(ПРИМЕР МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ) Ранее была изложена методика синтеза СТС, использующих ЛА в качестве носителей устройств, предназначенных для выполнения целевых задач СТС. Основные положения этой методики проиллюстрируем теперь на примере синтеза метеорологической космической системы (МКС). В настоящее время существуют три МКС: одна-в России и две-в США. В приведенном ниже примере показан подход, который мог бы быть применен в ходе синтеза этих МКС или некоторой гипотетической МКС, если бы исследователи придерживались указанной выше методики.
Имеются данные [З], которые указывают на экономические выгоды и широкие перспективы применения МКС. В настоящее время как в России, так и за рубежом из 12-месячных прогнозов погоды оправдываются лишь восемь. Поэтому метеорологи связывают возможности кардинального улучшения прогноза с созданием перспективной МКС, которая осуществляла бы глобальный обзор в режиме, близком к непрерывному.
Предположим, что перед исследователем поставлена задача:
"Определить облик МКС, обеспечивающей высокую достоверность долгосрочного прогноза погоды и стихийных явлений и значительный экономический эффект". Поскольку эта первоначальная постановка задачи недостаточно конкретна для проведения необходимого исследования, исследователь должен разработать постановку решаемой задачи, т. е. задачи, которая будет решаться математическим моделированием.
Для исключения ошибок в постановке решаемой задачи и, прежде всего, в формулировке целей и задач МКС целесообразно рассмотреть расширенную задачу, в которой исследуемая МКС является компонентом системы более высокого уровня.
Потребителем метеорологической информации является Гидрометеоцентр , а через него и целый ряд отраслей народного хозяйства. Хотя МКС способна получать весьма обширную метеорологическую информацию, она сама по себе не является единственным средством получения всего необходимого объема информации. Передаваемые из космоса данные являются весьма важным дополнением к информации, получаемой традиционными наземными, авиационными, морскими и другими средствами, которые, в основном, и используются в настоящее время.
Определение места вновь разрабатываемой МКС в общей метеорологической системе (МС) предполагает прежде всего анализ целей и задач, которые стоят перед МС, и выделение из них тех, которые должны решаться МКС. Целью функционирования МС является обеспечение народного хозяйства страны достоверной метеорологической информацией с высоким экономическим эффектом. Для этого МС должна решать следующие задачи: выдачу фактических данных о текущем состоянии погоды, краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды, предупреждений об опасных явлениях природы, прогнозов по районам специального назначения, по маршрутам кораблей, самолетов и т. д.
Для решения этих задач необходима информация о температуре, давлении, плотности и влажности воздуха, а также о таких явлениях, как облачность, осадки, ветер, туман, грозы, циклоны, ураганы, вихри, пыльные и песчаные бури, морские течения, снежный и ледовый покров, электромагнитные излучения Солнца, Земли и атмосферы в различных спектральных интервалах.
При этом для краткосрочных локальных прогнозов нужна высокая точность метеорологической информации и детальное изучение атмосферных процессов; для долгосрочных прогнозов очень важен одновременный охват больших площадей для получения обобщенной информации практически со всей поверхности Земли, особенно, с приполярных и экваториальных областей. Одновременно с наблюде-ниями, имеющими периодичность около суток, для обнаружения быстропротекающих процессов необходимы наблюдения, близкие к непрерывным (квазинепрерывные). Метеорологическая информа-ция может быть получена путем непосредственных наблюдений и измерений наземными и морскими средствами, а также дешифрования фотографических, телевизионных и инфракрасных снимков, полученных с помощью аппаратуры дистанционного зондирования, установленной на самолетах, шарах-зондах, космических аппаратах. На этих же носителях могут быть установлены радиометры для проведения радиационных измерений, средства наблюдения в микроволновом диапазоне, которые позволяют идентифицировать целый ряд характеристик облаков, выявить зоны осадков, определить содержание водяного пара в атмосфере.
Определение требований к метеорологической информации со стороны потребителей позволяет решить вопрос о том, какой аппаратурой должна быть оснащена МС. Аппаратура для решения одних и тех же задач может быть размещена на различных носителях. В зависимости от этого разрабатывают значительное количество альтернативных вариантов построения МС. Только анализ эффективности МС позволяет оценить, какой из этих вариантов является предпочтительным. Результатом такого анализа должно явиться распределение задач МС между различными носителями аппаратуры и, в частности, определение задач, стоящих перед МКС. Схема определения задач МКС на основе анализа МС аналогична схеме, рассмотренной ранее для БПЛА. Исследования по такой схеме соответствуют этапу, на котором каждая из подсистем (космическая, морская и т. п.) может быть представлена лишь самыми общими характеристиками. Вследствие чрезвычайной широты и огромного числа трудноучитываемых факторов анализ МС путем математического моделирования очень сложен. Предположим, что исследо-ватель ограничился логическим анализом МС по указанной схеме и учел имеющийся опыт эксплуата-ции метеорологических КА. Это позволило ему сформулировать перечень задач, которые МКС может решать с наибольшей эффективностью, и прийти к выводу, что максимальной эффективности МКС можно достичь при проведении ею глобальных квазинепрерывных наблюдений, которые недоступны ни одной другой группе средств получения метеоинформации.
Итак, цель-назначение синтезируемой МКС-проведение глобальных квазинепрерывных метеоро-логических наблюдений. Эту цель МКС целесообразно представить в форме совокупности технических требований.
Определение задач, которые должна решить МКС, позволяет сформулировать требования к ней, непосредственно связанные с параметрами системы. Основные требования, которые следует предъявить к МКС глобального квазинепрерывного обзора, можно разделить на две группы:
1) требования (ограничения), определяющие пригодность системы к выполнению своего целевого назначения;
2) требования, определяющие эффективность выполнения системой заданных функций и затраты ресурсов на достижение этой эффективности.
Требования первой группы, как правило, должны задаваться в форме ограничения Q 1 ? Q ср, а требования второй группы-либо в форме ограничения, либо в форме требования экстремума Q > min (max).
Различают суточные, сезонные и годовые условия. Суточные условия, в основном, зависят от высоты Солнца над местным горизонтом и метеоро-логической обстановки. Они определяют требования ко времени наблюдения в течение суток. Рекомендуемое время дня для проведения исследований зависит от задач oнаблюдения.
Погодные условия характеризуются прежде всего распределением облачности, маскирующей поверхность Земли в оптическом и тепловом диапазонах. Они могут оказать существенное влияние на требуемую частоту наблюдения того или иного объекта, а также на время наблюдения (например, в утренние часы облачность меньше).
Очевидно, что для проведения метеорологических наблюдений не играют роли погодные условия. Малозначительны также условия освещенности. Однако существенную роль может играть угол Солнца относительно оптической оси аппаратуры наблюдения ?с из-за возможной ее засветки. Обычно он должен удовлетворять ограничению ?с ? ? ср, где ? ср зависит от конструкции объектива.
Сезонные условия связаны с фенологическими факторами. В период максимальных градиентов факторов требуются наиболее частые исследования.
квазинепрерывные (метеонаблюдения, измерение некоторых характеристик океана, стихийные бедствия);
ежедневные (метеонаблюдения, наблюдения за активными вулканами, пожарами лесов, загрязнением атмосферы, развитием пыльных бурь, волнением моря и т. д.);
один раз в 1...2 недели (изучение природных ресурсов, наблюдения за снежным покровом, ледниками, морскими течениями и т. п.);
один раз в месяц или несколько месяцев (изучение эрозионных процессов, землепользования, транспортной системы и т. п.);
детальные съемки один раз в несколько лет (среднемасштабное картирование геологических строений, обновление топографических карт и другие задачи).
Для МКС непрерывного наблюдения периодичность обзора t nep = t ср. nep = 0.
5. Требования к обзорности изображения. Обзорность изображения-наиболее важный параметр космической съемки и её основное преимущество. Основной характеристикой обзорности является площадь снимаемого участка S у.
По обзорности космическую информацию можно разделить на четыре группы: 1) глобальные съемки обзорностью 10 7.-10 8 км2,. дающие изображение всего или почти всего видимого диска Земли; 2) регио-нальные съемки обзорностью 10 6...10 7 км2, дающие изображение крупных географических областей и стран; 3) локальные съемки обзорностью 10 5…10 6 км2, дающие изображения отдельных районов; 4) детальные съемки обзорностью 10 4…10 5 км2.
Для метеорологических наблюдений нужны изображения обзорностью S у = 104….106 км2.
Это одна из важнейших характеристик МКС, так как именно по ней можно судить о той отдаче, которую дает МКС для народного хозяйства, и даже о целесообразности ее создания. Экономическая эффективность непосредственно связана с тем доходом,. который дает использование системы, с одной стороны, и с затратами на нее-с другой. Требование к экономической эффективности МКС может быть задано либо в виде ограничения, когда она должна быть не ниже заданной, либо в виде требования максимума.
Экономическая эффективность является обобщенным показателем и определяется целым рядом параметров в зависимости от решаемых задач, поэтому ее оценка на начальной стадии синтеза МКС затруднительна. Поскольку экономическая эффективность зависит от основных показателей качества и эффективности МКС (качества поступающей от нее информации, оперативности и т.п.),. а также от стоимости МКС, то требование к экономической эффективности может быть трансформировано в ряд других требований, непосредственно связанных с характеристиками системы.
Под оперативностью t on понимают обычно время от момента получения информации на борту КА до момента ее передачи на Землю. Требование к оперативности существенно зависит от требуемой эффективности МКС и от временных характеристик объектов наблюдения. Особенно высокой должна быть оперативность при обнаружении стихийных бедствий и других быстроразвивающихся процессов, к которым можно отнести и метеорологические. Для метеорологической информации требуется 0 ? ? ? 6ч , либо ? > min.
Для систем, эффективность которых связана с функциониро-ванием в течение некоторого времени, важной является такая характеристика, как стоимость единицы времени активного функционирования . Требования к ней могут быть заданы как в форме ограничения , так и в форме > min.
Поскольку определяется общими затратами на МКС (Смкс) за срок функционирования Tф, то последнее требование может быть преобразовано в одно из двух: а) Смкс > min при Tф = Tф з.; б) Tф > max при Смкс = С мкс з., где Тф з. и Смкс з. - заданные значения. На каком из этих требований остановиться, можно решить лишь в процессе дальнейшего анализа.
Как всякая космическая система, МКС представляет собой совокупность согласованно действую-щих и взаимосвязанных технических средств космического комплекса (одного или нескольких) и наземного специального комплекса, предназначенную для решения целевых задач.
Космический комплекс (КК) состоит из совокупности функционально взаимосвязанных КА и наземных технических средств, предназначенных для решения целевых задач в составе КС. В состав КК входят космические аппараты (КА), ракеты-носители (РН), стартовый и технический комплексы, а также наземный oкомплекс управления (НКУ). В состав НКУ, специализированного по типам КА, входят:
командно-измерительные пункты (КИП), рассредоточенные по земному шару и предназначенные для непосредственного обмена всей контрольной и управляющей информацией с КА;
центральный командный пункт (ЦКП), который выполняет основные функции по руководству и координации работ, связанных с управлением КА, а также всех служб и средств при запусках и решении задач обеспечения полета и функционирования КА, в том числе и по взаимодействию с потребителями целевой информации;
центральный пункт управления КА (ЦПУ), который осуществляет управление КА-вырабатывает решения по управлению КА на основе оперативной оценки состояния каждого из них и системы КА в целом, оценивает степень решения целевых задач, обрабатывает и анализирует информацию, поступающую с КИП, и т. д.
Для приема, обработки и анализа поступающей от КА информации целевого назначения (специаль-ной информации) служит наземный специальный комплекс, который включает в себя пункты приема специальной информации (ППИ) и центры ее сбора и обработки. Так, для получения метеорологической информации в России существует сеть автономных ППИ, местные метеоцентры, два региональных метеоцентра и Главный центр сбора и обработки метеоинформации. Во все эти центры поступает информация не только от МКС, но и от других средств, в том числе и от международной сети. Для ее получения могут всегда использоваться и КС связи. В дальнейшем наземный специальный комплекс МКС будем называть системой приема и обработки информации (СПОИ).
Космические аппараты в составе космического комплекса представляют собой совокупность функционально взаимосвязанных КА, организованно выполняющих целевую задачу. Для этого КА должны быть определенным образом расположены относительно района наблюдения и друг друга. Совокупность КА в составе КК представляет собой подсистему, которую будем называть системой КА. Система КА имеет структуру, характеризуемую количеством КА и их взаимным положением, зависящим от их орбитальных параметров. Таким образом,. можно говорить об орбитальной структуре системы КА.
Элементом орбитальной системы является КА. Он в свою очередь состоит из целого ряда бортовых систем. Большинство из них практически не оказывают влияния на облик КС в целом, однако от характеристик некоторых из бортовых систем облик КС может зависеть весьма существенно. Выявить это-оказывается возможным в результате изучения процесса функционирования КС.
Рассмотрим операции, связанные с функционированием МКС, Они позволяют уточнить взаимосвязи между отдельными системами, входящими в состав МКС, выявить их наиболее важные, определяющие параметры, а также внешние факторы, оказывающие, существенное влияние на облик МКС.
Построение МКС, ее восполнение в процессе функционирования при случайных отказах КА и по другим причинам осуществляется наземным ракетно-космическим комплексом (НРКК). Его характе-ристики могут оказать существенное влияние на способы построения и управления МКС. Прежде всего это характеристика РН: зависимость массы полезной нагрузки от параметров орбиты выведения, случайные погрешности выведения, вероятность успешного запуска, которая зависит также и от параметров стартового комплекса. Для управления количеством КА в составе МКС может оказаться существенной возможная интенсивность пусков, определяемая временем предстартовой подготовки.
После построения системы КА может возникнуть необходимость. в ее коррекции, так как ее орбитальные параметры могут отличаться от расчетных из-за погрешностей выведения. Для этих целей на борту КА необходимо располагать системой управления движением центра масс КА, включающей корректирующую двигательную установку (КДУ) и запас рабочего тела.
Отметим, что и корректиру-ющий импульс может также выдаваться со случайными погрешностями, которые могут в процессе функционирования системы КА привести к нарушению орбитальной ее структуры и невозможности выполнения МКС целевой задачи. Чем больше запас рабочего тела на коррекцию, тем дольше КА будет управляемым.
Нарушение структуры системы КА может произойти также под воздействием внешних возмущений, связанных, главным образом, с нецентральностью поля притяжения Земли, притяжением Луны и Солн-ца, влиянием атмосферы. В таком случае также необходима коррекция орбитальных параметров КА. Контроль за орбитальной структурой системы КА, определение программы управления каждым КА осуществляет НКУ. Важное значение для задачи синтеза МКС имеют алгоритмы управления системой КА (количеством КА и коррекцией их орбит), пропускная способность НКУ, от которой зависит допустимое количество КА в МКС.
Цель функционирования МКС - получение информации о метеообстановке в околоземном пространстве, достигается с помощью соответствующей аппаратуры наблюдения, которую можно считать основной из бортовых систем. Именно от ее характеристик зависит выполнение ряда требований к МКС, определяющих ее функциональное назначение. Качество получаемого аппаратурой изображения зависит как от ее свойств, так и от внешних условий наблюдения (дымка, блики Солнца, другие внешние помехи). Чем больше масса, отводимая под аппаратуру наблюдения, тем выше качество аппаратуры, тем больше ее возможности по разрешению, обзорности и т. д.
В процессе функционирования МКС оптическая ось аппаратуры наблюдения должна быть ориенти-рована в пространстве некоторым заданным образом, что осуществляется системой ориентации и стабилизации КА. Вообще говоря, управление ориентацией КА с целью более полного наблюдения заданного района-тактический прием, который используется при управлении КС и отдельными КА. При синтезе МКС можно полагать, что угол ориентации оптической оси аппаратуры наблюдения должен быть постоянным и равным некоторому номинальному значению, выбранному в зависимости от особенностей аппаратуры и объектов наблюдения. В таком случае систему ориентации и стабилизации можно не рассматривать при синтезе МКС.
Получаемая на борту информация должна быть передана потребителю в СПОИ. Этот процесс может осуществляться в режиме непосредственной передачи, а также с промежуточным запоминанием. Для этих целей на борту должно быть бортовое запоминающее устройство (БЗУ). Возможности передачи изображения в том или ином режиме зависят, с одной стороны, от таких характеристик БЗУ, как его емкость, наличие системы предварительной обработки информации, количество каналов, скорость передачи информации и других. Все эти характеристики находятся в прямой зависимости от массы БЗУ. С другой стороны, возможность передачи изображения определяется параметрами СПОИ, количеством, местоположением и информационными характеристиками ППИ. Если для передачи информации в качестве ретрансляторов используются спутники связи, то их характеристики также могут играть весомую роль. В конечном итоге от всех этих параметров зависит оперативность передачи целевой информации системой.
Характеристики процесса получения и передачи информации определяют также ее качество или достоверность. Последняя зависит от того, насколько качественно работает аппаратура каждого КА, каковы внешние условия наблюдения, не засвечен ли объектив Солнцем, осуществляется ли наблюдение именно заданного района. Поскольку последнее событие зависит от орбитальных параметров КА, то очевидно, что повлиять на него можно проведением соответствующих коррекций, улучшив тем самым информационные характеристики каждого КА. Однако для МКС характерно получение метеоинформации об одном и том же районе от нескольких КА. Чем их больше, тем выше достоверность информации, поступающей от МКС в целом. Следователь-но, повлиять на достоверность можно выведением дополнительных КА, т. е. управлением количеством КА в системе. Достоверность информации, поступающей к потребителю, зависит также от характерис-тики СПОИ, помех и искажений в радиотракте, алгоритмов обработки информации и т. д.
Таковы основные особенности операции по применению МКС. Их анализ дает возможность сделать ряд выводов, полезных для дальнейших исследований. Определилась модель МКС, представленная в виде структурной схемы на рис. 1. Из рисунка видно, что для МКС характерна разветвленная иерархическая структура со сложными связями между подсистемами и элементами. Каждый из них характеризуется значительным количеством параметров.
Рис. 1. Модель МКС в расширенной задаче: АН-аппаратура наблюдения; СУД-система управления движением; БС-бортовые системы Из анализа операции следует, что МКС отличается высокой динамичностью и большим количеством случайных факторов, что вызывает необходимость в управлении системой КА в процессе эксплуатации МКС. Эти особенности МКС необходимо учитывать при ее синтезе.
Анализ расширенной задачи и операции с применением МКС позволяет решить вопрос о выборе показателей качества и эффективности МКС. Показатели качества характеризуют пригодность СТС к выполнению ею своего целевого назначения. Они определяются требованиями первой группы, сформулированными в разд. 1.2.1. Выполнение требования по наблюдению объектов с заданными спектральными характеристиками Sp однозначно определяется выбором типа аппаратуры. Выполнение остальных требований связано с орбитальными параметрами КА, которые являются случайными из-за случайного характера погрешностей выведения и коррекции. Тогда за показатели качества МКС можно принять вероятности выполнения требований по наблюдению заданного района, периодичности обзора, пространственному разрешению и обзорности. Вторая группа требований характеризует эффективность МКС, в том числе экономическую. В разд. 1.2.2 уже отмечалось, что обобщенным показателем эффективности МКС является экономическая эффективность от ее эксплуатации, оценка которой чрезвычайно затруднена. Такая оценка для МКС потребовала бы анализа влияния уточнения метеопрогноза на экономику различных отраслей народного хозяйства. Поэтому показатель экономической эффективности целесообразно расчленить на несколько частных показателей, от которых он зависит.
Потребитель оценивает экономическую эффективность Э по разнице между получаемым доходом Д и затратами на систему в целом С ?. Доход от МКС зависит от таких показателей эффективности МКС, как качество поступающей от нее информации и оперативность МКС.
Показателем качества информации с учетом стохастического характера наблюдения может быть вероятность получения от МКС достоверной информации Рд. Она, в свою очередь, зависит от такого же показателя для КА-Рд.ка. Достоверность информации от КА является функцией таких показателей бортовых систем, как вероятность безотказной работы РБ ,вероятность получения качественной информации аппаратурой Pan, вероятность незасветки объектива Рнз ,вероятность накрытия заданного района Рн.
Оперативность МКС t on существенно влияет на точность метеопрогноза и, следовательно, на доход от него. Она зависит от оперативности каждого КА. Оперативность КА, в свою очередь, зависит от оперативности бортовых систем, в частности оперативности аппаратуры наблюдения ? ап и ? БЗУ. Суммарные затраты потребителя на эксплуатацию МКС в целом С?, безусловно, зависят от стоимо-сти МКС. В свою очередь, эта стоимость является функцией стоимости КА, которая определяется стоимостью бортовых систем (аппаратуры наблюдения, системы управления движением, БЗУ и др.).
Дерево показателей эффективности и стоимости МКС представлено на рис. 2. Оно дает возможность провести декомпозицию задачи синтеза МКС и оценивать эффективность каждого компонента МКС по своему показателю. Тогда, при исследовании компонента данного уровня компоненты нижних уровней могут быть представлены лишь своими показателями. Кроме того, появляются основания для объективной оценки вклада компонента каждого уровня в общесистемные показатели качества и эффективности. Требования к показателям данного уровня могут быть сформулированы только на верхнем по отношению к нему уровне.
Нетрудно видеть, что каждый из уровней компонентов характеризуется несколькими показателями. Для МКС в целом это стоимость системы Смкс, достоверность информации Рд и ее оперативность ? оп С позиций потребителя желательно, чтобы в результате синтеза была выбрана МКС, для которой эти показатели принимали бы свои наилучшие значения:
Смкс > min, Pд > max, ? оп > min. Сложности решения задачи многокритериальной оптимизации известны. Особенности МКС позволяют свести задачу синтеза МКС по многим критериям к задаче оптимизации по одному критерию с ограничениями. Это связано с тем, что к МКС потребителями предъявляются очень жесткие требования по уровню достоверности информации и оперативности системы. Если они не будут выполнены, то более эффективными могут оказаться другие средства получения метеоинформации. Поэтому указанные показатели могут рассматриваться как ограничения, а условие минимальной стоимости МКС-как критерий выбора МКС.
Проведенные исследования позволяют сформулировать постановку решаемой задачи. Синтез МКС со структурной схемой, представленной на рис. 1, с огромным числом параметров и сложными взаимосвязями между ними-чрезвычайно сложная задача. Однако, основываясь на принципе декомпозиции задачи, на практике обычно считают характеристики многих подсистем и элементов известными, что позволяет существенно сократить размерность решаемой задачи.
В рассматриваемом примере будем полагать, что задача синтеза МКС в соответствии с принципом декомпозиции состоит в синтезе одной из ее подсистем-в синтезе системы КА, т. е. в определении ее орбитальной структуры (рис. 3). Будем полагать, что в составе МКС используются уже имеющиеся РН и наземные технические средства и системы (стартовый комплекс, СПОИ, НКУ и др.). Поскольку в процессе функционирования система КА претерпевает существенные изме-нения, то при ее синтезе должны вы-бираться также алгоритмы управле-ния для поддержания неизменной орбитальной структуры системы КА. Возможности управления коррекцией и выполнения ряда требований к МКС непосредственно зависят от ре-шения задачи распределения массы КА между бортовыми системами. По-этому эта задача также должна быть решена при синтезе системы КА.
Все параметры прочих подсистем, входящих в состав МКС (НРКК, СПОИ и НКУ), за исключением алгоритмов управления системой КА, будем полагать известными. При необходимости можно оценить степень их влияния на показатели качества и эффективности МКС, предъявить к ним определенные требования и т. д. Итак, решаемая задача синтеза МКС может быть сформулирована следующим образом: определить начальную орбитальную структуру системы КА и алгоритмы управления ею, а также диапазон определяющих параметров бортовых систем КА, при которых выполнялись бы ограничения на оперативность МКС и достоверность поступающей от нее информации и достигалась бы минимальная стоимость МКС.
Необходимо отметить, что на последующих этапах синтеза (при разработке математической модели и моделировании на ЭВМ) эта постановка может быть уточнена. Так, может оказаться, что постановка задачи синтеза МКС должна быть расширена включением в число выбираемых параметров тех, которые оказывают существенное влияние на показатели качества и эффективности МКС и не были учтены ранее. Может быть и обратная ситуация, когда по результатам предварительного анализа в качестве определяющих выделены параметры, оказавшиеся впоследствии слабо влияющими на показатели качества и эффективности. В таком случае размерность решаемой задачи может быть сокращена.
|
|
