CC BY
34
Прикладная информатика
э.б: хвеГович,' Использование
НОУ ВПО «Омский гуманитарный институт»
научно-образовательного спутника как удаленной лабораторной установки для моделирования интеллектуальной информационной системы на примере 1Т-специальности «Прикладная информатика»
Информационно-коммуникационные технологии являются одним из наиболее быстро развивающихся направлений человеческой деятельности. За пять лет (время обучения студента в вузе) аппаратное и программное обеспечение неизбежно претерпит существенные изменения. Более того, выпускник специальности "Прикладная информатика" в своей будущей профессиональной деятельности сам будет вовлечен в этот динамичный процесс обновления и совершенствования компьютерных технологий. По этим причинам подготовка 1Т-специа-листа не должна ограничиваться освоением современных "рабочих инструментов". Необходимо на примере существующих сегодня интеллектуальных информационных систем раскрывать общие принципы их построения и функционирования.
В статье анализируются возможности использования в учебном процессе на-учно-образовательных спутников, в частности, их бортовых служебных и научных систем, являющихся источниками значительных потоков информации как интеллектуальной информационной системы (ИИС). Изучение протоколов обмена информацией и средств их аппаратно-программной реализации, разрабатываемых при проектировании бортовых систем спутников, знакомство с принципами планирования сеансов связи для управления бортовыми служебными и научными системами, а также математическая обработка получаемых со спутников потоков информации представляют собой комплексную учебную задачу, позволяющую охватить широкий спектр учебных дисциплин.
Подобный подход существенно отличается от использования спутника только лишь в качестве элемента системы связи (например, спутник-ретранслятор, используемый в создании комбинированной телекоммуникационной инфраструктуры научно-образовательной сети [1. 2]).
Научно-образовательные спутники в университетах США. Западной Европы, Китая, Японии и т.д. уже давно заняли прочную нишу в системе образования студентов инженерных, преимущественно ракетно-космических специальностей. Известны примеры применения научно-образовательных спутников в РФ. например, серии -Можаец- для подготовки курсантов высшей инженерной академии им. А.Ф. Можайского [4], специалистов в интересах аэрокосмической отрасли [3, 5, 61. как в процессе разработки, так и во время штатной эксплуатации (например, спутники «Университетский-Татьяна», «Компас-2»).
Наиболее эффективно использование этих спутников для решения образовательных задач применительно к аэрокосмическим специальностям, где они наиболее близки по содержанию к учебному процессу. Традиционно использование научно-образовательных спутников в приведенных выше направлениях носит характер изучения бортовых систем, в том числе при их проектировании и изготовлении, функционировании в различных условиях эксплуатации, изучения фундаментальных законов, на основе которых они функционируют, управления системами спутников и т.д.
Функционирование научно-образовательного спутника связано с обработкой (выявление сбоев и помех, сжатие, кодирование и т.д.) и передачей значительных объемов информации как служебной, так и научной по каналам борт — Земля, Земля — борт.
Разработка алгоритмов управления функционированием бортовыми системами спутника включает в себя изучение ряда сложных процессов и проектно-конструктивных и схемных решений, связанных с составом и назначением бортовой аппаратуры спутника, планированием его режимов функционирования, ин-
Прикладная информатика
формационными потоками, проведением математических и физических экспериментов.
Все эти действия полностью соответствуют комплексной задаче "Управление сложной информационной системой (ИС)" со всеми вытекающими отсюда принципами проектирования и эксплуатации.
Рассмотрим возможность использования научно-образовательных спутников как ИС и возможность применять эту ИС в качестве удаленной лабораторной установки для подготовки специалистов по информационным технологиям, в частности, по специальности «Прикладная информатика». В качестве материала для исходного анализа будем руководствоваться составом и содержанием профессиональных дисциплин государственного образовательного стандарта (ГОС) соответствующей специальности. а также общими характеристиками и задачами, решаемыми научно-образовательными спутниками, составом информационных потоков с борта спутника.
Для проведения анализа необходимо предварительно рассмотреть некоторые понятия и определения с привязкой к образовательным технологиям.
1. Введем основные определения.
1.1. Спутниковые образовательные технологии (СОТ) — образовательные технологии, основанные на использовании в учебном процессе информации, получаемой со спутников, находящихся на орбитах вокруг Земли (в режимах on-line или off-line).
Параметры орбит функционирования спутников, их количество, состав бортовой аппаратуры, схемы взаимодействия с учебными заведениями определяются перечнем научно-образовательных задач, которые предполагается решать с использованием СОТ.
СОТ являются одним из эффективных средств повышения фундамента-лизапии и качества образования и могут быть реализованы на основе технологий e-learning в самых различных направлениях, формах и уровнях образования: школьном, среднеспениаль-ном, высшем, системе дополнительно-
го образования и повышения квалификации.
1.2. Научно-образовательный спутник, или в более общем определении1 научно-образовательный космический аппарат (НОКА) — космический аппарат, предназначенный для проведения научно-образовательных экспериментов, т.е. получения научно-образовательной информации.
В состав НОКА входят традиционные бортовые служебные системы и научно-учебные приборы и системы.
НОКА одновременно представляет собой интеллектуальную информационную систему, генерирующую значительные информационные потоки, которые и предлагается использовать для образовательных целей, в частности, при подготовке по специальностям -Прикладная информатика-, «Ракетостроение-. -Системы телекоммуникации», •Радиотехника" и т.д.
НОКА имеет возможность осуществлять транспорт информации по аналогии с российской связной низкоорбитальной системой «Гонец», зарубежными связными низкоорбитальными связными системами, например, «Орбком» и т.д.
В связи с бурным процессом развития микроминиатюризации бортовых приборов, элементов конструкций и микроэлектроники современные НОКА представляют собой микро- или нансх-путники, т.е. имеют массу в интервале от нескольких килограммов до десятков килограммов, их масса и моменты инерции отличаются от традиционных КА в десятки и сотни раз в сторону уменьшения.
Следует отличать НОКА от традиционных целевых спутников связи, используемых в построении сетей телекоммуникаций в периферийных регионах страны для создания распределенных научно-образовательных систем, например, спутников серии -Ямал», °Эк-спресс-А» (РФ), LMI-1 (США), находящихся на геостационарных орбитах.
1.3. Служебные бортовые системы
обеспечивают функционирование всего бортового комплекса НОКА и его взаимодействие с наземным или орбитальным комплексом управления. Отличие НОКА от традиционного космического аппарата заключается в том. что служебные приборы и системы используются в качестве учебно-лабораторных приборов и имеют многопараметрические режимы функционирования.
В состав НОКА входят следующие служебные приборы и системы:
• энергоснабжения (панели солнечных батарей и химические батареи);
• терморегулирования (электрические подогреватели и открываемые жалюзи);
• ориентации и стабилизации углового движения НОКА (наиболее сложная система НОКА, имеющая в своем составе чувствительные элементы, преобразователи и исполнительные органы);
• двигательная установка для корректирования параметров движения центра масс (в случае необходимости);
• определения координат и скоростей центра масс НОКА по искусственным (система навигационных спутников) или естественным (звезды) ориентирам;
• передачи информации на наземный приемный пункт;
• комплекс управления бортовой аппаратуры;
• антенно-фидерные устройства;
• конструкция, объединяющая все бортовые системы в единое целое.
1.4. Целевые ботовые системы: оптические и радиотехнические приборы для получения информации об окружающем околоземном пространстве, поверхности Земли и т.д.
1.5. Наземный (орбитальный) комплекс управления НОКА осуществляет прием и передачу на борт НОКА программно-командной информации для управления бортовыми системами, прием научной информации, планирует сеансы связи и т.д.
1 Традиционно отличие космического аппарата от спутника предполагает более сложный состав бортовых систем КА, в ряде случаев включающий двигательные установки для маневров, ориентации, системы приема и передачи данных и т.д. С другой стороны, спутником может быть любое пассивное тело, например, космический мусор и т.д.
Экономика, Статистика и Информатика
73
№2, 2007
_^^^ Прикладная информатика_
Таблица 1
Оценка возможности использования научно-образовательного КА как удаленной лабораторной установки по дисциплинам цикла ОПД ГОС ВПО «Прикладная информатика»
Наименование курса из состава цикла ОПД Дидактические единицы профессиональных днециплин ГОС Возможность использования НОКА в качестве И С Дополнительные сведения по НОКА для включения в рабочую программу дисциплины
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Структура и характеристики систем телекоммуникаций; базовые средства передачи данных, протоколы информационного обмена НОКА как структурный элемент телекоммуникационной системы Общие сведения о космических системах, управлении ими; информационные потоки между бортом НОКА и наземным (орбитальным) комплексом управления; о составе бортовых систем ПОКА
Информационные системы и технологии Понятие ИС. Задачи, функции и свойства ИС; классификация ИС; структура ИС НОКА как ИС, со всеми требованиями по позициям ГОС Описание структуры НОКА, информационных потоков с точки зрения требований ИС
Проектирование ИС Процессы жизненного цикла и стадии создания ИС; принципы проектирования и состав проектной документации ИС НОКА как ИС и ее проектирование. Анализ функционирования на всех стадиях жизненного цикла. Процессы жизненного цикла и стадии создания НОКА; принципы проектирования и состав проектной документации ИС; практически полностью совпадает с требованиями по всем пунктам дисциплины
Менеджмент И С Принципы планирования и управления ИС; основы разработки функциональной структуры ИС; принципы целеполагания при создании ИС НОКА как ИС по всем позициям менеджмента Основы проектирования КА, функциональные структуры бортовых систем, целевые функции при проектировании КА
Управление проектами И С Основные характеристики проекта ИС как сложного мероприятия; методологические основы управления проектом ИС и т.д. НОКА как ИС Ракетно-космический комплекс, проектирование наземного и космического сегментов как сложной технической системы, управление процессом проектирования, испытания и эксплуатации
ИС в прикладной области Наиболее распространенные ИС предметной области НОКА как ИС в предметных областях Предметная область проектирование сложных технических систем, например, наиболее близкий пример ракетно-космический комплекс, КА
Интеллектуальные информационные системы Интеллектуальные задачи; возможности интеллектуальных информационных систем (ИИС); методы представления знаний и т.д. НОКА как ИИС КА как интеллектуальная информационная система, в том числе самовосстанавливающаяся, самоуправляющаяся, самоликвидирующаяся и т.д. ИИС
1.6. Лабораторные работы с использованием НОКА представляют собой лабораторные работы, проводимые по принципу применения удаленных лабораторных установок, и предполагают следующее:
• разработка математической модели какого-либо бортового прибора, основанного на конкретном фундаментальном законе;
• проведение математического моделирования процессов функционирования, в том числе и статистического математического эксперимента при различных параметрах бортового прибора;
• проведение физического эксперимента, основанного на реализации многорежимного процесса функционирования выбранного бортового прибора, при движении НОКА по околоземной орбите, на снятии показаний бортового прибора, в том числе при различных параметрах и режимах, и
передаче их в виде телеметрических измерений в учебно-научную лабораторию;
• проведение обработки полученной с борта НОКА телеметрической информации и сравнение результатов физического эксперимента с результатами математического моделирования;
• подготовка отчета о проведенной лабораторной работе.
2. Анализ профессиональных дисциплин специальности "Прикладная информатика" на предмет возможности использования НОКА в качестве учебной информационной системы.
Рассмотрим состав некоторых профессиональных дисциплин этой специальности на предмет возможности использования рассматриваемой ИС в качестве удаленной лабораторной установки.
В табл. 1 приведены материалы из проекта ГОС ВПО -Прикладная инфор-
матика* третьего поколения, представленным УМО МЭСИ 7 декабря 2006 г.. и возможность использования НОКА как ИИС (ИС), необходимые дополнительные сведения для включения в рабочую программу.
3. Перечень тем и соответствующих лабораторных работ с использованием СОТ для включения в рабочую программу специальности 351400 »Прикладная информатика (по областям)»:
3.1. Научно-образовательный спутник как информационная система. Основные технические характеристики научно-образовательных спутников.
3.2. Состав и основные технические характеристики научного и телекоммуникационного оборудования.
3.3. Параметры орбит. Система ориентации и стабилизации углового движения.
3.4. Состав и основные технические характеристики системы энергоснабжения.
Прикладная информатика
3.5. Организация сеансов связи.
3.6. Информационные потоки, принимаемые со спутника.
¿7. Протоком обмена информацией. Кодирование. Шифрование. Модуляция.
4. Перечень тем курсовой работа с использованием СОТ по дисциплине «Проектирование информационных систем» для включения в рабочую программу специальности 351400 «Прикладная информатика (по областям)»:
1. Этапы разработки ин теллектуальной информационной системы на примере научно-образовательного спутника.
2. Жизненный цикл информационной системы на примере научно-образовательного спутника.
3. Разработка информационной системы удаленного сбора данных на примере научно-образовательного спутника.
4. Разработка протоколов обмена информацией с удаленной информационной системой на примере научно-образовательного спутника.
5. Разработка программных средств обработки потоков информации, принимаемой от удаленной информационной системы на примере научно-образовательного спутника.
Информационно-коммуникационные технологии являются одним из наиболее быстро развивающихся направлений человеческой деятельности. За пять лет (время обучения студента в вузе) аппаратное и программное обеспечение неизбежно претерпит существенные изменения. Более того, выпускник специальности "Прикладная информатика" в своей будущей профессиональной деятельности сам будет вовлечен в л от динамичный процесс обновления и совершенствования компьютерных технологий. По этим при-
■
чинам подготовка Неспециалиста не должна ограничиваться освоением современных "рабочих инструментов". Необходимо на примере существующих сегодня интеллектуальных информационных систем раскрывать общие принципы их построения и функционирования.
С этой точки зрения изучение студентами научно-образовательных спутников как примера ИИС позволяет расширить технический кругозор будущих П'-спепиалистов, научить их мыслить масштабно и системно, подготовить их к решению таких задач, которые на сегодняшний день, возможно, даже не сформулированы.
Список литературы
1. Карпенко О.М. Новые возможности телекоммуникаций в образовании // Информационные и телекоммуникационные технологии. 2006. N° 1. С. 65— 71.
2. Майер Г.В.. Демкин В.П., Можаева Г.В., Вымятнин В.М. Академический университет в открытой системе образования. Томск: Изд-во Том. гос. ун-та, 2005.
3. Трушяков В.И. Лабораторная работа в космосе// Высшее образование в России. 2004. Вып. 9. С. 168—169
4. Трушляков В.И.. Шалай В.В. и др. Разработка принципиальных требований для автоматического Учебно-исследовательского орбитального стенда на основе космических платформ в целях повышения эффективности обучения // Омский научный вестник. 2003. Вып. 1(22). С. 225—239.
5. Бояркин Г.Н.. Трушляков В.И., Шалай В.В. и др. Создание учебно-исследовательского орбитального стенда на основе нано- и микроспутников и последних ступеней ракет-носителей // Полет. 2004. Вып. 2. С. 42—50.
6. Фатеев В.Ф.. Шутов B.C., Кремез Г.В. Международная университетская программа развития новых технологий на основе малых и сверхмалых КА // Приборостроение. 2004 . N° 3. С. 15—17.
7. Трушляков В.И. Разработка JIP с использованием МКА для подготовки специалистов авиакосмической отрасли // Решетневские чтения: Материалы VIII Всероссийской науч. конф. с меж-дунар. участием, посвящ. 80-летию со дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. 11—12 нояб. 2004, г. Красноярск / СибГАУ. Красноярск. 2004. С. 284.
8. Трушляков В.И. Разработка комплекса лабораторных работ для их проведения на борту малоразмерного КА с целью повышения качества подготовки специалистов для авиакосмической отрасли. Тезисы докладов семинара: «Использование сверхмалых космических аппаратов в космофизическом образовании, mSputnik-2004\ Ульяновск. 2004. С. 8—11.
9. Репьев Ю.Г., Платонов A.B. Информационная электротехническая лаборатория в открытом образовании И Открытое образование. 2005. N® 6. С. 12—18.
10. Панаоок М.И., Радченко В.В. Кос-мофизический практикум: Учеб. пособие. М.: Изд-во УНЦ ДО, 2005.
11. Трушляков В.И., Хвецкович Э.Б. Направления внедрения e-Iearning и дистанционного обучения в современном вузе как средство повышения качества подготовки IT-специалистов по направлению «Прикладная информатика- (на примере Омского гуманитарного института) (тезисы)// Совершенствование подготовки специалистов по направлению «Прикладная информатика» на основании инновационных технологий и E-learning: Сб. научных трудов/ МЭСИ М., 2006. С. 215—218.
Экономика, Статистика и Информатика
75
N»2, 2007
