CC BY
86
Воробьев Е.В.
Пензенский государственный университет, Пенза
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Россия наряду с Францией лидирует на рынке коммерческих запусков спутников в космос. США ушли с него по экономическим причинам, а Китай, Япония, Индия пока не могут приблизиться к существующему уровню. Вместе с тем, только за последние полтора года, российскую космонавтику постигли крупные неудачи[1].
5 декабря 2010 года. Три спутника российской навигационной системы ГЛОНАСС - конкурента американской GPS - упали в Тихий океан. Финансовые потери оцениваются в 4 миллиарда рублей. Причиной аварии признана ошибка в программировании.
1 февраля 2011 года. Спутник "Гео-ИК-2" вышел на незаданную орбиту после запуска на ракете " Рокот".
18 августа 2011 года. Спутник "Экспресс-АМ4", запущенный ракетой "Протон-М" для предоставления услуг цифрового телевидения, телефонной связи и интернет-услуг по всей территории России, утрачен после того, как был выведен на неправильную орбиту.
24 августа 2011 года. Грузовой корабль "Прогресс М-12М" с несколькими тоннами груза предназначенного МКС, упал в Сибири вскоре после старта.
9 ноября 2011 года. Ракета-носитель "Зенит" с космическим аппаратом "Фобос-Грунт" стартовала с космодрома Байконур. Спустя два часа аппарат потерял связь с Землей. Позже он был обнаружен на опорной орбите - включения маршевого двигателя аппарата не произошло и 15 января 2012 года обломки аппарата упали в Тихий океан.
Постановка задачи предупреждения нештатных ситуаций
Вполне закономерно, что вэтих условиях в России осуществляется переход от регистрации свершившегося факта к осознанию необходимости использования методов предварительного анализа и исследования технических систем и объектов повышенного риска с целью предупреждения аварий. По оценкам заместителя директора Института прикладной математики РАН Малинецкого Г. Г. и заведующего отделом математического моделирования нелинейных процессов и синергетики Института прикладной математики РАН Курдюмова С.П. «... по-видимому, в новом веке будут свои сверхзадачи, которые и дадут новые
стимулы к развитию исследований. Пока можно очертить три круга таких проблем. В качестве первой сверхзадачи можно выделить управление риском и безопасностью сложных систем. Одной из главных функций науки в ближайшем будущем, по-видимому, станет прогноз и предупреждение бедствий, катастроф, других опасностей в природной, техногенной, социальной сферах.» [2]
Решение указанных задач безопасности подразумевает в первую очередь необходимость проведения системного анализа и четкого определения его пространственных границ и дробления на элементы. Проблема актуализируется в рамках Федеральной космической программы России [3] .
В середине 2012 года планируется запуск разгонного блока ДМ-03 с военным спутником на ракете-носителе «Протон-М», а в конце года блок будет использоваться для выведения на орбиту трех аппаратов «Глонасс-М». В феврале 2012 года разгонный блок доставят на космодром Байконур для проведения комплексных испытаний в составе ракеты «Протон-М» на стартовом комплексе. В ходе испытаний ДМ-03 будет заправлен окислителем, чтобы проверить доработки, сделанные после аварии.
На проекте «Фобос-Грунт» специалисты должны были отработать все основные технологии для последующих экспедиций к Марсу, в том числе операции по посадке и забору грунта в условиях нулевой гравитации [4] На базе «Фобос-Грунт» впоследствии будет создана серия АМС: «Луна-Глоб», «Венера-
Д», «Марс-НЭТ», «Апофис-П», «Апофис-Грунт». Также в продолжение программы «Биориск» планируется отправка микроорганизмов к Марсу с последующим возвращением их на Землю.[5]
В 2020-х годах Россия планирует отправить межпланетную станцию на спутник Юпитера - Европу. Сейчас ведется предварительная работа по этому проекту. У нас сейчас готовится проект "Марс-NET".
Вербальное оперирование
Сложность и масштабность решаемых задач априорно предполагает использование и развитие современных методов моделирования. Наработанные в сфере аэрокосмических исследований методы: «дерево
отказов», «дерево событий», «метод последовательной экспертизы», «экспертные оценки», «анализ
опасностей и критические контрольные точки» и другие [6, 7], стали использоваться в процессе принятия решений и обработки информации по предприятиям подведомственным Департаменту промышленности обычных вооружений, боеприпасов и спецхимии Минпромторга России. В связи с чем может представить интерес и применяемый в Департаменте метод вербального оперирования для формализации задач системного анализа и синтеза сложных социотехнических систем.
Вербальное оперирование, как метод моделирования, разработано в Пензенском государственном университете и представляет собой алгоритм, включающий в себя декомпозицию объекта исследования (информационного массива нештатных ситуаций), синтез формализованной системы, оптимизацию среды экспертного взаимодействия и получение реакции модели (прогноз состояния) на основе текстомайнин-га [8].
Декомпозиция и синтез модели исследования космических технологий
Декомпозиция исходного объекта проведена анализомонтологии предметной области исследования с использованием возможностей программного продукта TextAnalyst v 2.01 [9].Новая система «Направле-
ния исследования космических технологий» синтезируется с помощью тематического (кластерного) анализа объекта исследования.
Исходный объект содержит описание 19 запусков с нештатными ситуациям с момента возобновления космических программ России в 2005 году по настоящее время [10]. Процесс его кластеризации показан на рисунке 1.
В окне 1 представляется формируемая (частотно) семантическая сеть или тематическая структура. В окне 2 размещаются выделенные для анализа предложения, в обработку которых можно вмешиваться. В окне 3 отображается исходный текстовый документ.
base - TextAnalyst v2.01 шм
Файл Правка Вид Анализ Поиск Настройка ?
J □ jSf Q % Ч li І® Зй Й I »I ?
"0
а- Б8 ЭЭ орбиту
• <Все>
эр • 67 99 выведен на орбиту •=р • 3G Э нерасчетной орбите ББ 100 ракеты
• <Все>
+ ■ 89 ЭЭ ракеты-носителя + •55 ЭЭ Плесецк І 49 ЭЭ космическим ЕВ-49 75 произошла й-33 12 Байконур в-20 G ракету сразу три спутниі 44 99 AM '
• <Все>
+ •92 ЭЭЭкспрессАМ + 69 98 спутник 'Экспресс AM эр - 42 94 аварией + -4219ГПКС + •42 19Экспресс АМ2 <http:Mi 32 16 ГЛОНАСС
• <Все>
+ •50 12 навигационной +-50 Є упали в Тикий океан g
"У S
Sentences count - 51 Percentage - 13%
Анализ запусков
.07.05 вывести на околоземную орбиту военный спутник связи "Молния-ЗК"
Ракета-носитель должна была вывести на околоземную орбиту военный спутник связи "Молния-ЗК".
По данным Баллистиков, на спутнике возникли серьезные проблемы, связанные с управлением, после него он вошел в неориентируемый режим.
28 октября 2005 года на учебном спутнике "Можаец-5", запущенном накануне с Плесецка, произошла нештатная ситуация - космический аппарат не отделился от второй ступени ракеты "Космос-ЗМ" и был потерян.
29.03.ОБ спутник связи и вещания "Экспресс-АМН"
В результате внезапного внешнего воздействия произошел выход из строя системы терморегулирования, а также временная потеря ориентации спутника.
Учитывая угрозу полной потери управляемости, спутник был выведен на орбиту захоронения.
27.07.06 18 спутников, Среди них студенческий микроспутник "Бауманец", а также первый белорусский спутник "БелКА" и 16 малых спутников из Италии, США, Колумбии.
0
"Н
18.10.05
космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли "Монитор-Э"
Аппарат был выведен на орбиту ракетой-носителем "Рокот" 26 августа 2005 года.
18 октября 2005 года Центр имени Хруничева потерял контроль над космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли "Монитор-Э". Аппарат был выв еден на орбиту ракетой-носителем "Рокот" 26 августа 2005 года По данным баллистиков, на спутнике возникли серьезные проблемы, связанные с управлением, после чего он вошел в неориентируемый режим.
0
а Моя диссертация
р!/] Статья Фобос - Міцг..,
ІЖЬаи - TextAnalyst v,,,
|Узлов202' Документов. 1 Общий размер 26,06К [Анализ запусков Стр, 1/14
"ЗіФ. іїВЙ)] Я J 7:25
Рисунок 1 - Кластеризация массива «Анализ запусков»
Кластеризация дает важные числовые характеристики - вес, значимость и активность каждого из дефрагментированных элементов системы. Очевидно, что задача упрощается и нет необходимости в оценке вероятности реализации негативного события и риска при построении сценария развития аварии и его функции алгебры логики. Анализируя и сравнивая различные веса, оперируя выделенным перечнем событий, на которые стоит обратить первостепенное внимание можно определить, с каким элементом системы они связаны. Указанные понятия для монотонных функций, описывающих надежность (живучесть, безопасность) системы исследовал и развивал доктор технических наук, профессор И.А.Рябинин [11]. Для немонотонных функций алгебры логики проверка справедливости этих методов на данный момент не проводилась. Но есть примеры, когда описывающая сценарий развития аварии логическая функция будет немонотонной, на что первым обратил внимание доктор технических наук, профессор А.С.Можаев [12].
Каждый элемент сети - понятие характеризуется числовой оценкой - так называемым смысловым весом. Связи между парами понятий, в свою очередь, также характеризуются весами. Эти оценки позволят сравнить относительный вклад различных понятий и их связей в семантику текста, выявить более или менее подробно проработанную в тексте тематику, задать способ сортировки информации, и наконец, позволят взглянуть на весь текстовый материал по пластам - смысловым срезам различной глубины .
Ближайшее к элементу (понятию) число представляет его смысловой вес. Его значение (от 1 до 100) показывает, сколь важную роль играет понятие для смысла всего текста - как много информации в тексте касается данного понятия. Максимальное значение, равное 100, говорит о том, что понятие является ключевым и представляет важнейшую тему текста. Маленькое, близкое к единице значение показывает, что соответствующая тема лишь вскользь упомянута в тексте и в нем очень мало информации, относящейся к данному понятию. Второе число, стоящее перед смысловым весом, ближе к раскрытому узлу, представляет вес связи от понятия в вершине раскрытого списка к данному. Вес связей также всегда принимает значение от 1 до 100. Большое значение веса связи от одного понятия к другому, близкое к 100, указывает на то, что подавляющая часть информации в тексте, касающаяся первого, касается в тоже время и второго понятия - первая тема почти всегда излагается в контексте второй. Малое единичное значение отражает тот факт, что первое понятие слабо связано со вторым и очень мало информации по первой теме касается в тоже время и второй. Связь между парой понятий сети всегда двустороння, однако связь от первого понятия ко второму далеко не всегда имеет тот же самый вес, что и обратная, от второго к первому.
Выявления смыслового содержания кластеров осуществлено стандартной функцией - смысловой (ассоциативный) поиск по всему исходному массиву.
Результаты выявления смыслового содержания кластеров____________________Таблица 1
№ Кластер Весовой коэфф-т Коэфф-т связи Смысловое содержание кластера
1 орбита 68 99 Методы расчетаорбит Методы расчета вывода на орбиту Методы расчета на участке работы разгонного блока Управляемость на орбите Возможности перевода космического аппарата на расчетную орбиту Методы поиска спутника на нерасчетной орбите
2 ракеты 66 100 Система контроля надежности работы двигательных установок и повышение надежности их узлов
Методы расчета взлетного веса и энергетики Система контроля взлетного веса и энергетики Помехоустойчивость алгоритма отделения космического аппарата от адаптера ракеты-носителя.
3 АМ 44 99 Надежность (модернизация) спутников связи серии «Экспресс АМ» (срок службы, надежность радиосистем связи)
4 ГЛОНАСС 32 16 Методы и способы коррекции траектории и скорости движения
5 Протон 32 95 Система контроля ошибок в расчетах разработчиков Система контроля ошибок в предварительных расчетах модернизированного и нового изделия Повышение баланса энергетического запаса надежности Параметры критериев аварийного отключения двигателей Система контроля и исправления ошибок ввода команд Наличие в бортовом компьютере готовых алгоритмов для выхода из нештатных ситуаций
6 управление 32 30 Возможность вмешаться в систему управления ракеты-носителя во время полета Возможностьпреждевременного отделения разгонного блока со спутниками
7 Гео-ИК 24 50 Потери спутников по причине использования некачественной электроники. Условия, возможность, схемные решения использования микросхем категории Industry
8 потери спутника 24 8 Совершенствование технологии подготовки к космическим запускам
9 спутник "Глонасс 24 5 Мобильные системы спасения спутников
Оптимизация экспертного взаимодействия, синтез новых знаний
Предложенная модель обеспечивает оптимизацию экспертного взаимодействия. Кроме того, на рисунке 2 показано, как по мере привлечения дополнительной информации по выделенным или схожим направлениям исследований, можно синтезировать новые знания, осуществляя ассоциативный поиск, задавая системе прямые вопросы.
[IS base - TextAnalysi v2 01 Файл Правка Вид Анализ Понос настройка '
J □ В? ЕГ1 Н I Чй | в | " 1і в ^ 1® | » | f
Запрос ЕЁ • 100 орбиггу Й -42 спутников ¥ 41 космического ¥ 38 КА
¥ 34 Возможность ¥ • 33 опорной орбите ¥ 32 космического аппарата й-29 расчета орбит ■¥•29 Фобоса ¥ • 23 ракеты й-23 участке ¥-22АМС
¥ • 22 промежуточную орбиту ЕЁ 22 станция Й-19Экспресс ¥ 18 Г рунг й • 18 полётом й-18Фобос-Грунг ¥ 1В геостационарной орбите ¥ 16 орбита «Фобоса ¥ 16 орбиту аппарата ЕЁ-15 запускам ¥ 14 ДМ
<Т~~ ' ни
0
] Н
1. Методы расчета орбит Методы расчета вывода на орбиту Методы расчета на участке работы разгонного блока Управляемость на орбите Возможности перевода космического аппарата на расчетную орбиту Методы поиска спутника на нерасчетной орбите - (10/64)
На участке полёта по опорной орбите в зоне видимости российских наземных станций осуществляется односторонний контроль за полётом КА по каналу ТМИ через передатчик РПТ111 и проводятся траекторные измерения с помощью прибора 38 ГБ.
После перехода на промежуточную орбиту увеличиваются зоны видимости, падает угловая скорость движения КА относительно наземных станций, появляется возможность для организации двусторонней связи с КА через бортовой радиокомплекс (БРК) перелётного модуля (ПМ).
Двухтомная публикация об АМС «Фобос-Грунт» содержит следующее описание организации связи с КД на опорной
орбите (фрагмент): [44Ґ’
Модернизированный предыдущими разгон аппараты массой до
Это означает, что пер промежуточную орб
Ассоциативный поиск
F3%ED%F2>
Введите запрос:
1. Методы расчета орбит Методы расчета вывода на орбиту Методы расчета на участке работы разгонного Управляемость на орбите
г<т: і- :і
§
И
характеристики по сравнению с юнарную орбиту космические
ощии переход с опорной на
жжш
1. Методы расчета орбит |
Методы расчета вывода на о
Методы расчета на участке работы разгонного блока Управляемость на орбите Возможности перевода космического аппарата на расчетную о Методы поиска спутника на нерасчетной о'г— * 1
Возможности перевода космического аппарата на расчетную орбиту
В середине 2012 года планируется запуск разгонного блока ДМ-03 с военным спутником на ракете-носителе «Протон-М», а в конце года блок будет использоваться для выведения на орбиту трех аппаратов «Глонасс-М».
Особенностью овганизаиии взаимодействия с КА на околоземном участке является практическая невозможность
0
Я
2. Система контроля надежности работы двигательных установок и повышение надежности их узлов Методы расчета взлетного веса и энергетики Система контроля взлетного веса и энергетики Готово
0
о Моя диссертация
Щj Статья Фобос - Micr...
|Узлов 150 Документов 1 Общий размер 19..21К ІАнализзапусков 01 Стр, 1/10'
Я J 7:35
Рисунок 2 - Реакция системы на запрос « Методы расчета орбит. Методы расчета вывода на орбиту. Методы расчета на участке работы разгонного блока. Управляемость на орбите. Возможности перевода космического аппарата на расчетную орбиту. Методы поиска спутника на нерасчетной орбите.»
ВЫВОДЫ
Формализовано решена задача системного анализа - сгенерирована система «Направления исследования космических технологий» (по степени актуальности):
1. Методы расчета орбит Методы расчета вывода на орбиту
Методы расчета на участке работы разгонного блока
Управляемость на орбите
Возможности перевода космического аппарата на расчетную орбиту Методы поиска спутника на нерасчетной орбите
2. Система контроля надежности работы двигательных установок и повышение надежности их узлов Методы расчета взлетного веса и энергетики
Система контроля взлетного веса и энергетики
Помехоустойчивость алгоритма отделения космического аппарата от адаптера ракеты-носителя.
3. Надежность (модернизация) спутников связи серии «Экспресс АМ»
Срок службы, надежность радиосистем связи
4. Методы и способы коррекции траектории и скорости движения
5. Система контроля ошибок в расчетах разработчиков
Система контроля ошибок в предварительных расчетах модернизированного и нового изделия Повышение баланса энергетического запаса надежности Параметры критериев аварийного отключения двигателей Система контроля и исправления ошибок ввода команд
Алгоритмы бортового компьютера - программы выхода из нештатных ситуаций
6. Возможность вмешаться в систему управления ракеты-носителя во время полета Возможностьпреждевременного отделения разгонного блока со спутниками
7. Потери спутников по причине использования некачественной электроники.
Условия, возможность, схемные решения использования микросхем категории Industry
8. Совершенствование технологии подготовки к космическим запускам
9. Мобильные системы спасения спутников
Проведенный системный анализ также формулирует решение задачи линейного программирования ресурсного обеспечения Федеральной космической программы России на 2006-2015 гг..
ЛИТЕРАТУРА
1. Сидоренко Е.. Период распада, Взгляд (5 декабря 2011) .
2. Малинецкий Г. Г., Курдюмов С. П. Есть ли будущее у науки? - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.fund-intent.ru/Article/Show/391 - Загл. с экрана.
3. Федеральная космическая программа России на 2006-2015 гг. утверждена постановлением Правительства РФ от от 22 октября 2005 года № 635.
4. Журналистам впервые показали межпланетную станцию «Фобос-Грунт». ИТАР-ТАСС (22 сентября 2011 года).
5. Комар выжил в открытом космосе «РИА Новости», 17.02.2009 г.
6. ГОСТ Р 51901.11-2005 «Менеджмент риска. Исследование опасности и работоспособности. При-
кладное руководство».
7. ГОСТ Р 51901.1-2002, «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов».
8. Волчихин В.И., Розен А.Е., Камышанский С.И., Воробьев Е.В. Системный анализ состояния безопасности на предприятиях промышленности боеприпасов и спецхимии. // Монография, Пензенский государственный университет, Пенза, 2012 г. - 142 с.
9. Башмаков А.И., Башмаков И. А. Интеллектуальные информационные технологии: Учеб. пособие. -
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 304 с.
10. Об итогах работы Межведомственной комиссии по анализу причин нештатного выведения космического аппарата ... Роскосмос (2005 - 2011 год).
11. Рябинин И. А. Логико-вероятностный анализ проблем надежности, живучести и безопасности. Новочеркасск: Южно-Российский государственный университет (Новочеркасский политехнический инсти-
тут ), Лик, 2009. - 600с.
12. Можаев А.С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности структурно-сложных систем. Уч. пособие, Л.:ВМА, 1988.
