Способ планирования задействования наземных средств управления космическими аппаратами на основе приоритетов запросов

ДОНСКОВ А.В.

СИРАНЧУК Д.С.

В процессе управления космическими аппаратами (КА) возникают ситуации, называемые конфликтными (КС), обусловленные необходимостью использования одного и того же средства наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ) в одно и то же время для проведения сеансов связи с несколькими КА. Поскольку одно средство не может работать одновременно с несколькими КА, возникает необходимость определения предпочтений сеансов связи с КА.

Анализ данных о планируемых изменениях состава орбитальной группировки (ОГ) и наземных средств управления КА [1, 2] показывает, что в период с 2018 по 2025 г. при увеличении количества КА в 3,3 раза и средств НАКУ в 1,9 раза прогнозируемое количество требуемых сеансов связи возрастёт примерно в четыре раза. При этом средняя нагрузка на одно средство НАКУ возрастёт примерно в 2,2 раза, что повышает вероятность возникновения спорных ситуаций по задействованию средств НАКУ. С учётом специфики применяемых средств НАКУ, заключающейся в отсутствии их полной взаимозаменяемости, а также возможных ухудшений условий их эксплуатации (выход из строя, ухудшение метеоусловий и др.), нагрузка на работоспособные средства НАКУ ещё больше увеличится, что приведёт к ещё большему увеличению вероятности возникновения КС и их количества.

В настоящее время ежедневно планируется проведение до 90 сеансов связи с КА в сутки, при этом возникает от двух до десяти КС. Рост количества КС связан в основном с запуском новых КА, особенно к Международной космической станции.

Проведённые исследования [3] показали, что при оперативном планировании (на суточном интервале за трое суток до проведения сеансов связи) без привлечения средств НАКУ сторонних организаций резерва времени было достаточно для разрешения от одной до трёх КС без нарушения сроков планирования. Результаты обработки статистических данных за период с 2012 по 2024 г. по возникновению КС при задействовании средств НАКУ указывают на восходящий тренд частоты возникновения более трёх КС при увеличении количества требуемых сеансов связи (рис. 1). Под частотой понимается отношение количества оперативных планирований, при которых возникло более трёх КС, к общему количеству oперативных планирований.

При недостаточности времени для проведения запланированных сеансов связи возникает так называемый второй информационный барьер (по определению академика В.М. Глушкова), когда суммарная сложность задач по управлению выше способности системы управления по переработке информации, что приводит к проблемам по принятию решений и увеличивает риск возможности нанесения неприемлемого ущерба в виде потери КА [3, 4].

Количество сеансов связи

Рис. 1. Прогноз зависимости частоты возникновения более трёх конфликтных ситуаций (КС) от количества требуемых сеансов связи (рисунок создан авторами)

и/или переносе реализации запланированного сеанса связи на другое время и/или другое средство НАКУ, обоснована необходимость использования обобщённого показателя важности сеанса связи с КА в виде приоритета запроса на проведение сеанса связи, учитывающего все возможные для анализа факторы качественного и количественного характера, влияющие на приоритет [3]. Для решения задачи назначения приоритетов запросов используются метод эксперт-

При существующем организационном способе разрешения КС [3] численные значения приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА не используются, что значительно затрудняет принятие решений и не позволяет обеспечить принятие научно обоснованных решений [5]. Разрешение КС, существенно зависящее от человеческого фактора, не обеспечивает возможности повышения оперативности принятия решений без автоматизации данного процесса, что особенно важно в современных условиях резкого увеличения состава ОГ КА Роскосмоса и ограниченности состава средств НАКУ для управления ОГ КА [1, 2].

Планирование задействования средств НАКУ при возникновении КС является одним из проблемных вопросов обеспечения космической деятельности [6]. Основной целью при разрешении КС является исключение максимально возможного ущерба управлению КА [7]. Однако рассчитать значения ущерба управлению КА при возникновении конфликтных ситуаций не представляется возможным из-за отсутствия математических зависимостей между величиной ущерба и факторами, влияющими на данный ущерб [8]. Согласно классификации, предложенной в 1958 г. в статье Г. Саймона и А. Ньюэлла [9], такие задачи относятся к категории неструктурированных. Для оценки данного ущерба, возникающего при отмене ных оценок для получения оценок важности факторов, влияющих на приоритеты, и метод анализа иерархий для расчёта значений приоритетов запросов [3, 10–12].

На основании опыта Центра ситуационного анализа, координации и планирования (ЦСАКП) ЦНИИмаш по планированию задействования средств НАКУ определена следующая общая исходная информация для планирования в виде следующих ниже понятий.

• 1.    Планирование задействования средств НАКУ для обеспечения управления КА — распределение запросов на проведение сеансов связи с КА по средствам НАКУ в соответствии с составом наземного комплекса управления (НКУ) космическим аппаратом, зонами радиовидимости (ЗРВ) КА техническими средствами, технологическими циклами управления КА и приоритетами запросов. Основная цель планирования задействования средств НАКУ — максимальное удовлетворение потребностей Центра управления полётами (ЦУП) КА по управлению КА, указанных в заявках ЦУП на задействование средств. При возникновении КС по задействованию средств НАКУ целью планирования является определение порядка реализации запросов ЦУП на проведение сеансов связи, приведённых в заявках ЦУП, обеспечивающего минимально возможный ущерб управлению космическими аппаратами.

• 2.    Сеанс связи — информационный обмен между КА и средством НАКУ на определённом временнóм интервале, сопровождающийся выдачей на борт и приёмом с борта КА различной информации.

• 3.    Запрос на проведение сеанса связи с КА — совокупность сведений, определяющих параметры заказа средств НАКУ для проведения одного сеанса связи с КА. Реализация каждого запроса осуществляется путём задействования конкретного средства НАКУ из состава НКУ КА на время ЗРВ данным средством конкретного КА. Запросы могут быть декомпозированы на части, включающие одну или несколько операций, реализация которых возможна за счёт резервных ЗРВ. Один запрос при его реализации может использовать свободные фрагменты нескольких ЗРВ. Приоритет запроса определяет его важность, по мнению экспертов, с точки зрения возможного ущерба управлению КА в случае переноса его реализации на другое время и/или средство.

• 4.    Приоритет запроса на проведение сеанса связи с КА — численное значение важности запроса на проведение сеанса связи с КА.

• 5.    Виды планирования — оперативное и текущее. Оперативное планирование задействования средств осуществляется на суточном интервале за трое суток до сеанса связи с КА в течение 5 ч (с 12.00 до 17.00) на основании присланных ЦУП КА заявок на задействование средств. Оперативное планирование завершается утверждением Плана задействования средств (ПЗС) и Плана задействования каналов связи и выдачей исполнителям управляющих воздействий для реализации планов. Текущее планирование задействования средств НАКУ осуществляется после завершения оперативного планирования при поступлении дополнительных запросов, обуславливающих необходимость коррекции утверждённого ПЗС.

При оперативном планировании задействования средств НАКУ в порядке поступления от ЦУП КА заявок на задействование средств возможны ситуации, когда в первую очередь будут распределены запросы с более низкими приоритетами, а запросы с более высокими приоритетами, время и средства реализации которых совпадают с уже распределёнными запросами, останутся нераспределёнными. Для исключения подобных ситуаций распределение запросов по средствам НАКУ необходимо осуществлять в соответствии с их приоритетами. Очевидно, что увеличение количества перемещений нераспределённых запросов приведёт к увеличению времени планирования задействования средств НАКУ. Учитывая изложенное, при оперативном планировании распределение всех запросов по средствам НАКУ необходимо производить не в порядке поступления заявок от ЦУП КА, а в соответствии с приоритетами запросов и технологическим циклом управления (ТЦУ) КА, что позволит также упростить процесс обслуживания запросов при оперативном планировании за счёт наличия проранжи-рованных по приоритетам всех запросов, а не только нераспределённых. Реализация в первую очередь запросов с наивысшими приоритетами позволит исключить необходимость поиска нераспределённых запросов и автоматически определить порядок обслуживания всех запросов. Кроме этого, упорядоченное расположение всех запросов в соответствии с их приоритетами позволит упростить обслуживание запросов при текущем планировании, когда вновь появившийся запрос будет обслужен в соответствии с его приоритетом в очереди проранжированных запросов, а расчёт значений приоритетов ранее распределённых запросов не потребуется.

Время на проведение операций текущего планирования относительно оперативного планирования значительно меньше, поскольку данные операции выполняются в режиме реального времени полёта КА, и общее время, затраченное на перепланирование при переносе времени реализации запроса, включая коррекцию плана, доведение информации (выписок из ПЗС, распоряжений на задействование средств и др.) до исполнителей и подготовку средств НАКУ к работе, может быть ограничено временем одного витка КА вокруг Земли, составляющего ~90 мин. С учётом проведения необходимых операций по перепланированию, время на принятие решения по разрешению КС при текущем планировании должно составлять не более 25 мин [12]. Время принятия и реализации решения может быть значительно ограничено при возникновении ситуаций, ухудшающих условия функционирования средств НАКУ и оказывающих влияние на возможности их использования по назначению. При возникновении двух и более КС по задействованию наземных средств при текущем планиро- вании их своевременное разрешение организационным способом становится проблематичным [3, 12].

Кроме этого, заявки на задейство- вание средств при текущем планировании имеют особую важность, обуславливающую необходимость коррекции утверждённого ПЗС, что накладывает повышенную ответственность на лицо, принимающее решения.

Можно выделить нижеследующие основные особенности планирования задействования средств НАКУ в различных режимах планирования:

• •    оперативное планирование:

  – выполняется за трое суток до проведения сеанса связи с КА;

  – большое количество заявок на задействование средств;

  – время планирования определено в руководящих документах и составляет 5 ч;

• •    текущее планирование:

  – возникает, как правило, неожи-

• данно при возникновении непредвиденных обстоятельств;

  – количество заявок невелико (одна-две), зависит от сложившейся ситуации;

  – сроки реализации запросов очень ограничены во времени, поскольку перепланирование осуществляется в режиме реального времени полёта КА;

  – высокая ответственность за принятие решения по коррекции ПЗС.

• 6.    Состав средств НАКУ для обеспечения управления ОГ КА и состав ОГ КА, находящейся под управлением ЦУП. Для управления КА используются различные типы средств НАКУ, которые не являются взаимозаменяемыми из-за различий выполняемых функций, что накладывает определённые ограничения по их

• 7.    Конфликтная ситуация по задействованию средств НАКУ — ситуация, обусловленная необходимостью задействования одного и того же средства НАКУ в одно и то же время для работы с несколькими КА. При возникновении КС по задействованию средств НАКУ задача планирования задействования средств НАКУ имеет особое значение ввиду ограниченности времени и высокой ответственности за принятие решений [12–14].

использованию. В составе ОГ находятся автоматические и пилотируемые КА на околоземной орбите, в перспективе — объекты на траекториях полётов к Луне, Марсу и другим небесным телам, что обуславливает определённые особенности по их управлению. Состав находящихся в эксплуатации средств НАКУ и КА в составе ОГ Роскосмоса со временем меняется, однако анализ тенденций развития [1, 2] свидетельствует об опережающем росте количества КА относительно роста количества средств НАКУ.

Формально КС, обусловленную необходимостью задействования одного и того же средства в одно и то же время для проведения сеансов связи с различными КА, можно представить в виде группы формул (1):

;

нк         нк

• ta _iu ^, ta _iu        t a _ju ^, t a _ju          ^;

• ^{н к}         t ^н t ^к

• _{a iu} , _{a iu            zi ai u} , _{z i ai u}

нк          н     к

• a _ju ^, a _ju ^⊂ z _ja_ju ^, z _j a_j u ^;

• a_i ≠ a_j ,

где taнiu, taкiu , taнju, taкju — интервалы (начало, конец) сеансов связи c КА номеров ai и aj, проводимых с использованием средства НАКУ номер u;   tzнa u, tzкa u i i                     i i t н , t к — интервалы (начало, конец) zj aj u zj aj u

ЗРВ номеров z_i и z_j КА номеров a_i и a_j соответственно средством номер u .

Временные интервалы ЗРВ КА средствами НАКУ вычисляются по баллистическим данным полёта КА и координатам расположения средств НАКУ.

Причина КС логически вытекает из определения понятия КС и заключается в недостаточности средств НАКУ для реализации запланированных сеансов связи с КА [3].

Условия возникновения КС определены из опыта работы ЦСАКП [3, 12]:

• 1)    опережающий рост состава орбитальной группировки космических аппаратов относительно состава наземных средств управления;

• 2)    ухудшение условий применения по назначению средств НАКУ, в т. ч.:

• •    возникновение неисправностей или нештатных ситуаций при работе наземных средств управления КА, средств обеспечения их работы или бортовой аппаратуры КА;

• •    проведение внеплановых эксплуатационных мероприятий на средствах НАКУ;

• •    изменение состава и состояния мультисервисной системы связи и передачи данных;

• •    изменение радиоэлектронной, метео-, гео- и гелиофизической обстановки в районах размещения наземных средств управления;

• •    изменение планов работ с КА и т. п.

При разрешении КС при оперативном планировании возможны два варианта.

Вариант 1. Конфликтные ситуации разрешаются на планируемом интервале времени (сутки) при условии достаточности ресурсов времени используемых средств НАКУ для реализации запросов (в полном объёме или по частям), включая изменения времени и/или средства их реализации, что можно записать в виде группы формул (2):

P ^т     U ^т                 P ^т U ^в

X X A t p т au т ^ ^ S A t p т au в ;

p ^т =1 u ^т = 1                p ^т =1 u ^в = 1

нк pтauт ∈ pтauт, pтauт ;

и возможные номера средств НАКУ для реализации запроса номер pт соответственно; Uт, Uв — количество требуемых и возможных средств НАКУ для реализации запросов соответственно; Pт — требуемое количество запросов на проведение сеансов связи на планируемом интервале времени; A — количество КА, для работы с которыми планируется задействование средств НАКУ; ∆tpтauт, Δtpтauв — оставшиеся после очередного распределения временные ресурсы для реализации запроса номер pт с КА номер a на средствах номер uт и uв, требуемые и возможные соответственно; tн , tк    — pтauт, pтauт интервал (начало и конец) ЗРВ КА номер a средством номер uт для реализации запроса номер pт; tpнтauв, tpктauв — интервал (начало и конец) ЗРВ КА номер a средством номер uв для реализации запроса номер pт.

Вариант 2. Не все КС разрешаются, и часть запросов необходимо перенести для реализации на следующие планируемые сутки.

Максимально возможным ущербом на момент планирования задействования средств является потеря КА. Но поскольку определить размер возможного ущерба в численном виде не представляется возможным, логичным является первоочередная реализация запросов с наибольшими приоритетами, исключающая возможность нанесения максимально возможного ущерба управлению соответствующими КА.

На основании изложенного, формальная постановка задачи планирования задействования средств НАКУ с учётом приоритетов запросов формулируется следующим образом.

Заданы входные данные:

• 1)    множество КА космических аппаратов ОГ, находящихся на управлении (3):

  ^{∆ t} p ^т au ^{в ∈}

  
  

  t ^н      t ^к ;

  p ^т au ^в, p ^т au ^в

  
  

  a = 1, A ,

  
  

  КА = ка_а ;

  a = 1, A ,

  
  
  
  

где pт — номер требуемого запроса на проведение сеанса связи; a — номер КА; uт, uв — требуемые где каа — КА с порядковым номером а; А — количество КА;

• 2)    множество S средств НАКУ, используемых для управления КА (4):

  S = s_u ;

  u = Т

  
  
  
  

  где s_u — средство НАКУ с порядковым номером u ; U — количество средств НАКУ;

  3) множество ZRV зон радиовидимости КА наземными средствами НАКУ на планируемом интервале времени (5):

  
  

  ZRV = zrv ; zau

  
  

  z = 1, Z au ;

  
  

  u = 1, U ;

  
  

  a = 1, A ,

  
  
  
  

  где zrv_zau — зона радиовидимости номер z средством НАКУ номер u космического аппарата номер a ; Z_au — количество ЗРВ средством номер u КА номер a на планируемом интервале времени. Каждая ЗРВ представляет собой интервал времени (6):

  
  

  л t

  
  

  zau

  
  

  = t

  
  

  к

  zau

  
  

  t ^н ; zau

  
  

  z pаu

  
  

  = O , SO , t ^нз , t ^кз , u ^з, a ^з , pa ^,       p ^, pau ^, pau ^, p ^, p ^,

  
  
  
  

  где О_pa — множество операций (команд), содержащихся в запросе номер p на проведение сеанса связи c КА номер a (9):

  
  

  О = о ; pa kpa

  k = 1, K pa ;

  p = 1, P_a ;

  a = 1, A ;

  
  

  ^Ора ^ ^O o ,

  
  
  
  

  o_kpa — операция номер k в запросе номер p на проведение сеанса связи c КА номер a ; K_pa — количество операций в запросе номер p на проведение сеанса связи c КА номер a ; O_o — множество операций, выполняемых с КА; SO_p — матрица взаимосвязей операций запроса номер p в соответствии с ТЦУ КА, каждый элемент

  
  

  которого можно представить в виде

  
  

  формулы (10):

  
  

  z = 1, Z au ;

  
  

  u = 1, U ;

  a = Т ^Т ,

  
  
  
  

  где Л t au — интервал зоны радиовидимости номер z КА номер а средством номер u ; t ^н _zau , t ^к _zau — время начала и конца ЗРВ номер z КА номер a средством номер u соответственно.

  4) множество Z запланированных ЦУП запросов на проведение сеансов связи с КА на интервале планирования (7):

  
  

  Z = z ; pаu

  p = 1 – P_a ;

  a = 1, A ;

  u = 1, U ,

  
  
  
  

  где P_а — количество запросов на проведение сеансов связи с КА номер а на планируемом интервале времени; z_pаu — запрос номер p на проведение сеанса связи с КА номер а с использованием средства НАКУ номер u (8):

  
  

  ^so k 1 , k 2

  
  

  1, если операция номер k ₁ связана с операцией номер k ₂;

  0, если операция номер k ₁ не связана с операцией номер k ₂,

  
  

  a_p ^з — КА номер a , для которого запланировано выполнение запроса номер p ; u_p ^з — средство НАКУ номер a , запланированное для выполнения запроса номер p ;

  • 5) длительность Л t°_au запланированного ЦУП времени выполнения запроса номер p на проведение сеанса с КА номер а с использованием ства НАКУ номер u (11):

  • Л t³ = t ^K3 - t ^нз; ' pau pau pau

  • p = 1, P a ;

  • a = 1, A ;

  
  

  u = 1, U ,

  где t_p ^н _a ^з _u , t_p ^к _a ^з _u — время начала и выполнения запланированного ЦУП са номер p на проведение

  
  

  связи сред-

  
  
  
  

  конца запро-сеанса

  
  

  связи с КА номер а с использованием средства НАКУ номер u ;

  
  

• 6)    длительность Л t kpau выполнения операции номер k запроса номер p на КА номер а с использованием средства НАКУ номер u ;

• 7)    данные для расчёта значений приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА в виде исходных матриц межуровневых связей [10] К^r , отражающих все возможные взаимосвязи (снизу вверх) элементов рядом расположенных уровней иерархической структуры экспертных данных (12):

K^r = k ^r ;

eq r = 1 - R;

e = 1 - E^r ;

q = 1 — Q^{r - 1}, „

где k r — значение приоритета элемента eq номер e уровня r, связанного с элементом q вышерасположенного уровня r – 1; R — количество уровней иерархической структуры экспертных данных; Er — количество элементов данного уровня r; Q r –1 — количество элементов вышерасположенного уровня r – 1;

• 8)    формула (13) расчёта значения приоритета запроса номер p [10]:

  pr_p = e * ·

  
  

П K раб , r = R _max

где e * — единичный вектор-строка размерности, равной количеству элементов, расположенных на нижнем уровне иерархической структуры экспертных данных; П — знак перемножения матриц; K^{r раб} — рабочие матрицы межуровневых связей, содержащие активные (присущие данной ситуации) элементы, получаемые путём обновления неактивных (отсутствующих в данной ситуации) элементов исходных матриц межуровневых связей K^r .

Заданы ограничения (14):

G 2 ={ T ОП

< T ДопР T ТП <  ^Т доп2 ; ^Л t pa ^{£ Л} 4 au )-  ( ¹⁴ )

где TОП — время оперативного планирования (подготовки проекта ПЗС); TТП — время текущего планирования (коррекции ПЗС); Tдоп1 — допустимое время оперативного планирования, составляющее 5 ч; Tдоп2 — допустимое время текущего планирования, составляющее не более 25 мин; Л tpa — время для реализации запроса номер p для КА номер а.

Цель : определить порядок (расписание) Rs выполнения запросов на проведение сеансов связи с КА, обеспечивающий максимальное значение мощности множества расписаний (15):

I Rs L max

при соблюдении приоритетности обслуживания запросов (16, 17):

pr 1 >  prp > , •••, > pr^p) ^ Rs = I ^r_pa p = Л ;

• a = 1, A ;

r pa       pa ^, kpau ^, kpau ^, u kpa ^, a kp ^;

k = Л ;

p = л а ;

a = 1, A ;

u = Л

где prp1 — наибольшее значение приоритета запроса из числа нераспределённых запросов; prp2  — наибольшее значение приоритета запроса из числа нераспределённых запросов после предыдущего распределения запроса с приоритетом prp1, и так далее для prp3 — prpP; rpa — расписание выполнения запроса номер p для КА номер a; Pa — количество запросов на проведение сеансов связи с КА номер a; P — общее количество запросов, подлежащих распределению на средства НАКУ; A — количество КА, для которых необходимо определить порядок выполнения запросов; t н , t к — время начала и конца kpau kpau выполнения операции номер k запроса номер p КА номер a с использованием средства номер u; ukpa — номер средства НАКУ для выполнения операции номер k запроса номер p для КА номер a; akp — номер КА, для которого реализуется операция номер k запроса номер p.

Данная постановка задачи является основой для разработки алгоритма планирования задействования средств НАКУ с учётом приоритетов запросов, результатом выполнения которого является ПЗС, содержащий сведения для реализации каждого запроса.

Возможность расчёта значений приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА на основе согласо- ванных экспертных данных позволяет обеспечить минимизацию возможного ущерба управлению КА на каждом шаге разрешения КС по задействованию средств НАКУ за счёт первоочередного обслуживания запросов с наивысшими приоритетами.

Возможность реализации запросов на проведение сеансов связи с КА определяется достаточностью ресурсов времени плановых (ПЗРВ), свободных зон радиовидимости (СЗРВ) и свободных фрагментов зон радиовидимости (СФЗРВ).

Достаточность ресурса времени зоны радиовидимости (ПЗРВ, СЗРВ) номер z для реализации запроса номер p при работе с КА номер a с использованием средства номер u вием (18):

∆t ≥ ∆t т ; zau pau z ∈ Z ;

au p ∈ Pa;

u ∈ U_a ;

a ∈ A, определяется усло-

где ∆ t_p ^т _au — требуемая длительность выполнения запроса номер p на проведение сеанса связи с КА номер а с использованием средства НАКУ номер u , определяемая выражением (19):

Kp

∆ t ^т =    ∆ t ,                        (19)

pau           kpau k =1

где ∆ t_kpau — длительность выполнения операции номер k запроса номер p космического аппарата номер a при задействовании средства НАКУ номер u ; K_p — количество операций в запросе номер p .

Достаточность ресурсов времени СФЗРВ для реализации операций запроса номер p определяется условием (20):

∆ t ^с

zau

≥ ∆ t ^т , pzau

где ∆ t_z ^с _au — свободный ресурс времени зоны радиовидимости номер z космического аппарата номер а средством НАКУ номер u , определяемый выражениями (21):

∆ t ^с = ∆ t

zau zau

zpa u

i

∆ t ^з     ;

zaukpai k =1

p = 1, P_z ^з _{a i u} ;

a_i ⊂ A_z^a ;

a ≠ a, i где ∆t з    — длительность ЗРВ номер z zaukpai

КА номер а средством НАКУ номер u, занятая для выполнения операции номер k запроса номер p КА номер ai; K з    — количество операций запроса zpai u номер p, размещённых (занятых) в зоне радиовидимости аппарата номер номер u; P з   — zaiu размещённых в

номер z космического ai средством НАКУ количество запросов, ЗРВ номер z КА но- мер ai средством НАКУ номер u; Aaz — количество КА, использующих совместно с КА номер a зону радиовидимости номер z; ∆t т  — требуемая длительность pzau фрагментов для выполнения операций запроса номер p в ЗРВ номер z при работе с КА номер а с использованием средства номер u, определяемая выражениями (22):

∆ t ^т

pzau

K z ^т pau

∆ t ^т   ;

kpzau k =1

p = 1, P т ; zau z = 1 – Z c; au

u = 1, U ;

a = 1, A, где ∆tkтpzau — требуемая длительность выполнения операции номер k запроса номер p для размещения в зоне радиовидимости номер z при работе с космическим аппаратом номер а с использованием средства номер u; Kтzpau — количество требуемых для выполнения операций запроса номер p на СФЗРВ номер z КА номер а средством номер u, определяемое выражениями (23):

K ^т  = K – K ^з ;

zpau pa      zi pauj zi ⊂ Z;

u_j ⊂ U ;

z_i ≠ z ;

uj ≠ u, где K з zi pauj

количество операций запроса номер p, размещённых в других ЗРВ (номера zi) КА номер а другими средствами (номера uj); Pz тau — количество запросов, для которых требуется размещение операций в ЗРВ номер z КА номер а средством номер u.

Если условие (20) не выполняется, проверяется возможность

размещения

меньшего количества операций.

Длительность ∆t f    занятого опера- pzau циями фрагмента номер f запроса номер p в ЗРВ номер z КА номер a средством номер u определяется выражением (24):

∆t f = t кf – t нf , (24) pzau pzau pzau где tpнzfau, tpкzfau — время начала и конца выполнения фрагмента номер f ЗРВ номер z КА номер a средством НАКУ номер u.

Значения длительностей ЗРВ, выполнения запросов и операций запросов определяются совместно ЦСАКП и ЦУП КА на основании опыта планирования задействования средств НАКУ с использованием документации по управлению КА.

При достаточности ресурса времени ЗРВ (18) реализация запроса в полном объёме планируется на данной ЗРВ, при недостаточности ресурса времени одной ЗРВ — по частям (операциям) на разных ЗРВ (рис. 2).

Повышенные требования к оперативности текущего планирования, изложенные выше, обуславливают необходимость принятия следующих дополнительных мер [13]:

• •    отдельные изменения времени проведения некоторых сеансов связи не должны приводить к кардинальному изменению ПЗС, требующему значительных дополнительных затрат времени ЦСАКП, ЦУП КА и командноизмерительных пунктов (КИП) на перепланирование задействования средств НАКУ и выполнение мероприятий по скорректированному ПЗС. Для этого минимизация возможных изменений ПЗС осуществляется за счёт поиска возможности распределения поступающих запросов по СЗРВ и СФЗРВ с учётом приоритетов запросов и ТЦУ КА, а при отсутствии такой возможности — за счёт использования времени распределённых запросов с меньшим значением приоритета;

• •    для предоставления возможности ЦУП КА и КИП подготовиться к реализации изменённого ПЗС коррекция ПЗС должна осуществляться в минимально короткие сроки за счёт автоматизации процесса подготовки скорректированного ПЗС.

Необходимость разрешения КС возникает при первом выявлении запросов, создающих КС, такие запросы назовём исходными нераспределёнными запросами. При распределении этих запросов по средствам запрос с наивысшим приоритетом остаётся для реализации на запланированном средстве и в запланированное время, указанные в заявке для данного запроса, который назовём реализуемым исходным нераспределённым запросом. Запрос с меньшим приоритетом, который переносится для реализации на другое, приемлемое в соответствии с ЗРВ и ТЦУ КА, время и/или средство, назовём переносимым исходным нераспределённым запросом, который после его переноса может создать (породить) новую КС, для которой необходимо определить порядок обслуживания порождённых нерасределённых запросов, включающих ранее распределённые и переносимые нераспределённые запросы. Их распределение по средствам НАКУ осуществляется также в соответствии с приоритетами.

Запрос с наивысшим приоритетом, который остаётся для реализации на средстве и временнóм интервале, определённом на момент его распределения, назовём реализуемым порождённым нераспределённым запросом. Запрос (запросы) с меньшим приоритетом, который переносится для реализации на другое, приемлемое в соответствии с ЗРВ и ТЦУ КА время и/или средство, назовём переносимым порождённым нераспределённым запросом. Переносимые запросы могут создавать новые КС, требующие определения порядка их обслуживания. Множество переносимых исходных и порождённых запросов зависит от количества совпадений средств и ЗРВ, заданных в заявках ЦУП и в порождённых запросах.

На основании изложенного можно выделить следующие варианты обслуживания запросов:

• а)    при оперативном планировании задействования средств НАКУ:

• •    расчёт и ранжирование значений приоритетов всех запросов на проведение сеанса связи с КА, распределение запросов по ПЗРВ в порядке их рангов и с учётом ТЦУ;

• •    при наличии нераспределённых запросов осуществляется их распределение по СЗРВ и СФЗРВ с учётом приоритетов и ТЦУ;

• б)    при текущем планировании задействования средств НАКУ:

• •    для исключения перераспределения уже распределённых при оперативном планировании запросов осуществляется поиск возможности распределения вновь принятых запросов по ПЗРВ, СЗРВ и СФЗРВ по алгоритму оперативного планирования с учётом приоритетов запросов и требований ТЦУ КА;

• •    при наличии нераспределённых запросов осуществляется их распределение с учётом приоритетов запросов и требований ТЦУ КА.

Оставшиеся нераспределёнными в текущие сутки запросы при оперативном и текущем планировании, имеющие наименьшие приоритеты, переносятся для реализации на следующий период планирования (сутки) с установкой для них признака «перенесённые», используемого при последующем определении значений их приоритетов.

Алгоритм разработан на основе приведённых положений, постановки задачи, с учётом требований соответствующих нормативных документов по разработке программного обеспечения и предназначен для подготовки основного документа по планированию задействования средств НАКУ (ПЗС) при обеспечении управления КА, включая разрешение КС. Схема алгоритма планирования задействования средств НАКУ представлена на рис. 3.

Распределение запросов по средствам НАКУ в соответствии с ЗРВ КА при оперативном планировании осуществляется в следующем порядке. После приёма и проверки корректности поступивших от ЦУП КА запросов ( блок 2 ) устанавливается в зависимости от режима планирования ( блок 3 ) признак П = О для оперативного планирования ( блок 4 ), либо признак П = Т для текущего планирования ( блок 20 ).

Далее осуществляется расчёт значений приоритетов по формуле (13), поступивших (нераспределённых) запросов ( блок 5 ), формирование картежа нераспределённых запросов ( блок 6 ) в порядке снижения приоритетов и, в соответствии с ТЦУ КА, выбор для обработки из картежа очередного запроса ( блок 7 ).

Первоначально осуществляется распределение запроса на плановую (заданную ЦУП) ЗРВ ( блок 11 ) при наличии свободной ПЗРВ и достаточности его ресурса времени ( блоки 8–10 ) и проверяется наличие других нераспределённых запросов ( блок 12 ). При отсутствии нераспределённых запросов осуществляется переход к выполнению завершающих операций планирования — формирование (коррекция) и утверждение ПЗС ( блок 13 ), на котором осуществляется включение распределённых запросов и их фрагментов в ПЗС, формирование итогового варианта ПЗС, а также его утверждение. После этого автоматически формируются и рассылаются распорядительные документы (выписки из ПЗС для ЦУП КА и распоряжения на задействование средств для КИП) для реализации утверждённого ПЗС ( блок 14 ). При наличии нераспределённых запросов ( блок 12 ) осуществляется выбор очередного запроса ( блок 7 ) для обработки.

Расчёт приоритетов нераспределённых запросов

Установка признака текущего планирования П = Т

Установка признака оперативного планирования П = О

6___________ р

Формирование картежа запросов в порядке снижения приоритетов и в соответствии с ТЦУ

Есть СФЗРВ?

Конец

Поиск СЗРВ

Есть СЗРВ?

19______________

Поиск свободных фрагментов ЗРВ для данного запроса

Рис. 3. Алгоритм планирования задействования средств наземного автоматизированного контура управления (НАКУ): ТЦУ — технологический цикл управления; ЗРВ — зона радиовидимости; ПЗРВ — плановая ЗРВ; СЗРВ — свободная ЗРВ; СФЗРВ — свободный фрагмент ЗРВ (рисунок создан авторами)

7___________Г

Выбор очередного нераспределённого запроса

8                      I                      '

Определение длительности ЗВР (Tzrv) и выполнения запроса (Tz)

Tzrv^Tz

ПЗРВ свободна?

| Распределение запроса на ПЗРВ]

нераспределённые

Формирование(коррекция) и утверждение Плана задействования средств

14              I             ~

Формирование и рассылка распорядительных документов 15              I             ~

| Распределение запроса на СЗРВ |

Распределение операции запроса по СФЗРВ

Поиск подходящей ЗРВ для переносимого запроса

Пр.1 > Пр.2?

Освобождение ЗРВ переносимого запроса

Распределение реализуемого запроса на СЗРВ

Присвоение переносимому запросу статуса нераспределённого ---------------------[

Поиск СФЗРВ

При отсутствии свободной ПЗРВ ( блок 10 ) осуществляется поиск СЗРВ ( блок 16 ) и распределение запроса на СЗРВ ( блок 18 ) при её наличии ( блок 17 ). При отсутствии необходимых СЗРВ ( блок 17 ) осуществляется поиск СФЗРВ ( блок 19 ) для реализации данного запроса и распределение по ним операций запроса ( блок 22 ) при их наличии ( блок 21 ) и достаточности ресурсов времени СФЗРВ для реализации данного запроса и ресурса времени свободного фрагмента конкретной ЗРВ для реализации одной или нескольких операций. При невозможности распределения операций данного запроса по СФЗРВ данной ЗРВ проводится проверка достаточности ресурсов времени свободных фрагментов других ЗРВ ( блок 19 ). После распределения одного запроса по СФЗРВ осуществляется переход к проверке наличия нераспределённых запросов ( блок 12 ). При отсутствии необходимых СФЗРВ ( блок 21 ) осуществляется перенос выполнения запроса на другой период ( блок 24 ) и переход к проверке наличия нераспределённых запросов ( блок 12 ).

При текущем планировании после приёма и проверки корректности поступивших запросов ( блок 2 ), установки признака П = Т текущего планирования ( блок 20 ) осуществляется поиск возможности распределения поступивших запросов по ПЗРВ, СЗРВ и СФЗРВ в приведённом выше порядке. При невозможности реализации такого распределения осуществляется поиск подходящей ЗРВ, занятой другим запросом ( блок 25 ).

Наличие такой ЗРВ свидетельствует о необходимости определения порядка обслуживания запросов, который осуществляется путём сравнения (блок 27) приоритетов поступившего запроса (Пр. 1) и ранее распределённого запроса (Пр. 2). Если поступивший запрос имеет более высокий приоритет, то осуществляется освобождение ЗРВ ранее распределённого (переносимого) запроса (блок 28) после проверки достаточности ресурса освобождаемой ЗРВ (блоки 25, 26); распределение поступившего (реализуемого) запроса на освободившуюся ЗРВ (блок 29); присвоение переносимому запросу статуса нераспределённого (блок 30) с размещением его в картеже нераспределённых запросов в соответствии с его приоритетом и с учётом ТЦУ (блок 6); выбор очередного нераспределённого запроса (блок 7). Если приоритет поступившего (переносимого) запроса не превышает приоритет ранее распределённого запроса, осуществляется переход к поиску другой ЗРВ, занятой ранее распределённым запросом (блок 25). Если не найдена ЗРВ запроса с более низким приоритетом, осуществляется поиск подходящих свободных фрагментов ЗРВ для данного запроса, которые могли появиться в результате освобождения ЗРВ ранее распределённых запросов и распределения переносимых запросов. При наличии СФЗРВ (блок 32) реализация операций переносимого запроса распределяется по этим СФЗРВ (блок 33) после проверки достаточности ресурсов свободных фрагментов ЗРВ для реализации данного запроса или ресурса свободного фрагмента конкретной ЗРВ для реализации одной или нескольких операций (блок 31). После распределения данного запроса по СФЗРВ осуществляется переход к определению наличия нераспределённых запросов (блок 12). При невозможности распределения запроса по СФЗРВ он переносится для реализации на другой период (блок 24) и осуществляется переход к определению наличия нераспределённых запросов (блоку 12).

При проверке (18) достаточности ресурса времени зоны радиовидимости (ПЗРВ, СЗРВ) для реализации запроса осуществляются расчёты длительности зоны радиовидимости (6) и требуемой длительности выполнения запроса (19) ( блоки 8 , 16 , 25 ). При проверке достаточности ресурсов времени СФЗРВ для выполнения операций запроса (20) осуществляются расчёты размера ресурса времени имеющихся в наличии СФЗРВ для выполнения операций запроса (21) и требуемой длительности фрагментов для выполнения операций запроса в ЗРВ (22) ( блоки 19 , 31 ).

При реализации данного алгоритма используются следующие массивы информации:

• •    сформированные из поступающих от ЦУП КА заявок на задействование средств, по которым формируются запросы на проведение сеансов связи с КА;

• •    содержащие состав НКУ каждого КА, ТЦУ каждого КА;

• •    содержащие ЗРВ КА;

• •    содержащие результаты обработки экспертных данных в виде таблиц весовых коэффициентов элементов иерархической структуры, используемые для расчёта значений приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА.

В процессе планирования задействования средств используются:

• •    результаты расчёта значений приоритетов конфликтующих запросов на проведение сеансов связи с КА;

• •    декомпозиция запросов на фрагменты для реализации запросов по частям;

• •    перемещение времени реализации запросов и фрагментов запросов на данное или другое средство [15, 16];

В результате реализации алгоритма формируются следующие массивы информации:

• •    об активных элементах иерархической структуры исходных данных, хранимые и используемые в течение периода расчёта значений приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА;

• •    содержащие значения приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА, хранимые от момента расчёта их значений до окончания периода планирования задействования средств НАКУ КА с возможностью уточнения на конкретный момент времени;

• •    содержащие ПЗС, коррекции и выписки из ПЗС, распоряжения и коррекции распоряжений на задействование средств, хранимые в течение периода планирования.

Реализация алгоритма предполагает доработку программного комплекса оперативного планирования задействования средств НАКУ КА научного и социальноэкономического назначения и измерений [17] в части определения порядка задействования средств НАКУ КА в соответствии с приоритетами запросов и ТЦУ КА.

В процессе реализации алгоритм должен взаимодействовать с программой хранения нормативно-справочной информации [17] для получения следующих данных:

• •    о составе НКУ каждого КА;

• •    о ТЦУ каждого КА, включая время и последовательность выполнения операций;

• •    о результатах обработки экспертных данных в виде матриц уровневых связей и, при необходимости, с программой расчёта ЗРВ КА, либо

получать ЗРВ от подразделений, осуществляющих их расчёт.

Алгоритм планирования задействования средств НАКУ предполагает выполнение следующих условий:

• 1)    осуществляется децентрализованное планирование проведения сеансов связи, заключающееся в том, что ЦУП формируют запросы на проведение сеансов связи с КА независимо друг от друга;

• 2)    реализована возможность автоматизированного расчёта значений приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА;

• 3)    осуществлена программная реализация настоящего алгоритма планирования задействования средств НАКУ;

• 4)    обеспечена работоспособность технических, программных и информационных средств для применения алгоритма;

• 5)    обеспечено автоматизированное информационное взаимодействие с источниками и потребителями информации;

• 6)    состояние средств НАКУ, бортовой аппаратуры КА и условия радиоэлектронной, метео-, гео- или гелиофизической обстановки в районах размещения средств НАКУ КА позволяют реализовывать в заданное время с использованием данных средств НАКУ запросы на проведение сеансов связи с данными КА;

• 7)    готовность расчётов наземных средств решать поставленные задачи;

• 8)    орган планирования задействования средств НАКУ (ЦСАКП) располагает следующей информацией:

• •    о наличии СЗрВ и СФЗРВ КА;

• •    о возможности выполнения запросов на проведение сеансов связи по частям, т. е. разбиения запросов на фрагменты;

• •    о требованиях выполнения ТЦУ, накладывающих ограничения на реализацию запросов в части состава, сроков и последовательности выполнения операций, что обеспечивает возможность проверки соблюдения условий выполнения ТЦУ КА при планировании реализации запросов на проведение сеансов связи с КА и частей запросов.

Программная реализация алгоритма планирования задействования средств НАКУ совместно с подготовкой данных и расчётом значений приоритетов запросов позволят завершить автоматизацию процесса принятия решений о порядке задействования средств НАКУ КА.

Выводы

Сформулированы определения основных понятий, используемых при планировании задействования средств: планирование задействования средств, сеанс связи, запрос на проведение сеанса связи, приоритет запроса, оперативный и текущий режимы планирования, конфликтная ситуация, причина и условия возникновения конфликтных ситуаций, цель планирования. Даны пояснения содержания приведённых понятий.

Рассмотрены особенности оперативного и текущего планирования задействования средств НАКУ, основными из которых являются резкое ограничение сроков и высокая ответственность за принятие решений при разрешении конфликтных ситуаций по задействованию средств при текущем планировании.

Сформулирована постановка задачи планирования задействования средств НАКУ, включающая исходные данные (состав КА и технических средств НАКУ, множество запросов на проведение сеансов связи с КА, данные для расчёта приоритетов запросов на проведение сеансов связи с КА, формула расчёта приоритетов запросов, множество операций, содержащихся в запросах, множество взаимосвязей между операциями, множество зон радиовидимости для выполнения запросов), ограничения по времени оперативного и текущего планирования. Целевая функция задачи — определить порядок (расписание) выполнения запросов на проведение сеансов связи с космическими аппаратами, обеспечивающий максимальное значение мощности множества расписаний при соблюдении приоритетности обслуживания запросов.

В соответствии с поставленной задачей и особенностями планирования разработан алгоритм планирования задействования средств НАКУ, приведе- ны описание алгоритма, используемые и формируемые алгоритмом массивы данных, взаимосвязь с разработанными программными средствами, условия реализации алгоритма.

При создании космической инфраструктуры «Сфера» с большим количеством космических аппаратов в составе орбитальной группировки автоматизированное планирование задействования средств НАКУ с ритетов запросов сов связи с КА актуальным.