Способ формирования архитектуры орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования земли и информационно-аналитическая система для его осуществления
Владельцы патента RU 2753368:
Акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (АО «Российские космические системы») (RU)
Группа изобретений относится к формированию архитектуры (состава и структуры) орбитальных группировок космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Способ и система основаны на итерационном параметрическом анализе целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистических параметров КА группировки. Оптимизация архитектуры КА ведется по критериям эффективности в виде минимальной средней периодичности наблюдения заданного широтно-долготного участка поверхности Земли и максимального информационного выхода («дохода») бортовой аппаратуры КА при выполнении этими КА заявок по ДЗЗ с учетом их приоритетности и важности, а также качества съёмки. Технический результат направлен на более гибкую оптимизацию состава и структуры КА (преимущественно, уже отработанных), с возможностью ее автоматизации в комплексах «человек-машина» и с учетом эволюции задач и параметров группировки КА. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл., 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области космонавтики, а именно к формированию архитектуры (состава и структуры) орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.
Известна одна из модификаций системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций МАКСМ, предложенная в заявке на изобретение АО «Российские космические системы» RU 2017 121 320, публикация 2018 г. В RU 2017 121 320 предложена система, включающая группировки космических аппаратов мониторинга и прогнозирования сильных землетрясений, природных пожаров, наводнений, техногенных катастроф, структура которой динамически синтезируется, исходя из особенностей наблюдаемой территории или техногенного объекта. Синтез структуры данной группировки космических аппаратов основан на применении итерационного подхода.
Известно техническое решение об оценке эффективности разработанной системы с точки зрения удовлетворения фундаментальным целям миссии. Рассмотрены следующие критические требования: площадное покрытие съемкой и время реагирования, пространственное разрешение, чувствительность системы и срок активного существования на орбите с примером дерева компромиссов миссии [Алексей Романов, Системная разработка космической техники, часть 1, Москва, МФТИ, 2015 г.]. Недостатком данного технического решения является отсутствие критериев выбора перечисленных параметров эффективности.
В качестве ближайшего аналога предлагаемой методики формирования архитектуры (в части построения, но не структуры) группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли выбрана предложенная в патенте RU 165 057, публикация 2016 г., орбитальная группировка, облик которой соответствует результатам применения заданного алгоритма по выбору параметров данной орбитальной группировки (RU 165 057, лист 8 описания полезной модели). В RU 165 057 состав космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и их расположение на орбитах выбраны исходя из итерационного подхода целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистических параметров космических аппаратов, составляющих орбитальную группировку. Для применения итерационного подхода выбран комплексный показатель, позволяющий учитывать качество, стоимость и риски получения космической информации при эксплуатации группировки. Моделирование построения орбитальной группировки обеспечивается за счет применения информационно-аналитической системы (в RU 165 057 описано автоматизированное устройство, состоящее из отдельных функциональных блоков).
В свою очередь, предлагается выбрать и применить аналогично RU 165 057 обобщённый методологический подход к построению конкретной сложной технической системы – орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.
Предложен способ определения состава и структуры (архитектуры) орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, в которой состав космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и их расположение на орбитах выбраны исходя из, в том числе, итерационного подхода целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистических параметров космических аппаратов, составляющих орбитальную группировку. В отличие от аналога, состав космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и их расположение на орбитах выбраны исходя из итерационного параметрического анализа целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистических параметров космических аппаратов, составляющих орбитальную группировку по критерию эффективности по средней периодичности наблюдения J1(φ, λ) для широт φ и долгот λ, стремящемуся к минимуму, и критерию эффективности орбитальной группировки по параметрам бортовой аппаратуры J2, стремящемуся к максимуму. В качестве базовых космических аппаратов группировки могут быть выбраны эксплуатируемые в настоящее время космические аппараты серий «Ресурс-П» и «Канопус-В».
Критерий эффективности по средней периодичности наблюдения J1(φ, λ) для широт φ и долгот λ, определяется, как J1(φ,λ)=, где Pi(φ,λ) – i-й интервал времени между двумя пролётами космического аппарата над одной территорией, сек, N(φ,λ) – суммарное количество пролётов над одной территорией, i – натуральное число от 1 до N.
Критерий эффективности орбитальной группировки по параметрам бортовой аппаратуры J2, определяется, как J2=
, где jik – «доход» от выполнения k-й заявки i-м космическим аппаратом, uik – матрица безразмерных управляющих параметров, состоящая из 0 и 1, параметр равен 0, если съёмка не проводится и 1 во время проведения съёмки, i, k – натуральные числа от 1 до N. «Доход» от выполнения k-й заявки i-м космическим аппаратом jik=(1-|θik|/θmax i)·δsun·ρik,θik – угол между надирной линией и направлением на объект съёмки, θmax i – максимально возможный угол между надирной линией и направлением на объект; δsun – высота (в градусах) Солнца над горизонтом, ρik – приоритет съемки nik-ого объекта, представляющий собой коэффициент важности съёмки данного объекта по сравнению с другими объектами.
Выбор состава космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и их расположение на орбитах (структуру) для формирования архитектуры орбитальной группировки обеспечивается компьютерным оборудованием информационно-аналитической системы, по преимуществу, объединенным в вычислительную сеть. Информационно-аналитическая система в целом представляет собой, по меньшей мере, одну систему «человек – машина», которая объединяет средства вычислительной и организационной техники, находящейся под управлением операторов, осуществляющих наблюдение за текущим состоянием космических аппаратов орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли, а также за состоянием планируемых к созданию космических аппаратов, и принимающих решения в отношении архитектуры орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли. Данная информационно-аналитическая система может представлять собой самостоятельную систему, такую как например, ситуационный центр, центр исследований и т.п. или же быть частью информационно-аналитической системы более высокого уровня, например, корпоративной или отраслевой системы.
Предложенное изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 – блок-схема моделирования архитектуры орбитальной группировки.
Фиг. 2 – практические предложения по наращиванию орбитальной группировки.
Практическая реализация орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли согласно предложенной методике формирования архитектуры может быть описана следующим образом.
Российская орбитальная группировка космических аппаратов дистанционного зондирования Земли состоит из десяти используемых по целевому назначению космических аппаратов: «Ресурс-П» №1, «Ресурс-П» №3, «Канопус-В-ИК», «Канопус-В» №3, «Канопус-В» №4, «Канопус-В» №5, «Канопус-В» №6, «Метеор-М» №2, «Метеор-М» №2-2, «Электро-Л» № 2 (по состоянию на июль 2020 года). Практическая эксплуатация данных космических аппаратов выявила комплекс научно-технических проблем, которые должны быть приняты во внимание и решены при дальнейшем развёртывании орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.
Орбитальная группировка космических аппаратов дистанционного зондирования Земли будет преимущественно состоять из космических аппаратов известных типов, то есть космических аппаратов, обладающих лучшими технико-экономическими характеристиками за счёт отработанных технологий изготовления и задействования уже имеющихся производственных мощностей. В качестве базовых космических аппаратов для построения орбитальной группировки выбраны космические аппараты серий «Ресурс-П» и «Канопус-В».
Обобщённый методологический подход к построению орбитальной группировки позволит оптимизировать параметры космических аппаратов и размещённой на них аппаратуры, исходя из решаемых задач, например, оперативного наблюдения в областях пространственного разрешения от 1 м до 50 м при приемлемых технико-экономических параметрах. Оптимизация целевых параметров функционирования орбитальной группировки заключается в оптимизации в информационно-аналитической системе параметров бортовой целевой аппаратуры космических аппаратов и оптимизации баллистических параметров орбитальной группировки.
Состав космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и их расположение на орбитах выбраны исходя из итерационного параметрического анализа целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистических параметров космических аппаратов. Применение итерационного подхода дополнено применением методологии параметрического анализа, обеспечивающего оценку эффективности системы управления на основе определения количественных значений её показателей, предназначенного для анализа частных и обобщенных показателей системы, образующей иерархическую структуру и сущностью которого является определение необходимой и достаточной совокупности показателей, характеризующих все исследуемые свойства системы, и формирование зависимостей, характеризующих суммарный эффект от применения системы или ее элементов (см. Малин А.С., Мухин В.С. «Исследование систем управления», Москва, Высшая школа экономики, 2002, глава «Параметрический анализ и синтез систем управления»).
Выбрано два критерия эффективности орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, зависящих от вариантов ее построения, характеризуемых вектором x: критерий эффективности по средней периодичности наблюдения 
для широт φ и долгот λ, и критерий эффективности орбитальной группировки по параметрам бортовой аппаратуры 
.
Критерий эффективности по средней периодичности наблюдения J1(φ, λ) для широт φ и долгот λ, определяется, как J1(φ,λ)=, где Pi(φ,λ) – i-й интервал времени между двумя пролётами космического аппарата над одной территорией, сек, N(φ,λ) – суммарное количество пролётов над одной территорией, i – натуральное число от 1 до N.
Критерий эффективности орбитальной группировки по параметрам бортовой аппаратуры J2, определяется, как J2=, где jik – «доход» от выполнения k-й заявки i-м космическим аппаратом, uik – матрица безразмерных управляющих параметров, состоящая из 0 и 1, параметр равен 0, если съёмка не проводится и 1 во время проведения съёмки, i, k – натуральные числа от 1 до N. «Доход» от выполнения k-й заявки i-м космическим аппаратом jik=(1-|θik|/θmax i)·δsun·ρik,θik – угол между надирной линией и направлением на объект съёмки, θmax i – максимально возможный угол между надирной линией и направлением на объект; δsun – высота (в градусах) Солнца над горизонтом, ρik – приоритет съемки nik-ого объекта, представляющий собой коэффициент важности съёмки данного объекта по сравнению с другими объектами.
Основываясь на приведённых выше зависимостях в информационно-аналитической системе выполняется итерационный параметрический анализ целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистические параметры космических аппаратов, составляющих орбитальную группировку и выбирается (корректируется) состав космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, их расположение на орбитах, задействованная бортовая аппаратура космических аппаратов. В результате формируется архитектура орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, облик которой соответствует результатам применения заданного оптимального алгоритма по выбору параметров данной орбитальной группировки.
Состав орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли определяется в 6 этапов, представляющих собой алгоритм обработки данных в информационно-аналитической системе (фиг. 1).
1) Выбор начального варианта архитектуры орбитальной группировки.
Х1 – вариант орбитальной группировки со всеми допустимыми параметрами построения (высота орбиты, долгота восходящего узла, наклонение), а также со съемочными характеристиками космических аппаратов (полоса захвата/обзора, время перенацеливания).
2) Моделирование орбитального движения космических аппаратов и процесса целевого функционирования орбитальной группировки.
Определение временных последовательностей выполнения целевых операций космическими аппаратами в зависимости от их абсолютного и относительного положения, приёма-передачи информации и подлежащих обслуживанию наземных информационных источников. Принимаются во внимание параметры бортовой аппаратуры и физические условия (облачность, освещенность, время года, радиовидимость и т.д.), при которых целевые операции космических аппаратов потенциально возможны. Определение численных параметров фазового вектора системы, определяющих процесс управления бортовой целевой аппаратурой всех космических аппаратов группировки.
3) Оптимизация оперативного плана целевого функционирования орбитальной группировки.
Оптимальные (близкие к оптимальным) планы для каждого космического аппарата формируются на базе результатов моделирования, полученных на этапе 2 и являющихся исходными данными для оперативного планирования по критерию J1(φ,λ)= → min.
4) Оценка эффективности целевого функционирования орбитальной группировки по критерию реализации плана, рассчитанного на этапе 3.
Количественная оценка одного или нескольких комплексных (интегральных) показателей эффективности целевого функционирования орбитальной группировки: оперативности передачи информации с борта космического аппарата, среднесуточного объёма переданной информации, периодичности наблюдения на экваторе, то есть по общему критерию эффективности орбитальной группировки J2= → max.
5) Изменение одного или нескольких параметров орбитальной группировки и переход к этапу 2 для продолжения вычислений.
6) Обобщение и обработка результатов многократного решения задачи на этапах 2–5. Решение задачи оптимизации построения орбитальной группировки путём выбора наиболее предпочтительного варианта на основе параметрического анализа значений критериев J1 → min и J2 →max с их одновременной оптимизацией.
Может быть приведен следующий неисключительный перечень примеров архитектур орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, построенных с применением итерационного параметрического анализа (фиг. 2). Предложенные варианты построения орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли являются наиболее рациональными по составу оборудования дистанционного зондирования Земли и характеристикам космических аппаратов, в первую очередь из-за максимально возможной периодичности наблюдения заданного объекта подстилающей поверхности. Исходными данными для параметрического анализа выбраны используемые по целевому назначению российские космические аппараты дистанционного зондирования Земли по состоянию на июль 2020 года: «Ресурс-П» №1, «Ресурс-П» №3, «Канопус-В-ИК», «Канопус-В» №3, «Канопус-В» №4, «Канопус-В» №5, «Канопус-В» №6, «Метеор-М» №2, «Метеор-М» №2-2, «Электро-Л» №2.
В сегмент оптического наблюдения экстравысокого разрешения (0,3 – 0,5 м) входят такие аппараты, как «КА-ЭВР» с высотой орбиты 445 км, обеспечивающий проекцию пикселя 0,3 м, полосу захвата/обзора 17.5/600 км, и «Ресурс-ПМ» с высотой орбиты 720 км, обеспечивающий проекцию пикселя 0,4 м, полосу захвата/обзора – 19/900 км.
В сегмент оптического наблюдения сверхвысокого разрешения (0,5-1,0 м) входят космические аппараты типа «Ресурс-П» с высотой орбиты 480 км, обеспечивающий проекцию пикселя 0,7 м, полосу захвата/обзора 38/650 км; «МКА-СВР» с высотой орбиты 500 км, обеспечивающий проекцию пикселы 0,7/2,8 м, полосу захвата/обзора 13,4/580 км;
В сегмент оптического наблюдения высокого разрешения (1 – 5 м) входят космические аппараты типа «Канопус-В» с высотой орбиты 520 км, обеспечивающий проекцию пикселя 2,1 м, полосу захвата/обзора 20/420 км и типа «КА ВЭО» на эллиптической орбите (апогей ~ 6350 км, перигей ~ 1260 км) с полосой захвата в обзорном режиме 130 км с разрешением 1.3 м.
В сегмент оптического наблюдения среднего разрешения (5 – 50 м) входят космические аппараты типа «МКА-СР» с высотой орбиты 700 км, оснащённые радиометром среднего разрешения (50÷60 м, полоса захвата 900 км) дополнительным инфракрасным сканером (разрешение 200 м, полоса захвата 2000 км).
В сегмент высокого разрешения входят космические аппараты типа «Кондор-ФКА», «Кондор-ФКА-М», «МКА-РЛ», «Обзор-Р», и «КА РЛ-ВЭО», обеспечивающие всепогодный сбор данных.
Пример 1. План 2023 года.
Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения экстравысокого разрешения, включающий один космический аппарат типа «Ресурс-ПМ» и один космический аппарат типа «КА-ЭВР». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения высокого разрешения, включающий два космических аппарата типа «Ресурс-П», один космический аппарат типа «МКА-СВР», четыре космических аппарата типа «Канопус-В». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения среднего разрешения, включающий один космический аппарат типа «МКА-СР» с дополнительным инфракрасным сканером. Сегмент радиолокационных космических аппаратов, включающий один космический аппарат типа «Обзор-Р», два космических аппарата типа «Кондор-ФКА», один космический аппарат типа «МКА-РЛ».
Пример 2. План 2028 года.
Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения экстравысокого разрешения, включающий три космических аппарата типа «Ресурс-ПМ» и девять космических аппаратов типа «КА-ЭВР». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения сверхвысокого разрешения, включающий двенадцать космических аппаратов типа «МКА-СВР». Сегмент космических аппаратов высокого разрешения, включающий два космических аппарата типа «Канопус-В» и два космических аппарата типа «КА ВЭО». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения среднего разрешения, включающий одиннадцать космических аппаратов типа «МКА-СР» с дополнительным инфракрасным сканером и один космический аппарат радиолокационного наблюдения типа «КА РЛ-ВЭО». Сегмент радиолокационных космических аппаратов, включающий четыре космических аппарата типа «Кондор-ФКА», один космический аппарат типа «Кондор-ФКА-М» и десять космических аппаратов типа «МКА-РЛ».
Пример 3. План 2031 года.
Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения экстравысокого разрешения, включающий двенадцать космических аппаратов типа «КА-ЭВР». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения сверхвысокого разрешения, включающий двадцать четыре космических аппарата типа «МКА-СВР». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения высокого разрешения, включающий три аппарата типа «КА ВЭО». Сегмент космических аппаратов оптического наблюдения среднего разрешения, включающий двенадцать космических аппаратов типа «МКА-СР» с дополнительным инфракрасным сканером, а также четыре космических аппаратов радиолокационного наблюдения типа «КА РЛ-ВЭО». Сегмент радиолокационных космических аппаратов, включающий четыре космических аппарата типа «Кондор-ФКА», один космический аппарат типа «Кондор-ФКА-М» и десять космических аппаратов типа «МКА-РЛ».
Примеры количественных составов ОГ ДЗЗ в динамике развития ОГ на период 2023-2031 годов представлены в табл. 1.
Таблица 1
| Наименование КА |
Разрешение | Количество КА в ОГ | ||
| 2023 год | 2028 год | 2031 год | ||
| «Ресурс-ПМ» | Экстравысокое (0,3-0,5 м) |
1 | 3 | 0 |
| «КА-ЭВР» | 1 | 9 | 12 | |
| «Ресурс-П» | Сверхвысокое (0,5-1,0 м) |
2 | 0 | 0 |
| «МКА-СВР» | 1 | 12 | 24 | |
| «Канопус-В» | Высокое (1-5 м) |
4 | 2 | 0 |
| «КА ВЭО» | 0 | 2 | 3 | |
| «МКА-СР» | Среднее (5-50 м) |
1 | 11 | 12 |
| «КА РЛ-ВЭО» | 0 | 1 | 4 | |
| «Кондор-ФКА» | Высокое (1-5 м) |
2 | 4 | 4 |
| «Кондор-ФКА-М» | 0 | 1 | 0 | |
| «Обзор-Р» | 1 | 0 | 0 | |
| МКА-РЛ | 1 | 10 | 10 | |
| Всего КА: | 14 | 55 | 69 |
1. Способ формирования архитектуры орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, в которой состав указанных космических аппаратов и их расположение на орбитах выбраны на основе итерационного параметрического анализа целевого функционирования бортовой аппаратуры и баллистических параметров космических аппаратов, составляющих орбитальную группировку, отличающийся тем, что выбор состава указанных космических аппаратов и их расположение на орбитах выбирают на основе указанного итерационного параметрического анализа по
- критерию эффективности в виде минимума средней периодичности наблюдения J1
для широт 
и долгот 
:
J1(φ,λ)=
→ min, где
– i-й интервал времени между двумя пролётами космического аппарата над одной территорией, сек,
– суммарное количество пролётов над одной территорией,
i – натуральное число от 1 до N, а также по
- критерию максимума эффективности орбитальной группировки по параметрам бортовой аппаратуры J2:
J2=
→ max, где
jik= 
(1-||/
)·
·
– «доход» от выполнения k-й заявки i-м космическим аппаратом ( – угол между надирной линией и направлением на объект съёмки, – максимально возможный угол между надирной линией и направлением на объект; – высота (в градусах) Солнца над горизонтом, – приоритет съемки nik-ого объекта, представляющий собой коэффициент важности съёмки данного объекта по сравнению с другими объектами),
uik – матрица безразмерных управляющих параметров, состоящая из 0 и 1, причем параметр равен 0, если съёмка не проводится и 1 во время проведения съёмки,
i, k – натуральные числа от 1 до N.
2. Способ формирования архитектуры орбитальной группировки космических аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовых космических аппаратов группировки выбирают космические аппараты серий «Ресурс-П» и «Канопус-В».
3. Информационно-аналитическая система, отличающаяся тем, что включает по меньшей мере одну систему «человек – машина», обеспечивающую выбор состава космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и параметров орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли по п. 1 или 2.
