ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 3, с. 90-96
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИЗК
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИК БОРТОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КА ДЗЗ, ОСНАЩЕННОГО РАЗЛИЧНОЙ СЪЕМОЧНОЙ АППАРАТУРОЙ СРЕДНЕГО РАЗРЕШЕНИЯ © 2014 г. О. В. Михеев*, В. М. Судаков
Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева, Москва
*Е-таИ: salut@khrunichev.com Поступила в редакцию 22.08.2013 г.
Рассмотрены результаты имитационно-статистического моделирования процессов функционирования бортовой информационной системы (БИС) КА ДЗЗ, оснащенного многоаппаратурным комплексом съемочной аппаратуры с большим потоком первичной информации. На основе анализа величин потоков информации, поступающей от съемочной аппаратуры и передаваемой на Землю при съемке с КА ДЗЗ с целью оперативного обновления данных о всей территории России, получены рекомендации по выбору накопительно-скоростных характеристик и режимов работы БИС.
Ключевые слова: скорость сброса целевой информации, емкость запоминающего устройства, режимы работы БИС, сжатие информации, информационный баланс
Б01: 10.7868/8020596141403004Х
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из наиболее важных показателей эффективности целевого функционирования разрабатываемых отечественных космических средств ДЗЗ, оснащенных оптико-электронной аппаратурой со средним разрешением, является оперативность обновления данных космической съемки о всей территории Российской Федерации. Данный показатель зависит как от системных характеристик, таких как число КА в орбитальной группировке, баллистические параметры КА, число и размещение пунктов приема информации и др., так и от собственно технических характеристик комплекса целевой аппаратуры КА.
Получение требуемой оперативности обновления данных о значительной территории, которую занимает Россия, ввиду экономических ограничений на численность орбитальной группировки КА достигается прежде всего расширением полосы захвата съемочной аппаратуры (СА) до 100—200 км при обеспечении разрешения на уровне 5—10 м. Такая широкозахватная аппаратура, в частности, разрабатывается российским предприятием "КЗ им. С.А. Зверева". Для повышения потребительских характеристик целевой информации, получаемой с КА ДЗЗ, в ряде работ, например (Ахметов и др., 2010; Михайлов и др., 2010, 2011),
предлагается одновременно с широкозахватной панхроматической и многозональной съемочной аппаратурой видимого и ближнего ИК-диапазо-нов устанавливать гиперспектральную аппаратуру (ГСА) и ИК-аппаратуру теплового диапазона (ИК-радиометр). Такой комплексированный многоаппаратурный комплекс ввиду большого потока получающейся на выходе от СА первичной информации предъявляет высокие требования к характеристикам и режимам работы бортовой информационной системы (БИС), предназначенной для сбора, накопления и передачи на Землю получаемой целевой информации (ЦИ).
В предыдущей работе авторов (Михайлов и др., 2011) подробно рассматривались вопросы статистического оценивания показателей оперативности обновления информации о всей территории России орбитальной группировкой КА ДЗЗ, оснащенных высокоинформативными комплексами СА различных типов со средним разрешением. При этом оцениваемые показатели были рассчитаны для фиксированных и выбранных достаточно произвольно значений накопительно-скоростных характеристик БИС без анализа их влияния, а также влияния режимов работы БИС на показатели периодичности и производительности съемки территории России группировкой КА.
В настоящей статье авторы постарались восполнить этот пробел, проведя более глубокое исследование проблемы выбора таких характеристик БИС, как емкость запоминающего устройства (ЗУ), скорость сброса целевой информации, а также режимов накопления и передачи ЦИ на пункты приема информации.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
И ПОРЯДОК РЕШЕНИЯ
Рассматривался процесс получения на борту каждого КА ДЗЗ из состава орбитальной группировки первичного потока целевой информации и передачи его на наземные пункты приема информации (ППИ). С использованием имитационно-статистического моделирования решалась задача нахождения статистической оценки суточного информационного баланса полученной в процессе съемки территории России и переданной на Землю целевой информации. Задачей исследования являлось нахождение емкости ЗУ, скорости передачи ЦИ и режимов работы БИС, обеспечивающих близкий к нулю суточный среднестатистический баланс объема полученной и переданной на Землю ЦИ.
Выбор для оценивания информационного баланса интервала в одни сутки обусловлен тем, что этот интервал в отличие, например, от витка или нескольких витков, является минимальным, на котором обеспечивается повторение в каждые последующие сутки характера изменения во времени баланса поступающей от СА и сбрасываемой на ППИ целевой информации.
Как показано ниже, для высокоинформативного многоаппаратурного комплекса с несколькими типами одновременно работающей СА потоки первичной информации даже с учетом умеренного сжатия намного превышают возможности БИС по скорости сброса целевой информации. Поэтому из числа возможных режимов работы БИС рассматривались два основных режима: записи ЦИ с одновременным воспроизведением и передачей на ППИ (ЗАП + ВОСПР) и записи ЦИ в процессе съемки с последующим воспроизведением ЦИ в зоне радиовидимости ППИ (ЗАП, ВОСПР). В первом случае в ходе сеанса съемки осуществляется накопление ЦИ в ЗУ и одновременно осуществляется сброс ЦИ на ППИ, если в это время КА находится в зоне радиовидимости ППИ. Во втором случае в ходе сеанса съемки производится только накопление ЦИ в ЗУ, а ее сброс осуществляется до (ранее накопленной) или после съемки в зоне радиовидимости ППИ. С точки зрения технической реализации в режиме ЗАП, ВОСПР весь объем ЗУ, содержащий обычно до нескольких сотен адресных файлов, в процессе съемки по ко-
манде "ЗАП" от блока процессора БИС последовательно заполняется видеоданными от СА, а затем по завершении съемки по команде "ВОСПР" производится передача данных из ЗУ в радиолинию сброса ЦИ. В режиме одновременной записи и воспроизведения ЗАП + ВОСПР параллельно идут два процесса: записи ЦИ в свободный файл и выдача ЦИ из ранее записанного файла в радиолинию. Скорость записи, как правило, выше скорости считывания. Поэтому процесс воспроизведения ЦИ идет с некоторой задержкой по отношению к записи. Исходя из особенностей съемки территории России, связанных с несовпадением границ зон съемки и зон радиовидимости ППИ, режим ЗАП + ВОСПР дополнялся простыми режимами ЗАП при съемке вне ЗРВ ППИ и ВОСПР при отсутствии съемки, но при полете КА в ЗРВ ППИ.
Процесс нахождения рациональных значений характеристик и режимов работы БИС осуществлялся в два этапа. На первом этапе путем имитационно-статистического моделирования процессов наблюдения территории России последовательно для каждой реализации определялись значения:
— суммарного за сутки времени съемки территории России одним КА ДЗЗ;
— суммарного за сутки объема первичной информации от СА;
— суммарного за сутки времени нахождения КА во всей зоне радиовидимости ППИ (для реализации режима ЗАП + ВОСПР);
— суммарного за сутки времени нахождения КА в части зоны радиовидимости ППИ, свободной от съемки (для реализации режима ЗАП, ВОСПР);
— скорости сброса информации, обеспечивающей для выбранного режима работы БИС близкий к нулю баланс полученной от СА и переданной на ППИ информации.
Скорость сброса информации определялась путем деления суммарного за сутки объема информации, поступающего от СА, на суммарное за сутки время нахождения КА в зоне радиовидимости ППИ.
Далее по всем реализациям находились закон распределения скорости ЦИ и ее статистические оценки. Определялось максимальное значение скорости как среднее плюс предельная погрешность.
На втором этапе для обоих режимов работы БИС и полученных для них скоростей сброса информации, удовлетворяющих нулевому информационному балансу, осуществлялось имитационно-статистическое моделирование процессов съемки и передачи ЦИ с определением требуемой емкости ЗУ БИС. Для обеспечения устойчивости процесса поддержания нулевого баланса в усло-
Исходные данные по параметрам модели
Наименование параметра Значение
Параметры орбиты КА (ССО): — высота, км — наклонение, град 700 98.16
Полоса захвата аппаратуры, км: -МСА - ГСА — ИК-радиометр 120 40 300
Разрешение аппаратуры (по пикселу), м: — МСА (1 ПХ, 6 МС) — ГСА (130 каналов) — ИК-радиометр (3 канала) 5(ПХ), 10 (МС) 25 35
Первичный суммарный поток данных от МСА, ГСА, ИК-аппаратуры на входе БИС, Мбит/с: — без сжатия информации — со сжатием информации в МСА с коэффициентом 2.5 2240 1385
Условия съемки Летний период, предельный угол Солнца 10°, съемка производится на нисходящей части витка
Предельный угол ЗРВ ППИ, град 5 (ППИ расположены в гг. Москва, Красноярск, Хабаровск)
Число реализаций (прогонов) модели 300
Примечание. ПХ — панхроматический канал, МС — мультиспектральный канал.
виях воздействия случайных факторов для скорости передачи ЦИ принималось ее максимальное значение. Интервал моделирования выбирался в несколько суток и находился объем накапливаемой информации в ЗУ, максимальный из суточных объемов.
При расчетах скорости передачи ЦИ и емкости ЗУ рассматривались варианты со сжатием и без сжатия первичной информации. Как и в работе (Михайлов и др., 2011), при моделировании учитывались орбитальные параметры КА, углы Солнца при наблюдении, координаты и зоны радиовидимости (ЗРВ) ППИ и другие параметры. При моделировании собственно процесса съемки было принято, что наблюдение осуществляется в режиме трассовой съемки (в надир). При этом съемка территории России производится на каждом витке, разрешенном по условиям освещенности. При расчетах не учитывался фактор облачности.
В качестве случайных параметров были приняты положение КА на орбите и долгота орбиты (экваториальный угол между гринвичским меридианом и трассой КА) на начало моделирования.
В качестве прототипов СА были приняты проработки "КЗ им. С.А. Зверева" по перспективной широкозахватной панхроматической и многозо-
нальной съемочной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.