Системный подход к выбору целевой аппаратуры малых космических аппаратов

Введение. Современные космические системы используются для решения широкого круга прикладных задач: спутниковая связь, дистанционное зондирование Земли, навигация, исследование Солнечной системы и т. д. Задача обеспечения высокой эффективности и результативности для различных космических систем является весьма актуальной.

В последнее десятилетие стали востребованными разработка, производство и эксплуатация малых космических аппаратов (МКА) с массой до 100 кг, которые наиболее экономически обоснованы, чем тяжелые космические аппараты.

На различных этапах проектирования сложных технических систем, в том числе и МКА, необходимо использование методов системного анализа [1]. Поскольку МКА обладают существенными ограничениями по массе, габаритам, энергопотреблению и другим техническим параметрам, то одной из задач системного анализа является выбор и обоснование рационального состава комплекса приборов целевого назначения.

В состав МКА входят служебные и целевые средства бортовой аппаратуры, рассматриваемые как подсистемы. Поэтому перспективный МКА может быть представлен как совокупность технических подсистем, т. е.

CМКА = { A1, •-, AN } , где CМКА – разрабатываемый МКА; Ai – его подсистемы с порядковым номером i = 1, …, N.

При этом технические средства A_i характеризуются различными параметрами: показатели назначения, показатели надежности (безотказности, долговечности, ремонтопригодности), показатели технологичности, показатели стандартизации и унификации и др.

Для геофизического мониторинга бортовая научная аппаратура (БНА) МКА имеет потенциальные возможности решать задачи наблюдения за различными процессами и явлениями на Земле. Актуальность мониторинга предвестников землетрясений посредством БНА обусловлена высокими требованиями по оперативности получения данных, глобальности обзора поверхности Земли и достаточности набора данных по их полноте (информативности).

Процесс подготовки сильных коровых землетрясений сопровождается появлением различных предвестников: деформация земной коры, вариации электромагнитного поля, аномальные облачные образования и др. Для эффективного краткосрочного анализа предвестников сейсмической опасности необходимо использование космического сегмента, так как наземные службы недостаточно отражают изменения параметров окружающей среды в силу локализации их измерений.

Геофизические явления и бортовая научная аппаратура. Рассмотрим некоторые геофизические явления, связанные с сейсмической активностью и регистрируемые посредством БНА МКА.

Известно, что землетрясения сопровождаются развитием крупных тепловых аномалий, которые возникают за 2–3 недели до события и существуют в течение 1–2 дней после него. Интенсивность таких аномалий обычно составляет 3–4 °С, причём нагревается не только земная поверхность, но и воздух над эпицентром. Эти аномалии можно зафиксировать оптическими средствами, работающими в ИК-диапазоне, посредством сканирующих радиометров [2].

Целесообразно учитывать результаты и линеа-ментного анализа космических изображений подстилающей поверхности в различных областях спектра: зеленой, красной и ближней ИК-диапазона. В сейсмических регионах локальные линеаменты лучше всего выражаются на космических изображениях, сформированных в зеленой зоне спектра, а региональные, как правило, – в ближнем ИК-диапазоне. Поэтому с целью сохранения максимальной информативности космических изображений и экономии времени на их обработку полезно использовать промежуточную (красную) зону спектра: Δλ = 620–690 мкм [3].

Наиболее информативным представляется использование космической тепловой съемки в комплексе с другими спутниковыми методами. Среди таких методов могут быть названы радиолокационная интерферометрия, наблюдения за вариациями параметров ионосферы. Так, в [4] приведены результаты обработки измерений бортовым прибором ISL КА DEMETER, где обнаружено значительное увеличение плотности электронов за ~ 4 дня до сейсмического события в Самоа 29.09.2009 г.

Увеличение шумов в частотном диапазоне 100–500 Гц регистрировалось за 14 часов до землетрясения на низкоорбитальных космических аппаратах над эпицентром землетрясения при М > 5,4. Эффект аномального увеличения интенсивности низкочастотных радиоволн (0,1–15 кГц) в моменты землетрясений фиксировался как магнитной, так и электрической антенной. Также фиксировались изменения фазы низкочастотных сигналов, трассы распространения которых проходили через сейсмоактивный район [5; 6]. В [7] обнаружена пространственно-временная корреляция сильных литосферных землетрясений и вариаций потока энергичных частиц внутреннего радиационного пояса.

К составу комплексов бортовой научной аппаратуры, предназначенной для обнаружения предвестников землетрясений, выдвигается ряд основных требований:

• –    максимальная эффективность;

• –    габаритно-весовые характеристики и электромагнитная совместимость;

  – учет требований по механическим, тепловым, электрическим и другим характеристикам, предъявляемых к научной аппаратуре малых космических аппаратов.

Рассмотрим возможности комплекса приборов МКА геофизического назначения.

• 1.    Ионозонды. Одним из эффективных средств научной аппаратуры для решения задачи обнаружения предвестников сейсмической активности является ионозонд. Он проводит импульсное зондирование ионосферы, предоставляя оперативную информацию о ее состоянии, включая значение критической частоты f 0 слоя F 2 ионосферы и электронной концентрации. Опыт применения таких приборов показывает возможность оперирования более чем 300 фиксированными частотами в диапазоне 0,3–15,95 МГц для высот от 400 до 1000 км [8].

• 2.    Детекторы заряженных частиц. Основное назначение – регистрация протонов и электронов с энергиями в диапазонах 20 кэВ – 2 МэВ. Такие приборы широко использовались на низкоорбитальных и высо-коапогейных космических аппаратах. На борту «Метеор-ЗМ» прошел успешную проверку детектор МСГИ-5ЕИ для измерения дифференциальных спектров как электронной, так и ионной (протонной) компонент геоактивных корпускулярных излучений. В настоящее время подобные комплексы установлены на борту космических аппаратов «Метеор-М» № 1, № 2.

• 3.    Радиомаяки. Такие приборы необходимы для радиотомографии ионосферы. Приемники могут работать, например, на частотах 150 и 400 МГц или 1,575 и 1,227 ГГц (частоты навигационных космических аппаратов). Метод радиотомографии дает возможность получать разрез плотности ионосферы по горизонтали и вертикали в масштабах на тысячи километров.

• 4.    Волновые комплексы низкочастотного диапазона. Для регистрации аномалий в низкочастотном диапазоне необходимы приборы, которые позволят проводить изучение непрерывных шумовых сигналов, появляющихся в ионосфере перед землетрясением.

• 5.    Радиометры. Обработка изображений, получаемых как в видимом, так и в ИК-диапазонах, позволяет выделить ряд предвестниковых факторов, таких как температурные аномалии, линеаменты облачного покрова и другие метеорологические предвестники. Примером может быть радиометр AVHRR, установленный на борту космических аппаратов семейства NOAA, и приборы типа МСУ космических аппаратов «Метеор-М» № 1, № 2 [2]. Также указанные явления фиксируются пассивными СВЧ-радиометрами типа МТВЗА, осуществляющими прием СВЧ-излучения с вертикальной и горизонтальной поляризацией с пространственным разрешением 20–100 км и полосой обзора 1100 м.

• 6.    Масс-спектрометры. Масс-спектрометры позволяют проводить измерения ионизированной и нейтральной составляющих ионосферной плазмы. Необходима регистрация относительного содержания концентраций ионов основных компонент ионосферной плазмы в диапазоне масс 1–65 а.е.м. с разрешением 10–15 (на уровне 10 % высоты пика).

Для оценки изменений, происходящих в свойствах сигналов, оптимально использовать прибор, работающий в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц, поскольку большинство экспериментальных данных соответствует этому частотному диапазону.

Выбор рационального состава целевой аппаратуры малых космических аппаратов. Для оценивания возможностей применения БНА МКА в интересах краткосрочного прогнозирования землетрясений прежде всего необходим выбор наиболее приоритетных источников спутниковой информации, для чего и предлагается следующий методический аппарат. Методика базируется на экспертном методе и методе парных сравнений с учетом «порогового принципа». В табл. 1 представлены основные источники пред-вестниковой информации [5].

Предлагаемая методика основывается на обработке данных по основным источникам предвестниковой информации, заполнении экспертами таблиц, исходя из трех критериев: актуальность предвестника, экономическая обоснованность и приборная реализуемость.

Для экспертного оценивания привлекались со- трудники ИКИ РАН, МИРЭА, мические системы», ИРЭ РАН вой компетентности (M = 7).

При получении парных

АО «Российские косс учетом их одинако-

сравнений объектов

A i ( i = 1, n ) используется метод анкетирования, предусматривающий заполнение каждым экспертом матриц с одинаковым числом строк и столбцов (табл. 2).

Источники спутниковой информации

Таблица 1

№ п/п	Предвестниковая информация
A 1	Вариации температуры поверхности Земли
A 2	Вертикальные профили температуры и влажности воздуха
A 3	Облачные аномалии
A 4	Аномальные потоки скрытой теплоты испарения
A 5	Ветры на высоте 9–12 км
A 6	Аномалии потока уходящего длинноволнового излучения OLR
A 7	Температура приповерхностного слоя воздуха

Окончание табл. 1

№ п/п	Предвестниковая информация
A 8	Концентрации, температуры ионов и электронов. Вертикальные профили электронной концентрации
A 9	Массовый состав и концентрация основных ионов
A 10	КНЧ- и ОНЧ-излучения, измеряемые бортовой научной аппаратурой
A 11	Квазипостоянные магнитные и электрические поля
A 12	Потоки высыпающихся частиц

Таблица 2

Обобщенный вид матрицы экспертного оценивания

Источники

A 1

A 2

A 3

A 4

A 5

A 6

A 7

A 8

A 9

A 10

A 11

A 12

A 1

a 1,1

a 1,2

a 1,3

a 1,4

a 1,5

a 1,6

a 1,7

a 1,8

a 1,9

a 1,10

a 1,11

a 1,12

A 2

a 2,1

a 2,2

a 2,3

a 2,4

a 2,5

a 2,6

a 2,7

a 2,8

a 2,9

a 2,10

a 2,11

a 2,12

A 3

a 3,1

a 3,2

a 3,3

a 3,4

a 3,5

a 3,6

a 3,7

a 3,8

a 3,9

a 3,10

a 3,11

a 3,12

A 4

a 4,1

a 4,2

a 4,3

a 4,4

a 4,5

a 4,6

a 4,7

a 4,8

a 4,9

a 4,10

a 4,11

a 4,12

A 5

a 5,1

a 5,2

a 5,3

a 5,4

a 5,5

a 5,6

a 5,7

a 5,8

a 5,9

a 5,10

a 5,11

a 5,12

A 6

a 6,1

a 6,2

a 6,3

a 6,4

a 6,5

a 6,6

a 6,7

a 6,8

a 6,9

a 6,10

a 6,11

a 6,12

A 7

a 7,1

a 7,2

a 7,3

a 7,4

a 7,5

a 7,6

a 7,7

a 7,8

a 7,9

a 7,10

a 7,11

a 7,12

A 8

a 8,1

a 8,2

a 8,3

a 8,4

a 8,5

a 8,6

a 8,7

a 8,8

a 8,9

a 8,10

a 8,11

a 8,12

A 9

a 9,1

a 9,2

a 9,3

a 9,4

a 9,5

a 9,6

a 9,7

a 9,8

a 9,9

a 9,10

a 9,11

a 9,12

A 10

a 10,1

a 10,2

a 10,3

a 10,4

a 10,5

a 10,6

a 10,7

a 10,8

a 10,9

a 10,10

a 10,11

a 10,12

A 11

a 11,1

a 11,2

a 11,3

a 11,4

a 11,5

a 11,6

a 11,7

a 11,8

a 11,9

a 11,10

a 11,11

a 11,12

A 12

a 12,1

a 12,2

a 12,3

a 12,4

a 12,5

a 12,6

a 12,7

a 12,8

a 12,9

a 12,10

a 12,11

a 12,12

Значение элемента, стоящего на пересечении i -й строки и j -го столбца, определяется согласно правилу [9]

a j =

0, A ^ A j

1, A i ~ A j .

2, A ,^ A j

Метод вычисления весовых коэффициентов, в соответствии со значениями которых ранжируются объекты, представляет собой итерационную процедуру:

Pt = Apt-1, где p0 = (1,1, ...,1)'.

В процессе итерирования возможно получение больших весовых значений. Чтобы этого не произошло, компоненты вектора p^t на каждом шаге нормируются путем деления на сумму:

^ t = Z P t = ZZ « j P?- iij

C учетом нормирующего множителя процедура вычисления весовых коэффициентов записывается как p= bp-1.

λ

Вычислительный процесс продолжается до момента, когда весовые коэффициенты, полученные на соседних итерациях, будут незначительно отличаться друг от друга, т. е.

^max| P t - P t — 1| <  ^e,

Итоговая групповая оценка была получена усреднением значений индивидуальных оценок экспертов.

Для оценки значимости результатов экспертного оценивания использовалось ранжирование. Каждому значению параметров A ₁ , …, A ₁₂ присваивался ранг – порядковый номер, расположенный в порядке возрастания этих параметров.

Для определения тесноты связи между рангами параметров A 1 , …, A 12 определялся коэффициент кон-кордации. Поскольку ранги являются несвязными, то коэффициент конкордации будет определяться как [10]

W=

12 S

m ² ( n ³

n)’

где m = 3 – количество критериев; n = 12 – количество параметров A ₁ , …, A ₁₂ ; S – разность между суммой

квадратов рангов и средним квадратом рангов, определяемая по формуле

(

S= Z Z R ,j ^m V ^j

ZZ Rj

V i= 1 j=1

n

где R ij – ранг, присвоенный i -му значению j -го признака.

В результате расчетов S = 823, W = 0,639.

Значимость коэффициента конкордации оценивается по χ2-критерию Пирсона. Расчетное значение χ2расч при отсутствии связных рангов определяется по формуле:

^χ расч

12S mn (n +1)

где ε – достаточно малое положительное число, задающее точность расчетов.

Оценка приоритетности предвестниковой информации по каждому критерию проводилась отдельно.

Расчетное значение χ2расч = 21,1 превышает табличное значение χ2табл = 19,675 при заданном уровне значимости α = 0,05 и числе степеней свободы v = n – 1 = 11, поэтому коэффициент конкордации признается значимым, что свидетельствует о сильной связи между оценками экспертов.

Применив относительное нормирование по максимальному значению, были получены показатели, которые характеризуют степень соответствия предвест-никовой информации заданным критериям (табл. 3).

Выявление наиболее значимой предвестниковой информации проводилось по «пороговому принципу». Пороговое значение для A i определялось с помощью средневзвешенного значения:

N

CWV iii

L= ^{i= 1} _N      ,

∑WiVi i=1

где L – средневзвешенное значение («порог»); N – количество признаков; С_i – средняя арифметическая мнений экспертов по i -му признаку; V_i – «литературный вес» по каждому i- му признаку.

Для расчета «литературного веса» параметров A 1 , …, A 12 были проанализированы имеющиеся литературные источники (табл. 4):

W i =

C i max _i - min _i

где W i – «практический вес», который отражает значимость A i по мнению экспертов; max i , min i – значения мнений экспертов по A_i .

Нормированные параметры A ₁ , …, A ₁₂ и полученное пороговое значение L = 0,92 показаны на рисунке.

Как видно на рисунке, наибольшей значимостью при геофизическом мониторинге обладают параметры A 3 , A 7 , A 8 , A 10 . По результатам проведенного экспертного оценивания для обнаружения краткосрочных предвестников землетрясений целесообразно диагностировать выявленные параметры и иметь в составе БНА МКА приборы, фиксирующие:

• –    концентрацию, температуру ионов и электронов, вертикальные профили электронной концентрации;

• –    температуру приповерхностного слоя воздуха;

• –    КНЧ- и ОНЧ-излучения, измеряемые бортовой научной аппаратурой;

• –    облачные аномалии.

  Результаты расчета показателей приоритета предвестниковой информации

  Таблица 3

  A 1	A 2	A 3	A 4	A 5	A 6	A 7	A 8	A 9	A 10	A 11	A 12
  0,81	0,76	0,93	0,52	0,46	0,46	0,99	1,00	0,85	0,98	0,68	0,77

  
  

Таблица 4

Результаты анализа литературных источников

№ п/п	Литературные источники, содержащие предвестниковую информацию	V
A 1	[5; 2; 11–14]	0,24
A 2	[3; 5; 11–13; 15–17]	0,32
A 3	[3; 5; 13]	0,12
A 4	[3; 5; 11; 12; 16]	0,20
A 5	[5]	0,04
A 6	[2; 3; 5; 8; 11; 14–16]	0,32
A 7	[5; 11–13; 15–17]	0,28
A 8	[3–5; 8; 11; 12; 16; 18–26]	0,64
A 9	[4; 5; 8; 11; 12; 18–20; 26]	0,36
A 10	[5; 8; 11; 17; 18; 22; 27; 28]	0,32
A 11	[3; 5; 8; 12; 16; 19; 22]	0,32
A 12	[5; 11; 18; 22; 29; 30]	0,24

Al A2 A3 A4 A5 Аб А7 А8 А9 АЮ All А12

Параметры

Визуализация результатов селекции предвестниковой информации

Visualization of the results of selection of predictive information

Отметим, что в работе [31] предложенная методика использовалась с меньшим числом критериев, где наряду с параметрами A 3 , A 7 , A 8 , A 10 были выявлены A 9 , A 12 : массовый состав и концентрация основных ионов, а также потоки высыпающихся частиц соответственно. Таким образом, приборы, регистрирующие параметры A ₉ , A ₁₂ , могут быть дополнительно установлены на МКА.

Заключение. Предложена методика выбора наиболее информативных спутниковых данных, получаемых бортовыми приборами, комплектация которых должна определяться исходя из технических характеристик МКА, состава орбитальной группировки и вышеприведенных требований. Основными приборами могут быть:

• -    приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (двухчастотный, с темпом измерений не ниже 20 Гц, имеющий не менее 2-х антенн, ортогональных по оси Х ) для радиозатменного зондирования или Легмюровский зонд;

• -    камера ИК-диапазона с разрешением 15–250 м в полосе обзора до 700 км и разрешающей способностью не хуже 5 К;

• -    низкочастотный волновой комплекс для исследования непрерывных шумовых сигналов в ионосфере в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Полученные результаты позволяют оценить оптимальный состав и технические характеристики бортовой научной аппаратуры МКА геофизического назначения и определить перспективы развития космической системы мониторинга сейсмической активности.

Дальнейшее повышение достоверности определения места, времени и интенсивности сейсмического события может быть достигнуто путем сочетания спутниковых данных с результатами наземных измерений [32; 33].