автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод анализа и обработки траекторной информации для выявления космических объектов риска при оперативном управлении космическими аппаратами

На правах рукописи

МЕТОД АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ТРАЕКТОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ РИСКА ПРИ ОПЕРАТИВНОМ УПРАВЛЕНИИ КОСМИЧЕСКИМИ

АППАРАТАМИ

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

005008289

Работа выполнена в ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» и ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Скорняков Валериан Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, с.н.с.

Егоров Владимир Леонидович

кандидат технический наук, доцент Вартаньян Юрий Арменович

Ведущая организация: Институт прикладной математики им.

М.В.Келдыша Российской академии наук

Защита состоится «ff» 03U _ 2012 г. в <Учасов -З^инут на заседании диссертационного совета Д 212.146.04 при ФБГОУ ВПО Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Московская область, г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ.

Автореферат разослан ««¿?» декабря 2011:

Ученый секретарь диссертационного совет;

Тарасенко П.А.

Актуальность работы. С момента запуска первого искусственного спутника Земли в околоземном космическом пространстве накопилось более 5 ООО т техногенного вещества, получившего название космический мусор. К нему относятся прекратившие своё активное существование космические аппараты, разгонные блоки, сопутствующие элементы, обломки, образованные при орбитальных взрывах космической техники. Наличие космического мусора приводит к ситуации, когда при выводе космического аппарата необходимо учитывать вероятность столкновения с неуправляемыми космическими объектами как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации космического аппарата (КА).

На сегодняшний день в каталогах ЫОЯАБ зафиксировано более 22 ООО космических объектов (КО), размеров от 10 см, которые представляют угрозу столкновения для функционирующих КА (см. рис. 1.). Число объектов размером 1-10 см можно оценить лишь статистически (это примерно 500 ООО - 600 000 объектов), поскольку они не наблюдаются ни телескопами, ни радарами, и не могут поэтому быть занесены ни в какие каталоги. Количество частиц, имеющих размеры менее 1 см, оценивается в несколько миллионов. Количество объектов микронного и меньшего размера, газовой и пылевой фракций - порядка 10" -1014, но эти объекты в ближайшем будущем уже не будут представлять опасность для функционирующих КА.

Основные предпосылки, определяющие актуальность диссертационного исследования:

рост числа объектов космического мусора и увеличение опасности столкновения этих объектов с функционирующими космическими аппаратами;

развитие пилотируемой космонавтики, что влечёт за собой постоянное пребывание человека в околоземном космическом пространстве с обязательным обеспечением его гарантийной безопасности;

усложнение и удорожание создаваемых космических объектов, что требует разработки специальных методов защиты, так как потери их сопряжены с большими научными и экономическими издержками.

В России на сегодняшний день вопросы мониторинга околоземного космического пространства (ОКП) и обеспечения безопасности космических полётов в основном исследуются в организациях: ИПМ им. Келдыша РАН, ОАО МАК «ВЫМПЕЛ», в Институте Солнечной и Земной

физики СО РАН, ФГУП «ЦНИИ Комета», 4 ЦНИИ МО РФ, Институт астрономии РАН, а так же в ФГУП ЦНИИмаш. Решение задач данного типа рассматривается в трудах Д. Рекса, П. Эйхлера, Д. Кесслера, Дж. Веддера, Дж. Талбота, Назаренко А.И., Хуторовского З.Н., Микиша A.M. и др. В настоящее время в Роскосмосе в соответствии с ФКП 2015 идёт создание автоматизированной системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве. Особенностью создаваемой системы является необходимость обработки на одних и тех же информационно-вычислительных средствах баллистической информации по КО риска, превышающей объём стандартной баллистической информации в тысячи раз. При этом система должна обладать приемлемыми характеристиками достоверности предупреждений. В теории проверки статистических гипотез этими характеристиками являются вероятности «пропуска цели» и «ложных тревог».

Одним из способов снижения вероятности «пропуска цели» является надёжное решение задачи выявления КО риска для защищаемой группировки КА.

Исследование существующих методов и средств показало, что они не учитывают в полной мере особенности технологического цикла оперативного управления КА в режиме реального времени.

В связи с этим целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов анализа траекторной информации для выявления космических объектов риска, представляющих опасность функционированию контролируемых космических аппаратов, при их оперативном управлении.

Задачи исследования. В соответствии с указанной целью в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

разработка метода и алгоритмов выявления потенциально опасных объектов для контролируемых КА, в режиме оперативного управления группировкой КА;

исследование, анализ и выбор оптимальных для решения поставленной задачи алгоритмов и процедур прогнозирования движения космических объектов по данным из различных источников;

исследование и разработка структуры и алгоритмов формирования базы данных по космическому мусору, формируемой из различных источников.

Объект исследования. В качестве объекта исследования в диссертационной работе рассматриваются характеристики создаваемой системы предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве.

Предмет исследования. Предметом исследования диссертационной работы является процесс выявления потенциально опасных космических объектов в режиме оперативного управления группировкой космических аппаратов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан метод выявления потенциально опасных космических объектов, основанный . на анализе геометрических характеристик их орбит в условиях невозмущенного движения. Суть данного метода сводится к интерпретации геометрических характеристик орбит в сферические треугольники, с последующим аналитическим вычислением возможного минимального расстояния между объектами и формированием искомого множества космических объектов риска. Данный метод позволяет минимизировать использование «долгих» процедур прогнозирования движения объектов для поиска минимальных сближений, что существенно сокращает время, требующееся для проведения расчётов, при сохранении достоверности решения данного класса задач, достигаемой при использовании традиционных методов на штатных вычислительных средствах.

2. Определены пороговые значения расстояний между объектами для решения задачи гарантированного выявления КО риска разработанным методом.

3. Определены условия и границы применимости разработанного метода в условиях возмущённого движения космических объектов, на основе которых разработан алгоритм реализации предложенного метода для объектов всех классов орбит.

4. Обоснованы требования к ведению базы данных по космическому мусору, формируемой из различных источников.

5. На основе выполненных исследований, разработанных методов и алгоритмов создан программно-математический комплекс (ПМК), позволяющий решить задачу выявления потенциально опасных космических объектов в рамках заданных временных ограничений оперативного цикла управления КА.

Практическая значимость работы заключается в том, что реализованные метод и алгоритмы позволяют выявлять космические объекты риска при решении задач оперативного управления защищаемых КА.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается корректностью использования математического аппарата, а также подтверждается соответствием полученных данных математического моделирования и натурных экспериментов, выполненных при испытаниях и в ходе экспериментальной эксплуатации созданного программно-математического комплекса в контуре оперативного управления КА в ЦУПе.

Методы исследования. Исследования в работе проводились на основе математического аппарата космической баллистики, теории вероятностей и математической статистики и математического анализа. При написании отдельных разделов использованы результаты экспериментальных работ, методическое обеспечение и проведение которых осуществлялось непосредственно автором представленной работы.

Реализация и внедрение результатов. В настоящее время результаты исследований апробированы в ходе оперативных работ по управления МКС и внедрены в ЦУП ЦНИИмаш в эксплуатационную документацию для контроля КА. Внедрение результатов работы подтверждается актами, представленными в приложениях к диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

конференции молодых учёных и специалистов, проводимой в РКК «Энергия», где доклад был отмечен как имеющий высокую практическую значимость, 2008г.;

ежегодные научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава МГУ Л, 2006-2011гг.;

межотраслевой конференции «Молодёжь в ракетно - космической отрасли», где доклад занял первое место, г. Королёв, 2009;

научно-технической конференции в ЦУГ1, посвященной 50-летию полёта человека в космос, г. Королёв 2011;

конференции молодых учёных и специалистов, проводимой в РКК «Энергия», где доклад занял второе место в секции, 2011г.

Публикации. Подготовлены и опубликованы шесть работ по результатам исследований. В том числе работы ([1], [2], [3]) в журнале, который входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, приложения и заключения, библиографического списка из 59 наименований. Содержит 18 таблиц и 26 рисунков. Приложения к диссертации представлены на 45 страницах. Общий объём -199 страниц.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Метод выявления потенциально опасных космических объектов, основывающийся на анализе кеплеровых элементов орбиты, позволяющий оценить взаимное расстояние и определить точку минимального сближения минимизировав использование «долгих» процедур прогнозирования движения анализируемых космических объектов, что обеспечивает оперативное выявления потенциально опасных объектов риска в темпе поступления траекторной информации при управлении космическими аппаратами.

2. Алгоритм анализа траекторной информации для выявления потенциально опасных объектов в отношении группировки контролируемых космических аппаратов с различными классами орбит (низкие, средневысокие, высокоэллиптические . и геостационарные орбиты).

3. Правило определения пороговых значений безопасных расстояний между сближающимися космическими объектами, полученное на основе анализа результатов применения разработанных метода и алгоритма для различных взаимных сочетаний классов орбит.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведён анализ угрозы столкновения КА с объектами космического мусора, существующие методы выявления потенциально опасных космических объектов. Рассматривается существующая технология обеспечения безопасности полётов КА в применении к МКС. Приводится постановка задачи разработки методов и средств обнаружения точек опасных сближений контролируемых объектов.

Число каталогизированных объектов постоянно возрастает. Чётко прослеживается тенденция увеличения зафиксированных КО в последние годы. Накопление критической массы техногенного вещества на орбите повлечёт за собой полную непригодность космического пространства для космической деятельности из-за высокой плотности загрязнения, вызванного множественными фрагментациями крупных объектов (эффект Кесслера). Данное обстоятельство необходимо учитывать в контуре оперативного управления группировкой КА.

На рисунке 1 представлен график количественного изменения зафиксированных объектов в период с 1957 года по февраль 2011 по данным каталога ЖЖАБ (размер фиксируемых КО - от 10 см в поперечнике).

Рис. 1. График количественного изменения КО риска по данным ЖЖАБ.

На текущий момент времени основным способом обеспечения безопасности космической деятельности является совершение манёвра уклонения КА с целью недопущения столкновения с КО риска. В нашей стране данная технология полностью апробирована и используется применительно к МКС. При этом существенным недостатком является то обстоятельство, что в соответствии с международными соглашениями операции по выявлению потенциально опасных КО риска для МКС осуществляются только вЦУП-Х.

График совершения манёвров (до начала 2011 года) приведён в таблице 1.

Уклонение МКС от КО риска Таблица 1

Даты уклонений КО "риска" Средство уклонения ДУукл, [м/с] Масса МКС, И [Вероятность столкновения Минимальное расстояние [км]

1 26.10.1999 25422 РН «Пегас» ФГБ 1,00 33,1 Нет данных Нет данных

2 29.09.2000 5143 «Прогресс М1-3» (1Р) 1,00 61,1 Нет данных Нет данных

3 10.02.2001 87610 «Атлантис» 0,73 200,7 Нет данных Нет данных

4 15.12.2001 5730 «Индевор» 0,66 249,3 2.80Е-05 1.424

5 16.05.2002 23279 «Прогресс М1-8» (7Р) 0,60 149,4 3.90Е-03 1.532

б 30.05.2003 25722 1999-022В «Прогресс М-47» (ЮР) 1,00 180,4 1.54Е-04 0.831

7 27.08.2008 33246 АТУ-1 -1,00 299,1 1.39Е-02 1.627

8 22.03.2009 26264 «Дискавери» -0,26 400,8 Нет данных Нет данных

9 18.07.2009 84180 «Индевор» 0,8 415,4 7.50Е-04 3.757

10 26.10.2010 81621 «Прогресс М-07М» (39Р) 0,4 369,5 .. 5.00Е-03 1.44

Анализ существующих методов предупреждения столкновений в ОКП показал, что на текущий момент существующие методы не позволяют в полной мере учитывать режим оперативного управления группировкой КА в условиях возрастающей популяции космического мусора, что делает задачу разработки подобных методов актуальной.

Решение задачи разработки методов выявления потенциально опасных объектов, может быть декомпозировано на три наиболее крупных составных части:

- разработка методов выявления потенциально опасных объектов (КО риска), позволяющих определять точки минимального сближения в режиме оперативного управления группировкой КА;

разработка требований к базам данных по космическому мусору [БД КМ], формируемых из различных источников;

- анализ существующих алгоритмов и методов прогнозирования движения КО по данным, хранящихся в сформированных БД КМ с целью выбора оптимальных для решения поставленной задачи.

В рамках представленной диссертационной работы, под потенциально опасными КО риска для контролируемого КА понимаются такие объекты, для которых выполняется следующие условие:

Здесь:

М(Сг) - относительное расстояние на момент времени ti между У*и V-, вычисленное из соотношения:

= = М;* = 1-к £«э

V* - вектор положения «охраняемого» КА;

^ - вектор положения КО из БД КМ;

} - количество КО в БД КМ;

Ь - количество «защищаемых» КА в БД КМ;

Л - минимальное допустимое расстояние между объектами.

Тогда, задачу разработки методов выявления потенциально опасных объектов для группировки защищаемых КА можно сформулировать следующим образом.

Необходимо разработать такие методы, которые для всего множества контролируемых КА А = {У{-,1 = \..Ь) и всего множества каталогизированных КО О = = 1..^, позволяли бы найти такое множество {М, которое удовлетворяло бы следующему условию:

Mj = {Wf'-Vj\ARlj(tn)<A]l = l..L;j = l.J,tn e[i0;it]}; (1.4.1)

AczQ, Mco:

Поиск подмножества {Mj} должен учитывать ограничение по

времени расчётов, накладываемое требованиями к режиму оперативного управления КА.

В настоящее время не существует каких-либо экономически или технически приемлемых методов и средств уменьшения загрязнения ОКП. На текущий момент для защиты КА от столкновения с КО применяются два варианта: установка защитных панелей на КА и совершение манёвров уклонения. При этом только совершение манёвра уклонения может гарантировать безопасность дальнейшей космической деятельности в случае вероятного столкновения с каталогизированным объектом.

Во второй главе производится оценка возможности осуществления выявления КО «риска» с использованием открытых источников. Исследуются существующие источники такой информации и модели прогнозирования движения КО, производится оценка точности данных представленных в формате TLE.

Параметры движения характеризуются вектором положения и вектором скорости, определяющие вектор состояния объекта, на основе которого можно определить кеплеровы элементы орбиты, характеризующие положение КА в космическом пространстве. Прогнозирование вектора состояния КА осуществляется интегрированием дифференциальных уравнений движения в интервалах заданного промежутка времени.

Исследования, проводимые в диссертационной работе, основываются на данных каталога NORAD. Структура данного каталога основывается на двухстрочных элементах TLE (Two Line Element). Эти элементы используются в рамках моделей SGP-4/SDP-4 движения ИСЗ. В рамках этих моделей рекомендуется по данным двухстрочных элементов осуществлять расчет орбитальных положений КО и его скоростей на предусмотренном интервале прогнозирования. В представленной работе осуществляется уточнение начальных условий

движения КО (представленных в виде начального вектора (t0,r0,v0)), по результатам измерений с помощью статистической обработки результатов измерений {i,,^"".^"2"} методом наименьших квадратов.

Минимизация функционала осуществляется итерационным путем, с нахождением на каждой итерации соответствующей поправки к вектору уточняемых параметров.

В основе определения (уточнения) параметров траектории движения КО по навигационным измерениям лежит принцип избыточности измерений, по сравнению с числом уточняемых параметров, и случайный характер ошибок измерений. В этом случае определение параметров траектории КО сводится к итерационному процессу:

S-I

где

Q- вектор независимых параметров;

а - масштабный коэффициент, позволяющий управлять процессом сходимости (0 < а < 1),

д £(S> =(ат-в-1-А+к;")"' • {а7 ■ я-' • Sip}.

Здесь К0 - априорная ковариационная матрица, которая играет важную роль при малом количестве измерений или когда система уравнений МНК плохо обусловлена;

А- прямоугольная матрица (N, т) частных производных от расчётных функций;

В*' - диагональная весовая матрица;

ду/ - вектор невязок (разность измеренных и расчетных векторов).

Если исходное начальное приближение выбрано правильно, то итерационный процесс сходится, т.е.

s -> со

Особенность каталога NORAD состоит в том, что его данные открыты и размещаются в сети Интернет, причём, информация по

КО обновляется регулярно, с цикличностью 2-а раза в сутки, что является важным фактором при достижении необходимых точностей.

Третья глава посвящена методу обработки информации по космическому мусору с целью выявления потенциально опасных объектов обеспечивающего мониторинг опасных сближений в рамках оперативного управления КА. Приведены результаты расчётов, выполненные для МКС. При этом, представляемая суть решения поставленной задачи базируется на результатах исследования динамики поведения характеристик параметров орбиты, которые показали, что:

1. На временном интервале, не превышающем время прохождения одного витка, геометрические параметры орбиты КО остаются практически неизменными. В таком случае траекторию движения КО можно рассматривать в виде эллипса. То есть, каковы бы ни были положения объектов на орбите, их взаимное расстояние не превышает некоторой величины минимального расстояния между эллипсами, характеризующими траекторию движения заданных КО, и определяемых геометрией орбит;

2. Объекты имеют потенциальную угрозу столкновения в случае, если расстояние между эллипсами близко к нулю, а так же КО и КА находятся в точке минимального расстояния в один и тот же момент времени.

В работе представлен метод, основанный на анализе геометрических характеристик орбит, описываемых независимыми кеплеровскими элементами. В данном методе процесс выявления опасных сближений разбивается на 4 этапа. Расчёты, проводимые на каждом этапе, позволяют существенно сократить количество исследуемых объектов, представляющих потенциальную угрозу столкновения для заданного КА. Такой подход позволяет существенно сократить время проведения расчётов.

При этом, на первом этапе исключаются те объекты, для которых не выполняться следующее условие:

■.х1\{Кр{х1)<{Ка(у1) + тк,М,)>{^(У1)-т < = 1-/;; = 1..У, х,*у,у,

где {Я-}- множество потенциально опасных объектов, отобранных для дальнейшего анализа,

Л,(л,.), Нр(у1)- соответственно перигейное расстояние КО и КА,

Д„0,), ДД^,) - соответственно апогейное расстояние КО и КА,

Д- зона допустимой погрешности расчетных величин Rp{y¡), RJVj).

От величины Д зависит количество объектов, которые будут участвовать в дальнейших расчетах.

На втором этапе определяются и анализируются области пересечения орбит, т.е. те области, где возможно столкновение КО и КА. В этих областях находится расстояние между орбитами (РМО) путём определения разницы модулей векторов КО и КА. Определяется группа объектов, имеющих опасное расстояние между орбитами. Второй этап основан на методе решения сферических треугольников из аналогий Непера (Рис. 2).

Известны два угла и заключённая между ними сторона, тогда:

„ Ь + с В + С а В-С , Ь-с . В + С ¿ а . В-С tg-eos-=tg-cos-; tg—sin-t=tg-sin-;

2 2 2 2 2 2: 2 2

. a . В-С 4 а В-С

, tg —sin- , , tg —cos-

Ъ-с_ &2 2 Ь+с_ &2 2

g 2 ■ B+C ' S 2 B+C ' 1} sm----cos-

Таким образом, из соотношений (1) находятся углы, характеризующие положение КО на орбите, в момент минимального сближения. С помощью найденных углов определяется значение минимального расстояния между объектами. На основе найденного значения определяются потенциально опасные КО.

Как показали проведённые расчёты и их экспериментальная проверка, на данном этапе фильтрации отсеивается более 50% объектов, не представляющих угрозу для контролируемого КА, но оставшихся после 1 - го этапа.

Таким образом, на втором этапе получаем:

Ь = {Уу,: \ {ШО{х, = =

где Ш0{х1\у1) - РМО для объектов х1 и у];

с1- минимально допустимое расстояние между орбитами КО и КА (РМО);

/„-число КО в {Н)}. При этом,

На третьем этапе на основе методов теории возмущённого движения определяются взаимные положения КО и КА в областях минимального сближения. С этой целью рассчитываются времена попадания контролируемого объекта в найденные на втором этапе точки минимального РМО. Находятся эксцентрическая аномалия Е и драконический период орбиты Та контролируемого КА.

Эксцентрическая аномалия определяется соотношением

где 0 - истинная аномалия орбиты КА, причем у и у всегда находятся в

одном и том же квадранте.

Найдя Е, определяем момент времени точки опасного сближения (TOC) на первом суточном витке по формуле

L<H и ¿«0.

ТОС=т+ - (E-esinE),

1

п

где т - время прохождения объекта через перицентр орбиты; п - среднее движение, вычисляемое из соотношения:

V а!

ц - гравитационный параметр Земли, 398600.44 км3/с2.

Драконический период орбиты характеризует время между двумя последовательными прохождениями рассматриваемого объекта через восходящий узел орбиты. Его значение позволяет определить время прохождения объектом одного витка и, соответственно, количество витков за сутки. По полученному значению Е, находится момент времени прохождения опасной точки на первом суточном витке. Как было показано ранее, геометрические параметры орбиты с течением времени практически не изменяются. Отсюда следует, что смещение точки минимального расстояния на следующем витке находится в точке допустимой погрешности расчётов. А значит, время прохождения данной точки объектом на каждом суточном витке может быть определено путём суммирования значения драконического периода со временем, в котором базовый объект проходит данную точку на предыдущем витке.

Таким образом, на данном этапе, для каждой пары КА и КО находится угол, определяющий положение объекта на орбите (угловое положение объекта) и времена попадания в опасную область (минимального РМО). При этом, если разность данных углов превышает допустимое критическое значение, то анализируемый объект «мусора» считается не опасным.

По результатам третьего этапа находится подмножество опасных КО, удовлетворяющих условиям:

N = {Чу,. :х/ | < (g)■>i'=\.,I\j -\..JL\x¡ е ¿',У1 е К;х: у.};

где разность угловых расстояний для объектов г,. и у;

Я - минимальное допустимое угловое расстояние;

У, - число КО в {Г,}.

На четвёртом этапе производится итоговая идентификация точек минимального сближения КА с потенциально опасными КО, оставшимися по результатам фильтрации на 3-ёх предыдущих этапах. Данный этап основан на методах интерполирования. Исходными данными данного этапа являются:

1. Множество потенциально опасных объектов {Л']};

2. Моменты времени достижения минимального расстояния объектов «риска» с контролируемым КА (tmin), находящиеся в интервале (t„ Л), где

tH = TOC-At, tR = TOC+At, At~5MHH.; TOC - точка опасного сближения, получаемая на 3 - ем этапе; At - интервал времени, в котором содержится TOC. Для окончательного вычисления момента времени минимального сближения используется интерполяция по полиномам Эрмита. Для реализации данной интерполяции в интервале (tH , tK) с шагом 1 мин

вычисляется вектор состояния КО и КА Rko(î), Riu(t). Получается 10 узловых точек. При интерполяции используется 6 узловых точек, расположенных относительно заданного момента времени t3aj в соответствии с рис. 3.

tзaд

t3< yst4.fr-^ -ь- Нв—

Методом прямого перебора, обеспечивающим требуемую точность, в интервале находится момент времени 1т„ максимального сближения КО с контролируемым КА, т.е.

Лгт|п={(ХКА(1шт)- Хко(Ы)2+(УкА(1тш)- УКо(ип))2+(2кА(ип)-2ко(1гг1т))2} Не опасными для КА являются такие КО, для которых выполняется следующее условие:

Агтт>А;

где Д - заданное пороговое значение.

Таким образом, после четвёртого этапа получается искомое (М]}. Достаточно часто бывает, что А/ = 0.

После поучения {Щ), при условии, что для получения

характеристик сближения КО с КА используется метод, основанный на рассматриваемой в первой главе технологии обеспечения безопасности МКС. Основная идея данного метода заключается решении задачи согласования параметров движения (решение краевой задачи) измерений БД ИОкАИ с измерениями получаемыми от высокоточных средств измерений СККП. Для чего в СККП передаётся список КО, содержащийся

в Wj}. После чего, получаются характеристики сближения с заданной точностью используя результаты решения краевой задачи и точные модели движения КО. Данные результаты применяются для принятия решения о совершении манёвра уклонения.

Так же в данной главе рассматриваются вопросы оптимизации разработанного метод для различных типов КА. Для уменьшения времени расчётов определено правило, которое позволяет определить пороговые значения для каждого этапа метода поэтапной фильтрации. Согласно данному правилу, в случае если исследуются сближения двух объектов и эксцентриситет хотя бы одного из которых больше 0,2, то пороговые расстояния между объектами, при которых КО считается потенциально опасным, должно быть больше, чем для КО с эксцентриситетом меньше 0,2.

Четвёртая глава посвящена разработанным алгоритмам формирования специализированных БД КМ и программно-математического комплекса. Рассмотрены принципы построения, структура, состав и результаты реализации созданного программно -математического комплекса, использующего методы и алгоритмы, разработанные в диссертационной работе.

Формируемая БД КМ должна отвечать следующим требованиям: скорость доступа к информации не должна превышать заданного порогового значения;

представляемая информации должна обеспечивать необходимую полноту исходных данных для проведения расчётов без дополнительной обработки (для экономии времени);

достоверность получаемых данных должна соответствовать заданным критериям для решения поставленной задачи.

В качестве входной информации в работе используются данные в формате TLE. Учитывая многомерность массива TLE и темпы накопления (~ 600 Mb в год) на настоящий момент полный объём БД КМ составляет порядка 25 Gb. Возникает проблема обеспечения исходными данными в условиях оперативного управления КА при. существующих характеристиках информационно-вычислительного комплекса БНО (ИВК БНО).

Задача формирования специализированной БД КМ ставится следующим образом: для массива данных получаемых от NORAD в

формате ТЬЕ, существующей технологии БНО полётов КА разработать такую структуру БД КМ, которая бы удовлетворяла следующим критериям:

ВО - {А1, Б! 11 = 1. л; у = 1. м; Д - таблица _ с _ данными;

где Ш? - таблицы с исходными данными;

Р(Апх) - получение данных по объекту х;

г - максимально допустимое время поиска необходимых

данных.

Скорость доступа к данным БД КМ обеспечивается выработанной структурой, которая позволяет уменьшить время на получение данных за счёт полноты представляемой информации и индексации полей, по которым производится выборка необходимых данных. Так же разработана методика актуализации данных, что является необходимым условием для получения состоятельного прогноза. В основе методики лежат закономерности, выявленные в результате анализа различных источников информации. Запуск задачи обновления происходит сразу после обновления данных непосредственно в первоисточнике. Последовательно, из каждого источника обрабатывается вновь поступившая информация. Таким образом, ПМК в своих расчётах использует наиболее свежую информацию, что позволяет говорить о состоятельности получаемого прогноза.

На основе результатов проведённых исследований был разработан алгоритм программно-математического комплекса выявления КО риска для группировок управляемых КА различного состава в режиме оперативного управления полётами и планирования. В данном комплексе реализован представленный метод поэтапной фильтрации. Предусмотрена работа как в автоматическом, так и ручном режиме управления. Реализована гибкая система детальной настройки каждого этапа метода поэтапной фильтрации.

На рисунке 4 представлено практическое использование научных и практических результатов работы в контуре управления космическими аппаратами.

Рис. 4. Использование научных и практических результатов работы в контуре управления космическими аппаратами

ПМК введён в опытную эксплуатацию в ЦУП ФГУП ЦНИИмаш, о чём свидетельствует акт ввода в опытную эксплуатацию.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях приведены фрагменты модулей ПМК, примеры получаемых результатов и присылаемых сообщений об опасных ситуациях МКС, а так же грамоты, полученные по результатам апробации материалов исследований на конференциях и конкурсах, а так же акт и справка об использовании научных и практических результатов работы.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан детерминированный метод выявления КО риска, который позволяет определять точки опасного сближения с помощью аналитических расчётов, не прибегая к «долгим» алгоритмам

прогнозирования движения объектов. Используя этот метод, значительно сократилось время расчётов.

2. Сформулированы постулаты, на которых основан разработанный метод:

Два объекта имеют потенциальную возможность столкновения в том случае, если расстояние между эллипсами орбит меньше заданной критической величины, определяемой точностью измерений траекторий возмущённого движения объектов. Каковы бы ни были положения объектов на орбите, их взаимное расстояние не может быть меньше минимального расстояния между эллипсами, характеризующими траектории движения заданных КО.

Два объекта имеют потенциальную возможность столкновения в случае, если расстояние между эллипсами меньше заданной критической величины и защищаемый объект находится в точке минимального расстояния, а разность угловых положений между объектами меньше некоторого критического значения, которое так же определяется точностью прогноза траекторий возмущённого движения объектов.

3. Определены условия применения данных постулатов к решению задачи выявления точек опасного сближения при возмущённом движении тел в космическом пространстве.

4. Составлены требования к базе данных по космическому мусору. В соответствии с результатами проведенного анализа и предъявленными требованиями разработана методика актуализации данных, что является необходимым условием для получения состоятельного прогноза.

5. На основе результатов проведённых исследований был разработан алгоритм программно-математического комплекса выявления КО риска для группировок управляемых КА различного состава в режиме оперативного управления полётами и планирования.

6. На базе полученных теоретических результатов разработано программно-математическое обеспечение выявления КО риска, введённое в экспериментальную эксплуатацию в баллистическом информационно-вычислительном комплексе в контуре оперативного управления в ЦУП ФГУП ЦНИИмаш на аппаратно-программных средствах баллистического информационно-вычислительного комплекса.

Список работ опубликованных по теме диссертации

1. *Кондрашин М. А., Скорняков В. А. «Особенности автоматизированного сбора информации по потенциально опасным космическим объектам» // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2009. - №4 (65).- С. 86-91.

2. *Кондрашин М. А. «Разработка алгоритма выявления объектов, потенциально опасных для управляемых космических аппаратов» // «Космонавтика и ракетостроение». - 2010. - № 1 (58). - С. 153-157.

3. *Кондрашин М. А., Скорняков В. А.«Методы предварительной фильтрации при выявлении космических объектов, представляющих угрозу столкновения с орбитальными летательными аппаратами» // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2011.-№ 3 (79). - С. 116-121.

4. Научно - технический отчёт. «Разработка методов и алгоритмов, необходимых для осуществления анализа и оценки риска столкновений функционирующих КА с неуправляемыми объектами космического мусора» // НИР «Магистраль - 2». - № Г. Р. Ф 40836. - ДСП. -Разделы 1+3.

5. Научно - технический отчёт. «Создание экспериментальных комплексов автоматизированной системы в сегментах: мониторинга опасных ситуаций в области геостационарных, высокоэллиптических и средневысоких орбит, расчета параметров солнечной и геомагнитной активности, мониторинга опасных ситуаций в низкоорбитальной области. Модернизация экспериментальных комплексов Центрального ядра автоматизированной системы» // ОКР «АСПОС ОКП». - Инв. № 803-42. -ДСП.-Раздел2.1.1.

6. Кондрашин М. А. «Создание программно-математического комплекса автоматизированного сбора информации о потенциально опасных объектах» // Материалы XVIII научно-технической конференции молодых учёных и специалистов. - 2010. - Серия XII, выпуск №3-4. - С. 177-180.

* Научная работа, опубликованная в ведущем рецензируемом журнале, определенном ВАК.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 22.12 2011. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 60 экз. Заказ № 400.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@ingul.ac.ru