Многоуровневая баллистическая структура кластерной орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли

аппаратов (МКА) [1,2]. Примерами функционирующих орбитальных группировок, состоящих из кластеров МКА, являются модернизированная система HawkEye 360 (США), Yaogan (Китай), Essaim, Elisa (Франция), Сeres (ЕС) и др. [3-6]. Кроме того, в ряде стран развернуты работы по созданию принципиально новых низкоорбитальных КА на базе унифицированных космических платформ [3]. Основными тенденциями развития космических систем данного целевого назначения являются:

• -    увеличение доли радиолокационных спутников различного назначения [7];

• -    возрастание числа оптико-электронных и космических систем высокого (от 2.5 м до 1 м) и сверхвысокого разрешения (менее 1 м) с радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА) и, как следствие, отказ от фотографических космических систем;

• -    отказ от дорогостоящих многофункциональных спутников и широкое использование кластеров малых КА [2].

При этом преимуществами использования в группировках ДЗЗ малых КА является:

• -    значительное увеличение оперативности получения данных наблюдения за счёт создания необходимой по численности группировки малых КА [7];

• -    более быстрое внедрение новых технических разработок и технологий съёмки;

• -    увеличение надежности группировки за счёт её быстрого восполнения в случае необходимости;

• -    уменьшение затрат на создание и ввод в эксплуатацию МКА;

• -    всепогодный и круглосуточный мониторинг земной поверхности;

• -    высокое пространственное разрешение получаемой информации.

Однако для реализации указанных эффектов МКА должны совместно функционировать в составе целевых подсистем орбитальной группировки, получивших в специальной литературе наименование кластеров МКА. Следует отметить, что общепринятого понятия кластера МКА в настоящее время не существует. Как правило, к кластерам относят группы совместно функционирующих КА. Поэтому под кластером будем понимать совокупность КА различного целевого назначения не только совместно выполняющих общую задачу и воспринимаемых потребителем как единое целое, но и управляемых как единый космический объект [2].

Как правило, функционирование бортовой аппаратуры определяет жёсткие требования к относительному положению МКА в составе кластера МКА во время орбитального полёта, следовательно, при проектировании орбитальных группировок возникают дополнительные ограничения, которые существенно усложняют определение баллистической структуры орбитальной группировки МКА, состоящей из кластеров МКА, имеющих собственную баллистическую структуру.

Так, например, в случае реализации кластером МКА задач радиомониторинга структура кластера должна обеспечить возможность применения различных методов измерений, таких как разностно-дальномерного, интерферометрического и др. методов, при этом необходимо чтобы структура кластера отвечала требованиям по устойчивому относительному положению МКА в составе кластера для заданного диапазона орбит [4, 8]. Но, вместе с тем, баллистическая структура самой орбитальной группировки, состоящей из кластеров МКА, должна обеспечивать и новые требования, например, пространственно-временные, тактико-технические и энергетические. Таким образом, баллистическая структура орбитальной группировки будет носить многоуровневый характер с совокупностью требований и ограничений, в ряде случаев взаимно противоречивых.

В настоящее время создан достаточный теоретический и практический задел в области синтеза орбитальных структур систем КА периодического обзора. Фундаментальными трудами в области проектирования орбитальных группировок (ОГ) различного целевого назначения являются работы таких учёных как Баринов К.Н., Бурдаев М.Н., Мамон П.А., Можаев Г.В., Власов С .А., Горбулин В.И., Разумный Ю.Н., Скребушевский Б.С., Назаренко О.П., Улыбышев С.Ю. и др. [8, 12]. В данных работах всесторонне и в полном объёме освещены вопросы проектирования ОГ КА, обладающих так называемой «симметричной» баллистической структурой и располагающихся на одинаковых орбитах. Таким образом, оптимизация проводилась в рамках выбранного класса баллистических структур, обладающего структурной устойчивостью и рациональным построением.

Вопросам разработки моделей и методов управления кластером МКА в настоящее время уделяется повышенное внимание как у нас в стране, так и за рубежом [3, 8,11]. Однако стоит отметить, что вопросы обоснования и создания кластерных ОГ КА, которые функционируют на различных орбитах, остались вне рамок исследований.

В данной статье рассматривается новый комплексный подход к баллистическому построению перспективных кластерных ОГ, который позволит обеспечить требуемые потребителем пространственно-временные и точностные характеристики за счёт оптимальной многоуровневой баллистической структуры.

В основе подхода лежит построение многоуровневых баллистических структур, с помощью которых формируются кластерные ОГ. Процесс формирования основывается на «компромиссном» варианте орбитального построения. Так, баллистическая структура кластера располагается на разновысотных орбитах, но при этом обеспечивает как требования для функционирования бортовой аппаратуры, так и внутреннюю структурную устойчивость. С этой целью вводится понятие опорная орбита кластера МКА, которая представляет собой совокупность незначительно отличающихся друг от друга орбит, по которым происходит движение каждого МКА из состава кластера, но при этом имеющих одинаковый цикл замыкания трассы полёта и одинаковую прецессию восходящего узла орбиты.

С другой стороны, внутренняя устойчивость МКА в составе кластера взаимосвязана с динамикой самого кластера МКА внутри орбитальной группировки.

На заключительном этапе происходит обоснование баллистической структуры кластерной ОГ МКА, основанное на синтезе баллистических структур, при котором, впервые учитываются требования на способность системы к наращиванию, перенацеливанию и совместному применению с уже функционирующими ОГ КА и одиночными КА.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В общем виде математическая постановка задачи обоснования многоуровневой баллистической структуры орбитальной группировки ДЗЗ с применением кластеров МКА сводится к двум этапам. На первом этапе формируется целевая функция, требования и ограничения, которые необходимы для успешного выполнения кластером МКА своей целевой задачи. Оптимизационная задача сводится к определению баллистической структуры кластера МКА, т.е необходимо определить оптимальную баллистическую структуру, задаваемую в виде множества

^О к ^{( а} к , ^е к , i K , ^ к , ® к , ^и к ⁾ , где k = К¹),-³ , которое обеспечит выполнение кортежа тактико-технических требований и характеристик функционирования МКА, ОГ МКА, а также требуемые точностные характеристики потребителя.

Как правило, требуемые точностные характеристики определения координат, скорости и направления представляют в виде ограничений

• ^а , га ,™. . а . 2®„„ , о » ^{— а} »зад .

Требования функционирования бортовой аппаратуры можно свести к ограничению относительного положения МКА в составе кластера МКА dmin < di,j (t) < dmax, i * J где i, j - номер МКА в составе кластера, t - заданный интервал функционирования кластера МКА до проведения коррекции.

Заданную структурную устойчивость можно задать в виде временного интервала структурной устойчивости кластера МКА, который обусловлен ограничениями на запасы характеристической скорости

At_CT p >  ^.(AV^ . ) .

На втором этапе обосновывается баллистическая структура ОГ ДЗЗ, причем структурным элементов является кластер МКА. При этом исходными данными являются:

• 1)    Пространственные характеристики поверхности Земли (широтного пояса или района наблюдения): R ^ е [у_н , у_в] ;

• 2)    Заданное время разрыва в наблюдении – ∆t_зад (заданная периодичность наблюдения обслуживаемой поверхности Земли):

Atmax — At3a. ’ где Atmax = max Atpa3(V, ^) ;

R ψ

• 3)    Параметры орбит функционирования кластера МКА: a E^[ a min , a max ^] , T ₃^j T q = p/q , i е i_don - диапазон наклонений орбиты кластера МКА;

С учетом значительного числа ограничений и требований, как к условиям функционирования кластера МКА, так и к требованиям потребителя, которые, как показывает анализ, являются противоречивыми, необходимо сформировать систему показателей эффективности и свести задачу к оптимизационной многокритериальной задаче.

Показатели эффективности, характеризующие выполнение кластерной ОГ МКА, целевой задачи также можно свести к двум типам. Первый тип показателей – это внутренние показатели эффективности, которые характеризуют выполнение МКА своей целевой задачи в составе кластера МКА, второй тип – это показатели, которые обеспечивают пространственно-временные характеристики кластерной ОГ МКА.

Общая характеристика и иерархия показателей эффективности функционирования кластерной ОГ МКА представлена в табл. 1 и на рис. 1.

Таким образом, постановка задачи обоснования многоуровневой баллистической структуры орбитальной группировки ДЗЗ с применением кластеров МКА может быть представлена в общем виде.

Определить: Баллистическую структуру кластеров МКА O ^* _N , которая на множестве допустимых баллистических структур О ^¹¹¹, с учетом заданных пространственно-временных требований, точностных характеристик и ограничений, обеспечит минимум числа кластеров МКА в системе N _min

Ji = Nmin = N(On);

N(O n ) = argmin {N[O n (O_k,m,n)]};

ДОП

^On ^{c O}n

Т.Л,

O N^on = {O N k ,m,n)/^^^,    (1)

i,ф 3(r),Atmax — At3a.,Ry} , где O k – баллистическая структура кластера МКА, j = i,2,...,m;i = i,2,...,n; m - число кластеров МКА во фронтальной группе, n – число фронтальных групп.

Таблица 1. Общая характеристика показателей результативности функционирования ОГ ДЗЗ с применением кластера МКА

Виды показателей	Функционал	Физический смысл	Решаемые задачи
Основные	J i ( On ) = Nmin	Минимальное количество кластеров МКА	Баллистическое обоснование кластерной ОГ МКА
	J 2 ( O N ) = min A t max	Минимальное время наибольшего разрыва наблюдения заданных стратегических (операционных) направлений	Наращивание, перенацеливание, совместное применение ОГ МКА
Внутренние	J 4 (0 k ) ^ max	Максимальное время функционирования с требуемыми точностными характеристиками наблюдения	Обеспечение точностных требований и характеристик наблюдения потребителя
	j3(0k) <д v”»	Баллистическая структура кластера МКА, обеспечивающая требуемое значение структурной устойчивости кластера МКА	Обеспечение структурноустойчивых требований функционирования ОГ МКА

I Уровень баллистической структуры                     II Уровень баллистической структуры

J i ( J 2

0N) = N min 0 N ) = min A t max R v

Второй и третий МКА, образующие кластер МКА, задаются следующим образом:

u 2, j , i = ^u 1, j , i + u 2 ,

Q 2, j, i = Q1, j, i + Q2, u 3, j, i = u1, j, i + u3,

^Q 3, j , i = ^Q 1, j , i ^{+ Q} 3 ,

,          2n .         2^         Ati где AQ = At , Au = At     , At„ = , u               n         n

Тэф         TQ        n j = 1,2,...,m,i = 1,2,...,n.

ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ КОНЦЕПЦИИ И ПРИНЦИПЫ ОБОСНОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КЛАСТЕРНОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ

ГРУППИРОВКИ ДЗЗ

Теория и практика разработки и создания сложных технических систем показывает, что решение поставленной проблемы может быть осуществлено на основе сочетания методов структурно-параметрического синтеза и оптимизации параметров, влияющих на возможности системы, её принципиальные особенности и отличия от известных (разработанных ранее) сложных информационных систем [13]. Сформулируем основные части концепции:

• 1)    Анализ современного состояния обоснования баллистической структуры орбитальной группировки состоящей из кластеров МКА.

• 2)    Оценивание возможностей по проектированию, развёртыванию, наращиванию, перенацеливанию ОГ КА, состоящей из кластеров

МКА, на основе современного состояния средств выведения, информационного обеспечения, а также уровня разработки сложных систем и технологий создания новых средств и систем наблюдения.

• 3)    Анализ и тенденции развития тактикотехнических требований и пространственновременных характеристик, перспективных ОГ КА для произвольных районов земной поверхности.

• 4)    Требования к способам применения кластерной орбитальной группировки ДЗЗ.

• 5)    Обоснование приоритетных направлений, принципов создания и применения кластерных орбитальных группировок ДЗЗ.

В связи с этим в основу обоснования многоуровневой баллистической структуры кластерной орбитальной группировки ДЗЗ, как сложной технической системы, целесообразно положить следующие принципы.

Принцип системности заключается в том, что обоснование баллистической структуры кластерной ОГ МКА основывается на свойствах и характеристиках одиночных МКА, объединённых в подсистемы (кластеры МКА), которые должны обеспечивать совокупность внутренних требований и ограничений (в ряде случаев противоречивых), сохраняя целостность и связи в составе ОГ, и при этом обеспечивать её эффективное функционирование. В таком случае ОГ с применением кластеров МКА будет иметь многоуровневую баллистическую структуру.

Принцип оптимальности предполагает оптимизацию решений, обеспечивающих максимальный целевой эффект функционирования ОГ МКА, путём обоснования баллистических структур МКА при формировании кластера МКА, а также кластерной ОГ ДЗЗ.

Принцип устойчивости предусматривает сохранение возможностей эффективного решения поставленных перед кластерной ОГ МКА задач в условиях воздействия внешней среды на баллистическую структуру.

Принцип агрегирования основывается на декомпозиции задач обоснования баллистической структуры кластерной ОГ, при котором локальные целевые задачи и функции кластера МКА соответствуют целям и функциям всей ОГ ДЗЗ.

Принцип управляемости – возможность коррекции баллистической структуры ОГ ДЗЗ для поддержания структурной устойчивости, наращивания (перенацеливания в случае изменения районов наблюдения) при сохранении пространственно-временных и точностных характеристик [14].

Принцип развития требует, чтобы кластерная ОГ ДЗЗ разрабатывалась и функционировала как развивающаяся система, в которой предусмотрена возможность совершенствования, модернизации компонентов системы (наращивание и восполнение ОГ ДЗЗ) и связей между ними на основе принципов агрегирования и системности.

Предложенные принципы позволяют сформировать концептуальную модель обоснования многоуровневой баллистической структуры кластерной орбитальной группировки ДЗЗ.

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ОБОСНОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ

СТРУКТУРЫ КЛАСТЕРНОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ ГРУППИРОВИ ДЗЗ

Для содержательного описания моделируемой сложной системы разработана концептуальная модель обоснования многоуровневой баллистической структуры кластерной орбитальной группировки наблюдения в условиях воздействия внешней среды. Модель отображает взаимосвязи основных элементов обоснования кластерной ОГ ДЗЗ и последовательность формирования частных задач.

Основная цель концептуальной модели – это охватить проблему выработки решения в целом, представить её основные элементы, которые необходимо сформировать для получения окончательного решения о стратегии проведения операции [15]. Тогда обобщенная модель проблемной ситуации представляется в виде системы: J, Л , H,G, У , W,K,P, 6).

В соответствии с информацией о цели операции, лицо, принимающее решение (ЛПР), последовательно формирует множества U (множество стратегий) и Λ (множество определенных факторов) на основе информации θ _u и θ_Λ , опираясь на подмодели P_u , P _Λ модели предпочтений P (рис. 3).

Аналогично на основе подмоделей предпочтений P_G и P_Y с учётом информации θ _H об имеющихся средствах построения моделей H выбираются характеристики Y (множество исходов операции) исхода G (характеристики операции) и устанавливается вид соответствия H : U хЛ^ Y ( G ) , а также формируется величина требуемого результата операции Y^тр . Далее по информации Y , Y ^тр с учетом предпочтений P W о виде показателя эффективности устанавливается один из возможных видов метрики P ( У , Y^тр ) и формируется модель ^ «результат -показатель». Одновременно формируется критерий К по информации и θ _A подмодели предпочтения P_K , которая может задавать критерий в форме решающего правила.

На основе суждения о степени достижения цели операции либо осуществляется выбор лучшей альтернативы из множества u ∈ U , либо осуществляется возврат и коррекция элементов модели проблемной ситуации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОБОСНОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ

СТРУКТУРЫ КЛАСТЕРНОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ ГРУППИРОВКИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Рассмотрим пример обоснования многоуровневой баллистической структуры кластерной орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли. В таблице 2 приведены оптимальные баллистические структуры кластера МКА для трёх вариантов квазисинхрон-ных орбит: Т_эф ./ Т п = 79/6, Т^/Т п = 93/7, Т_эф /Т п = 66/5 . Из таблицы 2 видно, что параметры орбит МКА незначительно отличаются как по геометрии орбиты, так и по положению в пространстве, что позволяет с одной стороны обеспечить требования функционирования бортовой аппаратуры МКА, с другой стороны удовлетворить требования по структурной устойчивости.

В таблице 3 приведены характеристики обзора ОГ ДЗЗ для заданной периодичности наблюдения обслуживаемой поверхности Земли (широтного пояса), т.е. R ψ [-88°,88°] .

В таблице 4 представлена оптимальная многоуровневая баллистическая структура ОГ ДЗЗ для случая, когда требуемая периодичность наблюдения Д1_зад = 1,5 часа.

Таким образом, используя результаты, представленные в табл. 4, определяют оптимальную баллистическую структуру ОГ ДЗЗ - O_n(N = 14,O_k,m = 2, n = 7) , а используя результаты, представленные в табл. 2 – баллистическую структуру каждого кластера МКА ( O k ) в составе ОГ ДЗЗ.

U, Л, H, G, Т, W, K, P ,^

Рис. 3. Концептуальная модель обоснования многоуровневой баллистической структуры кластерной орбитальной группировки ДЗЗ

Таблица 2. Оптимальные баллистических структуры кластера МКА

Номер баллистической структуры	11	номер КА	а, км	e	i, град	го , град	и ,град	О, град
5	79/6	1	7532.415	0.002	62.792	270	0	0
		2	7532.415	0.004	62.792	270	1.43	0.07
		3	7532.415	0.006	62.793	270	0.501	1.184
12	93/7	1	7485.366	0.004	75.503	270	0	0
		2	7485.366	0.004	75.503	270	1.23	0.07
		3	7485.366	0.006	75.504	270	0.401	1.284
16	66/5	1	7518.745	0.003	62.0	270	0	0
		2	7518.745	0.004	62.01	270	1.33	0.1
		3	7518.745	0.006	62.02	270	0.401	1.184

Таблица 3. Оптимальные баллистические структуры кластера МКА

	А Ттах , Час
N, количество кластеров МКА	Т ф.Дп = 79/6,	Т ,ф./ Тп = 93/7,	Т ,ф./ Тп = 66/5
17	1.28	1.27	1.28
16	1.36	1.35	1.36
15	1.45	1.44	1.45
14	1.53	1.51	1.52
13	1.68	1.66	1.67
12	1.82	1.80	1.81
11	2.31	2.29	2.31
10	2.54	2.52	2.54
9	2.83	2.80	2.82
8	3.18	3.15	3.17
7	3.64	3.59	3.63
6	4.24	4.20	4.23
5	5.09	5.04	5.08
4	6.36	6.31	6.35
3	16.36	16.21	16.32
2	23.63	23.42	23.57

Таблица 4. Оптимальная баллистическая структура ОГ ДЗЗ

Номер кластера МКА U,град Qj,град 1 0 0 2 51.428 19.29 3 102.857 38.591 4 154.285 57.88 5 205.714 77.183 6 257.142 96.479 7 308.571 115.74 8 0.03 135.07 9 51.428 154.366 10 102.857 173.66 11 154.285 192.95 12 205.714 212.253 13 257.142 231.549 14 308.571 250.84 баллистическую структуру кластерной орбитальной группировки ДЗЗ, но и определить перечень и последовательность решения частных задач, требующих решения при выборе оптимальной стратегии.