Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процесса контроля технического состояния бортовых радиотехнических средств обеспечения управления КА 10
1.1. Анализ возможностей оперативного оценивания технического состояния бортовых радиотехнических средств при испытаниях и эксплуатации 10
1.1.1. Содержание задачи целевого функционирования бортовых радиотехнических средств КА 12
1.1.2. Методы контроля бортовых радиотехнических средств обеспечения управления при испытаниях и эксплуатации КА 19
1.1.3. Особенность решения задачи оперативного контроля бортовых радиотехнических средств КА как задачи распознавания 28
1.1.4. Анализ перспективных программных и технических средств контроля бортовых систем КА 33
1.2. Анализ достоверности результата контроля при распознавании технического состояния КА 40
1.2.1. Оценивание зависимости наблюдаемых параметров в процессе контроля 40
1.1.1. Выбор признаков наблюдаемого состояния при контроле бортовых радиотехнических средств КА 43
1.1.2. Достоверность результата при решении задачи контроля технического состояния КА методом распознавания 46
1.3. Постановка задачи контроля технического состояния с использованием нелинейного преобразования 50
Выводы по главе 56
ГЛАВА 2. Выбор нелинейного преобразования для контроля бортовых радиотехнических средств КА 58
2.1. Обоснование структуры нелинейного преобразования контролируемых параметров 58
2.2. Решение задачи синтеза нелинейного преобразования контролируемых параметров 70
2.3. Оценка достоверности при контроле технического состояния бортовых радиотехнических средств КА с использованием нелинейного преобразования 82
Выводы по главе 91
ГЛАВА 3. Разработка методики распознавания технических состояний бортовых радиотехнических средств 92
3.1. Разработка алгоритмов контроля бортовых радиотехнических средств КА 93
3.1.1 Алгоритм подготовки данных 94
3.1.2 Алгоритм сжатия контролируемых данных 102
3.1.3 Алгоритм распознавания изображений на базе нелинейного преобразования 104
3.2. Численное исследование разработанной методики с использованием аппаратуры 17Н86 107
3.2.1 Обоснование методики моделирования 107
3.2.2 Численное исследование методики с использованием подсистемы функционального контроля из состава аппаратуры 17Н86 111
3.2.3 Проведение эксперимента и обсуждение результатов 114
Выводы по главе 121
Заключение 124
Список литературы 128
- Содержание задачи целевого функционирования бортовых радиотехнических средств КА
- Выбор признаков наблюдаемого состояния при контроле бортовых радиотехнических средств КА
- Оценка достоверности при контроле технического состояния бортовых радиотехнических средств КА с использованием нелинейного преобразования
- Алгоритм распознавания изображений на базе нелинейного преобразования
Содержание задачи целевого функционирования бортовых радиотехнических средств КА
В работе рассматривается низкоорбитальная космическая информационная система. Её космический сегмент включает КА с заданными орбитальными параметрами и бортовой аппаратурой, предназначенной для выполнения целевой задачи. Наземный сегмент реализует задачу управления КА на орбите совокупностью взаимосвязанных по радиоканалам средств наземного и бортового комплексов управления с соответствующим информационным и математическим обеспечением. Прием специальной информации осуществляется с помощью пунктов приема специальной информации. Управление функционированием всех средств, входящих в состав космической системы, реализуется аппаратными и программными средствами центрального командного пункта. Задача применения по целевому назначению бортовых радиотехнических средств обеспечения управления КА состоит в обслуживании информационных источников на борту КА и земной поверхности с целью определения: навигационных элементов, определяющих положение КА относительно центра масс и параметров физических полей (гравитационного, магнитного); - состояния бортового оборудования и установления соответствия этого состояния заданному. Особенности процесса целевого функционирования бортовых радиотехнических средств обеспечения управления КА при решении задачи применения следующие: - непостоянная связь между информационными источниками КА и наземным сегментом космической системы; высокая периодичность решения типовых задач с различающимися в известных пределах исходными данными и соответственно с предсказуемыми пределами результатов решений; - многорежимность, функционирование в сложном информационно-управляющем поле; - существование различных уровней иерархии обработки информации; - близкий к режиму реального времени масштаб выполнения определенного класса алгоритмов. Выполнение целевой задачи КА можно представить в виде набора полётных операций. Для дальнейшего анализа с точки зрения контроля технического состояния условно объединим их в следующие группы: - полётные операции, связанные с изменением относительного или абсолютного положения КА в пространстве (манёвр, выход в заданную область пространства, переход на другую орбиту); - полётные операции по изменению режима функционирования бортовой аппаратуры (съёмка астрономического или земного объекта, переориентация оси визирования съёмочной аппаратуры, сбор, хранение, обработка и передача информации на наземные станции).
Обслуживание конечных потребителей целевой информации, в случае сохранения постоянными орбитальных параметров КА, состоит в реализации операций второй группы.
Искусственно ограничив количество операций, основными целевыми операциями космической системы будем считать сбор информации при контроле объектов с соответствующей записью в бортовое запоминающие устройство (БЗУ), передачу (воспроизведение) информации на наземные станции. Съёмка земных объектов будет совершаться в моменты времени, когда они находятся в зоне обслуживания бортовой специальной (съемочной) аппаратуры. Сеансы связи КА и воспроизведение информации осуществляются в моменты времени, когда КА находится в зоне радиовидимости ОКИКа. На перечисленных этапах полета КА, интерес представляют различные группы источников телеметрической информации с конкретной привязкой к текущей фазе полета. Процесс телеконтроля КА на различных этапах выполнения целевой задачи иллюстрирует описанная автором в И 0] модель процесса телеконтроля КА.
Модель целевого функционирования специальной аппаратуры рассмотрим в виде совокупности известных: модели динамики состояния БЗУ КА, модели переориентации бортовой съёмочной аппаратуры, модели временных интервалов съёмки земных объектов и сеансов связи.
Модель динамики состояния БЗУ. Описывается уравнением: где Д/ік = tjli+i -1Ік - продолжительность интервала времени между двумя последовательными моментами возможной съёмки земных объектов /-ым КА; иік параметр управления включением бортовой съемочной аппаратуры /-ого КА в момент /,А+, принимающий значение 1, если объект в этот момент снят, и О в противном случае (управляющий параметр); F,, , - объем информации, накопленный в БЗУ /ого КА после возможной съёмки объекта в момент /,,+,; Vlk, ооъем информации, накопленной в БЗУ /-ого КА после возможной съемки объекта в момент /lk; V - объём информации, поступающей в БЗУ ого объекта в момент /й+1; /, д = Д/,/Л/,, VA/„ =tj,), :tlk t), t tlM - доля At,„, приходящаяся на передачу информации из БЗУ /-ого КА; W, - скорость передачи информации - производительность передающей аппаратуры /-ого КА; начальные условия: Vn=VniuiQJ = lN.
Поясним модель. Первое слагаемое (1.2) учитывает объем записываемой в БЗУ информации в момент t,U]: е:ли объект ктнтролируется, то и1к г 1, и БЗБ пополняется объемом V, информации, если объект не снимается, то п.. =0, и БЗУ не пополняется информацией (слагаемое обращается в 0). Второе слагаемое (1.2) учитывает объем переданной из БЗУ информации за интервал Д/„ : если информация не передавалась, то Ь1к=0, и к моменту /,А+ в БЗУ содержится объем Vik информации; если была передана вся информация, то к моменту tlk+l в БЗУ нен информации (слагаемое обращается в 0); если была передана часть объема Vik информации, то к моменту //А+ в БЗУ накоплена иниормация в овъемемVlk -,tikbikW,). Емкость БЗУ ограничена предельным объёмом Fnm/.,/ = U информации, который может в нем храниться. Заметим, что запись информации в БЗУ (поступление объёма F„ информации) технически осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, на порядок большей производительности передающей аппаратуры Wl.
Вариант, когда из-за недостаточной емкости БЗУ, при нахождении КА вне зоны радиовидимости ОКИК, часть специальной информации теряется, рассмотрен и проанализирован автором в [12]. В этом случае, за счет реализации компромисса между объёмом записываемой информации и точностью восстановления её потребителем, записывается значительно больший объём информации в БЗУ.
Выбор признаков наблюдаемого состояния при контроле бортовых радиотехнических средств КА
Подсистемный уровень контролирует работоспособность и состояние отдельных бортовых подсистем КА без использования внешней информации. На этом уровне контроля основная информация поступает от датчиков. Согласно [94,95], задача, требующая решения - практическая реализация так называемой перспективной концепции "вложенного" контроля, позволяющая значительно уменьшить количество проверок. По своему содержанию - использование некоторых рабочих воздействий в качестве тестового сигнала- это элементы реализации функционального контроля на борту КА. На рисунке 1.7 представлена конфигурация "вложенной" специализированной системы контроля.
Задача контроля на подсистемном уровне - осуществлять регулярную самопроверку подсистем,при поступлении заявки на проведение проверок отдельных элементов- осуществлять их самостоятельно. В случае недостатка информации или отсутствия соответствующих возможностей по обработке информации от контролируемых элементов уровень подсистем обращается к более высокому уровню контроля работоспособности.
Многоуровневый подход к организации системы контроля технического состояния КА в конечном итоге предусматривает сопоставительный анализ информации, собираемой от различных систем КА, и формирование скоординированных управляющих воздействий на верхних уровнях контроля.
Основные качественные признаки, позволяющие судить о технической зрелости разработок с точки зрения Национального космического агентства США(НАСА), концептуально заложены в Национальную программу США по созданию технических средств вывода КА на орбиту, приведены в таблице 1.4.
В настоящее время основные усилия по разработке и практическому использованию систем контроля сконцентрированы в основном на усовершенствовании аппарата многоразового использования типа «ШАТЛ».
Функции систем контроля и управления контролем расширяются до необходимости оценивая состояние объекта в целом, его отдельных систем и подсистем, обеспечивая должный уровень отказоустойчивости КА, а также необходимый уровень самодиагностики и самореконфигурации. Некоторые конкретные примеры использования сегодня элементов из состава системы "вложенного" контроля приведены в таблице 1.5. Таким образом, система контроля должна осуществлять: - анализ данных и принятие соответствующих рещений в автоматическом и автоматизированном режимах работы на системном уровне; - адекватное обнаружение аномалий в функционировании КА за время, достаточное для выработки соответствующего корректирующего воздействия; - создавать необходимые условия для приведения корректирующих воздействий техническим персоналом, в случае отсутствия достаточного запаса времени самостоятельно принимать действия по исправлению аномалий и предотвращения отказов; - обеспечивать реконфигурацию и необходимый уровень самореконфигурации бортовых систем с целью обхода отказавших элементов; - обладать высокой надежностью, обеспечивать требуемый уровень самодиагностики; - осуществляя оценку полного состояния объекта в целом, владение средствами контроля должно оставаться за каждой подсистемой ( многоуровневый подход к системе контроля ); - осуществлять не только непосредственные, но и косвенные измерения параметров («вложенный контроль», функциональный контроль); - обеспечить плавную деградацию бортовых подсистем, иметь возможность автономного поддержания работоспособности объекта. Опубликованный в январе 2001 года доклад «Комиссии по оценке управленческих и организационных аспектов космической деятельности Соединенных Штатов в интересах национальной безопасности» в своих выводах особо акцентировал внимание на модернизацию возможностей по запуску полезных нагрузок, созданию более совершенных научно-технических программ для разработки и развертывания новых типов космических средств (радара и лазера космического базирования) гиперспектральных датчиков и многоразовых средств выведения таким образом ещё раз подчеркнув значимость рассматриваеиой проблемы. Основным препятствием при реализации задачи распознавания технических состояний КА в режиме реального времени является большая размерность вектора контролируемых параметров. Решение этой задачи связано с определением оптимального состава контролирующих параметров Ynj = \,n, что в определенном контексте предполагает рациональный выбор точки контроля, исключение из наблюдаемых взаимосвязанных параметров и использование сжимающего отображения в пространстве выходных сигналов. Последнее обстоятельство приводит к необходимости решения задачи обучения с целью получения агрегатированных состояний в пространстве «сжатых» параметров. Необходимо исследовать, каким образом компромисс между размерностью решаемой задачи и возможностью ее решения в реальном масштабе времени, отразится на результате контроля. Исходя из алгоритма контроля, достоверность получаемого результата будет определятся возможными ошибками при распознавании технического состояния КА обусловленными погрешностями при выборе параметров контроля, неопределенностями возможного наблюдаемого технического состояния, когда из-за использования сжимающего отображения могут возникнуть ошибки 1-го и 2-го рода при различении классов. Часть бортовых систем КА обладает следующим свойством - выходные параметры ГД/) представляют собой постоянные функции, скачкообразно изменяющиеся в момент переключения. Дополнительно, некоторые параметры имеют достаточно жесткие виды взаимозависимости, позволяющие использовать их производные в процессе контроля. Некоторые виды взаимосвязи параметров приведены на рисунке 1.2.1. Взаимосвязь между контролируемыми параметрами может быть различной: временной (изменения параметров проходят согласованно во времени), структурной (параметры имеют сходную структуру: периодичность, последовательность определённых структурных элементов - количество пиков, монотонных участков), статистической (имеют одинаковые статистические характеристики или корреляционную зависимость).
Оценка достоверности при контроле технического состояния бортовых радиотехнических средств КА с использованием нелинейного преобразования
Достоверность решения о состоянии систем и агрегатов КА в процессе задачи распознавания будет определятся с учетом свойств сжимающего отображения, точностных характеристик, определяемых свойствами разделяющих признаков и реакцией распознающего устройства. Требуемая достоверность решения по ансамблю выходных сигналов полагает обязательное указывание доверительной вероятности. С учетом системных требований к точности и достоверности результатов контроля предлагается оценивать техническое состояние бортовых радиотехнических средств обеспечения управления КА в двумерном пространстве признаков, которыми выступают среднеквадратическое отклонение S и доверительная вероятность Р, погрешности в интервале Д =[av,bs], где а, Ъ -постоянные коэффициенты, назначенные исходя из условий задачи применения [73]. При этом доверительный интервал Д следует выбирать с учетом точностных характеристик первичных измерительных преобразователей, корреляционных свойств телеметрируемых параметров, описываемых функцией условной плотности распределения текущего значения параметра от ряда предыдущих значений, способа построения сжимающего отображения. Указанные факторы обуславливают нормальный характер погрешности [81], вносимой в результаты телеизмерений каналом связи и бортовой аппаратурой, поскольку определяют диапазон ожидаемых ее значений в заданных условиях.
Принципиальная недостижимость абсолютно точных оценок признаков приводит к неопределенности положения вектора (PlKJ в некоторой области
рассматриваемого пространства. В пределах указанной области отдельные технические состояния неразличимы. Таким образом, погрещности в оценках значений признаков ограничивают минимальный размер области пространства, соответствующей классу технических состояний и, следовательно, максимальное количество различаемых классов. В противном случае классификация наблюдаемых состояний будет сопровождаться ошибками. С учетом выдвинутых предположений, требуемая достоверность контроля может быть достигнута введением в состав вектора параметров технического состояния соответствующих оценок функции плотности распределения погрешности измерения контролируемых параметров. Из известных способов оценивания плотности распределения выделяют: методы прямого измерения [69,81], методы статистической идентификации [42,73], методы нелинейного преобразования [37,83], основанные на принципах распознавания. Каждая группа методов обладает своими требованиями по необходимым временным интервалам, объему выборки, критерию согласия при проверке гипотез.
Погрешность при принятии решения о виде технического состояния Е-возникает в различные моменты наблюдения и содержится в выходных сигналах ; ,(/). Информация о ее значениях в различные моменты времени наблюдения содержится в выходном сигнале измерительного канала информационно-телеметрического средства. Полагая входной - стимулирующий - сигнал измерительного канала известным на интервале времени наблюдения, по контролируемым параметрам его выходного сигнала, можно установить искомые значения погрешности телеизмерений. Поскольку значение закона распределения погрешности измерения в принципе позволяет определить любой из комплексов метрологических характеристик средств измерений, установленных ГОСТ 8.009-84[43,44], предлагается в целом свести задачу контроля технического состояния бортовых средств к распознаванию ограниченных во времени реализацией контролируемого сигнал его измерительного канала по установленным признакам. Для решения указанной задачи предлагается использовать нелинейное преобразование [37,59], как метод анализа откликов обобщенного измерительного канала БРС КА на стимулирующие воздействия, статистически подобные реальным входным сигналам. Под обобщенным измерительным каналом понимается тракт группового телеметрического сигнала, например в системах с ВРК - от выхода основного коммутатора БИТС до входа селектора каналов наземной подсистемы.
Особенность такого подхода заключается в том, что в качестве меры принадлежности контролируемого сигнала х(/) к некоторому классу используется значение функционала S от этого сигнала, предварительно подвергнутого нелинейному преобразованию: S = S q[x(t) ,т] ((.2.6), ггд q[x(t)] - ооератоо нелинейного преобразования; Т - время наблюдения контролируемого сигнала. При этом указанный класс сигналов характеризуется требуемыми значениями признаков технического состояния. Таким образом, установив факт принадлежности контролируемого сигнала определенному классу можно указать вид технического состояния в котором находится исследуемое бортовое средство с учетом заданных условий применения.
Виды технического состояния предлагается задавать вектором в многомерном евклидовом пространстве измеряемых параметров, в качестве которых выступают мгновенные значения ординат контролируемого сигнала, взятые на интервале времени наблюдения. При этом предполагается [62,63], что агрегатирование технических состояний по заданным признакам позволяет выделить в пространстве параметров компактные области, соответствующие видам состояний, различаемым по условию задачи контроля. Следует отметить, что физически указанные области объединяют некоторые классы контролируемых сигналов. В этом смысле под распознаванием текущего технического состояния будем понимать определение принадлежности контролируемого сигнала одному из выделенных классов.
Задача получения агрегатированных состояний в заданном пространстве параметров обычно формулируется как задача обучения. В результате обучения, на основе «показа» конечного числа обучающих примеров из N - мерного пространства параметров Г; требуется построить в последнем гиперповерхности, наилучшим в заданном смысле образом разделяющие это пространство на области Е..
Накопление обучающих выборок контролируемого сигнала в различных технических состояниях для конкретных подсистем, агрегатов КА на практике осуществляется постепенно в течении некоторого, порой длительного периода эксплуатации. В общем случае это связано с необходимостью многократного повторения соответствующей помеховой обстановки в измерительном канале.
В силу случайного характера контролируемого сигнала функционал (1.2.6), за редким исключением, представляет собой случайную величину. При малом объеме обучающей выборки разброс его значений относительно некоторого среднего вызывает существенное снижение достоверности контроля технического состояния. Под достоверностью контроля понимается вероятность Р принятия правильного рещения о виде наблюдаемого технического состояния.
Подход к контролю технического состояния как к задаче распознавания образов позволяет разделить процедуру контроля на два существенно разных по степени алгоритмической сложности этапа: обучения распознающего устройства и собственно распознавания текущего технического состояния. Наиболее трудоемкие операции обучения должны выполнятся в технологических перерывах между сеансами применения КА по целевому назначению. Тогда оперативность контроля технического состояния определяется исключительно продолжительностью этапа распознавания.
Алгоритм распознавания изображений на базе нелинейного преобразования
Распознавание технических состояний бортовых радиотехнических средств обеспечения управления КА предлагается в настоящей работе проводить в пространстве выходных сигналов. Предполагаем, что законы распределения вероятностей ординат наблюдаемых выходных сигналов известны не полностью, а с точностью до некоторых погрешностей, вносимых трактом прохождения стимулирующего сигнала. В качестве стимулирующего сигнала возможно использование напряжения измерительной батареи (например: 0%, 50%, 100%) или кода Баркера.
В геометрической постановке [15] задачи распознавания, каждое техническое состояние может быть представлено вектором X в N - мерном евклидовом пространстве. Декартовы координаты вектора X - действительные числа хь Х2, ..., xN являются измеряемыми параметрами технического состояния - Е. Совокупность действительных чисел Xk (k = UN) называют входным описанием распознаваемых технических состояний объекта. Множеству входных описаний (наборов признаков) технических состояний ставится в соответствие множество векторов в N мерном пространстве признаков причем множество точек {e}i концов векторов соответствующих наблюдаемым состоянием i - го класса образуют область Eь i = 1, 2, ...I. В теории распознавания образов о совокупности точек принадлежащих одному классу высказывается гипотеза компактности [21]. В настоящем случае в силу использования "сжимающего" отображения [23,68], необходимость в такой гипотезе отпадает. Задача распознавания технических состояний сводится к разбиению пространства измеряемых параметров - х на области содержащие точки признаки только одного класса технических состояний. Разделяющие поверхности могут быть полностью описаны дискриминантными функциями Q(x) [37]. В этом случае задача распознавания технического состояния может быть сформулирована следующим образом. На вход устройства распознавания в момент to поступает реализация случайного процесса неизвестного класса вид технического состояния. Для любого предъявленного к распознаванию технического состояния Е из множества {E}j технических состояний Гго класса, выполняется неравенство:Следовательно, задача синтеза распознающего устройства заключается в построение по некоторому правилу разделяющей поверхности S(x), удовлетворяющей системе неравенств решающего правила и (х).
Очевидно преобразование S(x) содержит всю необходимую для принятия решения информацию, получаемую при наблюдении вектора X. Такие преобразования называются достаточными статистиками [81] и играют важнейшую роль при синтезе оптимальных информационных систем. Достаточная статистика тем более интересна, чем большее сжатие входных данных X она обеспечивает, то есть чем меньше ее размерность. Достаточное преобразование минимальной размерности называется минимальной достаточной статистикой для данной задачи или одного класса задач.
Для задач синтеза в условиях априорной неопределенности особое значение имеют инвариантные достаточные статистики, то есть такие преобразования S(x), распределения вероятности которых одинаковы при любом распределении вероятности параметров X входного описания объектов из рассматриваемого класса.
Достаточные статистики, сформированные без использования сведений, содержащихся в априорном распределении наблюдаемых данных и функции потерь, связанных с принятием решения и(х), определяют структуру оптимального решения и оптимальный способ обработки входной информации как для байесовых, так и для любых небайесовых правил.
Однако общие методы отыскания инвариантных или приближенно инвариантных достаточных статистик не разработаны, а существование строго инвариантных статистик - достаточно редкое явление [81]. Наиболее универсальный способ отыскания достаточных статистик малой размерности заключается в анализе функции правдоподобия Р(хА.), где X - совокупность ненаблюдаемых параметров, характеризующих реальную ситуацию, в которой или относительно которой принимаются решения. Применительно к рассматриваемой задаче распознавания технических состояний I представляет собой вектор признаков (Pd,a).
Использование достаточных статистик приводит к быстрому решению сложных задач, среди которых выделяются двухальтернативные задачи с так называемой свободной альтернативой [69]. Этот термин соответствует случаю, когда одна из альтернативных ситуаций как-то задана (полностью или частично), а о второй вообще ничего не известно и она может быть совершенно произвольной (естественно, не совпадающей с заданной).
Свойствами строгой или приближенной инвариантности и достаточности обладают статистики, формируемые при использовании известных непараметрических критериев согласия Колмогорова, Смирнова, Мизеса, хи-квадрат и т.д. [80], применяемых в задачах со свободной альтернативой для проверки гипотезы о соответствии данных наблюдения заданному распределению вероятности либо о его неизменности для двух совокупностей полученных данных.
