CC BY
46
СИСТЕМА ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ «ПРИРОДА»
В.Н. ХАРЧЕНКО, профессор, д.т.н., зав. каф. физики МГУЛ
Н.П. ЕФРЕМОВ, к.т.н.
А.А. ЛАНЬШИН, к.т.н., нач. сектора РКК «Энергия»
На кафедре физики МГУЛа совместно с РКК «Энергия» в течение ряда лет проводятся разработки физических методов и средств мониторинга лесных экосистем с использованием космической спутниковой аппаратуры.
В настоящее время в составе орбитальной станции (ОС) «Мир» функционирует экологический природоресурсный модуль «Природа», оснащенный комплексом научной аппаратуры (НА) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), который разработан в соответствии с Международным целевым космическим проектом (МЦКП) «Природа».
Задачей МЦКП «Природа» является создание научно-методического и аппаратурного обеспечения для комплексной системы обзора Земли, позволяющей с высоким разрешением, точностью и надежностью определять множество геофизических параметров, а также проведение работ по усовершенствованию методов и средств ДЗЗ, включая обработку и передачу больших массивов научной и служебной ТМ-информации.
Отличительными особенностями экспериментов по МЦКП «Природа» является их комплексность, предполагающая совместное использование различного набора активной и пассивной научной аппаратуры, работающей в широком диапазоне радио и оптических длин волн. В связи с этим актуальным в настоящее время является совершенствование методов бортовой и наземной обработки больших комплексных массивов информации модуля «Природа», а также оперативной и надежной передачи ее многим пользователям.
Таким образом, реализация научных программ с НА модуля «Природа» требует решения задач обработки и анализа поступающей информации, автоматизированного планирования экспериментов, наземного моделирования работы НА.
Состав и назначение представленного на рис. 1 комплекса научной аппаратуры, установленной на экологическом природоресурсном модуле «Природа», подробно описаны в [1,2].
Центральным бортовым средством сбора и передачи служебной ТМ-информации комплекса НА модуля «Природа» является бортовая адаптивная программ-но-адресная информационно-телеметрическая система БИТС2-3 (см. рис. 2), установленная на ОС «Мир», информативность которой в режиме непосредственной передачи составляет 25600 измерений/с.
Для обработки телеметрической информации модуля «Природа» создан оригинальный аппаратурно-программный комплекс [1,2], отличающийся множеством отличительных особенностей и преимуществ,
В разработанном комплексе обработки ТМИ используются ПЭВМ «РеШ:шт-133», которые замкнуты в две локальные сети, одна из которых базируется в ЦУП, а вторая размещается на удаленном пользовательском пункте (удаленная компьютерная сеть) в РКК «Энергия». Поскольку компьютерные сети ЦУП и РКК «Энергия» имеют соответствующее сообщение, то разработанный комплекс является замкнутой системой с двухсторонней связью (рис. 3).
Рис. 1. Состав и размещение научной аппаратуры ДЗЗ на модуле «Природа»
На ЭВМ, расположенных в ЦУП, происходит прием и сжатие ТМИ, а затем ее передача на удаленный пользовательский пункт, где производится обработка и анализ ТМ-информации. Линейное построение связи между компьютерами на удаленном пункте позволяет просматривать ТМИ на любом количестве ПЭВМ, на которых установлено однотипное программное обеспечение. Для этого при запуске в режиме ведомого ПК программа обработки ТМИ ждет прихода запроса на соединение из «правого» или «левого» порта и, если разрешено соединение со следующей ПЭВМ в сети, устанавливает с ней соединение, увеличивая число ПК, участвующих в обработке ТМИ.
Такое построение обмена между ПЭВМ и АРМ позволяет объединить в группу по обработке ТМИ любую комбинацию ПК, составляющих линейную цепочку без пропуска и образовывать группы компьютеров по обработке ТМИ, ведущим компьютером в каждой из которых может быть любой из них.
Для облегчения обработки телеметрические параметры разбиты по типам на дискретные (1 бит), аналоговые
(1 байт), аналогово-дискретные (байт преобразуется в бит), температурные (2 байта), цифровые массивы и нестандартные параметры. Основной особенностью разработанного комплекса обработки ТМИ является универсализация выборки параметров и отображения их на экране ЭВМ. Это достигнуто использованием объектного описания ТМ-пара-метров, т.е. отдельные типы объектов присвоены классам ТМ-параметрам, перечисленным выше.
Для отображения информации БИТС используются время (3 байта), счетчик субкадров ССК (1 байт), номер программы опроса (1 байт) и команднослужебное слово КСС, расположенные в стандартном заголовке ТМ-кадра БИТС. Тип аналогового параметра содержит ссылку на тарировочную характеристику в виде цифрового массива, позволяющую перевести его цифровое значение в физическую величину. Это позволяет унифицировать обработку аналоговых параметров. Для аналогово-дискретных параметров задаются пороги значения «О» и значения «1» для преобразования аналогового значения параметра в дискретное.
Рис. 2. Схема информационных связей комплекса НА модуля «Природа»
Аналогово-дискретные и дискретные параметры наделены стандартным во многих системах обработки ТМИ свойством инвертирования привязки сообщений к состояниям «О» и «1», что позволяет изменять расшифровку телеметрического параметра извне, без изменения программы отображения ТМ-информации. Аналогово-дискретные параметры дополни-
тельно наделены возможностью временного или постоянного переключения в режим обработки информации в формате чисто аналогового параметра.
Цифровые массивы (ЦМ) описываются как объекты и обрабатываются только индивидуальными для них процедурами-методами. ЦМ характеризуются числом байтов в блоке, номерами байтов
в ТМ-кадре БИТС, условным номером цифрового массива и номером кадра, в котором отображается информация.
Нестандартные ТМ-параметры описываются свойствами, необходимыми для отображения их на экране и ссылкой на процедуру, производящую их обработ-
ку. К нестандартному типу параметра отнесены, например, обобщенные параметры, сигнализирующие нештатное или аварийное состояние прибора, в формировании которых участвуют многие параметры, по которым в совокупности производится оценка значения ТМ-параметра.
Полный поток ТМ-информации
ПЭВМ
-ж-
-Ж..
ПЭВМ
АРМ-1 ~Ж А А
АРМ
Локальная сеть
ЦУП
А.
Периферий-
ное
устройство
п
о
т
р
Е
Б
и
т
Е
л
и
<-
РТР. НТТР
E-Mail Mail
Mail, E-Mail
Компьютерная сеть ЦУП
АРМ-3
ПЭВМ
АЛЛ
Межсетевое сообщение
Компьютерная сеть РКК “Энергия”
РКК “Энергия’
АРМ-2
-=» ПЭВМ
ПЭВМ
і________________________________
Периферий-
ные
устройства
Локальная сеть
Рис. 3. Структурная схема автоматизированного комплекса обработки и анализа ТМИ НА модуля «Природа»
Для отображения информации любого типа ТМ-параметра использовано цветовое выделение сообщений, что облегчает понимание смысла ТМ-параметров. В процедурах-методах обработки цифровых массивов формируются только нестандартные страницы информации, характеризующиеся наибольшим разнообразием сочетания цветов. Отображение ТМИ производится смысловыми группами, сформированными для отдельных подсистем или для отдельных типов параметров (например, температуры, напряжения и т.д.).
Так как проведение экспериментов с НА модуля «Природа» требует использования программного обеспечения (ПО) с минимальным временем для подготовки и просмотра ТМ-информации, поступающей из БИТС-2-3, то для облегчения поиска, просмотра и анализа ТМИ выполнена автоматизация обработки ТМ-параметров с организацией архивов ТМИ и формированием банка данных служебной ТМ-информации комплекса НА модуля «Природа».
Если учесть, что с борта орбитального комплекса «Мир» в течение среднего сеанса длительностью порядка 8 мин принимается ~23 Мбайт необработанной информации, то при использовании ПК с современной емкостью магнитных ЗУ сохранение данных в первичном виде нежелательно. Использование стандартных архиваторов информации ARJ, ZIP, RAR, LHA обеспечивает всего лишь 4-8-кратное сжатие ТМ-информации БИТС. Поэтому для архивирования ТМИ КНА модуля «Природа» нами разработан специализированный метод сжатия информации, позволяющий доводить сжатие информации БИТС до 30 раз. Разработка спец архиватора ТМИ позволила организовать накопление компактного банка данных ТМ-информации КНА модуля «Природа».
После приема телеметрической информации с борта ОС «Мир» до или после тематической обработки первичная информация БИТС-2-3 подвергается архивации и заносится в базу данных. При необходимости она может быть извлечена из базы данных и подвергнута переобра-
ботке для тиражирования или дополнительного анализа. При наличии свободного объема накопителя ПЭВМ более 2-х Гбайт возможно сохранение ТМ-информации 2000 сеансов связи, что намного превышает оценки объема ТМ-информации НА за все время эксплуатации модуля «Природа».
Особенностью разработанного программного обеспечения является то, что на компактных переносных магнитооптических дисководах может быть организован архив до 150 экспериментов с полной программной поддержкой. Это позволяет организовать автоматизированное рабочее место (АРМ) для анализа ТМ-информации на любом 1ВМ-совместимом компьютере.
Обработка ТМ-информации, поступающей от комплекса НА модуля «Природа», сведена в одну программу «TMI_NA.EXE», обобщенная блок-схема которой представлена на рис. 4.
В формате стандартных страниц телеметрической информации просматриваются дискретные, аналоговые, аналогово-дискретные, температурные и обобщенные (нестандартные) телеметрические параметры научной аппаратуры модуля «Природа», а также скомплексированные на одной странице телеметрические параметры приборов и систем, работающих в совмещенных режимах.
В нестандартных страницах служебной телеметрической информации просматриваются:
- текстовая информация контроллера и магнитофона МОМС;
- телеметрическая информация, передаваемая цифровыми массивами приборов КНА модуля «Природа»;
- сообщения об аварийных или нештатных ситуациях в отдельных системах комплекса НА модуля «Природа».
Следует отметить, что при анализе телеметрической информации требуется комплексирование состава ТМ-парамет-ров отдельных приборов и комплекса НА модуля «Природа» в целом на одной странице ТМИ при сопровождении экспериментов, проведение которых требует
совмещенных режимов работы НА. Для отображения информации в совмещенных режимах на одной странице ТМИ в качестве универсального метода изменения состава отображаемых ТМ-параметров использовано динамическое формирование страницы ТМИ непосредственно при ее просмотре. При этом оператору предоставлена возможность добавлять в со-
став ТМ-кадра совмещенного режима и изымать из него параметры произвольного прибора КНА модуля «Природа». Тем самым реализована возможность создания страниц служебной ТМИ совмещенных режимов работы комплекса НА при решении научных задач по всем темам и разделам Научной Программы МЦКП «Природа» (более 20 научных тем).
Рис. 4. Обобщенная блок-схема программы обработки ТМИ КНА модуля «Природа» (программа TMH_NA.EXE)
f(x)
Рис. 5. Томография осесимметричного объекта
В настоящее время комплекс функционирует на базе ПК Pentium- 133MHz и обеспечивает информационное сообщение с потребителями через средства Mail, Е-Mail Internet. За время отработки и эксплуатации программного комплекса обработано более 100 экспериментов и тестов, проведенных с КНА модуля «Природа». По каждому сеансу сброса ТМИ проведен анализ сбойности информации и оценка надежности определения ТМ-параметров.
Кроме обработки чисто служебных параметров КНА модуля «Природа» большой интерес проявляется к исследованию возможности восстановления вертикального профиля распределения озона и других малых газовых составляющих атмосферы Земли методами абелевой томографии с использованием научной информации, передаваемой на Землю совместно со служебной телеметрической информацией модуля «Природа». В связи с этим проведено моделирование измерения концентрации озона и других малых газовых составляющих атмосферы Земли с помощью спектрометров затменного типа космического базирования.
В общем случае задачей томографии с абелевой инверсией является восстановление локальных характеристик осесимметричного объекта при известных интегральных характеристиках объекта вдоль различных направлений зондирования, пронизывающих объект (рис. 5).
Уравнение томографии осесимметричного объекта представляется в виде
“>
где ф(г) - локальная характеристика объекта; /(х) - интегрированная вдоль направления зондирования измеряемая физическая величина.
Аналитическое решение этого уравнения можно представить в виде
/ \ 1 р /'(.х)с1х ...
фМ=-#1^Г (2)
Атмосферу Земли с большой точностью приближения можно считать сферой, к которой применим метод томографии осесимметричного объекта. Задача томографии возникает, например, при приеме рассеянного или собственного излучения атмосферы, а также излучения Солнца, прошедшего сквозь нее, прибором, установленным на борту ИСЗ (см. рис. 6).
Из-за касательного распространения излучения длина оптической трассы увеличивается в 40-80 раз по сравнению с вертикальной оптической трассой, что определяет большую чувствительность метода. При установке приемника на борту ИСЗ удается избежать сложности, возникающие при наземном зондировании из-за отсутствия хорд, расположенных на удалении большем, чем радиус Земли.
Рис.6. Зондирование атмосферы Земли с борта ИСЗ.
Рис. 6. Зондирование атмосферы Земли с борта ИСЗ
Наибольший интерес при дистанционном зондировании атмосферы Земли представляет исследование вертикального распределения и интегрального содержания озона. Для исключения ослабления излучения при релеевском рассеянии или аэрозольном поглощении используется метод дифференциального поглощения в сравнительно узких спектральных линиях малых компонент атмосферы.
Возможность восстановления параметров атмосферы методами томографии проиллюстрирована нами на модельных задачах. В частности, проведено восстановление профиля малой газовой составляющей, распределенной в виде колоколообразной кривой на высотах 10-20 км над поверхностью Земли.
Профиль газовой составляющей задавался формулой
1 - соь{кк)
ф(Г):
(3)
где 104 м < к < 2 • 104 м; а <р(г) = 0 вне этого диапазона.
Интегрированная вдоль направления зондирования физическая величина определялась посредством решения прямой задачи. При шаге дискретизации 500 м число направлений зондирования равно 21.
Обратная задача решалась в матричном виде. В этом представлении функции <р и / связаны между собой посредством матричного ядра А:
Аср = /, (4)
где А - собственно матрица абелевого преобразования; (р и/- векторы-столбцы распределения концентрации газовой составляющей и распределения принимаемого сигнала вдоль различных хорд.
Данная задача не решается корректно без применения методов регуляризации решения. В данной работе использован метод регуляризации Тихонова в варианте наложения ограничения на норму первой производной искомого решения.
В общем случае решение определяется в виде
ф = —А11 .... (5)
^ АтА + а0 ^
где Ат - транспонированная матрица А, а <2 - стабилизирующее ядро-добавка.
Величина параметра регуляризации а определяет желаемую степень сглаживания решения. На рис. 7 представлены восстановленные решения при уменьшении параметра а от 1010 до 10”10 при неза-шумленной функции /. При выборе а в интервале 106 - 1010 решение чрезмерно
заглажено и при больших а в пределе
стремится к постоянной величине (р = 0,5.
В интервале а = 105...10б происходит формирование точного решения. В интервале а = 10 8...105 точное решение сохраняется, т.к. ядро £) хорошо стабилизирует решение и не ухудшает при этом его качества. При а < 10~8 решение неустойчиво из-за недостаточного вклада ядра
<p(h), y.e.
10
KM
zu 10>°
Рис. 7. Восстановление <р(г) при значениях а
При решении обратной задачи восстановления распределения концентрации озона и других малых газовых составляющих атмосферы по высоте, необходимо знание прицельного расстояния оптической оси затменного спектрометра «Озон-Мир» до центра Земли с точностью не хуже 300 м, что эквивалентно необходимости знания текущих координат модуля «Природа» с точностью 150 м.
Н, км
Рис. 8. Навигационные данные от 20.04.
1997 г.
Задача определения текущих координат модуля «Природа» решается с помощью НА модуля «Природа» обработкой навигационных данных системы GPS, которые располагаются в блоках цифровых массивов №1-№3 приемника GPS. Отсев сбойной информации выполняется
1
101°... 10'°
проверкой контрольной суммы ЦМ по коду Хемминга.
Подтверждение данных системы GPS выполнена посредством их сравнения с данными баллистического прогноза. Для обеспечения идентичности данных сравнивались высоты КА относительно поверхности Земли, что устраняет различия в системах кординат, используемых в глобальной системе позиционирования и для проведения баллистических расчетов.
На рис. 8 приведены извлеченные из ТМИ данные системы GPS (длинные кривые) и данные баллистических расчетов (короткие кривые). Наблюдается близкое совпадение данных GPS и баллистического прогноза (рис. 9).
ДН, м
Рис. 9. Разность высот, измеренных приемником GPS 20.04.1997 г. и полученных баллистическим прогнозом
Данные баллистического прогноза для проведенной серии измерений имеют систематическое расхождение с данными системы GPS -180 м. Дисперсия разницы между высотами - около 20 м. Таким образом, данные GPS удовлетворяют точностным требованиям для их использования в задаче восстановления вертикальных профилей малых газовых составляющих атмосферы Земли методами томографии.
Литература
1. Ланынин А.А., Харченко В.Н., Ефремов Н.П., Полуэктов Н.П. Автоматизация обработки служебных данных научной аппаратуры модуля «Природа» // Научн. тр. - Вып. 288 (11).
- М.: МГУЛ, 1997.
2. Ланьшин А.А., Ефремов Н.П. Программный комплекс обработки телеметрической информации научной аппаратуры экологического природоресурсного модуля «Природа» // Научн. тр. -Вып. 288 (1 1). - М.: МГУЛ, 1997.
3. Ефремов Н.П., Ланьшин А.А. Автоматизация обработки ТМ-информации аппаратуры МОМС-2П экологического модуля «Природа» // Научн. тр. -Вып. 282.-М.: МГУЛ, 1997.
4. Харченко В.Н., Ефремов Н.П., Ланьшин А.А., Полуэктов Н.П. Зондирование атмосферы Земли методами абелевой томографии // Научн. тр. - Вып. 282.-М.: МГУЛ, 1997.
5. Выполнение программ целевых работ и
исследований на орбитальном комплексе «Мир» в период 21-й основной экспедиции ЭО-21 (21.02. - 02.09. 1996 г.): Тестовые проверки научной аппаратуры модуля «Природа». - Итоговый отчет. - П32609-781. - М.: РКК
«Энергия», 1997.
6. Выполнение программ целевых работ и исследований на орбитальном комплексе «Мир» в период 22-й основной экспедиции ЭО-22 (17.08.1996 г. -02.03.1997 г.): Исследование природных ресурсов Земли. Экология. Дистанционное зондирование Земли. - Итоговый отчет. - П32682-892. - М.: РКК «Энергия», 1997.
7. Научно-технический отчет по результа-
там работ с комплексом научной аппаратуры дистанционного зондирования Земли «Природа» (модуль «Природа» орбитальной станции «Мир»). -
П33631-515. - М.: РКК «Энергия», 1997.
Центр безопасности труда в лесопромышленном производстве РФ при Московском государственном университете леса предлагает «ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА В ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОМ, ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕМ ПРОИЗВОДСТВАХ И ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАБОТ», издание 1997 г., типовые инструкции на основные виды работ в соответствии с новыми «Правилами», программы и экзаменационные билеты для обучения обслуживающего персонала предприятий по охране труда.
Кроме того, Центр проводит обучение руководителей и главных специалистов предприятий лесопромышленного комплекса по отраслевым Правилам и Правилам Гостехнадзора с выдачей подтверждающих документов.
Контактный телефон: 588-57-94.
Заявки на указанные материалы присылать по адресу: 141001. г. Мытищи-1, ул. 1-я Институтская, 1, МГУЛ, ЦБТЭ.
