Оптимальное планирование целевого функционирования низкоорбитальных космических систем связи и наблюдения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.14, кандидат технических наук Дарнопых, Валерий Витальевич

• Дарнопых, Валерий Витальевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дарнопых, Валерий Витальевич

БДЕНИЕ.

ША 1. ЗАДАЧА ПЛАНИРОВАНИЯ ЦЕЛЕВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ЖООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ И НАБЛЮДЕНИЯ

1.1. Сведение задачи планирования к задаче фор--ирования временных последовательностей выполнения операций.

1.1.1. Понятие о временной последовательности выполнения операций

1.1.2. Процедура формирования временных последовательностей выполнения операций

1.2. Задача планирования оперативной коммутации каналов в низкоорбитальной космической системе связи.

1.2.1. Сценарий целевого функционировании

1.2.2. Модели временных интервалов радиовидимости.

1.2.3. Модели коммутации радиоканалов.*.,.

1.2.4. Критерий эффективности.

1.2.5. Техническая постановка задачи.£.

1.2.6. Математическая постановка задачи

1.3. Задача оперативного планирования съемки земных объектов низкоорбитальной космической системой наблюдения.

1.3.1. Сценарий целевого функционирования.

1.3.2. Модели временных интервалов (моментов) с^мки земных объектов и сеансов связи.

1.3.3. Модели целевого функционирования аппаратуры бортового информационного комплекса КА.1.

1.3.4. Критерий эффективности.

1.3.5. Техническая постановка задачи.:.

1.3.6. Математическая постановка задачи.—.

1.4. Общая формализованная математическая постановка задачи

1.4.1. Модели временных параметров выполнения целевых операций системы

1.4.2. Модель состояния фазового вектора системы.

1.4.3. Ограничения.

1.4.4. Критерий эффективности.

1.4.5. Формулировка задачи.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ША 2. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПЛАКИРОВАНИЯ.

2.1. Метод оптимального планирования с применением процедуры маршрутизации

2.1.1. Модель процесса целевого функционирования.

2.1.2. Способ организации процесса маршрутизации

2.1.3. Численный алгоритм.

2.1.4. Адаптация численного алгоритма к планирование на множестве графов

2.2. Метод оптимального планирования с применением процедуры направленного перебора.

2.2.1. Модель процесса целевого функционирования.

2.2.2. Способ организации процесса направленного перебора.

2.2.3. Численный алгоритм.

2.3. Комплексная методика и примеры решения задач планирования.

2.3.1. Применение процедуры маршрутизации для решения модельной задачи

2.3.2. Применение процедуры направленного перебора для решения модельной задачи.

2.3.3. Комплексная методика решения задач планирования.

2.4. Специализированное программное обеспечение.

2.4.1. Программный комплекс планирования оперативной коммутации радиоканалов спутниковой связи.

2.4.2. Программный комплекс оперативного планирования съемки земных объектов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ДВА 3. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ.

3.1. Планирование передачи данных по мобильным каналам спутниковой связи.

3.1.1. Техническая постановка задачи.

3.1.2. Методика решения задачи.

3.1.3. Оценки эффективности установления мобильных каналов спутниковой связи.

3.1.4. Рекомендации.

З.2., Цианирование передачи речи по мобильным каналам спутниковой связи. 5.2.1. Техническая постановка задачи.

3.2.2. Методика решения задачи.

3.2.3. Оценки эффективности установления мобильных каналов спутниковой связи.

3.2.4. Рекомендации.

3.3. Планирование космического мониторинга пожароопасного иона.

3.3.1. Техническая постановка задачи

3.3.2. Методика решения задачи.

3.3.3. Оценки эффективности планирования космического мониторинга

3.3.4. Рекомендации.

3.4. Планирование космического мониторинга экологической обстановки заданных регионов.

3.4.1. Техническая постановка и методика решения задачи.

3.4.2. Оценки эффективности планирования космического мониторинга.

3.4.3. Сравнительный анализ целевого функционирования систем при проведении космического мониторинга.

3.4.4. Рекомендации

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.:.

1ВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

ИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

ИЛОЖЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальное планирование целевого функционирования низкоорбитальных космических систем связи и наблюдения»

Актуальность темы. Современный этап развития космонавтики характеризуется $ышенной активностью в сфере создания, развертывания и эксплуатации низкоорби-ьных космических информационных систем. Они отличаются от геостационарных и дневысотных систем малогабаритными и легкими космическими аппаратами (КА), ¡ершающими за сутки более десяти витков по орбитам, неоднократно обслуживаю-ми значительные по площади территории земной поверхности и обеспечивающими «временную и качественную доставку необходимой информации сотням тысяч по-бителей, большой численностью КА в своих космических сегментах, техническими •актеристиками бортовой аппаратуры КА, основными принципами организации про-:са целевого функционирования. К низкоорбитальным информационным системам, ;жде всего, относятся космические системы наблюдения (КСН) - системы дистанци-юго зондирования, осуществляющие промышленный и экологический мониторинг [ной поверхности и околоземного пространства, съемку земных объектов, метео- и ас-»физические исследования, и космические системы связи (КСС) - глобальные и ре-мальные системы персональной спутниковой связи, предоставляющие услуги радио-ефонии, передачи данных, персонального радиовызова, телевещания, обеспечиваю-е ретрансляцию сообщений с помощью межспутниковых линий связи. Среди проек-i низкоорбитальных КСН следует отметить Argos, Ampte, ROSAT, Express, CBERS, )t, LandSat, ERS, EOS, SSR, "Ресурс-Ф", "Курс", низкоорбитальных КСС - Iridium, )balstar, ECCO, Skybridge, Celestri, Teledesic, Orbcomm, "Коскон", "Сигнал", "Ростеле-11. Некоторые из них предусматривают совмещение функций по предоставлению ус-1 связи и осуществлению космического мониторинга, а также обеспечение ретрансля-з информационных сообщений не только от наземных абонентов и КА этой же систе-, но и от иных объектов, находящихся в воздушном и околоземном пространстве.

Задача управления низкоорбитальными космическими информационными систе-ш характеризуется важностью вопросов оперативного планирования их целевого акционирования, что обусловлено ограниченными техническими возможностями повой аппаратуры КА, необходимостью рациональной эксплуатации и реализации 'чно-технического потенциала КА, большой размерностью массивов обрабатываемой тратурой информации, высокими требованиями к эффективности систем и качеству ^доставляемых ими информационных услуг, себестоимостью систем и их целевых фаций. Задача планирования целевого функционирования низкоорбитальных КСН ;тоит в формировании программ оперативной съемки земных объектов при ограни-шых ресурсах бортового информационного комплекса КА, а низкоорбитальных КСС организации мобильных и виртуальных соединений абонентских терминалов посред-ом коммутации радиоканалов в абонентских, фидерных и межспутниковых линиях I ограниченной пропускной способности КА. Наиболее часто такие задачи математики сводятся к оптимизационным задачам дискретного программирования или мар-утизации и заключаются в поиске стратегии управления бортовой аппаратурой КА, воляющей при соблюдении ограничений на фазовый вектор и вектор управления темы достичь наилучшей ее эффективности на заданном интервале планирования. В исимости от конкретной постановки такие оптимизационные задачи относятся либо к 1ссу легкорешаемых (точное оптимальное решение может быть получено существую-ми алгоритмами полиномиальной временной сложности), либо к классу трудноре-змых - задач экспоненциальной сложности (алгоритмы полиномиальной временной •жности для решения которых в общем случае не существуют). И в том, и в другом чае задача планирования не может быть решена без привлечения современного спе-шизированного программно-математического обеспечения.

Существующие для решения задач планирования автоматизированные системы и уграммные комплексы базируются, в основном, на эвристических или экспертных ме-(ах, не позволяющих в общем случае получить приемлемое решение. Применение 1литических методов сопряжено с быстрым снижением их вычислительной эффек-1Ности при увеличении размерности задачи планирования, реализация этих методов 5дусматривает организацию специальных подготовительных или расчетных процедур. :о же время управление современными низкоорбитальными КСС и КСН требует по-1ения с минимальными вычислительными затратами оптимального либо близкого к гимальному решения задачи оперативного планирования для достижения максималь-возможной эффективности их целевого функционирования. Большинство сущест-ощих методик и основанное на них программно-математическое обеспечение ориен-ювано на решение задач планирования целевого функционирования отдельных КА, числительные схемы базируются на схемах классических методов и алгоритмов диезного программирования или маршрутизации и не учитывают специфику исследуе-х задач, что сдерживает или делает невозможным их применение к решению задач ширования целевого функционирования многоспутниковых систем.

Таким образом, интенсивное развитие современных низкоорбитальных космиче-[х систем и их все возрастающая роль в Глобальной информационной инфраструктуре рового сообщества, высокие требования к эффективности их целевого функциониро-[ия и ограниченные технические возможности, совмещение в одной системе функций предоставлению услуг персональной спутниковой связи и осуществлению космиче->го мониторинга земной поверхности и околоземного пространства, необходимость работки конструктивных численных методов и алгоритмов и доведения их до уровня «енерной практики путем создания специализированного программного обеспечения, > представляет самостоятельный теоретический и практический интерес, позволяют :лать вывод, что задача планирования целевого функционирования низкоорбитальных омических систем связи и наблюдения является сложной актуальной научно-;нической задачей.

Обзор литературы. К настоящему времени предложен ряд постановок задач пла-ювания целевого функционирования космических аппаратов и космических систем, одов (подходов) и численных алгоритмов, которые вместе с технологиями их приме-[ия к решению конкретных прикладных задач рассмотрены в работах Авдуевского

Аншакова Г.П., Баранова В.Н., Беляева М.Ю., Бертсекаса Д. (США), Бетанова В.В., »ронникова В.Т., Быркова Б.П., Ванке X. (Германия), Василевского В.В., Галлагера Р. IIA), Гартона Д. (Германия), Горбушиной Э.А., Гришина В.М., Карпа К.А., Красиль-кова М.Н., Лебедева АА., Малышева В.В., Моисеева Д.В., Нестеренко О.П., Острова В.В., Почукаева В.Н., Сагдеева Р.З., Скобелева А.Г., Скребушевского Б.С., Солло-а A.B., Таперова М.Ю., Успенского Г.Р., Ханцеверова Ф.Р., Чернова Д.Э. и ряда дру-авторов. Эти работы обобщают передовой отечественный и зарубежный опыт в этом [равлении, дают характеристику основным применяющимся для решения задач пла-ювания методам: графоаналитического и электронно-физического моделирования, истическим, экспертных оценок, методам на основе экспертных систем с применени-средств искусственного интеллекта, аналитическим методам - перебора, линейного и гамического программирования, сетевым и волновым методам маршрутизации и др.

Метод графоаналитического моделирования [9,92,110] применяется до создания хелей функционирования КА и космических систем и основывается на воспроизведе-I их динамики на заданном временном интервале. При этом используются географи-кие карты с обозначением на них наземной обстановки, границ зон радиовидимости •товой аппаратуры КА и наземных станций, а также специальный набор транспоран-и шаблонов. Достоинствами метода являются его простота и наглядность, возмож-;ть применения в учебно-методических целях. Однако для решения современных за: оперативного планирования целевого функционирования КА и космических систем применение затруднено ввиду сложности реализации. Такими же достоинствами и (остатками обладает метод электронно-физического моделирования [92,110]. Он ос-!ан на воспроизведении в ускоренном масштабе времени динамики КА или космиче->й системы посредством информационно-логических, радиоэлектронных и механиче-[х устройств; по результатам этого воспроизведения формируется оптимальный план.

Эвристические методы, представленные, например, в работах [16,110,125], адаптивны к конкретным задачам планирования и позволяют быстро получить их решение, орое в общем случае не является оптимальным. Вместе с тем, разработка и примене-; таких методов позволяет существенно сократить вычислительные затраты, сопутст-эщие реализации аналитических методов. Методы экспертных оценок [49,78,79,110], [учившие широкое применение в системном анализе, основаны на обработке мнений ппы специалистов (экспертов) и на существующем опыте планирования. Для реали-ии этих методов необходимо наличие дополнительной информации, организация циальной процедуры опроса экспертов и обработки результатов этого опроса. Эти годы наиболее пригодны к составлению долгосрочных и среднесрочных космических

•грамм и последовательности их реализации. При оперативном планировании целево-¡зункционирования КА и космических систем методы экспертных оценок, как и эври-ческие, в общем случае к оптимальному решению не приводят.

Другой группой методов, применяющихся для решения задач планирования, явля-:я методы на основе экспертных систем с применением средств искусственного ин-лекта [49,89,110,114,117,128,129]. Необходимость создания автоматизированных экс-тных систем, предназначенных для управления полетами КА или космических сис-[, возникла благодаря усложнению контролируемых подсистем и росту их количества. ;елом, экспертные системы можно разделить на два больших класса: 1) автоматизиро-ные системы управления полетами на основе сбора, предварительной обработки и ерпретации поступающей телеметрической информации, позволяющие оценить те-цее состояние КА или космической системы, проанализировать процесс целевого псционирования бортовой аппаратуры КА, определить параметры восходящих и нис-(ящих каналов связи КА с земными абонентами и наземными станциями, и как след-ие, внести коррективы в реализуемый план; 2) специализированные или универсаль-2 прикладные программные комплексы и пакеты программ, предназначенные для ав-[атизированного решения задач анализа, оптимизации, управления, оценивания жных технических систем, в том числе КА и космических систем, позволяющие мо-ировать процесс их целевого функционирования и проводить параметрический ана-; как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации. В качестве примеров ав-[атизированных экспертных систем следует отметить: американские разработки -периментальную систему SHARP [114] анализа рабочего состояния КА, применяв-юся для обслуживания полета космического корабля Voyager, систему планирования испетчеризации SURPASS [117], позволяющую формировать оптимальные запросы ратора на включение/выключение бортовой аппаратуры КА, распределенную систе-планирования и диспетчеризации PMS [117], разработанную для планирования кос-юской программы проекта Freedom; немецкую систему планирования GSOC MPS ,118,119,128], применявшуюся для реализации космических проектов ROSAT, )MS-2P PRIRODA и др.; отечественную систему управления полетами [124], успешно плуатируемую для планирования программ научных экспедиций на орбитальную нцию "МИР" и ряда международных космических проектов, в том числе российско-:риканских "Shuttle-Мир". Среди прикладных программных комплексов, автоматизи-ощих процессы оптимизации планирования и управления КА и космическими систе-ш, можно выделить: программы-планировщики Plan-IT, Plan-IT-2, SPIKE, ОМР [117]; циализированную программу построения временных последовательностей выполне-I операций [21,118,119], применявшуюся для планирования космической программы >екта ROSAT; универсальный пакет прикладных программ Satellite Toolkit [127], раз-ютанный в США; пакет прикладных программ для решения задач в вероятностных ;тановках [58,60-62,66]; универсальный пакет прикладных программ Space System э1Ьох [124], разработанный специалистами кафедры "Системный анализ и управле

МАИ (кафедры 604 МАИ) и предназначенный для решения широкого класса задач шиза, оптимизации и управления космическими системами. В состав последнего па-га входит комплекс MISPLAN [15,16,125,126], который специализирован для решения (ач оперативного планирования съемки земных объектов системой низкоорбитальных l и реализует численный алгоритм, разработанный автором работы.

Автоматизированные экспертные системы, прикладные программные комплексы и сеты программ основаны на моделях функционирования КА и космических систем, годах и алгоритмах решения оптимизационных задач. Кроме упомянутых выше мето-ï, для решения задач оперативного планирования целевого функционирования низко-зитальных КСС и КСН применяется широкий класс аналитических методов, значи-сть которых трудно переоценить. Это объясняется тем, что наиболее распространен-м подходом к оперативному планированию является сведение исходной задачи к за-ie дискретного программирования или к задаче маршрутизации, точное оптимальное пение которых может быть получено, как правило, только аналитическими методами, определенных случаях последние задачи принадлежат к классу труднорешаемых, а обходимые для их решения алгоритмы полиномиальной временной сложности, у ко-)ых число арифметических и логических операций в ходе вычислений ограничено ;рху некоторым полиномом от размерности задачи (например, количеством булевых эеменных), в настоящее время отсутствуют, возможность их разработки в ближайшем зущем представляется весьма проблематичной.

Вместе с тем, приемлемое решение конкретных задач планирования может быть тучено существующими методами и алгоритмами. Так, метод перебора [51,96,111] хпечивает оптимальное решение задачи при строгой реализации его вычислительной ;мы. Примеры реализации метода перебора в задачах оптимизации сложных техниче-IX систем, в том числе космических, представлены в работах [55,58,61,62,93,96,99]. актическое применение метода перебора сдерживается экспоненциальным ростом числительных затрат при увеличении размерности задачи.

Наиболее развитыми для решения задач оперативного планирования являются ме-щ линейного программирования, в частности, метод максимального элемента, сим-зкс метод, методы отсечений, методы типа ветвей и границ и др. Метод максимально-элемента [52] позволяет эффективно находить оптимум линейных форм при неболь->й размерности последовательности булевых переменных. В работах [26,106] проде-нстрирована технология оперативного планирования съемки земной поверхности с îtom облачности в рамках эксперимента "Радуга", давшая положительные результаты яменения этого метода.

Симплекс-метод [52,111] основан на формализации задачи в виде системы уравне-й, в которую помимо основных оптимизируемых переменных введены так называе-ie базисные и искусственные переменные. Процесс поиска решения - итерационный, с шедовательной проверкой вариантов допустимых решений при заданных значениях ¡исных переменных, обеспечивает нахождение оптимальных решений, но вычислимая эффективность метода резко падает с ростом размерности задачи. Технология пения задач оперативного планирования сведением их к задаче линейного програм-рования с применением симплекс-метода представлена в работе [9] и развита в рабо-:: [65] - при решении задачи планирования наблюдения однородных участков земной зерхности с КА, оснащенного бортовым запоминающим устройством (БЗУ) ограни-шой емкости; [90] - в аналогичной задаче, но с учетом невосполняемого на интервале адирования запаса энергоресурса; [72] - в задаче планирования оперативной съемки с l, оснащенного многорежимной бортовой аппаратурой; [73] - в технической постанов-задачи планирования операций космической системы сбора информации с ограни-шыми функциональными возможностями.

Методы отсечений [7,51,52,111] основаны на искусственном введении при поиске пения дополнительных ограничений, деформирующих многогранник всего множества »тернатив решений. Сходимость этих методов зависит от способа задания ограниче-й, который не регламентирован никакими рекомендациями и допускает произвол, актические возможности методов отсечений по решению оптимизационных задач об-кдаются в работах [40,52], где отмечается, что эти методы не обеспечивают высокой числительной эффективности и для решения задач большой размерности непригодны.

Методы типа ветвей и границ [7,51,52,111] принадлежат к классу методов комбина-шого типа, базирующихся на идее перебора допустимых решений. В основе этих ме-job лежат вычислительные процедуры, позволяющие непосредственно рассматривать шь относительно небольшую часть допустимых решений задачи, а остальные учиты-ъ косвенно. Такой подход позволяет свести исходную задачу к двум или нескольким ^задачам меньшей размерности. Главный недостаток методов типа ветвей и границ ггоит в необходимости решения задач линейного программирования,- соответствую-[х каждому подмножеству допустимых решений исходной задачи, что требует сущест-шых вычислительных затрат. Технология применения методов типа ветвей и границ в [ачах планирования целевого функционирования отдельных КА рассмотрена в работе , космических систем - в работах [33,34,36,54,59,94,95].

Широкое практическое применение к решению задач планирования целевого нкционирования КА и космических систем имеет метод динамического программиро-шя [47,48,51-53], состоящий в поэтапной оптимизации критерия эффективности, хотя ш не может быть отнесен к разряду эффективных методов для решения задач диезного программирования ввиду влияния так называемого "проклятья размерности". В 5оте [4] этот метод применяется для решения задачи устранения конфликтов между кимами сбора и передачи информации при съемке земных объектов КА с ограничен-ми возможностями бортового информационного комплекса. В этой же работе пред-кена схема дискретного принципа максимума, применение которой при больших разэностях задачи и высоких требованиях к точности решения предпочтительнее. Инте; представляет применение метода динамического программирования в задачах пла-эования астронаблюдений. Так, в [20] рассмотрена задача планирования астронаблю-шй с пространственным разворотом линии визирования телескопа, причем форми-гмый план фиксирует не только последовательность съемки объектов, но и моменты ;мени начала разворотов на каждый очередной объект; в [21,118,119] решена задача ширования астронаблюдений космическим аппаратом ROSAT, модель процесса це-юго функционирования которого представлена в виде "окон" - временных интервалов, ечение которых возможна съемка объектов. В работе [24] предложен подход к реше-ю сложной технической задачи - задачи информационного обслуживания потребите-i системой с ограниченными ресурсами и пропускной способностью, в роли которой жет выступить космическая система связи. В работе [38] на основе модифицирован-л схемы динамического программирования решена задача оптимизации построения С на геостационарной орбите в целях гарантированной однократной ретрансляции пнала при установлении связи между абонентскими терминалами, находящимися на ксированном расстоянии друг от друга. Особое место в практическом приложении года динамического программирования занимают работы [67,94], в которых рассмот-m задача оптимизации планирования съемки земных объектов не отдельным КА, а омической системой с ограниченной размерностью ее вектора управления. Для реше-я такой задачи применяется схема метода обобщенного динамического программиро-1ия, основанная на искусственной декомпозиции исходной задачи на ряд задач плани-ъанж. для каждого КА системы и позволяющая сократить вычислительные затраты по шнению с применением классической схемы метода. Принцип пошаговой оптимиза-и применяется также в работе [14] при решении задачи уточнения параметров управ-1ия маневрами КА связи.

В ряде случаев задачу планирования целевого функционирования низкоорбиталь-х КСС и КСН удобно свести к задаче маршрутизации, в которой процесс формирова-я плана трансформируется в процесс поиска кратчайшего маршрута на графе опера-й космической системы. Частным случаем задачи маршрутизации является "задача лмивояжера", рассмотренная, в частности, в работе [9] при решении задачи планиро-шя наблюдений с геостационарного КА, съемочная аппаратура которого изменяет яентацию линии визирования. В работе [110] задача съемки локальных земных объек-i с КА, оснащенного аппаратурой с отклоняющейся в боковом направлении от трассы аией визирования, сведена к задаче маршрутизации. Для ее решения предложен эври-тческий алгоритм "поиска перспективных объектов", близкий по своей сути к методам :ледовательного анализа вариантов. Однако, задача маршрутизации на графе опера-й космической системы может быть решена и аналитическими методами (или алго-гмами), в первую очередь, классическими сетевыми и волновыми методами.

Сетевые методы (алгоритмы) маршрутизации [11,46,68,111] Беллмана-Форда, йкстра, Флойда-Уоршелла позволяют находить оптимальные кратчайшие маршруты графе от заданной вершины до других вершин. Алгоритм Беллмана-Форда основан на ;рировании дуг в маршруте, его идея состоит в том, чтобы сначала найти оптималь-е маршруты при условии, что они содержат не более одной дуги, затем оптимальные ршруты при условии, что они содержат не более двух дуг и т.д. Алгоритм Дейкстра юван на итерировании длины маршрута, его идея состоит в отыскании оптимальных эшрутов в порядке возрастания их длин. Алгоритм Флойда-Уоршелла основан на ите-эовании количества вершин, которое допускается иметь в качестве промежуточных в ршрутах, его идея состоит в отыскании оптимальных маршрутов при ограничении на шчество промежуточных вершин. Вопросы практического применения этих алгорит-в к решению прикладных задач планирования обсуждены в работе [40]. В работах ,29,96,97] приводится модифицированная схема алгоритма Дейкстра с применением :нологии Монте-Карло для решения оптимизационных задач в технических системах, том числе и КСС по оптимизации ретрансляции сигнала. В работах [3356,86,99,100] рассматривается задача оптимизации информационного обмена в низ-)рбитальной КСС на основе применения модификации алгоритма Беллмана-Форда, а заботах [55,93] этот же алгоритм применяется для решения задачи планирования ;мки земных объектов системой КА из условия достижимости максимума количества пых объектов. Вычислительная эффективность сетевых методов (алгоритмов) мар-утизации, также как и методов линейного и динамического программирования, сни-ется с увеличением размерности графа. Успешная реализация этих методов возможна ль при соблюдения ряда ограничений при построении самих графов, а для поиска саго длинного пути на графе эти методы малопригодны.

Другой группой методов, позволяющих получить решение задачи по поиску крат-1шего маршрута на графе операций космической системы, являются волновые методы •,68,82] - метод рельефов, матричный метод и собственно волновой метод. Метод гьефов является наиболее распространенным, особенно для решения задачи передачи )бщений в информационных сетях [82]. Он основан на составлении для каждой верны графа матриц специального вида (матриц рельефов), содержащих целочисленные 1чения, определяемые количеством дуг графа между заданной вершиной и любой дру-I вершиной графа. Задача маршрутизации в этом случае сводится к отысканию на ка-ой промежуточной вершине графа дуги с наименьшим значением рельефа. Этот метод мдает хорошей наглядностью и простотой, однако при больших размерностях графа ставить рельефы для каждой вершины по сложности равносильно решению задачи ршрутизации на этом графе. Матричный метод основан на составлении для каждой шины графа матриц маршрутов, элементы которых указывают очередность »иоритетность) выбора той или иной дуги графа при установлении связи одной из )шин с остальными непосредственно связанными с ней вершинами. Задача маршрутащи затем решается по составленным матрицам с учетом приоритетности выбора ис-1ящих направлений из каждой вершины. Недостаток этого метода то же, что и у мето-рельефов - рост вычислительных затрат и потребных объемов оперативной памяти М при составлении матриц маршрутов, причем для этого необходимо иметь инфор-цию о состоянии всего графа. Собственно волновой метод основан на моделировании шространения псевдосигнала из исходной вершины графа. При этом все остальные )шины транслируют этот сигнал, а маршруты его прохождения своими конечными шинами образуют "фронт волны", который расширяется по мере распространения "нала на графе. Подобная "волна" транслируется до момента отыскания одним из ршрутов требуемой конечной вершины графа. Волновой метод требует больших объ-эв оперативной памяти ЭВМ для хранения информации о текущих маршрутах, хотя ;ма его реализации более проста по сравнению с методами рельефов и матричным. В ютах [3,102] решается задача оптимизации эффективности функционирования ин-рмационно-вычислительной сети на основе применения волнового метода с привле-шем технологии статистических испытаний, схема метода выбрана в качестве исход-го алгоритма управления потоками информации в сети. Вопросы практического при-нения семейства волновых методов для решения задач оптимизации сложных техни-;ких систем обсуждаются в работах [27,40,97], где констатируется факт роста вычис-гельных затрат при увеличении размерности графа и отмечаются возможности мето-з по поиску самого длинного маршрута на графе. В работе [28] рассматривается зада-выбора оптимальных стратегий передачи информационных сообщений в низкоорби-[ьной КСС посредством цифровых пакетов, что является логическим продолжением ют [33-35,56,96-100].

Комплекс поставленных практикой задач по оптимальному планированию не огра-чивается вопросами целевого функционирования низкоорбитальных космических ;тем связи и наблюдения. Так, в работах [5,6,47,64] рассматривается задача оптималь-го планирования навигационных измерений и методы (алгоритмы) ее решения, в ра-гах [13,14] обсуждаются аспекты определения параметров оптимального управления неврами КА, работы [22,23] посвящены вопросам оптимального планирования функ-онирования наземных сегментов космических систем при управлении космическими таратами, в работах [58,60-63,66] рассматриваются задачи оптимизации планирования правления движением аэрокосмических аппаратов по вероятностным критериям.

В заключении обзора отметим, что вопросы вычислительной сложности решения <ач дискретного программирования, задач маршрутизации и сводимых к ним задач осмотрены также в работе [32]; вопросы классификации, назначения, орбитального лроения, организации целевого функционирования и возможности космических сис-1 связи и наблюдения рассмотрены в работах [1,2,41,42,50,78,103,105,107,110,113]; 1росы, связанные с инженерной оценкой современного состояния и перспектив разви низкоорбитальных КСС обсуждаются в работах [17,18,28,43,75-77,108], низкоорби-[ьных КСН - в работах [21,25,50,79].

Цель работы. Целью работы является разработка конструктивных численных ме-1ов и алгоритмов решения задач планирования целевого функционирования низкоор-гальных КСС и КСН - задач планирования оперативной коммутации радиоканалов □и и оперативного планирования съемки земных объектов, выработка общего мето-теского подхода к решению обоих типов задач планирования и разработка комплекса методики их решения, создание на этой основе специализированного программного гспечения и его применение для формирования планов целевого функционирования жретных проектов низкоорбитальных КСС и КСН и проведения исследований.

Методика исследований. При разработке численных методов используются мето-оптимизации сложных технических систем, в частности, метод ветвей и границ, ме-щ маршрутизации, базирующиеся на классических сетевых и волновых схемах, при-жается также технология метода перебора. При разработке комплексной методики пения прикладных задач планирования и проведении исследований применяется сис-шый подход. При разработке специализированных программных комплексов исполь-отся методы структурного и объектно-ориентированного программирования, алго-гмические языки Fortran 5.0 и Object Pascal 7.0 for Windows, среда программирования lphi 2.0, операционные системы MS DOS (версии 5.0 и 6.0) и WINDOWS 95.

Научная новизна. Новыми научными результатами в работе являются:

1. Общая формализованная постановка задачи планирования целевого функциони-зания низкоорбитальных космических информационных систем, включающая поста-зки оптимизационных задач планирования оперативной коммутации радиоканалов в шентских и межспутниковых линиях низкоорбитальной КСС и оперативного плани-зания съемки земных объектов низкоорбитальной КСН.

2. Методическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач оперативного ширования целевого функционирования низкоорбитальных КСС и КСН: а) численные метод и алгоритм формирования оптимальных планов с применением эцедуры маршрутизации; б) численные метод и алгоритм формирования оптимальных планов с применением эцедуры направленного перебора альтернатив решений; в) общий методический подход и комплексная методика формирования оптималь-х планов целевого функционирования космических систем обоих типов.

3. Программное обеспечение для автоматизированного решения прикладных задач ширования и проведения системных исследований: а) специализированный программный комплекс для решения задачи планирования зративной коммутации радиоканалов в абонентских и межспутниковых линиях связи жоорбитальной КСС; б) специализированный программный комплекс для решения задачи оперативного ширования съемки земных объектов низкоорбитальной КСН, одна версия которого шизована в составе комплекса MISPLAN пакета прикладных программ Space System olbox, вторая - в самостоятельном комплексе для изучения процессов сходимости пленного алгоритма при реализации процедуры направленного перебора.

Достоверность результатов. Достоверность результатов, полученных в работе, утверждается: а) построением вычислительных схем численных алгоритмов на основе утвержде-я, строго доказанных математически; б) проверкой численных алгоритмов и программных комплексов на модельных за-iax, позволяющих получить аналитическое решение; в) совпадением результатов при решении задач традиционными методами , в частота, методами перебора, линейного программирования, сетевым методом Беллмана-рда, и методами, предложенными в работе; г) результатами тестирования программных комплексов на персональных ЭВМ ¡личной конфигурации и различного класса; д) апробацией численных алгоритмов и программных комплексов на алгоритмиче-IX языках разных версий.

Практическая значимость. Практическая значимость полученных в работе ре-[ьтатов состоит в: а) разработке численных методов и алгоритмов, комплексной методики решения гимизационных задач планирования целевого функционирования низкоорбитальных :СиКСН; б) разработке специализированных программных комплексов для автоматизиро-шого решения прикладных задач планирования целевого функционирования низко-эитальных КСС и КСН и проведения системных исследований; в) результатах планирования и параметрического анализа оперативной коммутации щоканалов в абонентских и межспутниковых линиях связи низкоорбитальных КСС -)бальных систем персональной спутниковой связи "Коскон" и Iridium; рекомендациях повышению эффективности целевого функционирования этих систем; г) результатах планирования и параметрического анализа оперативной съемки за-шой совокупности земных объектов низкоорбитальными КСН - системами дистанци-ного зондирования земной поверхности, включающими КА типа CBERS; рекоменда-ях по повышению эффективности целевого функционирования этих систем.

Представленные в работе результаты получены в процессе научных исследований, вводившихся на кафедре 604 МАИ, по программам "Конверсия. Наука и высокие тех-погии" по теме "Разработка систем поддержки принятия решений при формировании ^ритмов управления, навигации и связи с использованием космических средств" »,100], НИР РКА по темам "Разработка методов анализа и синтеза космических систем бтодения, навигации, связи" [85-89] и "Разработка программно-алгоритмического еспечения и проведение системных исследований при создании перспективных ра-гно-космических конструкций" [90], по госбюджетной программе "Разработка мето-в системного анализа и управления сложными системами (экономическими, социаль-сми, техническими, в том числе аэрокосмическими)" [91-95], в рамках контрактов с ^космическими предприятиями Франции [122,123] и Бразилии [124-126].

Результаты работы внедрены и используются при проведении научных исследова-й в Центре управления полетами Центрального научно-исследовательского института шиностроения, а также в учебном процессе и научных исследованиях на кафедре 604 \И, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсужде-[ на следующих конгрессах, конференциях и семинарах: на 44-ом Международном ас-энавтическом конгрессе (г. Грац, Австрия, 1993 г.); на Всероссийской научной конфе-яции "Алгоритмическое обеспечение процессов управления в механике и машино-зоении" (г. Ярополец, Московская область, 1994 г.); на Международной научной кон-ренции "Устойчивость и управление для трансформирующихся нелинейных систем" Москва, 1995 г.); на 9-й Международной научной конференции "ION GPS-96" (г. нзас-Сити, США, 1996 г.); на II Международном аэрокосмическом конгрессе (г. Мо-за, 1997 г.); на Международных научно-технических семинарах "Современные техно-гии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (г. Алушта, 1997,

98 гг.); на Международной конференции "Бортовые интегрированные комплексы и временные проблемы управления" (г. Ярополец, Московская область, 1998 г.); на Ме-ународной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения" (г. Москва,

99 г.); на 4-й Международной конференции "Системный анализ и управление косми-;кими комплексами" (г. Евпатория, 1999 г.).

Личный вклад и публикации. Все результаты, представленные в работе, получе-[ лично автором, основные из них опубликованы в 44 научных трудах, из которых 15 татные.

На защиту выносится: а) общая формализованная постановка задачи планирования целевого функциони-вания низкоорбитальных космических информационных систем и конкретизирован-[е постановки оптимизационных задач планирования целевого функционирования зкоорбитальных КСС и КСН; б) конструктивные численные методы и вычислительные схемы их алгоритмов, иентированных на решение оптимизационных задач планирования с применением оцедур маршрутизации и направленного перебора альтернатив решений, максимально итывающих специфику прикладных задач планирования и сокращающих вычисли-п>ные затраты по сравнению с применением традиционных методов и алгоритмов; в) специализированные программные комплексы для автоматизированного реше-я прикладных задач планирования целевого функционирования низкоорбитальных

С и КСН и проведения системных исследований с применением методик, основанных вычислительных схемах предложенных численных алгоритмов; г) результаты планирования и параметрического анализа целевого функционирова-i низкоорбитальных КСС - глобальных систем персональной спутниковой связи )скон" и Iridium и низкоорбитальных КСН - систем дистанционного зондирования [ной поверхности типа CBERS; рекомендации по повышению эффективности целево-|)ункционирования этих систем.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, спи-i литературы из 129 наименований и приложения. Объем основного текста составляет I страницы, в том числе 48 рисунков и 13 таблиц.

В первой главе рассматривается физическая сущность задачи планирования целево-функционирования низкоорбитальных КСС - глобальных систем персональной спут-совой связи и низкоорбитальных КСН - систем дистанционного зондирования земной зерхности. Конкретизируется подход, основанный на интерпретации этой задачи в je задачи формирования временных последовательностей выполнения операций 1ВО) с ее последующим сведением к оптимизационной задаче дискретного програм-рования или задаче маршрутизации. Этот подход применяется при формализации жретных задач планирования отдельно для систем связи и отдельно для систем на-одения. Формализация задач и их постановки предваряются описанием сценариев нкционирования низкоорбитальных КСС и КСН и иллюстрацией собственно процес-$ их целевого функционирования.

Целевое функционирование низкоорбитальной глобальной системы персональной /тниковой связи заключается в формировании мобильных каналов, устанавливающих уданения земных абонентов посредством оперативной коммутации радиоканалов в шентских и межспутниковых линиях связи. Поскольку космический сегмент такой угемы состоит из 40, 50 и более КА, то количество вариантов формирования мобильно канала велико. Вместе с тем, требования к экономической эффективности системы /словливают необходимость и важность установления канала при минимально воз-жном количестве КА-ретрансляторов в условиях фиксированного количества обра-;мых одним КА абонентских и межспутниковых линий связи и количества радиокана-з в них. Для формализации задачи вводятся в рассмотрение модель временных интер-юв радиовидимости КА и абонентских терминалов и модели коммутации радиоканав в абонентских и межспутниковых линиях связи. На основе математической форма-зации осуществляется переход к оптимизационной задаче дискретного программиро-зия (задаче маршрутизации), заключающейся в поиске такой стратегии управления ртовой коммутирующей аппаратурой КА, которая обеспечивает минимум критерию фективности целевого функционирования системы - количеству КА-ретрансляторов в бильном канале при ограниченных технических возможностях каждого из них.

Целевое функционирование низкоорбитальной космической системы дистанционно зондирования заключается в формировании программы съемки земных объектов на (анном временном интервале. Поскольку КА низкоорбитальных КСН за сутки совер-ют более десяти витков по орбитам, то количество потенциальных съемок земных ьектов может составить сотни, тысячи и десятки тысяч единиц, что приводит к много-шантности формирования съемочных планов системы. Вместе с тем, требования к шомической эффективности обусловливают необходимость формирования таких плаз, реализация которых обеспечивает максимальную ценность информации о снятых 1ных объектах в условиях ограниченных возможностей бортового информационного лплекса КА по ее сбору, хранению и передаче. Для формализации задачи вводятся в ^смотрение модель временных параметров возможной съемки объектов и сеансов свя-и модели целевого функционирования бортового информационного комплекса КА -намики состояния БЗУ и переориентации съемочной аппаратуры КА. На основе мате-гической формализации осуществляется переход к оптимизационной задаче дискрет-го программирования (задаче маршрутизации), заключающейся в поиске такой стра-ии управления бортовой съемочной аппаратурой КА, которая обеспечивает максимум дтерию эффективности целевого функционирования системы - совокупной ценности 1мков земных объектов при ограниченных технических возможностях каждого КА.

Представленные постановки задач планирования целевого функционирования низ-эрбитальных КСС и КСН имеют одинаковую структуру, которая формализуется в ви-общей математической постановки задачи как задачи дискретного программирования [и задачи маршрутизации) по оптимизации булевых параметров управления системы и соблюдении ограничений на ее вектор управления и фазовый вектор.

Во второй главе разрабатываются численные методы и алгоритмы для решения за-I оперативного планирования целевого функционирования низкоорбитальных КСС и !Н, подробно рассматриваются примеры их применения, формируется комплексная годика решения задач, приводится описание программного обеспечения.

Задачи оперативного планирования, рассматриваемые в работе и сводимые к зададискретного программирования или маршрутизации, принадлежат либо к классу корешаемых, либо к классу труднорешаемых задач. В этой связи для сокращения вы-злительных затрат и получения оптимального (или близкого к оптимальному) реше-я задачи вводятся в рассмотрение два типа моделей процессов целевого функциони-вания космических систем, максимально учитывающих их специфику и позволяющих именить конструктивные численные методы и алгоритмы.

В качестве одной из таких моделей рассматривается граф с соответствующими ему фровыми матрицами. Модель целевых операций системы в виде графа позволяет кон-)уктивно решить задачу планирования как задачу маршрутизации по поиску кратчай-го пути. Для решения последней в работе предлагается численный метод, основанный формализме традиционных сетевых методов маршрутизации Беллмана-Форда и йкстра, волнового метода, исключающий дополнительные расчетные процедуры и со-ицающий вычислительные затраты по сравнению с упомянутыми методами. Приво-гся полная вычислительная схема численного алгоритма. В работе модель операций в зе графа и метод маршрутизации применяются для решения задачи планирования гративной коммутации радиоканалов в абонентских и межспутниковых линиях связи жоорбиталыюй КСС: вершинами графа являются КА и абонентские терминалы (или грации по коммутации радиоканалов их приемо-передающих антенн), а его дугами -шентские и межспутниковые линии связи; результатом маршрутизации является под-1ф исходного графа, содержащий кратчайшие маршруты между заданной парой или ожеством пар вершин, интерпретирующих абонентские терминалы.

Модель целевых операций космической системы в виде графа теряет свои достоин-$а, если задача планирования трансформируется в задачу маршрутизации по поиску лого длинного пути на графе (с учетом ограничений) и становится труднорешаемой. В >м случае сетевые и волновые методы маршрутизации, успешно применяющиеся для иска кратчайших маршрутов на графе, становятся малопригодными. Поэтому в работе сачестве второй модели процесса целевого функционирования космической системы осматривается одномерный массив вариаций критерия эффективности относительно ) верхней оценки при реализации целевых операций в разные моменты времени на ин-)вале планирования с соответствующей ему цифровой матрицей. Направленный пере-р комбинаций вариаций критерия позволяет проверять альтернативные варианты плав целевого функционирования космической системы с их параллельной оптимизаци-Для реализации направленного перебора предлагается численный метод на базе ме-ia ветвей и границ, приводится полная вычислительная схема численного алгоритма, руктура алгоритма такова, что ход процесса оптимизации определяется не перебором пустимых решений, а реализацией процедур, позволяющих формировать и анализиро-гь лишь часть альтернатив, а остальные учитывать автоматически. Это приводит к 1Чительному снижению вычислительных затрат по сравнению с применением метода ямого перебора и к их сокращению по сравнению с применением методов линейного щнамиЧеского программирования. В работе модель операций в виде массива вариа-й критерия эффективности и метод направленного перебора применяются для реше-я задачи оперативного планирования съемки земных объектов низкоорбитальной 'Н: вариации критерия при съемке каждого из объектов определяются как разности ) верхней оценки и его значений при съемке в другие моменты времени.

В работе представлены примеры решения задач планирования с применением едложенных численных методов и алгоритмов, подробно поясняются основные этапы шизации их вычислительных схем. Разработанные методы и алгоритмы предлагается вменять в рамках комплексной методики решения прикладных задач планирования иевого функционирования низкоорбитальных космических информационных систем, [астности, систем связи и наблюдения; представлено описание основных этапов peaации методики. Методы и алгоритмы реализованы в виде специализированных про-ммных комплексов, автоматизирующих процесс оптимального планирования и по-ляющих проводить параметрический анализ целевого функционирования низкоорби-ъных КСС и КСН и системные исследования.

В третьей главе рассматриваются прикладные задачи оптимального оперативного ширования целевого функционирования реальных проектов низкоорбитальных КСС "СН на основе разработанного программно-математического обеспечения.

Задача планирования оперативной коммутации радиоканалов в абонентских и меж-ггниковых линиях связи решается применительно к проектам низкоорбитальных гло-гьных систем персональной спутниковой связи "Коскон" и Iridium. Исследуются два кима планирования целевого функционирования - установление мобильного канала [зи абонентских терминалов при передаче данных (длительность удержания - до 2 миг) и при передаче речи (длительность удержания - 3, 5 и более минут). Представлены :нические постановки и методики решения задач планирования для обоих режимов, лучены и представлены результаты оптимального планирования и параметрического шиза оперативной коммутации радиоканалов при установлении мобильных каналов [зи абонентских терминалов на различные расстояния между ними и в зависимости от шчества межспутниковых линий на одном К А; представлены сравнительные оценки фективности целевого функционирования рассматриваемых низкоорбитальных КСС и работаны рекомендации по ее повышению.

Задача оперативного планирования съемки земных объектов решается примени-шно к низкоорбитальным космическим системам дистанционного зондирования зем-й поверхности, космические сегменты которых включают ЬСА типа CBERS, располо-нные на круговых солнечно-синхронных орбитах, оснащенные БЗУ и работающей в цеодиапазоне съемочной CCD-камерой с поворотной линией визирования. В первом /чае требуется сформировать и проанализировать оптимальные планы съемки одним и умя КА территории пожароопасного региона, аппроксимированной 45 земными объ-гами, во втором случае - провести параметрический анализ целевого функционирова-я систем из трех КА при планировании экологической съемки заданных территорий, проксимированных совокупностью из 96 земных объектов. Представлены технические становки и методика решения рассматриваемых задач планирования. Исследуются два эианта работы бортового информационного комплекса КА на интервале планирования очетание комбинированного режима с режимом записи и только режим записи. Полу-ны и представлены результаты оптимального планирования и параметрического ана-за оперативной съемки земных объектов, выработаны рекомендации по повышению фективности целевого функционирования рассматриваемых низкоорбитальных КСН.

Решение прикладных задач планирования целевого функционирования низкоорби-иьных КСС и КСН подтвердило работоспособность и эффективность разработанных сленных методов, алгоритмов и специализированных программных комплексов.

Заключение диссертации по теме «Системы обработки информации и управления», Дарнопых, Валерий Витальевич

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Сформулируем основные результаты, полученные в работе.

1. Предложено рассматривать задачу планирования целевого функционирования зкоорбитальных КСС и КСН как задачу формирования ВПВО, составляющих план 1евого функционирования космической системы на заданном интервале времени, нкретизирован подход, основанный на интерпретации задачи планирования в виде гага формирования ВПВО с ее последующим сведением к оптимизационной задаче жретного программирования или задаче маршрутизации.

2. Представлены новые постановки задач планирования: а) техническая и математическая постановки задачи планирования оперативной ^мутации радиоканалов в абонентских и межспутниковых линиях связи низкоорби-[ьной КСС на основе выделения моделей временных интервалов радиовидимости КА 1бонентских терминалов, моделей коммутации радиоканалов, критерия эффективно-I, представляющего собой количество КА-ретрансляторов в устанавливаемых мо-иьных каналах спутниковой связи абонентских терминалов; б) техническая и математическая постановки задачи оперативного планирования 5мки земных объектов низкоорбитальной КСН на основе выделения моделей времен-х интервалов (моментов) съемки земных объектов и сеансов связи, моделей динамики стояния БЗУ КА и переориентации бортовой съемочной аппаратуры КА, критерия эф-ктивности, представляющего собой совокупный информационный "вес" снимков, со->шенных за интервал планирования.

Показано, что постановки задач планирования целевого функционирования низко-эитальных КСС и КСН имеют одинаковую структуру и могут быть рассмотрены в ижах общей формализованной задачи планирования целевого функционирования низ-зрбитальной космической информационной системы, сводимой к задаче дискретного эграммирования или задаче маршрутизации. Постановка общей формализованной за-т дана на основе выделения моделей целевого функционирования космической сис-ды, модели ее фазового вектора, ограничений на вектор управления и фазовый вектор ;темы, критерия эффективности.

3. Разработано новое методическое и алгоритмическое обеспечение для решения <ач планирования: а) численный метод и алгоритм формирования оптимальных планов с применением эцедуры маршрутизации при интерпретации процесса целевого функционирования :мической системы в виде графа операций и соответствующих ему матриц, характери-ощих возможность и эффективность выполнения операций; алгоритм ориентирован поиск оптимального плана как кратчайшего маршрута на графе, модифицирует клас-теские сетевые и волновые алгоритмы и позволяет сократить вычислительные затраты сравнению сними; представлена полная вычислительная схема алгоритма; б) численный метод и алгоритм формирования оптимальных планов с применением эцедуры направленного перебора при интерпретации процесса целевого функциони$ания космической системы в виде одномерного массива данных и соответствующей / матрицы параметров, характеризующих целевые операции; алгоритм ориентирован поиск оптимального плана как самого длинного маршрута на графе, модифицирует год ветвей и границ и позволяет сократить вычислительные затраты по сравнению с годами перебора, линейного и динамического программирования; представлена пол-[ вычислительная схема алгоритма.

Представлены примеры решения модельных задач планирования целевого функ-ширования низкоорбитальных КСС и КСН в рамках общего методического подхода с шенением разработанных алгоритмов, подробно пояснены основные этапы их реали-;ии. Проведен сравнительный анализ вычислительной эффективности предложенных ;ленных методов и алгоритмов с традиционными методами и алгоритмами решения ,ач планирования, показаны преимущества первых.

Разработана и представлена комплексная методика решения прикладных задач ширования целевого функционирования низкоорбитальных КСС и КСН, суть которой тоит в реализации четырех этапов - моделирование орбитальной динамики космиче-•й системы, формирование модели процесса ее целевого функционирования, форми-¡ание оптимального плана (множества планов) и проведение системных исследований

4. Разработано новое специализированное программное обеспечение для автоматики решения прикладных задач планирования и проведения системных исследований: а) программный комплекс для решения задачи оптимального планирования опера-¡ной коммутации радиоканалов в абонентских и межспутниковых линиях связи низ->рбитальной КСС; б) программный комплекс для решения задачи оптимального оперативного плани-¡ания съемки земных объектов низкоорбитальной КСН, одна версия которого реали-ана в составе комплекса MISPLAN пакета прикладных программ Space System э1Ьох, вторая - в самостоятельном комплексе для изучения процессов сходимости пленного алгоритма при реализации процедуры направленного перебора.

Представлено описание интерфейсов программных комплексов и порядка работы с ш, дана характеристика их возможностей.

5. Подтверждена работоспособность специализированного программно-гематического обеспечения, сформулированы практические рекомендации по его шенению и усовершенствованию на основании результатов его использования для цения прикладных задач планирования.

6. Представлены результаты решения прикладных задач планирования целевого акционирования низкоорбитальных КСС - глобальных систем персональной спутни-юй связи "Коскон" и Iridium: а) даны технические постановки задач планирования оперативной коммутации ра-жаналов в абонентских и межспутниковых линиях связи космических систем в режи-с передачи данных и передачи речи; разработаны методики их решения, конкретизиощие применение численного метода и алгоритма оптимального планирования на ос-ве процедуры маршрутизации; б) рассчитаны оценки эффективности установления оптимальных мобильных кана-î спутниковой связи абонентских терминалов в режимах передачи данных и передачи ш; проанализирована зависимость эффективности от расстояния между абонентскими »миналами, от количества межспутниковых линий связи на КА, от длительности ;ржания мобильных каналов, от орбитального построения и орбитальных параметров :мических систем; в) даны сравнительные оценки эффективности целевого функционирования косми-;ких систем, выявлены условия достижения наибольшей эффективности их целевого акционирования в режимах передачи данных и передачи речи; г) сформулированы рекомендации по повышению эффективности целевого функ-ширования космических систем.

7. Представлены результаты решения прикладных задач планирования целевого жционирования низкоорбитальных КСН - систем дистанционного зондирования типа ERS: а) даны технические постановки задач планирования космического мониторинга кароопасного региона и экологической обстановки заданных регионов; разработана одика их решения, конкретизирующая применение численного метода и алгоритма имального планирования на основе процедуры направленного перебора; б) рассчитаны оценки эффективности планирования космического мониторинга <ароопасного региона одним и двумя КА типа CBERS; проанализирована зависишь эффективности от параметров аппаратуры бортового информационного комплекса и варианта его работы, от продолжительности интервала планирования; выявлены овия, при которых может быть осуществлена съемка всех локальных земных объек-, аппроксимирующих территорию пожароопасного региона; в) рассчитаны оценки эффективности планирования космического мониторинга погической обстановки заданных регионов системами из трех К А типа CBERS; про-низирована зависимость эффективности от параметров аппаратуры бортового ин-!мационного комплекса КА и варианта его работы, от продолжительности интервала нирования, от орбитального построения космических систем; выявлены условия, при эрых может быть осуществлена съемка всех локальных земных объектов, аппрокси-ующих территорию регионов, подлежащих экологической съемке; г) даны сравнительные оценки эффективности целевого функционирования косми-шх систем при проведении мониторинга обоих видов, выявлены условия достижения большей эффективности их целевого функционирования в зависимости от варианта эты бортового информационного комплекса КА; д) сформулированы рекомендации по повышению эффективности целевого функ-нирования космических систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дарнопых, Валерий Витальевич, 1999 год

1. Авдуевский B.C., Успенский Г.Р. Народно-хозяйственные и научные космические шлексы. М.: Машиностроение, 1985, 416 с.

2. Авдуевский B.C., Успенский Г.Р. Космическая индустрия. М.: Машиностроение, 59, 568 с.

3. Аншаков Т.П., Соллогуб A.B., Бундов Д.Г. Методы устранения конфликтов между кимами функционирования КА ИПРЗ при составлении программ работы / Исследова-s Земли из космоса. -М., 1988, № 3, с.107-116.

4. Бажинов И.К., Почукаев В.Н. Оптимальное планирование навигационных изменяй в космическом полете. М.: Машиностроение, 1976, 288 с.

5. Бажинов И.К., Почукаев В.Н. Об оптимальном распределении навигационных из-рений / Космические исследования. М., 1971, т.9, вып.2, с.188-194.

6. Баранов В.Н. Задачи и методы оптимального распределения ресурсов. -М.: МАИ, 31,34 с.

7. Беляев М.Ю. Основные задачи и методы оперативного планирования эксперимен-I по исследованию Земли из космоса / Исследование Земли из космоса. -М., 1981, № 3, 6-101.

8. Беляев М.Ю. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных шциях. М.: Машиностроение, 1984, 264 с.

9. Беляев М.Ю., Рулев Д.H. Оптимизация программы экспериментов при оператив-м планировании исследований, выполняемых с КА / Космические исследования. М., 87, т.25, вып.1, с.30-36.

10. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. М.: Мир, 1989, 544 с.

11. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи. М.: Радио и связь, 1988, 267 с.

12. Ъ.Бетанов В.В., Мохов В.М., Яшин В.Г. Алгоритм определения параметров управлея маневрами автономных космических аппаратов ближнего космоса. М.: изд-во В А СП, 1997, 104 с.

13. А.Бетанов В.В., Яшин В.Г. К вопросу уточнения параметров управления маневрами гмических аппаратов связи методом пошаговой оптимизации / Радиотехника. М., 96, № 6, с.13-17.

14. Бобронников В.Т., Шидловский A.B. Детальное планирование и анализ эффектив-сти функционирования спутниковых систем землеобзора / Сборник трудов 4-й Межнародной конференции "Системный анализ и управление космическими комплекса-". Евпатория, 1999, с.22.

15. Болъшова Г.В. Спутниковая связь в России: "Памир", Iridium, Globalstar . / Сети. 4,, 1997, №9, с.66-73.

16. Болъшова Г.В. Четыре W Eutelsat / Сети. М.: 1999, № 5-6, с.122-123.

17. Бородин C.B. ЭМС наземных и космических радиослужб. Критерии, условия и счет. М.: Радио и связь, 1990, 272 с.

18. Банке X. Планирование и управление международными космическими програм-ш / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., грпфаффенхофен (Германия), 1997, 183 с.

19. Гришин В.М., Иванов Д.А. Моделирование работы космического сегмента систе-"Иридиум" при передаче цифровых пакетов / Сборник трудов 4-й Международнойференции "Системный анализ и управление космическими комплексами". Евпато-, 1999, с.6.

20. Гришин В.М., Таперов М.Ю. Метод исследования сетевых структур информаци-ых систем с использованием специального вычислительного устройства / Сборник ^следование операций" Института математики СибАН. Новосибирск: изд-во НовГУ, туск 12, 1991.

21. Гришин С Д. и др. Выбор орбит ИСЗ для исследования природных ресурсов Земли з книги "Космические исследования земных ресурсов". М.: Наука, 1975, с. 316-328. ЪХТунин В.И., Пчелкин В.Ф. Радиосвязь с помощью ИСЗ. - М.: Радио и связь, 1970, ; с.

22. Ъ2.Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи. М.: р, 1982, 416 с.

23. Дарнопых В.В., Малышев В.В. Планирование управления съемочной аппаратурой темы космических аппаратов / Известия Академии наук. Теория и системы управле-.-М., 1998, №6, с.136-149.

24. Дементьева Г.И., Куликова Л.И., Андронов Е.К, Андронова А.Д. Основы систем и ей связи. М.: Радио и связь, 1988, 222 с.

25. Зинцов А.Е., Можаев Г.В. Об одной задаче оптимизации движения системы спут-сов связи / Задачи оптимизации сложных технических систем. Тематический сборник гчных трудов МАИ. М.: МАИ, 1990, с.20-27.

26. Кантор Л.Я., Минашин В.П., Тимофеев В.В. Спутниковое вещание. М.: Радио и зь, 1981, 232 с.

27. Киларски Д. Спутниковые сети: данные уходят в небо / Lan Magazine. США, Л, № 8.

28. Кристофидес Н. Теория графов: алгоритмический подход. М.: Мир, 1978, 432 с.

29. AI .Лебедев A.A., Бобронников В.Т., Красильщиков М.Н., Малышев В.В. Статистичеш динамика и оптимизация управления летательных аппаратов. М.: Машинострое-е, 1985,280 с.

30. Лебедев A.A., Красильщиков М.Н., Малышев В.В. Оптимальное управление дви-нием космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1974, 200 с.

31. Малышев В.В. Программирование оптимального управления летательными аппа-гами. М.: МАИ, 1982, 76 с.

32. Малышев В.В. Синтез оптимального управления оптимального управления лета-1ьными аппаратами. М.: МАИ. 1983, 57 с.

33. Малышев В.В., Дарнопых В.В. Оптимизация программы функционирования борзой аппаратуры спутников для съемки земных объектов / Тезисы докладов II Междуродного аэрокосмического конгресса. М., 1997.

34. Малышев В.В., Карп К.А. Методы оптимизации по вероятностным критериям. -.: МАИ, 1994, 56 с.

35. Малышев В.В., Карп К.А., Дарнопых В.В., Смусев А.Ю. Параметрическая оптими-ия квантили / Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 1996, № .99-106.

36. Малышев В.В., Кибзун А.И. Анализ и синтез высокоточного управления летатель-yíh аппаратами. М.: Машиностроение, 1987, 304 с.

37. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Карлов В.И. Оптимизация наблюдения и •авления летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1989, 312 с.

38. Малышев В.В., Моисеев Д.В. Оперативное планирование процесса съемки земной ;ерхности с помощью автоматического ИСЗ / Исследование Земли из космоса. М., 2, №5, с. 104-109.

39. Малышев В.В., Федоров A.B., Карп К.А. Автоматизация решения вероятностных ач. М.: МАИ, 1995, 80 с.

40. Малышев В.В., Чернов Д.Э. Планирование съемки наземных объектов системой оматических искусственных спутников Земли / Известия Академии наук. Теория и темы управления. М., 1997, № 6, с. 76-82.

41. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир, 1981, 323 с.69 .Машбиц JI.M. Зоны обслуживания систем спутниковой связи. М.: Радио и связь, ,1, 169 с.

42. Ю.Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. М.: р, 1978, 312 с.

43. Механика космического полета / Под редакцией В.П.Мишина. М.: Машино-оение, 1989, 408 с.

44. Невдяев JI.M. Спутниковые системы. Системы спутниковой связи / Сети. М., »9, № 1-2, с.94, № 3 с.102-109, № 4, с.96-109, № 5-6, с.128-141.

45. Основы синтеза систем летательных аппаратов / Под редакцией А.А.Лебедева. -Машиностроение, 1996, 440 с.

46. Остославский КВ., Стражева КВ. Динамика полета. Траектории ЛА. М.: Ма-ностроение, 1969, 412 с.

47. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов. М.: Ма-яостроение, 1990, 480 с.

48. Скобелев А.Г. Определение порога протекания в конечных системах / ЦСКБ. Де-ированная рукопись в ЦНТИ "Поиск". Куйбышев, 1984, № 035-3405.

49. Скребушевский Б. С. Формирование орбит космических аппаратов. М.: Маши-троение, 1990, 256 с.

50. Соллогуб A.B. Алгоритм оптимального планирования работы космических аппа-ов / Космические исследования, 1983, № 1, с.34-40.

51. Теория сетей связи / Под редакцией В.Н.Рогинскрго. М.: Радио и связь, 1981, с.

52. Atkinson D., James M. Applications of AI for automated monitoring: The SHARP :em. AIAA Pap., 1990, № 5054, 9 pp.

53. Darnopykh V., Smusev A. Probabilistic Analysis and Control of aerospace systems stracts) / 44th International Astronautical Congress. Final Program. Book of Abstracts. -z, Austria, 1993, ST-93-W.2.868.

54. Garton D., Frank H. The ROSAT observation timeline scheduling algorithm and its licability to future scientific missions. AIAA Pap., 1989, № 4067, 8 pp.

55. Garton D., Frank H. ROSAT mission planning and its perspectives for planning future ;ntific missions. AIAA Pap., 1990, № 5092, 6 pp.

56. Kolar J. Druzice "Spot". Letectvi a kosmonautica, 1987, № 9, pp. 344-346.

57. Malyshev V., Bobronnikov V. Mission Planning for Remote Sensing Satellite istellation. International Workshop on Mission Design and Implementation of Satellite istellations, IAF. Toulouse, France, 1997.

58. Malyshev V., Bobronnikov V., Darnopykh V., Karp K., Krasilshikov M., Nesterenko O. >und Operations Methodology for LEO Satellite Constellation Deployment, itrol/Maintenance and Replacement. Preliminary Report. Moscow, 1996, 172 pp.

59. Malyshev V., Bobronnikov V., Darnopykh V., Shidlovsky A. Space System Toolbox, lume 7. Mission Planning. Draft Version. Moscow, 1998, 72 pp.

60. Malyshev V., Bobronnikov V., Darnopykh V., Shidlovsky A. Space System Toolbox, lume 7. Mission Planning. Moscow, 1998, 91 pp.127 .Satellite Toolkit.

61. Wickler M., Zoechinger G. Mission planning concept and system for MOMS-2P (and IRODA) / Mission Planning System Documentation. DLR/GSOC, 1995, № M2P-GSO-0-SP-001.

62. Yoshioka T., Kato T., Wakakai T. Mission scheduling expert system and its space :ion applications. AIAA Pap., 1987, № 2221, pp. 1-9.