Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Рациональное использование бортового ресурса космической системы радиолокационного наблюдения

Полный текст:

Аннотация

На основе анализа целевого применения космической системы радиолокационного наблюдения с синтезированием апертуры при дистанционном зондировании Земли показаны направления рационального использования бортового ресурса целевой аппаратуры и возможные способы их реализации.

Для цитирования:


Дудников С.В., Костюк Е.А., Чересов Ю.И. Рациональное использование бортового ресурса космической системы радиолокационного наблюдения. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):29-35.

For citation:


Dudnikov S.V., Kostyuk E.A., Cheresov Yu.I. Rational use of space system board resource radar. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):29-35. (In Russ.)

Введение

В настоящее время адекватно и своевременно реагировать скоординированными упрежда­ющими действиями на любые угрозы невоз­можно без современных информационных систем, которые позволяют контролировать обширные зоны воздушно-космического про­странства и поверхности Земли, а также ве­сти оперативный сбор, объединение и анализ информации для нужд различных потребите­лей (Минприроды, Минсельхоз, МЧС, МВД и др.). Для повышения качества получаемой ин­формации данные системы должны быть объ­единены общей сетевой инфраструктурой [1].

Космическая отрасль и взаимодейству­ющая с ней кооперация предприятий имеют большой задел для создания такой суперси­стемы. Однако рациональному распределе­нию задач между подсистемами различного базирования и сквозной оптимизации всей системы с учётом требований различных по­требителей препятствует межведомственная разобщенность.

Государственная программа Россий­ской Федерации «Космическая деятельность России на 2013-2020 годы» [2] является ор­ганизационной основой решения этой про­блемы, особенно актуального в настоящее время при разработке и развертывании новых отечественных космических аппаратов (КА) орбитальных группировок (ОГ) различно­го назначения: «Метеор-ЗМ» - комплекс ги­дрометеорологического назначения с КА на солнечно-синхронных орбитах; «Электро-Л» - комплекс гидрометеорологического назначения с КА на геостационарных орбитах; «Конопус-В» - комплекс оперативного мо­ниторинга техногенных и природных чрез­вычайных ситуаций; «Ресурс-П» - комплекс для высокодетального и детально широкопо­лосного наблюдения поверхности Земли для решения многих социально-экономических задач; «Кондор-Э» - комплекс, позволяющий решать широкий круг целевых задач; перспек­тивные комплексы «Обзор», «Арктика» и др. [3, 4]. При этом необходимо оптимизировать решения большого количества отдельных за­дач. Так, например, построение спутниковых группировок без их оптимизации с учётом ре­шаемых задач тем более расточительно, чем больше в них число КА.

Наблюдение Земли из космоса при ре­шении целого ряда задач требует определён­ной периодичности обзора одной и той же местности. Так, согласно типовым требовани­ям потребителей информации мониторинг зон чрезвычайных ситуаций (лесных пожаров, наводнений и др.) и вооруженных конфлик­тов период повторных наблюдений состав­ляет 1-3 часа [5]. Такие высокие параметры периодичности при одновременном требова­нии высокого (менее 1 м) пространственного разрешения можно обеспечить лишь при зна­чительном числе КА дистанционного зонди­рования Земли (ДЗЗ). Следует отметить, что создание и развертывание группировок КА ДЗЗ из большого числа КА (порядка 10 и бо­лее) до сих пор никак не реализовывалось по причине высоких расходов.

Особые ограничения накладывает це­левая аппаратура (ЦА), в нашем случае ра­диолокационные системы с синтезированием апертуры (РСА), у которой, с одной стороны, полоса обзора должна быть как можно шире, чтобы получить требуемую периодичность наблюдений с минимальным количеством КА, а с другой - есть технологические ограничения по увеличению полосы обзора.

Минимизация количества КА в группи­ровке требует и оптимизации орбитальных параметров системы - высоты, наклонения орбит, относительного расположения отдель­ных КА в группировке. Также при разработке системы и её применении всегда стоит вопрос оптимизации использования ресурса ЦА - РСА с учётом его ограниченности. В общем случае оптимизационная задача построения и применения космических систем (КС) ДЗЗ, в т. ч. КС радиолокационного наблюдения (РЛН), является многокритериальной.

В начале покажем потенциальные воз­можности комплексного решения различных целевых задач на основе анализа требований к космической системе радиолокационного наблюдения при дистанционном зондирова­нии Земли.

Задачи целевого использования КС РЛН при ДЗЗ и требования к её основным ха­рактеристикам

Задачи целевого использования КС ДЗЗ, в том числе КС РЛН, основные требования к системам и направления их дальнейшего со­вершенствования и развития изложены в ряде работ [5-13]. Для упрощения проведения ана­лиза все основные задачи целевого приме­нения, исходя из требований к детальности съёмки, снимаемым площадям, оперативно­сти доставки информации и требований к её обработке, можно разбить на четыре группы:

  • мониторинг, анализ и прогноз состояния акваторий морей и океанов;
  • задачи сельского, лесного, водного хозяйств и экологии;
  • задачи геологии и картографии;
  • информационное обеспечение произ­водственной деятельности и предотвращения чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и антропогенного характера.

Опыт и данные, полученные при сбо­ре, анализе и обобщении заявок на получе­ние информации потребителей космической информации, позволили обосновать требо­вания к характеристикам и режимам работы КС РЛН при обеспечении ими решения ука­занных групп задач [14-19]. При этом учиты­вались также значения характеристик суще­ствующих отечественных и зарубежных КС РЛН: «Кондор-Э» (Россия) [10], Terra SAR-X - Tandem-X (Германия) [9], COSMO-SkyMed (Италия) [11] и др.

Требования к основным характеристи­кам КС РЛН, необходимым для решения за­дач, приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Требования к основным характеристикам КС РЛН

Основные характеристи­ки радиолокационной съёмки

Основные задачи

Мониторинг, анализ и прогноз состояния акваторий морей и океанов

Задачи сельско­го, лесного, водного хозяйства и экологии

Задачи геологии и картографии

Информационное обеспечение производственной дея­тельности и предот­вращения ЧС

Разрешение на местно­сти, м

25-500

1-100

0,5-30

0,5-5

Радиометрическое раз­решение, дБ

1

1

1

1-2

Точность радиометриче­ской калибровки, дБ

1

1

1

1

Точность привязки, пикс.

1-2

1-2

1-2

1-2

Периодичность наблю­дения

1 сут (в отдельных случаях до 1 ч)

1-10 сут

5-10 лет

1-3 нед.

Оперативность доставки информации

3 ч (в отдельных случаях до режима реального времени)

1 сут (в отдель­ных случаях до 4 ч)

не критично

1-2 сут (в отдель­ных случаях до режима реального времени)

Размеры снимаемых тер­риторий, млн км2

около 10

до 5

до 5 (для цифро­вых моделей ре­льефа 0,5)

до 0,5

Режим съёмки

маршрутный, марш­рутный широкопо­лосный

высокодетальный и детальный кадровые, маршрутный уз­кополосный, маршрутный

 

Заказчики

Минприроды, Росрыболовство, ФГУП «Атомфлот»

Минприроды, Минсельхоз, Рослесхоз

Минприроды, Росреестр, Роскарто- графия

Минэнерго, МЧС, Минрегионразвития, Счётная палата РФ, Росреестр, Роскартография

Комплексное использование бортового ресурса КС РЛН в интересах различных потребителей радиолокационной космической информации

Рассмотрение основных требований и режи­мов применения КС РЛН при информацион­ном обеспечении решения целевых задач ДЗЗ (табл. 1) показывает возможности рациональ­ного расходования бортового ресурса КС и выполнения технологических процессов об­работки информации.

Например, условия и особенности целе­вого применения КС при выполнении задач в интересах геологии и картографии и в инте­ресах сельского, лесного, водного хозяйства и экологии практически не отличаются. Су­ществует лишь одно важное отличие - в тре­бованиях по периодичности наблюдения, по­этому затраты бортового ресурса КС РЛН при решении задач геологии и картографии будут на порядок ниже. Учитывая практически пол­ное совпадение требований по другим харак­теристикам, легко сделать вывод, что значи­тельную часть задач геологии и картографии можно решать на фоне радиолокационной съёмки в интересах задач других направлений при условии пространственного совпадения районов съёмки.

Одним из путей рационального исполь­зования ресурса КС РЛН и КС ДЗЗ в целом является комплексирование целевого приме­нения орбитальной группировки [10, 20, 21]. Это достигается применением современных методов комплексного планирования целево­го применения как всей группировки косми­ческих систем ДЗЗ, так и её составляющих компонентов, в т. ч. КС РЛН.

Для оптимизации плана съёмок из­учаются потребности заинтересованных ве­домств - путём экспертного опроса их ква­лифицированных специалистов собирается геопространственная информация субъек­тивного характера, дальнейшая обработка которой ведётся с использованием аппарата геопространственного интеллекта и аппарата нечётких множеств [22].

В процессе комплексного планирования наиболее полно учитываются результаты кос­мического наблюдения, исключаются случаи избыточных съёмок одних и тех же районов различными видами целевой аппаратуры, близкими по своим характеристикам, обеспе­чивается совместное наблюдение (при необ­ходимости) различными видами аппаратуры, расширяется возможность манёвра режимами функционирования.

Совместная обработка и использование данных ДЗЗ, полученных различными типами аппаратуры наблюдения, функционирующей на базе различных физических принципов и в различных спектральных диапазонах, обеспе­чивает получение качественно новых высоко­уровневых информационных продуктов [23].

Реализация направлений оптимизации использования бортового ресурса КС РЛН и решения других задач КС ДЗЗ

Выполнение отмеченных выше требований различных потребителей к получаемой ин­формации ДЗЗ при условии оптимального (рационального) расходования бортового ре­сурса КС РЛН, а также других подсистем с учётом технических возможностей бортовых и наземных средств, характеристик баллисти­ческого построения ОГ и стоимостных пока­зателей является очень сложной проблемой, включающей ряд оптимизационных многопа­раметрических задач, для согласованного ре­шения которых требуется обобщенная модель КС ДЗЗ.

Общая математическая модель высоко­периодической КС ДЗЗ [24], которая исполь­зуется для определения тактико-технических, технико-экономических характеристик систе­мы и их соответствия требуемым значениям, включает три основных блока:

  1. модель орбитальной группировки КС ДЗЗ (КС РЛН), которая определяет оптимизи­рованные параметры орбит спутников груп­пировки и минимально необходимое количе­ство спутников, позволяющие обеспечить за­данные требования к периодичности повтор­ных наблюдений заданных зон на Земле;
  2. модель обнаружителя, то есть борто­вой ЦА наблюдения, которая обеспечивает за­данные вероятности обнаружения и распозна­вания типовых земных объектов наблюдения. Модель зависит от типа аппаратуры, спек­тральных параметров, углового простран­ственного разрешения и др. параметров, кото­рые могут быть либо изначально заданными (при использовании готового прибора), либо определяться с использованием модели, если создается новая ЦА. Основными выходными параметрами модели, используемыми далее в модели группировки, являются ширина поло­сы обзора ЦА, в основном определяющая пе­риодичность повторных наблюдений данным спутником, и максимально допустимая высо­та орбиты спутника, при которой обеспечива­ется вероятность обнаружения типового объ­екта на уровне не ниже заданного в ТЗ;
  3. модель расчёта стоимости всего цикла создания, развёртывания в космосе и эксплу­атации КС ДЗЗ. Входными данными для этой модели являются полученные в вышеуказан­ных моделях параметры - количество КА в орбитальной группировке, параметры орби­ты (высота, наклонение), полоса обзора, про­странственное разрешение и иные параметры ЦА, а также эмпирические данные о типовых стоимостях запуска наиболее приемлемыми средствами выведения, о стоимости работ по проектированию, производству и испытаниям КА ДЗЗ, разработке новой ЦА или изготовле­нию её серийных образцов, о стоимости работ в наземном сегменте по управлению КС ДЗЗ (КС РЛН) по приёму и обработке информации наблюдения.

При решении оптимизационной задачи на основе выбранной модели необходимо вы­брать критерии (показатели) оптимизации. В рассматриваемом случае при выборе подхо­дов к распределению бортового ресурса КС РЛН наиболее понятным представляется ис­пользование трех показателей, оценивающих объём выходной информации [14]:

  • времени съёмки, с;
  • площади отснятых территорий, км2;
  • объёмов выходных радиолокационных изображений, Гбайт.

Особенностью современных КС РЛН, основой которых являются РСА, является то, что режимы детальной съёмки отличают­ся весьма высокими временными затратами на получение отдельных кадров и больши­ми информационными объёмами при малых отснятых площадях, в то время как режимы площадной съёмки при малых относительных временных затратах характеризуются боль­шими отснятыми площадями и небольшими информационными объёмами относительно затраченного времени.

Среди потребителей бортового ресурса КС РЛН есть как заинтересованные в прове­дении преимущественно площадной съёмки, так и заинтересованные в получении резуль­татов детальной съёмки.

Если при распределении бортового ре­сурса КС РЛН в качестве показателя берётся объём полученных радиолокационных изо­бражений (в Гбайт), то в ущербном положении оказываются потребители, заинтересованные в проведение детальной съёмки, доля ресурса которых будет быстро израсходована и пода­вляющее количество времени КС РЛН будет работать на проведение площадной съёмки, а если берётся размер отснятых площадей (в км2), то в ущербном положении оказываются потребители, ориентированные на проведе­ние площадной съёмки, поскольку подавляю­щее количество времени КС РЛН будет рабо­тать на проведение детальной съёмки.

Компромиссным вариантом представ­ляется подход к распределению ресурса КС РЛН в единицах времени работы на излучение РСА. В качестве примера приведены резуль­таты работы РСА за 600 с (табл. 2).

 

Таблица 2

Оценка производительности РСА одного КА РЛН (вариант)

Режимы съёмки

Разрешение, м

Размер кадра, км

Отснятая пло­щадь на 1 витке, км2

Количество

включений

Объём радиоголограмм на 1 витке, Гбайт

Высокодетальный кадровый

0,5-1,0

10 х 10

5 000

50

100

Детальный кадровый

5-6

50 х 50

75 000

30

132

Маршрутный узкополосный

3-6

30

120 000

1

150

Маршрутный

50

130

520 000

1

150

Маршрутный широкополос­ный

200

600

2 400 000

1

150

Маршрутный сверхширокополосный

500

750

3 000 000

1

150

Заключение

Рассмотрение основных требований и режи­мов целевого применения КС РЛН примени­тельно к группам решаемых задач показало наличие возможностей по рациональному расходованию бортового ресурса КС РЛН и оптимизации выполнения технологических процессов обработки информации, которые являются частью общей проблемы оптимизации создания и целевого применения всей орбитальной группировки ДЗЗ.

Для разрабатываемых и внедряемых в последние годы многопозиционных РСА (выше упоминался действующий вариант двухпозиционной системы TerraSAR-X - Tandem-X) условия выбора критериев рацио­нального распределения её ресурса должны быть скорректированы с учётом баллистиче­ского построения ОГ, количества КА в груп­пировке, результирующей зоны обзора, режи­ма функционирования и других характери­стик.

Список литературы

1. Басистов В. А., Гуреев Э. Д., Лобанов Б. С., Прилуцкий А. А., Фатеев В. Ф. Развитие радиоэлектроники как предопределение перехода к сетевой инфраструктуре распределенных информационно-управляющих систем на основе конвергенции технологий координатновременного обеспечения, мониторинга, передачи и обработки данных // Электромагнитные волны и электронные системы. 2012. № 5. Т. 17. С. 44–51.

2. Государственная программа Российской Федерации «Космическая деятельность России на 2013–2020 годы» // www.federalspace.ru: ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО. URL: http://www.federalspace.ru/media/files/docs/2014/gp_kdr_2013_2020_13.05.2014.doc (дата обращения 10.03.2015).

3. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ). // www.federalspace.ru: ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО. URL: http://www.federalspace.ru/356/ (дата обращения 10.03.2015).

4. Райкунов Г. Г., Любченко Ф. Н., Карелин А. В. Стратегия развития космического сегмента системы дистанционного зондирования Земли в России до 2030 года // Космонавтика и ракетостроение. 2012. № 3. С. 5–20.

5. Минаков Е. П., Чичкова Е. Ф., Федоров С. А. Система специального мониторинга чрезвычайных ситуаций на базе малых космических аппаратов// Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 3. С. 53-55.

6. Чересов Ю. И. Перспективы применения авиационных и космических многопозиционных РЛС для проведения мониторинга поверхности Земли // Научные чтения, посвященных творческому наследию Н. Е. Жуковского: сб. докл. М.: ВВИА,1997. С. 9.

7. Кондратенков Г. С., Фролов А. Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. М.: Радиотехника, 2005. 368 с.

8. Горячкин О. В. Пути развития радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли // Вестник Самарского гос. аэрокосм. унив. 2010. № 2. С. 92–104.

9. Умрихин Ю. Д., Чебаненко В. М., Чересов Ю. И. К вопросу построения многопозиционных РЛС землеобзора с синтезированием апертуры космического базирования // Тр. Института системного анализа РАН. 2010. Т. 53(3), вып. 14-А. С. 11–21.

10. Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. М.: Радиотехника, 2010. 676 с.

11. Кучейко А. А. Система радарной разведки Италии в полном составе // Новости космонавтики. 2011. № 1. С. 24–25.

12. Верба В. С., Неронский Л. Б., Поливанов С. С. Тенденции развития систем радиолокационного наблюдения космического базирования // Радиотехника. 2014. № 5. С. 45–50.

13. Урличич Ю., Семин В., Емельянов К. О приоритетах практической реализации развития космической системы дистанционного зондирования Земли // Аэрокосмический курьер. 2011. № 6. С. 15–21.

14. Костюк Е. А., Макаров Ю. Н., Чересов Ю. И. Использование информации, получаемой с помощью космических радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, для решения социально-экономических задач. М.: ГБОУ «МАРТИТ», 2014. 40 с.

15. Севастьянов Н. Н., Бранец В. Н., Панченко В. А., Казинский Н. В., Кондранин Т. В., Негодяев С. С. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли // Тр. МФТИ. 2009. Т. 1, № 3. С. 14–22.

16. Переслегин С. В., Халиков З. А. Космический двухпозиционный РСА для оперативного мониторинга океанских явлений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 2. С. 275–291.

17. Коровин Г. Л., Котельников Р. В., Лупян Е. А., Щетинский В. Е. Основные возможности и структура информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ Рослесхоз) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7, № 2. С. 97–105.

18. Брюханова В. И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительтстве. Омск: ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П. А. Столыпина, 2012. 100 с.

19. Барталев С. А., Лупян Е. А., Нейштадт И. А., Савин И. Ю. Классификация некоторых типов сельскохозяйственных посевов в южных районах России по спутниковым данным MODIS // Исследования Земли из космоса. 2006. № 3. С. 68–75.

20. Захаров А. И., Яковлев О. И., Смирнов В. М. Спутниковый мониторинг Земли. Радиолокационное зондирование поверхности. М.: КРАСАНД, 2012. 248 с.

21. Феоктистов А., Захаров А., Костюк Е., Гусев М., Денисов П. Перспективные технологии обработки космической радиолокационной информации // Аэрокосмический курьер. 2011. № 6. С. 31–32.

22. Куссуль Н. Н., Янчевский С. Л., Кравченко А. Н. Оптимизация процессов принятия решений в экспертных системах планирования работы целевой аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 3. С. 64–75.

23. Захарова Л. Н., Захаров А. И., Сорочинский М. В., Рябоконь Г. П., Леонов В. М. Совместный анализ данных оптических и радиолокационных сенсоров: возможности, ограничения и перспективы // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56, № 1. С. 5–19.

24. Вишняков В. М. Оптимизация параметров орбитальной группировки космической системы мониторинга чрезвычайных ситуаций // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Т. 1, вып. 2. С. 222–237.


Об авторах

С. В. Дудников
ГБОУ «МАРТИТ»
Россия

Дудников Сергей Валентинович – доктор экономических наук, кандидат технических наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой «Инновационное образование»

Область научных интересов: управление инновациями в промышленности и образовании.

г. Москва



Е. А. Костюк
НЦ ОМЗ ОАО «РКС»
Россия

Костюк Евгений Александрович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Область научных интересов: целевое применение космических систем радиолокационного наблюдения.

г. Москва



Ю. И. Чересов
ГБОУ «МАРТИТ»
Россия

Чересов Юрий Иванович – кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиосистемотехника»

Область научных интересов: авиационные и космические радиолокационные системы, статистические методы обработки радиолокационной информации.

г. Москва



Для цитирования:


Дудников С.В., Костюк Е.А., Чересов Ю.И. Рациональное использование бортового ресурса космической системы радиолокационного наблюдения. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):29-35.

For citation:


Dudnikov S.V., Kostyuk E.A., Cheresov Yu.I. Rational use of space system board resource radar. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):29-35. (In Russ.)

Просмотров: 42


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)