CC BY
9
Макеев Константин Алексеевич, студент, kostia1500@smail.com, Россия, Москва, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева
ARCHITECTURE OF AN INTELLIGENT DECISION SUPPORT SYSTEM FOR CROP PRODUCTION TASKS D.M. Smyslov, A.V. Grecheneva, Ya.S. Kotov, A.N. Golban, K.A. Makeev
The article is devoted to the research and development of the architecture of an intelligent decision support system. In the course of the work, commercial solutions of decision support systems and proposed functions were analyzed. Development of architecture of intellectual decision support system with support of expert system module was substantiated and described. The developed architecture will allow more accurate analysis and prediction ofphysical and chemical parameters of soil to increase crop yields.
Key words: intelligent decision support systems, expert systems, architecture of decision support systems, enterprise resource planning.
Smyslov Dmitry Maksimovich, student, dimasmyslovv1234@gmail. com, Russia, Moscow, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy,
Grecheneva Anastasia Vladimirovna, Candidate of Technical Sciences, docent, A. Grecheneva@rgau-msha.ru, Russia, Moscow, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy,
Kotov Yaroslav Sergeevich, student, yaroslav.kotov.01@mail.ru, Russia, Moscow, Russian State Agrarian University -Moscow Timiryazev Agricultural Academy,
Golban Andrey Nikolaevich, student, andrey_golban17@mail.ru, Russia, Moscow, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy,
Makeev Konstantin Alekseevich, student, kostia1500@gmail.com, Russia, Moscow, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy
УДК 355/359
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-230-236
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ОРБИТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА
КОСМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В ОБЛАСТИ СРЕДНИХ И ВЫСОКИХ ОРБИТ
Е.П. Минаков, А.Е. Привалов, Р.П. Власов, Б.А. Данилюк
В статье предлагается принципиально новая концептуальная модель орбитальной системы мониторинга космической обстановки в области средних и высоких орбит (ОСМКО), использующая длиннофокусную бортовую оптико-электронную систему (БОЭК). Обоснован выбор БОЭК, определены зоны для контроля объектов космического мусора (ОКМ) и сформулирована концепция управления ОСМКО.
Ключевые слова: мониторинг космической обстановки, космический мусор, оптико-электронная система.
В настоящее время одной из проблем космонавтики, является засорение околоземного космического пространства. Ее решению посвящены теоретические работы отечественных и зарубежных ученых [1-3]. В них в частности показано, что помимо создания средств сбора объектов комического мусора (ОКМ), разработки подходов к защитному маневрированию космических аппаратов (КА) с целью предотвращения опасного сближения с ОКМ, важнейшими задачами являются обнаружение ОКМ, определение и прогнозирование параметров их движения, оценивание характеристик опасного сближения ОКМ с КА, что составляет сущность процесса мониторинга космической обстановки. Учитывая ограничения наземных средств мониторинга космической обстановки, такие, как зависимость от времени суток, погоды и географических координат, для средних и высоких орбит КА данная задача должна решаться с использованием КА-измерителей (КАИ). Отсутствие в настоящее время подходов к определению обликов и ТТХ КАИ, способов их применения в составе орбитальной системы мониторинга космической обстановки (ОСМКО) делает актуальным разработку соответствующей концептуальной модели, основным предназначением которой является оценивание эффективности применения ОСМКО, образуемой ОКМ в областях средних и высоких орбит.
Постановка задачи разработки концептуальной модели ОСМКО. В настоящее время задаче мониторинга космического пространства с применением КАИ уделяется достаточно большое внимание. Наиболее полно данный вопрос исследован для области низких орбит, что обусловлено ростом количества ОКМ. Характерной чертой предлагаемых орбитальных группировок (ОГ) являются применение широкоугольной оптико-электронной аппаратуры и статичность ее ориентации [4-5], либо расширение угла обзора оптико-электронной аппаратуры за счет применения КА роторного типа [6]. Глобальность обзора таких систем обеспечивается за счет количества КАИ в составе ОГ. Особенностью мониторинга космической обстановки в области средних и высоких орбит является необходимость применения для обнаружения ОКМ бортовых оптико-электронных комплексов (БОЭК) дальнего обнаружения, угол обзора для которых ограничен 2-3°. В работах [7,8] предложена концепция ОСМКО на геостационарной орбите с возможностью мониторинга космической обстановки на геосинхронных орбитах с наклонением не более 15°. Но данная ОСМКО не позволяет осуществлять мониторинг на других орбитах. Другим недостатком предлагаемого подхода является достаточно длительные интервалы между временем наблюдения ОКМ (до 40 суток). Вместе с тем, предполагается, что с учетом динамики роста количества ОКМ уже в ближайшее время требования к эффективности функционирования ОСМКО могут существенно возрасти, в связи с чем потребуется сокращать временные интервалы наблюдения ОКМ вплоть до режима реального времени. Таким образом, в связи с невозможностью обеспечения глобального обзора области средних и высоких орбит существующими БОЭК и ограничениями разработанных подходов становится актуальным разработка новой концептуальной модели ОСМКО, снимающей данные ограничения.
Исходными данными для разработки концептуальной модели выглядит следующим
образом:
1. Априорно неизвестное множество ОКМ, орбиты которых проходят (или частично проходят) в области средних и высоких орбит.
2. Множество КА, функционирующих на средних и высоких орбитах, с которыми возможно столкновение ОКМ (далее - наблюдаемых КА).
Требуется разработать концептуальную модель ОСМКО, обеспечивающую максимальную вероятность достоверного обнаружения опасной ситуации, связанной со столкновением КА с ОКМ, за время, превышающее потребное время на парирование данной ситуации имеющимися способами. Под опасной понимается ситуация, при которой вероятность столкновения наблюдаемого КА с ОКМ превышает некоторый пороговый уровень (в частности, для МКС пороговый уровень составляет 10-4[9]). Концептуальная модель ОСМКО должна включать в себя:
1. Концептуальную модель космической обстановки.
2. Концептуальную модель процесса мониторинга космической обстановки.
3. Концептуальную модель КАИ.
Концептуальная модель космической обстановки, образуемой ОКМ. Под космической обстановкой понимается совокупность всех космических объектов, факторов и условий космического пространства, которые могут оказать влияние на подготовку, ход и исход функционирования КА [10]. Исходя из постановки задачи, ОСМКО обеспечивает мониторинг космической обстановки, образуемой ОКМ, под которой понимается совокупность всех ОКМ, которые могут оказать влияние на выведение КА, а также на ход и исход их функционирования. Под мониторингом космической обстановки понимается процесс измерения и прогнозирования параметров движения ОКМ с целью предсказания опасных ситуаций, связанных со столкновениями наблюдаемых КА с ОКМ.
В качестве ОКМ в областях средних и высоких орбит выступают, не функционирующие КА, блоки РН, разгонные блоков, выполнивших или не способных выполнять свои целевые функции, а также их фрагменты, движущиеся в околоземном космическом пространстве в диапазоне высот от 18000 км. (орбиты навигационных спутников) до 52000км. (апогей высоко эллиптических орбит).
В каталоге российской Системы контроля космического пространства числится более шести тысяч объектов размером 20-40 сантиметров, движущихся на этих высотах от поверхности Земли. Помимо того, угрозу активно функционирующим КА, движущимся на этих орбитах, представляют ОКМ, имеющие размеры до единиц миллиметров. Как следствие этого их общее число увеличивается «в разы». При этом наблюдаемыми оптико-электронными средствами среди них считаются ОКМ размером от пяти сантиметров, а радиолокационными системами - от десяти сантиметров.
Таким образом, т.к. предельные размеры указанных ОКМ не могут превышать единиц метров, то в рамках концептуальной модели они могут рассматриваться как материальные точки, движущиеся в диапазоне высот от 18000 до 52000 км.
Значительная удаленность возможных орбит рассматриваемых ОКМ от поверхности Земли позволяет со значительной степенью точности моделировать их движение в рамках Кеплеровой теории движения [11].
Концептуальная модель процесса мониторинга космической обстановки. Как уже отмечалось выше, глобальности мониторинга в области средних и высоких орбит достичь либо невозможно, либо возможно в достаточно ограниченной области. В связи с этим, мониторинг КО, образуемой ОКМ предлагается осуществлять в ключевых пространственно-временных областях (ПРВО), которые в зависимости от объема априорной информации об ОКМ делятся на два вида:
1. ПРВО, связанная с ОКМ - представляет собой ПРВО, нахождение ОКМ, в которой известно с необходимой (достаточно высокой) достоверность. Мониторинг ПРВО первого типа осуществляется с целью уточнения параметров движения уже известных ОКМ и возможен в том случае, если ее размер не превышает размера зоны обзора (или двойного обзора при применении метода космической триангуляции [4]). Мониторинг ПРВО заключается в том, что оси визирования БОЭК направляются на данную ПРВО с задачей уточнения параметров орбиты ОКМ и предупреждения опасной ситуации (рис. 1). Поскольку априорная информация всегда характеризуется определенной погрешностью, то ПРВО с течением времени расширяется, требуя периодического уточнения параметров орбиты ОКМ.
Рис. 1. Схема мониторинга космической обстановки, образованных известными ОКМ
Рис. 2. Схема мониторинга космической обстановки, образованных неизвестными ОКМ
232
2. ПРВО, связанная с наблюдаемым КА и представляющая собой область, ограниченная двумя поверхностями: граница мониторинга и граница обнаружения (рис. 2). Мониторинг данной ПРВО осуществляется с целью обнаружения неизвестных ОКМ, которые представляют собой опасность для наблюдаемых КА. Граница обнаружения представляет собой замкнутую поверхность с центром в геометрическом центре наблюдаемого КА, обнаружение ОКМ, на котором обеспечивает успешное парирование опасной ситуации в случае предсказания ее возникновения. Граница обнаружения зависит от размеров и формы наблюдаемого КА, параметров движения ОКМ и потребного времени на парирование опасной ситуации. Граница мониторинга представляет собой замкнутую поверхность вокруг границы обнаружения и несовпадающую с ним, появление ОКМ, в которой обнаруживается ОСМКО с заданной вероятностью до того, как ОКМ пересечет границу обнаружения. Определение границ мониторинга и обнаружения представляет собой тему отдельного исследования.
Концептуальная модель КАИ. Современные КА состоят из двух основных компонентов -космической платформы и целевой аппаратуры, которая в значительной мере определяет требования к космической платформе. Целевой аппаратурой КАИ является БОЭК, вопросам проектирования которых для ОСМКО посвящены работы [12,13]. В работе [14] представлены методика обоснования конкретных требования к БОЭК, в соответствии с которой для низких орбит БОЭК должен обладать следующими требованиями: дальность обнаружения ~6300-9400 км при угле обзора ~32 — 49°. Поскольку целевая область мониторинга ОСМКО составляет весь спектр средних и высоких орбит, подобные БОЭК не удовлетворяют требованиям по дальности обнаружения.
Рассмотрим возможности современных БОЭК. Возможности наблюдения характеризуются наблюдаемой звездной величиной ОКМ, которая связана с расстоянием до него соотношением [15]
т=-26,85 - 2,5^^М), (1)
где й - диаметр поперечного сечения объекта; у- коэффициент отражения; Я - -расстояние до объекта; - фазовая функция
2
= — ((п- (р)со5ф + этО)), (2)
^ - угол освещения объекта наблюдения Солнцем.
На графике (рис. 3) представлены зависимости звездных величин ОКМ от расстояния до них для различного размера ОКМ (зависимости приведены для ^ = 0 и у = 0,25). С другой стороны, проведенный в [16] расчет характеристик БОЭК показал, что максимальная наблюдаемая звездная величина напрямую зависит от угла обзора. На графике отмечены звездные величины, наблюдаемые БОЭК с различным углом обзора. Дальнейшее повышение максимальной звездной величины БОЭК возможно, но повлечет за собой увеличение массогабаритных характеристик за счет увеличения диаметра входного зрачка, фокусного расстояния, количества чувствительных элементов матрицы и других характеристик.
15 13 11
9
Угол
обзора
БОЭК
1,4°
/ / /
''у*
# # # ^ # # # # # # # # # # к.™
V* ер ^ ^ ^ ^ V V V V -у
Диаметр поперечного п _ , _ с , , с „ сечения ШМ, с1---°<3м--°<5м - ' '1м 1-5м - '2м
Рис. 3. Зависимости звездных величин ОКМ от расстояния до них
Исходя из проведенного анализа, на качественном уровне можно сделать вывод о том, что ОСМКО в области средних и высоких орбит должна быть оснащена только длиннофокусными БОЭК с углами обзора 2-3° и максимальной детектируемой звездной величиной т> 14. Массогабаритные характеристики современных БОЭК, удовлетворяющих данным требованиям, позволяют использовать космические платформы малых КА. Кроме того, в состав целевой аппаратуры должна входить целевая вычислительная система, в задачу которой входят:
- обработка первичных результатов мониторинга (привязка по координатам и времени, фильтрация шумов и т.д.)
- идентификация ОКМ, определение углов изображения ОКМ в картинной плоскости;
- определение параметров движения ОКМ;
- прогнозирование движения ОКМ и опасных ситуаций, связанных со столкновениями ОКМ с наблюдаемыми КА;
- ведение бортового каталога ОКМ;
- решение задач управления ОСМКО в зависимости от выбранной схемы управления (формирование программы функционирования, оценивание эффективности управления, контроль и коррекция программы управления в зависимости от текущей ситуации, групповое управление отдельными КАИ и ОСМКО в целом).
Для функционирования в составе ОСМКО космическая платформа должна кроме традиционных выполнять следующие дополнительные функции:
- выполнение углового маневра для переориентации БОЭК;
- передачу целевой и командно-программной информации по линиям межспутниковой связи или через спутник-ретранслятор.
Заключение. Проблема космического мусора в настоящее время наиболее остро стоит в часто используемых орбитах, к которым относятся низкие орбиты и геостационарная орбита. Однако, увеличение количества пусков за последние годы заставляют обратить внимание и на области средних и высокоэллиптических орбит. Хотя риск столкновений на этих орбитах в настоящее время минимален, он неуклонно повышается. С другой стороны, в области средних и высоких орбит функционируют большие КА, производство и запуск которых (в противоположность серийным малым КА, в основном используемым на низких орбитах) сопряжен с большими финансовыми и временными затратами. В рамках доклада была разработана концептуальная модель разработана концептуальная модель ОСМКО в области средних и высоких орбит, целевым эффектом которой является не глобальность мониторинга, а защищенность КА, функционирующих на этих орбитах. Целевой эффект достигается за счет активного управления процессом мониторинга, которое планируется возложить на бортовые вычислительные средства ОСМКО. В связи с этим, возникает необходимость проведения целого ряда исследований, к числу которых относятся:
- разработка методики определения границ мониторинга и обнаружения;
- разработка системы оценивания эффективности функционирования ОСМКО в области средних и высоких орбит;
- разработка теоретических основ автономного управления ОСМКО;
- структурно-параметрический синтез БОЭК и космических платформ КАИ ОСМКО
- синтез баллистической структуры ОСМКО.
Список литературы
1. Вениаминов С.С., Червонов А.М. Космический мусор - угроза человечеству / под ред. Р.Р. Назирова, О.Ю. Аксенова. М.: ИКИ РАН, 2012. 192 с.
2. Heiner Klinkrad Space DebrisModels and Risk Analysis. - Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2006. 430 p.
3. Котяшов Е.В. Концептуально-структурная модель функционирования орбитальной системы космических аппаратов наблюдения и предупреждения опасных ситуаций на геостационарной орбите // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. 2020. № 672. С. 25-32.
4. Половников В.И., Скутницкий В.М. Теоретические основы проектирования орбитальных систем космической триангуляции. СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2012. 175 с.
5. Фадин И.А., Горбулин В.И., Матвеев А.А. Модель орбитальной системы мониторинга космической обстановки, построенной на круговых орбитах равного радиуса // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 7. С. 290-304.
6. Минаков Е.П., Власов Р.П. Алгоритм обработки траекторной информации уточнения параметров движения объектов по одновременным двукратным измерениям двумя космическими аппаратами роторного типа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 3. С. 184-191.
7. Емельянов В.А., Рамалданов Р.П. Принципы построения, технический облик космических средств контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты и показатели их целевой эффективности //Космонавтика и ракетостроение. 2016. № 2 (87). С. 92-100.
8. Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты / В.А. Емельянов, К.С. Ёлкин, В .В. Маслов [и др.] / Патент на изобретение RU 2684253 C1, 04.04.2019. Заявка № 2018104992 от 09.02.2018.
9. Соколов Н.Л., Захаров П.А. Автономная идентификация параметров орбит потенциально опасных космических объектов бортовыми средствами // Лесной вестник 2/2016. С. 214-224.
10. Сборник терминов, понятий и определений Космических войск. В 2 ч. Ч. 1 / под ред. А.Н. Перминова. М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 2003. 223 с.
11. Баллистика ракет-носителей и космических аппаратов / Н.Ф. Аверкиев, С.А. Богачев, С.А. Васьков [и др.]. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013. 242 с.
12. Арсеньев В.Н., Балуев С.Ю., Белихин Е.Н., Ядренкин А.А. Оценивание характеристик точности определения координат космического объекта бортовыми оптико-электронными средствами космических аппаратов наблюдения за обстановкой в космическом пространстве // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. 2019. № 666. С. 173-179.
13. Закутаев А.А., Рогачев В.А. Влияние неравномерности чувствительности фотоприемных устройств на пороговые характеристики обнаружения оптико-электронных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 12. С. 321-325.
14. Семинихин В.К., Кириченко Д.В., Рыжих А.А., Лутов И.О. Варианты баллистического построения орбитальной системы контроля космических объектов в ближней зоне околоземного космического пространства // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2015. № 646. С. 112-116.
15. Коробцев, И.В. Мишина М.Н. Оптические наблюдения малых космических аппаратов и космического мусора в Саянской обсерватории ИСЗФ СО РАН // Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 4. С. 117-121.
16. Захаров А.И., Прохоров М.Е., Тучин М.С., Жуков А.О. Минимальные технические характеристики звёздного датчика ориентации, необходимые для достижения заданной погрешности// Астрофизический бюллетень, 2013, том 68, № 4. С. 507-520.
Минаков Евгений Петрович, д-р техн. наук, профессор, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Привалов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, докторант, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Власов Роман Петрович, канд. техн. наук, начальник научно-исследовательской лаборатории Военного института (научно-исследовательского), Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Данилюк Богдан Александрович, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
CONCEPTUAL MODEL OF THE ORBITAL MONITORING SYSTEM OF THE SPACE SITUATION IN THE
FIELD OF MEDIUM AND HIGH ORBITS
E.P. Minakov, A.E. Privalov, R.P. Vlasov, B.A. Danilyuk
The article proposes a fundamentally new conceptual model of an orbital system for monitoring the space situation in the field of medium and high orbits (OSMCO), using a long-focus on-board optoelectronic system (BOEC). The choice of the BOEC is justified, the zones for the control of space debris objects (OKM) are defined and the concept of OSMKO management is formulated.
Key words: monitoring of the space situation, space debris, optoelectronic system.
Minakov Evgeny Petrovich, doctor of technical sciences, professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Privalov Alexander Evgenievich, candidate of technical sciences, doctoral student, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Vlasov Roman Petrovich, candidate of technical sciences, head of the research laboratory of the Military Institute (Research), Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Danilyuk Bogdan Aleksandrovich, adjunct, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
