автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Методика прогнозирования характеристик технических систем регионального мониторинга

На правах рукописи

005008332

АУНГ 30 МИН

МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГИОНАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.07.02 «Проектирование, конструкции и производство ЛА»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

1 9 ЯНВ 2012

Москва-2012

005008332

Работа выполнена на кафедре «Космические системы и ракетостроение» в Московском авиационном институте (Национальном исследовательском университете) МАИ.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Московского авиационного института

(Национального исследовательского университета)

Матвеев Юрий Александрович

доктор технических наук, профессор, Полтавец Геннадий Афанасьевич, кандидат технических наук, с.н.с., Оноприенко Виктор Демьянович

ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»

Защита диссертации состоится "22" марта 2012 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДС 212.005.05 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ».

Автореферат разослан " Ц »^О^/рА 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС 212.005.05

д.т.н., профессор,

Н. С. Кудрявцева.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При организации хозяйственной деятельности в регионе, при решении вопросов безопасности и предупреждения естественных и искусственных неблагоприятных и катастрофических событий необходим мониторинг природной среды.

В настоящее время для решения таких вопросов привлекаются значительные ресурсы, используются космические системы регионального мониторинга, во многих странах реализуются программы создания собственных средств мониторинга на основе доступных технологий. Такой подход дает ряд преимуществ, в частности, позволяет гарантировать необходимое информационное обеспечение при изменении рыночных отношений, способствует научно-техническому развитию, быстрому освоению новых технологии в регионе (в стране), позволяет формировать систему регионального мониторига с учетом конкретный требований и задач. В определенных условиях такой подход позволяет экономить ресурсы на получение необходимой информации.

Для реализации такого подхода на начальном этапе формирования проекта необходима оценка технико-экономических характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга (ТС РМ), определение рациональных параметров основных подсистем.

Особенностью решаемых в этом случае задач является необходимость учета фактора времени и динамики связей, оценки влияния унификации подсистем на характеристики объекта (КА наблюдения), а также необходимость комплексного технико-экономического исследования характеристик при наличии ограничений.

В известных работах и литературе по этой проблеме основное внимание уделяется анализу систем наблюдения, определению функциональных, массовых и энергетических характеристик объектов.

Вопросы прогнозирования характеристик перспективных ТС РМ, оценки влияния динамики функциональных связей на технико-экономические характеристики системы исследованы недостаточно.

Целы работы -

- Разработка методики прогнозирования характеристик перспективных космических аппаратов наблюдения (КАН) в составе ТС РМ для обобщенной (укрупненной) оценки и оптимизации параметров системы (параметров орбиты, линейного разрешения, периодичности наблюдения и др.) по

комплексному критерию затраты, функциональная эффективность, время (C-W-

- исследование влияния функциональных ограничений, динамики связей внешних и внутренних, требований к системе на характеристики проекта.

Техническая система регионального мониторинга (ТС РМ) включает две подсистемы: наземную (наземный комплекс приема и обработки результатов -НКПОР и наземный комплекс управления - НКУ) и космическую (космические аппараты наблюдения - КАН).

В настоящей работе предметом исследования является КА наблюдения в составе технической системы регионального мониторинга, объектом исследования методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга.

В работе исследуется характеристики перспективных КАН в составе ТС регионального мониторига, т.е. полагается, что заданы параметры наземной системы. Предлагаемые математические модели и методика позволяет определить рациональный состав и параметры КАН в ТС РМ, при которых выполняется целевая задача (по периодичности наблюдения, ширины полосы наблюдения AL, разрешению R/H и др.) и затраты средств на реализацию проекта - минимальны. При этом для снижения затрат и сроков реализации проекта используются типизация и унификация подсистем.

Основные научные результаты работы:

Разработаны математические модели для реализации конструктивного (нормативного) прогнозирования перспективных систем РМ. По сравнению с исследовательским прогнозированием, когда на основе опытных данных формируются зависимости характеристик перспективной системы от времени, проводится экстраполяция значений показателей к моменту прогноза, при конструктивном подходе используются проектные модели, что позволяет учитывать влияние фактора времени реализации проекта, а также динамику связей внешних и внутренних на решение. В таком случае при исследовании перспективной техники можно найти рациональное проектное решение при наличии ограничений.

В работе сформирована методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхромотической съемочной системой -ПСС). Методика позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП.

Проведено исследование влияния количества камер ПСС в МЦА на технико-экономические характеристики перспективных КАН. Определена зависимость затрат на проект от величины пространственного разрешения, количества камер на борту и количества КАН в ТС РМ. Получены количественные оценки влияния срока реализации проекта (время прогноза) на технико-экономические показатели перспективной техники.

Практическая ценность полученных результатов

Сформированная в работе методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхромотической съемочной системой -ПСС) позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на техническое решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП и, таким образом, расширен состав анализируемых технических решений (т.е. расширены возможности методики).

Результаты проведенных исследований технико- экономических характеристик перспективных КАН и полученные зависимости технико-экономических показателей от принимаемых проектно-плановых решений могут быть использованы при формировании технических заданий на разработку перспективной техники, при определении ряда унифицированных подсистем для построения ТС РМ.

Достоверность полученных результатов

В основу предложенных математических моделей и методики прогнозных исследования КАН в составе ТС РМ положен опыт реализации проектных разработок, приемы формирования статистических (эмпирических) моделей, и, в частности, регрессионный метод, который используется при формировании динамических статистических моделей. Адекватность соответствующих проектных зависимостей оценивается сравнением со статистическими данными, а также с результатами исследований других авторов.

В целом достоверность предложенных методик, моделей и алгоритмов подтверждена при выполнении численных расчетов и сравнительных оценок параметров КА с характеристиками, реализованными на практике, а также при исследовании закономерности создания перспективных модификаций КАН.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на Академических научных чтениях посвященных С.П. Королёва и другие выдающихся отечественных ученых - пионеров освоения космического пространства в 2009г, на научных чтениях, посвящены К.Э. Циолькоскому, 2010г, 2011г и на семинаре каф 601

МАИ. На защиту выносятся методика прогнозирования характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга, результаты исследования технико-экономических характеристик перспективных КА в составе ТС РМ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 разделов основного текста, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации 147 стр., 21 таблиц, 50 рисунков. Список использованных источников содержит 39 наименований. В приложении приведена программа расчета характеристик перспективных КАН в составе ТС РМ.

Публикации

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 5 печатных работ. В том числе опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, определенны решаемые научно-технические задачи, показаны научная новизна и практическая ценность результатов, дана информация о структуре, апробации, публикациях и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первом разделе диссертации «Вопросы прогнозирования характеристик перспективных ТС регионального мониторинга» обсуждаются опыт создания и перспективы развития КАН в составе ТС регионального мониторинга.

КАН

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

\

нк

НКПОР

Рисунок 1 - Техническая система регионального мониторинга

6

На рисунке 1 показана ТС РМ. Техническая система регионального мониторинга включает космический сегмент - космические аппараты наблюдения (КАН), и наземный сегмент - наземный комплекс приема и обработки информации - НКПОР и наземный комплекс управления - НКУ.

Предметом исследования является КА наблюдения в составе ТС РМ. КА наблюдения включает две подсистемы МЦА - модуль целевой аппаратуры, УКП - унифицированную космическую платформу. Структура КА в составе ТС РМ показана на рисунке 2.

В работе рассматриваются требования, которые предъявляются к объектам космического сегмента на современном этапе развития техники и технологий. На примере технических средств космического наблюдения (США и др. стран) поведем краткий анализ особенностей развития таких систем. Для современных КА наблюдения характерны модульность построения конструкций, унификация основных подсистем, комплексирование оборудования, специализация малых КА, улучшение функциональных характеристик при ограниченной массе целевой аппаратуры, формирование на основе базовых проектных решений модификаций КАН с улучшенными технико-экономическими характеристиками и др.

В работе исследуется нормативный (конструктивный) метод прогнозирования характеристик перспективных ТС регионального мониторинга. В этом случае алгоритм включает решение двух задач, а именно задачи прогнозирования определяющих параметров, (динамический параметров) и задачи определения (оптимизации) параметров перспективных КА наблюдения при наличии технических и технологических ограничений. Для прогнозирования определяющих параметров используются данные опыта, статистика по прототипам, приемы регрессивного анализа. В работе приводится алгоритм формирования аппроксимационных зависимостей, результаты практической реализации прогнозных исследований.

ПклСт

Рисунок 3 - Алгоритм решения задачи оптимизации параметров К АН в составе ТСРМ

Задача оптимизации параметров перспективного КАН записывается следующем образом:

При заданной целевой нагрузке определить параметры КАН в составе ТСРМ

такие, чтобы обеспечить выполнение функциональной (целевой) задачи и затраты средств на реализацию проекта были минимальны. Формализованная запись задачи:

С^С'П^ПимоЛ'Ш'„„)) -> т!п (2)

Щ"Пт,ПуКП(ЬПнш)ГМ,ЦОЧ1)) * Г". (3)

М Г7 \ ^ грзад

Пукп (/), Яжпо;, (/), ЯЖУ (/) - заданы

/6<Г>,

Эффективность ТС РМ (И7) определяют показатели:

Тюв < -периодичность наблюдения;

^кап - ^'ши -количество спектральных каналов;

> БдБ -обзорность;

ЙШ1. < -разрешающая способность,

Р (.), Р (0 зд - надежность функционирования.

Таким образом, задача оптимизации параметров перспективных КАН является многокритериальная, многопараметрическая, детерминированная. Используется метод ограничений при решении многокритериальной задачи. Такой подход позволяет выявить основные связи и условия, учесть динамику последних при выполнении прогнозных исследований. Определен состав проектных параметров (параметров управления), выбор которых определяет характеристики перспективных систем. При определении облика выбираются количество КА в ТС РМ, параметры орбиты (Щ), величина пространственного разрешения, параметры модуля целевой аппаратуры.

Алгоритм решения задачи прогнозирования характеристик перспективный КАН в составе ТС регионального мониторинга включает блоки прогнозирования определяющих параметров, определения баллистических, массовых, стоимостных характеристик КАН в составе ТС РМ (см. рис 3). В последующих разделах формируются соответствующие модели для прогнозирования характеристик КАН в составе ТСРМ при наличии ограничений.

Во втором разделе диссертации рассмотрена методика оценки характеристик (динамических параметров) перспективных КАН в составе ТС РМ. Проводится анализ закономерностей развития, совершенствования характеристик основных подсистем КАН.

Приводится методика идентификации зависимостей и прогнозирования определяющих параметров (коэффициентов массовых и стоимостных соотношений для перспективных КАН и подсистем). При оценке характеристик перспективных КАН используются метод экстраполяции, применяются зависимости, построенные на основе обработки статистических данных по прототипам. Формирование зависимостей, отражающих изменение характеристик от времени и от технических параметров, проводится методом регрессионного анализа (используется метод наименьших квадратов).

Для реализации методики идентификации зависимостей используется алгоритм поиска, включающий блоки: анализа исходных данных, формирования аппросимационных зависимостей, экстраполяционного прогнозирования и оценки характеристик перспективных подсистем КАН. Блок экстраполяционного прогнозирования формируется на основе одного из вариантов экстраполяционного метода, а именно, прямой экстраполяции.

Метод прямой экстраполяции основан на обработке статистических данных по исследуемой характеристике (параметру). При этом полагается, что реализация параметра является случайной величиной. Получение зависимости, отражающей имеющуюся закономерность (тенденцию) по данной случайной реализации, представляет значительную проблему.

В работе представлены статистические данные характеристик МЦА с оптикоэлектронной съемочной аппаратурой с панхроматической съемочной системой (по данным зарубежных источников). Получены однофакторные зависимости характеристик КАН (пространственного разрешения от времени, массы МЦА от величины пространственного разрешения, стоимости создания МЦА от массы МЦА и др.). Дан анализ закономерностей развития выделенных характеристик, оценки характеристик перспективных КАН.

Полученные зависимости используются в работе при создании моделей и методики прогнозирования характеристик перспективных КАН при наличии ограничений, оснащенных оптикоэлектронной системой с панхроматической съемочной системой.

В разделе 3 рассматривается математические модели прогнозирования характеристик перспективных КАН в составе ТС регионального мониторинга.

Приводятся модели определения баллистических параметров КА в составе ТС регионального мониторинга. Для КА мониторинга Земли оптимальной является солнечно-синхронная орбита (ССО). В этой части проводится оценка обобщенных проектно-баплистических параметров орбитальной группировки КА, равномерно распределены в одной плоскости орбиты, для обеспечения наблюдения поверхности Земли с заданной периодичностью по широтным диапазонам с использованием аналитической методики.

Определение высоты и наклонения солнечносинхронной орбиты, при заданной широте региона периодичности наблюдения.

Для круговой орбиты высота Я определяется из уравнений (г-радиус-вектор центра масс КА относительно центра Земли):

Н=г-Я1\

где ц - гравитационный параметр Земли; со, - угловая скорость вращения Земли. Наклонение г в случае солнечно-синхронной орбиты (ССО) определяется из уравнения:

Дат = -2л ■ 8 • N -соб Иг2,

где дют - суточный угол поворота терминатора:

Аог = 2 я- / 362 .2422 ; (5)

3 - число, характеризующее сжатие Земли, д = 66 .07 • 10 3 км 1 .

Высота Я солнечно- синхронной орбиты определяется в виде:

Н = г-Я3 »г[1 + СУГ /Зя-]—.

Определение требуемого значения АЬ для непрерывного покрытия участка поверхности:

N= 2л-Я1-со&ф-5та,

ЛТ. - ширина полосы захвата единичного КА на широте; N - количество КА; ф - региона наблюдения(широта);

- средний радиус Земли; /' - наклонение орбиты; (с - периодичность наблюдения:

а - угол наклона следа траектории на поверхности Земли на широте;

11

а = arcsín j^cos ф ■ ^sin2 / - sin1 / ^(cos / - eos2 ф/Nf + eos2 ф - (sin2 i - sin2 ф) J

Формирование моделей оценки массовых и энергетических характеристик, надежности панхроматической ЦСС проводится на базе статистических данных по прототипам существующих и вновь создаваемых ЦСС. Обобщенным параметром, характеризующим изменение пространственного разрешения R от высоты орбиты КАН, является относительная величина R/H.

Соотношение для проведения массовых расчетов

Мкл = Мит+Мукп, (6)

где в общем случае масса целевой аппаратура МШ]Л представляется в виде:

ММЦА = Мцсс + Мсспи +МСТГ+Мкон, (7)

МПСС,МСС[Ш,МСТ1, и Мкш -соответственно масса целевой съемочной системы (ЦСС), системы сбора и передачи информации (ССПИ), системы терморегулирования (СТР) и конструкции.

Масса универсальной космической платформы УКП Мшп представляется в

виде:

мукп = мБКУ+мсэп+мду+мСТР+мкон+Мпр (8)

где МБКУ,Мсэп,Мду ,МСТР,Мкон и Мпр. соответственно масса

бортового комплекса управления (БКУ), системы электропитания (СЭП), двигательной установки (ДУ), системы терморегулирования (СТР), конструкции корпуса (КОН)и прочих систем и средств.

В работе используются зависимости для определения массы целевой съемочной ЦСС Мцсс, энергопотребления Wmicc и вероятность безотказной

работы Рцсс (надежности ЦСС)".

Мцсс = Мцсс{МНу", (9)

Wnucc = Wuncc (Ю)

Рцсс= \ -Рцсс (П)

Мисс,Wпцее,~Pu.cc,ß, и 77- статистические коэффициенты

Масса целевой аппаратуры зависит от числа камер, типа камер, параметров ССПИ, СТР и КОН.

Ммцл = /(«4.ТИП камер, R, /Я). (12)

Используется соотношение

^мцл(')'

где пк . количество съемочных камер,

Мцсс, - масса целевой съемочной системы ¡-го типа, Кям(-) - коэффициент.

В случае панхроматической съемочной системы (ПСС), на основе опытных данных получены зависимости:

Мпсс =0,0952(Я/Я)"0455; [Кг] 10"3<Л/Я<10^;

ГГЛПСС= 34,61е°-ш,м^; [Вт]

15 <МПСС< 100. Для оценки массы СТР, и масса конструкции

Л/„Р=0.0756ЛС^;

МК0Н =0.21 Ш^5. Модель оценки энергопотребления МЦА:

1ГППСС =34.61*

Масса УКП и энергообеспечение УКП заданы:

Мукп = МУКП■

ш _ "УКП УЮТ

Оценка потока информации

(14)

где N,цcc - количество типов ЦСС (/ = 1,...,«), J - количество спектральных каналов ЦСС (/ = 1,...,/и), Л^ - количество кадров на маршруте;

пп- количество пикселей;« - разрядность информации (количество бит на пиксель изображения).

При определении затрат на КАН используются метод базовой статьи калькуляции при оценке затрат на разработку КА, статистические методы

13

оценки затрат на производство подсистем КА (МЦА и УКП), учитывается снижение затрат на производство при росте объема производства, а также дисконтирование - приведение затрат к моменту завершения проекта.

Модель затрат на реализацию проекта ТС РМ

Гкс - Г 4-С

где С£'с- суммарные приведенные затраты на проект ТСРМ;

С£КА -суммарные приведенные затраты на разработку, производство, выведение и эксплуатацию в течение срока активного существования (САС) КА в ТС РМ;

Сшс- суммарные приведенные затраты на доработку подсистем наземного сегмента

см = п (Г„, Ч (г , ))сс\а (.) + Ся(•) 7 над (г„р ) (15)

сс^(-)=ссио+Сси (•) (16)

Сс'ка О - функция, определяющая затраты на производство первого образца КА; Ссмца ( ) и 0:1™ 0) " функция, определяющая затраты на производство первого образца МЦА и УКП соответственно;

св0) и Сэ() - функция, определяющая затраты на выведение и эксплуатацию КА соответственно.

где кР - базовый коэффициент, определяющий связь затрат на разработку и производство первого образца изделия, представляется в виде: кр = Ср /Сс0; проведенный анализ показал, что значение базового коэффициента &/> зависит от особенностей КА и по статистическим данным составляет кР =2-13;

Сс'КЛ (•) = СсмЦЛ (*) + ОуОТ О '

Ссмцл о и Сс1и7 (■) " функция, определяющая затраты на производство первого образца МЦА и УСП соответственно. В общем случае с^(.)=Ссм11А.МЦ1!А.{Я / нг.д'\А^.м"п],д.т^Си1и.Р'^, В работе используется более простая модель СсшМ^Сащл.М^л'

Реализуется методика нормативного (конструктивного) прогнозирования характеристик перспективных КАН в составе ТС РМ. В этом случае исследования проводятся в 2 этапа. На первом этапе определяется динамика функциональных связей к моменту прогноза. На втором этапе проводится проектное моделирование, находятся рациональные параметры перспективного КАН в ТС РМ. Используются модели проектного анализа. Разработанная методика прогнозирования характеристик перспективных КАН в составе ТСРМ при наличии ограничений позволяет определять параметры орбитальной группировки - высоту орбиты, количество КА в орбитальном построении, периодичность наблюдения, оценить массово-габаритные характеристики , а также затраты на реализацию проекта ТС РМ в планируемый период.

В четвертом разделе диссертации проводится прогнозный анализ технико-экономических характеристик перспективных КАН в составе ТС РМ мониторинга при наличии ограничений.. Рассматривается развитие средств регионального мониторинга, создаваемых на основе базовой УКП.

а.

км

Н=564км

Рисунок 4- Зависимость ширина полосы обзора от количества ЫКА на орбите и периодичности наблюдения.

Как показывает анализ, при создании большинства современных КАН и модификаций КА используются унифицированные служебные космические платформы. Такой подход позволяет сократить сроки и затраты на разработку КАН в составе ТС РМ, повысить надежность и снизить риск реализации проекта, одновременно развивает кооперацию, что способствует устойчивости научно-технического прогресса при развитии космических технологий.

1.Исследуется влияние параметров МЦА на технико-экономические характеристики ТС РМ. Для обеспечения заданной периодичности наблюдения при ограниченном числе КА на орбите необходимо увеличить полосу обзора ДЬ. Анализ опытных данных позволяет установить, что при заданном разрешении Я и данной высоте орбиты Н из-за технических ограничений, возможно, обеспечить предельное значение плюса обзора камера мк.

Рисунок 5 - Изменение величины приведенных затрат на проект ТС РМ, а также пк и М,а в зависимости от требований периодичности наблюдения (при Я=50)м

Методика позволяет определить рациональный состав МЦА, состав и количество камер ЦСС для выполнения требований по периодичности наблюдения, количественно оценить влияние этих ограничении на технико-экономические характеристики КАН. Основной режим работы целевой аппаратуры (ЦА) - маршрутная съемка (длина маршрута для каждого КА выбирается исходя из ограничений по пропускной способности радиолинии передачи целевой информации на НКПОР).

Показано, что уменьшение Тс (периодичности наблюдения) и И, увеличивается пк, Мт,п Су„л(см. Рисунок 5). Методика позволяет получить необходимые

количественные оценки. Расчетные оценки рациональных характеристик КАН и ТС РМ могут быть уточнены, если использовать дополнительное условие унификации ПСС. В таком случае по данным расчетов проводить выбор ПСС из допустимого множества унифицированных систем (см. Табл.1).

2. При проведении перспективного проектирования ТС РМ важно учесть влияние фактора времени. В общем случае речь идет об оценке влияния сроков реализации проекта, времени прогноза, сроков активного существования.

Приводятся результаты решения задачи оптимизации параметров КАН в составе ТС РМ

Результаты расчетов, таблица -1

гр _грзад

чаб наб

Я. = Язад

Д V = А у"* (тип - ПСС)

ТТ _ гт™>> 11УКЛ 11УКП

МпО^МЯ

„зад

Результаты расчета Уточненное решение, ВПЗАТ-1 Уточненное зешение, ГМ Уточненное решение, Опсатк-К

N 2 3 3 3

3 3 3 4

АЬ,км 222,96 148,9 148,9 148,9

АЬк,км 74,6 50,45 52,12 46.63

М псс >кг 6,536 13 3 17,4

Мцсс^кг 19,608 39 9 69,6

39,8 82,6647 26,62 103,32

Мм,кг 189,8 232,616 176,62 253,262

6,22Е+06 7,113Е+06 5,548Е+0б 8,90Е+06

С^РмЛУ-е.) 2.36Е+07 3.309Е+07 2.726Е+7 3,989Е+07

Ф=30, Тс = 5, Я=50м, Х=(0,4-0,7мкм), Н=544км,

Пк=Пк /(.)</*"' Е()<Ешд

= {Ы,П\1сс,Мкт(.))

Пцсс ={тип-ЦСС,пк) Ммщ = (Пцсс, Псспи, Пк)

При получении количественных оценок принята масса УКП равной масс платформы НЕВА - 150кг, и

максимальная энергопроизводительность - 1000Вт Скорость передачи информации, ЮООКбит/с НКПОР ЕОСкан, скорость цифрового потока - 50 Мбит/с Результаты расчетов приведены на рисунках 5 и в таблице 1.

КАН

НС

*3

Рисунок 6 - Граф процесса и закон изменения затрат при реализации проекта создания КАН

Проведено исследование влияния срока реализации проекта на технико-экономические показатели. Увеличение время работ над проектом (из-за недофинансирования или организационно-технических ограничений) приводит к удорожанию проекта. Расчеты показывают, что при удлинении время работ в 1,5 раза затраты растут на 21.6%, что обусловлено, в основном, дисконтированием, т.е. приведением затрат.

3.5эе+07

Г ГСТМ

3.0ЭЕ+07

Рисунок 7 - Изменение суммарных приведенных затрат при увеличении длительности процесса реализации проекта

При изменении сроков прогнозных исследований необходимо учитывать динамику функциональных связей (массовых, стоимостных и др.), обусловленных влиянием фактора Hill.

В работе используется инженерный метод оценки динамики функциональных связей (массовых соотношений). На основе опытных данных

— ( R У('">

формируются зависимости вида Мцсс=т(^)I—J . При таком подходе

проведена оценка и сравнительный анализ характеристик КАН при увеличении t пр. Расчеты показывают снижение массы ЦСС перспективных КАН. В связи с этим меняются другие технико-экономические характеристики проекта. Более полный анализ требует учета динамики стоимостных соотношений.

Тогда обратим, методика прогнозирования характеристик технической системы регионального мониторинга позволяет получить количественные оценки технико-экономические показателей перспективных КАН, исследовать влияний условий реализации проекта на показатели эффективности и затраты на проект.

Результаты проектного расчета могут быть использованы на практике при формировании КАН в составе ТС РМ с использованием унифицированных подсистем и проведения в случае поверочных расчетов.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений космических аппаратов наблюдени в технических систем регионального мониторинга с оптико-электронной системой (панхромотической съемочной системой - ПСС). Методика позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава модуля целевой аппаратуры и унифицированной космической платформы.

2. Сформированы математические модели для реализации конструктивного (нормртивного) прогнозирования перспективных систем РМ. По сравнению с исследовательским прогнозированием, когда на основе опытных данных проводится оценка характеристик перспективной системы путем прямой экстраполяции значений показателей к моменту прогноза, такой подход позволяет учитывать влияние фактора времени реализации проекта, а также динамику связей внешних и внутренних (ограничений) на решение. В таком случае при исследовании перспективной техники можно найти рациональное проектное решение при наличии ограничений.

3. Проведено исследование влияния количества камер ПСС в МЦА на технико- экономические характеристики перспективных КАН. Определена зависимость затрат на проект от величины пространственного разрешения, количества камер на борту и количества КАН в ТС РМ. Так снижение /с с 16 до 4 суток приводит к увеличения до 2, пк на борту до четырех и затрат на проект ТС РМ 1,5 раз. Получены количественные оценки и исследовано влияние срока реализации проекта (время прогноза ) на технико-экономические показатели перспективной техники. Увеличение время прогноза приводит к снижению массовых характеристик КА, что обусловлено динамикой определяющих параметров и зависит от темпа научно-технического прогресса.

4. Сформированная в работе методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхромотической съемочной системой -ПСС) позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на техническое решение.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Аунг Зо Мин, Ю.А.Матвеев., Методика прогнозирования характеристик технической системы региннального мониторинга: Развитие идей К.Э.Циолковского., Калуга 2009,210с.

2. Аунг Зо Мин, Ю.А.Матвеев.,Прогнозные исследования характеристик технической системы региннального мониторинга: Сорок пятые научные чтения памяти К.Э.Циолковского., Калуга, 2010.

3. Аунг Зо Мин, Ю.А.Матвеев., Методика прогнозирования характеристик перспективной технической системы региннального мониторинга., Актуальные проблемы российской космонавтики: Москва, 2011,284с.

4. Аунг Зо Мин, Ю.А.Матвеев., Методика прогнозирования характеристик перспективной технической системы региннального мониторинга., Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 46

5. Аунг Зо Мин, Ю.А.Матвеев., Методика прогнозирования характеристик перспективной технической системы региннального мониторинга., Сорок шестой научные чтения памяти К.Э.Циолковского., Калуга, 2011,243с.

61 12-5/1748

Министерство образования и науки РФ

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

АУНГ ЗО МИН

Методика прогнозирования характеристик технических систем

регионального мониторинга

Диссертация на соискание ученой степени

кандидат технических наук

по специальности 05.07.02 «Проектирование, конструкции и

производство ЛА»

Научный руководитель д.т.н. профессор Матвеев Ю.А.

Москва - 2012

Перечень сокращений

ТС - техническая система

ТСРМ - техническая система регионального мониторинга

ЦСС - целевая съемочная система

ПСС - панхроматическая съемочная система

МЦА - модуль целевой аппаратуры

К А - космическая система

КАН - космические аппараты наблюдения

НКПОР-наземный комплекс приема, обработки и распределения информации

НКУ - наземный комплекс управления УКП -унифицированный космический платфор КОУ - комплекс обработки информации и управления ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли СА - съемочная аппаратура САС - срок активного существования

БКУ - бортовое комплекс управления

ОЭП - оптико-электронный преобразователь

СЭП - системы электропитания

ДУ - двигательная установка

СТР - системы терморегулирования

ССПИ - Система сбора и передачи информации

БУСИ - бортовое устройство считывания информации

РКПИ - радиокомплекс передачи информации

Содержание

стр

Введение........................................................................................................... 5

1.Вопросы прогнозирования характеристик перспективных ТС регионального мониторинга........................................................................

1.1.Структура ТС регионального мониторинга. Требования, предъявляемые к ТСРМ. Анализ опыта создания и особенностей развития.................................................................................................... 16

1.2.3адача прогнозирования характеристик перспективных ТС регионального мониторинга при наличии ограничений..................... 42

2.Методика оценки характеристик перспективной ТСРМ. Анализ закономерностей развития средств ТСРМ............................................... 43

2.1.Методика идентификации зависимостей и прогнозирования определяющих параметров..................................................................... 48

2.2.Прогнозирование характеристик МЦА с оптико-электронной съемочной аппаратурой (по данным зарубежных источников).......... 51

3.Математические модели прогнозирования характеристик перспективной ТС регионального мониторинга..................................... 67

3.1.Определение баллистических параметров орбит функционирования ТС регионального мониторинга........................... 67

3.2.Модели оценки массогабаритных характеристик КАН в составе технической системы регионального мониторинга. Оценка информационной производительности................................................. 72

3.3. Модели оценки затрат на реализацию проекта технической системы регионального мониторинга в планируемый период....... 86

3.4.Методика прогнозирования характеристик перспективных технических средств мониторинга при наличии ограничений........... 97

4.Прогнозный анализ ТС мониторинга при наличии ограничений... 107

4.1.Оценка технико-экономических характеристик перспективных ТС РМ при наличии................................................ 107

1 30

4.2.Исследование влияния фактора времени на характеристики

перспективных средств регионального мониторинга..........................

4.2. Юценка влияния длительности процесса реализации проекта создания ТС РМ на приведенные суммарные затраты........................ 131

V

4.2.2Анализ влияния фактора времени Гпр на характеристики перспективного КАН в ТС РМ............................................................... 133

Заключение.............................................................................................. 142

Список используемых источников............................................................. 144

ВВЕДЕНИЕ

При организации хозяйственной деятельности в регионе, при решении вопросов безопасности и предупреждения естественных и искусственных неблагоприятных и катастрофических событий необходим мониторинг природной среды.

В настоящее время для решения таких вопросов привлекаются значительные ресурсы, используются космические системы регионального мониторинга, во многих странах реализуются программы создания собственных средств мониторинга на основе доступных технологий. Такой подход дает ряд преимуществ, в частности, позволяет гарантировать необходимое информационное обеспечение при изменении рыночных отношений, способствует научно-техническому развитию, быстрому освоению новых технологии в регионе (в стране), позволяет формировать систему регионального мониторинга с учетом конкретный требований и задач, в определенных условиях позволяет экономить ресурсы на получение необходимой информации.

Для реализации такого подхода на начальном этапе формирования проекта необходима оценка технико-экономических характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга (ТС РМ), определение рациональных параметров основных подсистем.

Особенностью решаемых в этом случае задач является необходимость учета фактора времени и динамики связей, оценки влияния унификации подсистем на характеристики объекта (КА наблюдения), а также необходимость комплексного технико-экономического исследования характеристик при наличии ограничений.

В известных работах и литературе по этой проблеме [1-5] основное

внимание уделяется анализу систем наблюдения, определению

функциональных, массовых и энергетических характеристик объектов.

Вопросы прогнозирования характеристик перспективных ТС РМ, оценки

5

влияния динамики функциональных связей на технико-экономические характеристики системы исследованы недостаточно.

Целы работы -

Разработка математических моделей, создание методики прогнозирования характеристик перспективных космических аппаратов наблюдения (КАН) в составе ТС РМ для обобщенной (укрупненной) оценки и оптимизации параметров системы (параметров орбиты, линейного разрешения, время существования, оперативность и др.) по комплексному критерию затраты, функциональная эффективность, время (С-\¥-Т);

- исследование влияния функциональных ограничений, динамики связей внешних и внутренних, требований к системе на характеристики проекта.

Техническая система регионального мониторинга (ТС РМ) включает две подсистемы: наземную (наземный комплекс приема и обработки результатов - НКПОР и наземный комплекс управления - НКУ) и космическую (космические аппараты наблюдения - КАН).

В настоящей работе предметом исследования является КА наблюдения в составе технической системы регионального мониторинга, объектом исследования методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга.

В работе исследуется характеристики перспективных КАН в составе ТС регионального мониторинга, т.е. полагается, что заданы параметры наземной системы. Предлагаемые математические модели и методика позволяет определить рациональный состав и параметры КАН в ТС РМ, при которых выполняется целевая задача (по периодичности наблюдения, ,Е/Н и др.) и затраты средств на реализацию проекта - минимальны. При этом для

снижения затрат и сроков реализации проекта используются типизация и унификация подсистем.

Основные научные результаты работы:

Разработаны математические модели для реализации конструктивного (нормативного) прогнозирования перспективных систем РМ. По сравнению с исследовательским прогнозированием, когда на основе опытных данных проводится оценка характеристик перспективной системы прямой экстраполяцией значений показателей к моменту прогноза, такой подход позволяет учитывать влияние фактора времени реализации проекта, а также динамику связей внешних и внутренних на решение. В таком случае при исследовании перспективной техники можно найти рациональное проектное решение при наличии ограничений.

В работе сформирована методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхроматической съемочной системой - ПСС). Методика позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП.

Проведено исследование влияния количества камер ПСС в МЦА на технико-экономические характеристики перспективных КАН. Определена зависимость затрат на проект от величины пространственного разрешения, количества камер на борту и количества КАН в ТС РМ. Получены количественные оценки влияния срока реализации проекта (время прогноза) на технико-экономические показатели перспективной техники.

Практическая ценность полученных результатов

Сформированная в работе методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС

РМ с оптико-электронной системой (панхроматической съемочной системой - ПСС) позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на техническое решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП и, таким образом, расширен состав анализируемых технических решений (т.е. расширены возможности методики).

Результаты проведенных исследований технико-экономических характеристик перспективных КАН и полученные зависимости технико-экономических показателей от принимаемых проектно-плановых решений могут быть использованы при формировании технических заданий на разработку перспективной техники, при определении ряда унифицированных подсистем для построения ТС РМ.

Достоверность полученных результатов.

В основу предложенных математических моделей и методики прогнозных исследования КАН в составе ТС РМ положен опыт реализации проектных разработок, приемы формирования статистических (эмпирических) моделей, и, в частности, регрессионный метод, который используется при формировании динамических статистических моделей. Адекватность соответствующих проектных зависимостей оценивается сравнением со статистическими данными, а также с результатами исследований других авторов.

В целом достоверность предложенных методик, моделей и алгоритмов подтверждена при выполнении численных расчетов и сравнительных оценок параметров КА с характеристиками, реализованными на практике, а также при исследовании закономерности создания перспективных модификаций ТС РМ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 разделов основного текста, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации 147 стр., 21 таблиц, 50 рисунков. Список использованных источников содержит 39 наименований. В приложении приведена программа расчета характеристик перспективных КАН в составе ТС РМ.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждались на Научных чтениях, посвященных памяти К.Э. Циолковского в 2010 и 2011 годах, на Академических научных чтениях, посвященных С.П. Королеву и другим пионерам космонавтики в 2010 и 2011г., а также на семинаре кафедры «Космических систем и ракетостроения» МАИ. На защиту выносятся методика прогнозирования характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга, результаты исследования технико-экономических характеристик перспективных КА в составе ТС РМ. На защиту выносятся методика прогнозирования характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга, результаты исследования технико-экономических характеристик перспективных КА в составе ТС РМ.

Публикации

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 4 печатных работ. В том числе опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель

исследований, определенны решаемые научно-технические задачи, показаны

научная новизна и практическая ценность результатов, дана информация о

9

структуре, апробации, публикациях и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первом разделе диссертации «Вопросы прогнозирования характеристик перспективных ТС регионального мониторинга» обсуждаются опыт создания и перспективы развития КА в составе ТС регионального мониторинга.

Предметом исследования диссертационной работы являются технические системы регионального мониторинга, а именно средства космического наблюдения. Последние включают космический сегмент - космические аппараты наблюдения (КАН), и наземный сегмент - наземный комплекс приема и обработки информации и наземный комплекс управления.

Рассматриваются требования, которые предъявляются к объектам космического сегмента на современном этапе развития техники и технологий. На примере технических средств космического наблюдения (США и др. стран) поведем краткий анализ особенностей развития таких систем. Для современных КА наблюдения характерны модульность построения конструкций, унификация основных подсистем, комплексирование оборудования, специализация малых КА, улучшение функциональных характеристик при ограниченной массе целевой аппаратуры, формирование на основе базовых проектных решений модификаций КАН с улучшенными технико-экономическими характеристиками и др.

Формулируется задача прогнозирования характеристик перспективных

ТС регионального мониторинга, определяется алгоритм решения последних и

состав моделей прогнозных исследований перспективных КА наблюдения

при наличии технических и технологических ограничений. Задача

прогнозирования характеристик ТСРМ (задача перспективного

проектирования ТСРМ) записана как многокритериальная,

многопараметрическая, детерминированная. Используется метод

ограничений при решении многокритериальной задачи. Такой подход

ю

позволяет выявить основные связи и условия, учесть динамику последних при выполнении прогнозных исследований. Определен состав проектных параметров (параметров управления), выбор которых определяет характеристики перспективных систем.

Алгоритм решения задачи прогнозирования характеристик

перспективных ТС регионального мониторинга включает блоки прогнозирования определяющих параметров, определения баллистических, массовых, стоимостных характеристик КАН в составе ТСРМ. В последующих разделах формируются соответствующие модели для прогнозирования характеристик КАН в составе ТСРМ при наличии ограничений.

Во втором разделе диссертации рассмотрена методика оценки характеристик перспективных КАН в составе ТС РМ. Проводится анализ закономерностей развития, совершенствования характеристик основных подсистем КАН.

Приводится методика идентификации зависимостей и прогнозирования определяющих параметров (коэффициентов массовых и стоимостных соотношений для перспективных КАН и подсистем). При оценке характеристик перспективных КАН используются метод экстраполяции, применяются зависимости, построенные на основе обработки статистических данных по прототипам. Формирование зависимостей, отражающих изменение характеристик от времени и технических параметров, проводится методом регрессионного анализа (используется метод наименьших квадратов).

Для реализации методики идентификации зависимостей используется алгоритм поиска, включающий блоки: анализа исходных данных, формирования аппросимационных зависимостей, экстраполяционного прогнозирования и оценки характеристик перспективных подсистем КАН.

Блок экстраполяционного прогнозирования формируется на основе одного из вариантов экстраполяционного метода, а именно, прямой экстраполяции.

Метод прямой экстраполяции основан на обработке статистических данных по исследуемой характеристике (параметру). При этом полагается, что реализация параметра является случайной величиной. Получение зависимости, отражающей имеющуюся закономерность (тенденцию) по данной случайной реализации, представляет значительную проблему.

В работе представлены статистические данные характеристик МЦА с оптикоэлектронной съемочной аппаратурой с панхроматической съемочной системой (по данным зарубежных источников). Получены однофакторные зависимости характеристик КАН (пространственного разрешения от времени, массы МЦА от величины пространственного разрешения, стоимости создания МЦА от массы МЦА и др.). Дан анализ закономерностей развития выделенных характеристик, оценки характеристик перспективных КАН.

Полученные зависимости используются в работе при создании моделей и методики прогнозирования характеристик перспективных КАН при наличии ограничений, оснащенных оптикоэлектронной системой с панхроматической съе