CC BY
2
Для учета неопределенности исходной ТМИ КА, вызванной неоднородностью, неполнотой, избыточностью и разнообразием смыслового содержания, предлагается воспользоваться многошаговой процедурой, при реализации которой попеременно используется эвристический и статистический подходы. Это позволит самым эффективным образом использовать не только всю имеющуюся априорную информацию, но и организовать рекуррентную процедуру дообучения модели - при обработке дополнительной обучающей информации, содержащей в себе и искаженные значения ТМП.
С учетом этого, применение представленного алгоритма оценивания достоверности выходных значений структурно-стохастической ВМ обеспечит вычисление для каждого возможного вида ТС БС его вероятности, что упростит процесс принятия окончательного решения о виде ТС, а также позволит учесть сопутствующую неполноту и искаженность ТМИ.
Список литературы
1. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В. Новые информационные технологии мониторинга и управления состояниями сложных технических объектов в реальном масштабе времени // Труды СПИИРАН. 2005. Т. 2. № 2. С. 249265.
2. Копкин Е.В., Иваню А.Ю. Применение технологий искусственного интеллекта в процессах контроля и диагностирования бортовых систем космических средств // Авиакосмическое приборостроение. 2022. № 7. С. 42-49.
3. Охтилев М. Ю. Основы теории автоматизированного анализа измерительной информации в реальном времени. Синтез системы анализ: монография / М. Ю. Охтилев. СПб.: ВКА имени А. Ф. Можайского, 1999. 162 с.
4. Иваню А. Ю., Копкин Е. В. Структурно-стохастическая вычислительная модель контроля технического состояния бортовых систем космических аппаратов // Известия Тульского государственного университета «Технические науки». 2022. № 10. С. 9-14.
5. Максимова Т. М. Теория автоматов и формальных языков: методические указания к выполнению лабораторных работ. СПб.: ГУАП, 2012. 26 с.
6. Шмелёв В. В., Охтилев М. Ю. Система показателей качества моделей технологических процессов функционирования ракетно-космической техники // Информационно-управляющие системы. 2016. №6 (85). С. 34-42.
Иваню Анна Юрьевна, адъюнкт, [email protected] Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
ALGORITHM FOR ESTIMATING THE RELIABILITY OF THE OUTPUT VALUES OF A STRUCTURALLY STOCHASTIC
COMPUTATIONAL MODEL
A.Y. Ivanyu
The process of monitoring the technical condition of onboard systems of space vehicles using structural-stochastic computational models is considered. The stages of calculating the reliability of monitoring the technical condition of space facilities are formulated. The proposed algorithm differs from the known ones in that as a result of its implementation, the reliability of the estimation of the output parameter of a structurally stochastic computational model is calculated. The use of the calculated reliability indicator will simplify the process of monitoring the technical condition, as well as take into account possible distortions of telemetry information.
Key words: technical condition, reliability, G-model, telemetry information, stochastic grammars.
Ivanyu Anna Yuryevna, adjunct, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 629.78
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-245-246
КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСПУТНИКОВЫМИ СИСТЕМАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ
А.Е.Привалов, А.В.Смирнов, М.С.Токарев
В статье предложена концепция управления многоспутниковыми системами (МС) с применением цифровых двойников, позволяющая реализовать групповое управление МС в условиях ограничений, специфических для объектов, функционирующих в космическом пространстве. Проведен анализ существующей системы управления (СУ) космическими аппаратами и выявлены основные проблемы ее реализации для управления МС. Сформулированы ключевые определения и обоснованы принципы управления. Разработана концептуальная модель СУ МС с применением цифрового двойника, реализующая предложенные принципы управления.
Ключевые слова: многоспутниковая система, система управления, цифровой двойник, принципы управления.
Современные условия применения орбитальных группировок (ОГ) характеризуются высокими требованиями к оперативности, глобальности и непрерывности предоставления услуг. Для удовлетворения этих требований приоритетным направлением развития ОГ является использование многоспутниковых группировок малых космических аппаратов (МКА).
Состав современных многоспутниковых ОГ может варьироваться от нескольких сотен до нескольких тысяч космических аппаратов (КА). Увеличение количества КА обуславливает изменение концепции с управления отдельными КА - к групповому управлению ОГ в целом, как целеустремленной технической системой.
Вместе с тем, управление многоспутниковыми ОГ осуществляется в условиях множества ограничений, специфических для условий функционирования ОГ в космическом пространстве. Наличие этих ограничений задерживает реализацию разработанных в настоящее время технологий управления многоспутниковыми ОГ, основанных на методах группового управления, искусственного интеллекта и многоагентных моделях [1-6].
В статье предложена новая концепция управления многоспутниковыми системами (МС), основанная на применении цифрового двойника, которая позволяет реализовать групповое управление МС в условиях ограничений, специфических для объектов, функционирующих в космическом пространстве.
Анализ существующих подходов к управлению орбитальными группировками. Существующая в настоящее концепция автоматизированного управления ОГ КА сложилась на этапе создания первых ОГ во второй половине XX века.
Она базируется на следующих основополагающих принципах:
- принцип программного управления, заключающийся в том, что программа управления формируется заранее, до начала процесса управления, а в процессе управления осуществляется только её отработка;
- принцип дискретного управления, заключающийся в том, что управляющие воздействия (а также сигналы обратной связи) передаются в некоторые заранее определенные интервалы времени (сеансы управления), обусловленные главным образом зонами радиовидимости с КА;
- принцип оптимальности управляющего воздействия, заключающийся в синтезе программ управления по критерию оптимальности эффективности применения ОГ.
Объектом управления выступает космическая система (КС), элементами которой являются командно-измерительные системы наземного комплекса управления (НКУ) КА, комплексы приема и обработки информации (КПОИ) и космические аппараты, входящие в ОГ (рис. 1).
Исходными данными для НКУ КА являются заявки потребителя услуг КС, представляющие собой формализованное выражение возникающей потребности в информации, которая может быть получена с применением КС.
Основными задачами НКУ КА являются [7]:
- сбор заявок от потребителей услуг КС;
- планирование применения КС, состоящее из комплексного планирования, (распределения ресурса КС), и текущего планирования (разработки рабочих программ (РП) КА, планов применения КИС, КПОИ и КА ретрансляции);
- проведение сеансов управления КА средствами КИС, которые включают в себя операции закладки на борт КА РП функционирования целевой аппаратуры и бортовых систем космической платформы, сверка и фазирование (коррекция) бортовой шкалы времени (БШВ), прием телеметрической информации (ТМИ) и информации о текущих навигационных параметрах (ИТНП);
- прием и обработка целевой информации (ЦИ) и предоставление ее потребителю;
- анализ качества полученной ЦИ и эффективности управления ОГ;
- анализ и прогнозирование технического состояния (ТС) КА по (ТМИ);
- анализ и прогнозирование параметров движения центра масс КА по (ИТНП);
- частотно-временное обеспечение КА.
Заказчик
Формализация потребности
Потребность
Формирование потребности в услуге, предоставляемой КС
Оценивание эффективности применения КС
НКУ КА
ЦУП КА
Планирование применения КС
Комплексное планирование
ресдоа КС
Текущее планирование
РП
кис
Оценивание эффективности управления О Г
Анализ и прогнозирование параметров движения КА
Анализ и п|
прогнозирование
Проведение сеанса управления
Закладка РП
РП
КА
Сверка БШВ
ИТНП
Прием ТМИ
Намерение ИТНП
Этлл он армнни
ТМИ
КПОИ
Анализ качества ЦИ
Обработка ЦИ
Проведение сеанса связи
ЦИ
Функционирование космической платформы | Функционирование целевой аппаратуры
Рис. 1. Существующий цикл управления КА
Реализация концепции автоматизированного управления для многоспутниковых ОГ в современных условиях приводит к возникновению ряда проблем, основными из которых являются:
246
1. Многочисленность современных ОГ КА пропорционально увеличивает нагрузку на средства НКУ.
2. Дискретность сеансов управления приводит к существенным (по отношению к динамике изменения обстановки) задержкам при передаче управленческой информации, и не обеспечивает требуемое время реакции на изменение недетерминированной быстроменяющейся обстановки при управлении такими процессами, как мониторинг чрезвычайной ситуации или наблюдение за объектами в околоземном космическом пространстве.
3. Программное управление, основанное на принципе оптимальности вызывает необходимость пересчета программы управления при изменении хотя бы одного параметра.
Данные проблемы делают актуальной разработку новой концепции управления многоспутниковыми ОГ, в состав которой входят базовая терминология, принципы управления и концептуальная модель системы управления ОГ
Уточнение базовой терминологии. Базовая терминология концепции управления многоспутниковыми ОГ приведена в ГОСТ Р 53802-2010 «Системы и комплексы космические. Термины и определения» [8]. Однако, в связи с развитием многоспутниковых ОГ и появления у них новых качеств, требуется уточнение некоторых определений.
В соответствии с [8], под орбитальной группировкой КА понимается совокупность КА, расположенных на орбитах в соответствии с баллистической структурой и объединенных общностью решаемых задач в составе космической системы или комплекса. Исходя из данного определения, ОГ является элементом космической системы или комплекса.
Вместе с тем, переход к управлению ОГ в целом диктует необходимость рассмотрения ее как целеустремленной технической системы. В связи с этим, в рамках концепции полагается целесообразным введение термина орбитальная система (ОС), под которой понимается совокупность КА и линий межспутниковой связи, предназначенная для решения целевых задач в околоземном космическом пространстве.
Многоспутниковой системой (МС) называется ОС, обеспечивающая за счет большого количества КА статистическую устойчивость во времени показателей эффективности ее функционирования.
Система управления (СУ) МС представляет собой совокупность взаимосвязанных технических средств бортовых комплексов управления (БКУ) КА с программным обеспечением, предназначенных для управления МС.
Многоспутниковая система относится к классу многоагентных распределенных киберфизических систем [9], особенностью которой является среда функционирования - околоземное космическое пространство.
В связи с этим, управление МС должно базироваться на принципах управления целеустремленными системами в стохастических средах.
Принципы управления многоспутниковыми орбитальными системами. Принцип непрерывности управления заключается в немедленной реакции системы управления на изменения в объекте управления или внешней среде. Принцип требует от СУ МС получения информации об изменениях в режиме реального времени, а также немедленного начала цикла управления (в который входят выработка управляющего воздействия, его реализация и контроль) реакцией на изменение.
Принцип инкрементного планирования заключается в немедленной реакции системы управления на поступление заявки на выполнение целевой задачи. Принцип требует от СУ МС начала цикла управления процессом отработки заявки сразу после ее получения.
Принцип оперативности управления заключается в осуществлении управления в режиме реального времени, что требует от СУ МС обеспечения длительности цикла управления, не превышающем время изменения состояния объекта управления, внешней среды, а также требований потребителя услуг МС.
Определение МС как ЦУТС открывает возможность использования в составе основополагающих принципа автономности управления, который заключается в выработке управляющих воздействий средствами СУ МС.
Так как в состав СУ МС входят только технические системы бортовых комплексов управления КА, управление МС является автоматическим.
МС является распределенной системой, следовательно, для реализации автономного управления необходимым условием является принцип интероперабельности системы управления, заключающийся в способности двух и более БКУ КА, входящих в МС, к обмену управленческой информацией и использованию ее для выработки управляющих воздействий.
Принципы инкрементности и непрерывности управления требуют немедленной реакции на изменение ситуации. В случае реализации оптимального управления, реакция заключается в определении оптимального решения при каждом изменении ситуации, что допустимо в случае прогнозируемых изменений ситуации и наличии времени на определение оптимального решения.
При функционировании МС в условиях динамической недетерминированной среды, выдвигаются очень жесткие требования к оперативности управления. Принцип ситуационного управления позволяет повысить оперативность управления, однако требует формализации множества ситуаций, возникающих при управлении МС.
В данных условиях наиболее адекватным является принцип гарантированного управления [10], который основан на критерии максимума минимальной эффективности решения отдельных задач управления и допускает введение новых задач без пересчета всей программы управления.
В настоящее время проведены исследования в области автономного управления ОГ в целом [1-6], использующие методы искусственного интеллекта, агентного моделирования и децентрализованного управления.
Реализация данных методов сопряжена со следующими особенностями, которые на текущем уровне развития технологий выступают ограничивающими факторами:
1. Недостатки, присущие самоорганизующимся системам, главный из которых состоит в непредсказуемости и, в большинстве случаев, неоптимальности решения, что является недопустимым при управлении такими критически важными объектами, как МС. В связи с этим, возникает необходимость тщательной наземной отработки алгоритмов управления.
2. Необходимость в глобальной телекоммуникационной системе (ТКС), осуществляющей передачу управленческой и целевой информации с НКУ на МС, а также между КА.
3. Высокие требования к вычислительным и энергетическим ресурсам КА, необходимым для выработки управленческих решений и реализации межспутникового взаимодействия.
С другой стороны, следует отметить и ряд перспективных направление совершенствования НКУ КА: создание унифицированных наземных станций; автоматизация управления и использование цифровой математической модели ОГ [11]. Все эти факторы должны быть учтены при разработке концептуальной модели системы управления МС.
Концептуальная модель системы управления многоспутниковыми системами с применением цифрового двойника. Современным подходом к управлению сложными системами, который применяется в условиях ресурсных ограничений и сложности алгоритмов автономного управления, является применение цифрового двойника.
Цифровым двойником (ЦД) МС называется система, состоящая из цифровой модели МС и двусторонних информационных связей с МС [12].
Целью создания цифрового двойника является перенос процесса функционирования МС в виртуальное пространство, позволяющее решать следующие задачи:
- моделирование и прогнозирование динамики развития ситуаций;
- выработка и оценивание эффективности управляющих воздействий;
- формирование ситуационной осведомленности эксплуатирующего персонала.
Применение ЦД позволяет применять возможности высокопроизводительных вычислительных комплексов и суперкомпьютерных технологий, необходимых для реализации методов и алгоритмов автономного управления МС.
Необходимым условием функционирования ЦД является наличие непрерывной двухсторонней связи с
МС.
В связи с этим, следует отметить следующие характерные черты развития космической техники:
- функционирование КС связи на всех высотах (Inmarsat, Iridium, O3b и др.) [13], а также мегагруппиро-вок Starlink, OneWeb, Kepler [14].
- разработка в рамках отечественной программы «Сфера» ОГ связи на высокоэллиптической («Экспресс-РВ»), средней («Скиф») и низкой («Гонец», «Марафон») орбитах [15].
- разработки в области управления ОГ с применением КА ретрансляции на низких и высоких орбитах
[16,17].
Таким образом, объекты, функционирующие в околоземном космическом пространстве, могут быть включены в глобальную ТКС, формируемую наземными и орбитальными средствами. Наличие глобальной ТКС обеспечивает двухсторонний обмен между цифровой моделью и объектом управления и создает необходимые условия для реализации ЦД.
Концептуальная функциональная модель ЦД в составе процесса управления МС с применением ЦД представлена на рис. 2.
Основными ее элементами являются планирование применения МС, моделирование функционирования МС в реальном масштабе времени с применением МС, оценивание эффективности управления МС, двухсторонний обмен ЦД с МС с применением ТКС.
Цифровой моделью (ЦМ) МС называется система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов, описывающая структуру, функциональность и поведение МС на различных стадиях жизненного цикла. Ввиду того, что МС как объект управления представляет собой многоагентную распределенную ки-берфизическую систему, в качестве ЦМ используется многоагентная модель, основными элементами которой являются:
- ЦМ агентов - КА, входящих в МС;
- ЦМ среды функционирования агентов, основными элементами которой являются модели Земли, Солнца, других небесных тел и космических объектов;
- модель взаимодействия агентов - совокупность моделей линий межспутниковой связи;
- модель взаимодействия агентов со средой - совокупность моделей линий связи с наземными объектами, моделей взаимного движения агентов и среды и т.д.
Технология планирования применения МС - совокупность интегрированных в ЦМ МС методов и алгоритмов планирования применения МС. Технология планирования должна основываться на методах децентрализованного управления, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с централизованными методами:
- позволяют быстро (в режиме синхронного функционирования с МС) сформировать реакцию на изменение ситуации;
- учитывают индивидуальные особенности каждого агента;
- позволяют дополнить план при поступлении новой задачи (а не пересчитывать его полностью).
Технология оценивания эффективности управления МС - совокупность моделей, методов и алгоритмов
принятия решения о соответствию программы управления предъявляемым к ней требованиям.
База знаний ЦД включает в себя базу моделей операций, базу моделей оценивания эффективности операций, а также онтологию предметной области и совокупность правил, определяющая поведение агентов.
Применение концепции управления МС с применением ЦД обеспечит удовлетворение требований к СУ
за счет:
- оперативности реакции на изменение обстановки децентрализованным алгоритмом управления;
- наличия ТКС, которая обеспечивает двухстороннюю передачу управленческой информации в режиме реального времени;
- достаточных вычислительных и энергетических ресурсов на НКУ;
- программной реализации информационного обмена между КА;
- возможности запуска нескольких копий ЦД с целью отработки и статистического анализа алгоритмов управления.
Недостатком предлагаемой концепции является несоблюдение принципа автономности управления. Вместе с тем, ЦД МС может использоваться в качестве испытательного стенда для наземной отработки алгоритмов управления, которые по мере совершенствования этих алгоритмов, повышения энергетических и вычислительных
возможностей КА, а также совершенствования линий межспутниковой связи, могут быть реализованы на борту КА. Благодаря расположению на НКУ, ЦД может функционировать как в автоматическом, так и в автоматизированном режиме.
Рис. 2. Структура процесса управления ОГ с применением ЦД
Заключение. Стремительное развитие технологий создания малых КА привело к возможности создания МС, что, в свою очередь, стало причиной возникновения противоречия между требованиями к СУ МС и невозможностью их реализации с применением имеющихся на борту ресурсов.
Применение цифровых двойников МС, как современной технологии управления сложными объектами, может стать альтернативой проведению дорогостоящих исследований по совершенствованию бортовых систем КА, а также платформой для отработки и совершенствования программно-алгоритмического обеспечения СУ МС.
Применение ЦД МС открывает возможность использования более ресурсоемких алгоритмов управления, основанных на современных технологиях искусственного интеллекта и нейросетевых технологиях, а также позволяет использовать весь накопленный в процессе жизненного цикла объем данных о МС.
Список литературы
1. Групповое управление многоспутниковой орбитальной группировкой на основе концепции режимов совместного функционирования А. Ю. Потюпкин, Ю. А. Тимофеев, С. А. Волков // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2021. Том 8, вып 3. С. 11-19.
2. Каляев И.А., Гайдук А. Р., Капустян С. Г. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 280 с.
3. Карсаев О.В. Автономное планирование задач наблюдения в группировках спутников // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019. № 1 (203). С. 129-143.
4. Интеллектуальная система распределенного управления групповыми операциями кластера малоразмерных космических аппаратов в задачах дистанционного зондирования Земли / А.В. Соллогуб, П.О. Скобелев, Е.В. Симонова, А.В. Царев, М.Е. Степанов, А.А. Жиляев / Информационно-управляющие системы. 2013. № 1 (62). С. 1626.
5. Городецкий В.И., Карсаев О.В. Самоорганизация группового поведения кластера малых спутников распределенной системы наблюдения // Известия ЮФУ. Технические науки. 2017. № 2 (187). С. 234-247.
6. Групповое управление подвижными объектами в неопределенных средах / Д.А. Белоглазов, А.Р. Гайдук, Е.Ю. Косенко [и др.]; под ред. В.Х. Пшихопова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. 305 с.
7. Управление космическими аппаратами и средствами наземного комплекса управления: учебник / Ю.С. Мануйлов, В.Н. Калинин, В.С. Гончаревский, И.И. Делий, Е.А. Новиков; под общ. ред. Ю.С. Мануйлова. - СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2010. - 609 с.
8. ГОСТ Р 53802-2010. «Системы и комплексы космические. Термины и определения» утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 июля 2010 г. № 127-ст / разработан Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш) М.:Стандартинформ, 2019. 34 с.
9. ПНСТ 417-2020 «Система киберфизическая. Термины и определения». М.:Стандартинформ, 2020. 8 с.
10. Основы теории систем и управления: учебник / В.Н. Калинин, К.Г. Колесников, Б.В. Москвин, А.Н. Павлов; под общей редакцией К.Г. Колесникова. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2016. - 495 с.
11. Построение единого наземного комплекса управления многоспутниковой группировки КА ДЗЗ /А. И. Жодзишский, С. К. Жидкова, Д. Н. Нагорных // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2020, том 7, выпуск 4. C. 14-21.
12. ГОСТ Р 57700.37 - 2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения / Разработан ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» совместно с СПб ПУ Петра Великого; утв. и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 сентября 2021 г. № 979-ст; введен впервые. М.: Российский институт стандартизации, 2021. 16 с.
13. Михайлов Р.Л. Описательные модели систем спутниковой связи как космического эшелона телекоммуникационных систем специального назначения. Монография. - СПб.: Наукоемкие технологии, 2019. - 150 с.
14. Erik Kulu. Satellite Constellations - 2021 Industry Survey and Trends // 35th Annual Small Satellite Conference 20 p.
15. Гриценко Андрей. Инновационные спутниковые сервисы на низких орбитах // CONNECT. № 11-12. 2019. С. 44-46.
16. Пат. 2713293. Российская Федерация, МПК B64G 3/00, H04B 7/00. Система управления полетом космического аппарата с применением в качестве ретрансляторов низкоорбитальных спутников, связанных между собой межспутниковыми линиями связи / А.Ю. Потюпкин, И.Н. Пантелеймонов, А.М. Саушкин [и др.]; заявитель и патентообладатель АО «Российские космические системы». № 2019114885; заявл. 16.05.2019; опубл. 05.02.2020, Бюл. N 4. 10 с.
17. Пантелеймонов И.Н. Перспективная методика управления полетом космических аппаратов одной орбитальной группировки с применением межспутниковых радиолиний // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018, том 5, выпуск 2. С. 73-83.
Привалов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, докторант, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им.А.Ф.Можайского,
Смирнов Алексей Вадимович, канд. воен. наук, преподаватель Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им.А.Ф.Можайского,
Токарев Максим Сергеевич, канд. воен. наук, старший преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им.А. Ф.Можайского
MULTI-SATELLITE SYSTEM MANAGEMENT CONCEPT USING DIGITAL TWINS A.E. Privalov, A.V. Smirnov, M.S. Tokarev
The article proposes the concept of controlling multi-satellite systems (SS) using digital twins, which allows the implementation of group control of SS in conditions of restrictions specific to objects operating in outer space. An analysis of the existing spacecraft control system (CS) was carried out and the main problems of its implementation for SS control were identified. Key definitions are formulated and management principles are justified. A conceptual model of SS CS using a digital twin has been developed, implementing the proposed control principles.
Key words: multi-satellite system, control system, digital twin, control principles.
Privalov Aleksandr Evgenevich, candidate of technical sciences, doctoral, [email protected]. Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy,
Smirnov Alexey Vadimovich, candidate of militaring sciences, lecturer, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy,
Tokarev Maxim Sergeevich, candidate of military sciences, senior lecturer, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy
