Рациональное использование бортового ресурса космической системы радиолокационного наблюдения

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.

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).

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.