CC BY
9
Matlab programming environment. The result of the first part of our work is the basis for the next part - the use of the developed program to solve real problems.
Key words: program development, inverse problem, parameter recovery, mathematical model, kinetics, oil refining.
Le Van Huyen, postgraduate, huyenlevan120193@,gmail.com, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,
Chernenkaya Liudmila Vasilievna, doctor of technical science, professor, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
УДК 005
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-149-155
МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКТИВНЫХ
ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
В.Ф. Волков, Р.Р. Хайдаров, Н.Р. Зыкин
В данной статье представлены возможности отечественной системы контроля околоземного космического пространства по определению технического состояния (ТС) активного подвижного объекта (АПО). Описан математический аппарат анализа разнородной некоординатной информации, поступающей от средств контроля космического пространства и используемой при анализе ТС АПО, и возможные варианты проявления нарушения штатного функционирования АПО.
Ключевые слова: активный подвижный объект, техническое состояние, некоординатная информация.
Введение. В настоящее время на околоземных орбитах находится более 20000 космических объектов искусственного происхождения с линейными размерами более 10 см, к которым можно отнести действующие и прекратившие функционирование аппараты, пилотируемые и управляемые с Земли космические станции, а также большое количество побочных элементов запусков и этапа эксплуатации [1].
Сложившаяся обстановка обуславливает исключительную важность постоянного контроля изменений космической обстановки, определения технического состояния не только отечественных, но и иностранных АПО.
Вопрос определения состояния АПО [2, 3] является актуальным и стоит довольно остро из-за необходимости решения следующих задач:
- увеличение количества АПО на околоземных орбитах, которые необходимо контролировать;
- увеличение количества объектов космического мусора, который угрожает работоспособным АПО и способен вывести их из строя, либо нарушить работоспособность контролируемых АПО;
возникновение нештатных ситуаций на борту АПО может сделать невозможным получение информации о состоянии и работоспособности бортовой аппаратуры (БА) по каналам телеметрии, поэтому единственным источником информации о состоянии АПО в данном случае будут являться другие внешние признаки;
- необходимость постоянной актуализации данных о АПО в национальном каталоге космических объектов для решения важных государственных задач;
- анализ ошибок стабилизации и ориентации АПО по запросам организаций, осуществляющих управление АПО.
Виды некоординатной информации необходимой для определения технического состояния активного подвижного объекта
Координатная информация (КИ) для решения вышеперечисленных задач не является приоритетной, так как не позволяет однозначно охарактеризовать движение АПО относительно центра масс и его конструктивные особенности. В свою очередь некоординатная информация (НКИ) дает детальное и достаточно точное представление о вышеперечисленных характеристиках.
Виды НКИ, используемой для решения задач определения состояния АПО.
1. Радиолокационная (замеры эффективной площади рассеяния);
По информации на рис. 1 можно говорить об установлении косвенного факта изменения состояния АПО, но для однозначного утверждения необходима дополнительная информация, подтверждающая данный факт [4, 5, 6].
Рис. 1. Реализация ЭПР АПО в децибелах
1. Оптическая (замеры звездной величины, оптические изображения в видимом диапазоне длин волн, спектральные измерения);
По информации на рис. 2 можно судить о приблизительных габаритных размерах и геометрической форме АПО.
Рис. 2. Замеры звездной величины АПО по изображению, полученному с оптического средства
2. Радиотехническая (регистрация частот излучения АПО, измерение относительных амплитуд максимумов спектров излучения).
На рис. 3 показана выявленная несущая частоту работы БА АПО [7].
О.'.' ■
4..... —4——••
Й-
-.-.И
I
I Ой
2 2404 1 24082408 2 241 3 3412 2 24*42 2418 2 2419 2 342 3 2432 334243 Л2е 2 2428 7.243 2 2433 2 2434 3.24383 2438 3 244 23442
Ч«10Т4ЕГГЦ)
Рис. 3. Несущая частота работы БА АПО
Математический аппарат обработки некоординатной информации. Из анализа сигнатур радиолокационной НКИ [5, 6] известно, что для металлических объектов с гладкой поверхностью (с радиусами кривизны поверхности много большими длины волны сигнала) среднее значение радиолокационной эффективной площади рассеяния (ЭПР) при равновероятной ориентации объекта относительно
локатора определяется площадью боковой поверхности объекта:
с
^бок
? =.
Для сферы с диаметром Д
сф*
? =.
ср
л:Д
сф
Для вытянутого цилиндра с диаметром Бц и длиной Ьц (при Ьц >£>ц):
лтДЛ,
? =.
°сР 4
Для КА сложной формы вводится эффективный средний размер (диаметр):
Оэфф —
ср
п
N
т.е. диаметр сферы, эквивалентной объекту по среднему уровню ЭПР.
Для сферы 0эфф =0сф, для вытянутого цилиндра 0эфф = ^ОЦГЦ, для АПО сложной формы 0эфф - это ориентировочный средний габаритный размер.
Величина 0эфф может служить достаточно показательной характеристикой размеров АПО компактной (без выносных элементов) и не сильно вытянутой формы при длине волны сигнала меньше или порядка размеров АПО. Для АПО некомпактной формы 0эфф характеризует размеры корпуса АПО.
Если корпус АПО имеет достаточно большой (с размерами много больше длины волны сигнала) участок цилиндрической или конической поверхности, то в реализации ЭПР АПО могут выделяться яркие всплески, соответствующие ракурсам зеркаления указанной поверхности. В этих случаях дополнительные характеристики размеров АПО могут быть определены через величину максимального уровня ЭПР АПО Бтах.
Для гладкой металлической цилиндрической или конической поверхности со средним диаметром Б и длиной, образующей Ь:
пВЬ2 ? =-
^тах д ,
где Я - длина волны сигнала.
Учитывая, что в среднее значение ЭПР АПО вклад рассеяния от цилиндрической (или конической) поверхности составляет
пБЬ
Бсрц = ■
получим
срц 4 пШ
^срКА > 4 ■
Отсюда следует способ оценки размеров длины Ь и диаметра Б АПО:
. Нтах ^ _ ^^
и ^ Ьцт1п — Vц
-'цтт 4? ' ^цтах '
4^ср пЛ^тах
где Ьцт1П - оценка снизу длины образующей зеркалящего элемента, Оцтах - оценка сверху среднего диаметра зеркалящего элемента.
Следует отметить, что для реальных АПО сложной формы оценки с использованием соотношения величин Бтах и Бср оказываются грубыми (из-за того, что в этих случаях Бср много больше значения, рассчитываемого по формуле для гладкого цилиндра).
Помимо радиолокационной НКИ научный интерес также представляет обработка оптической
НКИ.
В классической оптике интенсивность света интерпретируется как поток энергии поля. Количество энергии, протекающее за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к
направлениям электрического вектора А и магнитного вектора I представляет вектор Пойнтинга [4]:
/ =Ао1.
В оптике наибольший интерес представляет усредненный вектор Пойнтинга. Величина его служит мерой интенсивности света, а направление указывает направление распространения света. То есть интенсивность света:
/ = ¡ЕМ,
где Е, Н - напряженность электрического и магнитного поля соответственно, В/м и А/м. Известно, что
Н=
где £0'^а - электрическая и магнитная постоянные; - диэлектрическая и магнитная проницаемость среды (относительная).
Учитывая, что-= с2, где с - скорость света в вакууме, а также что п = - показатель
£оМо _
преломления среды, из 1= -ЕН, и Н= 1-^-Е' можно получить формулу, связывающую интенсивность
2 МоМ
света I, Вт/м2 с напряженностью электрического поля Е, — (при [г = I) в следующем виде:
1= -спе()Ег.
2 и
В локационных задачах при анализе информационных параметров распределения поля оптического сигнала и распределения интенсивности оптического сигнала обычно не учитывают константы в 1 = -спе0Е2, и пропорциональную зависимость 1 = Е2 представляют в виде равенства.
Возможные варианты проявления нарушения штатного функционирования активного подвижного объекта. При определении технического состояния анализируется динамика изменения (наличия/отсутствия) ряда признаков, которые характеризуют состояние АПО в текущий момент времени, например, динамики изменения во времени характера движения АПО относительно центра масс (факт стабилизации или вращения, а также параметры их изменения), конструктивно-компоновочной схемы АПО (габаритные размеры, особенности формы корпуса, наличие навесного оборудования), изменение режимов функционирования БА АПО [1].
Основными признаками нарушения штатного функционирования АПО являются:
1. Отсутствие стабилизации по трем осям (если предусмотрена); перехода от стабилизированного состояния в дестабилизированное (вращение, кувыркание); нехарактерного изменения типа ориентации и стабилизации.
Принципиальная возможность определения параметров движения АПО относительно центра масс по радиолокационным сигналам обеспечивается фундаментальным свойством рассеяния электромагнитных волн - зависимостью рассеянного поля от углов ориентации объекта относительно локатора [5, 6]. В частности, величина ЭПР изменяется с изменением углов ориентации относительно локатора (ракурсов) для АПО любой формы, кроме чисто сферической.
Зависимость ЭПР от совокупности углов ориентации относительно локатора в (в - в общем случае три угла, а для РЛС с круговой поляризацией два угла) называется угловой радиолокационной диаграммой отражения (РЛДО) - С(б).
Важным свойством РЛДО для АПО сложной формы (с большим числом рассеивающих центров - "блестящих точек" на поверхности) при длине волны сигнала меньшей размеров АПО является её интерференционная (лепестковая) структура с угловой шириной лепестков, связанной с длиной волны сигнала и габаритным размером АПО в направлении изменения углов ориентации йв 2Ьтаб (в, йв) простым соотношением
Если определять по ширине (или по частоте флуктуации) лепестков РЛДО видимый радиолокационный размер АПО по формуле
1вид(в,ав) = 22авТЖсЦ-у
то для него гарантируется неравенство
ЬвП!,{в,йв)>1таб{в,йв).
При этом равенство может достигаться для тех ракурсов, где крайние ("габаритные") "блестящие точки" АПО оказываются достаточно яркими в сравнении с прочими "блестящими точками" (это свойство РЛДО используется при определении размеров АПО по флуктуациям ЭПР). На этом основании в большинстве случаев можно рассчитывать на выполнение неравенства
тахЬвпр{в,йв) >Вср,
где Бср - средний размер АПО (или корпуса АПО), определяемый по среднему уровню ЭПР. Более того, многочисленные расчеты по сигналам реальных АПО подтверждают примерное соответствие средних (по отработанным ЦУ) видимых радиолокационных размеров АПО среднему размеру по уровню ЭПР (с отклонениями от строгого равенства не более, чем в 2-3 раза).
Наблюдаемые (измеряемые) изменения ЭПР 5(0 в проводках АПО определяются особенностями РЛДО АПОС(б) и функцией изменения во времени углов ориентации АПО относительно локатора 0(0:
5(0 = С(0(О) + ^(0,
здесь ¿5(0 - неизбежные ошибки измерения ЭПР.
В свою очередь функция 6(0 определяется двумя процессами: ориентацией или вращением АПО в пространстве и изменением во время проводки АПО направления линии визирования РЛС е(0 (угловых координат АПО), которое полностью определяется (путем известных пересчетов) траекторией пролета АПО в зоне локатора и вращением Земли.
В случае стабилизированных КА их ориентация поддерживается неизменной (с точностью до малых ошибок стабилизации) в той или иной системе стабилизации - ПСК (ориентация относительно Земли), ОСК или ГНСК (ориентация относительно Солнца или звезд). Поэтому при задании угловой РЛДО АПО в СК стабилизации и пересчете в ту же СК направления линии визирования РЛС е (0 изменение ЭПР в проводке можно описывать соотношением
5(0 = С{е{1)) + аБ{1).
В общем случае для установления по реализациям ЭПР характера и параметров ДОЦМ АПО (в
частности - для проверки гипотез о том или ином виде движения) можно использовать следующие подходы.
1) Выявление в реализациях ЭПР повторяющихся (идентичных) участков сигнала и проверка возможности реализации в соответствующие моменты времени в проводках одинаковых ракурсов АПО при той или иной из проверяемых гипотез о ДОЦМ.
Из-за сильной изрезанности угловых РЛДО одинаковым значениям ЭПР могут соответствовать и разные ракурсы АПО, если только речь не идёт о максимальном значении ЭПР в РЛДО. Поэтому факты совпадения ракурсных условий наблюдения АПО в пределах одной проводки или в разных проводках можно уверенно фиксировать либо при повторном наблюдении максимального значения ЭПР АПО, либо же при повторном наблюдении какой-то характерной лепестковой структуры, надёжно выделяемой в реализации флуктуации ЭПР и не перепутываемой с другими лепестковыми структурами РЛДО АПО. В качестве таких характерных структур можно использовать, прежде всего, участки зеркаления гладких поверхностей АПО, а также участки РЛДО с большими перепадами (подъёмами или падениями) общего уровня флуктуаций ЭПР.
2) Использование связи флуктуационных характеристик РЛДО с габаритными размерами АПО и со средним уровнем ЭПР АПО для отвержения тех гипотез о ДОЦМ, при которых после пересчета реализации ЭПР в оценку сечения РЛДО 5(0 = С (в) вычисляемые по этой оценке видимые радиолокационные размеры Ьвид = (б) не соответствуют известным габаритным размерам АПО (существенно превышают их) или же средний видимый радиолокационный размер существенно превосходит средний размер АПО, определяемый по среднему уровню ЭПР.
3) Выявление и фиксация моментов времени наблюдения в реализациях ЭПР характерных лепестковых структур, привязанных к известным ракурсам и соответствующих известным (или предполагаемым) особенностям формы АПО (и особенностям РЛДО АПО), с последующей проверкой возможности наблюдения именно этих ракурсов в зафиксированные моменты времени при той или иной гипотезе о характере и параметрах ДОЦм АПО.
В качестве таких характерных особенностей формы АПО можно использовать, в частности:
- наличие зеркалящих цилиндрических, конических или плоских поверхностей у корпуса
АПО;
- наличие осевой или плоскостной симметрии формы АПО (а значит и соответствующей симметрии РЛДО);
- наличие у АПО сильно отражающих радиолокационный сигнал крупных сопел или крупных параболических антенн;
- вытянутость формы корпуса АПО или наличие у АПО длинной штанги гравитационной стабилизации.
На базе этих общих положений может строиться проверка гипотез о характере ДОЦМ АПО по особенностям реализаций ЭПР - формирование признаков наличия или отсутствия того или иного из возможных или предполагаемых видов движения (с возможностью вынесения и неоднозначных решений на каждом этапе накопления и детального анализа радиолокационной НКИ).
2. Отсутствие возможности маневрирования для поддержания параметров рабочей орбиты; аномальной динамики изменения элементов орбиты во времени.
При прекращении маневрирования для поддержания параметров рабочей орбиты (по совокупности информации) может быть сделан вывод об изменении ТС АПО. Данные признаки регистрируются по изменению орбитальных параметров.
3. Отсутствие штатных элементов конструкции (панелей солнечных батарей (ПСБ), апертур антенн и других выносных модулей);
При выявлении наличия у АПО развернутых крупных ПСБ используются два предположения
[5, 6]:
- панели представляют собой плоские радиоотражающие элементы или наборы из плоских элементов (в частности, "гармошки" из плоских элементов),
- плоскости ПСБ ориентируются в направлении на Солнце (с возможными ошибками до 2030 град) с текущим направлением на Солнце или от Солнца (предполагается, что панель может зеркалить и своей задней стороной)
Ориентируемые на наземные объекты крупноапертурные бортовые антенны АПО могут выявляться по характерным зеркальным отражениям, наблюдаемым в реализациях ЭПР.
4. Отсутствие «аномальных» радиолокационных измерений АПО в плоскости орбиты КА (фрагментация);
Считается, что обнаруженный по радиолокационной КИ неизвестный АПО имеет источником своего образования каталогизированный АПО, если плоскости их орбит отличаются не более чем на 1 град и на 10-ти суточном временном интервале в прошлом существует момент времени, в который расстояние между этими двумя объектами менее 30 км и их относительная скорость менее 0.3 км/с [1].
5. отсутствие излучения БА КА; изменение рабочих частот излучения КА.
При отсутствии в нескольких сеансах наблюдения ранее установленного факта излучения БА делается вывод об изменении состояния АПО - прекращении работы БА [5, 6].
С использованием предложенного методического подхода к организации определения состояния АПО возможно обнаружить факт нарушения штатного функционирования АПО путем анализа НКИ, полученной измерительными средствами контроля космического пространства. Дальнейшие исследования будут направлены на внедрение искусственного интеллекта в процесс определения технического состояния АПО.
Заключение. Своевременный и постоянный контроль состояния АПО в околоземном космическом пространстве является важной задачей, поскольку установление факта изменения состояния АПО позволит:
- принять меры к восстановлению работоспособности АПО;
- проконтролировать процесс сведения неработающего АПО с орбиты;
- актуализировать национальный каталог АПО для решения важных государственных задач.
Список литературы
1. Алдохина В.Н. Модель системы мониторинга и контроля воздушно-космического пространства / В. Н. Алдохина, Р. А. Гудаев, М. С. Смирнов, Ш. И. Шаймухаметов // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского: сб. статей. СПб., 2019. С. 8-20.
2. Волков, В. Ф. Методологический подход к оцениванию целесообразности проведения дополнительного контроля состояния подвижных объектов на основе нейросетевых алгоритмов / В. Ф. Волков, Р. Р. Хайдаров, А. С. Пономарев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 3-8.
3. Калинин В.Н. Теоретические основы системных исследований: учебник. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2016. 291 с.
4. Фарина А. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. / А. Фарина, Флавио А. Студер, пер. с анг. А. М. Бочкарева, под редакцией А. Н. Юрьева. М.: Радио и связь, 1993. 320 с.
5. Горелик А.Л. Селекция и распознавание на основе локационной информации / А. Л. Горелик, Ю. Л. Барабаш, О. В. Кривошеев, С. С. Эпштейн. М.: Радио и связь, 1990. 240 с.
6. Ладыгин А.И. Анализ сигнатур. Теория и практика радиолокационного распознавания космических объектов. М.: Университетская книга, 2008. 256 с.
7. Федорова И.Б. (ред) Информационные технологии в радиотехнических системах. Учеб. пособие. 2-е издание перераб. и доп. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 846 с.
8. Слуцкий В.З. Импульсная техника и основы радиолокации / В. З. Слуцкий, Б. И. Фогельсон. Изд. 3-е, переработ. и дополн. М.: Воениздат, 1975. 439 с.
Волков Валерий Федорович, профессор, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Хайдаров Руслан Рамилевич, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Зыкин Никита Романович, курсант, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
METHODICAL APPROACH TO DETERMINING THE TECHNICAL CONDITION OF ACTIVE MOBILE OBJECTS
V.F. Volkov, R.R. Haidarov, N.R. Zykin
This article presents the capabilities of the domestic near-Earth space control system to determine the technical condition (TS) of an active mobile object (APO). The mathematical apparatus of the analysis of heterogeneous non-coordinate information received from the means of controlling outer space and used in the analysis of the APO vehicle, and possible manifestations of the violation of the regular functioning of the APO are described.
Key words: active mobile object, technical condition, non-ordinate information.
Volkov Valery Fedorovich, professor, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Khaydarov Ruslan Ramilevich, adjunct, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Zykin Nikita Romanovich, cadet, Russia, Saint Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
