CC BY
96
ИНФОРМАЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ DATA PROCESSING FACILITIES AND SYSTEMS
Кучеров Б.А. Ки^егоу В.А.
аспирант кафедры «Информационные технологии и управляющие системы ГБОУ ВО МО «Технологический университет», Россия, г. Королев
УДК 681.5.034
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗАГРУЗКИ НАЗЕМНЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ
Рассматриваются вопросы, связанные с прогнозированием и оценкой загрузки средств управления космическими аппаратами. Показана важность данной задачи для проблемы распределения средств управления космическими аппаратами.
Выявлены факторы, которые следует учитывать при прогнозировании загрузки средств управления: состав группировки космических аппаратов, состав наземного комплекса управления космическими аппаратами, технологические циклы управления космическими аппаратами, плановые эксплуатационные мероприятия, работоспособность средств и статистические данные об их работе. Отмечено влияние указанных факторов на загрузку средств.
Дано краткое описание разработанной модели полета космических аппаратов по околоземной орбите. Показаны пути использования данной модели при решении задач прогнозирования загрузки средств управления, в том числе: оценка достаточности средств для управления заданной группировкой космических аппаратов; выявление узких мест в программном обеспечении, используемом при распределении средств управления; использование при проведении тренировок и обучении персонала; оперативное и наглядное информирование специалистов о наземной и космической ситуации. Рассмотрена возможность моделирования как существующей, так и перспективной группировки космических аппаратов. Отмечены перспективы усовершенствования модели.
Освещен вопрос моделирования состояния средств управления космическими аппаратами. Показано, что для оценки процента работоспособных средств, при которой нагрузка на систему останется приемлемой, может быть проведено моделирование ситуаций выхода из строя различного числа средств управления.
Показана важность оценки нагрузки на органы, обеспечивающие использование средств управления космическими аппаратами. Отмечено влияние количества потенциальных конфликтных ситуаций при использовании средств управления на указанную нагрузку и на оперативность решения задачи распределения средств управления. Представлен подход к прогнозированию количества таких конфликтных ситуаций, который заключается в моделировании выбора зон радиовидимости для составления заявок на использование средств управления космическими аппаратами. Указаны возможные критерии для отбора зон радиовидимости. Приведены результаты прогнозирования количества потенциальных конфликтных ситуаций при использовании четырех средств управления для управления различным числом космиче-
ских аппаратов (до 35) на двухнедельном интервале. Отмечен прогрессирующий характер зависимости количества конфликтных ситуаций от числа космических аппаратов.
Ключевые слова: модель полета, распределение средств управления, космический аппарат, конфликтная ситуация, орган планирования, наземный комплекс управления, достаточность средств, планирование, оценка нагрузки, орбитальная группировка.
SOLVING TASKS OF LOAD PREDICTION OF GROUND CONTROL FACILITIES
FOR SPACECRAFTS
Issues related to prediction and evaluation of load of control facilities (ground stations) for spacecrafts are considered. The significance of this task for problem of allocation (scheduling) control facilities for spacecrafts is shown.
Factors to be allowed in load prediction of control facilities are found out: structure of spacecrafts constellation, structure of ground control complex, technology cycle of control, planned maintenance activities, state of control facilities and statistic about their work. Their influence on load of control facilities are noted.
Brief description of developed model of spacecrafts flights on the near-Earth orbit is given. The ways of using this model in solving task of load prediction of control facilities for spacecrafts are shown. Some of these ways are: evaluation of sufficiency of control facilities to control given constellation of spacecrafts; detection bottlenecks in software used for allocation control facilities; using during workouts and training of specialists; efficient and obvious informing specialists about ground and space situation. Opportunity of modeling as current as further spacecrafts constellation is considered. The prospects of the model are noted.
Issue of modeling state of control facilities for spacecrafts is considered. It is shown that to evaluate percent of working facilities, under which load on system will be acceptable, modeling of situation with malfunctions of different count of control facilities can be performed.
Importance of evaluation of load on authorities providing usage of control facilities for spacecrafts is shown. It is noted that count of potential conflict situations while using control facilities has influence on mentioned load and efficiency of solving task of allocation control facilities for spacecrafts. The approach to prediction of count of such conflict situations is presented. It consists in modeling of choosing zones of radio visibility to prepare requests for using control facilities for spacecrafts. Possible criteria for choosing zones of radio visibility are shown. The results of prediction of count of potential conflict situations while using 4 control facilities to control different count of spacecrafts (up to 35) during two weeks are given. Progressive character of dependence of conflict situations count from spacecrafts count are noted.
Key words: flight model, allocation of control facilities, spacecraft, conflict situation, planning authority, ground control complex, sufficient of facilities, scheduling, evaluation of load, orbital constellation.
Введение
В настоящее время в соответствии с Федеральной космической программой России на 2006-2015 годы идет бурное наращивание группировки космических аппаратов (КА), что вместе с использованием малопунктной (2-4 наземных пункта) технологии управления КА предъявляет новые требования к процессу управления группировкой КА [1-5].
Средства управления, с помощью которых осуществляется управление группировкой КА, являются средствами коллективного использования. Средства управления представляют собой унифицированные наземные станции, предназначенные как для передачи на КА командно-программной информации, так и для приема с КА телеметрической информации и ряда других задач. Одни и те же средства могут использоваться для управления КА различного назначения. Для обеспечения бесконфликт-
ного использования средств управления необходимо централизованное их распределение [5-8].
При увеличении числа космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений возрастает нагрузка на средства управления, что приводит к увеличению количества конфликтных ситуаций. Под конфликтной ситуацией понимается противоречие заявки существующим ресурсным ограничениям [3].
Заметим, что распределение средств управления КА является одной из основных составляющих процесса управления группировкой КА. В связи с этим к указанному процессу также предъявляются новые требования, в том числе в части оперативности. Для соответствия предъявляемым требованиям необходимо решение целого комплекса задач, к числу которых относится и прогнозирование загрузки средств управления космическими аппаратами.
Факторы, учитываемые при прогнозировании загрузки средств управления
При решении задач прогнозирования загрузки средств управления КА необходимо учитывать целый рад факторов, таких как состав группировки КА, состав наземного комплекса управления КА, технологические циклы управления (ТЦУ) КА, плановые эксплуатационные мероприятия, работоспособность средств и статистические данные об их работе.
Так, одним из ключевых факторов является состав группировки КА. Сведения о нем включают в себя данные о количестве КА, о типах их орбит и т. д. В условиях прогрессирующего роста группировки КА при малом изменении состава наземного комплекса управления загрузка средств будет неуклонно возрастать.
Состав наземного комплекса управления также имеет крайне существенное влияние на загрузку средств управления КА. Сведения о нем включают в себя данные о количестве средств управления и их расположении, а также технические характеристики средств, обуславливающие возможность их применения для КА различных типов. Например, средства управления с неполноповоротной антенной системой не могут в полной мере использоваться для управления КА на низкоэллиптических орбитах.
От ТЦУ КА зависит, какую нагрузку на средства управления будет создавать каждый КА. Это обусловлено тем, что ТЦУ определяет требуемое количество сеансов связи в сутки.
Проведение плановых эксплуатационных мероприятий для средств управления КА накладывает ограничения на их применение или вовсе делает его невозможным. Примером таких мероприятий может служить техническое обслуживание.
От состояния (исправности) средств управления и выполнения ими сеансов связи также зависит их загрузка. Так, при выходе из строя одного средства запланированные на него сеансы должны быть перераспределены между исправными средствами, что вызовет увеличение их нагрузки. При большой общей загруженности средств выход из строя нескольких наземных станций может повлечь за собой превышение допустимой нагрузки. Это может привести к снижению оперативности управления группировкой КА, т. к. может повлечь невозможность своевременной выдачи управляющих воздействий на КА и прием информации с них.
При невыполнении сеансов связи возникает необходимость в проведении дополнительных сеансов, что также сказывается на загрузке средств.
Рассмотрим подробнее решение таких аспектов
задачи прогнозирования загрузки средств управления КА, как прогнозирование загрузки при изменение состава группировки КА и средств их управления. Стоит отметить, что данные факторы оказывают существенное влияние на загрузку средств.
Моделирование полета космических аппаратов
Для решения задач прогнозирования загрузки средств управления КА необходима возможность моделирования полета КА. В частности, это позволит определить возможные временные интервалы для проведения сеансов связи.
Рассмотрим подробнее модель, которая может быть использована при решении задач прогнозирования загрузки средств управления КА. Исходными данными для модели являются состав группировки космических аппаратов и состав средств их управления. Сведения о составе группировки включают в себя названия космических аппаратов и параметры их орбиты (или начальные условия их движения). К сведениям о составе средств управления относятся названия и географические координаты наземных пунктов их размещения.
Баллистические расчеты в данной модели выполняются по исходным данным в формате TLE (Two-line element set), который представляет собой двухстрочные наборы усредненных кеплеровых орбитальных элементов, генерируемых службой North American Aerospace Defense Command (NORAD) и свободно распространяемых в сети Интернет [8-11].
При этом для расчетов по низкоорбитальным КА, период обращения которых менее 225 минут, используется модель SGP4 (Simplified General Perturbations - обобщенные упрощенные возмущения). Для расчетов по высокоорбитальным КА используется модель SDP4 (Simplified Deep Space Perturbations - упрощенные возмущения дальнего космоса) [8-11].
Визуализация результатов моделирования осуществляется с использованием трехмерной графики. На трехмерной модели осуществляется отображение Земли, КА и их орбит, а также наземных пунктов. Каждый КА может быть отображен индивидуальной трехмерной моделью. Имеется возможность отображения поля обзора КА. Пример визуализации результатов моделирования с использованием трехмерной графики представлен на рис. 1 [8].
Стоит отметить, что при визуализации результатов ход модельного времени может быть естественным или ускоренным. Также возможно отображение результатов моделирования на фиксированный момент времени [8].
Разработанная модель может быть использо-
Рис. 1. Пример визуализации результатов моделирования
вана для моделирования как существующей, так и перспективной группировки КА. Исходные данные для моделирования перспективной группировки могут быть получены путем подбора из находящихся на орбите таких КА, параметры орбиты которых наиболее близки к параметрам перспективных КА. Составление гипотетической группировки из находящихся на орбите КА может также использоваться при моделировании группировки, количество КА в которой существенно превышает существующее или перспективное. Это может быть применено при оценке предельных возможностей и характеристик различных систем, в частности программного обеспечения распределения средств управления КА.
Заметим, что модель может быть усовершенствована путем реализации баллистических расчетов по кеплеровым элементам орбиты. Моделирование полета космических аппаратов по заданным параметрам их орбиты может позволить повысить точность решения задач прогнозирования для конкретной группировки. Так, орбиты моделируемых космических аппаратов могут быть заданы точно в соответствии с параметрами орбиты перспективных космических аппаратов, планируемых к запуску. Для сравнения, при использовании TLE не всегда возможно найти существующий космический аппарат с параметрами орбиты, которые с необходимой степенью точности соответствуют требуемым.
Прогноз и проверки могут быть выполнены для различных составов и состояний наземного комплекса управления КА. Возможно моделирование различных ситуаций, в том числе возникновение не-
штатной ситуации на КА и/или средстве управления. В перспективе при моделировании может задаваться вероятность выполнения сеанса связи средством.
Модель может применяться для выявления узких мест в используемом программном обеспечении путем проверки его работы в различных ситуациях. Результаты таких проверок могут быть использованы при формулировании требований к модернизации программного обеспечения.
Другим возможным применением модели в процессе распределения средств управления КА может служить ее использование при оценке достаточности средств для управления заданной группировкой. Критерием достаточности средств может являться обеспечение выполнения технологического цикла управления КА с требуемой вероятностью. Как известно, ТЦУ определяет состав и периодичность операций, проводимых с КА. ТЦУ может быть весьма сложным, включать множество условий, ограничений, особенностей и т. п. Использование базовой модели ТЦУ при моделировании полета группировки КА позволит повысить качество ее использования. Под базовой понимается модель простого ТЦУ, достаточного для решения поставленных задач. В качестве упрощенного критерия оценки достаточности средств может рассматриваться возможность запланировать без конфликтных ситуаций требуемое количество сеансов связи.
Среди других применений модели в распределении средств управления КА можно выделить: использование при проведении тренировок и обучении персонала; оперативное и наглядное инфор-
мирование специалистов о состоянии КА и средств управления.
Моделирование состояния средств управления КА
Для решение задач прогнозирования загрузки средств управления КА необходимо также моделирование состояния указанных средств. Для этого может быть использован следующий подход. Последовательно может быть проведено моделирование ситуаций, когда из строя выходит различное число средств управления. При этом временные интервалы неработоспособности средств в ряде случаев могут быть сформированы с использованием генератора псевдослучайных чисел. Это позволит, в числе прочего, оценить, при каком проценте работоспособных средств нагрузка на систему остается приемлемой.
Нагрузка на органы, обеспечивающие использование средств управления
Помимо загрузки средств, интерес также представляет нагрузка на органы, обеспечивающие их использование. Одним из факторов, влияющих на такие органы, является количество потенциальных конфликтных ситуаций при использовании средств управления.
Для оценки количества таких ситуаций из рассчитанных зон радиовидимости могут быть отобраны по несколько зон на каждый КА и может быть принято, что сеансы связи запланированы на отобранные зоны. Так, для управления большинством КА на этапе штатной эксплуатации требуется в среднем по три сеанса связи в сутки. На этапе летных испытаний, как правило, проводятся в среднем восемь сеансов связи в сутки. В качестве критерия для отбора зон радиовидимости может выступать такая баллистическая характеристика зоны, как угол места [12-14]. Другой подход к отбору зон может заключаться в их случайном выборе из множества пригодных для проведения сеансов связи. Пригодность зоны к проведению сеанса связи определяется значениями угла места, ее длительностью и прочими факторами.
Для прогнозирования нагрузки на органы, обеспечивающие их использование, был проведен расчет зон радиовидимости по 35 космическим аппаратам для четырех наземных пунктов на двухнедельный интервал. Для отбора зон радиовидимости для сеансов связи был применен первый из вышеописанных подходов, при этом для каждого КА было отобрано по три зоны. Для полученной выборки зон радиовидимости было рассчитано количество конфликтных ситуаций. Полученная зависимость количества конфликтных ситуаций от числа космических аппаратов представлена на рис. 2 [12].
Ж JV
S лс
3 45
та
^ 40
5
•§ 20
§ 15 о
£ 10
" 5 10 15 20 25 30 35 Количество космических аппаратов
Рис. 2. Зависимость количества конфликтных ситуаций от числа КА
Таким образом, при увеличении числа КА возрастание количества конфликтных ситуаций будет иметь прогрессирующий характер. Как следствие, нагрузка на органы, обеспечивающие использование средств управления, также будет возрастать прогрессирующе.
Для снижения нагрузки по разрешению конфликтных ситуаций и повышения оперативности данного процесса могут быть использованы алгоритмы их автоматизированного разрешения.
Заключение
Таким образом, наращивание группировки КА приводит к прогрессирующему возрастанию нагрузки на органы, обеспечивающие использование средств управления космическими аппаратами. Возрастание нагрузки обусловлено ростом количества конфликтных ситуаций. При решении задач прогнозирования нагрузки может быть использована модель полета космических аппаратов по околоземной орбите. Дальнейшее повышение оперативности распределения средств управления КА в условиях наращивания группировки КА и, как следствие, возрастания количества конфликтных ситуаций возможно путем развития возможностей по автоматизированному разрешения конфликтных ситуаций.
Список литературы
1. Макаров М.И. Анализ проблем создания перспективных технологий измерений и управления космическими средствами [Текст] / М.И. Макаров, С.С. Кукушкин, В.Б. Рудков // Ракетно-космическая техника. Информационные системы и технологии. Научные труды. В 2-х т. Т. 1. М.: НИИ КС им. А.А. Максимова. - 2012. - С. 86-107.
2. Артюшенко В.М. Современные исследования в области теоретических основ информатики, системного анализа, управления и обработки ин-
формации / В.М. Артюшенко, Т.С. Аббасова, И.М. Белюченко, Н.А. Васильев, В.Н. Зиновьев, Ю.В. Стреналюк, Г.Г. Вокин, К.Л. Самаров, М.Е. Став-ровский, С.П. Посеренин, И.М. Разумовский, В.Ю. Фоминский. Монография / под науч. ред. док. техн. наук, проф. В.М. Артюшенко. - Королев, ГБОУ ВПО ФТА, 2014. - 318 с.
3. Артюшенко В.М. Повышение оперативности бесконфликтного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений [Текст] / В.М. Артюшенко, Б.А. Кучеров // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - Т. 9. - № 3. - С. 59-66.
4. Артюшенко В.М. Современные направления развития корпоративных сетей спутниковой связи [Текст] / В.М. Артюшенко, Т.С. Аббасова, Б.А. Кучеров // Двойные технологии. - 2014. - № 3 (68). -С.67-72.
5. Артюшенко В.М. Информатизация управления группировкой космических аппаратов [Текст] / В.М. Артюшенко, Б.А. Кучеров // Прикладная информатика. - 2013. - № 6 (48). - С. 6-14.
6. Артюшенко В.М. Обработка информационных параметров сигнала в условиях аддитивно-мультипликативных негауссовских помех [Текст] / В.М. Артюшенко: монография. - Королев МО: Изд-во «Канцлер», 2014. - 298 с.
7. Артюшенко В.М. Алгоритмы адаптации линий спутниковой связи по мощности передающих устройств земных станций при работе в составе узловой сети [Текст] / В.М. Артюшенко, Б.А. Кучеров // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - Т. 10. - № 4. - С. 64-73.
8. Артюшенко В.М. Роль информатизации в повышении оперативности распределения средств управления космическими аппаратами [Текст] /
B.М. Артюшенко, Б.А. Кучеров // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2014. - № 4. - С. 67-72.
9. Vallado D.A. Revisiting spacetrack report #3: Rev 2 [Text] / D.A. Vallado, P. Crawford, R. Hujsak, T.S. Kelso // AIAA Astrodynamics Specialists Conference and Exhibit. - 2006. - 94 p. DOI: 10.2514/6.2006-6753.
10. Dong W. An Accuracy Analysis of the SGP4/ SDP4 Model [Text] / Wei Dong, Zhao Chang-yin // Chinese Astronomy and Astrophysics. - 2010. - Vol. 34, № 1. - Р. 69-76. DOI: 10.1016/j.chinastron.2009.12.009.
11. Артюшенко В.М. Организация информационного обмена между элементами наземного комплекса управления группировкой космических аппаратов [Текст] / В.М. Артюшенко, Б.А. Кучеров // Прикладная информатика. - 2014. - № 1 (49). -
C. 33-43.
12. Артюшенко В.М. Оценка экономической
эффективности использования автоматизированной системы распределения средств управления космическими аппаратами в условиях ресурсных ограничений [Текст] / В.М. Артюшенко, Б.А. Кучеров // Вестник Поволжского государственного университета сервиса. Серия «Экономика». - 2013. - № 5 (31). - С. 131-136.
13. Artyushenko V.M. Statistical Characteristics of Envelope Outliers Duration of non-Gaussian Information Processes / V.M. Artyushenko, V.I. Volovach // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013). - Rostov-on-Don, Russia, September 27-30, 2013. - Kharkov: KNURE. - 2013. -Р. 137-140. DOI: 10.1109/EWDTS.2013.6673139.
14. Artuschenko V.M. Modeling transmission rate of ground stations when working as part of a meshed network [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Austrian Journal of Technical and Natural sciences. -2014. - № 7-8. - Р. 96-99.
References
1. Makarov M.I. Analysis of the problems of creating advanced technologies measurement and control of space means [Text] / M.I. Makarov, S. S. Kukushkin, V.B. Rudakov // Rocket Space Engineering. Information systems and technologies. Scientific papers. In 2 volumes. Vol. 1. - Moscow: NII KS im.
A.A. Maksimova, 2012. - Р. 86-107.
2. Artuschenko V.M. Modern research in the area of theoretical basics of informatics, system analysis, control and information processing / V.M. Artyushenko, T.S. Abbasova, IM. Belyuchenko, N.A. Vasil'ev, V.N. Zinov'ev, Yu. V. Strenalyuk, G. G. Vokin, K.L. Samarov, M.E. Stavrovskiy, S. P. Poserenin, I.M. Razumovskiy, V.Yu. Fominskiy. Monograph / under the scientific edition of Doctor of Engineering Science, professor V.M. Artyushenko. - Korolev, GBOU VPO FTA, 2014. - 318 p.
3. Artuschenko V.M. Increasing efficiency of conflict-free control for spacecraft constellation with resource restrictions [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Electrical and data processing facilities and systems. - 2013. - № 3. - V. 9. - Р. 59-66.
4. Artyushenko V.M. Modern trends of corporate satellite networks [Text] / V. M. Artyushenko, T.S. Abbasova, B.A. Kucherov // Dual technology. - 2014. -№ 3 (68). - Р. 67-72.
5. Artuschenko V.M. Informatization of control for spacecraft constellation [Text] / V. M. Artuschenko,
B.A. Kucherov // Applied informatics. - 2013. - № 6 (48). - Р. 6-14.
6. Artuschenko V.M. Processing information parameters of signal under additive-multiplicative non-
Gaussian noise [Text] / V. M. Artuschenko. - Korolev, Moscow region: publisher «Kancler», 2014. - 298 p.
7. Artuschenko V.M. Adaptation algorithms of satellite communication links by transmitter power on ground stations when working as part of a meshed network [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Electrical and data processing facilities and systems. -2014. - V. 10. - № 4. - P. 64-73.
8. Artuschenko V.M. Significance of informatization in increasing efficiency of distribution of control facilities for spacecrafts [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Mechatronics, Automation, Control. - 2014. - № 4. - P. 67-72.
9. Vallado D.A. Revisiting spacetrack report #3: Rev 2 [Text] / D.A. Vallado, P. Crawford, R. Hujsak, T.S. Kelso // AIAA Astrodynamics Specialists Conference and Exhibit. - 2006. - 94 p. DOI: 10.2514/6.2006-6753
10. Dong W. An Accuracy Analysis of the SGP4/ SDP4 Model [Text] / Wei Dong, Zhao Chang-yin // Chinese Astronomy and Astrophysics. - 2010. - Vol. 34, № 1. - P. 69-76. D0I:10.1016/j.chinastron.2009.12.009.
11. Artuschenko V.M. Organization of information
exchange between the elements of ground control complex for spacecraft constellation [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Applied informatics. -2014. - № 1 (49). - P. 33-43.
12. Artuschenko V.M. Evaluation of economic efficiency of automated systems of control distribution for spacecrafts in conditions of limited resources [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Bulletin of Povolzhskiy State University of Service: Series «Economy». - 2013. - № 5 (31). - P. 131-136.
13. Artyushenko V.M. Statistical Characteristics of Envelope Outliers Duration of non-Gaussian Information Processes / V.M. Artyushenko, V.I. Volo-vach // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013). - Rostov-on-Don, Russia, September 27-30, 2013. - Kharkov: KNURE. - 2013. -P. 137-140. DOI: 10.1109/EWDTS.2013.6673139.
14. Artuschenko V.M. Modeling transmission rate of ground stations when working as part of a meshed network [Text] / V.M. Artuschenko, B.A. Kucherov // Austrian Journal of Technical and Natural sciences. -2014. - № 7-8. - P. 96-99.
