Выбор оптимальных вариантов маршрутов съемок для космической системы дистанционного зондирования Земли

КОВТУН В.С.

СТРОЧЕНКИН А.В.

ФРОЛОВ В.Н.

Космические снимки широко используются в самых разных областях человеческой деятельности — исследование природных ресурсов, мониторинг стихийных бедствий, строительные и проектно-изыскательские работы, городской и земельный кадастр, градостроительство, освоение недр, туризм и т. д. Современные гео-информационные технологии и создание карт различных масштабов также немыслимы без использования космических снимков [1].

РКК «Энергия» участвует в ОКР по созданию космической системы дистанционного зондирования Земли (КС ДЗЗ) E-Star для Арабской Республики Египет. Назначение космической системы E-Star — получение изображений заданных районов земной поверхности в оптическом диапазоне спектра с высоким разрешением в требуемых заказчиком форматах. На данном этапе в состав разрабатываемой КС ДЗЗ входит только один космический аппарат, что накладывает определенные ограничения на возможности съемки и выполнение заявок.

Постановка задачи и исходные данные. Для эффективного использования КС ДЗЗ необходимо повышение качества организации управления процессом.

Исходя из поставленных технических требований по созданию КС ДЗЗ, основными задачами системы управления являются:

• 1.    Управление системой (в целом):

• •    сбор и обработка данных по состоянию и готовности к совместной работе наземных составных частей космической системы;

• •    разработка, доведение и контроль за выполнением планов совместной работы наземных составных частей космической системы;

• •    организация скоординированной работы наземных составных частей космической системы по целенаправленному выполнению поступающих от внешних пользователей заказов на получение цифровых изображений поверхности Земли;

• •    формирование и доведение докладов по результатам использования космической системы в вышестоящие инстанции заказчика по принятой форме.

• 2.    Обеспечение эффективного взаимо-дейcтвия с внешними пользователями:

• •    получение и обработка заказов от внешних пользователей на предоставление цифровых изображений поверхности Земли;

• •    анализ реализуемости заказов по предъявленным внешними пользователями требованиям;

• •    формирование заказов на получение цифровых изображений требуемых районов поверхности Земли и на проведение обработки цифровых изображений;

• •    получение из наземного комплекса приема и обработки изображений (НКПОИ) предварительно обработанных изображений и формирование на их основе документов выходной информации;

• •    распределение и доведение выходной информации внешним пользователям.

• 3.    Планирование программы наблюдений:

• •    комплексное автоматизированное планирование выполнения заказов с учетом метеоинформации о районах наблюдений и прогнозируемого разрешения;

• •    формирование программы наблюдений на основе принятых заказов.

Рассматриваемая система управления относится к классу сложных технических систем [2] (рис. 1). Она характеризуется относительно устойчивой схемой (фиксацией) связей между элементами.

Подсистема обработки заказов служит главным инструментом в процессе моделирования начальных условий съемки поверхности Земли и предоставления оператору данных о сроках выполнения заказов на основе информации о:

• •    состоянии бортовых средств КА;

• •    баллистике КА;

• •    зонах видимости КА;

• •    погодных условиях в зонах съемки.

Процесс обработки заказа можно представить в виде схемы (рис. 2).

Процесс определения приоритета P_i для обработки заказа осуществляется с помощью шаблона приоритетов. Пример выбора приоритетов показан на рис. 3.

пнб

Подсистема ПНб Подсистема

ПНб

[НКПОИ *

63                     \

Система руководства у

Метеослужба диспетчеризации

Подсистема планирования

Внешний пользователь

Подсистема приема заказов

[Утвержде-1 [ ние ПНб [ планирования

Система руководства

Подсистема подготовки товарной продукции

[ Метео-

[ информация ।

[ Уведомление о получении । готовой продукции

। Уведомление о

। выполнении заказа)

! Готовая [продукция I

[ Запрос

। наметео-

[ инфор-

। мацию

--^ । покрытии Q/L [региона заказа

[ Передача заявки । на съемку поверх-I ности Земли

। Утвержде-1 [ние заявки]

I Передача заявки на обработку [ (проверка реализуемости, । покрытие по Q/L, принятие к планированию)

) Готовая [ /3 продукция [ f„----? <-----

। Утвержденная заявка

। передается к । планированию

^ Подсистема “► обработки

. заказов

I Уведомление о выполнении [ [ план-задания на обработку [

I । Уведомление о нку I 1100%-ом

[ План-Jj задание на [ ~3 обработку [

Система руководства

Рис. 1. Функционирование системы управления космической системой дистанционного зондирования Земли Примечание. ПНб — программа наблюдений; Q/L — предварительно обработанные изображения; НКПОИ — наземный комплекс приема и обработки изображений; НКУ — наземный комплекс управления.

Рис. 2. Процесс обработки заказа

Примечание. ЦИ — целевая информация; БД — база данных; * — можно не выполнять, если в заказе оговорена актуальность (новизна) снимков.

Рис. 3. Пример выбора приоритетов

Примечание. ■ — Очередь на обработку с учетом приоритета заказа; ■ — очередь на предварительную обработку

Существует три вида заказов. Заказ, имеющий приоритет P_z = 1, получает более высокий статус, чем заказ с приоритетом P_z = 3.

В то же время существует приоритет на обработку целевой информации P_o = 1…4, что позволяет наиболее результативно выстраивать очередность подготовки товарной продукции и определять приоритеты частично отснятых заказов для последующего их включения в программу наблюдения (ПНб) на следующие сутки.

Процесс моделирования начальных условий съемки можно представить в виде схемы (рис. 4).

Процесс формирования ПНб отчасти схож с процессом моделирования начальных условий съемки поверхности Земли, и его конечным результатом является сформированная ПНб с результатом оценки ее эффективности. Оценку эффективности ПНб целесообразно рассчитывать по формуле

Е й

. ,5г.

' ' юо%,

где Sr — общая площадь отснятых полос заказов, вошедших в ПНб; Sz — общая площадь заказов, вошедших в ПНб.

Рассмотрим подробно процесс формирования ПНб, удовлетворяющий заданным начальным условиям моделирования.

Для формирования маршрутов съемки (входят в состав ПНб) заданного района поверхности Земли необходимо проанализировать следующие параметры:

• •    состояние системы оптико-электронного наблюдения (СОЭН);

• •    состояние бортового запоминающего устройства (БЗУ);

• •    состояние аккумуляторной батареи (АКБ);

• •    угол склонения Солнца (УС);

• •    баллистическую информацию (БИ) — выражается через коэффициент (чем ближе к центру маршрута съемки, тем выше коэффициент);

• •    метеоинформацию (МЕТЕО) — коэффициент облачности (прогноз облачно-сти/100).

  

  Рис. 4. Моделирование начальных условий съемки

  
  

На рис. 5 представлена иерархия выбора оптимального варианта маршрута съемки заданного района поверхности Земли.

Оптимальный вариант

Рис. 5. Иерархия выбора оптимального варианта маршрута съемки: a_c……a_м; b_c…..b_м; с_с……с_м — веса оценки параметров маршрутов съемки (A, B, C) по некоторому критерию; С, БЗ, А, У, БИ, М — вес критерия (важность) в общей оценке оптимальности маршрута съемки

Решение задачи. Для решения данной задачи применим метод анализа иерархий (МАИ) [3, 4].

Для этого, во-первых, необходимо нечетко сформулированной задаче придать строгую математическую форму. Этот существенный шаг является наиболее важным в любой задаче, в которой требуется представить жизненную ситуацию в терминах абстрактной математической структуры. Особенно важен он в рассматриваемой задаче, поскольку в ней процесс математической формулировки включает в себя ряд неявно видимых переходов.

Поэтому в данной задаче желательно четко определить основные этапы процесса ее формулирования и как можно подробней описать каждый этап.

На первом этапе решения данной задачи необходимо:

• •    оценить важность шести параметров (рис. 5);

• •    гарантировать количественную интерпретацию оценки важности по всем параметрам.

Пусть С ₁, С ₂,…, С_n — совокупность объектов (параметров). Количественные оценки важности пар объектов ( С_i , С_j ) представляются матрицей размера n × n :

A = ( a_ij ), ( i, j = 1, 2, …, n ).

Элементы a_ij определены по следующим правилам:

Правило 1. Если a_ij = α , то a_ji = 1/ α , α ≠ 0.

Правило 2. Если оценки важности таковы, что С_i имеет одинаковое с C_j значение, то a_ij = 1, a_ji = 1; в частности, a_ii = 1 для всех i .

Итак, матрица А имеет вид:

A

1        ... a

1/ a 1 n ... 1

После представления количественных оценок важности о паре параметров (Сi, Сj) в чис- ловом выражении через aij задача сводится к тому, чтобы n возможными действиями С1, С2, …, Сn поставить в соответствие зафиксированным оценкам важности множество числовых весов w1, w2, …, wn. Таким образом, отношения между числовыми весами wi и оценками aij выражаются в виде wi i = aij (для i, j = 1, 2, …, n). wj

В случае, когда значения a_ij основаны не на точных, а на приближенных суждениях, они будут отклоняться от «идеальных отношений» w_i /w_j.

Индекс согласованности суждений

I s = ( λ max – n )/( n – 1), (3) где λ _max — наибольшее собственное число матрицы порядка n , рассматривается при анализе иерархий как показатель согласованности суждений. В идеальном случае λ _max → n .

Оценки важности параметров базируются на результатах отработки программного обеспечения с использованием модели КА ДЗЗ, а их проверка осуществлялась на основе результатов моделирования начальных условий съемки, а также на результатах испытаний системы в целом.

Степень важности параметров, исходя из которых будем производить попарные сравнения, представлена в табл. 1.

Таблица 1

Степень важности параметров

Степень важности	Определение	Объяснение
1	Одинаковая значимость	Два фактора вносят одинаковый вклад в достижение цели
3	Некоторое преобладание значимости одного фактора перед другим (слабая значимость, умеренное превосходство)	Опыт и суждение дают легкое предпочтение одному фактору перед другим
5	Существенная или сильная значимость (сильное превосходство)	Опыт и суждение дают сильное предпочтение одному факту перед другим
7	Очевидная или очень сильная значимость (очень сильное превосходство)	Убедительное свидетельство в пользу одного действия (альтернативы) перед другим
9	Абсолютная значимость	Свидетельство в пользу предпочтения одного фактора другому в высшей степени убедительно
2, 4, 6, 8	Промежуточные значения между соседними значениями шкалы	Ситуация, когда необходимо компромиссное решение

Использовав правила 1 и 2, получим матрицу попарных сравнений, представленную в табл. 2.

Таблица 2

Матрица попарных сравнений параметров

	СОЭН	БЗУ	АКБ	УС	БИ	МЕТЕО
СОЭН	1	5	3	1	3	5
БЗУ	1/5	1	5	4	1/5	1
АКБ	1/3	1/5	1	1/7	1/4	1/3
УС	1	1/4	7	1	1	1/4
БИ	1/3	5	4	1	1	2
МЕТЕО	1/5	1	3	4	1/2	1

Следует иметь в виду, что данный метод относится к методам экспертных оценок, и веса, приведенные в табл. 2, являются средними значениями количественных суждений группы экспертов, которые они выразили, основываясь на определениях и объяснениях табл. 1. Основной целью группы экспертов на данном этапе было вынесение суждения об относительной важности этих объектов и гарантирование такого процесса получения суждений, который позволит количественно интерпретировать суждения по всем объектам. Необходимо нечетко сформулированной задаче придать строгую математическую форму. «Этот существенный (хотя и безобидный с виду) шаг является наиболее важным в любой задаче, в которой требуется представить жизненную ситуацию в терминах абстрактной математической структуры» [4].

Далее необходимо найти вектор приоритетов, X _max , I s и отношение согласованности O s .

Для начала необходимо вычислить вектор приоритетов. Разделим элементы каждого столбца на сумму элементов этого столбца (т. е. нормализуем столбец). Затем сложим элементы каждой полученной строки и разделим на число элементов строки (процесс усреднения по нормализованному столбцу).

Вектор-столбец — (1,978; 0,857; 0,257; 0,935; 1,152; 0,819).

Вектор-столбец после деления на размерность столбцов позволяет получить вектор-столбец приоритетов (0,33; 0,143; 0,043; 0,156; 0,192; 0,136).

Вычислим X _max, для чего матрицу A умножим на вектор приоритетов (0,33; 0,143; 0,043; 0,156; 0,192; 0,136). Компоненты получившегося вектора делим на вектор приоритетов и получаем (7,836 + 8,545 + 6,907 + 6,724 + 8,422 + ^8,779)/6 = ^X max = ^7,8.

Отсюда Is = ( X _{m a x} - n )/( n - 1) = 0,3.

Отношение согласованности О_s = I_s / S_I = = 0,242, где S_I — случайный индекс, т. е. индекс согласованности, сгенерированной случайным образом по шкале от 1 до 9 обратно-симметричной матрицы с соответствующими обратными величинами элементов.

Для матрицы 6 x 6 случайный индекс S I , сгенерированный в Национальной лаборатории Оук-Ридж, равен 1,24 [5].

Сравнение параметров ПНб относительно шести характеристик представлено в табл. 3.

Нормализовав матрицу (табл. 3), получим матрицу, приведенную в табл. 4.

Таблица 3

Сравнение параметров ПНб относительно шести характеристик

СОЭН

БЗУ

АКБ

УС

БИ

МЕТЕО

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

1

80/70

80/60

1

40/58

40/75

1

90/50

90/35

1

10/90

10/145

1

1/10

1/3

1

7/6

7/7

B

70/80

1

70/60

58/40

1

58/75

50/90

1

50/35

90/10

1

90/145

10/1

1

10/3

6/7

1

6/7

C

60/80

60/70

1

75/40

75/58

1

35/90

35/50

1

145/10

145/90

1

3/1

3/10

1

7/7

7/6

1

X max = 3, I s = 0, Оs = 0

X max= 3,168, Is = 0,084, Оs = 0,145

X max= 3,001, Is = 0,0005, Оs = 0,0009

X = 3,021, Is = 0,01, Оs = 0,017

X max= 3,001, Is = 0,0005, Оs = 0,0009

X max= 3,003, Is = 0,0015, Оs = 0,0025

Нормализованная матрица

Таблица 4

	СОЭН	БЗУ	АКБ	УС	БИ	МЕТЕО
A	0,380	0,231	0,514	0,041	0,071	0,350
B	0,333	0,335	0,286	0,367	0,714	0,300
C	0,287	0,434	0,200	0,592	0,215	0,350

Общую оценку маршрутов съемки можно представить в виде матричного произведения:

0,380( а _с)

0,333( b _c)

0,287( c _с)

0,231( а _бз)

0,335( b _бз)

0,434( c бз )

0,514( а _а)

0,286( b _а)

0,200( c _а)

0,041( а _у) 0,367( b _у)

0,592( c _у)

0,071( а _б)

0,714( b _б)

0,215( c _б)

0,350( а _м)

0,300( b _м)

0,350( c _м)

0,33(С) 0,143(БЗ) 0,043(А) 0,156(У) 0,192(БИ) 0,136(М)

Общая оценка маршрутов съемки:

• •    маршрут съемки А = a_cC + a _бзБЗ + а _аА + + а _уУ + а _бБИ + а _мМ = 0,24;

• •    маршрут съемки B = b _cC + b _бзБЗ + b _аА + + b _уУ + b _бБИ + b _мМ = 0,41;

• •    маршрут съемки С = с_cC + с_бзБЗ + с_аА + + с_уУ + с_бБИ + с _мМ = 0,35.

На основе приведенных расчетов программа выберет маршрут съемки B , посчитав его наиболее оптимальным для включения его в ПНб.

Подготовленная таким образом ПНб передается в ЦУП, где обрабатывается, уточняется и подвергается детальной проверке на возможность ее реализации с помощью бортовых систем КА ДЗЗ. Также ПНб передается в НКПОИ для формирования сеансов приема целевой информации с КА.

На основе подготовленной программы наблюдений ЦУП формирует соответствующие массивы полетного задания (МПЗ) для передачи в ближайшем сеансе связи после утверждения программы наблюдения.

После успешного выполнения МПЗ подсистемы приема и обработки изображений в ходе сеанса связи с КА принимают и обрабатывают целевую информацию от КА ДЗЗ и на ее основе формируют предварительные цифровые изображения поверхности Земли. Далее их передают в подсистему диспетчеризации для определения уровня покрытия заказа полученными снимками.

После получения уведомления о полном покрытии заказа на предоставление цифровых изображений поверхности Земли подсистема планирования формирует план-задание на обработку и пересылает его в НКПОИ.

НКПОИ на основе план-задания проводит окончательную обработку результатов съемок, полученных в ходе выполнения программы наблюдений, и передает получившееся изображение в подсистему подготовки товарной продукции.

Выводы

Учитывая большое разнообразие использования КС ДЗЗ, полный состав задач ДЗЗ велик по номенклатуре и содержит весьма разнородные требования к видам и характеристикам космических данных. Это требует четкой организации процесса управления.

Рассмотренный подход к решению проблем управления наиболее универсален, гибок, эффективен и экономически целесообразен, так как уже на этапе предварительной обработки заказов на предоставление цифровых снимков поверхности Земли дает возможность оценить сроки выполнения заказов, эффективность использования КС ДЗЗ и достичь максимальной производительности КС ДЗЗ, что немаловажно для коммерческого (и не только) подхода к использованию ресурсов КС. Подход использован при создании КС ДЗЗ E-Star .