверхность суши, водная среда);

3) мониторинг чрезвычайных ситуаций;

4) информационное обеспечение хозяйственной деятельности;

5) навигационно-информационная система, используемая в системах слежения и диспетчерского управления транспортом и обеспечения потребителей высокоточной навигационной информацией.

Чтобы при синтезе системы сравнивать альтернативные варианты ее структуры и параметров системы и рекомендовать наиболее предпочтительный вариант, необходимо предварительно выбрать показатели качества и эффективности и критерий предпочтения.

Цели, показатели и критерий являются взаимосвязанными понятиями. Цель, как более общее понятие, определяет требуемый совокупный результат функционирования системы, который описывается требованиями, предъявляемыми к системе.

При выборе показателей учитывается, что показатель должен:

1) обеспечивать оценку выполнения соответствующего требования, предъявляемого к системе;

2) быть чувствительным к анализируемым вариантам системы, в частности, к выбираемым параметрам;

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010

43

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

3) быть достаточно простым и наглядным, иметь ясный физический смысл, чтобы у лица, принимающего решение, не возникало затруднений при физической интерпретации результатов исследования.

В начале постановки задачи требования к системе могут быть сформулированы в достаточно общем виде: в качественных понятиях, словесно. Однако для дальнейшего исследования - выбора критерия предпочтения и моделирования - технические требования обязательно должны быть выражены в конкретных количественных показателях желаемого результата.

Если для оценки выполнения поставленной цели сформулирован n-мерный вектор показателей Q = {q}, i = 1.. .и, то каждый из показателей q должен удовлетворять одному из следующих условии:

1) q. = qi0 т.е. показатель q. должен быть равен некоторой заданной величине q

2) q > q или q < q

3) q ^ min (max), т.е. показатель q должен быть минимально (максимально) возможным.

Среди возможных показателей будем различать показатели качества, эффективности и затрат ресурсов.

Показатели качества q - количественные характеристики свойств системы, обеспечивающих пригодность системы к выполнению своего назначения. Например, периодичность наблюдения и разрешающая способность МФКС.

Требования к качеству системы задаются в форме ограничений соответствующих показателей:

1) qjk = qj kmax; 2) qnk > qkmin'

Эти требования обязательны для любых альтернатив системы.

Показатели эффективности q - количественные характеристики требований к эффективности системы, служащие для выбора наилучшей альтернативы из всех пригодных. Например, показателями эффективности МФКС могут быть производительность и оперативность МФКС.

Особую роль играют показатели, оценивающие затраты ресурсов. Для создания

и эксплуатации любой системы необходимы определенные затраты ресурсов (денег, оборудования, материалов, энергии, рабочей силы и т.д.). Для каждой из альтернатив достижения цели системы требуются свои затраты ресурсов, чаще всего оцениваемые показателем стоимости создания и эксплуатации системы. В общем случае может оказаться необходимым учитывать кроме стоимости и затраты других материальных ресурсов, главным образом дефицитных.

Условия (1), накладываемые на показатели качества, можно рассматривать как один из компонентов критерия либо как ограничения. И в том и в другом случае задача построения критерия упрощается, так как выявляются показатели, которые следует строго ограничивать.

Применим выбор показателей и критерии предпочтения для МФКС ДЗЗ, предназначенной для наблюдения за территорией России и Беларуси, в соответствии с излагаемым подходом. Этот выбор зависит от цели МФКС. Для определенности предположим, что от МФКС требуется проведение квазинепрерывных наблюдений с высокой оперативностью передачи достоверной информации.

Показатели качества характеризуют пригодность МФКС к выполнению ею своего целевого назначения. К ним следует отнести такие показатели, как геометрические и географические параметры наблюдаемых районов и объектов Врн и периодичность этих наблюдений tпер, спектральные характеристики Sp, пространственное разрешение R, получаемых с помощью МФКС изображений, а также их обзорность $об. Поскольку эти показатели зависят от случайных факторов, то в общем случае можно говорить о вероятности того, что эти показатели принимают те или иные значения.

Как правило, требования к этим показателям задаются в форме ограничений (1). Так, в детерминированной постановке их можно записать в следующем виде.

Показатели качества:

1) наблюдение за территорией России и Беларуси

Врн = В = {Фрн =36°сш. - 80°с.ш V =20° в.д. - 200° в.д.)

44

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

2) проведение наблюдений в видимом, ИК-диапазонах длин волн

3) пространственное разрешение иа местности должно быть R < R0= 10 м

4) Обзорность изображений должна быть S б > S0 = 104 км2

5) периодичность наблюдения

t < t = 0,3 ч.

Показатели эффективности:

6) вероятность получения полной и достоверной информации Р >P0 = 0,8

7) оперативность МФКС должна быть по крайней мере выше периодичности наблюдения: т < т„ = 10 мин

8) время функционирования системы

T, = 10 лет.

ф

Критерий предпочтения: стоимость МФКС при выполнении требований 1-8 должна быть минимальной, т.е. ^ min.

Рассмотрим задачу определения МФКС как объекта моделирования и синтеза на этапе постановки задачи синтеза МФКС. Предположим, что в результате неформального анализа в качестве объекта синтеза определен орбитальный комплекс МФКС. Поскольку МФКС является высокодинамичным стохастическим объектом, то задачу можно решать в два этапа.

На первом этапе будем полагать, что МФКС является «идеальным» объектом, который не испытывает действия возмущений и является детерминированным. На втором этапе учитывается влияние внешних условий (влияние отказов аппаратуры, атмосферы и др. на функционирование КС). В данной статье рассмотрен только первый этап. С целью выявления параметров МФКС и внешней среды, от которых существенным образом зависит выполнение требований, предъявляемых к МФКС, проведем качественный анализ этих требований.

1. Наблюдение за заданным районом. Выполнение требования по наблюдению за районом с границами, заданными их географическими координатами Врн, определяется выбором орбитальных параметров X сети КА, от которых зависит положение трасс КА на поверхности Земли, и угла обзора аппаратуры наблюдения у

Врн = XX Y).

2. Требования к спектральным характеристикам аппаратуры наблюдения. Эти требования могут быть удовлетворены выбором соответствующего типа АН. Часто ставится задача получения изображения в нескольких оптических диапазонах, тогда может использоваться многоспектральная АН.

3. Получение изображения с требуемым пространственным разрешением. Пространственная разрешающая способность на местности R является основным геометрическим показателем качества оптической аппаратуры. Она зависит от типа аппаратуры, ее фокусного расстояния/ разрешающей способности аппаратуры гап или размера элемента разрешения / =1/гап, от прозрачности атмосферы и освещенности, характеризующих внешние условия наблюдения F , от ориентации оптической оси относительно местной вертикали ф, а также от высоты Н орбиты КА-носителя АН

R = RX гап H ^ ф).

Для «идеального» объекта влияние внешних искажений можно не учитывать.

4. Получение снимков заданной обзорности. Выполнение этого требования зависит от высоты орбиты Н, от типа АН, а также от ее фокусного расстояния f и угла обзора у.

5. Проведение наблюдений с заданной периодичностью. Требования к периодичности наблюдения определяются динамическими характеристиками объектов или процессов наблюдения и могут быть выполнены за счет выбора орбитальных параметров X сети КА, а также числа КА в ней N. При этом выбор орбитальных параметров X и числа N из условий требований к периодичности наблюдений зависит от угла обзора аппаратуры у. Тогда для периодичности наблюдений заданных районов и объектов t можно записать

пер

U = f^ N Y).

6. Требование к оперативности МФКС. Все параметры, от которых зависит оперативность топ можно разделить на несколько групп, для чего следует расчленить время на составляющие. Это время обработки информации аппаратурой наблюдения тап, время записи и ожидания информациив тБЗУ время передачи

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010

45

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

информации на ППИ тпер, время обработки информации в СПОИ тобр. Особое место занимает время ожидания тБЗУ Оно зависит прежде всего от взаимного расположения КА и ППИ в момент наблюдения, т.е. от орбитальных параметров сети X и географических координат объекта наблюдения В и ППИ В .

г он пии

Поскольку пропускная способность СОПМИ ограничена, то существенное влияние на время ожидания должно оказать число N одновременно функционирующих КА в системе, а также число ППИ n .

пии

Влияние на тбзу. могут оказать также емкость БЗУ уБЗУ и скорость передачи информации. Тогда для топ можно записать: т = f

Следовательно, оперативность зависит от параметров сети КА, параметров АН, БЗУ и параметров СОПМИ.

7. Требования к полноте и качеству получаемой от МФКС информации. Качество информации, поступающей от МФКС, как характеристика статистическая может оцениваться вероятностью получения достоверной информации. Для каждого КА она зависит прежде всего от вероятности рап получения качественной информации АН и от углов ориентации оптической оси АН относительно вертикали ф и относительно Солнца 0С, так как с этими углами связано появление искажений или засветка объектива. Полнота информации зависит от орбитальных параметров X, определяющих положение зоны обзора относительно заданного района; от характеристик облачности над наблюдаемой территорией Вобл и т.д.

Поскольку информация об одном и том же объекте или районе может быть получена сразу от нескольких КА, входящих в МФКС, то полнота и качество этой информации будут зависеть от взаимного положения КА в сети, т.е. от X, а также от числа КА N в сети. Наконец, оно зависит от вероятности правильного распознавания объектов наблюдения рр в СОПМИ. Тогда вероятность получения полной и достоверной информации от МФКС

РД = ^, X 0С ф, Рап Р^ Вобл).

В детерминированной постановке, которая рассматривается на первом этапе,

наличие случайных параметров и факторов не учитывается. Тогда полнота и качество информации будут также оцениваться как детерминированные события и будут зависеть лишь от полноты накрытия заданного района наблюдения и от засветки объектива лучами Солнца, т.е. от N, X, ф, 0С.

8. Требования к стоимости МФКС и времени ее функционирования. Стоимость МФКС зависит от общего числа КА N , потребных на весь срок функционирования Тф, а также от стоимости носителя Стт и КА С „. Поскольку СКА зависит от массы КА, а та в свою очередь - от характеристик носителя Вн и орбитальных параметров X, то

СМФКС = X ^ СН ,Вн).

Имеется прямая связь между стоимостью МФКС и сроком ее функционирования. Поэтому можно считать, что Tф зависит от тех же параметров, что и СМФКС.

9. Требования к экономической эффективности МФКС. Экономическая эффективность Э может быть отнесена к наиболее важным показателям МФКС. Ее главной особенностью является обобщенный, комплексный характер, т.к. она зависит от целого ряда характеристик системы. Исходя из качественного анализа можно сделать вывод, что экономическая эффективность зависит от стоимости СМФКС, оперативности тап , полноты и достоверности получаемой информации Рд и ряда других характеристик, т.е.

Э = f

К каждому из этих параметров могут предъявляться свои требования.

Итак, в результате анализа требований, предъявляемых к МФКС, в предположении об «идеальности» системы получены качественные зависимости показателей качества, эффективности и стоимости от параметров МФКС. Они позволяют определить состав вектора определяющих параметров объекта синтеза F1 и среды D1. На основе этих результатов может быть определена расчетная структура объекта моделирования, так как в ее состав должны войти лишь те компоненты, чьи параметры вошли в состав определяющих.

Из зависимостей показателей Q от параметров МФКС следует, что МФКС как

46

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010