автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и алгоритмы проектирования смешанной экономически эффективной космической системы наблюдения

Введение.

Глава 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ.

1.1. Современное состояние проблемы проектирования орбитальной структуры космической системы наблюдения.

1.2. Постановка задачи выбора проектных параметров КСН. Критерий экономической эффективности.

1.3. Состав моделей и общая методология решения задачи проектирования орбитальной структуры смешанной КСН.:.

Глава 2. МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРБИТАЛЬНОГО СЕГМЕНТА КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ.

2.1.Модель потребителей космической информации КСН.

2.2.Доход от космической системы наблюдения.

2.3.Стоимость космической системы наблюдения.

2.4.Модель орбитальной структуры смешанной космической системы наблюдения.

2.4.1 .Сегментация смешанной КСН.

2.4.2.Модель орбитального движения на периоде обращения спутника.

2.4.3.Орбитальное движение на периоде синхронности трасс полета.

2.4.4.Типы орбитальных структур КСН.

2.4.5.Солнечная освещенность в задаче проектирования космической системы периодического обзора.

2.4.6.Модель аппаратуры наблюдения.

2.6.Модель оценки периодичности наблюдения.

2.6.1.Модель оценки периодичности наблюдения разномаршрутной орбитальной структуры.

2.6.2.Модель оценки периодичности наблюдения одномаршрутной орбитальной структуры.

2.6.3.Модель оценки периодичности наблюдения односпутниковой структуры.

2.7. Анализ характеристик смешанной орбитальной структуры КСН в прикладной программе «Априорный анализ эффективности».

Глава 3. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРБИТАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СМЕШАННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ.

3.1.Постановка задачи.

3.2.Сегментация смешанной орбитальной структуры

3.3. Анализ параметров однотипной разномаршрутной орбитальной структуры.

3.3.1.Постановка задачи анализа параметров однотипной разномаршрутной орбитальной структуры.

3.3.2.Результаты анализа разномаршрутных орбитальных структур.

3.4. Анализ параметров однотипной одномаршрутной орбитальной структуры.

3.4.1.Постановка задачи анализа параметров однотипной одномаршрутной орбитальной структуры.

3.4.2.Результаты анализа одномаршрутных орбитальных структур.

3.4.3.Выбор проектных параметров однотипной одномаршрутной орбитальной структуры.

3.4.4.Изменение проектного решения при объединении однотипных орбитальных структур.

3.5.Математическая постановка задачи проектирования смешанной космической системы наблюдения.

3.6.Анализ результатов решения задачи проектирования смешанной космической системы наблюдения.

Наблюдение Земли из космоса - необходимый источник космической информации, которая находит все более широкое применение в силу принципиальной возможности на качественно новом уровне решать разнообразные научные, хозяйственные, коммерческие, социально-политические и другие задачи.

Современный этап развития космических систем наблюдения (КСН) характеризуется продолжающимся ростом их числа. По некоторым оценкам [1] после 2000 г. свыше 15 стран будут располагать собственными КСН. Увеличиваются информационные возможности КСН, совершенствуются методы получения космической информации. Кроме того, сформировался рынок потребителей космической информации, который постоянно расширяется. Растет число потребителей, изменяется их состав, повышается уровень решаемых ими задач. Современным потребителям необходима космическая информация высокого качества и одновременно от КСН разных типов, т.е. от систем, представляющих космическую информацию разного спектрального, радиометрического и пространственного разрешения. КСН, объединяющую в своем составе несколько разнотипных систем назовем смешанной. Так, система EOS на первом этапе функционирования [2] объединяет в своем составе разнотипные системы Landsat, ERS, JERES, NOAA и др.

С другой стороны, в условиях коммерциализации процесса распространения космической информации, актуальной становится проблема получения прибыли от функционирования КСН.

Актуальность темы исследования определяется тем, что необходимы такие методы проектирования космических систем, которые учитывали бы особенности современного этапа развития КСН: увеличение числа и разнотипный состав потребителей и повышенный уровень требований к решаемым ими задачам, требование получать космическую информацию от систем разных типов одновременно, необходимость получения максимального экономического эффекта от реализации космической информации потребителям.

Существующая методология проектирования главным образом основана на том, что система проектируется заново, состоит из однотипных спутников, предоставляющих космическую информацию одного спектрального, радиометрического и пространственного разрешения. Тогда как сейчас функционируют космические системы смешанного типа, а методологии для оценки экономической эффективности таких систем не существует.

Проблема выбора проектных параметров орбитального сегмента КСН подробно рассмотрена в работах отечественных и зарубежных авторов. Так в работе [3] задача проектирования представлена как задача совместного выбора основных параметров аппаратуры наблюдения и параметров орбитального сегмента КСН с учетом его эволюции и управления, при которых стоимость системы минимальна, и где при оценке стоимости предполагается, что жизненный цикл системы включает этапы разработки, производства, развертывания и эксплуатации. В работе [3] показано, что на этих этапах стоимость определяется в основном массой целевой аппаратуры и спутников и их численностью за весь срок эксплуатации системы с учетом эволюции, отказов и т.п. В работе [3] не рассматриваются системы периодического наблюдения. Кроме того, не затрагивается вопрос экономической эффективности КСН.

В работе [17] рассмотрен подход к выбору проектных параметров созвездия спутников КСН, в котором проектная задача решается как многокритериальная, а критериями выбора являются информационные характеристики космической системы наблюдения, надежность функционирования и стоимость системы на этапах развертывания и поддержания с учетом надежности. Однако в этой работе не учитывается, что экономический эффект системы определяется не только характеристиками системы наблюдения, но и доходом от реализации космической информации, который зависит от объема и характеристик получаемой космической информации, и от параметров рынка.

Проектирование смешанной космической системы наблюдения является задачей высокой размерности, которая определяется количеством типов космических систем, численностью спутников в этих системах и количеству выбираемых параметров. Для решения подобной задачи требуются простые и эффективные алгоритмы анализа параметров орбитальной структуры. Такие алгоритмы для периодической КСН представлены в работах [5]-[10]. Однако в этих работах рассматривается задача анализа и выбора орбитальных параметров: однотипных маршрутных орбитальных структур, т.е. таких, которые состоят из спутников на одинаковых орбитах, однотипных одномаршрутных орбитальных структур, таких, которые состоят из спутников на одинаковых орбитах и которые движутся вдоль одной трассы полета.

Тогда как орбитальную структуру КСН могут составлять разномаршрутные спутники, т.е. такие, которые расположены на разных орбитах и движутся вдоль разных трасс полета.

Таким образом, существующие подходы в методах исследования космических систем периодического наблюдения имеют целый ряд недостатков, не позволяющих их использование на современном этапе. На преодоление этих недостатков направлено настоящее исследование. Целью данной работы являются:

Разработка методического подхода к проектированию экономически эффективной КСН, как однотипной, так и смешанной, включающей в свой состав уже созданные и вновь разрабатываемые спутники; м Выбор показателей экономической эффективности КСН и разработка модели их оценки как функции параметров потребительского рынка и информационных характеристик КСН;

Создание модели потребителей космической информации, учитывающей их состав и структуру и разработка методов и алгоритмов сравнения информационных возможностей КСН и потребностей в космической информации; ш Создание модели орбитальной структуры КСН, позволяющей решать задачу проектирования однотипных и смешанных систем;

Разработка методов оценки информационных характеристик одномаршрутных и разномаршрутных орбитальных структур в составе смешанной КСН.

Задача оценки потребительских свойств рынка имеет большую размерность, которую можно снизить, применив метод декомпозиции структуры потребителей космической информации.

Орбитальная структура смешанной КСН представляет собой сложную систему. Разнотипные космические группировки спутников, входящие в состав смешанной системы, создают перекрестные связи, затрудняющие анализ экономической эффективности такой системы и ее проектирование. При решении задачи проектирования предполагается также использовать метод декомпозиции орбитальной структуры. Декомпозиция смешанной системы позволит выделить однотипные орбитальные структуры, провести анализ чувствительности показателя экономической эффективности КСН к параметрам системы и исключить из рассмотрения те параметры, к которым показатель нечувствителен. Эта процедура снизит размерность задачи проектирования.

Для ускорения процедуры решения задачи проектирования разработаны упрощенные алгоритмы расчета информационных характеристик системы без потери требуемой точности. Так, для оценки периодичности системы предлагается аппроксимировать оценки периодичности системы предлагается аппроксимировать произвольную орбиту параметрами синхронной орбиты. При этом получаются результаты, которые легко интерпретировать и которые позволяют дать оценку тех или иных проектных решений.

Для поиска оптимальных параметров космической системы единственно возможным является метод перебора, поскольку информационные характеристики системы определяются с использованием имитационных алгоритмов. Упрощение имитационных алгоритмов, в том числе и алгоритма оценки периодичности наблюдения, позволит сократить время получения оптимального решения, расширить область поиска и уменьшить шаг поиска оптимальных значений параметров космической системы.

Научная новизна предлагаемой методологии состоит в том, что:

Впервые предложены методы проектирования смешанной космической системы на основе критерия экономической эффективности;

Разработана модель дохода от реализации космической информации на основе модели потребителей. Модель дохода, как и модель стоимости космической системы привязана к информационным возможностям системы;

Разработана модель орбитальной структуры смешанной космической системы наблюдения;

Разработана модель оценки периодичности наблюдения, рассчитанная на все возможные орбитальные структуры, возникающие при объединении разнотипных систем в смешанные: одномаршрутные и разномаршрутные

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что: разработанные методы и алгоритмы проектирования смешанной КСН являются универсальными и могут буть использованы применительно к широкому классу спутниковых систем наблюдения, проведенное упрощение моделей и алгоритмов проектирования с сохранением требуемой точности позволяет сделать процесс проектирования оперативным, а результаты наглядными, процедура проектирования смешанных космических систем наблюдения в соответствии с предложенными методами, реализована в прикладной программе «Априорный анализ эффективности» в составе программного комплекса «Анализ, синтез и управление космическими системами» [19].

Основные результаты исследования были использованы в следующих работах.

Анализ полетных характеристик односпутниковых космических систем оптического и радиолокационного типа проведен в работе [21]. Расчеты периодичности наблюдения для многоспутниковой структуры проведены в работе [22].

Постановка задачи, обоснование методологии анализа космической системы наблюдения и выбора ее проектных параметров на основе показателя экономической эффективности представлены в серии НТО по темам «Зонд» [20], «Зонд-МАИ» [24], [25], [26] «Зонд-МАИ-2» [30].

Программный комплекс, в составе которого используется прикладная программа «Априорный анализ эффективности» представлена в работах [31], [37]. Данная прикладная программа является практическим внедрением методологии анализа параметров орбитальной структуры КСН смешанного типа в Национальном институте космических исследований Бразилии TNPE [31] и Центре космических исследований им. Хруничева [37].

Прикладная программа «Априорный анализ эффективности» включена в состав информационно-аналитического комплекса программ для решения задач анализа, синтеза и управления космическими системами мониторинга (монография [19])

Методика выбора проектных параметров КСН на основе показателя экономической эффективности, в который входит стоимость и доход от продажи космической информации, представлена в работе [32].

Методика формирования системных требований к смешанной КСН изложена в работе [33]. Проведены расчеты показателей эффективности КСН смешанного типа для разных районов наблюдения и представлены рекомендации по выбору комплектации аппаратуры наблюдения спутников.

Задаче выбора проектных параметров КСН смешанного типа на основе показателей экономической эффективности посвящен доклад [36]. В работе [35] рассмотрен пример расчета показателей экономической эффективности и проводится выбор численности орбитальной группировки для разных вариантов комплектации аппаратуры наблюдения.

На защиту выносятся:

Методы и алгоритмы проектирования экономически эффективных космических систем наблюдения смешанного типа;

Модель дохода, в основе которой - декомпозиция множества потребителей космической информации;

Заключение

В представленной диссертационной работе разработана методология проектирования экономически эффективной смешанной космической системы наблюдения. Методология основана на сегментации смешанной космической системы на однотипные. В качестве критерия экономической эффективности выбрана прибыль -разность между доходом от реализации космической информации потребителям и стоимостью системы.

1. Разработаны модели, позволяющие оценить экономическую эффективность КСН, а именно: о модель показателей экономической эффективности системы, о модель потребителей космической информации, о модель дохода, о модель стоимости системы, о модель орбитального созвездия, включая модели:

- орбитальной структуры, в т.ч. орбитального движения,

- модель оценки периодичности наблюдения;

Модель показателя прибыли разработана таким образом, что в ней выделены показатели прибыли однотипных космических систем в составе смешанной;

Модель потребителей комической информации учитывает состав и структуру потребителей. В этой модели проведена сегментация структуры на одинаковые типы потребителей космической информации, которая обеспечивается однотипными космическими системами;

На основе модели потребителей разработана модель дохода космической системы наблюдения, которая учитывает информационные возможности КСН и информационные потребности рынка космической информации;

Разработана модель стоимости космической системы, которая основана на сегментации смешанной космической системы на однотипные подсистемы. В модели устанавливается связь стоимости с информационными возможностями космической системы, которые являются связующим звеном между моделью дохода и моделью стоимости КСН;

Сегментация состава потребителей и сегментация смешанной космической системы позволяет выделить в показателе прибыли смешанной космической системы прибыль КСН каждого типа и проводить анализ однотипных систем наблюдения, входящих в состав смешанной, независимо;

Разработана модель орбитального сегмента, которая позволяет проводить анализ однотипных орбитальных группировок, возникающих при сегментации смешанной системы. Это следующие классы структур: структуры спутников на разномаршрутных и одномаршрутных орбитах, структуры спутников на синхронных и несинхронных орбитах, =>структуры спутников с аппаратурой подспутникового и бокового обзора, структуры спутников на полярных, приполярных и околоэкваториальных орбитах. Модель орбитального сегмента включает в себя упрощенную модель орбитального движения, точность которой достаточна для оценки статистических характеристик периодичности экономически эффективной КСН. Упрощение модели орбитального движения достигнуто за счет и привязки параметров произвольных орбит к параметрам синхронных;

Разработана модель оценки периодичности космической системы наблюдения. Алгоритм модели унифицирован для анализа всех возможных классов орбитальных структур, возникающих в смешанной системе.

2. Задача выбора параметров смешанной космической системы решена методом перебора множества параметров орбитальной структуры. Перебор элементов массива - задача большой размерности. Сократить размерность решаемой задачи позволили следующие приемы:

Сокращение множества выбираемых параметров за счет выбора из множества тех, к которым показатель дохода наиболее чувствителен. Проведенный анализ показал, что вместо высоты орбиты, наклонения, долготы восходящего узла и начального аргумента широты орбиты можно выбирать период синхронности в витках, период синхронности в сутках и долготу восходящего узла;

Сокращение области поиска оптимальных параметров. Проведенный анализ показал, что функции дохода имеет периодическую зависимость от долготы восходящего узла и область поиска оптимальных восходящих узлов можно ограничить одним периодом повторяемости функции;

Поиск оптимальных параметров в том множестве параметров, которое заведомо обеспечивает высокие значения показателя дохода разномаршрутных космических систем. Так, высокий доход обеспечивается, когда периоды синхронности орбит близки по значению.

3. Расчеты, проведенные с использованием перечисленных моделей позволили получить результаты для однотипных разномаршрутных, однотипных одномаршрутных и смешанных орбитальных структур.

3.1. Для однотипных разномаршрутных орбитальных структур получены следующие результаты:

Наибольший доход однотипной структуры обеспечивают разномаршрутные спутниковые структуры, у которых параметры -периоды синхронности совпадают;

Наибольший доход однотипной структуры получается в частном случае разномаршрутных спутниковых структур - маршрутных, у которых совпадают и периоды синхронности в витках, и периоды синхронности в сутках;

Изменение параметров синхронности орбит спутников разномаршрутной структуры, при котором периоды синхронности орбит становятся примерно одинаковыми, а число витков в сутках всех спутников сохранится прежним, увеличивает доход. При этом и высота спутников разномаршрутной структуры, и пространственное разрешение аппаратуры наблюдения спутников останется прежним, что важно для разработчиков аппаратуры;

Разномаршрутные орбитальные структуры, у которой параметры орбит спутников имеют минимальный суточный сдвиг являются с точки зрения показателя дохода наиболее предпочтительными:

Зависимость долготы восходящего узла на показатель дохода определяемом соотношением слабее по сравнению с зависимостью от параметров синхронности орбиты, но в маршрутных структурах эта зависимость усиливаете.

В ходе анализа разномаршрутных структур оказалось, что частный случай - класс одномаршрутных структур обеспечивает наибольший доход. Поэтому класс одномаршрутных структур исследован отдельно.

3.2. Проведенный анализ одномаршрутных структур позволяет сделать следующие выводы.

В диапазоне высот, где параметры синхронности орбит соответствуют «оптимальному» суточному сдвигу, зависимость дохода от высоты носит немонотонный характер и максимумы значений дохода неустойчивы к изменению высоты орбиты;

В диапазоне высот, где параметры синхронности соответствуют «минимальному» суточному сдвигу, зависимость дохода от высоты монотонная и максимумы значения дохода устойчивы к изменению высоты орбиты;

Функция распределения периодичности тем точнее, чем больше период синхронности аппроксимирующей орбиты и чем больше реализаций псевдослучайной величины периодичности;

Функция дохода от долготы восходящих узлов - периодическая и зависит от последовательности расположения витков первого спутника одномаршрутной структуры.

Оптимальное расположение плоскостей орбит одномаршрутной структуры такое, при котором расстояния между долготами восходящих узлов кратно периоду синхронности орбиты в сутках;

Орбиты с «минимальным» суточным сдвигом обеспечивают максимальный доход и прибыль независимо от численности спутников в орбитальной структуре.

Таким образом, оптимальной однотипной структурой является одномаршрутная орбитальная структура с «минимальным» суточным сдвигом и таким расположением плоскостей орбит, при котором расстояние между восходящими узлами орбит кратно периоду синхронности в сутках.

3.3. Расчеты, проведенные для смешанных орбитальных структур, позволяют сделать следующие выводы:

Изменение только параметров синхронности смешанной орбитальной группировки дает больший доход и большую прибыль, чем изменение только долготы восходящих узлов орбитальной структуры;

Наибольший доход смешанной системе обеспечивают даже те спутниковые структуры, у которых близкие по значению периоды синхронности, но разная высота орбит. Это означает, что подбирать одинаковые периоды синхронности орбит в смешанной системе можно не меняя высоты орбит спутников, а, значит, и пространственного разрешения аппаратуры наблюдения, что важно для разработчиков такой аппаратуры;

Изменение периодов синхронности приносит большую прибыль еще и потому, что изменение высоты и периодов синхронности требует значительно меньших затрат топлива, чем изменение долготы восходящих узлов.

Разработанная методология проектирования смешанных КСН позволит решать актуальную задачу оценки прибыльности космических систем в условиях современного рынка пользователей космической информации, что принесет ощутимые выгоды на всех этапах ее проектирования.

1. Гонин Г.Б. Космические съемки Земли. М: Недра, 1989. - 253 с.

2. EOS Reference Handbook. March 1993. 146 p.

3. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

4. Гарбук С.В., Гершензон В.Е, Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Издательство А и Б, 1997.-296 с.

5. Бырков Б.П., Разумный Ю.П. Аналитическая методика определения периодичности обзора Земли спутниковой системой ИПРЗ// Исслед. Земли из космоса. 1992. №2. с.91-97.

6. Разумный Ю.П., Ермаченков А.В. Аналитическая методика определения периодичности обзора Земли спутниковой системой и рациональное построение для решения задач ИПРЗ// Исслед. Земли из космоса. 1995. №2. с.57-69.

7. Бырков Б.П., Головатенко-Абрамов В.И. Об оптимальном баллистическом построении систем ИСЗ периодического обзора районов земной поверхности// Исслед. Земли из космоса. 1993. №6. с.76-80.

8. Саульский В.К. Методика расчета периодичности обзора, осуществляемого системой ИПРЗ// Исслед. Земли из космоса, 1986, №5, с.103-112.

9. Саульский В.К. Расчет совокупности перерывов, возникающих при обзоре широтных поясов из космоса// Исслед. Земли из космоса, 1994, №3, с.69-75.

10. Саульский В.К. Использование "следограмм" для расчета периодичности землеобзора// Исслед. Земли из космоса, 1994, №2, с.65-74.

11. П.Рамм Н.С., Рынская А.К. Зависимости между параметрами орбиты и геометрией трассы для ИСЗ дистанционного зондирования//Исслед. Земли из космоса. 1995. №5. с. 106-113.

12. Рынская А.К. Изомаршрутные орбиты ИСЗ для долговременного периодического глобального обзора Земли, не зависящего от солнечного освещения// Исслед. Земли из космоса. 1995. №5. с. 114-120.

13. Скребушевский B.C., Назаренко А.И. Эволюция и устойчивость спутниковых систем. М.: Машиностроение, 1981 г. 284 с.

14. Список опубликованных работ

15. НТО «Проведение научно-методических исследований проблем, связанных с разработкой и использованием космических средств для решения задач мониторинга окружающей среды» Шифр «Зонд-МАИ», №76160-06040(9652-40501)/(414-96), ЦНИИМАШ,1996.

16. НТО «Разработка научно-методического обоснования проектного облика перспективной КС, создаваемой на основе передовых технологий на базе унифицированных малоразмерных КА», Шифр «Зонд-МАИ», №79120-06040(9652-40501)/(395-97), ЦНИИМАШ,1997.

17. НТО «Разработка программно-математического обеспечения для решения задач анализа, синтеза и управления низкоорбитальными системами на базе малых спутников типа «Гонец», «Иридиум».Шифр «Опора» в рамках НИР «Базис»,№032-5406/97, МАИ, 1997.

18. Нестеренко О.П., Сабиров Е.М., Шумский В.В., Шурахов А.А. «Проблемы анализа и синтеза управляемых спутниковых систем»,

19. Международная конференция «Бортовые интегрированные комплексы и современные проблемы управления», 8-10 Июня 1998 г., г. Ярополец, МО.

20. НТО «Проведение научно-методического исследования проблем выбора проектных параметров космической системы с учетом технико-экономических показателей», Шифр «Зонд-МАИ-2», №91430-06040, ЦНИИМАШ, 1998.

21. НТО «Разработка алгоритмов и программного обеспечения для выведения на орбиту, управления и позиционирования MC3»/NPI Brazil/№7807-06040, 1997-1998.

22. Нестеренко О.П„ Сабиров Е.М. К вопросу об определении оптимальной структуры экономически эффективной космической системы наблюдения// Изв. РАН. Теория и системы управления. 1998. №4.

23. НТО «Формирование системных требований к системам глобального мониторинга окружающей среды «GES».MAH, 1999.

24. Нестеренко О.П., Сабиров Е.М., Шумский В.В., Шурахов А.А. «Оптимизация орбитальной структуры спутниковой системы». Сборник трудов 4-й Международной конференции «Системный анализ и управление космическими комплексами», Евпатория, 1999.

25. Нестеренко О.П., Сабиров Е.М.,«0 проектировании экономически-эффективных спутниковых систем наблюдения». Сборник трудов 5-й Международной конференции «Исследование и освоение космоса в наступающем веке», Евпатория, 2000 г.

26. НТО «Разработка информационно-аналитического комплекса программ для решения задач проектирования, анализа и эксплуатации системы ДЗЗ», МАИ, 2000 г., №93290-06040.

27. НТО «Исследование возможных вариантов орбитальной группировки МКА для разведки природных ископаемых и мониторинга ЕСГ, оценки реализации точностных систем навигации, ориентации и стабилизации МКА», НИР «Эталон-О», 2000 г.

28. Рис.П.3.4.а. Показатель дохода D((Njл (NJ(Nj Jразномаршрутной КСНm (N k7k),„ H,„> On J r 0 / m>1. 14 106/121 613, км (97.8°) 122. var var 12 (U,=03. var var 12158160Vl52