Планирование наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Новиков, Сергей Александрович

• Новиков, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новиков, Сергей Александрович

Список сокращений.

Введение.

1 Автоматизированная система космического мониторинга и задача планирования наблюдений подвижных морских объектов.

1.1 АСКМ и процесс ее функционирования.

1.1.1 Назначение АСКМ.

1.1.2 Состав и функционирование АСКМ.

1.2 Основные задачи, решение которых должна обеспечить АСКМ.

1.3 Анализ процессов, рассмотрение которых необходимо при осуществлении формализованной постановки задачи планирования.

1.3.1 Системы координат и орбитальное движение КА.

1.3.2 Бортовая аппаратура осмотра КА для осуществления наблюдений за ПМО.

1.3.3 Определение зоны связи КА с НИК.

1.3.4 Применение спутников-ретрансляторов.

1.4 Формирование исходных данных для задачи планирования.

1.4.1 Формирование массива возможностей осмотров.

1.4.2 Прогнозирование изменения ОВП ПМО.

1.4.3 Расчет моментов времени возможного начала и окончания наблюдения областей возможных положений ПМО аппаратурой осмотра КА.

1.4.4 Расчет угла разворота оптической оси камеры АО оптического типа и времени перенацеливания.

1.4.5 Расчет доли перекрытия ОВП ПМО полосой обзора АО КА.

1.4.6 Расчет освещенности места осмотра.

1.4.7 Применение имитационного моделирования при формировании исходных данных для алгоритма планирования.

1.5 Содержательная постановка задачи планирования.

1.6 Анализ существующих систем космического мониторинга, постановок задач и алгоритмов планирования.

2 Формализованная постановка и решение задачи планирования наблюдений подвижных морских объектов в АСКМ.

2.1 Формализованная постановка задачи планирования наблюдений.

2.2 Применение косвенных методов для расчета целевой функции задачи планирования.

2.3 Метод и алгоритм решения задачи планирования.

2.4 Программная реализация алгоритма планирования наблюдений.

2.4.1 Исходные данные для алгоритма планирования.

2.4.2 Выходные данные алгоритма планирования.

2.4.3 Программные модули, реализующие алгоритм планирования наблюдений.

2.4.4 Трассировочная отладочная печать и пример работы алгоритма планирования наблюдений ОВП ПМО.

2.4.5 Обеспечение стыковки суточных планов.

2.4.6 Планирование к заданному моменту времени и заданному интервалу времени.

3 Разработка имитационной модели для исследования эффективности алгоритмов планирования.

3.1 Назначение ИМ АСКМ.

3.2 Состав и параметры моделируемых объектов, принятые допущения и предположения.

3.3 Выбор класса ИМ и варианта ее алгоритмической реализации.

3.4 Формализация ИМ АСКМ.

3.4.1 Содержательное определение критерия оценки результатов моделирования.

3.4.2 События и взаимосвязи между ними.

3.4.3 Параметры ИМ.

3.4.4 Состояние ИМ.

3.4.5 Имитация случайных явлений в ИМ АСКМ.

3.4.6 Сбор, обработка статистики и расчет показателей критерия.

3.5 Применение системы моделирования Modelling для разработки имитационной программы.

3.6 Структура имитационной программы.

3.7 Использование ИМ АСКМ при формирования исходных данных для алгоритма планирования.

3.8 Режимы работы ИМ АСКМ.

3.9 Интерфейс ИМ АСКМ.

3.9.1 Ввод и корректировка исходных данных.

3.9.2 Запуск и управление процессом моделирования.

3.9.3 Визуализация процесса моделирования.

3.9.4 Текстовый вывод результатов моделирования.

3.9.5 Графическое представление результатов моделирования.

4 Исследования эффективности алгоритма планирования наблюдений.

4.1 Влияние количества'КА на эффективность планирования.

4.2 Влияние использования спутников-ретрансляторов в АСКМ на эффективность планирования.

4.3 Влияние изменения варианта алгоритма распределения ресурсов работы АО КА на эффективность АСКМ.

4.4 Влияние качества прогнозирования движения ПМО на эффективность составленного плана осмотров.

4.5 Влияние ресурсных ограничений иа эффективность составленного плана.

4.6 Сравнение эвристического алгоритма планирования с алгоритмом полного перебора, оценка быстродействия эвристического алгоритма планирования.

4.7 Оценка связи показателя эффективности плана с конечными показателями эффективности системы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Планирование наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов»

Актуальность исследования

В последнее время все более широкое распространение получают глобальные источники информации - источники, которые могут получать и передавать потребителям информацию по всем районам Земли. Такими источниками информации являются спутниковые системы мониторинга, оснащенные космическими аппаратами (КА) - наблюдателями, которые способны осматривать земную поверхность аппаратурой осмотра (АО) различного типа и передавать полученную информацию на наземные комплексы приема/передачи данных своей группировки.

КА - наблюдатели принадлежат различным ведомствам и организациям и предназначены для выполнения различных целевых задач, таких, например, как экологический мониторинг, мониторинг лесных пожаров, мониторинг чрезвычайных ситуаций, мониторинг движения рыболовных судов.

В настоящее время актуальной является задача создания автоматизированной системы космического мониторинга (АСКМ) подвижных морских объектов, которая использовала бы КА-наблюдатели различных космических систем (КС), принадлежащих различным владельцам, а получаемая с их помощью информация о подвижных морских объектах (ПМО), за которыми осуществляется наблюдение, интегрировалась и обрабатывалась бы в едином центре.

В связи с тем, что используемые КА-наблюдатели должны решать не только задачи АСКМ, но и целевые задачи своих владельцев, а также в связи с ограниченностью энергии, на бортовую АО КА-наблюдателей накладываются ресурсные ограничения по возможности ее использования. Из-за ограничений на работу аппаратура осмотра КА, как правило, не может осмотреть все заданные районы земной поверхности. Поэтому в системе должна решаться задача оптимального использования ограниченных ресурсов АО КА, выделенных для наблюдений за ПМО, с целью максимизации эффективности проведения наблюдений.

Задачу оптимального использования ресурсов возможно решить только посредством планирования наблюдений на некоторый интервал времени в будущем. Задача планирования работы АО КА является одной из наиболее важных задач, которые должны решаться в АСКМ.

При постановке и решении задачи планирования должно быть учтено следующее:

• задача планирования должна отображать основную целевую установку АСКМ относительно сбора информации по различным ПМО;

• динамика взаимного движения областей наблюдения АО КА и прогнозируемых областей возможных положений (ОВП) ПМО при определении возможности наблюдения;

• неопределенность движения ПМО;

• стохастическая природа реализации планируемых наблюдений;

• динамика движения КА относительно наземных информационных комплексов (НИК) для определения моментов времени доведения собранной на борту информации до центра приема и обработки информации (ЦПОИ);

• ресурсные ограничения, накладываемые на бортовую АО по количеству включений на витке и за сутки, по времени работы на витке и за сутки, по емкости бортового ДЗУ;

• ограничения по видео и метеоусловиям на проведение наблюдений определенными типами АО;

• динамика старения информации по различным характеристикам ПМО, получаемым в ЦПОИ;

• важности различных ПМО с точки зрения необходимости первоочередного получения данных по ним;

• важности отдельных характеристик ПМО с точки зрения необходимости иметь по ним актуальные данные;

• возможности по сбору информации по различным характеристикам ПМО различными типами АО КА.

В настоящее время отсутствует постановка и решение задачи планирования, отвечающие всем перечисленным требованиям.

Актуальная научная задача - сформировать такую формализованную постановку, которая удовлетворяет перечисленным требованиям, предложить метод решения задачи, обеспечить эффективность процесса планирования, разработать инструмент, позволяющий исследовать эффективность алгоритмов планирования.

Объект исследования

Автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов.

Предмет исследования

Процесс планирования наблюдений областей возможного положения подвижных морских объектов в автоматизированной системе космического мониторинга.

Цель исследования

Постановка и решение задачи планирования наблюдений областей возможного положения подвижных морских объектов в системе космического мониторинга, исследование эффективности полученных решений.

Задачи исследования

Для достижения поставленных целей были решены следующие научно-технические задачи:

1. Анализ процесса функционирования АСКМ.

2. Формализованная постановка задачи планирования наблюдений областей возможных положений подвижных морских объектов.

3. Разработка метода и алгоритма решения поставленной задачи планирования наблюдений.

4. Программная реализация разработанных алгоритмов.

5. Разработка имитационной модели АСКМ для исследования эффективности процесса планирования.

6. Проведение исследований по оценке эффективности формируемых планов наблюдений.

Методы исследования

Поставленные задачи решались с использованием методов системного анализа, математического программирования, теории оптимального планирования и управления, имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в получении следующих результатов:

1. Осуществлена формализованная постановка задачи планирования наблюдений ОВП ПМО в АСКМ в виде задачи стохастического математического программирования, учитывающая вероятностный характер процесса наблюдения, старения информации, различного рода ресурсные ограничения.

2. Разработан косвенный метод расчета значений целевой функции задачи планирования, позволивший разработать эффективный алгоритм решения задачи планирования.

3. Создана имитационная модель процесса функционирования АСКМ для оценки эффективности процесса планирования наблюдений.

На защиту выносятся следующие результаты исследований

1. Формализованная постановка задачи планирования наблюдений ОВП ПМО аппаратурой осмотра КА, учитывающая стохастический характер процесса обнаружения ПМО, процессы старения информации о ПМО, различного рода ресурсные ограничения на возможность использования бортовой аппаратуры осмотра КА, важности ПМО и различных типов информации для решения целевых задач системы.

2. Метод и алгоритм решения задачи планирования.

3. Имитационная модель, позволяющая исследовать эффективность алгоритмов планирования и АСКМ в целом.

4. Результаты имитационных экспериментов по оценке эффективности процесса планирования.

Практическая значимость результатов заключается в создании

1. на этапе проведения ОКР рабочих алгоритмов планирования наблюдений для проектируемой на ФГУП «ЦНИИ "Комета"» автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов,

2. имитационной модели, использованной при проведении ОКР на предприятии ФГУП «ЦНИИ "Комета"» для оценки эффективности процесса функционирования АСКМ с учетом проектируемых алгоритмов планирования.

Внедрение результатов

Результаты работы внедрены на ФГУП ЦНИИ «Комета» в качестве составной части ОКР.

Внедрение результатов работы подтверждается соответствующим актом.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2005», Москва, 2005 г.;

• на 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006», Москва, 2006 г.;

• на XVI международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2007 г.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 отчетах по НИР и в 9 печатных работах, в том числе 1 публикация в ведущем рецензируемом научном журнале «Вестник МАИ», входящем в список ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований и двух приложений. Объем диссертации -149 страниц машинописного текста, включает 52 рисунка и 13 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Новиков, Сергей Александрович

Вывод:

Предложенный критерий оптимизации при решении задачи планирования наблюдений - актуальность информации для совокупности ПМО соответствует конечным целям функционирования АСКМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Осуществлена постановка актуальной задачи планирования наблюдений в АСКМ ПМО и разработана формализованная постановка задачи планирования, как задачи стохастического программирования, учитывающая важные с точки зрения функционирования системы факторы.

2. Предложен косвенный метод решения задачи планирования наблюдений, позволивший свести задачу стохастического программирования к детерминированной оптимизационной задаче, что существенно уменьшает вычислительную сложность алгоритма формирования плана наблюдений ОВП ПМО.

На основе метода максимального элемента и в соответствии с формализованной постановкой разработан алгоритм решения задачи планирования наблюдений, который обладает высокой вычислительной эффективностью.

3. Разработана ИМ АСКМ, отображающая основные процессы функционирования моделируемой системы. ИМ позволяет исследовать эффективность алгоритмов планирования наблюдений, а также подготовить исходные данные для их работы.

4. Проведенные вычислительные и имитационные эксперименты по анализу эффективности процессов планирования позволяют сделать выводы

• о соответствии формализованной постановки задачи планирования конечным целям функционирования АСКМ;

• о чувствительности решения задачи к изменению важных параметров и характеристик системы;

• о реализуемости составленного плана в зависимости от удаленности возможностей от начала интервала планирования и необходимости в дальнейшем разработки алгоритмов корректировки суточных планов с учетом поступающей в результате реализации плана информации о наблюдениях ПМО.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новиков, Сергей Александрович, 2008 год

1. Абрамов A.M., Капустин В.Ф. Математическое программирование. JL: ЛГУ, 1976.

2. Архангельский А.Я. Delphi 6. Справочное пособие. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2001.

3. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 6. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2001.

4. Бажинов И.К., Почукаев В.Н. «Оптимальное планирование навигационных измерений в космическом полете», 1976;

5. Балтер Б.М., Ведешин Л.А., Егоров В.В. и др. Аэрокосмический радиолокационный мониторинг Земли. Коллективная монография/ Под ред. А.И. Кана-щенкова. М.: Радиотехника, 2006.

6. Безвербый В.К, Федотов Д.М. Проектирование ракетно-космических систем с учетом народнохозяйственных программ. М.: Издательство МАИ, 1996.

7. Белоконов И.В. Планирование спутниковой радионавигации для космических систем дистанционного зондирования Земли: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Самара, СГАУ, 1999.

8. Ю.Берзин Е.А. Оптимальное распределение ресурсов и элементы синтеза систем. — М.: «Советское радио», 1974 г.

9. Н.Богачев А.С., Болдин В.А., Ярлычков М.С. Авиационные радионавигационные устройства и системы. Учебник для вузов. М.: Издательство ВВИА им. проф. Жуковского, 1980.

10. Бомас В.В., Красовская М.А. Компьютерное исследование точности статистических методов: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1998.

11. Боровков В.А. Алгоритм спутниковой радионавигации низковысотного космического аппарата при перерывах в поступлении измерений: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, 2005.

12. Н.Булыгин B.C., Красовская М.А., Хахулин Г.Ф. Теоретические основы автоматизированного управления (задачи, методы, алгоритмы теории оптимального планирования и управления). М.: Издательство МАИ, 2005.

13. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.

14. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 576 с.

15. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения.-М.: Наука, 1988.

16. Виноградская Т.М, Макаров И.М., Рубчинский А.А., Соколов В.Б. Теория выбора и принятия решений: Учебное пособие. М.: Наука. Гланая редакция физико-математической литературы, 1982.

17. Власов О.В., Смокин И.В. Радиооборудование летательных аппаратов. М.: Воениздат, 1971.

18. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Издательство АиБ, 1997.

19. Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследование операций: Учеб. для вузов по спец. АСОИУ. М.: Высш. шк., 1996.

20. Дистанционные методы мониторинга промысловых районов Мирового океана в задачах информационной поддержки отраслевой научно-производственной деятельности / Под редакцией д.т.н. А.А. Романова. М.: Изд-во ВНИРО, 1997.

21. Егоров А.П., Чугунов А.А. Отраслевая система мониторинга важнейший инструмент контроля за промысловой деятельностью флота. Журнал «Рыбное хозяйство» № 1 - 2004.

22. Ермольев Ю.М. Стохастическое программирование. -М.: Физматлит, 1977.32.3емлянов А.Б., Косов Г.Л., Траубе В.А. «Система морской и космической разведки и целеуказания (история создания)», Санкт-Петербург, 2002.

23. Иванов Н.М., Дмитриевский А.А., Лысенко Л.Н. «Баллистика и навигация космических аппаратов», 1986;

24. Изображения Земли из космоса: примеры использования природоохранными организациями: Научно-популярное издание М.: ООО ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР «СКАНЭКС», 2005.

25. Калашников В.В. Организация моделирования сложных систем. М.: Знание, 1982.

26. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973.

27. Кошкарева Л.А. Нормативное и методико-математическое обеспечение информационной системы мониторинга иностранных рыболовных судов: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Владивосток, 2006.

28. КП для моделирования функционирования взаимосвязанных космических систем для планирования заявок на осмотр заданных районов. Отчет по НИР. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2006.

29. Красовская М.А. Методы и алгоритмы нелинейного программирования в АСУ. М.: Изд-во МАИ, 1994.

30. Курбатова И.Е. Спутниковый мониторинг побережья Азовского моря реальные возможности и специфика. Сборник тезисов Третьей всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва, ИКИ РАН, 2005 г.

31. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. -М. Машиностроение, 1991

32. Легезо Л.С. и др., «Центральный научно-исследовательский институт "Комета"», 2003.

33. Лесин В.В., Лисовец Ю.П. Основы методов оптимизации. М.: Изд-во МАИ, 1995.

34. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Бобронников В.Т, Нестеренко О.П., Федоров А.В. Спутниковые системы мониторинга. Анализ, синтез и управление. -М.: Изд-во МАИ, 2000.

35. Марюхненко B.C. Структурный синтез навигационного обеспечения информационных систем управления подвижными объектами: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск, 2005.

36. Моделирование функционирования взаимодействующих космических систем для планирования заявок на осмотр заданных районов. Отчет по теме № 3/к2006 (32490-03020). Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М:. МАИ. 2006.

37. Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. Теоретико-групповой подход. М.: Машиностроение, 1989.

38. Монахов С.В. Событийно-ориентированная система имитационного моделирования для разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных имитационных моделей: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2006.

39. Монахов С.В., Хахулин Г.Ф. Система имитационного моделирования Modelling для разработки дискретных и непрерывно-дискретных моделей. М.: Издательство МАИ, 2007.

40. Новиков С.А. Решение задачи выбора параметров космической группировки системы спутникового наблюдения. XIV Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2005, с. 220.

41. Новые технологии, еженедельник. Номер 17(40) от 03.05.2000.570 создании отраслевой системы мониторинга водных биологических ресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов. Постановление Правительства РФ №226 от 26 февраля 1999 г.

42. Официальный сайт Министерства транспорта Российской Федерации -www.mintrans.ru.

43. Официальный сайт ФГУП «Морсвязьспутник» www.marsat.ru.

44. Помыкаев И.И, Селезнев В.П, Дмитроченко Л.А. Навигационные приборы и системы: Учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1983.

45. Программное обеспечение модели функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр (этап 2). Тема № 3364003020. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2007.

46. Романов А.А. Основы обработки и анализа данных космического дистанционного зондирования океана: Учебное пособие. М.: МФТИ, 2003.

47. Росин М.Ф., Булыгин B.C. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления. М.: Машиностроение, 1981.

48. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1985.

49. Создание программного обеспечения имитационной модели системы спутникового наблюдения для системы МШ-33. Отчет по теме № З/к-2005 (3011003020). Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М:. МАИ, 2005.

50. Сокуренко Е.А., Хахулин Г.Ф. Основы моделирования АСУ. М.: Изд-во МАИ, 1990.

51. Сосновский А.А., Хаймович И.А. Авиационная радионавигация. Справочник. -М.: Транспорт, 1980.

52. Сухотин В.В. Определение координат источников сигналов в системах спутниковой связи: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Красноярск, 2003.

53. Тучин Д.А. Автономное определение параметров движения околоземного КА по измерениям спутниковых навигационных систем: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, 2004.

54. Фаронов В.В. Система программирования Delphi 7. Санкт-Петербург: «БВХ-Петербург», 2005.

55. Федотов А.В. Программирование задач моделирования и оптимизации на языке Object Pascal: Учебное пособие. М.: МАИ, 2001.

56. Филиппов О.И. Задачи и модели координации в АСУ комплексами летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 1992.

57. Хахулин Г.Ф. Основы конструирования имитационных моделей. Учебное пособие. 2-е изд. доп. и исправ. М.: НПК «Поток», 2002.

58. Хахулин Г.Ф. Постановки и методы решения задач дискретного программирования. М.: Изд-во МАИ, 1992.

59. Хахулин Г.Ф., Новиков С.А., Посадский А.И., Ескин В.И. Задача планирования наблюдений подвижных морских объектов в системе космического мониторинга. Вестник Московского авиационного института 2007, т. 14, № 3, с.125-130.

60. Чекал Е.Г. Разработка и исследование моделей информационного центра системы наблюдения надводного судна: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ульяновск, 2006.

61. Чернов А.А., Чернявский Г.М. Орбиты спутников дистанционного зондирования Земли. Лекции и упражнения. М.: Радио и связь, 2004.

62. Чернявский Г.М. Управление орбитой стационарного спутника. М.: Машиностроение, 1984.

63. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. М.: «Связь», 1978.

64. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978.