Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема

земных объектов низкоорбитальной космической системой наблюдения
дтн, снс Клюшников В.Ю.
(ЦНИИ

машиностроения)

Кафедра 604 «Системный анализ и управление»

в дистанционном зондировании диапазоны электромагнитных волн (в)
1
Для космических систем

наблюдения практический интерес представляет область длин волн

300 нм    30 м

В этой области солнечная радиация распределена очень неравномерно: почти 99 % всей излучаемой Солнцем энергии сосредоточено в диапазоне 150-4 000 нм, т. е. в ультрафиолетовой, видимой и ближней ИК-областях. Максимум энергетического спектра солнечной энергии находится вблизи длины волны 500 нм, в то время как в радиодиапазоне энергия солнечного излучения составляет около 10-12 от энергии в видимом диапазоне.

излучения:
- поле отраженной солнечной радиации;
- поле собственного теплового излучения;
- поле

отраженного радиоизлучения;
- поле отраженного когерентного оптического (лазерного) излучения.

Основные «окна прозрачности» расположены в видимом и ближнем ИК-диапазонах (0,4-1,3; 1,5-1,8; 2,0-2,6 мкм), в нескольких сравнительно узких участках теплового ИК-диапазона вблизи 3 и 5 мкм и в интервале от 8 до 14 мкм, а также в радиодиапазоне от миллиметровых до дециметровых волн. Для радиоволн субмиллиметрового диапазона атмосфера непрозрачна. Радиоволны с длиной волны 1-10 мм заметно поглощаются атмосферой. Радиоволны длиной свыше 20-30 м экранируются ионосферой.

2

пользователям информации об объектах, явлениях и процессах на земной поверхности,

в атмосфере и околоземном пространстве.

Космический сегмент:
- носители съемочной аппаратуры - космические аппараты (КА), запущенные на специальные орбиты;
- бортовая съемочная аппаратура - «сенсоры», регистрирующие в том или ином виде отраженное или собственное электромагнитное излучение изучаемых объектов;
- бортовые средства передачи данных на Землю по радиоканалу;
- спутники-ретрансляторы.

Наземный сегмент:
- средства выведения КА на орбиту (ракетно-космический комплекс);
- средства управления полетом КА (центры управления полетом, наземные станции командно-измерительной системы, системы связи и передачи телеметрической информации);
- комплекс приема спутниковой информации, включающий распределенную сеть региональных, локальных и мобильных приемных станций;
- комплекс обработки данных ДЗЗ и предоставления потребителям различных информационных продуктов на их основе.

систем ДЗЗ является Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ)

Российского космического агентства. Он осуществляет планирование съемки, прием, регистрацию, обработку, архивацию, каталогизацию и распространение космической информации с отечественных, а также ряда зарубежных космических аппаратов ДЗЗ (по соглашениям с зарубежными космическими агентствами). Для решения этих задач НЦ ОМЗ оснащен современными антенными системами, программно-аппаратными комплексами приема и компьютерной обработки данных.

Получение данных ДЗЗ и создание информационных продуктов на их основе в НЦ ОМЗ осуществляется следующим образом.
1. На первом этапе на основе заявок потребителей сотрудники центра составляют долгосрочный план съемок на срок до 30 суток.
2. Затем с учетом условий освещенности заказанных участков, прогноза состояния облачного покрова и возможных углов визирования выбирается оптимальный вариант съемки на последующие сутки, который в виде программы работы через Центр управления полетами (ЦУП) передается на борт спутника.
3. После выполнения съемки данные ДЗЗ по радиолиниям в установленных международными стандартами для передачи диапазонах 8,0-8,4; 7,5-7,6 и 1,67-1,71 ГГц (потоки до 300 Мбит/с) принимаются антенными системами Центра приема и обработки данных ДЗЗ НЦ ОМЗ.

НЦ ОМЗ обеспечивает эксплуатацию «Геопортала Роскосмоса» (www.gptl.ru) - открытого геоинформационного ресурса, сочетающего в себе средство просмотра космических снимков земной поверхности и средство поиска данных ДЗЗ с российских и зарубежных спутников по наиболее полному в России каталогу. С его помощью пользователь может не только оформить заявку на найденные им по каталогу архивные данные, но и заказать новую съемку задав интересующие параметры.

КСН
7
Целевое функционирование низкоорбитальной КСН состоит в съемке земных объектов, записи

поступающей при этом информации и ее накоплении в БЗУ, последующей передаче информации на наземные станции (воспроизведении формации).

Целевое функционирование низкоорбитальной КСН рассматривается при следующих допущениях:
- для получения изображения земного объекта из космоса достаточно одного снимка, совершенного при ориентации линии визирования бортовой съемочной аппаратуры КА в геометрический центр объекта (географическую точку с известными долготой и широтой);
- объекты являются локальными;
- запись информации в БЗУ и ее передача происходят с определенными скоростями;
- наземная станция способна принимать информацию с борта всех КА, находящихся в зоне ее радиовидимости;
- орбитальная структура космической системы за интервал планирования не изменяется.

сеансов связи
8
Возможность съемки земных объектов определяется предельным углом отклонения линии

визирования бортовой съемочной аппаратуры КА от направления в надир. Возможность сеансов связи КА с ППИ определяется только минимальным углом места последних.

связи
10
В плоскости географических координат показаны относительное положение трассы КА, земных

объектов, зон обслуживания бортовой съемочной аппаратуры КА, земных станций и их зон радиовидимости. Трассе КА поставлена в соответствие временная ось.


Возможность съемки земных объектов определяется предельным углом отклонения линии визирования бортовой съемочной аппаратуры КА от направления в надир. Возможность сеансов связи КА с наземными станциями определяется только минимальным углом места последних.

множества моментов времени возможной съемки земных объектов (а) и соответствующих

углах их визирования (б), при известных возможных сеансах связи КА (в) на интервале планирования, заданных параметрах и ограничениях моделей, выбрать для каждого объекта только один момент съемки таким образом, чтобы значение показателя эффективности было максимальным.
Пример: за интервал планирования [t0, T]=48 часов могут снять 3 земных объекта и передать накопленную в БЗУ информацию на 1 наземную станцию, всего может быть проведено два сеанса, по одному каждым КА.
Вариант решения задачи:
возможность хранения в БЗУ первого КА информации одного снимка, в БЗУ второго КА - двух снимков; моменты съемок в плане обозначены черными значками, каждому земному объекту соответствует только один черный значок, в промежутках времени до сеансов связи каждого КА план содержит допустимое количество съемок. Ограничения переориентации не нарушаются.

15

скорости приема информации каждого ППИ удовлетворяют скорости передачи информации с

любого КА группировки и равны 300 Мбит/с;
б) для оценки периодичности наблюдений на экваторе применена аппроксимация всей земной поверхности с шагом 5°.

17

Для исследования выбраны российские орбитальные группировки КСН проектов «Ресурс-П», «Канопус» и «Метеор»:

ППИ и объекты наблюдения
Обозначения:
М — максималь­ное (принятое для

моделирования) количество плоскостей в орби­тальной группировке;
Nn — максимальное (принятое для модели­рования) количество КА в одной орбитальной плоскости.

18

Для расчета каждого из показателей проводилось моделирование функционирования исследуемых КСН

на интервале времени, равном времени кратности орбиты, т.е. времени, через которое трассы КА повторяются.
Выводы:
- параметр оперативности передачи информации на ППИ для КСН проекта «Метеор» принимает наименьшие значения, т.е. для данной системы среднее время между съемкой и приемом информации на ППИ при заданных условиях моделирования будет наименьшим.
- зависимость среднесуточного объема переданной информации на ППИ для всех рассматриваемых КСН линейно зависит от количества КА, если учитывать тот факт, что прием информации может осуществляться с любого КА;
- совокупная ценность полученной съемочной информации является наилучшей для КСН проекта «Ресурс», потому что на ней установлена аппаратура с наилучшей разрешающей способностью.
Примечания:
Совокупная ценность полученной съемочной информации зависит еще и от того факта, под какими углами визирования КА орбитальной группировки КСН проходят над объектами (территориями) съемки, потому что, чем больше угол визирования, тем хуже разрешающая способность снимка, что, в свою очередь, не позволяет рассматривать его как потенциально возможный в съемочном плане.
Высота орбиты влияет как на время пребывания КА в зоне видимости ППИ, так и на время между соседними пролетами КА над ППИ.
Периодичность наблюдения экватора напрямую зависит как от параметров орбиты КА, так и от параметров бортовой целевой аппаратуры КА.

19

результаты можно интерпретировать следующим образом. При многокритериальной оптимизации используется интегральный

показатель, который является сверткой частных показателей. Однако, рассматриваемые частные показатели увеличиваются в зависимости от количества КА в орбитальной группировке. Для принятия решения о конкретном количестве КА в группировке КСН необходимо использовать дополнительные ограничения, которые предъявляются к максимально возможному количеству КА в группировке или к достижению частными показате­лями значений не хуже наперед заданных.

20