Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ основных направлений развития космических систем дзз, в том числе на базе малых КА
1.1. Сравнительный анализ зарубежного и отечественного опыта создания космических систем ДЗЗ 11
1.2. Обоснование создания космической системы ДЗЗ на базе малых КА 34
1.3. Постановка задачи проектирования космической системы ДЗЗ на базе малых КА 38
ГЛАВА 2 Методические основы системного проектирования орбитального и наземного сегментов космической системы ДЗЗ
2.1. Методика определения стоимости проектирования малых КА ДЗЗ 49
2.2. Методика определения затрат на изготовление малых КАДЗЗ 55
2.3. Методика оценки эффективности системы ДЗЗ 58
ГЛАВА 3 Оценка эффективности функционирования ДЗЗ на основе МКА 68
3.1. Принципы определения облика (вариантов) построения систем ДЗЗ на базе малых КА 68
3.2. Оценка эффективности функционирования проекта системы ДЗЗ на базе спутников «Метеор-ЗМ» №1 и «Монитор-Э» 69
3.3. Оценка эффективности функционирования проекта системы ДЗЗ на базе 5 проектируемых микроспутников 88
Заключение 102
Список литературы 103
Приложения 109
- Обоснование создания космической системы ДЗЗ на базе малых КА
- Методика определения затрат на изготовление малых КАДЗЗ
- Оценка эффективности функционирования проекта системы ДЗЗ на базе спутников «Метеор-ЗМ» №1 и «Монитор-Э»
- Оценка эффективности функционирования проекта системы ДЗЗ на базе 5 проектируемых микроспутников
Введение к работе
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 многих хозяйственных и научных задач мониторинга окружающей среды. На этой основе достигается ощутимое повышение эффективности производственной деятельности в таких областях, как картографирование, землеустройство и землепользование, контроль источников загрязнения окружающей среды и наблюдение за экологической обстановкой, сельское хозяйство, лесозаготовки и лесовосстановление, планирование и поиск полезных ископаемых, прокладка рациональных маршрутов 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 океанологии и других отраслей экономики и 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 центров, от стремительно растущих программ запуска малых космических аппаратов, а также развивающейся распределенной инфраструктуры приема, хранения, распространения информации ДЗЗ. При этом начинают лидировать программы, демонстрирующие не только наибольшую технологическую, но и стратегическую (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, IRS).
При разработке средств ДЗЗ необходимо учитывать, что качество решения социально-экономических задач зависит от информативности данных, формируемых бортовой целевой аппаратурой, периодичности наблюдения, оперативности передачи этих данных потребителю, а также эффективности способов их последующей обработки. Параметры технических средств к началу их практического использования должны удовлетворять требованиям потребителей и соответствовать техническому уровню, не уступающему уровню лучших зарубежных аналогов.
Одним из вариантов создания современной системы ДЗЗ является применение малых космических аппаратов (МКА) в ее орбитальной группировке, что позволяет обслужить большое число потребителей со своими требованиями к получаемой информации. Поэтому разработка принципов и методов создания систем ДЗЗ на базе МКА 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 микроспутников для мониторинга заданных территорий Российской Федерации.
Результаты, представленные в работе, использованы при создании реальных проектов систем ДЗЗ на базе МКА 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 [1-4] 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:
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.
Программно-методическое обеспечение, позволяющее проводить комплексную оценку эффективности систем ДЗЗ на базе МКА.
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.
Обоснование создания космической системы ДЗЗ на базе малых КА
Проект QUICKBIRD (масса спутника 816 кг) имел два преимущества перед конкурентами: самое высокое пространственное разрешение до 1 м и самый большой размер кадра на местности -22 км вместо 11 км - IKONOS и 8 км - ORBVIEW - 3 и 4. В ноябре 2000 г. состоялся неудачный запуск КА QUICKBIRD - 1. Несмотря на вторую неудачу, компания EARTHWATCH продолжила работы по созданию КА QUICKBIRD — 2 . В 2001 году она была переименована в компанию DIGITALGLOBE. Было принято решение о снижении высоты рабочей орбиты до 480 км, что позволило улучшить разрешение камеры в панхроматическом режиме съемки до 0,61 м.
Масса КА составила 990 кг, запуск осуществлен в октябре 2001 г. Срок активного существования КА QUICKBIRD-2 составляет 7 лет. Характерной особенностью КА является возможность получения стереопар, на основе которых могут быть разработаны цифровые модели рельефа местности и использование режима наведения камеры на объекты путем разворота корпуса КА.
Проект ORBVIEW. В 1990 году отделение OPTICAL SYSTEMS компании ITEK приступило к работам по проекту EYEGLASS космической системы съемки поверхности Земли с высоким разрешением. В дальнейшем эта компания была трансформирована в ORBITAL IMAGING и к проекту присоединились компания SAMSUNG Aerospace (Республика Корея), EIRAD (Саудовская Аравия), PHILIPPINE SATELLITE (Филиппины). В состав системы вошли 2 КА ORBVIEW — 3 и ORBVIEW — 4 со сроком активного существования 5 лет. В качестве платформы для ORBVIEW — 3 использовалась платформа MICROSTAR массой 146 кг, а для ORBVIEW - 4 платформа PERASTAR массой 170 кг. Масса КА ORBVIEW - 4 составила 360 кг. Запуск КА ORBVIEW -4 состоялся в 2001 году, но оказался аварийным. КА ORBVIEW - 3 и 4 оснащены оптоэлектронной аппаратурой с высоким разрешением, работающей в панхроматическом и многоспектральном режимах, а КА ORBVIEW - дополнительно гиперспектральной камерой.
Проект EROS. В 1991 году израильская государственная компания IAI (Israel Aircraft Industries) приступила к разработке системы ДЗЗ с высоким разрешением. В последствии к ней присоединилась американская компания CST (Core Software Technologies). В 1997 году для продолжения работ по проекту был создан американо-израильский холдинг WIS (West Indian Space). В 2000 г. к работе были привлечены капиталы европейских инвестиционных компаний и совместная компания WIS была заменена на ISI (ImageSat International), которая стала оператором системы.
При полном развертывании системы предполагается использовать два спутника первого поколения серии EROS-A и шесть спутников второго поколения EROS-B. КА будут выводиться на круговые ССО с наклонением 97,4 град, и высотой 480 км и 600 км (второе поколение КА). Полная система позволит обеспечить периодичность наблюдения до двух раз в сутки. В декабре 2000 г. был проведен успешный запуск КА EROS-1А массой 280 кг. с расчетным сроком активного существования 6 лет. Разрешение панхроматической съемочной аппаратуры - 1,8 м.
По первоначальным планам развертывания системы предполагалось осуществить запуск спутника EROS-A2 в конце 2001 года, EROS- В1 в начале 2002 года и еще шести спутников серии EROS-B -до конца 2004 года. В феврале 2001 года руководство компании ISI объявило об отказе от плана запуска второго КА EROS -А.
КА серии EROS-B имеют массу 350 кг и расчетный срок активного существования 10 лет. Камера HRS (High Resolution System) обеспечивает съемку в панхроматическом (с разрешением 0,82 м) и многоспектральном режимах.
Проект OFEQ. Два экспериментальных малых КА OFEQ массой около 200 кг предназначенных для отработки съемочной аппаратуры были выведены на орбиту в 1988 и 1990 гг. В 1995 году был запущен малых КА оптоэлектронной разведки OFEQ - 3. Масса КА составила 225 кг. Общая масса полезной нагрузки - 36 кг. На КА была установлена оптоэлектронная камера HREIC (High Resolution Earth Imaging Camera) с разрешением 16 м. Срок активного существования КА составил 2 года.
В мае 2002 года состоялся запуск КА OFEQ-5, являющегося КА нового поколения. (КА OFEQ-4 потерпел неудачу при запуске). Масса КА составила 300 кг, срок существования — 4 года. Разрешение съемочной аппаратуры в панхроматическом режиме - 0,5 - 1 м. Готовится к запуску новый КА серии OFEQ.
Проект малых КА двойного назначения серии PLEIADES разработан на основе программы SPOT и связан с разработкой по заказу CNES — Национального космического агентства Франции двух КА с оптоэлектронной аппаратурой высокого разрешения. Запуски этих КА планируются в 2008 - 2010 гг. Основной разработчик КА - европейская компания ASTRIUM , компания-ALCATEL совместно с SODERN и LABEN отвечает за создание целевой аппаратуры. Масса КА составит примерно 900 кг, высота орбиты 694 км, наклонение 98 град. КА планируется оснастить оптоэлектронной камерой с разрешением 0,7 м, созданной на основе камеры HRG КА SPOT . PLEIADES являются частью общеевропейской системы, которая включает также и космический радиолокационный сегмент - КА COSMO-SKYMED разработки итальянской компании Alenia Spazio.
Английская компания SSTL на протяжении 20 лет занимается созданием мини КА ДЗЗ по заказу стран не располагающих своей космической промышленностью, но имеющих потребности в решении различных социально-экономических задач с помощью аэрокосмических методов.
Мини-КА разработки SSTL на базе платформы CONTELLA предназначены для оптической съемки поверхности Земли в составе системы наблюдения районов ЧС DMC (Disaster Monitoring Constellation) и системы оптического наблюдения EOS (Earth Observation System) в интересах экологического мониторинга, исследования природных ресурсов и решения других задач научно-прикладного характера.
В проекте DMC планируется 5 КА, равномерно размещенных в одной орбитальной плоскости, каждый из спутников оснащен многоспектральной оптической аппаратурой с разрешением 36 м, и полосой обзора - 600 км, что обеспечит ежедневный просмотр любого района Земли. SSTL разработала также объекты наземной инфраструктуры: центр управления полетом и станции приема информации. В случае участия в программе, каждая страна-участница оплачивает изготовление и запуск собственного спутника, станции приема информации и центра управления полетом, а также подписывает соглашение об использовании и распространении информации.
Компания SSTL имеет значительный опыт создания малых спутников серии UoSAT. Всего до 2004 года запущено около 20 КА данной серии. Рабочая орбита КА - солнечно-синхронная высотой 650-680 км. Масса КА около 300 кг. За последние годы были созданы следующие КА: UoSAT —12, Tiungsat —1 (Малайзия), ALSAT -1 (Алжир), BILSAT-1 (Турция), NigeriaSAT - 1 (Нигерия), UK-DMC, Pico-SA, Rapid Eye и др.
В настоящее время закончены работы по созданию спутника TOPS AT в интересах Министерства обороны Великобритании. Это первый КА военной оптоэлектронной разведки Великобритании. В финансировании проекта участвует BNRC - Британский национальный космический центр. Масса КА — 110 кг. Основная целевая нагрузка — оптикоэлекронная камера с разрешением 2,5 м в панхроматическом режиме и 5 м в многозональном. Запуск КА TOPSAT осуществлен 27 октября 2005 года.
Методика определения затрат на изготовление малых КАДЗЗ
Существенная часть требований потребителей к периодичности обновления информации (от 6 мин до одних суток, что позволило бы решать 100% задач группы 1, 67% - группы 2, 97% - группы 3 или -60% задач ДЗЗ в видимом, ИК и СВЧ диапазонах волн) в настоящее время не выполняется вследствие ограниченного состава орбитальной группировки.
Переход к малоразмерным КА позволит в будущем создавать достаточно многочисленные национальные ОГ, которые при условии международной интеграции будут способны выполнять наиболее жесткие требования по оперативности доставки данных от 6 мин до одних суток. 3. Оперативность доставки данных в настоящее время составляет величину от 0,5 до 1 месяца, что для большинства потребителей явно недостаточно. По вышение оперативности доставки данных связано с созданием бортовых и на земных средств передачи данных с большей пропускной способностью (совре менные отечественные средства имеют максимальную скорость передачи циф ровой информации -61 Мбод, после 2000 года - в два раза больше), созданием более совершенных бортовых средств сокращения избыточности передавае мых данных ДЗЗ и более широкое использование наземных и космических те лекоммуникационных систем связи для оперативного доведения данных ДЗЗ до потребителей. Анализ научно-технического задела, имеющегося по этим проблемам позволяет сделать вывод, что в перспективе целесообразно проработать возможности: - создания и внедрения на борту КА технологий автоматической целевой интерпретации данных ДЗЗ, что в принципе может позволить сократить объём передаваемых данных на 3-8 порядков без потерь целевой информации (недостаток - крайне высокая сложность); - создания и внедрения на борту КА технологий информационного ком-плексирования датчиков ДЗЗ (например, типа ОЭ и РЛ), которые в некоторых случаях позволяют сократить объём передаваемых данных в 2-10 раз без потерь целевой информации (недостаток - высокая сложность). Таким образом, требования приоритетных потребителей данных ДЗЗ можно выполнить при проведении дополнительных исследований вопросов: - создания более совершенных бортовых средств ДЗЗ в СВЧ и ИК диапазонах волн с оперативно перестраиваемыми разрешением, полосой обзора и захвата, направлением визирования; - создания более совершенных бортовых средств обработки данных ДЗЗ на основе технологий комплексирования датчиков видеоданных, а также автоматической целевой интерпретации этих видеоданных. 4. Задачи экологического мониторинга и, в частности, задачи обнаружения локальных газовых загрязнений в настоящее время существующими средствами не решаются и требуют разработки нового класса приборов (газовизоров) с разрешением 30-50м и высоким спектральным разрешением (до 1-2 нм (0,1-Ю,05 см"1) в тепловом ИК-диапазоне). 5. Задачи мониторинга почвенно-растительных и водных объектов и, в т.ч., задача мониторинга районов повышенной биопродуктивности Мирового океана существующими отечественными системами решаются не в полной мере главным образом вследствие недостаточного спектрального разрешения и числа используемых спектральных каналов. Зарубежные системы позволяют решать эти задачи аппаратурой ЕТМ (Landsat), VEGETATION (SPOT), ATSR-2 (ERS-2), OSTS (ADEOS), MERIS (ENVISAT) (см. таблицу 1.4.1). 6. Значительный потенциал повышения полноты решения задач потребителей заключен в совместном использовании радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) и пассивных ОЭ датчиков двумерных изображений. В настоящее время в России и за рубежом известны многочисленные разработки РСА для КА. На функциональном уровне РСА (как датчик высокодетальных изображений) имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными пассивными ОЭ датчиками: - устраняется снижение эффективности КС ДЗЗ вследствие недостаточного солнечного освещения и влияния облачности; разрешение (в диапазоне 2-40 м), направление визирования и полоса обзора у РСА могут оперативно изменяться (например, программным путём без изменения размеров, формы и даже ориентации в пространстве антенны РСА в отличие от пассивных ОЭ датчиков, применительно к которым фактически возникает необходимость в использовании в КА нескольких оптических систем с разным разрешением и полосой обзора). К достоинствам пассивных ОЭ датчиков при их совместном использовании с РСА можно отнести: - возможность формирования цветных изображений; - возможность формирования изображений подстилающей поверхности (в случае использования РСА визируемый участок Земли должен находиться в стороне от линии пути КА); - отсутствие геометрических искажений образов объектов сложной формы, которые характерны для РСА, что важно при визуальном анализе данных ДЗЗ; - отсутствие дополнительных относительных смещений и поворотов образов различных визируемых объектов в пределах изображения в условиях их относительного движения. 7. В последние годы в США интенсивно разрабатываются ОЭ датчики нового поколения - лазерные локаторы с СА. Например, известна модель локатора, использующая в качестве генератора импульсный лазер на СО2- Считается, что такая модель служит основой при разработке локационной системы с высоким разрешением,- реализуемым при дальностно-доплеровской" обработке зондирующих сигналов. В оптическом приёмнике используются длительные выборки сигнала с многоканальной схемой анализа частотных составляющих для извлечения информации о дальности. Частота следования зондирующих импульсов (100 Гц) соответствует предельной дальности действия локатора (при формировании высококачественного изображения объекта) равной 1500 км. Такой локатор помимо вышеперечисленных достоинств РСА может иметь преимущество перед РСА по массогабаритным характеристикам за счёт того, что при равных значениях ширины главного лепестка диаграммы направленности ( 10" рад.) оптическая система на выходе лазерного локатора значительно меньше по размерам и массе, чем антенна дециметрового или даже сантиметрового диапазонов волн. Такой локатор будет иметь преимущество перед пассивными ОЭ датчиками по массогабаритным характеристикам за счёт того, что: - при равных разрешениях на местности (в диапазоне 2-40 м) оптическая система пассивного ОЭ датчика должна иметь многолепестковую структуру физической диаграммы направленности с пшриной каждого лепестка порядка 10" рад против 10"2 рад у лазерного локатора (разрешение лазерного локатора с СА как и РСА определяется не шириной физической диаграммы направленности, а другими факторами); - оптическая система активного локатора ИК диапазона менее требовательна к охлаждению или может вообще обходиться без него; - разрешение и направление визирования лазерного локатора с СА менее критичны к колебаниям конструкций КА, что снижает требования к качеству угловой стабилизации, которую к тому же проще и легче обеспечивать для менее тяжёлой и габаритной конструкции оптической системы локатора.
Как радиолокатор так и лазерный локатор могут строиться на основе в значительной мере унифицированного программно-методического и аппаратурного (видеочастотные тракты, спецвычислители, память и др.) обеспечения. Такой принцип построения бортовых локационных средств обеспечивает минимум затрат на разработку, производство и эксплуатацию КА с радиолокационными и ОЭ средствами ДЗЗ с оперативно задаваемым разрешением из диапазона 2-40 м.
Оценка эффективности функционирования проекта системы ДЗЗ на базе спутников «Метеор-ЗМ» №1 и «Монитор-Э»
Стоимость космического сегмента является одним из важнейших показателей, от которых зависит ее экономическая эффективность. В случае коммерческой системы от нее непосредственно зависит прибыль, получаемая в процессе функционирования космического сегмента. Для некоммерческой системы вопрос о стоимости системы также является весьма важным. В связи с этим для космического сегмента любого класса стоимость системы должна в той или иной форме учитываться в критерии оптимальности при проектировании.
Главная трудность в оценке стоимости при проектировании системы состоит в том, что методики для этих оценок разрабатываются специалистами-экономистами, они перегружены сугубо экономическими параметрами и деталями. В то же время для этапа проектирования спутниковой системы необходимы простые модели, которые бы, тем не менее, достаточно полно отражали зависимость стоимости системы от выходных ее характеристик, от основных проектных параметров, которые должны выбираться на этапе системного проектирования.
На этапе системного проектирования может быть успешно использована модель стоимости, предложенная D. Koelle. В соответствии с ней в стоимость системы С включаются затраты на проектирование С1, производство С, развертывание системы С1 и управление ею С т.е.
Для приближенной оценки стоимости системы за весь срок функционирования можно использовать следующее соотношение где Ad, yd,.Ap, ур - эмпирические коэффициенты, a d- коэффициент сложности проектирования системы (по сравнению с одиночным спутником); Мка- масса спутника; С1 - удельная, стоимость выведения 1 кг массы спутника на орбиту с известными параметрами; Cs - затраты на обслуживание системы в единицу времени; Т - время функционирования системы; NT - суммарное число спутников, необходимых для функционирования системы в течение времени относительная масса аппаратуры наблюдения. Эмпирические коэффициенты существенно зависят от уровня развития техники и нуждаются в периодическом уточнении на основании обработки статистических данных по различным спутникам и ракетам-носителям. Поскольку часть КА уже функционирует, а часть находится на стадии разработки, то на данном этапе целесообразнее всего оценить стоимость космического сегмента как сумму стоимостей включаемых в его состав КА. Стоимость малого КА оценивается примерно в 50 млн. $.- Оценку стоимости анализируемых вариантов космического сегмента целесообразно уточнять по мере получения дополнительной информации. Основным требованием выбора перспективного проекта оптимального варианта на предприятии является его технико-экономическая целесообразность. При рассмотрении исследуемого изделия на предмет его технико-экономического обоснования необходимо иметь представление о его техническом уровне, что особенно важно при сравнении альтернативных вариантов по методу «стоимость - эффективность». Выходные технические параметры космических систем на основе перспективных КА, характеризующие их технический уровень, оказывают существенное влияние на стоимостные показатели. Практика определения затрат по созданию средств ДЗЗ показывает, что улучшение технических параметров, в частности, использование новых технологий, переход к маломассогабаритному исполнению, негерметичному конструированию бортовой аппаратуры и т.д. приводит к естественному возрастанию затрат на разработку и изготовление МКАДЗЗ. В процессе повышения качества технико-экономического обоснования методическое обеспечение расчетов затрат на создание космических систем ДЗЗ непрерывно совершенствуется как в части методических подходов к разрабатываемым моделям, так и в части численных значений применяемых статистических коэффициентов. Следует отметить, что определение затрат на ОКР и изготовление КА в зависимости от параметра массы изделия, проводимое до сравнительно недавнего времени согласно разработанным межведомственным методикам, в настоящее время представляется нецелесообразным. Расчет затрат на ОКР и изготовление современных наукоемких КА ДЗЗ в зависимости от его массы дает существенные отклонения от фактических значений, так как массовые характеристики не совсем точно реагируют на повышение технического уровня КА ДЗЗ (производительность, разрешение, полосу обзора, срок активного существования КА, оперативность доставки информации и т.д.), а также на изменение элементной базы, используемые технологии и материалы, применительно к маломассогаба-ритным изделиям. В связи с этим, большую точность в расчетах обеспечивает метод определения затрат на создание космической системы ДЗЗ в зависимости от технического уровня КА. Использование этого метода предопределяет обработку определенного объема статистических материалов, при этом находятся корреляционные зависимости, связывающие стоимостные показатели космической системы ДЗЗ с техническими параметрами. В настоящей главе приведены результаты работ по совершенствованию и доработке нормативно-методической базы оценки затрат на ОКР и изготовление МКА ДЗЗ. Нормативно-методическая база для определения затрат на ОКР и изготовление МКА ДЗЗ и их основных элементов, агрегатов и систем разработана организацией «Агат» по результатам обработки статистической информации за период 1998 - 2008 годах. Настоящая методика предназначена для определения -затрат на опытно-конструкторские работы и изготовление маломассогабаритных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли на стадиях: научно-исследовательских работ; разработки тактико-технического задания; разработки технических предложений; разработки эскизного проекта. Под затратами на ОКР понимаются расходы в денежном выражении на выполнение всех мероприятий и работ, начиная с разработки технических предложений и заканчивая подготовкой документации на образцы серийного производства МКА ДЗЗ, включая: технические предложения; эскизное проектирование; разработку рабочей документации на опытные образцы; изготовление макетных и опытных образцов; наземные автономные испытания и корректировку рабочей документации; наземные комплексные и межведомственные испытания; летные испытания; подготовку документации на образцы серийного производства. В затраты на ОКР по созданию МКА ДЗЗ не включаются затраты на разработку наземного комплекса приема, обработки и распространения космической информации. В затраты на. ОКР не включаются капитальные вложения на развитие научно-исследовательской, проектно-конструкторской, испытательной и производственной баз.
Оценка эффективности функционирования проекта системы ДЗЗ на базе 5 проектируемых микроспутников
Из названных характеристик видно, что в основном они необходимы для определения разрешения на местности 1РМ.
Собственно моделирование процессов нахождения показателей эффективности функционирования КСН с учетом перечисленных в блоках 1-7 характеристик формализовано в блоках 8-13 математической модели.
В блоке 8 формализована процедура нахождения разрешения на местности 1рм путем решения частотно-энергетического уравнения. При этом учитываются частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) как собственно оптической системы, так и звеньев смаза изображения за счет вибраций и некомпенсированной составляющей бега изображения, звена анализирующей дискретизации, апертуры элемента ФПУ, турбулентности атмосферы.
В блоке 9 реализована статистическая модель определения ошибки «прицеливания» оси аппаратуры относительно выбранной точки на Земле с заданной широтой и долготой на момент начала съемки. При этом учитываются ошибки ориентации и стабилизации КА, а также ошибки навигационных измерений положения КА на орбите.
Математическая модель определения геометрических искажений изображения (блок 10) основана на моделировании во времени процессов считывания с ФПУ полученных фрагментов изображения с учетом угловых эволюции КА и кривизны Земли.
В блоке 11 реализована математическая модель расчета показателя оперативности получения информации ton- Оценка показателя осуществляется статистическим методом путем статистических испытаний имитационной модели процесса функционирования группировки КА при наблюдении заданного района. В модели имитируется движение всех КА группировки по заданным орбитам с дискретным шагом At в нормальном поле Земли путем интегрирования уравнений движения. Случайными исходными данными для каждого прогона баллистической модели являются: - долгота восходящего узла орбиты маркерной плоскости; - величина аргумента перигея орбиты КА маркерной плоскости ОГ; - начальная временная фаза, определяющая положение маркерного КА на орбите с заданным наклонением в маркерной плоскости ОГ; - время суток на Гринвичском меридиане, определяющее положение наблюдаемого района и положение Солнца в АГСК. При оценивании ton в каждой реализации учитываются ограничения на съемку и передачу информации на ГШИ: - по условию попадания района наблюдения в полосу обзора и захвата це левой аппаратуры; - по условию наличия облачности над районом в момент наблюдения бальностью выше критической; - по условию допустимого угла Солнца над местным горизонтом во время наблюдения; - по условию попадания КА в зону видимости ГШИ при сбросе информации; - по возможности сброса всей накопленной информации на ГШИ при peaлизуемой скорости передачи информации. По завершении всех реализаций в модели рассчитываются математическое ожидание и дисперсия показателя ton, а также строится график функции распределения F(t0n) и плотности распределения (p(ton) Аналогичным образом построена модель определения периодичности обновления информации toBH (блок 12) с той лишь разницей, что если в первом случае прогон модели останавливается как только любой из КА проведет первое наблюдение района и сброс информации (начиная от команды на съемку), то во втором случае прогон модели продолжается в течение нескольких суток полета (до полутора - двух недель) и в каждом прогоне измеряется интервал между соседними сеансами наблюдения района. После этого интервалы усредняются по длине каждой реализации и по всем реализациям и находится среднее Значение ПерИОДИЧНОСТИ обнОВЛеНИЯ Информации t0BH В блоке 13 реализована математическая модель расчета производительности системы пПр. Расчет основан на решении маршрутной задачи наблюдения по заданным координатам районов наблюдения. При этом учитываются скорости перенацеливания аппаратуры, ограничения на программные углы разворота, а также ограничения на возможности КА по приему и передаче информации. Блок 14 хотя и не является непосредственно формализующим показатели эффективности КСН, но в нем заложен алгоритм расчета двух важных характеристик целевой аппаратуры: потока информации на входе накопителя qex и скорости сброса информации на ПЛИ си. Обе эти характеристики совместно с емкостью ЗУ СЬУ участвуют при оценке показателей оперативности получения и периодичности обновления информации в виде ограничений на скорость прохождения информации от датчика целевой аппаратуры до ППИ. При расчете qBx учитываются параметры движения КА, поле зрения аппаратуры, размеры элементов ФПУ и общее их количество, информационные затраты на сжатие информации и другие характеристики. При расчете скорости передачи информации на ППИ си учитываются: характеристики радиотехнического комплекса целевой аппаратуры КА (мощность излучения, характеристики антенны, способ модуляции, значение несущей частоты и др.), характеристики трассы (дальность, величина ослабления радиоизлучения) и характеристики приемной части ППИ (размеры антенны, эквивалентная шумовая температура, требуемая достоверность приема цифрового сигнала и др.). Порядок и последовательность проведения расчета показателей эффективности КСН задается блоками модели 15-27. Схема расчета условно разбита на две ветви. В блоках 15-19 левой ветви осуществляется расчет показателей качества информации, а в блоках 20 - 27 правой ветви рассчитываются временные показатели оперативности получения и периодичности обновления информации, а также показатель производительности системы. Расчет начинается с задания фиксированных и условно-фиксированных ТТХ КА и целевой аппаратуры (блоки 15 и 16). Под условно-фиксированными характеристиками понимаются такие характеристики, которые являются необходимыми как при расчете показателей качества, так и показателя производительности и временных показателей. В частности, такими характеристиками являются: высота полета КА h, предельный угол Солнца а0, при котором еще допустимо наблюдение, а также максимальный программный угол разворота КА по крену ymax . Далее в блоке 17 задаются значения варьируемых ТТХ КА и целевой аппа ратуры, причем только тех характеристик, от которых зависят показатели каче ства информации. В блоке 18 с привлечением математических моделей блоков 8, 9 и 10 осуществляется расчет разрешения на местности 1РМ, точности привязки полученного на борту изображения района к местности 8пр и показателя геометрических искажений 8ис изображения. В блоке 19 рассчитанные значения показателей сравниваются с допустимыми и, если это требование не удовлетворяется, то осуществляется поиск новых значений варьируемых ТТХ. После того, как будут найдены значения ТТХ КА и ЦА, обеспечивающие требуемые показатели качества съемки, осуществляется переход в правую ветвь программы на блок 20. В нем задаются значения фиксированных ТТХ КСН, которые необходимы для расчета показателя производительности и временных показателей. В блоке 21 осуществляется задание значений варьируемых (исследуемых) характеристик системы, которые участвуют в нахождении ton , ЬБН И пПр. В блоке 22 производится расчет длительности сеанса наблюдения, который зависит от размеров наблюдаемого района, способа накрытия района полем зрения целевой аппаратуры, орбитальной скорости КА. В блоке 23 с учетом характеристик поля зрения ЦА, характеристик системы ориентации КА, а также высоты орбиты КА рассчитываются поля захвата и обзора при наблюдении.
Похожие диссертации на Разработка комплексной методики анализа эффективности систем дистанционного зондирования земли на базе малых космических аппаратов
