автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ и комплексное моделирование технологий автоматизированного управления активными подвижными объектами на примере космических аппаратов в условиях внешних возмущений

003165653

На правах рукописи

Шабаев Руслан Рафикович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И КОМПЛЕКСНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМИ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ НА ПРИМЕРЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Специальность 05 13 01- Системный анализ, управление и обработка информации (в оборонной и гражданской технике)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003165653

Работа выполнена в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий

Научный руководитель — доктор технических наук

Бабишин Владимир Денисович

Официальные оппоненты доктор технических наук

Кузнецов Владимир Васильевич,

кандидат технических наук Карпов Алексей Владимирович

Ведущая организация ФГУП Научно-исследовательский институт космического приборостроения, г Москва

Защита состоится « » f ( 2007 г часов на заседании диссертационного совета Д 850 001 01 при Московской академии рынка труда и информационных технологий по адресу 121351, г Москва, ул Молодогвардейская, дом 46, корп 1, тел (495) 149-86-38 в конференц-зале

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ Московской академии рынка труда и информационных технологий, а также на сайте www martit ru

Автореферат разослан « //» /О 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета к т н , профессор

Чересов Ю И

Общая характеристика работы.

Актуальность темы: Под технологией автоматизированного управления (ТАУ) активными подвижными объектами в работе понимается такая совокупность процессов функционирования АСУ и методов практической реализации выполнения взаимосвязанных операций объектов управления, распределения функций управления и соответствующих ресурсов между ними; при которой обеспечивается выполнение целевых задач активными подвижными объектами

Активные подвижные объекты (АЛО) представляют собой искусственно созданные материальные объекты (приборные комплексы), перемещающиеся в пространстве и осуществляющие взаимодействие (информационное, энергетическое) с объектами обслуживания (ОБО), пунктами обслуживания, другими АПО Предлагаемая структура АЛО допускает весьма многообразную интерпретацию Так, например, в качестве АПО может выступать наземное, воздушное, надводное или подводное средство передвижения станок, робот с программным управлением, управляемый радиотелескоп, управляемое устройство фотографирования и т д

В данной работе под активным подвижным объектом будем понимать космический аппарат (КА), который представляет собой техническое устройство, предназначенное для полета в космическом пространстве Таким образом, технологию управления активными подвижными объектами различного назначения при изложении дальнейшего материала будем рассматривать на примере технологии автоматизированного управления орбитальной группировкой космическими аппаратами (ТАУ ОГ КА)

Раньше технологии управления КА были четко расписаны по следующему сценарию объем орбитальной группировки и наземные средства управления находились в полном соответствии

Хотя в 2006 г. улучшилось состояние отечественной орбитальной группировки, но до радикального ее «выздоровления» еще далеко И тем не менее доля космических аппаратов социально-экономического и научного назначения, работающих в пределах своего гарантийного срока, возросла по сравнению с показателем 2005 г с 51 до 58%

Несмотря на тот фактор, что федеральная космическая программа России в 2006 г профинансирована в объеме 23 0 млрд рублей, а 2007 год федеральным бюджетом предусмотрено выделение ассигнований на реализацию ФКП в объеме 24 4 млрд рублей современный период развития отечественных космических средств, характеризуется значительным сокращением объемов финансирования работ на создание, проведение ис-

пытаний и эксплуатацию данных средств, а также деградацией существующих наземных средств

В 2006 г проводились работы по созданию и модернизации наземной космической инфраструктуры на Байконуре, в Уссурийске, в подмосковных Медвежьих Озерах, на объектах Алтайского оптико-лазерного центра При этом на космодроме Байконур в ведение Роскосмоса от Минобороны России по плану 2006 г передано 64 объекта В 2007 году процесс передачи объектов от Минобороны Роскосмосу планируют завершить в полном объеме

В результате непоследовательной и нерасчетливой реструктуризации оборонного комплекса существенно изменился состав орбитальных средств, которые вошли в общую орбитальную группировку, более того, состав группировки неопределен

Кроме того в настоящее время для управления космическими аппаратами различного назначения в Российской Федерации кроме штатных средств МО появилось большое количество разнесенных по всей территории России наземных комплексов и средств управления КА других государственных ведомств и коммерческих организаций

Эти обстоятельства выдвигают на передний план задачу сохранения (повышение) требуемой эффективности технологии управления как отдельными КА, так и в целом орбитальной группировкой в условиях внешних возмущений, решение которой неразрывно связано с внедрением экономичных технологий контроля и управления конкретными типами КА с учетом структурной динамики космических средств на этапах эксплуатации данных систем по целевому назначению, когда фактор времени является определяющим

Поэтому для решения данной задачи крайне необходима точная и правильная оценка эффективности управления КА на основе использования для ее решения методов системного (многомодельного, многоуровневого) моделирования процессов управления

Системный анализ и комплексное моделирование технологии управления предусматривает выбор подходящих моделей процессов управления КА на основе структурной динамики космических средств, реализацию этих моделей в виде алгоритмов и программ, необходимых для проведения анализа и выбора эффективной ТАУ КА на этапе применения в условиях внешних возмущений

Существующее моделирование процессов управления не в полной мере учитывают все аспекты функционирования и управления КА, особенно изменение структурной динамики состояния космических средств

управления в реальном масштабе времени, а в ряде случаев приводит к недостоверным и ошибочным результатам

Указанные обстоятельства определяют актуальность исследуемой в диссертации сложной научной задачи: Системный анализ и комплексное моделирование технологий автоматизированного управления космическими аппаратами в условиях внешних возмущений

Объект исследования: технология управления космическими аппаратами

Предмет исследования: комплексное моделирование структурно-функциональных процессов автоматизированного управления

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались экспертные оценки, системное моделирование, методы теории оптимального управления сложными динамическими системами, методы принятия решений в условиях неопределенности, методы многокритериальной оптимизации

Цель работы: Решение научной задачи по совершенствованию и оптимизации комплексного моделирования процессов управления КА для выбора эффективной технологий автоматизированного управления КА на основе структурной динамики состояния космических средств в реальном масштабе времени в условиях внешних возмущений на этапе применения

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие подзадачи

- анализ существующих технологий управления,

- выбор и обоснование основных показателей ТЦУ,

- обоснование и постановка многокритериальной и полимодельной задачи оценки эффективности ТЦУ;

- исследование частных динамических моделей структурно-функциональных процессов АУ ОГ КА на этапе целевого применения в условиях внешних возмущений, с учетом факторов неопределенности;

- решение задач оценки эффективности ТЦУ с использованием имитационного моделирования процессов управления,

- решение задач сравнительной оценки эффективности ТЦУ на основе метода функции ожидаемой желательности,

- разработка методики многокритериальной сравнительной оценки ТЦУ с использованием функции ожидаемой желательности

Научная новизна полученных результатов в том, что автором

1 Разработан подход к формальному описанию модифицированных динамических моделей процессов управления, отличающийся от ранее предложенных тем, что в его основу для оценки эффективности ТАУ КА положены комбинированные аналитико-имитационные модели управления операциями взаимодействия КСр в условиях внешних возмущений

2 Предложен и обоснован взаимосвязанный комплекс частных показателей, оценивающих различные аспекты создания и реализации ТАУ КА, отличающийся от существующих комбинированным учетом факторов неопределенности, описывающим воздействия внешних возмущений с использованием детерминированных, стохастических и интервальных данных.

3 Разработана многоэтапная процедура (методика) мнокритериально-го оценивания, анализа и выбора вариантов ТАУ КА, базирующаяся на алгоритме формирования функции ожидаемой желательности (приведенной полезности в виде гиперэкспоненты), учитывающей частные показатели качества используемых ТАУ КСр в условиях внешних возмущений

Полученная в результате специальных теоретических и экспериментальных исследований возможность имитационного и аналитического моделирования ТЦУ так и математического воспроизведения оценочных характеристик этих ТЦУ, позволила решить ряд практических задач по оперативной оценке эффективности технологии управления ОГ КА на этапе применения

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью используемых ограничений и допущений и подтверждается практикой целевого применения в различных организациях промышленности ( ВИКИ им А Ф Можайского, НИИ ТП, ЦСКБ, Федеральное космическое агентство, НПО им Лавочкина, ЦНИИМАШ, СПИИРАН)

Внедрение основных результатов работы Результаты диссертационной работы реализованы в Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН и использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Корона», заданной Федеральным космическим агентством в рамках Федеральной космической программы

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и положения, выносимые на защиту, прошли научную апробацию на научной конференции ГОУ МАРТИТ и МНТК, (Аланья-Севастополь, май-сентябрь 2004 г), т 2 Федеральное агентство по образованию, М МГАПРИ, 2005

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 статьи, 1 - материалы научно-технической конференции

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы, включающего наименования, и приложения Объем работы страниц основного машинописного текста, рисунков и таблиц Положения, выносимые на защиту:

1 Системный анализ и формальная постановка задачи комплексного моделирования технологии автоматизированного управления ОГ КА на этапе применения, отличающейся от ранее предложенных тем, что в его основу положены комбинированные(аналитико-имитационные) модели КСр

2 Комплекс динамических аналитико-имитационных моделей функционирования КСр для оценивания показателей эффективности технологии АУ ОГ КА в условиях воздействия внешних возмущений с использованием детерминированных, стохастических и интервальных данных

3 Методика многокритериальной сравнительной оценки эффективности ТАУ ОГ КА по функции ожидаемой желательности

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении показана актуальность темы работы, обоснованы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность исследования, приведены сведения об апробации работы и публикациях, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе проведен анализ существующих принципов построения технологий управления ОГ КА, который показал, что в настоящее время технологии управления КА противоречивы особенно в условиях изменения внешней обстановки, требуют больших материальных затрат в условиях дефицита всех видов ресурсов и должны рассматриваться с позиций структурно-функциональных процессов управления Противоречивость технологий управления заключается в том, что для разных технологий управления улучшение одних показателей эффективности приводит к ухудшению других показателей Для существующей многопунктной технологии управления КА максимальная эффективность технологии управления КА достигается путем повышения надежности управления, точностных характеристик НБО Однако при этом снижается оперативность управления, пропускная способность, увеличивается потребление ресурсов

С другой стороны, как показывает многолетний опыт эксплуатации КА, при сокращении ТЦУ с использованием малопунктных, однопункт-

ных технологий управления, максимальная эффективность технологии управления КА достигается путем увеличения оперативности управления, пропускной способности, снижением потребляемых ресурсов, но зато при этом снижается надежность управления, ухудшаются точностные характеристики НБО Таким образом указанные показатели управления являются сугубо противоречивыми и оптимизация параметров ТЦУ по каждому из них приводит к альтернативным (несовпадающим) решениям

Кроме того существующие принципы, подходы, модели технологий управления ОГ КА, применяемые для оценки эффективности технологии управления КА не в полной мере учитывают структурную динамику состояния космических средств в реальном масштабе времени в условиях внешних возмущений на этапе применения

Поэтому оценка эффективности ТАУ КА должна проводится с учетом характеристик ее подсистем НКУ, КИС, оптимизированных исходя из взаимосвязей с другими элементами КС, что позволяет учесть возможные пути минимизации затрат ресурсов на их создание и эксплуатацию за счет интеграции функций и средств реализации ТАУ В связи с этим в главе предложен вариант построения и описания структуры технологии АУ ОГ КА в виде взаимосвязанной совокупности двух структур, обобщенной структуры КА как объекта управления и структуры НКУ ОГ КА. При таком структурно-функциональном подходе наглядно реализуется перевод обобщенной структуры КА или в целом ОГ КА из одного состояния в другое путем изменения структуры средств НКУ ОГ КА

Одними из главных принципов системного анализа при оценке эффективности технологии управления в настоящее время является принцип полимодельности и принцип многокритериальности, при этом данная задача является аналитически неразрешимой в рамках аксиоматики классической теории экстремальных задач В связи с этим возникает необходимость оценивать эффективность (качество) технологии управления с использованием многомодельного, многоуровневого моделирования структурно-функциональных процессов автоматизированного управления КА

В главе предложен системный подход при решении задачи оценки эффективности технологий автоматизированного управления КА в условиях внешних возмущений, позволяющий сформировать постановку и пути решения типовой многокритериальной задачи для оценки эффективности технологии управления ОГ КА на основе комплексного моделирования структурно-функциональных процессов АУ КА, в состав которого должен входить комплекс динамических аналитических и стохастических имитационных моделей процессов управления КА Формально задача

оценки эффективности технологии управления КА с использованием системного подхода представляет собой многокритериальную полимодельную задачу векторного выбора (синтеза) ТАУ КА

ичгсе)) = ИЧ , ■ > */(Я)Ф||Г) «Й- (1)

= jr f\A)(x) < О J 61,pip(x) SOjej}

где W( s(x) ) - функционал от s(x), который определяет обобщенный показатель эффективности технологии управления,

х = .,-f - обобщенный вектор состояния СУ ОГ КА,

s(x) - векторная целевая функция, с помощью которой оценивается эффективность вариантов синтезируемой технологии автоматизированного управления КА,

sfA\—?sfA) ' частные целевые функции, которые задаются для аналитических моделей в аналитическом виде,

' Челевые функции, которые задаются алгоритмически для имитационных моделей, А- множество допустимых альтернатив ТАУ КА,

(р~^(х)- система ограничений на значения компонент вектора состояния АСУ ОГ КА, которые задаются как аналитически, так и алгоритмически К числу последних ограничений, относятся пространственно-временные, технические и технологические ограничения, с помощью которых задаются варианты внешних возмущений

Во второй главе проводится анализ возможных вариантов построения моделей управления для оценки частных показателей эффективности технологии автоматизированного управления КА При этом подчеркивается, что моделирование сложных организационно-технических систем (к которым относятся наземные и орбитальные группировки (НГ и ОГ)) космических средств (КСр) в рамках какого-то одного класса моделей (математических, логико-алгебраических и логико-лингвистических, аналитических или имитационных, детерминированных, или статистических) приводит к недостоверным, а в ряде случаев, и ошибочным результатам

Центральную роль в процессах системного моделирования играют вопросы взаимодействия программно-математического и информационного обеспечения соответствующих моделирующих комплексов с лицами, принимающими решения (ЛПР) Исследования в области организации и проведения системного моделирования показывают, что целесообразно при решении задач анализа и синтеза технологии управления НГ и ОГ КА реализовывать технологию комплексного моделирования в рамках интегрированной системы поддержки и принятия решений (ИСППР), в состав которой, в общем случае должны входить

• имитационная система (ИС),

• экспертные системы поддержки принятия решений (СППР),

• расчетно-логическая система (PJIC),

• интеллектуальная информационно-поисковая система (ИИПС),

• инструментальные CASE средства автоматизации проектирования

Конкретный состав и структура взаимодействия данных систем на каждом иерархическом уровне системы управления (СУ), (автоматизированной системы управления (АСУ) ОГ КА и для каждого этапа ее применения по целевому назначению должен определяться с учетом специфики функционирования соответствующих элементов и подсистем рассматриваемой СУ

На рис 1 представлена обобщенная функциональная схема типового элемента ИСППР, построенного на базе интеллектуального автоматизированного рабочего места (ИАРМ), которое может быть выбрано в качестве ядра центральной подсистемы комплексов автоматизации управления, входящих в состав перспективной АСУ ОГ КА.

В работе показано, что в качестве базовой математической структуры при формировании комплекса моделей управления КА целесообразно выбрать математическую структуру динамической системы, так как ее применение позволяет широко использовать полученные в современной теории управления сложными системами управления фундаментальные научные результаты и соответствующие практические рекомендации

поддержки принятия решений по управлению

Также показано, что при описании рассматриваемых в данной работе моделей сложных дифференциальных динамических систем с перестраиваемой структурой весьма удобно использовать математический аппарат исследования и построения множества достижимости, с помощью которого можно конструктивно подойти к построению и анализу рассматриваемых ниже моделей

Под множеством достижимости О (ОД(|,х(10)) в данном случае будем понимать множество точек конечных состояний процесса управления, в которые он может попасть под воздействием возмущений 5

Однако наряду с указанными достоинствами при использовании динамической модели(ДМ) возникает целый ряд трудностей, существенно усложняющий процесс поиска оптимальных программ технологии автоматизированного управления, а именно, трудности учета в ДМ факторов неопределенности, связанные с воздействием и изменением внешней среды,

вызванным ресурсными ограничениями Для преодоления этих трудностей в диссертации предложен один из вариантов, связанный с модификацией известных ДМ, описанных в работах Соколова Б В для случая известных вероятностных характеристик случайного булевого процесса, описывающего в обобщенном виде воздействия внешних факторов на функционирование СУ ОГ КА В этом случае используется следующее соотношение-и(1 - ^(0), где 4(0 - случайная функция, принимающая два значения «О», если А, и КСр работоспособны, и возможно проведение операции взаимодействия А, КСр с А, КСр, «1» - в противном случае.

В главе предложена модификация моделей программного управления основными элементами и подсистемами АСУ "КА, которые ранее были предложены в работах Калинина В Н и Соколова Б В К таким моделям относятся модели оценки управления движением КСр (модель М<8)), управления операциями взаимодействия НГ и ОГ (М(о)), управления потоками информации (М(л)), управления ресурсами управления структурными состояниями НГ и ОГ КА ( М'с)) и обобщенная динамическая модель управления с учетом факторов неопределенности (модель М)

Модернизация ранее предложенных моделей состоит в учете факторов неопределенности, связанных с воздействием внешней среды в условиях ограниченных ресурсов и необходимостью решения задач многокритериального выбора

Из-за ограниченности объема автореферата далее приводится описание только одного класса моделей М

Обобщенная динамическая модель управления операциями и структурами в АСУ КА М может быть представлена в следующем виде-

М={и(ф = ?(х,и(1-£0М (2)

краевые условия

Фо(*Ы)*б. Ф1(х(1£)<0, ограничения на состояние вектора х и управляющее воздействие

сп(а,х)=б, ¿¡2(и,х)<б},

5Об = ||5(ё)гЛ(0)гЛ(р)гЛ(п)гЛ(с)г||Т,

где г = |г»,|№«=||йЬ*,й<»*,йЪ*,гЬ*,йЬ*\т,

соответственно обобщенный вектор состояния и управления основными элементами и подсистемами СУ ОГ КА,

Jo6 - обобщенный вектор показателей качества функционирования СУ ОГ КА В соотношении ф0,ф, - известные вектор-функции для учета граничных значений, принимаемых вектором х в момент времени t = to, t = tf Векторные функции qi,q2 задают основные пространственно-временные, технические и технологические ограничения, накладываемые на процесс функционирования СУ ОГ КА

1(Е> - функционал, позволяющий количественно оценить качество управления движением НГ и ОГ КА,

x(g)(t) = ,х^е)|| - вектор, характеризующий состоя-

ние

движения элементов СУ ОГ КА, u(g)(t)= . ,uis)|| - вектор управляющих воздействий,

х(0 - вектор состояния операций,

X» - вектор состояния ресурсов,

х(п - вектор состояния потоков информации,

х(с - вектор состояния структур АСУ,

а(8 - вектор управления движением,

и<° - вектор управления операциями,

0" - вектор управления ресурсами,

и'" - вектор управления потоками информации,

и(< - вектор управления структурными состояниями АСУ

В целом построенная обобщенная модель М представляет собой нелинейную, нестационарную конечномерную дифференциальную динамическую систему с перестраиваемой структурой Взаимосвязь и координация решений в указанном полимодельном комплексе осуществляется с использованием вектора управляющих воздействий й^0^), входящего в модель Л/'"' и определяющего порядок выполнения операций взаимодействия (ОВ) и распределения соответствующих ресурсов в СУ ОГ КА и представлена на рис 2

г1 х0 р,| 1?

_1П 1 11 _1 м1р|

X го' 1 'о 1'с' й.О.

И г~

м"" м'с'

Г .,1

* X ч 1*

п'8'—■ м'«' Я"" м'1"

1 1 Г«' 1,в' 1 1 ТЩ1 ё1»

Рис 2 Структурная схема взаимодействия модифицированных динамических моделей

Показатели качества процесса управления КА для рассмотренных моделей в главе определялись следующим образом

'I т К ,0 ;=1 Я=1 к=\

- показатель, характеризующий объем (время выполнения) к-й ОУ, выполненных на _)-м ТС НКУ 1-м КА на интервале времени переданной по А - му каналу связи,

где Б (I) е {ОД} - заданная временная функция, задающая ч

пространственно-временные ограничения, связанные с взаимодействием объектов 1 и }, которая равна 1, если КА А, находится в зоне радиовидимости РТС в противном случае равна О

6,к,х(0 - матричная функция, которая характеризует технические возможности реализации ОВ КА с О КИК, данная функция принимает значение 1 если на КА А, и РТС Bj имеются средства (соответственно каналы С'х и С^ позволяющие проводить ОВ О-в противном случае

1=1

- общий объем ОУ, выполненных с КА, входящими в орбитальную группировку (ОГ), на интервале времени ]>

j(0,3)= £ujW(t)

K=1

- количество ОУ ci-м KA, выполненных на момент времени t,

j(0,4) =^j(0,3)

1=1

- общее количество ОУ, выполненных на момент времени t со всеми КА

ог,

j(0,5)= ^u(0')(t) к=1

- количество ОУ с 1 - м КА, выполненных без временной задержки на момент времени t,

j(0,6) = £ j(0,5) 1=1

- общее количество ОУ, выполненных без временной задержки на момент времени t со всеми КА ОГ,

m

- показатель интегральной пропускной способности НАКУ отношение количества ОУ, выполненных на ТС НКУ, к общему количеству ОУ, которые должны быть выполнены по плану,

n^(t0,t,+1]=j(°;4)(to't'+l]~j(0'4)(^I

m

- показатель дифференциальной пропускной способности,

т,

- показатель оперативности управления i - го КА отношение количества выполненных ОУ i - го КА без временной задержки к общему количеству ОУ, которые должны быть выполнены по плану,

J(M)(tf)

m

- показатель оперативности управления ОГ КА

Показатели ресурсных ограничений определяются на основе использования модифицированной модели управления ресурсами, рассмотренной во второй главе диссертации

показатель оценки затрат складируемых ресурсов

J = 1 1 = 1 к =1

п M(to,tf)= —

Данный показатель характеризует ресурсы, которые могут пополняться в процессе управления КА,

показатель оценки затрат нескладируемых ресурсов

П«"> = -1 fZ Z g^uf'Hi-5,4>£r

у = 1 1 = 1 «-=1

Данный показатель характеризует ресурсы, которые не могут пополняться в процессе управления КА

На основе предложенных в главе моделей программного управления основными элементами и подсистемами АСУ КА была проведена оценка устойчивости допустимых ТАУ КА к внешним возмущениям Данная задача сводится к задаче построения множества достижимости (МД) соответствующих динамических моделей, описывающих процесс программного управления элементами и подсистемами в АСУ КА В связи с этим была получена на основе построения и аппроксимации МД графическая оценка устойчивости технологии АУ КА к внешним возмущениям, позволяющая оценивать границы изменения показателей целевых и информационных возможностей АСУ КА в динамике. При этом построение областей достижимости рассмотрено для общего уравнения процесса программного управления

х(0 = /(х(0,й(1-Ш0 (3)

Причем, вектор возмущений £,(t) определяется следующим образом

z,- ^ (4)

Множество векторов размерности n Ç = Ц^Дг, £,П||Т> удовлетворяющих

ограничениям (4), определяется множеством возможных возмущений, вызванных ресурсными ограничениями на процесс управления КА

Далее в работе показано, что если для процесса управления, соответствующему некоторому управляющему воздействию й(т) и подверженному влиянию возмущений |(t), заданных (4), выполняются условия

C'(Q,t0,x(t0))czPs, (5)

где C'(Q,t0,x(t„))- некоторое множество точек в пространстве значений показателей качества, Ps -некоторая область задания допустимых пределов изменения значений частных показателей пропускной способности АСУ КА и расхода ресурсов АСУ КА J(,) и J(2),

j(l)min <J(1) < J(l>nia«

то данная технология управления КА устойчива к воздействию возмущений те возможные отклонения значений показателей качества технологии управления КА 10) и 1<2), вызванные возмущениями 1(1), являются допустимыми

Таким образом в главе предложен взаимосвязанный комплекс частных показателей, оценивающих различные аспекты создания и реализации ТАУ КА, описывающих воздействия внешних возмущений с использованием детерминированных, стохастических и интервальных данных

В третьей главе приводится описание комплекса стохастических имитационных моделей технологии управления КА Данная система моделей в отличии от существующих комплексов программ позволяет уже при моделировании учитывать возмущающие воздействия внешней среды Модель ОГ КА включает следующие исходные данные

• состав, структура наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ), варианты реконфигурации структуры при ее деградации, множество вариантов взаимосвязи основных элементов и подсистем НАКУ, в состав которых входят технические, программные, информационные средства ОКИК и центра управления полетом (ЦУП),

• состав орбитальной группировки КА,

• пространственно-временные ограничения (координаты элементов НАКУ, траектории движения КА, зоны радиовидимости),

• технические ограничения (тактико-технические характеристики (ТТХ) космических средств, время их непрерывной работы, переналадки, время, отводимое на проведение автономных и комплексных проверок, периодичность регламентных работ, ограничения на число КА, с которыми может одновременно проводить работу заданное число средств управления, ограничения по электромагнитной совместимости радиотехнических средств (РТС),

• технологические ограничения - сведения о составе, структуре ТЦУ, характеристики каждой технологической операции (объем, время выполнения, требования по качеству выполнения, запрет на разрывность выполнения ОУ),

• множество способов и методов управления основными элементами и подсистемами НАКУ,

• возможные варианты (сценарии) воздействия возмущающих факторов на элементы и подсистемы НАКУ,

• показатели качества функционирования основных элементов и подсистем НАКУ, позволяющие количественно оценить показатели потенциальной эффективности НАКУ, В качестве обобщенных показателей эффективности технологии управления были выбраны следующие показатели— статистические вероятности нормального функционирования НКУ, оценка на заданном интервале функционирования Гз

Рю(Т3) = Р{Мвя{Т,) = Мч{Т,),МЧ1г5 < г5У5} ,

где М^(Т3) - число ТЦУ КА д-го типа, выполняемых на интервале 7з, М,(Г3) - требуемое число ТЦУ КА д-го типа, - допустимый расход ресурсов 5-го типа, г5 - фактический расход ресурсов 5-го типа,

— статистическая вероятность выполнения ТЦУ для КА 0-го типа, Р^ =Р{Ь1ч>ЩУу},

где — требуемое число успешно выполненных операций взаимодействия у-го вида с КА д-го типа V—го вида, Ь^ — выполненное число операций взаимодействия у-го вида с КА д-го типа

Разработанная система имитационных моделей позволяет смоделировать процессы управления при выполнении сеансов связи с ОГ КА в условиях выхода из строя обслуживаемых средств в соответствии с заданными вероятностями, в результате которых определяются частоты и временные характеристики невыполненных сеансов управления в виде гистограмм

В четвертой главе рассмотрены практические предложения и рекомендации по решению прикладных задач по оценке и выбору эффективной технологии АУ КА в условиях внешних возмущений

В этой главе предложена имитационная система, которую можно использовать при решении задач многокритериального оценивания эффективности технологии АСУ КА на этапе применения Для этого на 1-м этапе решения задачи идентификации для фиксированных условий обстановки и фиксированных вариантов структурного построения АСУ КА, используя предложенный комплекс стохастических имитационных моделей АСУ КА, следует провести машинные эксперименты, которые позволят получить множество значений обобщенного показателя, характеризующего эффективность АСУ КА (например, множество значений статистической оценки вероятности выполнения целевой задачи КА на интервале а) Так, например, если в качестве обобщенного показателя эффективности Г(х) применения КА была выбрана вероятность выполнения заданной со-

вокупности ОВ к моменту времени 1Г

где Ф - заданное множество значений векторов х0б, то в этом случае ЛПР остановит свой выбор на таком варианте технологии управления КА, при котором статистическая оценка указанной вероятности будет максимальна

С другой стороны, используя полимодельный и многокритериальный подход, эта же задача оценки эффективности характеристик системы формулируется следующим образом

^х)->ех11хеДр,

где х = (х,^, .хп)г- вектор частных показателей технологии управления , Ар - множество допустимых значений вектора х

Для этого в главе предложен вариант сравнительной многокритериальной оценки эффективности на основе применения функции ожидаемой желательности (приведенной полезности), который позволяет находить оптимальный вариант технологии автоматизированного управления КА в условиях внешних возмущений В отличии от существующих методов в условиях случайных возмущений данный метод предусматривает, что критериальная функция К{Xявляется случайной функцией с известным распределением вероятностей показателя -х , а также позволяет исключить трудоемкие расчеты по определению коэффициентов важности ЧПК, под которыми понимается степень влияния изменения значения показателя качества (эффективности) технологии автоматизированного управления КА на обобщенный показатель качества

В основу решения данной задачи были положены следующие два принципа

1 Принцип приведения разноразмерных частных показателей качества (ЧПК) к единой шкале отсчета, отражающей степень влияния ЧПК на значение обобщенного показателя качества (ОПК),

2 Принцип прямого учета степени влияния ЧПК на ОПК, выраженной мнениями экспертов

Первый из указанных принципов базируется на использовании функции ожидаемой желательности У( X ), описываемой соотношением

где X - математическое ожидание или среднее значение частного

показателя X, а ее график представлен на рис 3

Функция ожидаемой желательности в отличии от существую-

щей функции желательности (приведенной полезности) представляет собой зависимость желаемого значения показателя от математического ожидания показателя X, которая на линейном участке (рис 3 и заштрихованная часть графика рис 4) позволяет дать большее предпочтение "хорошим" показателям. Это определило главное достоинство данной функции - учитывать коэффициенты важности ЧПК за счет их поведения и реального изменения в зависимости от их желаемых значений

В работе показано, что функция ожидаёмой желательности У(Х) позволяет дифференцированно оценивать значимость не только самих частных показателей, но и тенденции к их изменению

Учитывая эти обстоятельства, шкалу значений аргумента х функции ожидаемой желательности разбивают на N характерных участков (см. рис 4, где N=5), каждый из которых соответствует определенному баллу шкалы оценок значений ЧПК

Рис 3 Функция ожидаемой желательности

Максимальное число N баллов в единой шкале оговаривается заранее и согласовывается с экспертами Таким образом, каждому из интервалов значений аргумента Х~ функции (6) устанавливается во взаимно однозначное соответствие определенное значение балльной оценки качества значения ЧПК (например очень плохо, плохо, удовлетворительно, хорошо, очень хорошо)

х(Рг)

* ^

I

*(Р„)

/

"\23 ГП]

Рис. 4. Зависимость функции ожидаемой желательности К(х) от показателей качества ТЦУ .

1 - область очень плохих решений; 2 - область плохих решений;

3 - область удовлетворительных решений; 4 - область хороших решений; 5 - область очень хороших решений.

Второй из указанных принципов базируется на введенных «априори» балльных оценках значений для каждого ЧГ1К по шкале аргумента ^функции, а также на экспертных оценках значений каждого ЧПК (по шкале его размерности), соответствующей этим баллам.

Таким образом, устанавливается прямая взаимосвязь любой сложности между значениями ЧПК и единой шкалой аргумента функции ожидаемой желательности. Это позволяет отказаться от использования в обобщенном показателе всевозможных коэффициентов важности, определяемых в известной литературе.

Для каждого из альтернативных вариантов ТЦУ вычисляются:

• значения функции ожидаемой желательности для каждого из ЧПК

У/(Г)=у[лг(р7)]=УИ"Ч (27)

где]- номер показателя ТЦУ.

значение обобщенного показателя представляется в виде

• среднегеометрического значения

где т - общее число ЧПК, учитываемых при оценке альтернативных вариантов ТЦУ;

к - номер альтернативного варианта ТАУ,

P/t -математическое ожидание значения j- ЧПК для k-ого альтернативного варианта ТАУ

Предпочтительный (оптимальный) из альтернативных вариантов ТЦУ определяется из соотношения

W,o=maxWs(K), (29)

кеД

где А- множество альтернативных вариантов ТЦУ КА Изложенный метод решения апробирован на макете специального программного обеспечения в виде методики для оценки проектных решений

В главе предложена практическая реализация модельного эксперимента с использованием комплекса стохастических имитационных моделей управления орбитальными группировками КА и наземных средств управления космическими аппаратами Данный эксперимент позволил разработать технологию имитационного моделирования процессов подготовки и проведения операций обслуживания КА в условиях деградации наземного комплекса управления (НКУ),- выполнить анализ по оценке эффективности технологии АСУ КА для пяти вариантов НКУ

В заключении приведены основные результаты и выводы по разработке элементов теории и прикладных методов повышения эффективности технологии управления орбитальной группировки космических аппаратов в условиях внешних возмущений

В результате выполненных научных исследований в работе были получены следующие основные научные результаты

1 Анализ принципов построения существующих технологий управления показал, что для повышения (сохранения) требуемого уровня эффективности данных технологий на этапе применения необходимо осуществлять управление их структурами, которые позволяют осуществлять динамическую интерпретацию процессов управления на основе методов комплексного моделирования управления в реальном масштабе времени

2 Предложенный в работе системный подход к формальному описанию комплекса моделей с детализацией структурных и функциональных аспектов управления позволил сформулировать и формализовать задачу по многокритериальной и полимодельной оценке эффективности в виде обобщенной модели выбора на основе комбинированных (аналитико-имитационных) моделей процессов управления операциями взаимодействия КСр в условиях внешних возмущений

3 В качестве базовой математической структуры при формировании комплекса моделей процессов управления космического аппарата выбрана математическая структура динамической системы

При этом в отличии от существующих динамических моделей программного управления в диссертации предложен один из вариантов, связанный с модификацией известных динамических моделей, который учитывает факторы неопределенности, связанные с воздействием и изменением внешней среды, для случая известных вероятностных характеристик случайного булевого процесса, описывающего в обобщенном виде воздействия внешних факторов на функционирование систем управления орбитальной группировки с учетом структурной динамики состояния средств наземного комплекса управления

4 На основе построения множества достижимости конечномерных дифференциальных нелинейных динамических моделей управления с перестраиваемой структурой предложена модель оценки устойчивости технологии автоматизированного управления к внешним возмущениям в динамике В этом случае выбор эффективных технологий автоматизированного управления космического аппарата является реализацией одного из основополагающих принципов принятия решений в условиях неопределенности — принципа гарантированного результата

5 Разработанный комплекс стохастических имитационных моделей орбитальной группировки и наземных средств управления на основе тран-зактно-ориентированного подхода позволяет проводить оценку выполнимости задач управления, а также определять оптимальные варианты сокращенных технологических циклов управления при сохранении требуемых показателей управления в условиях возмущающих воздействий внешней среды, вызванных случайными факторами и деградацией наземного комплекса управления Кроме того данный подход позволяет легко моделировать динамику изменения структуры средств управления

6 В отличии от существующих методов в условиях случайных возмущений в работе предложена модель и алгоритм многокритериальной сравнительной оценки эффективности технологии автоматизированного управления на основе использования функции ожидаемой желательности при условии, что критериальная функция является случайной функцией с известным распределением вероятностей При этом получены аналитические зависимости функции ожидаемой желательности в виде гиперэкспоненты от математического ожидания критериальных функций (частных показателей) эффективности технологии автоматизированного управления, которая с вероятностью 0,96 отражает изменение данных показателей от их желаемых значений

7 В работе разработаны методические предложения по решению прикладных задач выбора эффективной технологии автоматизированного

управления на основе построения многомодельного комплекса процессов управления, который позволяет

- сравнительно легко проводить интерпретацию и согласование результатов по выбору оптимальной технологии автоматизированного управления космического аппарата,

-существенно повысить достоверность оценки эффективности управления космическим аппаратом в условиях внешних возмущений, а также скорость сходимости итерационных процедур поиска оптимальной технологии автоматизированного управления орбитальной группировкой, полученных на аналитических и имитационных моделях с учетом изменении структурной динамики состояния космических средств в условиях внешних возмущений

8 Практическая реализация модельного эксперимента с использованием комплекса стохастических имитационных моделей управления орбитальными группировками и наземных средств управления космическими аппаратами позволила

-разработать технологию имитационного моделирования процессов подготовки и проведения операций обслуживания космических аппаратов в условиях деградации наземного комплекса управления,

- выполнить анализ по оценке показателей эффективности технологии автоматизированного управления для пяти вариантов наземных комплексов управления,

- оценить степень чувствительности синтезируемой системы к виду законов распределений интервалов времени между входящими потоками информации и законов распределения времени обслуживания заявок средств управления

В целом в диссертации решена крупная научная задача по совершенствованию и оптимизации комплексного моделирования процессов управления космических аппаратов для выбора эффективной технологий автоматизированного управления на основе структурной динамики состояния космических средств в реальном масштабе времени в условиях внешних возмущений на этапе применения

Использование полученных результатов в организациях промышленности позволяет

- повысить эффективность технологии автоматизированного управления на 10-15%, а также определять оптимальные варианты сокращенных технологических циклов управления при сохранении требуемых показателей управления в условиях возмущающих воздействий внешней среды, вызванных случайными факторами и деградацией наземного комплекса

управления на этапе применения,

- повысить степень автоматизации и оперативность принятия решения по выполнению целевых задач на 10-15% за счет использования инструментальных средств пакета прикладных программ GPSS — World

Основные публикации автора по теме диссертации.

1 Шабаев Р Р , Бабишин В Д Обобщенная математическая динамическая модель оптимального управления КА в условиях внешних возмущений, статья в соавторстве // Сборник трудов МНТК, (Аланья-Севастополь, май-сентябрь 2004 г ), т 2 Федеральное агентство по образованию, М МГАПРИ, 2005 , 0,2/0,1 п л

2 Шабаев Р Р , Бабишин В Д Метод оперативного выбора допустимых технологий управления космическими аппаратами в условиях внешних возмущений / Сб Экология, мониторинг и рациональное природопользование Научные труды Вып 7(11) Изд-во Московского государственного университета леса - М , 2005 , 1,0/0,9 п л

3 Шабаев Р Р, Бабишин В Д Научно-технический отчет по НИР «Корона» этап 2 инв №201, Роскосмос, 2004 г , 0,6/0,5 п л

4 Шабаев Р Р , Бабишин В Д Научно-технический отчет по НИР «Корона-П» этап 2 инв №273, Роскосмос, 2005 г, 0,2/0,1 п л

5 Шабаев Р Р., Бабишин В Д Многокритериальная сравнительная оценка технологического цикла управления активными подвижными объекта-ми(АПО) по ожидаемой желательности в условиях внешних возмущений / М Вестник МАРТИТ,-2006.-16(38), 0,35/0,25 п.л

6 Шабаев Р Р Полимодельный метод многокритериальной оценки эффективности технологии автоматизированного управления космическими аппаратами в условиях внешних возмущений / М Вестник МАРТИТ,-2006-12(34), 0,3 п л

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АУ - автоматизированное управление, АСУ - автоматизированная система управления, БА - бортовая аппаратура,

БКУ - бортовой комплекс управления, ЗР - затраченные ресурсы, ЗРВ - зона радиовидимости,

ИТНП - измерение текущих навигационных параметров,

ИТО - информационно-телеметрическое обеспечение,

КА - космический аппарат,

КСр - космические средства,

КИС - контрольно-измерительная система,

КПО - командно-программное обеспечение,

НАКУ- наземный автоматизированный комплекс управления,

НБО - навигационно-баллистическое обеспечение,

НГ - наземная группировка,

НКУ - наземный комплекс управления,

НУ - начальные условия,

ОПК - обобщенный показатель качества,

ОВ - операция взаимодействия

ОГ - орбитальная группировка,

ОУ - операции управления,

ОКИК - отдельный командно измерительный комплекс,

ПДЦМ - параметры движения центра масс,

РК - разовая команда,

РКО - радио контроль орбиты,

РЛУ - радиолиния управления,

СС - сеанс связи,

СО - средство обслуживания,

СУ - средства управления,

ТАУ - технология автоматизированного управления,

ТМИ - телеметрическая информация,

ТМО - телеметрическое обеспечение,

ТС - техническое средство,

ТЦУ - технологический цикл управления,

ЧПК - частные показатели качества,

УПД - уточнение параметров движения

Разрешено печатать « 20 » 2007 г

Тираж 60 экз

Глава 1.

1.1.1.

1.1.2.

1.1.3.

1.1.4.

1.3.1.

Глава 2.

Общая формулировка и системный анализ задачи оценки эффективности технологии автоматизированного управления ОГ КА в условиях внешних возмущений.

Назначение и основные принципы построения технологий автоматизированного управления КА. Анализ особенностей технологических циклов управления низкоорбитальных КА.

Анализ и выбор основных показателей эффектив-ности ТЦУ ОГ КА.

Основные элементы формирования оценки эффективности технологий автоматизированного управления КА.

Анализ существующих подходов к оценке эффективности технологии автоматизированного управления КА на различных этапах жизненного цикла. Описание структуры технологии автоматизированного управления ОГ КА.

Системный подход при формировании оценки эффективности ТАУ КА.

Постановка задачи по оценке целевой эффективности ТАУ КА на основе многокритериальной и полимодельной оптимизации. Выводы по главе 1

Аналитические модели для оценки частных показателей эффективности технологии автоматизированного управления КА в условиях внешних возмущений. Постановка задачи по выбору и построению моделей оценки эффективности технологии управления с учетом факторов неопределенности. Модель управления движением ОГ КА в условиях внешних возмущений. Модель управления операциями ОГ КА. Обобщенная динамическая модель управления космическими средствами

Модель оценки устойчивости технологии АУ КА к внешним возмущениям. Выводы по главе 2.

Стр. 3 8

8 18 22

25 33

38

46

47

53 55

55

64

69 80

84

Глава 3. Комплекс стахостических имитационных моделей ТАУ 97 ОГ КА.

3.1. Цели и задачи построения моделей. 97

3.1.1. Объекты исследования. 98

3.1.2. Характеристики объктов исследования. 99

3.2. Технические ограничения при взаимодействии с КА 105 -К.

3.3. Технологические ограничения при взаимодействии с 107 КА-К.

3.4. Показатели качества функционирования НКУ. 108

3.5. Результаты моделирования. 122

Выводы по главе 3 127

Глава 4. Практические предложения и рекомендации по реше- 128 нию прикладных задач оценки эффективности ТАУ КА.

4.1. Методические предложения для решения задач оценки 128 эффективности ТАУ КА.

4.2. Многокритериальная сравнительная оценка эффектив- 132 ности технологии управления КА на основе метода функции ожидаемой желательности.

4.2.1. Общая постановка задачи. 132

4.2.2. Аналитические формы представления функции 135 ожидаемой желательности как алгоритма преобразования натуральных шкал критериев в единую безразмерную шкалу.

4.2.3. Метод функции ожидаемой желательности. 139

4.2.4. Методика оценки обобщенного показателя эффектив- 146 ности ТЦУ КА с использованием метода функции ожидаемой желательности.

4.3. Практическая реализация оценки эффективности 154 технологии управления КА по результатам модельного эксперимента в условиях внешних возмущений.

Выводы по главе 4 177

Заключение 179

Литература 182

Основные сокращения 186

Приложения 187

Введение.

Актуальность темы: Технология автоматизированного управления (ТАУ) активными подвижными объектами представляет собой методы, приемы, способы, порядок, регламент выполнения процессов управления, отражающие последовательность и взаимосвязь процедур, операций, составляющих этот процесс.

Активные подвижные объекты (АПО) представляют собой искусственно созданные материальные объекты (приборные комплексы), перемещающиеся в пространстве и осуществляющие взаимодействие (информационное, энергетическое) с объектами обслуживания (ОБО), пунктами обслуживания, другими АПО. Предлагаемая структура АПО допускает весьма многообразную интерпретацию. Так, например, в качестве АПО может выступать наземное, воздушное, надводное или подводное средство передвижения: станок, робот с программным управлением, управляемый радиотелескоп, управляемое устройство фотографирования и т.д.

В данной работе под активным подвижным объектом будем понимать космический аппарат (КА), который представляет собой техническое устройство, предназначенное для полета в космическом пространстве. Таким образом, технологию управления активными подвижными объектами различного назначения при изложении дальнейшего материала будем рассматривать на примере технологии автоматизированного управления орбитальной группировкой космических аппаратов (ТАУ ОГ КА).

Раньше технологии управления КА были четко расписаны по следующему сценарию: объем орбитальной группировки и наземные средства управления находились в полном соответствии.

Хотя в 2006 г. улучшилось состояние отечественной орбитальной группировки, но до радикального ее «выздоровления» еще далеко. И тем не менее доля космических аппаратов социально-экономического и научного назначения, работающих в пределах своего гарантийного срока, возросла по сравнению с показателем 2005 г. с 51 до 58%.

Несмотря на тот фактор, что федеральная космическая программа России в 2006 г. профинансирована в объеме 23.0 млрд рублей, а 2007 год федеральным бюджетом предусмотрено выделение ассигнований на реализацию ФКП в объеме 24.4 млрд. рублей современный период развития отечественных космических средств, характеризуется значительным сокращением объемов финансирования работ на создание, проведение испытаний и эксплуатацию данных средств, а также деградацией существующих наземных средств.

В результате непоследовательной и нерасчетливой реструктуризации оборонного комплекса существенно изменился состав орбитальных средств, которые вошли в общую орбитальную группировку, более того, состав группировки неопределен.

В 2006 г. проводились работы по созданию и модернизации наземной космической инфраструктуры на Байконуре, в Уссурийске, в подмосковных Медвежьих Озерах, на объектах Алтайского оптико-лазерного центра. При этом на космодроме Байконур в ведение Роскосмоса от Минобороны России по плану 2006 г. передано 64 объекта. В 2007 году процесс передачи объектов от Минобороны Роскосмосу планируют завершить в полном объеме.

Кроме того в настоящее время для управления космическими аппаратами различного назначения в Российской Федерации кроме штатных средств Минобороны России появилось большое количество разнесенных по всей территории России наземных комплексов и средств управления КА других государственных ведомств и коммерческих организаций.

Эти обстоятельства выдвигают на передний план задачу сохранения требуемой эффективности технологии управления как отдельными КА, так и в целом орбитальной группировкой в условиях внешних возмущений, решение которой неразрывно связано с внедрением экономичных технологий контроля и управления конкретными типами КА с учетом структурной динамики наземных средств на этапах эксплуатации данных систем по целевому назначению, когда фактор времени является определяющим.

Указанные обстоятельства определяют актуальность исследуемой в диссертации сложной научной задачи: Системный анализ и комплексное моделирование технологий автоматизированного управления активными подвижными объектами на примере космических аппаратов в условиях внешних возмущений.

Объект исследования: процессы автоматизированного управления бортового комплекса управления и наземного комплекса управления КА на этапе целевого применения.

Предмет исследования: технология автоматизированного управления космическими аппаратами.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались: экспертные оценки, системное моделирование, методы теории оптимального управления сложными динамическими системами, методы принятия решений в условиях неопределенности, методы решения дифференциальных игр с непротивоположными интересами, методы многокритериальной оптимизации.

Цель работы: Решение научной задачи по совершенствованию и оптимизации комплексного моделирования процессов управления КА для выбора эффективной технологий автоматизированного управления КА на основе структурной динамики состояния космических средств в реальном масштабе времени в условиях внешних возмущений на этапе применения.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие подзадачи:

- анализ существующих технологий управления;

- выбор и обоснование основных показателей ТЦУ;

- обоснование и постановка многокритериальной и полимодельной задачи оценки эффективности ТЦУ; исследование частных динамических моделей структурно-функциональных процессов АУ ОГ КА на этапе целевого применения в условиях внешних возмущений, с учетом факторов неопределенности;

- решение задач оценки эффективности оптимального ТЦУ с использованием стохастического имитационного моделирования процессов управления;

- решение задач сравнительной оценки эффективности ТЦУ на основе метода функции ожидаемой желательности;

- разработка методики многокритериальной сравнительной оценки ТЦУ с использованием функции ожидаемой желательности. Научная новизна полученных результатов в том, что автором:

1. Предложен новый системный подход к изучению проблемных вопросов системного анализа ТАУ КА, заключающийся в постановке и комплексной оптимизации задач выбора для оценки и повышения эффективности ТАУ КА в условиях внешних возмущений с позиций многокритериальных и полимодельных методов.

2. На основе модифицированных динамических моделей процессов управления КА на разных иерархических уровнях получены модели и соотношения для определения частных показателей эффективности управления, учитывающие факторы неопределенности.

3. В отличии от существующих имитационных моделей предложены структура и состав системы стохастического имитационного моделирования ТАУ К А в условиях внешних возмущений, позволяющие проводить оценку эффективности технологии управления.

4. Разработана модель и алгоритм многокритериальной сравнительной оценки технологий управления КА в условиях внешних возмущений по ожидаемой желательности.

Полученная в результате специальных теоретических и экспериментальных исследований возможность имитационного и аналитического моделирования ТЦУ так и математического воспроизведения оценочных характеристик этих ТЦУ, позволила решить ряд практических задач по оперативной оценке эффективности технологии управления ОГ КА на этапе применения.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью используемых ограничений и допущений и подтверждается практикой целевого применения в различных организациях промышленности (ВИКИ им. Можайского, НИИ ТП, ЦСКБ, Федеральное космическое агентство, НПО им. Лавочкина, ЦНИИМАШ, СПИИРАН).

Внедрение основных результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН и использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Корона», заданной Федеральным космическим агентством в рамках Федеральной космической программы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и положения, выносимые на защиту, прошли научную апробацию на научной конференции ГОУ МАРТИТ и МНТК, (Аланья-Севастополь, май-сентябрь 2004 г.), т. 2. Федеральное агентство по образованию, М. МГАПРИ, 2005.

Публикации, материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 статьи, 1 - материалы научно-технической конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы, включающего 52 наименования, и приложения. Объем работы: 180 страниц основного машинописного текста, 50 рисунков и 30 таблиц.

Выводы.

1 .Для оценки эффективности технологии управления в главе предложен новый полимодельный комплекс процессов управления, описывающий с требуемой степенью детализации как структурные так и функциональные аспекты реализации технологии автоматизированного управления КА.

Предложенный комплекс позволяет сравнительно легко проводить интерпретацию и согласование результатов по оценке эффективности оптимальной технологии управления КА, полученных на разнородных моделях, входящих в состав многомодельного комплекса как на программном, так и на информационном, алгоритмическом концептуальном уровнях описания технологии автоматизированного управления КА.

Оригинальность предложенного варианта формализации процессов управления КСр состоит в том, что в этом случае удается в явном виде связать содержательные аспекты функционирования АСУ КСр с выбором технологий управления КСр.

2.Предложенный алгоритм сравнительной оценки эффективности ТЦУ на основе использования функции ожидаемой желательности в условиях внешних возмущений позволяет определять обобщенный показатель эффективности ТЦУ в виде среднегеометрического значения. При этом данное значение может быть представлено в виде ребра многогранника, число граней которого соответствует количеству частных показателей сравниваемых ТЦУ, а значение грани соответствует значению функции ожидаемой желательности для каждого частного показателя этих ТЦУ.

Данный алгоритм позволяет упростить математический аппарат при определении точности оценок ЧПК, избежать трудоемких расчетов по определению коэффициентов важности ЧПК, учитывая их поведение и

178 реальное изменение в зависимости от их желаемых значений (требований к ним) в виде гиперэкспоненты.

3 .Практическая реализация модельного эксперимента с использованием комплекса стахостических имитационных моделей управления орбитальными группировками КА и наземных средств управления космическими аппаратами , позволила

• разработать технологию имитационного моделирования процессов подготовки и проведения операций обслуживания КА в условиях деградации наземного комплекса управления (НКУ);

• выполнить анализ по оценке показателей эффективности технологии АСУ КА для 5 вариантов НКУ.

Рассматриваемая система моделирования реализована с использованием инструментальных средств пакета прикладных программ GPSS - Word. При этом повышается степень автоматизации и оперативность принятия решения на командном пункте на 20-30%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных научных исследований в работе были получены следующие основные научные результаты.

1. Анализ принципов построения существующих технологий управления ОГ КА показал, что для повышения (сохранения) требуемого уровня эффективности данных технологий на этапе применения необходимо осуществлять управление их структурами, которые позволяют осуществлять динамическую интерпретацию процессов управления на основе методов комплексного моделирования управления в реальном масштабе времени.

2.Предложенный в работе системный подход к формальному описанию модифицированных динамических моделей процессов управления, отличающийся от ранее предложенных тем, что в его основу для оценки эффективности ТАУ КА положены комбинированные аналитико-имитационные модели управления операциями взаимодействия КСр в условиях внешних возмущений.

З.В качестве базовой математической структуры при формировании комплекса моделей процессов управления КА выбрана математическая структура динамической системы.

При этом в отличии от существующих динамических моделей (ДМ) программного управления в диссертации предложен один из вариантов, связанный с модификацией известных динамических моделей, который учитывает факторы неопределенности, связанные с воздействием и изменением внешней среды, для случая известных вероятностных характеристик случайного булевого процесса, описывающего в обобщенном виде воздействия внешних факторов на функционирование СУ ОГ КА с учетом структурной динамики состояния средств НКУ КА.

4.На основе построения множества достижимости конечномерных дифференциальных нелинейных динамических моделей управления с перестраиваемой структурой предложена модель оценки устойчивости ТАУ КА к внешним возмущениям в динамике. В этом случае выбор эффективных ТАУ КА является реализацией одного из основополагающих принципов принятия решений в условиях неопределенности - принципа гарантированного результата.

5. Разработанный комплекс стахостических имитационных моделей ОГ КА и наземных средств управления позволяет проводить оценку выполнимости задач управления, а также определять оптимальные варианты сокращенных технологических циклов управления при сохранении требуемых показателей управления в условиях возмущающих воздействий внешней среды, вызванных случайными факторами и деградацией НКУ.

6.В отличии от существующих методов в условиях случайных возмущений в работе предложена модель и алгоритм многокритериальной сравнительной оценки эффективности ТАУ КА на основе использования функции ожидаемой желательности при условии, что критериальная функция является случайной функцией с известным распределением вероятностей. При этом получены аналитические зависимости функции ожидаемой желательности в виде гиперэкспоненты от критериальных функций (частных показателей) эффективности ТАУ КА, которая с вероятностью 0,96 отражает изменение данных показателей от их желаемых значений.

7.В работе разработаны методические предложения по решению прикладных задач выбора эффективной технологии АУ КА на основе построения многомодельного комплекса процессов управления, который позволяет: сравнительно легко проводить интерпретацию и согласование результатов по выбору оптимальной технологии управления КА, -существенно повысить достоверность оценки эффективности управления КА в условиях внешних возмущений, а также скорость сходимости итерационных процедур поиска оптимальной технологии автоматизированного управления ОГ КА, полученных на аналитических и имитационных моделях с учетом изменения структурной динамики состояния космических средств в условиях внешних возмущений.

8.Практическая реализация модельного эксперимента с использованием комплекса стахостических имитационных моделей управления орбитальными группировками КА и наземных средств управления космическими аппаратами позволила;

-разработать технологию имитационного моделирования процессов подготовки и проведения операций обслуживания КА в условиях деградации наземного комплекса управления (НКУ);

- выполнить анализ по оценке показателей эффективности технологии АСУ КА для 5 вариантов РЖУ.

В целом в диссертации решена крупная научная задача по совершенствованию и оптимизации комплексного моделирования технологии управления для оценивания показателей эффективности целевого применения КА на основе структурной динамики состояния космических средств в условиях внешних возмущений в реальном масштабе времени.

Использование полученных результатов в организациях промышленности позволяет:

- сократить количество средств НКУ ОКИК на 10-15% при выполнении требуемого технологического цикла управления КА;

- сократить количество сеансов связи с КА на 25-30%, что обеспечивает повышение устойчивости связи с КА;

- повысить степень автоматизации и оперативность принятия решения по выполнению целевых задач на 20-30%.

1. Гориш А.В., Бабишин В.Д., Калинин А.Ф., Чаплинский B.C. Навигационно-баллистическое обеспечение полета космических аппаратов. М.: АООП, 1999, 39 с.

2. Бабишин В.Д. Методологические основы синтеза технологий автоматизированного управления космическими аппаратами в условиях ограниченных ресурсов. Монография. М.: МГУЛ, 05. 04. 2002 г., 258 с.

3. Заболотин В.Д. Словарь военных терминов. М. ООО. НИЦ. КОСМО. 2000 г.

4. Подиновский В.В. Математическая теория выработки решений в сложных ситуациях. М.: МО СССР, 1981.

5. Калинин А.Ф., Гориш А.В. и др. Проектирование наземных комплексов управления космическими аппаратами. Учебное пособие. М.: АООП, 1999,39 с.

6. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. М.: Машиностроение, 1977.

7. Резников Б. А. Системный анализ и методы системотехники. М.: МО, 1990, 522 с.

8. Жаков A.M. Основы космонавтики. СПб.: Политехника, 2000.

9. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. М.: Машиностроение, 1977.

10. Инженерный справочник по космической технике. МО СССР— 1977.

11. ГОСТ 34.-90.Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения. М.: Гос-стандарт, 1992.

12. Резников Б.А. Теория систем и оптимального управления. Принятие решений в условиях неопределенности и адаптации. Ч. 3. М.: МО СССР, 1988.

13. Бычков С.И., Лукьянов Д.П. и др. Космические радиотехнические комплексы. М. Советское радио, 1987.

14. Калинин А.Ф., Писулин В.А. Вариант математической модели эффективности и БУЖ сложных информационно-управляющих систем. // Ракетно-космическая техника сер. VI, № 7, 1987.

15. Калинин В.Н., Резников Б.А., Варакин Е.И. Теория систем и оптимального управления. Ч. 2. М.: МО СССР, 1987.

16. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами. М.: Сов. радио, 1980.

17. Соколов Б.В. Комплексное планирование операций и управление структурами в АСУ активными подвижными объектами. М.: МО РФ, 1992, 232 с.

18. Соколов Б.В. Военная системотехника и системный анализ. СПб.: ВИКУ имени А. Ф. Можайского, 1999.

19. Калинин В.Н, Соколов Б.В. Многомодельный подход к описанию процессов управления космическими средствами. // Теория и системы управления №1,1995.

20. Калинин В.Н. Теоретические основы управления подвижными объектами и операциями их обслуживания. М.: МО СССР, 1989.

21. Кравец В.Г. Автоматизированные системы управления космическими полетами. -М.: Машиностроение, 1985.

22. Калинин В.Н., Резников Б.А., Варакин Е.И. Теория систем и оптимального управления. Ч. 1. М.: МО СССР, 1979.

23. Калинин В.Н., Резников Б. А. Теория систем и управления (структурно-математический подход). Л.: ВИКИ, 1991.

24. Калинин В.Н. Теоретические основы управления космическим аппаратом на основе концепции активного подвижного объекта. Л.: ВИКУ, 1999, 190 с.

25. Черноусько Ф.Л. Оценивание фазового состояния динамических систем. Метод эллипсоидов. М.: Наука, 1988.

26. Космические траекторные измерения. Ред. Агаджанов П.А., Дулевич В.Е., Коростелев А.А. М.: Сов. радио, 1969.

27. Северцев Н.А., Бабишин В.Д. Метод анализа устойчивости к ресурсным ограничениям технологии автоматизированного управления космическими аппаратами. / Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. Вып. 5, М.: ВЦ РАН, 2003. с. 88-98.

28. Решетнев М.Ф., Лебедев А.А., Бартенев В.А. и др. Управление, навигация искусственных спутников Земли на околокруговых орбитах. М.: Машиностроение, 1988.

29. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М: Наука, 1971.

30. Ломако Т.Н. Определение и анализ движения по экспериментальным данным. МО, 1986.

31. Иоффе А.Д., Тихонов В.М. Теория экстремальных задач. М.: Наука, 1974.

32. Кини Р.Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях. М.: Радио и связь, 1981.-560 с.

33. Методологические вопросы построения имитационных систем: Обзор /С.В. Емельянов, В.В. Калашников, В.И. Лутков и др. Под научн. ред. Д.М. Гвишиани, С.В. Емельянова. М.: МЦНТИ, 1973, - 87 с.

34. Математическая энциклопедия, т. 3. Ред. И.М. Виноградов. М.: Сов. энциклопедия, 1982.

35. Шабаев Р Р и др. Научно-технический отчет по НИР «Корона» этап 2 инв. №201, Роскосмос, 2004

36. Полищук Л.И. Анализ многокритериальных экономико-математических моделей. Новосибирск: Наука, 1989.

37. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике. М.: Радио и связь, 1984.

38. Абросимов Н.Н. и др. Многопараметрическая сравнительная оценка эффективности функционирования сложных систем (процессов). Материалы конференции Автоматика-99. Харьков, 1999, с. 37.

39. Гуткин J1. С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокуп ности показателей качества. М.: Сов. радио, 1975.

40. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления. JL: Энергоиздат, 1982.

41. Зангвил У.И. Нелинейное программирование. М.: Сов. радио, 1973.

42. Кендалл М., Стюарт А. Теория распределений. М.: Наука, 1996.

43. Юрлов Ф.Ф. Технико-экономическая эффективность сложных радиоэлектронных систем. М.: Сов. радио, 1980.

44. Князькин Ю.М. Методология автоматизированного проектирования бортовых комплексов управления космических аппаратов связи, ретрансляции. М.: МО, 1992.

45. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982.

46. Цвиркун А.Д., Акиндиев В.К. Структура многоуровневых и крупномасштабных систем (синтез и планирование развития). М.: Наука, 1993.

47. Шабаев Р Р и др. Научно-технический отчет по НИР «Корона-П» этап 2 инв. №273, Роскосмос, 2005 г.

48. Петухов Г.Б. Основы теории эффективности целенаправленных процессов (методология, методы, модели). -МО СССР, -ч.1, 1990, 660 с. Шеннон Р. Имитационное моделирование искусство и наука. - М.: Мир, 1978,-418 с.

49. GPSS WORLD REFERENCE MANUAL. // Minuteman Software. -Holly Springs, NC, USA, 2000.

50. Технология системного моделирования. Ред. С.В. Емельянов. М.: Машиностроение; Берлин, Техник, 1988.1. ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

51. АУ автоматизированное управление,

52. АСУ автоматизированная система управления,1. БА бортовая аппаратура,

53. БКУ бортовой комплекс управления,1. ЗР затраченные ресурсы,1. ЗРВ зона радиовидимости,

54. ИТНП измерение текущих навигационных параметров,

55. ИТО информационно-телеметрическое обеспечение,1. КА космический аппарат,1. КС космические средства,

56. КИС контрольно-измерительная система,

57. КПО командно-программное обеспечение,1. НГ наземная группировка,

58. НКУ наземный комплекс управления,

59. НАКУ- наземный автоматизированный комплекс управления,

60. НБО навигационно-баллистическое обеспечение,

61. НКУ наземный комплекс управления,1. НУ начальные условия,

62. ОПК обобщенный показатель качества,1. ОУ операции управления,

63. ОГ орбитальная группировка,

64. ОКИК отдельный командно измерительный комплекс,

65. ПДЦМ параметры движения центра масс,1. РК разовая команда,

66. РКО радио контроль орбиты,

67. РЛУ радиолиния управления,1. СС сеанс связи,1. СО средство обслуживания,1. СУ средства управления,

68. ТАУ технология автоматизированного управления,

69. ТМИ телеметрическая информация,

70. ТМО телеметрическое обеспечение,1. ТС техническое средство,

71. ТЦУ технологический цикл управления,

72. ЧПК частные показатели качества,

73. УПД уточнение параметров движения.187