Разработка комплексной методики анализа эффективности систем дистанционного зондирования земли на базе малых космических аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.09, кандидат технических наук Глазкова, Инесса Анатольевна

• Глазкова, Инесса Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Глазкова, Инесса Анатольевна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗ- 11 ВИТИЯ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЗЗ, В ТОМ ЧИСЛЕ НА БАЗЕ МАЛЫХ КА

1.1. Сравнительный анализ зарубежного и отечественно- 11 го опыта создания космических систем ДЗЗ

1.2. Обоснование создания космической системы ДЗЗ на 34 базе малых КА

1.3. Постановка задачи проектирования космической 38 системы ДЗЗ на базе малых КА

ГЛАВА 2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО 49 ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРБИТАЛЬНОГО И НАЗЕМНОГО СЕГМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЗЗ

2.1. Методика определения стоимости проектирования 49 малых КА ДЗЗ

2.2. Методика определения затрат на изготовление малых 55 КА ДЗЗ

2.3. Методика оценки эффективности системы ДЗЗ

ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИ- 68 РОВАНИЯ ДЗЗ НА ОСНОВЕ МКА

3.1. Принципы определения облика (вариантов) построе- 68 ния систем ДЗЗ на базе малых КА

3.2. Оценка эффективности функционирования проекта 69 системы ДЗЗ на базе спутников «Метеор-ЗМ» №1 и «Монитор-Э»

3.3. Оценка эффективности функционирования проекта 88 системы ДЗЗ на базе 5 проектируемых микроспутников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комплексной методики анализа эффективности систем дистанционного зондирования земли на базе малых космических аппаратов»

Актуальность темы. Космические средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) получили в настоящее время широкое применение во всем мире. Неуклонно растет разнообразие создаваемых типов космических аппаратов (КА) ДЗЗ и общее их количество. Получаемая ими космическая информация используется для решения многочисленных хозяйственных и научных задач мониторинга природной среды. На этой основе достигается ощутимое повышение эффективности производственной деятельности в таких областях, как общегеографическое и тематическое картографирование, землеустройство и землепользование, контроль источников загрязнения окружающей среды и наблюдение за экологической обстановкой в целом, гидротехника и мелиорация, лесное хозяйство, планирование и обеспечение поиска полезных ископаемых, прокладка рациональных маршрутов и снижение аварийности морского и иного транспорта, океанология и рыбное хозяйство и т.д. Важнейшее значение имеют также многолетние ряды космических данных ДЗЗ для проведения климатологических исследований, изучения Земли как целостной экологической системы, обеспечения различных изысканий и работ в интересах океанографии, океанологии, гляциологии и других отраслей науки.

Последние годы характеризуются резким ростом числа космических программ ДЗЗ, а также существенным изменением их технического, организационного, маркетингового характера. Заметен разрыв «сверхцентрализованных программ», связанных с запуском тяжелых, космических платформ и эксплуатацией затратоемких приемных и архивных центров, от стремительно растущих программ запуска малых космических аппаратов, а также развивающейся распределенной инфраструктуры приема, хранения, распространения ДЗЗ. При этом начинают лидировать программы, демонстрирующие не только наибольшую технологическую, но и «политическую» (с точки зрения ценовой и маркетинговой политики) гибкость: граница открытого и бесплатного доступа смещается в сторону более высокого разрешения (NOAA — EOS), в централизованных программах (Landsat 7, Aster) конкурентоспособным преимуществом становится политика свободного распространения и копирования данных (copyright free), в коммерческих — открытость информационных интерфейсов и гибкость лицензионной политики (RADARSAT, 1RS).

При разработке средств ДЗЗ необходимо учитывать, что качество решения социально-экономических задач зависит от информативности данных, формируемых бортовой целевой аппаратурой, оперативности и точности передачи этих данных потребителю, а также эффективности способов их последующего анализа. Параметры технических средств к началу их практического использования должны удовлетворять требования, потребителей и соответствовать техническому уровню, не уступающему уровню лучших зарубежных аналогов.

Одним из вариантов создания современной ДЗЗ является применение малых космических аппаратов (MECA) в ее орбитальном сегменте, что позволяет обслужить большое число потребителей со своими требованиями в отношении получаемой информации.

Поэтому разработка принципов и методов создания космических систем ДЗЗ на базе MICA является актуальной научно-технической задачей, имеющей прикладное значение.

Объект исследования - система ДЗЗ на базе МКА с различными вариантами построения орбитальной группировки.

Предмет исследования - система ДЗЗ на базе МКА и анализ эффективности ее функционирования.

Целью работы является повышение эффективности функционирования систем ДЗЗ на базе МКА.

Методы исследования основаны на методах системного анализа, элементах теории вероятностей, имитационного моделирования, а также параметрического анализа.

Научная новизна результатов работы состоит в разработке комплексной методики анализа эффективности функционирования систем ДЗЗ на базе МКА, включающей методику оценки эффективности функционирования системы ДЗЗ по различным показателям (оперативность и периодичность наблюдения, производительность, время наблюдения заданной территории), методику расчета стоимости проектирования МКА ДЗЗ, методику расчета затрат на изготовление МКА ДЗЗ.

Практическая значимость результатов работы заключается в создании программно-методического обеспечения, позволяющего проводить комплексную оценку эффективности систем ДЗЗ на базе МКА, а также рекомендациях по созданию космических систем ДЗЗ на базе МКА, в том числе с использованием спутников «Метеор-ЗМ №1» и «Монитор-Э» в различных комплектациях и проектируемых низкоорбитальных МКА для мониторинга заданных территорий Российской Федерации. При этом:

1. Разработано комплексное программно-методическое обеспечение для создания и оценки эффективности систем ДЗЗ на базе МКА, включающее:

•методику расчета стоимости создания МКА ДЗЗ;

•методику расчета затрат на изготовление МКА ДЗЗ;

•методику оценки эффективности функционирования системы ДЗЗ по различным показателям:

- оперативности наблюдения;

- периодичности наблюдения;

- времени наблюдения заданной территории;

- минимально необходимого времени для полного накрытия наблюдаемой территории.

2. Представлены обосновывающие расчеты, результаты анализа и сформулированы соответствующие рекомендации по созданию космических систем ДЗЗ на базе МКА.

Результаты, представленные в работе, использованы при создании реальных проектов систем ДЗЗ на базе MECA в ФГУП «ГКНПЦ имени М.В.Хруничева», ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»», ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», ГУ «НИЦ «Планета»», а также в учебном процессе кафедры «Системный анализ и управление» МАИ. Внедрение (использование) результатов работы подтверждается соответствующими актами.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием предлагаемых методов и моделей, а также их соответствием результатам разработки и эксплуатации известных космических систем ДЗЗ.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований опубликованы в 30 статьях и тезисах докладов, в том числе в 4 статьях в изданиях из рекомендованного ВАК Минобрнауки России перечня, неоднократно представлялись автором и обсуждались на международных конгрессах; -конференциях и симпозиумах, а также на научных семинарах кафедры «Системный анализ и управление» МАИ.

На защиту выносится:

1. Комплексная методика анализа эффективности функционирования систем ДЗЗ на базе МКА по различным показателям (оперативность и периодичность наблюдения, производительность, время наблюдения заданной территории) с учетом стоимости на создание МКА ДЗЗ.

2. Программно-методическое обеспечение, позволяющее проводить комплексную оценку эффективности систем ДЗЗ на базе МКА.

3. Результаты сравнительного анализа эффективности целевого функционирования различных проектов систем ДЗЗ с применением предложенной методики и соответствующие рекомендации по созданию КС ДЗЗ на базе МКА.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 разделов, заключения, списка литературы из 82 наименований и 3 приложений. Объем основного текста диссертации составляет 102 страницы машинописного текста, включает 37 рисунков, 16 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Динамика, баллистика, дистанционное управление движением летательных аппаратов», Глазкова, Инесса Анатольевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки комплексной методики анализа эффективности систем ДЗЗ на базе МКА. Получены следующие основные научные и практические результаты, прошедшие апробацию на реальных проектах ДЗЗ на базе МКА:

1. Разработана комплексная методика анализа эффективности систем ДЗЗ по различным показателям (оперативности наблюдения; периодичности наблюдения; производительности; времени наблюдения заданной территории), включая расчет стоимости проектирования и затрат на изготовление МКА ДЗЗ.

2. Разработано программно-методическое обеспечение для проведения имитационного моделирования процесса целевого функционирования систем ДЗЗ с различными вариантами построения орбитальных группировок.

3. Проведен сравнительный анализ некоторых орбитальных группировок ДЗЗ на базе МКА и даны рекомендации по созданию соответствующих систем ДЗЗ:

• КА «Метеор-ЗМ №1» и «Монитор-Э» в различных комплектациях;

• проектируемых микроспутников, предназначенных для мониторинга территории Российской Федерации.

4. Проведен анализ состояния и определены основные тенденции развития отечественных и зарубежных космических средств ДЗЗ на базе МКА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Глазкова, Инесса Анатольевна, 2010 год

1. Аванпроект ИСС природно-ресурсного назначения, ФКА, ФГУП РНИ-ИКП, ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ФГУП ЦНИИМАШ, ФГУП ЦКН; М; 2004 г.

2. Антипов В.Н. и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. — М; Радио и связь, 1996 г.

3. Гарбук С., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. — М., 1997.

4. Гершензон В.Е., Смирнов Е.В., Элиас В.В. «Информационные технологии в управлении качеством среды обитания». — М; Academia, 2003 г.

5. Глазкова И.А. — «Новый российский космический аппарат дистанционного зондирования Земли«Монитор-Э», II Международная конференция «Земля из космоса — наиболее эффективные решения», г. Москва, 2005 г

6. Ю.Глазкова И.А. «Комплексная космическая система дистанционного зондирования Земли «Монитор», журнал «Аэрокосмический курьер», №1 (25), 2003 г.

7. Глазкова И.А. «Космическая система ДЗЗ «Монитор», участие в Глобальной системе мониторинга окружающей среды и безопасности — GMES», симпозиум «Космическая промышленность России и Украины в XXI веке», г. Париж, 2001 г.

8. Глазкова И.А. «Позитивный опыт эксплуатации КА «Монитор-Э», журнал «Аэрокосмический курьер», № 2 (50), 2007 г.

9. Глазкова И.А. «Программа дистанционного зондирования-Земли «Монитор», V Международный симпозиум по малым космическим аппаратам, г. Ля Боль, Франция, издательство Французского космического агентства, 2000 г.

10. Глазкова И.А. «Программа дистанционного зондирования Земли ГКНПЦ им. М.В.Хруничева», Информационный бюллетень ГИС — Ассоциации № 1 (23), г. Москва, 2000 г.

11. Глазкова И.А. «Успешное завершение летных испытаний КА ДЗЗ «Монитор-Э», журнал «Аэрокосмический курьер», № 2 (44), 2006 г.

12. Глазкова И.А. «Центр Хруничева создает «Монитор», журнал «Новости космонавтики», том 12 №1 (228), г. Москва, 2002 г.

13. Глазкова И.А. «Что мешает сотрудничеству с Европой?», Авивционно-космическая газета, №3 (9) март 2004 г.

14. Глазкова И.А., Михайлов Е.В., Горохова М.А. — «Основные направления использования космической информации, получаемой с космического аппарата «Монитор-Э», 31-й Международный симпозиум по дистанционному зондированию Земли, г. Санкт-Петербург, 2005 г.

15. Глазкова И.А., Михеев О.В., Панфилов A.C., Положенцев А.Е., Хатулев

16. Глазкова И.А., Михеев О.В., Панфилов A.C., Хатулев В.А. «Малый космический аппарат дистанционного зондирования Земли «Монитор-Э» разработки ГКНПЦ им. М.В.Хруничева и создание орбитальной группировки на его основе», МАИ, г. Евпатория, 2004 г.

17. Глазкова И.А., Нестеренко A.A. «Система ДЗЗ на основе малых КА», журнал «Аэрокосмический курьер», №1 (37), 2005 г.

18. Глазкова И.А., Нестеренко A.A. «Оптимизация технического облика системы глобального мониторинга окружающей среды (GES), 12-я Международная научная конференция «Системный анализ управления и навигация», г. Евпатория, 2007 г.

19. Глазкова И.А., Серо В., Берль Р. «Общеевропейская система мониторинга окружающей среды GES», Международная конференция EURISY, г. Москва, 1999 г.

20. Глазкова И.А., Соколов O.A. «Первые авиакосмические салоны нового тысячелетия в Азии», 2000 г.

21. Глазкова И.А., Шкарин В.Е., Стефанский М.А. «Развитие программы дистанционного зондирования Земли ГКНПЦ им. М.В.Хруничева», I Международная конференция «Земля из космоса — наиболее эффективные решения», г. Москва, 2003 г.

22. Глазкова И.А., Юрченко Б.А. «Система дистанционного зондирования Земли ГКНПЦ им. М.В.Хруничева», Ш Международный симпозиум Международной академии астронавтики (IAA), г. Берлин, 2001 г.

23. Глазкова И.А., Юрченко Б.А., Седельников В.П., Лукашевич Е.Л. «Использование детальной цифровой космической информации в интересах Роскартографии. (первый отечественный опыт — космический аппарат «Монитор») », журнал «Геодезия и картография», №4, 2006.

24. Горелов В.А., Лукашевич В.А., Стрельцов В.А., Космические системы дальнего наблюдения Земли // Ежегодный обзор. — М.: ГИС-Ассоциация, 1999. Вып. 4 (1998). - с. 26 - 35.

25. Гречищев A.B., Лихачев Ю.А. Космические системы дистанционного зондирования Земли // Ежегодный обзор. М.: ГИС-Ассоциация, 1999. — Вып. 4 (1998). - с. 83 - 92.

26. Д. Лоули, А. Максвелл «Факторный анализ как статистический метод». — М; Мир 1969 г.37.3акон Российской Федерации об обеспечении единства измерений. 1993 г.

27. Киенко Ю.П. Основы космического природоведения. — М.: Геодезиздат, 1999.

28. Киселев И.А., Коростелев А.Н., Нараева М.К., Панфилов A.C., Романов A.B. Контроль энергетических характеристик многозональных сканирующих устройств ИСЗ «Pecypc-Ol» // Исследование Земли из космоса. 1991. №2. С. 34-43.

29. Концепция создания космической системы для мониторинга природной среды, М. РКА, 1994 г.

30. Координационно-аналитический центр дистанционного зондирования Земли ГКНПЦ им. Хруничева. Эскизный проект. Пояснительная записка УАЮВ.466515.001 ПЗ. Книга 1. Координационно-аналитический центр. -НИИ ТП, М., 2000, С. 143.

31. Космическая система «Ресурс» для исследования природных ресурсов Земли и контроля окружающей среды. Оперативная подсистема «Ресурс-О» для наблюдения суши: Справочное пособие / под ред. Гусева Л.И. и др. М., Главкосмос, 1988.

32. Космические снимки Земли. ИПРЖР, 2002 г.

33. Космические снимки Земли. Спутнико-оптические снимки Земли с высоким разрешением, ИПРЖР, 2001 г.

34. Малышев В.В., Бобронников В.Т., Красилыпиков М.Н., Нестеренко О.П., Федоров A.B. «Спутниковые системы мониторинга». МАИ, 2000 г.

35. Материал: Первая Международная конференция «Земля из космоса наиболее эффективные решения». М., 2003 г.

36. Материалы международной конференции «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация. Области эффективного применения в XXI веке». М. 1998; 2000; 2002 г.

37. Межведомственные методики определения затрат на опытно-конструкторские работы и серийных образцов (комплексов) космических средств. 1/11070. Организация «Агат», 1987 г.

38. Мельканович А.Ф. Фотографические средства и их эксплуатация: JL: МО СССР, 1984 г.-576 с.

39. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (Вторая редакция). Официальное издание. М.: Экономика, 2000 г.

40. Милов Ю.Г. Характеристики эффективности дистанционного зондирования Земли космическими системами, Научные труды МГУЛ, № 302(11),1999 г.

41. Наземный комплекс приема и первичной обработки информации КА системы ДЗЗ ГКНПЦ им. Хруничева. Инженерная записка. РНИИ КП, М.,2000 г., с. 148.

42. Научно-технический отчет «Анализ задач контроля чрезвычайных ситуаций и требований к информации ДЗЗ, используемой для их решения», ГУП «Экспертно-инновационный центр» ГУ ГОЧС г. Москвы, М., 1999 г.

43. Научно-технический отчет «Анализ российских и зарубежных космических программ ДЗЗ и требований потребителей к космической информации». ЦНИИМАШ, 1999 г.

44. Научно-технический отчет «Разработка предложений по формированию облика координационно-аналитического центра службы GES», ПЗИИПЦ «Природа», М., 1999 г.

45. Основы синтеза системы летательных аппаратов, под ред. A.A. Лебедева, М., Машиностроение, 1987 г.

46. Отчет «Анализ задач охраны водных ресурсов и требований к средствам ДЗЗ, используемым для их решения», 11 И, С-Петербург, 1999 г.

47. Отчет «Анализ методов и средств дистанционного зондирования Земли для решения задач геоэкологического и геологического картирования», ГНПП «Аэрогеология», М., 1998 г.

48. Отчет о выполнении научно-исследовательской работы по теме «Разработка требований к средствам дистанционного зондирования Земли в интересах лесоведения и лесного хозяйства», Международный институт леса, М., 1998 г.

49. Панфилов A.C., Глазкова И.А., Оценка точности предполетной радиометрической калибровки оптико-электронной съемочной аппаратуры видимого и ближнего ИК диапазонов длин волн // Исследование Земли из космоса. 2003 г. № 5. С. 43 50.

50. Панфилов A.C., Метрологические аспекты измерений оптических характеристик системы «поверхность Земли-атмосфера» по результатам съемки из космоса // Исследование Земли из космоса. 2002 г. № 5. С. 15 — 21.

51. Положение РК-98 «О порядке создания серийного производства и эксплуатации ракетных и космических комплексов». Постановление Правительства РФ от 22.07.98 № 819-31.

52. Программа научных и прикладных исследований в ходе летно-конструктивной эксплуатации КА «Монитор-Э». М., Академия наук Российской Федерации, 2001 г., с. 22.

53. РМГ 29-99 Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

54. Справочник по надежности и эффективности, т. 8 «Эффективность систем», М., Машиностроение, 1990 г.

55. Технический отчет по составной части технического предложения «Разработка технологии системного управления, орбитального построения и целевого использования ИСС», М., «Интелтех», 2003.

56. Техническое предложение на интегрированную спутниковую систему. Книга 4. Пути развития ИСС и ее инфраструктуры в целях построения эффективной системы ДЗЗ. РНИИ КП. М., 2003.

57. Чандра A.M., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. М.: Техносфера, 2008. 312 с.

58. Чернов А.А., Чернявский Г.М. Орбиты спутников дистанционного зондирования Земли. Лекции и упражнения. М.: Радио и связь. 2004. 200 с.

59. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. М.: Связь, 1978. 240 с.

60. Herbert J. Kramer «Observation of the Earth and its Environment Survey of Missions and Sensors». Springer-Varlag, New-York Inc., 1995.

61. Herbert J. Kramer, Observation of the Earth and Its Environment. Survey of Missions and Sensors, 4rd Enlarged Edition: Berlin: Springer-Varlag, 2001.

62. Hovis W.A., Knoll J.S., Smith G.R. Aircraft Measurements for Calibration of Orbiting Spacecraft Sensor // Appl. Opt. 1985. V.24 №3. P. 407-410.

63. Price J.C. Calibration Comparison for the Landsat 4 and 5 Multispectral Scanners and Thematic Mappers // Appl. Opt. 1989. V.28 №3. P. 465-471.79.Space News, 2000 2002.

64. Small Satellites for Earth Observation, 3rd International Symposium of the International Academy of Astronautics, Berlin, April 2-6, 2001.

65. Small Satellites for Earth Observation, 4th International Symposium of the International Academy of Astronautics, Berlin, April 2-6, 2003.

66. Small Satellites for Earth Observation, 5th International Symposium of the International Academy of Astronautics, Berlin, April 4-8, 2005.