CC BY
3
Калайтанова Елена Владимировна, адъюнкт, bycev@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная орденов Жукова и Ленина Краснознаменная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
OPTIMAL CONSTRUCTION ADAPTIVE COMMUNICATION NETWORKS I.I. Gorai, D.A. Zhuravlev, E.V. Kalaytanova
The article analyzes the structures of communication networks, describes the problem of optimal construction of adaptive communication networks, analyzes the algorithms used in the construction of the simplest structures of communication networks. Examples are given explaining the principle of building adaptive communication networks taking into account the formulated requirements and the specified structural parameters.
Key words: adaptive communication network, corresponding nodes, stability, graph, node, independent routes, algorithms.
Gorai Ivan Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, iie@pcerate.com, Russia, St. Petersburg, Military Orders of Zhukov and Lenin Red Army Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Zhuravlev Dmitry Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, ZhuravlevDmit-riy84@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Orders of Zhukov and Lenin Red Banner Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Kalaytanova Elena Vladimirovna, adjunct, bycev@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Orders of Zhukov and Lenin Krasnoznamennaya Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
УДК 681.7.013
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-322-327
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДХОДОВ К ОЦЕНИВАНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
А.А. Закутаев, А.В. Емельянов, А.А. Михайлов
В работе проведен анализ особенностей наблюдения космических объектов в области низких орбит с учетом различных астробаллистических условий в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Рассмотрены преимущества и недостатки существующих подходов к оцениванию эффективности функционирования бортовых оптико-электронных средств дистанционного зондирования. Предложен способ учета информационной производительности вышеуказанных средств и расчета соответствующего показателя эффективности.
Ключевые слова: бортовые оптико-электронные средства, космические объекты, эффективность, информационная производительность.
Активное освоение околоземного космического пространства в последние десятилетия привело к значительному увеличению количества космических аппаратов различного назначения, прежде всего, в области низких орбит. Несмотря на высокую надежность указанных средств в процессе их эксплуатации нередко возникают технические неисправности и нештатные ситуации [1]. Очевидно, что восполнение орбитальной группировки является более дорогостоящим по сравнению с организацией и выполнением мероприятий по прогнозированию и парированию случаев возникновения нештатных ситуаций. Ярким примером последних является неоднократное проведение доработок (модификаций) американского КА «Хаббл» [2]. Одним из ключевых факторов при реализации данного подхода является наличие исходных данных о состоянии бортовой аппаратуры КА. В настоящее время основным источником указанной информации являются данные телеметрии. В случае их отсутствия или недостаточной полноты для оценки состояния КА привлекаются наземные информационные радиолокационные, радиотехнические и оптико-электронные средства мониторинга ОКП. Ввиду того, что их возможности весьма ограничены, в настоящее время создаются специализированные средства орбитального базирования, в том числе оснащенные оптико-электронными средствами дистанционного зондирования - КА-наблюдатели [3]. Указанные средства позволяют получать широкий спектр информации о космических объектах за счет возможности их длительного непрерывного наблюдения, а также получения детальных изображений в различных диапазонах спектра. Однако, количество используемых в настоящее время КА-наблюдателей
мало. В основном их разработка и создание осуществляется в рамках проведения космических экспериментов или в рамках программ военного или двойного назначения. Причинами указанной проблемы является отсутствие единых взглядов на построение космических систем подобного рода, алгоритмов их функционирования, а также оценок временных интервалов наблюдения (объема полученной информации), достаточных для решения задачи наблюдения. Таким образом, исследование подходов к оцениванию эффективности функционирования бортовых оптико-электронных средств дистанционного зондирования космических объектов является актуальной задачей.
Анализ особенностей наблюдения типовых космических объектов бортовыми оптико-электронными средствами. Для решения задач мониторинга КА-наблюдатели оснащаются, в том числе, многоспектральными оптико-электронными комплексами, обеспечивающими получение информации об объектах интереса в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн [3]. Указанное обстоятельство обусловлено необходимостью обеспечения возможности наблюдения за КА на всех участках их траекторий, в том числе, теневых, а также номенклатурой получаемой информации в различных спектральных каналах. Очевидно, что с точки зрения технической реализации в видимом диапазоне длин волн может быть обеспечено получение изображений наблюдаемого объекта с более высоким пространственным разрешением. В работе [4] представлены результаты моделирования спектроэнергетических характеристик космических объектов в оптическом диапазоне длин волн (3.. .20 мкм) с учетом подсветки Солнцем и Землей (рис. 1).
де «з 1« но ш а;
777 £74 1(В 1<Я 1ЯЯ 77В
Рис. 1. Результаты моделирования спектроэнергетических характеристик КА в оптическом диапазоне длин волн (3...20 мкм) с учетом подсветки Солнцем и Землей: а - трехмерная оптико-геометрическая модель КА; б - астробаллистические условия наблюдения КА в выбранных точках траектории; в - индикатриса силы излучения КА в точке 1; г - индикатриса силы излучения КА в точке 2; д - индикатриса силы излучения КА в точке 3; е - индикатриса силы
излучения КА в точке 4
Вместе с тем, их информативность по ряду признаков уступает изображениям, получаемым в каналах дальнего инфракрасного диапазона. На основе результатов исследований, представленных в работе [5], а также при помощи программного комплекса [6] были получены зависимости изменения соб-
323
ственного теплового излучения основных элементов конструкции температуры внешних поверхностей основных элементов конструкции КА дистанционного зондирования Земли «WoridView-3» (рис. 2) от его положения на орбите (рис. 3).
Рис. 2. Внешний вид КА «WorldView-З»
X °к 350
300
250 200
150 100 50
0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 t с Рис. 3. График изменения температуры внешних поверхностей основных элементов конструкции
КА «WorldView-3»:ЭВТИ - экранно-вакуумная теплоизоляция приборного отсека;
СП - солнечные панели
На основе анализа полученных данных были сделаны некоторые выводы относительно связи температуры отдельных элементов конструкции КА и его техническим состоянием:
- в случае наблюдения за неработающим КА динамика его теплового излучения на теневом участке будет определяться только скоростью остывания;
- в начале теневого участка траектории в зависимости от режима работы КА на освещённом участке (работа по целевому назначению или заряд аккумуляторной батареи), температура солнечных панелей отличается приблизительно на 20 %.
Анализ вышеуказанных результатов позволяет сделать вывод о том, что для повышения достоверности определения технического состояния КА целесообразно осуществлять наблюдение за ним на длительных временных интервалах. Правильность указанного вывода также подтверждается в случае, когда необходимо получение информации о результатах работы различных бортовых систем при подаче различных наборов команд управления.
Необходимость наличия нескольких спектральных каналов в составе бортового ОЭС КА-наблюдателя обусловлена как расширением его возможностей по наблюдению за КО, в том числе на теневых участках орбиты, так и возможностью повышения качества информации, получаемой в отдельных каналах за счет комплексирования [7].
Предложения по оцениванию эффективности функционирования бортовых оптико-электронных средств дистанционного зондирования космических объектов
Очевидно, что для оценки эффективности функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондирования необходимыми исходными данными является значение временного интервала, достаточного для решения задачи наблюдения. Наличие указанной информации достаточно просто позволяет получить оценки такого показателя эффективности, как вероятность решения задачи или времени, необходимого для этого КА-наблюдателю.
В отдельных случаях в вышеуказанной постановке задача не может быть решена поскольку достоверность оценки временного интервала наблюдения неизвестного объекта по критерию достаточности крайне мала. Это обусловлено отсутствием исходных данных о конструкции объектов наблюдения и материалах их покрытий, а также режимах работы в конкретные моменты времени. Исходя из этого, при выборе показателя при оценивании эффективности функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондирования, требуется учитывать необходимость обеспечения максимально возможной длительности непрерывного интервала наблюдения. При этом следует учесть, что данный подход содержит определенное противоречие, заключающееся в том, что обеспечение максимально возможной длительности непрерывного интервала наблюдения технически выражается в расположении КА-наблюдателя в непосредственной близости от наблюдаемого объекта на длительное время. Реализация указанного подхода возможна либо при развертывании орбитальной группировки КА-наблюдателей в соотношении один к одному с объектами наблюдения, либо в обеспечении его таким запасом характеристической скорости, который бы позволял осуществлять большое количество маневров с существенным изменением параметров орбиты. Примером первого варианта являются КА «Angels», разработанные в рамках одной из космических программ США. Ключевой особенностью указанного подхода является высокая стоимость при необходимости мониторинга большого количества объектов. Основной недостаток второго подхода заключается в увеличении стоимости запуска КА-наблюдателя за счет увеличения его массы. С использованием научно-методического аппарата, описанного в работе [8], было определено, что КА-наблюдатель, находящийся на низкой околоземной орбите, с массой до 1000 кг способен совершить только три орбитальных маневра с существенным изменением параметров орбиты.
Один из перспективных вариантов применения КА-наблюдателей в области низких орбит основан на использовании эллиптических солнечно-синхронных орбит [9]. Данное построение позволяет осуществлять сближение с КО за счет взаимной прецессии их орбит, а также прецессии перигея КА-наблюдателя. В качестве показателя эффективности функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондирования может использоваться оценка теряемого объема информации. В работе [10] указанная оценка определяется числом отбракованных кадров Жтер, получаемых ОЭС, и рассчитывается как:
^тер ^получ ^дост , (1)
где Жполуч - общее количество кадров, полученных ОЭС; N^a - количество достоверных кадров, полученных ОЭС.
При таком подходе каждый снимок оценивается по двухбальной шкале (достоверный - недостоверный). Достоверным считается кадр, качество которого обеспечивает выполнение целевой задачи наблюдения: обнаружение, распознавание и т.д.
Очевидно, что выражение (1) имеет ряд ограничений (постоянная дальность наблюдения, отсутствие засветки Солнцем или Луной) и, прежде всего, не позволяет учитывать постоянно изменяющиеся астробаллистические условия наблюдения (дальность, фазовый угол освещенности Солнцем, условия прямой видимости и т.д.).
Альтернативным вариантом оценки является производительность ОЭС КоЭС. Согласно [11] ее можно представить, как величину, равную количеству достоверной информации, получаемому бортовым ОЭС дистанционного зондирования в единицу времени t:
Т7 _ ^дост
^ОЭС —
Применение данного подхода также нецелесообразно, поскольку при сравнении ОЭС с различными характеристиками не учитывается интервал времени, в течение которого осуществляется наблюдение. Т.е. при различной длительности наблюдения две ОЭС могут иметь одинаковую производительность.
На основе анализа существующего научно-методического задела, а также особенностей функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондирования авторами предложен вариант оценивания их информационной производительности Кинф.пр., основанный на учете потенциально доступного количества информации, которое могло было быть получено ОЭС на интервале наблюдения. Выражение для расчета Кинф.пр. имеет вид:
и — ^д°ст (2)
^инф.пр. д. > V^z
™пот
где Niiot - потенциально доступное количество кадров, которое может быть получено ОЭС.
Значение Nnот определяется для конкретных условий наблюдения исходя из взаимного расположения КА-наблюдателя и КО и векторов их движения. Например, при компланарном сближении КА-наблюдателя и КО, Nnот будет определяться на основе анализа интервала времени, в течение которого КО будет находиться в зоне прямой видимости бортового ОЭС. Выражение (2) может использоваться при наблюдении как точечных, так и протяженных объектов. В первом случае критерием достоверности кадра будет превышении заданного уровня вероятности обнаружения, а во втором - вероятности распознавания. Значение информационной производительности оценивается для каждого спектрального канала в отдельности. Значение комплексного показателя может быть получено путем формирования системы приоритетов на основе целевой задачи, ставящейся перед КА-наблюдателем.
Рекомендации по порядку оценивания относительной производительности бортовой многоспектральной оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования. Одной из основных задач при оценивании эффективности функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондиро-
вания является сравнительный анализ различных вариантов их построения. В данном случае для расчета информационной производительности значение Кинф.пр. может быть определено на основе анализа двух временных интервалов:
- нахождения объекта наблюдения в поле зрения ОЭС на дальности, обеспечивающей его обнаружение или распознавание с вероятностью не ниже заданной;
- нахождения КА-наблюдателя и КО в зоне прямой видимости.
Для расчета первого интервала может быть использована модель, описание которой представлено в работе [12].
Еще одним актуальным вопросом является учет периодов внутри интервала наблюдения, когда получение информации об объекте невозможно. К основным причинам возникновения указанных интервалов можно отнести следующие:
- засветка Солнцем или Луной;
- наблюдение КО на фоне освещенной поверхности Земли;
- наличие «смаза» при больших угловых скоростях движения КА-наблюдателя и КО.
Для учета указанных факторов можно воспользоваться подходом, описанным в работах [13, 14]. В [15] более детально описаны вопросы, связанные с особенностями функционирования многоспектральных ОЭС, включающих в свой состав каналы среднего и дальнего инфракрасного диапазонов.
Заключение
Проведен анализ особенностей функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондирования КО и отдельных подходов к оцениванию их эффективности. Описаны основные недостатки рассмотренных подходов применительно к решению задачи наблюдения КО в области низких орбит.
На основе проведенных исследований был предложен способ оценивания эффективности функционирования бортовых ОЭС дистанционного зондирования КО на основе расчета их информационной производительности, определяемой соотношением потенциальной доступной и полученной достоверной информации. Способ позволяет учитывать различные варианты астробаллистических условий наблюдения в различных спектральных диапазонах ОЭС.
Работа выполнена в рамках гранта президента Российской Федерации МК-2140.2022.4.
Список литературы
1. Нештатные ситуации c российскими космическими аппаратами в 2014-2017 годах. [Электронный ресурс] URL: https://news.rambler.ru/stience/38784480-neshtatnYe-situatsii-c-rossiYskimi-kosmicheskimi-apparatami-v-2014-2017-godah (дата обращения: 14.02.2021).
2. Телескоп им. Э. Хаббла - ремонт на орбите. Интернет ресурс: [Электронный ресурс] URL: https://epizodsspace.airbase.ru/bibl/zemlva i vselennava/1994/04/remonthtml (дата обращения: 14.02.2021).
3. Люхин А.В., Умбиталиев А.А. Задачи космических оборонных видеоинформационных систем // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения, 2013. Вып. 2. СПб.: НИИГ. 2013. С. 3 -14.
4. Богоявленский А.И., Каменев А.А., Полуян М.М., Солуянов А.А. Моделирование спектро-энергетических характеристик космических объектов в оптическом диапазоне // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Г. 19, № 2. С. 200 - 211.
5. Богоявленский А.И., Иванов В.Г., Каменев А.А. и др. Моделирование спектроэнергетиче-ских характеристик космических объектов в оптическом диапазоне // Радиопромышленность. 2014. №1. С. 147 - 154.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014662815. Программный комплекс расчёта с применением метода конечных элементов спектроэнергетических характеристик излучения космических объектов в оптическом диапазоне / А.А. Богоявленский, А.А. Каменев, М.М. Полуян, А.А. Солуянов // Реестр программ для ЭВМ, дата регистр. 09.12.2014.
7. Каменев А.А., Закутаев А.А. Модифицированная методика интерполяции изображений космических объектов при их комплексировании // Вопросы радиоэлектроники. Серия: техника телевидения. СПб.: НИИГ, 2018. Вып. 4. С. 25 - 33.
8. Власов С.А., Кульвицин А.В., Скрипников А.Н. Теория полета космических аппаратов: учебник. СПб.: ВКА им. А.Ф.Можайского, 2018. 412 с.
9. Закутаев А.А., Иванов А.О., Олейников М.И. Математическая модель контроля ближней зоны околоземного космического пространства низкоорбитальным космическим аппаратом, оснащенным многоспектральным оптико-электронным комплексом // Тр. ВКА им А.Ф.Можайского. СПб: ВКА им. А.Ф.Можайского. 2019. № 671. С. 26 - 32.
10. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. Синтез и моделирование. М.: Машиностроение, 1991. 224 с.
11. Петухов Г.Б. Основы теории эффективности целенаправленных процессов. Министерство обороны СССР, 1989. 647 с.
12. Закутаев А.А., Каменев А.А., Белявский С.А. Модель каналов формирования реалистичных изображений космических объектов многоспектральной оптико-электронной системой малого низкоорбитального космического аппарата // Вопросы радиоэлектроники. Серия: техника телевидения. СПб.: НИИТ, 2018. Вып. 3. С. 19-26.
13. Коршунов Д.С., Алтухов А.И. Модель выбора оптимального ракурса съемки с учетом условий освещенности: сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». М.: НЦ ОМЗ ОАО «Российские космические системы», 2012. С. 16 - 18.
15. Коршунов Д.С., Алтухов А.И. Прогнозирование качества изображений космических объектов: «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики». Санкт-Петербург: ИТМО, 2013. Вып. №3. С. 36 - 42.
16. Закутаев А.А. Методика оценивания полноты информации об объектах наблюдения, получаемой бортовой оптико-электронной аппаратурой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 10. С. 374 - 380.
Закутаев Александр Александрович, начальник 562 лаборатории военного института (научно-исследовательского), zakutaev.a@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Емельянов Александр Владимирович, канд. техн. наук, начальник 561 лаборатории военного института (научно-исследовательского), slash 1 @inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Михайлов Александр Александрович, младший научный сотрудник 562 лаборатории военного института (научно-исследовательского), lol. ichi@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
STUDY OF APPROACHES TO ASSESSING THE EFFICIENCY OF FUNCTIONING OF ONBOARD OPTOELECTRONIC FACILITIES
А.А. Zakutaev, А.У. Emelyanov, A.A. Mikhailov
The paper analyzes the features of observing space objects in the region of low orbits, taking into account various astroballistic conditions in the visible and infrared wavelength ranges. The advantages and disadvantages of existing approaches to evaluating the effectiveness of the operation of onboard optoelectronic remote sensing equipment are considered. A method is proposed for taking into account the information productivity of the above tools and calculating the corresponding efficiency indicator.
Key words: onboard optoelectronic means, space objects, efficiency, information productivity.
Zakutaev Alexander Alexandrovich, head of the 562 laboratory of the Military Institute (research), zakutaev.a@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Emelyanov Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of the 561 laboratory of the Military Institute (research), slash 1 @inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Mikhailov Alexander Alexandrovich, junior researcher at the 562 laboratory of the Military Institute (research), lol.ichi@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 72.025
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-327-330
ДИЗАЙН-КОД И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ НА ПРИМЕРЕ Г. ТУЛЫ
Д.Д. Горбачева, К.А. Головин, А.Б.Копылов
В статье поднимается вопрос о том, что такое дизайн-код и в чем его необходимость в современных городских реалиях. Существующие проблемы реализации подобного документа анализируются на примере города Тулы.
Ключевые слова: дизайн-код, комфортная городская среда, «визуальный шум», требования, нормы, проект благоустройства, объекты культурного наследия, содержание зданий, уход.
Дизайн-код как понятие стало известно в России совсем недавно. Оно пришло как ответ на проблему дизайнерского мусора, цветастых вывесок, предназначенных завлекать посетителей, аудиоре-клам и огромных рекламных билбордов. Все это создает визуальный шум, беспорядок из-за которого люди не видят уникальность исторически сложившегося облика своего города. Поэтому грамотный подход к дизайн-коду и к его внедрению, становится важной задачей, имеющей социальное и культурное значения в российской действительности.
