Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системное проектирование коммерческой специализи рованной космической системы природоресурсного назначения (КСКС). постановка задачи 13
1.1. Введение 13
1.2. Назначение, задачи и потребности в создании и использовании КСКС .14
1.3. Постановка задачи системного анализа и проектирования КСКС 18
1.4. Требования потребителей к качеству космической информации. Общие требования к КСКС 36
1.4.1. Требования к качеству космической информации 36
1.4.2. Общие требования к КСКС и концепция ее построения 44
Выводы. 56
Глава 2. Выбор проектного облика и характеристик комплекта приборов цан, типов и размерности ка и вариантов орбитальных группировок КСКС 58
2.1. Принципы и методика выбора требований и проектных параметров ЦАН 58
2.2. Требования к режимам космической съемки и характеристикам ЦАН 62
2.3. Выбор полного комплекта ЦАН для КСКС и деление его на модули 68
2.4. Выбор характеристик и проектного облика КА разной размерности. Расчет альтернативных вариантов ОГ для КСКС 82
Выводы 100
ГЛАВА 3. Анализ эффективности альтернативных вариантов ог и выбор наиболее эффективного варианта КСКС 101
3.1. Методика последовательного выбора наиболее эффективного варианта КСКС по совокупности критериев пригодности и предпочтения 101
3.2. Определение периодичности наблюдения при использовании орбитальной группировки с разнотипной целевой аппаратурой наблюдения 135
3.3. Упрощенная имитационная модель функционирования орбитальной группировки КСКС Выводы 164
Заключение 167
Литература
- Постановка задачи системного анализа и проектирования КСКС
- Общие требования к КСКС и концепция ее построения
- Выбор полного комплекта ЦАН для КСКС и деление его на модули
- Определение периодичности наблюдения при использовании орбитальной группировки с разнотипной целевой аппаратурой наблюдения
Постановка задачи системного анализа и проектирования КСКС
Проблема создания отечественных космических систем ДЗЗ природоресурс-ного назначения в настоящее время приобрела особую остроту в связи с исчерпанием возможностей космических средств, разработанных в 80-90-х годах, и отставанием в создании новых космических средств.
В тоже время за рубежом создание и использование КС ДЗЗ, в том числе при-родоресурсного назначения, является приоритетной задачей. Развивается поколение крупных традиционных КА ДЗЗ многоцелевого назначения с аппаратурой среднего и высокого разрешения, а также создается поколение КС из малых специализированных КА для решения отдельных задач ДЗЗ.
Главной особенностью зарубежных КС ДЗЗ является их коммерческое использование, позволяющее привлекать инвестиции, быстро окупать затраты на их создание и в дальнейшем получать значительную прибыль. Следует также отметить все более острую конкуренцию между отдельными КС ДЗЗ на мировом рынке космической информации и услуг из-за близких характеристик целевой аппаратуры наблюдения, используемой на конкурирующих КС.
До сих пор создаваемые за государственный счет отечественные универсальные КС ДЗЗ общего назначения не были ориентированы на коммерческое использование в условиях конкуренции. Это нашло отражение и в методологии создания КС природоресурсного назначения и в результатах их применения. Доля отечественной продукции на мировом рынке космической информации составляет менее 1 %.
Природоресурсные добывающие и транспортирующие отрасли осуществляют свою деятельность на громадных пространствах России. Для их эффективной работы необходимы системы информационного обеспечения, способные обеспечить оперативный мониторинг состояния наземных объектов и окружающей среды. Эту задачу может эффективно выполнять только многоспутниковая специализированная космическая система, оснащенная приборами наблюдения, которые в максимальной степени удовлетворяют требованиям потребителей природоресурсной отрасли и родственных ей отраслей к качеству космической информации. К КСКС природоресурсного назначения предъявляются дополнительные требования: они должны с исчерпывающей полнотой удовлетворять потребности потребителей в специальной, качественной и оперативной космической информации; они должны быть коммерчески выгодными, т.к. инвестирующие проект при-родоресурсные отрасли заинтересованы в быстром возврате инвестиций и, в дальнейшем, в получении прибыли от эксплуатации космической системы; риск невыполнения или несвоевременного выполнения заявок потребителей КИ должен быть минимальным; они должны быть конкурентоспособны на мировом рынке космической информации и услуг в течение всего срока их эксплуатации.
Ниже предлагается постановка задачи системного проектирования КСКС геоинформационного обеспечения нефтегазовой отрасли (НГО) промышленности России, на примере которой возможно наиболее полно выразить методические особенности системного анализа и проектирования КСКС.
Объектом исследования в данной работе является КСКС, предназначенная для геоинформационного обеспечения природоресурсной отрасли России на всех стадиях ее жизненного цикла.
В качестве природоресурсоной отрасли, нуждающейся в геоинформационном обеспечении на всех стадиях жизненного цикла, избрана нефтегазовая отрасль промышленности России. У этой отрасли, как и у других ресурсодобывающих, перерабатывающих и транспортирующих отраслей не только России, но и мира, имеется постоянная и все более возрастающая потребность в получении специальной космической информации определенного качества и оперативности.
Современный этап развития НГО России характеризуется высокой степенью исчерпания более чем 1300 месторождений углеводородов, и уменьшением разме ров вводимых в разведку объектов, ростом глубин залегания нефтегазоносных пластов, растущим преобладанием нетрадиционных форм нефтегазовых скоплений, и, как следствие, снижением эффективности поисковых и разведочных работ, выполняемых традиционными методами. Одним из главных направлений расширения сырьевой базы нефтегазовой промышленности страны является поиск, разведка и освоение месторождений в прибрежных зонах и на шельфе северных морей, представляющих особую трудность [ 45 ]. Нефтегазовая отрасль обладает широко разветвленной системой нефтегазопроводов как в пределах России, так и за рубежом. Только протяженность газопроводов ОАО «Газпром» превышает 150 тыс. км (см. Рис. 1.2.2.). Ведется строительство новых систем нефте и газопроводов (в Турцию, на Дальний Восток). Расширяется международное сотрудничество в освоении новых месторождений за рубежом и поставке углеводородной продукции в страны Азии.
Большую активность проявляют также десятки региональных нефтяных компаний на территории России и за рубежом (см. Рис. 1.2.1.).
Руководство ОАО «Газпром» считает, что для достижения главных целей нефтегазовой отрасли необходимо [ 44, 45 ]: "на основе современных достижений науки и техники постоянно совершенствовать методы геологоразведочных работ, особенно с использованием аэрокосмических методов дистанционного зондирования; развивать и совершенствовать комплексную систему мониторинга технического состояния и диагностического обслуживания наземных объектов нефтегазовой промышленности, особенно магистральных трубопроводов, с использованием методов космического дистанционного зондирования, воздушных и наземных средств дистанционного контроля и диагностики; дополнить существующие отраслевые информационно-управляющие системы информацией от космической системы дистанционного зондирования".
Оперативное использование природоресурсными отраслями и частными компаниями космической информации (КИ) нужного качества и оперативности позволяет им принимать стратегические и управленческие решения и дает значительный эффект в виде сокращения в 2 - 3 раза времени и средств на поиск и освоение новых природных ресурсов, на проектирование, строительство, эксплуатацию объектов наземной инфраструктуры и потерь при добыче и транспортировке продукции.
Общие требования к КСКС и концепция ее построения
Задача идентификации природных образований по их пространственным и спектральным характеристикам является сложной задачей распознавания образов. Имеется ряд отечественных и зарубежных работ, посвященных выбору оптимального ряда спектральных зон для ОЭА дистанционного зондирования природных образований по данным их спектров отражения и излучения [ 18 - 22, 32, 37, 40, 41, 45 ]. Однако этим работам присущ ряд недостатков, которые значительно обесценивают полученные в них выводы и рекомендации. Авторами предполагается, что идентифицируемый элемент подстилающей поверхности может быть отнесен к одному из классов (эталонов), под которым понимается совокупность идеально однородных участков земной поверхности, которые в той или иной мере исчерпывают реально существующее разнообразие природных образований. Признаками, характеризующими перечень «эталонов» данной задачи, являются их спектральные характеристики радиации, отраженной или излученной природными образованиями. В качестве признаков распознавания рассматриваются коэффициенты спектральной яркости. Их количество равно числу классов.
Однако тут же авторы отмечают, что изменчивость коэффициентов спектральной яркости в зависимости от ряда факторов затрудняет идентификацию природных образований. При измерении на уровне поверхности Земли это связано с отличием состояния реальных участков подстилающей поверхности (степень влажности, вегетационный период растительности и т.д.) от «эталонов», их неоднородным составом (сочетание почв, грунтов, растительного покрова, вида поверхности) по сравнению с идеальными представителями классов.
При космической съемке добавляется еще и такой осложняющий фактор, как атмосфера и атмосферная дымка, искажающие полученную информацию. Излучение, регистрируемое приборами из космоса, представляет собой сумму излучений поверхности, селективно ослабленных атмосферой и атмосферной дымкой. Изменчивость оптических свойств атмосферы во времени и пространстве усложняет задачу распознавания.
Использование регрессионной модели и алгоритма последовательной оптимизации [ 42, 43 ] позволяет выбрать из нескольких десятков 5-7 наиболее информативных спектральных интервалов, однако достоверность этого выбора недостаточна. В конечном счете, авторы отмечают : « Необходимо подчеркнуть, что эмпирический материал о спектральных коэффициентах яркости и параметрах передаточной функции атмосферы, несомненно, неадекватен, что может потребовать определенной коррекции по мере накопления соответствующих экспериментальных данных». Более того, в последующих статьях на эту тему [ 19, 20 ] авторы приходят к выводу, что « единственной приемлемой универсальной системой дистанционной индикации может быть лишь такой комплекс аппаратуры, который обеспечивает ( при помощи устройств бортовой логики) перестраиваемость каналов по длине волны в зависимости от условий наблюдения. Ввиду большой сложности подобной системы следует считать более перспективной специализацию систем дистанционной индикации на основе выделения комплексов задач, решение которых обеспечивается совокупностью практически приемлемых требований к аппаратуре». К таким же выводам пришел и ряд зарубежных авторов [ 54, 55 ].
За годы, прошедшие после этих публикаций и в России и за рубежом проделана большая работа по изучению спектральных характеристик различных природных и техногенных образований, по моделированию передаточной функции атмосферы. Создан и эксплуатируется ряд специализированных космических систем (метеорологических, природоресурсных, изучения океана, атмосферы и др.). Накоплен определенный опыт дешифрирования и интерпретации космических снимков при решении конкретных задач, в том числе задач поиска месторождений углеводородов и мониторинга состояния наземных объектов и окружающей среды. При этом специалисты в области дешифрирования и интерпретации космических снимков пришли к выводу, что для повышения достоверности необходимо иметь несколько снимков разного масштаба одного и того же района в нескольких спектральных диапазонах.
В данной работе задача выработки оптимальных или близких к ним требований к качеству космической информации (КИ), ввиду невозможности получить строгое аналитическое решение, решена по следующей схеме. 1. Рассмотрена совокупность требований, сформулированных потребителями аэрокосмической информации в 70-х годах для решения задач геологии, гидрологии, океанологии, лесного и сельского хозяйства.
2. Из множества требований, касающихся спектральных диапазонов, исключены спектральные поддиапазоны, в которых имеются известные в настоящее время зоны поглощения и рассеяния атмосферой электромагнитных волн (это полосы поглощения озоном, кислородом, водой, окислами углерода, азота и др.).
3. Добавлены требования по спектральным поддиапазонам и разрешению, полученные в результате эксплуатации действующих авиационных и космических систем ДЗЗ, созданных с учетом аппаратурных возможностей аэрокосмической отрасли промышленности в 80-90-е годы.
4. Впервые сформулированы дополнительные требования к качеству КИ с учетом возможности регистрации дополнительных обнаружительных признаков новым поколением аппаратуры наблюдения, еще не применявшимся в составе КС ДЗЗ. Это многочастотная радиолокационная аппаратура, гиперспектральная оптико-электронная, многоволновая лазерная аппаратура, сверхвысокочувствительная геофизическая аппаратура.
Выбор полного комплекта ЦАН для КСКС и деление его на модули
В главе изложены основные принципы задания требований к ЦАН, исходя из требований к качеству космической информации для решения задач КСКС. Сформулированы требования к режимам космической съемки и характеристикам целевой аппаратуры наблюдения.
Проведен сбор и анализ основных характеристик отечественных и зарубежных существующих и перспективных средств наблюдения и тенденций совершенствования оптико-электронной, радиолокационной и лидарной аппаратуры. Получены зависимости энергомассовых характеристик оптико-электронной, радиолокационной аппаратуры от требуемого пространственного разрешения. Решена задача расчета проектных характеристик и выбора приборного состава целевой аппаратуры наблюдения.
Выполнены прогнозные расчеты ожидаемых энергомассовых характеристик приборов и сделан выбор полного комплекта ЦАН, в наибольшей степени отвечающей требованиям по выполнению задач наблюдения, предъявляемым к КСКС.
В выбранном составе оптико-электронной аппаратуры заложена избыточность по числу каналов наблюдения, спектральным диапазонам, пространственному разрешению и другим характеристикам, которая позволяет: - адаптироваться КСКС к новым режимам съемки и решению новых, дополнительных задач ДЗЗ; - эффективно выполнять обе комплексные задачи КСКС в случае отказа отдельных приборов.
Произведено разделение полного комплекта ЦАН на модули (всего 21 модуль) для использования их в составе КА меньшей размерности с разнотипной аппаратурой наблюдения и формирования из них альтернативных вариантов ОГ для решения задач КСКС.
Решена задача выбора характеристик и проектного облика КА разной размерности и орбитальных группировок из них. Проведен сбор и анализ проектных характеристик более 80 действующих и разрабатываемых отечественных и зарубежных КА ДЗЗ, имеющих массу от 100 до 8000 кг, определены удельные массовые и энергетические характеристики целевой аппаратуры наблюдения, космических платформ, их основных служебных систем и конструкции. Определен проектный облик и основные характеристики 21-го типа КА и 7 альтернативных вариантов орбитальных группировок, подлежащих дальнейшему исследованию.
Методика последовательного выбора наиболее эффективного варианта КСКС по совокупности критериев пригодности и предпочтения. В качестве показателей эффективности решения задач КСКС в данной работе использованы: интегральные показатели качества КИ, соответствующие совокупности подзадач, решаемых при поиске месторождений углеводородов и прогнозировании ресурсов; мониторинге состояния наземной инфраструктуры нефтегазовой отрасли и окружающей среды, экологическом мониторинге и обнаружении чрезвычайных ситуаций техногенного и природного происхождения.
Составными частями интегральных показателей качества природоресурсной КИ являются: показатели качества по линейному, спектральному, радиометрическому (температурному) разрешению во всех спектральных оптических и СВЧ диапазонах, по числу реализуемых каналов и режимов съемки, по периодичности наблюдения заданных районов.
С учетом этих показателей выработаны требования к качеству КИ (см. Главу 1, п. 1.4.) и выбран полный комплект целевой аппаратуры наблюдения, удовлетворяющей этим требованиям (Глава 2, п.2.3.).
При этом, для компенсации неопределенности требований потребителей предусмотрена избыточность в формировании требований к качеству КИ и выборе приборов наблюдения, вошедших в полный комплект ЦАН.
Выполнение принципа избыточности позволяет обеспечить высокую эффективность решения задач и гарантировать конкурентоспособность КСКС по сравнению с другими системами ДЗЗ.
При наличии в орбитальной группировке КА с однотипной аппаратурой наблюдения возможно оптимизировать (минимизировать) число КА, параметры орбит и управление КА, обеспечивающие съемку заданных участков поверхности Земли с требуемой периодичностью. В некоторых случаях эта задача решается аналитически, в других - с использованием численных методов и вычислительной техники.
В нашем случае мы имеем дело с множеством альтернативных вариантов орбитальной группировки из КА разной размерности, оснащенных разнотипной ЦАН: от варианта одного КА с полным комплектом ЦАН до вариантов КА с одним - двумя приборами наблюдения (см. Главу 2, п.2.4.).
Найти варианты рационального (оптимального) построения ОГ, параметры орбит и алгоритмы управления КА возможно лишь при условии создания имитационных моделей функционирования и моделирования каждого альтернативного варианта ОГ. Учитывая большое число вариантов ОГ, это весьма трудоемкая задача.
Однако, на раннем этапе системного анализа и проектирования, информация, необходимая для разработки адекватной имитационной модели, недостаточна.
Поэтому выбор рационального (эпи-оптимального) варианта ОГ и КСКС в целом производится методом последовательного сравнения альтернативных вариантов ОГ с применением ряда критериев пригодности и предпочтения и исключения из дальнейшего рассмотрения худших вариантов.
Используя представленные в таблице 3.1.1 условные обозначения, критерии пригодности и предпочтения Кь...,Кю можно записать в следующей теорико-множественной форме с использованием (там, где необходимо) формальнологической символики.
Определение периодичности наблюдения при использовании орбитальной группировки с разнотипной целевой аппаратурой наблюдения
Как видно из приведенных расчетов, съемка территорий размером 10 х 10 в средних широтах России обеспечивается за полтора - два часа от начала моделирования. Приведенные результаты расчета лишь демонстрируют работоспособность упрощенной имитационной модели, однако использование данной модели на раннем этапе проектирования позволяет проводить сравнительный анализ различных вариантов построения ОГ КСКС и принимать решения, направленные на повышение целевой эффективности КСКС.
Для оценки оперативных характеристик КСКС в задаче мониторинга (наблюдения малоразмерных объектов), целесообразности комплексного использования, разнотипной аппаратуры наблюдения и степени ее участия (вклада), выбиралась область земной поверхности с размерами 1 по долготе и Г по широте. Широта места объекта менялась в процессе расчета от 0 до 80 северной широты. Долгота места -постоянная.
Начальное положение объекта относительно орбитальной группировки задается через начальное значение прямого восхождения Гринвичского меридиана.
Сезонное изменение освещенности учитывается через изменение склонения Солнца. Проведенные расчеты показали следующее: 1. Основную нагрузку по наблюдению (съемке) несут оптико-электронные средства видимого диапазона, что обусловлено преобладанием общего количества средств наблюдения данного типа на КА. 2. Общая продолжительность операции не превосходит 37 час ( 1,5 суток) для исследуемого объекта, а периодичность съемки не превосходит 24 часов ( 1 суток). Следовательно, режим наблюдения и съемки близок к беспропускному. Проведенные исследования не являются исчерпывающими. При исследовании не учитывалось, например, влияние облачности, наличие снегового и ледового покровов. Влияние облачности легко учесть на следующих этапах моделирования, т.к. эта процедура предусмотрена в программе.
Не учитывались также некоторые технологические особенности процесса функционирования КСКС, такие, как подзарядка химических батарей, проведение навигационных измерений, информационный обмен с наземным комплексом управления и наземными пунктами приема информации и др., которые могут повлиять на оперативные характеристики.
Упрощенная имитационная модель и получаемые с ее помощью численные результаты могут использоваться на раннем этапе проектирования для сравнения потенциальной целевой эффективности различных вариантов ОГ и выбора опорных вариантов для дальнейших исследований.
Задача анализа эффективности системы мониторинга в общем случае является многокритериальной. Важнейшим критерием является периодичность наблюдения объектов, которая зависит как от параметров орбит спутников группировки, так и от типа и параметров используемой аппаратуры наблюдения. Тип аппаратуры накладывает ограничения по местному времени суток. Результаты моделирования на упрощенной ИМ проверены с использованием комплекса и методики имитационного моделирования информационного тракта и возмущенного движения спутников сие темы с учетом ограничений, накладываемых типами и параметрами аппаратуры наблюдения, разработанных учеными Кафедры «Системного анализа» Московского государственного авиационного института [ 32, 13 ].
Орбитальная группировка системы мониторинга является нелинейной, обладающей сложной динамикой. Ее динамика возмущена как факторами детерминированной, так и случайной природы. Время функционирования системы составляет 5 лет. В этой связи показатели эффективности системы можно рассматривать как случайные и оценивать их статистическими (вероятностными) критериями. Основными вероятностными характеристиками функционирования системы мониторинга являются: Рн. вероятность наблюдения объекта в полосе обзора; Рзахв - вероятность захвата объекта в кадр; Рид - вероятность решения задачи с заданными требованиями. Для исключения зависимости оценок производительности от сезонных условий, когда условия наблюдения (освещенность или метеообстановка) могут резко ухудшаться, моделирование функционирования КА проводилось в течение одного года.
Вероятность решения задачи вычислялась путем статистического анализа множества моментов наблюдения без использования предположения о независимости выполнения отдельных требований.
В качестве показателя эффективности, учитывающего влияние всей совокупности факторов по времени, использовалось абсолютное или относительное число объектов целевой обстановки, информация о которых обновляется с требуемой пользователями периодичностью и качеством. Вероятность обслуживания объекта в этом случае оценивалась как отношение суммарного времени, в течение которого последовательность наблюдений удовлетворяет требованию к периодичности и качеству наблюдения по отношению к полному времени, на котором оценивается эффективность космической системы.
Оптико-электронная аппаратура наблюдения характеризуется малыми углами захвата (0.6 - 2.5). Полосу обзора при этом предполагается формировать отклонением оси визирования КА поперек трассы. Очевидно, что на краях полосы обзора линейное разрешение будет хуже, чем при наблюдении объектов в окрестности под спутниковой точки. Кроме того на линейное разрешение на местности оказывают влияние и такие факторы как высота Солнца над горизонтом в точке наблюдения (освещенность местности), ослабление контраста, связанное с сезонной яркостью. Оценить влияние различных факторов на линейное разрешение на местности позволяет указанная выше имитационная модель.
Наименее различимые детали определяются не только числом пикселей в изображении, но и отношением величин их яркости - контрастом. Поэтому разрешающая способность получаемого изображения зависит от размера пикселя, чувствительности фотоприемника и коэффициентов ослабления контраста в элементах информационного тракта.
В имитационной модели информационного тракта перечисленные факторы учитываются при вычислении линейного разрешения на местности.
Исходные данные для имитационного моделирования орбитальной группировки мониторинга Земли из четырех КА были разработаны автором. Космические аппараты расположены на круговых солнечно-синхронных орбитах высотой 650 км и наклонением 98. Рассматривались два варианта расположения КА: с равномерным разнесением четырех КА по аргументу широты в одной плоскости и с равномерным разнесением их по долготе восходящего узла. Моделирование выполнено в МГАИ Заниным К.А.
На рис. 3.3.1. и 3.3.2. приведены кривые периодичности наблюдений соответственно для первого и второго вариантов орбитальной группировки (оценки средняя, квантиль и максимальная) в зависимости от широты. По этим оценкам видно, что существенного преимущества ни один из рассмотренных вариантов размещения КА на орбитах не имеет как для наблюдения территории России, так и всего земного шара. Отметим, что минимальная периодичность наблюдения составляет несколько часов, тогда как максимальная колеблется в пределах от минимальной до 2 - 3 суток. В среднем периодичность наблюдения не превышает 0,5 суток во всем диапазоне широт.
