ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 3, с. 112-117
СЛОЖНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 629.735.015:681.3
РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ, ИСПЫТАНИЙ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО
МАСШТАБА ВРЕМЕНИ
© 2007 г. Д. Ц. Литовченко, В. П. Мисник, А. И. Савин
Москва, ФГУП ЦНИИ "Комета" Поступила в редакцию 20.06.06 г.
Рассмотрен подход к созданию глобальных космических информационно-управляющих систем реального времени, относящихся к классу сложных систем, который базируется на методах системного анализа, информационных технологий и моделирования. Показано, что цели и задачи любой такой системы и требования к ней определяют неизбежность опережающей разработки математических моделей системы и внешней среды, реализуемых на имитационно-моделирующем стенде, а также возможность проведения с их помощью имитационных испытаний для уточнения характеристик системы на всех этапах ее жизненного цикла. Приводятся конкретные примеры применения такого подхода.
Введение. Для решения задач глобального мониторинга объектов различной физической природы и назначения (естественных и искусственных образований, техногенных аномалий и др.) особую значимость приобретают глобальные космические информационно-управляющие системы реального времени (КИУС РВ) наблюдения за быстроизменяющейся обстановкой в атмосфере, околоземном космическом пространстве, на суше и в Мировом океане. Эти системы относятся к классу сложных систем, так как имеют большое число взаимодействующих элементов, таких, как орбитальные группировки космических аппаратов (КА), функционирующих на геостационарных, высокоэллиптических, круговых средних и низких орбитах, высокоскоростные защищенные радиолинии передачи информации, наземные и бортовые комплексы управления орбитальными группировками КА и обработки целевой информации и др. Следовательно, их воплощение должно основываться на методах системного анализа, информационных технологий и моделирования.
Академик Моисеев H.H. предложил перед проектированием сложной системы создавать взаимоувязанную совокупность моделей ее составных частей, а также разработал основы математического аппарата для анализа процессов, протекающих в ней, оценки последствий принимаемых технических решений и выбора вариантов построения системы [1]. Академиком Самарским А.А. была сформулирована и внедрена на практике методология математического моделирования для анализа сложных физических процессов [2]. Это послужило толчком к широкому
использованию методов системного анализа в интеллектуальных технических системах. Дальнейшее развитие методы системного анализа и математического моделирования в приложении к сложным динамическим системам с переменной структурой получили в работах акад. Емельянова С.В. [3], а в отношении космических информационно-управляющих систем реального времени - в трудах акад. Савина А.И. [4].
1. Постановка задачи. Благодаря произошедшим в середине 90-х гг. прошлого века научным и техническим прорывам в области компьютерных технологий появилась возможность реализовать подход, когда уже на этапе проектирования КИУС РВ создаются не только модели отдельных ее элементов, но и математическая модель системы в целом, а также проводятся на ней имитационные испытания с привлечением модели внешней среды для проверки достижимости в полном объеме характеристик системы. Современные требования интеграции в одной системе нескольких целевых функций, унификации средств и минимизации затрачиваемых ресурсов сделали практически невозможной реализацию подобной системы в заданные сроки без опережающей разработки ее математической модели и модели внешней среды.
Математическая модель КИУС РВ включает совокупность моделей входящих в нее технических средств и логическую модель. Модели технических средств системы это математические описания процессов их функционирования, т.е. последовательных преобразований входных сигналов в выходные. Логическая модель системы это комбинация логических элементов, далее на-
Рис. 1. Модель внешней среды и математическая модель на этапах создания и сопровождения системы.
зываемых трактами, осуществляющих алгоритмические преобразования входной информации от момента ее поступления в бортовую аппаратуру наблюдения и ретрансляции до получения результатов потребителями системы. Именно тракты обеспечивают решение функциональных задач системы и реализуются в ней набором аппаратурных и программных средств. Логическая модель включает следующие основные тракты:
1) обнаружения объектов;
2) измерения параметров траекторий объектов;
3) доведения информации через бортовой ретранслятор и по наземным линиям передачи данных до потребителей;
4) управления движением КА в составе орбитальной группировки;
5) управления ориентацией КА;
6) измерения баллистических параметров КА;
7) управления орбитальной группировкой КА.
Под моделью внешней среды понимается формализованное представление физических процессов, создающих сигналы, регистрируемые и обрабатываемые бортовой аппаратурой системы. Наиболее важной компонентой данной модели является модель фоново-объектовой обстановки, описывающая сигналы объектов, обнаруживаемых на фоне естественных и искусственных помех [5]. Важно отметить, что при таком подходе математические модели КИУС РВ и внешней среды используются на протяжении всего жизненного цикла системы, как это показано на рис. 1.
При формировании тактико-технического задания (ТТЗ) внешняя среда, современный технологический уровень, а также цели, задачи и требования к системе, задаваемые заказчиком, определяют ее укрупненную структуру, на основании которой создается предварительная логическая модель системы. В результате на этом этапе в ходе моделирования и уточнения требований и структуры системы формируется ТТЗ на систему.
Проект на основе логической модели и предварительной модели внешней среды уточняет структуру системы, и определяет частные технические задания (ТЗ) на ее средства.
При разработке математической модели системы вместе с моделью внешней среды обеспечивается проверка их технических решений и разрешаются конфликты, которые могут возникнуть при создании средств в условиях технологических и ресурсных ограничений.
На этапе испытаний математическая модель сокращает время, затрачиваемое на проведение полного цикла испытаний, так как оценка системы достижима только для отдельных условий ее функционирования. Это становиться возможным, поскольку математические модели КИУС РВ и внешней среды являются основой выполнения имитационных испытаний, подтверждающих результаты натурных экспериментов и позволяющих распространить их на большинство реальных условий эксплуатации системы.
Во время сопровождения математические модели КИУС РВ и внешней среды помогают прогнозировать деградацию технических средств системы и используются для поиска выхода из нештатных ситуаций.
Таким образом, разработчики КИУС РВ получают возможность с уровня формирования требований к системе последовательно переходить от ее математической модели к созданию технических средств, функциональных алгоритмов и системы в целом с требуемыми характеристиками, реализуемость которых с учетом имеющегося технологического уровня была доказана в ходе моделирования.
2. Логическая модель системы. Остановимся более подробно на логической модели, которая является определяющей для оценки характеристик системы, включающих вероятностно-временные, пространственно-временны е и точностные показатели.
К вероятностно-временным характеристикам (ВВХ) относятся вероятности:
правильной выдачи типового сообщения о наблюдаемых объектах;
истинной и ложной классификации типов объектов;
сопровождения объектов до момента времени, определяемого целевой функцией;
доведения информации до потребителей с командных пунктов через бортовой ретранслятор;
возникновения ложных сообщений при доведении информации до потребителей и их частота.
Пространственно-временны е характеристики (ПВХ) включают:
время наблюдения системой районов, ограниченных географическими координатами;
кратность наблюдения районов (количество КА, следящих за заданными районами);
время "засветки" бортовым ретранслятором зон нахождения потребителей, ограниченных географическими координатами;
кратность "засветки" зон нахождения потребителей (количество КА, нацеленных на заданные районы).
Точностные характеристики (ТХ) объединяют показатели точности:
определения времени и координат точек появления и исчезновения объектов;
оценки параметров траекторий движения объектов;
времени доведения информации до потребителей.
Тракты 1)-3) (разд. 1) обнаружения объектов, измерения их траекторий и доведения информации до потребителей непосредственно решают функциональные задачи системы, описанные в терминах ВВХ, ПВХ и ТХ. Тракты управления 4)-7) замыкают контур управления системой путем выработки необходимых программ для исполнительных органов системы с тем, чтобы отклонения ВВХ, ПВХ и ТХ не превышали заданных пределов. Рассмотрим кратко каждый из трактов, входящих в состав логической модели системы.
Тракт обнаружения объектов является одним из важнейших логических элементов и включает в себя весь перечень алгоритмических процедур, связанных с обработкой информации от различных комплексов наблюдения и выдачей сообщений потребителям: пространственно-временной согласованной фильтрации, порговых сравнений, селекции в интересах обнаружения полезных сигналов на фоне естественных и искусственных помех. На вход тракта обнаружения подаются имитационные изображения, для генерации которых используется модель фоново-объектовой обстановки (рис. 2).
Фоново-объектовая обстановка - совокупность природных физических явлений (фонов), происходящих в окружающей среде, и объектов, взаимодействующих с фоном. Для имитации сигналов излучения фона и объектов используются модели расчетов их информативных параметров, а также базы экспериментальных данных, полученных на протяжении многих десятилетий с помощью космических, авиационн
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.