CC BY
23
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 681.5.09
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-3-8
АНАЛИЗ ЗАДАЧИ ВЕРИФИКАЦИИ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
А.М. Попов, В.В. Шмелев, В.В. Ткаченко
Статья посвящена исследованию ошибок, которые могут быть допущены при сборе и обработке телеметрической информации, а также в алгоритмах обработки. Под алгоритмом обработки телеметрической информации будем понимать конечный набор организационно-технических операций, приемов и предписаний осуществляемый в целях сбора, получения и обработки телеметрической информации, и представление ее для дальнейшего анализа. В настоящее время верификация алгоритмов обработки результатов телеизмерений осуществляется в простейшем варианте: по ожидаемому поведению эталонных параметров с тестовых записей или аналогичных изделий ракетно-космической техники. Данный способ имеет целый набор прикладных недостатков, заключающийся в сложности подготовки алгоритмов обработки результатов телеизмерений новых или модифицированных изделий, в низкой оперативности изменения алгоритмов, практически полном доверии оператору в принятии решения о достоверности результата обработки.
Ключевые слова: телеметрия, алгоритмы обработки, системный анализ, обработка информации.
Современное состояние военно-политической обстановки вокруг Российской Федерации не оставляет сомнений в актуальности основной задачи для Вооруженных Сил, а именно - «защите суверенитета, территориальной целостности Российской Федерации и неприкосновенности ее территории». Для Космических войск одной из главных задач является контроль технического состояния изделий ракетно-космической техники (РКТ). Для решения этой задачи РКТ оснащаются необходимой измерительной аппаратурой и датчиками, а государство готовит специалистов для работы с данной аппаратурой и информацией, поступающей с нее.
Информация о состоянии изделия, поступающая с борта на наземный комплекс управления, называется телеметрической информацией (ТМИ). В ракетно-космической отрасли телеметрическая информация используется для сбора данных с ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА). Для анализа и улучшения летно-технических характеристик систем и объекта в целом, оценки эффективности функционирования систем необходима информация о критичных параметрах, наиболее полно описывающих техническое состояние объекта. Поскольку РН и КА находятся на значительном удалении от обслуживающего персонала, контроль состояния объекта и его систем возможен только с использованием телеметрии [1].
Информация о состоянии бортовых систем (БС) КА формируется размещенными на борту КА разнотипными датчиками в масштабированном и закодированном виде в формате информационных телеметрических кадров и передается по радиоканалу на Землю, где принимается наземными средствами, а затем проходит стадии обработки и анализа.
Ошибки в оценке технического состояния БС РН и КА могут привести к неверным выводам о его возможностях выполнять поставленные задачи и, соответственно, принятию неадекватных управленческих решений. Поэтому задача измерения значений параметров состояния и их последующая обработка, необходимы для достоверного определения состояния бортовых систем.
Извлечение информации из телеметрических данных, математическое преобразование, анализ и представление результатов за минимальное время, обеспечивающее своевременное использование их в процессе управления телеметрируемым объектом, - первая цель автоматизированной обработки ТМИ.
Второй, не менее важной целью автоматизированной обработки является определение частных и обобщенных характеристик систем телеметрируемого объекта, их каталогизация, хранение и своевременная выдача потребителям. Общая задача обработки ТМИ формулируется следующим образом: дана совокупность измерений за некоторый период наблюдения, требуется, определить вектор-функцию параметров состояния, вектор обобщенных характеристик и оценить точность полученных результатов.
Информационно-телеметрическое обеспечение системы управления и испытаний космических средств реализуется системой информационно-телеметрического обеспечения (СИТО), представляющей собой совокупность технических средств, информационного и математического обеспечения автоматизированного комплекса обработки информации наземного комплекса управления [2].
Функционирование СИТО заключается в информационном обеспечении следующей последовательности действий: предстартовая подготовка изделия РКТ - РН; обработка и анализ ТМИ по изделию; формирование отчетных документов по результатам обработки и анализа ТМИ с выявлением возможных неисправностей и их причин и предложением по доработке технологий изготовления, испытаний, предстартовой подготовки РН; доведение результатов до изготавливающих и эксплуатирующих организаций промышленности и Министерства Обороны Российской Федерации; устранение неисправностей в очередном изделии[3].
Однако, СИТО функционирует в составе сложной организационно-технической системы АСУ КА, поэтому при рассмотрении СИТО следует выделить пять видов структур: функциональную, техническую, технологическую, организационную и топологическую. С одной стороны, это подчеркивает многогранность и многоаспектность рассмотрения СИТО, а с другой стороны, придает конструктивность самому процессу ее системного изучения. В таком подходе уже заложены элементы декомпозиции, присущие системному анализу [3,6].
Анализ ошибок и причин их возникновения в различных структурах. Функциональная структура определяет принципы функционирования системы в различных режимах, объёмы и направления основных информационных потоков, циркулирующих в ней [4].
Для мониторинга состояния как РН в целом, так и состояния его отдельных БС на космодроме осуществляются сбор и обработка ТМИ. На различных этапах подготовки и пуска РН сбор и обработка ТМИ имеют свои особенности и могут быть разделены:
по месту выполнения:
- технический комплекс;
- стартовый комплекс;
- полет РН на активном участке траектории;
по времени проведения:
- сборка и проверка на техническом комплексе;
- предстартовая подготовка на стартовом комплексе;
- пуск и полёт РН на активном участке траектории (репортаж и экспресс-анализ);
- послеполетная обработка и анализ.
Приём ТМИ на техническом комплексе осуществляется по проводным каналам связи. Непосредственно на стартовом комплексе, до момента отделения кабель-мачты от РН приём ТМИ производится как по проводным, так и по радиоканалам. С момента отделения кабель-мачты от РН приём ТМИ производится только по радиоканалам. Для приема ТМИ используются пристартовые системы телеметрических измерений наземные приёмно-регистрирующие станции (НПРС).
На рис. 1 приведена схема циркуляции ТМИ в СИТО РН и КА.
Анализ функциональной структуры показывает, что при функционировании системы передачи измерительной информации от изделий РКТ до потребителя могут возникать ошибки, некоторые из которых приведены в табл. 1.
Таблица 1
Ошибки при сборе и обработке телеметрической информации_
Возможная ошибка Содержание
Некорректно задан номер порта При неправильном указании номеров портов, информация не будет поступать к потребителю
Ошибка в конфигурации на выбор структуры сигнала на сеанс На средствах отображения значение параметра примет некорректный вид
Временная привязка Потребитель получает информацию измерений, не соответствующую реальным временным интервалам
Неправильное сопряжение частот каналов с портами коммутатора Информация с полукомплекта будет проходить не в необходимый порт
Пропуск таких ошибок может негативно отразится на будущей эксплуатации изделий РКТ. В настоящее время верификация алгоритмов обработки результатов телеизмерений осуществляется в простейшем варианте: по ожидаемому поведению эталонных параметров с тестовых записей или аналогичных изделий ракетно-космической техники. Данный способ имеет целый набор прикладных недостатков,
заключающийся в сложности подготовки алгоритмов обработки результатов телеизмерений новых или модифицированных изделий, в низкой оперативности изменения алгоритмов, практически полном доверии оператору в принятии решения о достоверности результата обработки.
Рис. 1. Функциональная структура информационных потоков при мониторинге состояния КСр
Технологическая структура определяет порядок выполнения системой отдельных функций. Для анализа технологической структуры рассмотрим рис. 2, на котором обозначено выполнение отдельных операций обработки ТМИ, с указанием мест возможного возникновения ошибок.
^^^ - шлавшмкногл пшкввяшюшйнк
Рис. 2. Выполнение отдельных операций обработки ТМИ и места возможного возникновения ошибок
5
Анализ технологической структуры и практика работы со средствами обработки ТМИ показывают, что при выполнении определенных операций обработки ТМИ могут возникать различные ошибки. Пропуск таких ошибок, может повлечь за собой самые разные последствия: от неправильного определения технического состояния контролируемого объекта, и как следствие, выработка неадекватных управляющих воздействий и рекомендаций по дальнейшей эксплуатации РКТ.
В табл. 2 представлены ошибки, которые могут допускаться на различных этапах обработки ТМИ, при различных операциях.
Таблица 2
Ошибки при сборе и обработке телеметрической информации_
Этап обработки ТМИ Вид операции обработки ТМИ Содержание операции обработки ТМИ Возможные ошибки
Предварительная Повышение достоверности ГТС Восстановление пропусков и исключение кадров группового телеметрического сигнала с искаженной служебной информацией Ошибка номера и ожидаемого значения служебного канала
Декоммутация измерительных слов из ГТС Восстановление значений измерительных слов путем обработки основного и локального коммутаторов Ошибка в подключении к портам коммутатора источника измерительной информации
Преобразование из двоичного кода в телеметрические единицы Применение к ТМП операции декодирования нижнего уровня Ошибка в порядке преобразования двоичного кода в значения измерительной информации в соответствующей шкале
Временная привязка Установка соответствия времени значений ТМП меткам заданной временной шкалы Значение временной сдвижки
Первичная Калибровочная операция Компенсация нелинейных (неаддитивных) искажений значений ТМП по телеметрируе-мым значениям калибровочных уровней Ошибка в номере канала, содержащего калибровочные уровни или сигналы, а также ошибка в порядке калибровки в виде функционального выражения, где в качестве аргументов выступят значения калибровок и ТМП
Тарировочная операция Перевод результатов телеизмерений в физические единицы измерений Ошибка в функциональном выражении, где в качестве аргументов выступят значения ТМП
Повышение достоверности значений ТМП Компенсация линейных (аддитивных) искажений значений ТМП автоматическими алгоритмами Ошибка в управляющих параметрах алгоритма повышения достоверности
Снижение избыточности значений ТМП Компенсация естественной (статистической) избыточности значений ТМП автоматическими алгоритмами Ошибка в управляющих параметрах алгоритма уменьшения избыточности
Организационная структура определяет совокупность частей и подразделений, а также номенклатуру специалистов в них, участвующих в процессе эксплуатации и управления технической системы [6].
В организации процесса обработки телеметрической информации, получаемой с КСр принимает участие большое количество персонала. Поскольку система управления испытаний и применения КСр является автоматизированной системой, многие процессы, протекающие в ней, в том числе процесс сбора и обработки ТМИ, зависят от действий и решений, которые принимаются операторами, а значит, не застрахованы от появления различного рода ошибок и неисправностей. При критической стоимости ошибки, последствия таких действий напрямую сказываются на эффективном использовании РКТ.
Примеры ошибок в работе операторов:
- некорректно задан номер порта, что приводит к не поступлению информации к потребителю;
- в конфигурации на сеанс неправильно выбрана структура сигнала. В результате оператор визирует некорректное отображение сигнала;
- не включена передача ТМИ потребителю;
- задан некорректный номер порта выходного потока;
- неправильное сопряжение частот каналов с портами коммутатора, как следствие, информация с полукомплекта передается не в необходимый порт;
- некорректная привязка по времени. В результате потребитель получает информацию измерений, несоответствующую реальным временным интервалам.
Техническая структура определяет особенности конкретной технической реализации системы [6]. Технически процесс протекания ТМИ можно представить в виде схемы, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Техническая реализация процесса протекания ТМИ
6
РН, РБ, КА
-> ПРД
-> ПРМ
МПРС/ МРТК
АПК ПП ТМИ
-> УАПК
Средства анализа
При эксплуатации комплексов обработки ТМИ, в виду их объемной и не простой программно-технической оснащенности, могут возникать неисправности. Неисправности при выполнении целевых задач на аппаратных средствах могут возникать по причине случайных сбоев, неисправности аппаратных средств, ошибок операторов.
Неисправности могут появиться при проведении регламентных работ и подготовке аппаратных средств к работе, либо в ходе проведения работ.
К неисправностям можно отнести:
- выход из строя отдельных аппаратных средств;
- нарушение обмена между отдельными аппаратными средствами ЦСОАИ;
- нарушение обмена с внешними абонентами;
- нарушение работоспособности программных средств.
При возникновении неисправностей личный состав принимает меры по:
- выявлению и устранению отказа;
- замене вышедшей их строя аппаратуры (замена вышедшей из строя аппаратуры осуществляется до уровня аппаратного средства из состава ЗИП).
Технически процесс получения и обработки ТМИ очень насыщен. Обилие различного рода средств, узлов сопряжения и коммутации, да и несовершенство элементов, блоков, программных средств сопряжены с возникновением неисправностей и ошибок в процессе их работы. При возникновении подобных неисправностей, возможен прием некорректных значений характеристик телеметрируемых параметров, что однозначно скажется на достоверности получаемой информации.
Заключение. Делая вывод из анализа приведенных структур, очевидно, что процесс обработки ТМИ является сложным, многоаспектным процессом, при функционировании которого возможно появление различного рода ошибок и неисправностей с самой разной природой появления: ошибок при подготовке отдельных технологических операций; различных технических неисправностей; неправильных действий личного состава и т.д. Контролировать правильность функционирования, верифицировать алгоритмы обработки ТМИ лучше всего используя научно-методической аппарат формализации, способный в автоматическом режиме выявлять синтаксические и семантические ошибки и прилагать меры по их компенсации.
Список литературы
1. Шмелев В.В., Ткаченко В.В. Систематизация требований к разработке перспективных аппаратно-программных комплексов обработки телеметрической информации ракетно-космической техники // Труды Военно -космической академии имени А.Ф. Можайского. Выпуск 646 — СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2015. С. 38-46.
2. Майданович О.В., Каргин В.А., Мышко В.В., Охтилев М.Ю., Соколов Б.В. Теория и практика построения автоматизированных систем мониторинга технического состояния космических средств. Монография. СПб. - ВКА. 2011. 219 с.
3. Мануйлов Ю.С., Павлов А.Н., Новиков Е.А. Системный анализ и организация автоматизированного управления космическими аппаратами. СПб.: ВКА имени А. Ф. Можайского, 2010. 266 с.
4. Мальцев В.Б. Анализ состояния технических систем. МО РФ, 1992.
5. Шмелёв В.В., Копкин Е.В., Самойлов Е.Б. Порядок формирования требований к качеству обработки измерительной информации ракетно-космической техники. Электронный журнал «Вооружение и экономика», 2018. № 2 (44). С. 23-28.
6. Системный анализ и методы системотехники. Ч1/ Б. А. Резников - МО СССР, 1990.
Попов Антон Михайлович, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Шмелев Валентин Валерьевич, д-р техн. наук, доцент, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Ткаченко Владимир Викторович, преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
ANALYSIS OF THE PROBLEM OF VERIFICATION OF THE FUNCTIONING OF PROCESSING ALGORITHMS TELEMETRY INFORMATION.
A.M. Popov, V. V. Shmelev, V. V. Tkachenko
The article is devoted to the study of errors that can be made when collecting and processing telemetry information, as well as in processing algorithms. Under the algorithm of processing telemetric information, we will understand a finite set of organizational and technical operations, techniques and prescriptions carried out for the purpose of collecting, receiving and processing telemetric information, and presenting it for further
7
analysis. Currently, verification of algorithms for processing the results of tele-measurements is carried out in the simplest version: according to the expected behavior of reference parameters from test recordings or similar products of rocket and space technology. This method has a whole set of applied disadvantages, consisting in the complexity ofpreparing algorithms for processing the results of new or modified products, in the low efficiency of changing algorithms, almost complete trust in the operator in deciding on the reliability of the processing result.
Key words: telemetry, processing algorithms, system analysis, information processing.
Popov Anton Mikhailovich, adjunct, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky,
Shmelev Valentin Valeryevich, doctor of technical sciences, docent, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Tkachenko Vladimir Viktorovich, lecturer, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky
УДК 517.9:519.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-8-14
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РЕГУЛЯРИЗОВАННЫХ РЕШЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ. ЧАСТЬ 1
Лэ Ван Хуен, Л.В. Черненькая
Данная работа посвящена исследованию устойчивости приближенного решения задачи восстановления параметров математической модели (непрерывной зависимости решения от исходных данных), которое найдено методом регуляризации Тихонова. Цель работы состоит в том, чтобы сделать выводы об устойчивости при малом изменении измеренных исходных данных приближенного решения (регуляризованного решения) обратной задачи. Для этого сначала рассмотрена математическая модель, описываемая системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Потом на основе исследованной математической модели поставлена обратная задача восстановления её параметров по измеренным исходным данным. Из обратной задачи будет составлена «точная» и «приближенная» системы алгебраических уравнений относительно искомых параметров. Далее «приближенная» система алгебраических уравнений решена методом регуляризации Тихонова. В результате найдены регуляризованное решение «приближенной» системы алгебраических уравнений, которое является приближением к искомому точному решению обратной задачи. И наконец, исследована устойчивость найденного регуляризованного решения. Наша работа помогает укрепить теорию в процессе построения метода решения обратных задач с использованием метода регуляризации Тихонова. Результаты данной работы показывают, что регуляризованное решение полностью устойчиво при малом изменении исходных данных, т. е. непрерывно зависит от исходных данных. Более того, это решение единственно и является приближением к искомому точному решению. Поэтому в практических задачах его можно использовать в процессе исследования поведения, свойства математической модели (решения прямой задачи).
Ключевые слова: устойчивость, регуляризованное решение, метод регуляризации Тихонова, обратная задача, математическая модель, прогнозирования.
Введение. Обратная задача - это новая область исследований, возникшая с середины 20 века. Первые постановки обратных задач можно найти в физике, астрономии, геофизике. Под обратной задачей понимается процесс идентификации неизвестных параметров прямой задачи на основе информации, полученной из ряда наблюдений. Это называется обратной задачей, потому что она начинается с последствий, а затем вычисляет причины. Изучение обратных задач имеет важное практическое значение. В последние десятилетия обратная задача является популярной областью исследований в области вычислительной и прикладной математики. Он широко использовался в различных областях и стал междисциплинарной наукой, развивающейся как многообещающая новая область исследований.
Обратная задача тесно связана с теорией корректности задачи. Практически, большинство обратных задач, являются некорректными задачами, поскольку решение задачи не устойчиво при изменении исходных данных. Это также самая большая и наиболее часто встречающаяся трудность при решении обратных задач при появлении погрешностей измеренных данных. Для решения обратных задач чаще всего используют метод регуляризации Тихонова, позволяющий найти приближение к искомому решению, которое единственно и непрерывно зависит от исходных данных [1-5]. В статье [6] автором была исследована устойчивость динамической системы с приближенными параметрами, найденными методом регуляризации Тихонова. Была рассмотрена математическая система, описываемая системой
8
