Інститут геологічних наук

Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі

Козлов Захар Володимирович

УДК 528.8.04:519.863

ОБгРУНТУВАННЯ МЕТОДИКИ ФОРМУВАННЯ І ОЦІНКИ ЕФЕКТИВНОСТІ БАГАТОСУПУТНИКОВИХ УГРУПОВАНЬ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Науковому центрі аерокосмічних досліджень Землі

Інституту геологічних наук Національної академії наук України

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук, член-кореспондент НАН України, професор

Федоровський Олександр Дмитрович,

головний науковий співробітник Наукового

центру аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАНУ

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Козелков Сергій Вікторович,

професор кафедри бойового забезпечення авіації та застосування космічних систем

Національної академії оборони України

доктор технічних наук

Чіковані Валерій Валер’янович,

заступник директора з наукової роботи

Українського технологічного центру оптичного приладобудування Мінпромполітики України

Провідна установа: | Національний авіаційний університет, м. Київ

Захист відбудеться “20” грудня 2005 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.162.03 при Науковому центрі аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геологічних наук НАНУ (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)

Автореферат розісланий "___" __________ 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.162.03

кандидат біологічних наук

старший науковий співробітник | О.І. Левчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з пріоритетних напрямків Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 2003-2007 роки є дистанційне зондування Землі з космосу. Україна, як космічна держава, створила і підтримує національну інфраструктуру забезпечення широкого застосування космічної інформації (КІ). Провідні країни світу інтенсивно створюють різни космічні системи дистанційного зондування Землі (КС ДЗЗ). В останні роки знову з'явився інтерес до використання малих космічних апаратів (КА) у складі багатосупутникових орбітальних угруповань КС ДЗЗ. Це обумовлено, насамперед, прогресом в області нових технологій, що забезпечило створення мініатюрної і високоякісної елементної бази. Останнє стало основою для побудови малогабаритних реєструючих приладів з параметрами високої якості і відповідних КА. Основні переваги багатосупутникових орбітальних угруповань малих КА ДЗЗ полягають в зменшенні витрат на їхнє виготовлення і запуск, скороченні термінів проектування і підвищення надійності за рахунок використання резервних малих космічних апаратів. Експлуатація багатосупутникових орбітальних угруповань малих КА ДЗЗ підтверджує ефективність їх використання для отримання інформації, необхідної при вирішенні різних науково-господарських задач. Відомо, що на українському ринку замовниками і користувачами космічної інформації є установи та організації Міністерств надзвичайних ситуації, екології, освіти і науки, оборони, агрополітики та ін.

Відповідно до цього тема дисертаційної роботи “Обґрунтування методики формування і оцінки ефективності багатосупутникових орбітальних угруповань дистанційного зондування Землі” є актуальною.

Існує великий обсяг літератури з методології ДЗЗ з КА. Перш за все, це роботи вітчизняних вчених Кунцевича В.М. , Лялька В.І. , Козелкова С.В. , Федорова О.П., Желєзняка О.О., Попова М.О. та ін. Системному аналізу КС ДЗЗ присвячені праці Кухтенка О.І., Згуровського М.З., Михалевича В.С., Федоровського О.Д., Якимчука В.Г. та ін. Створення КС ДЗЗ в Україні в останні роки очолюють Конюхов С.Н. і Драновський В.І.

Відомі публікації на ці теми закордонних авторів: Кондрат’єва К.Я., Авдуєвського В.С., Успенського Г.Р., Лебедєва А.А., Нестеренка О.П., Саульского В.К., Можаєва Г.К., Larson W. J., Wertz J. R. та ін. Теоретичні засади і практична реалізація генетичних алгоритмів, як засобу багатопараметричної оптимізації складних систем приведені в працях Holland J., Goldberg D.

Дослідження останніх років Савчука А.В., Фріза С.П., Ставицького С.Д. та ін. присвячені оперативному плануванню функціонування багатосупутникового орбітального угруповання ДЗЗ, оптимізації засобів збору і передачі інформації, удосконаленню систем наземного керування.

Застосування малих КА в складі багатосупутникових орбітальних угруповань, з одного боку, забезпечує глобальність, безперервність спостереження і оперативність отримання космічної інформації, а з другого - ускладнює систему управління, формування параметрів КС ДЗЗ, розподілу реєструючих систем по КА та планування їх функціонування. У зв’язку з цим пошук шляхів удосконалення КС ДЗЗ продовжується і в наш час.

Існуючі методики побудови орбітального угруповання КС ДЗЗ, такі як кінематично правильні системи з різними групами симетрії або Уолкеровські та полярні системи, обмежують можливості формування орбітальних структур з меншою періодичністю огляду території, звужуючи область пошуку можливих варіантів рішень. Ці обмеження ускладнюють моделювання, аналіз і пошук оптимальних структур багатосупутникових КС ДЗЗ, орієнтованих на більш ефективне задоволення потреб споживачів космічної інформації ДЗЗ з мінімальними витратами. Відомий програмний комплекс Satellite Tool Kit (STK), який використовується для дослідження КС ДЗЗ, не дозволяє передбачити результати нелінійних взаємодій між підсистемами КС ДЗЗ, врахувати ефекти запізнювання у виконанні окремих операцій, а також одночасно аналізувати велику кількість параметрів. Комплекс STK не визначає ступінь відповідності параметрів КС ДЗЗ характеристикам, що забезпечують виконання програми ДЗЗ у повному обсязі, у тому числі, характеристикам, які є інформативними ознаками для вирішення тематичних задач програми ДЗЗ. Наслідком цього є відсутність можливості одержання чисельної оцінки впливу кожної підсистеми КС на ефективність функціонування КС ДЗЗ у цілому і на кінцевий результат ДЗЗ – кількість, оперативність і якість одержуваної інформації.

Беручи до уваги перспективу застосування багатосупутникових орбітальних угруповань КС ДЗЗ з метою підвищення їх інформативної ефективності, науковою задачею дослідження є розробка методик визначення параметрів реєструючих систем ДЗЗ, оптимізації взаємного розташування орбіт і КА та оцінки інформативної ефективності багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ. Таким чином, відмінність представленої роботи полягає в комплексному (системному) підході при вирішенні поставленої задачі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких відображені у дисертаційній роботі, виконувались у відповідності до науково-дослідних робіт, що проводились у відділі системного аналізу Наукового центру аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України: “Розробка наукових основ моделювання процесу одержання інформації космічними системами дистанційного зондування Землі, визначення їх оптимальної структури, параметрів та ефективності використання” (№ держреєстрації 0103U000434), “Науково-методичний супровід з дистанційного зондування Землі” (№ держреєстрації 0100U004112), “Дослідження фундаментальних процесів енергомасообміну в системі “грунт-вода-рослина” з метою обґрунтування формування на земній поверхні інформативних спектральних сигналів для пошуків корисних копалин та контролю екологічного стану за допомогою аерокосмічних зйомок” (№ держреєстрації 0102U000926), “Визначення глобальних та регіональних змін довкілля на основі дистанційних методів” (№ держреєстрації 0103U006444).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення інформативності багатосупутникового орбітального угруповання ДЗЗ.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- аналіз тематичних задач ДЗЗ, існуючих та перспективних багатосупутникових КС ДЗЗ;

- розробка структурної схеми багатосупутникового угруповання ДЗЗ, що відображає загальну структуру і основні зв’язки між компонентами в КС ДЗЗ;

- формулювання основних критеріїв оцінки інформативної ефективності КС ДЗЗ при вирішенні тематичних задач ДЗЗ;

- розробка на основі генетичного алгоритму методики параметричного синтезу та формування складу апаратурного комплексу багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ;

- обґрунтування методики формування і оптимізації побудови орбітальної структури багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ з використанням генетичного алгоритму;

- удосконалення методики оцінки ефективності апаратурного комплексу ДЗЗ та багатосупутникових КС ДЗЗ в цілому на основі критеріїв належності, відповідності, близькості параметрів КС ДЗЗ характеристикам тематичних задач ДЗЗ з урахуванням рівня покриття, періодичності, оперативності та витрат;

- побудова моделі та виконання моделювання процесу засвоєння космічної інформації ДЗЗ в еколого-господарському моніторингу (ЕГМ).

Об’єкт дослідження: багатосупутникові орбітальні угруповання космічних систем дистанційного зондування Землі.

Предмет дослідження: параметри та склад апаратурного комплексу ДЗЗ, орбітальна побудова багатосупутникових угруповань та моделі КС ДЗЗ.

Методи дослідження:

- метод багатопараметричної оптимізації з використанням апарату нечітких множин для оцінки ефективності функціонування багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ;

- метод на основі генетичного алгоритму для параметричного синтезу і оптимізації багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ;

- метод системної динаміки – адаптивного балансу впливів для розробки моделей та моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті виконання дисертаційної роботи отримані нові результати, що виносяться на захист:

1. Вперше на основі генетичного методу обґрунтовані і розроблені:

- методика параметричного синтезу та формування складу реєструючого апаратурного комплексу ДЗЗ для комплексування багатосупутникового орбітального угруповання КС ДЗЗ;

- методика оптимізації орбітальної побудови (взаємного розташування орбіт та КА) багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ.

2. Удосконалено методику оцінки ефективності апаратурного комплексу ДЗЗ та багатосупутникових КС ДЗЗ в цілому на основі критеріїв належності, відповідності, близькості параметрів КС ДЗЗ характеристикам тематичних задач ДЗЗ з урахуванням рівня покриття, періодичності, оперативності та витрат;

3. Розроблено на основі адаптивного балансу впливів концептуальну модель і виконано моделювання динаміки процесу засвоєння космічної інформації ДЗЗ в еколого-господарському моніторингу, в тому числі, оцінки впливу на продуктивність праці, обсяг виробництва та вартість.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів підтверджується використанням відомих методів досліджень, перевіркою розроблених методик імітаційним моделюванням, яке показало, що результати досліджень адекватно відображають орбітальний рух космічних апаратів, картину покриття земної поверхні, взаємозв’язок між основними елементами багатосупутникової космічної системи і дозволяють знаходити кількісні значення показників якості і ефективності орбітального угруповання з декількома космічними апаратами, оптимізувати його побудову і режими функціонування.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- на основі створених методик параметричного синтезу та оптимізації орбітальної побудови сформовані параметри перспективного вимірювального комплексу і оптимізовані орбіти багатосупутникового угруповання КС ДЗЗ, інформативна ефективність якого перевищує відомі КС ДЗЗ;

- методика оцінки ефективності багатосупутникового орбітального угруповання з декількома малими космічними апаратами реалізована в темі “Науково-методичний супровід з дистанційного зондування Землі” (шифр “Зондування”) для дослідження КС ДЗЗ;

- методика моделювання і оцінки ефективності багатосупутникового угруповання КС ДЗЗ реалізована в комп’ютерній програмі, за допомогою якої виконане формування складу параметрів апаратури і отримані рекомендації для оптимізації орбітальної побудови КС ДЗЗ;

- модель процесу засвоєння космічної інформації ДЗЗ в еколого-господарському моніторингу земної поверхні дозволяє знаходити сценарії моніторингу, при якому ефективність виконання еколого-господарських задач пов'язана з раціональним використанням космічної інформації ДЗЗ, яка також впливає на продуктивність праці, обсяг виробництва, вартість продукції.

Особистий внесок здобувача. Розроблені математичні моделі чисельної оцінки показників ефективності розв’язання тематичних задач ДЗЗ і особисто виконана оцінка ефективності функціонування КС ДЗЗ [1]. Визначені вимоги до параметрів космічного апаратурного комплексу (АК), які забезпечують виконання тематичних задач програми ДЗЗ з найбільшою ймовірністю [2]. Автором була розроблена концептуальна модель КС ДЗЗ та схема причинно-наслідкових зв’язків в КС ДЗЗ [3]. Обгрунтована методика визначення ступеня відповідності параметрів КС ДЗЗ вимогам, які формулюються із необхідності вирішення тематичних задач ДЗЗ за функціями відповідності і належності [4]. Особисто автором виконано розробку методики параметричного синтезу багатосупутникового орбітального угрупування КС ДЗЗ на основі генетичного методу [5]. Також автором виконано моделювання динаміки процесу засвоєння космічної інформації ДЗЗ в еколого-господарському моніторингу земної поверхні [6]. Сформульовано критерії порівняння альтернативних варіантів КС ДЗЗ [7].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень апробовані на наукових конференціях і семінарах: Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях” (Рибаче, 2002); Школа-семінар для молодих науковців “Наукові космічні дослідження” (с. Жукін, Київська область, 2003); IX Міжнародна конференція “Системный анализ и управление” (Євпаторія, 2004); Четверта Українська конференція по космічним дослідженням (Понізовка, 2004).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 11 друкованих роботах, що включають 7 статей у фахових виданнях та 4 публікації в збірниках і працях конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатку. Робота містить 189 сторінок, в тому числі 30 рисунків та 50 таблиць. Список використаних джерел літератури нараховує 117 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз багатосупутникових угруповань ДЗЗ” обґрунтовується використання багатосупутникових угруповань ДЗЗ як оперативного і надійного джерела інформації для вирішення задач природно-ресурсного і екологічного моніторингу, які відрізняються порівняно високими вимогами як з періодичності, так і роздільної здатності, а також для задач спостереження за потенційно небезпечними техногенними і природними процесами і явищами, яким відповідають вимоги з високої та середньої просторової розрізненності і високої оперативності і частоти спостережень за обмеженим числом об'єктів з невеликими площами.

Розглядаються малі космічні апарати, які перспективні для побудови багатосупутникових космічних систем. Проводиться класифікація таких апаратів за ваговою характеристикою та функціональним призначенням.

Приведено аналіз базових понять орбітального руху штучних супутників Землі, класифікацію їх орбіт і сформульовано вимоги до орбіт супутників дослідження природних ресурсів Землі.

У розділі зроблено огляд можливостей і переваг малих КА при створенні багатосупутникових орбітальних угруповань. Наведено приклади перспективних розробок і застосування в ряді країн космічних систем на основі орбітальних угруповань малих космічних апаратів. Зокрема більш детально розглянуті такі

Рис. 1. Структурна схема багатосупутникового орбітального угруповання космічної системи ДЗЗ.

проекти космічних систем дистанційного зондування Землі, як COSMO-SkyMed, RapidEye, EROS, DMC, які активно впроваджуються різними державами.

У другому розділі “Визначення основних параметрів багатосупутникових угруповань ДЗЗ” розроблена і приведена структурна схема багатосупутникового угруповання ДЗЗ (рисунок 1), яка відображає основні зв’язки між компонентами і загальну структуру системи багатосупутникового орбітального угруповання. На верхньому рівні структурної схеми знаходиться орбітальний комплекс КС ДЗЗ, який характеризується чисельністю КА, орбітальними параметрами, а також такими показниками як періодичність огляду території та оперативність доставки інформації до наземних станцій; на другому рівні – КА як компонент у складі орбітального комплексу КС ДЗЗ, який укрупнено може бути представлений масо-габаритними характеристиками, орбітальними параметрами КА і тими бортовими системами, характеристики яких суттєво впливають на показники якості і ефективності КС ДЗЗ. До складу основних бортових систем входять: апаратурний комплекс спостереження, бортовий запам’ятовуючий пристрій, система корекції, система орієнтації, резервні та службові системи.

В схему включені наземний комплекс управління (НКУ); система отримання і обробки інформації (СООІ), а також зовнішні умови функціонування: метеоумови, освітленість, гравітаційні сили та час функціонування КС ДЗЗ.

Ця структурна схема КС ДЗЗ відрізняється повнотою факторів, що враховуються, містить у собі практично всі реальні властивості системи і зовнішнього середовища, що можуть вплинути на виконання цільової задачі в процесі функціонування багатосупутникової КС ДЗЗ.

Схема доповнена блоком, який дозволяє оцінювати інформаційно-технічну ефективність КС ДЗЗ за критеріями належності, відповідності і близькості параметрів космічної системи характеристикам, необхідним для виконання задач, підпрограм і програми ДЗЗ в цілому, тим самим підвищуючи коректність вирішення проблеми формування й оцінки ефективності КС ДЗЗ у порівнянні з відомими моделями.

Дослідження системи за допомогою розробленої схеми, незважаючи на велику розмірність, може бути спрощено, оскільки схема є модульною, що дозволяє при дослідженні кожного рівня враховувати нижні рівні тільки за їх вихідними параметрами. Крім того, з'являється можливість паралельного дослідження моделей різних рівнів.

Визначення ряду характеристик системи можливо тільки алгоритмічно або імітаційним моделюванням. Разом з високою розмірністю це свідчить про велику складність вирішення проблеми формування й оцінки ефективності багатосупутникової КС ДЗЗ. Подолати цю складність можливо тільки при використанні для дослідження складних систем декомпозиції, імітаційного підходу, а також ітераційних методів оптимізації, серед яких добре зарекомендував себе генетичний алгоритм.

В результаті аналізу тематичних задач ДЗЗ та їх інформативних ознак сформовано сім великих груп: сільське господарство, кліматологія, корисні копалини, землекористування, океанологія, лісове господарство і водні ресурси. Для кожної групи виконана декомпозиція, у результаті якої отримані часткові задачі, що відповідають тій чи іншій прикладній області. Далі, для більшості часткових тематичних задач наводяться короткий опис об'єктів, що спостерігаються, перелік характеристик, що повинні реєструватися космічними засобами ДЗЗ, а також найменування існуючих і перспективних приладів ДЗЗ, що використовуються для вирішення перелічених вище задач. У такий спосіб показаний зв'язок вимог до інформації дистанційного зондування, запропонованих різними користувачами, з інформаційними можливостями засобів ДЗЗ.

Далі в даному розділі формулюються параметри, які характеризують ефективність функціонування КС ДЗЗ: рівень покриття районів зондування, періодичність їх огляду - , оперативність - доставки космічної інформації ДЗЗ, інформативність, а також витрати на створення КА ДЗЗ - ,

Оскільки застосування аналітичних залежностей до визначення характеристик покриття земної поверхні багатосупутниковими угрупованнями обмежене складністю задачі, то було вирішено використати чисельне моделювання покриття. Крім того, чисельне моделювання покриття може бути комплексним і дозволяє враховувати часові, енергетичні умови, затінення і можливість огляду різних об'єктів. При цьому разом з побудовою трас КА виконувалося моделювання точкового покриття. Для узагальнення статистичних характеристик покриття й оцінки якості покриття запропоновано такі критерії оцінки якості покриття, як максимальна дірка в покритті і середня дірка, які мають фізичний сенс, просто отримуються у результаті моделювання і придатні при порівнянні різних угруповань.

Оперативність космічної системи спостереження розглядається як інтервал часу від початку спостереження заданого району (об'єкта) до моменту передачі інформації споживачу.

Тоді для можна записати:

,

де - інтервал часу від початку спостереження заданого району (об'єкта) апаратурою реєстрації , до моменту готовності інформації або передачі запису в бортовий запам’ятовуючий пристрій (БЗП) ; - інтервал часу від моменту до початку передачі інформації на пункт прийому інформації (ППІ) ; - час передачі інформації на ППІ за каналами зв'язку; - час обробки інформації, отриманої від усіх КА, що ведуть одночасне спостереження за районом.

Таким чином, представлений метод оцінки оперативності КС ДЗЗ дозволяє встановити зв'язок між оперативністю та основними параметрами КС ДЗЗ і зовнішніх систем. Алгоритм оцінки оперативності припускає статистичне моделювання КС ДЗЗ і може бути виконаний у виді окремого імітаційного блоку.

Оцінка інформативності апаратурного комплексу ДЗЗ та багатосупутникових КС ДЗЗ в цілому виконується на основі критеріїв належності, відповідності, близькості параметрів КС ДЗЗ (спектральних діапазонів, просторового розрізнення, смуги огляду) характеристикам тематичних задач ДЗЗ з урахуванням рівня покриття, періодичності та оперативності. Функція належності обчислюється за виразом:

,

де (аjlp,Alp), (Alр,Mp), (Mp,M) - вагові коефіцієнти важливості j-ої характеристики для вирішення l-ої задачі p-ої підпрограми, Alр задачі для виконання підпрограми Мр, і підпрограми Mp для виконання програми M відповідно.

У виразі для функції належності G(bjr, ajlp) - функція відповідності j-го параметра r-го варіанта складу значень параметрів КС ДЗЗ (bjr) до j-ої характеристики l-ої задачі p-ої підпрограми (ajlp):

,

де S(bjr, ajlp) – функція близькості для j-го параметра r-го апаратурного комплексу (bjr) до j-ї характеристики l-ої задачі p-ої підпрограми (ajlp), яка залежить від типу параметру.

Найбільшого значення функція належності досягає при збігу значень усіх параметрів КА ДЗЗ із характеристиками тематичних задач, а найменшого значення рівного нулю, коли немає збігу по жодному параметру. У цьому випадку відносна інформаційна ефективність КА ДЗЗ розраховується як відношення значення функції належності до числа параметрів усіх задач програми ДЗЗ.

Вартість орбітального комплексу КС ДЗЗ складається з вартості запусків , вартості розробки орбітального комплексу та вартості його виготовлення :

.

При використанні вже готових ракетоносіїв і наземних комплексів витрати на ракетоносії та їхній запуск можуть бути оцінені з використанням статистичних даних про вартість запусків. Розкривши складові для оцінки витрат і зробивши деякі припущення, одержимо формулу для повної вартості орбітального комплексу КС ДЗЗ у вигляді:

де - питома вартість запуску 1 кг маси КА, що залежить від параметрів орбіти виведення; - кількість супутників в орбітальному угрупованні; - маса КА в кг; , , , - емпіричні коефіцієнти; - коефіцієнт складності орбітального комплексу; - відносна маса апаратури; - маса апаратури спостереження. У згорнутому вигляді .

В прийнятій моделі вартість орбітального комплексу КС ДЗЗ залежить від маси КА і апаратури спостереження , а також від кількості КА та їхніх орбітальних параметрів Х, необхідних для функціонування системи протягом заданого терміну.

У третьому розділі “Формування орбітального багатосупутникового угруповання ДЗЗ на основі методу генетичного алгоритму” запропонована методика параметричного синтезу апаратурних комплексів КС ДЗЗ і оптимізації орбітальної побудови багатосупутникових угруповань КС ДЗЗ з кількома малими космічними апаратами.

Визначення параметрів АК ДЗЗ здійснюється на основі аналізу інформативних ознак процесів і об'єктів, що реєструються, а також характеристик підсистем (візування земної поверхні, реєстрації інформації ДЗЗ, передачі і прийому інформації, обробки інформації й ін.), що повинні забезпечити вирішення науково-господарських тематичних задач програми ДЗЗ у повному обсязі. Тому, значення параметрів АК ДЗЗ, що складається з кількох космічних апаратів, визначаються шляхом пошуку такого варіанту складу значень, що буде максимально відповідати вимогам для усієї множини тематичних задач програми. Іншими словами, завдання полягає у визначенні компромісного варіанту значень параметрів АК ДЗЗ, що дозволить забезпечити виконання усіх тематичних задач програми ДЗЗ із найбільшою ефективністю.

Варіанти значень параметрів АК ДЗЗ були представлені морфологічним блоком, у якому кількість рядків дорівнює числу параметрів, що забезпечують вирішення усіх тематичних задач програми, а елементами рядків є їхні значення, що змінюються в кожному рядку від мінімального до максимального значення. Отримані в такий спосіб значення елементів рядків можуть бути покладені в основу формування принципово можливих варіантів значень параметрів АК ДЗЗ. Шуканий варіант знаходиться з усієї множини варіантів шляхом оцінки ефективності виконання програми ДЗЗ кожним складом значень параметрів АК за максимальним значенням функції належності.

Рис. 2. Схема роботи генетичного алгоритму.

Для вирішення поставленої задачі був обраний генетичний алгоритм (ГА), який найбільш придатний для пошуку оптимального значення цільової функції вираженої нелінійними евристичними рівняннями, де інші методи оптимізації або непридатні для вирішення такого класу задач (цілочисельного лінійного програмування, динамічного програмування) або мають меншу швидкодію (метод перебору варіантів, методи випадкового пошуку). Схема роботи ГА представлена на рисунку 2. На відміну від інших методів випадкового пошуку, генетичний алгоритм разом з новою інформацією, яку отримує на кожному кроці, використовує попередній досвід, вирощує будівельні блоки рішень і змішує ці блоки з метою отримання оптимального розв’язку. В ГА ці функції реалізуються відповідними механізмами і операторами: механізм генерації початкової популяції; механізм оцінки якості хромосоми з використанням функції пристосованості; механізм селекції; оператори схрещування; оператори мутації; механізм зупинки ГА (зупинка еволюційного процесу). Інформація в ГА представлена у вигляді коду Грея, що забезпечує рівномірність пошукового простору. Відповідно генетичному алгоритму виконується пошук найкращого рішення з використанням операторів (схрещування, інверсії та мутації), який включає такі стадії роботи: генерація початкових рішень, оцінка функцій пристосованості рішень, відбір за турнірною схемою, формування нового набору рішень задачі, який базується на досягненнях попереднього, за допомогою операторів.

По розробленій на основі ГА методиці було проведено пошук оптимального варіанту АК для вирішення тематичних задач підпрограм сільське та лісне господарство, а також моніторингу кризових ситуацій.

До оптимального апаратурного комплексу увійшла апаратура з такими оптичними спектральними діапазонами: 0.479-0.695 мкм, 0.525-0.604 мкм, 0.615-0.683 мкм, 0.796-0.887 мкм, 10.595-12.396 мкм, а також радіоканал 5.28 ГГЦ. При цьому для цих діапазонів були отримані значення просторової розрізненності від 11 м до 48 м, ширини смуги огляду від 70 км до 170 км і періодичності – 0,97 доби.

Багатопараметричний генетичний алгоритм також було застосовано для оптимізації орбітальної побудови КС ДЗЗ з метою забезпечити мінімально можливий час повторного огляду. Для цього було обрано схему роботи двохкритеріального генетичного алгоритму вибору параметрів орбітальної структури КС ДЗЗ з мінімізацією по критеріях (цільових функціях): максимальної і середньої періодичності огляду. Спочатку відбір з популяції виконувався за першою цільовою функцією, потім за другою. Таким чином проводилася одночасна мінімізація за двома критеріями, що дозволяє отримати на виході Парето-оптимальні рішення за один прохід генетичного алгоритму.

Були досліджені такі приклади роботи ГА: для угруповань з кількістю супутників 3-6 на висотах 750 км і 900 км. Було визначено області можливих значень і структура пошукового набору параметрів. Пряме сходження висхідного вузла орбіт та середня аномалія змінювалися в діапазоні 0-360 град., нахил орбіт – в діапазоні 0-180 град. Отримані результати представлені в Таблиці 1.

Таблиця 1

Параметри оптимальних угруповань

# суп. | Н | i | 2 | М2 | 3 | М3 | 4 | М4 | 5 | М5 | 6 | М6 | МЧПО | СЧПО

км | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | гр. | хв. | хв.

3 | 750 | 110,6 | 63,5 | 290,8 | 296,5 | 70,6 | 188 | 57,83

900 | 116,2 | 77,7 | 175,1 | 285,2 | 218,8 | 159 | 54,68

4 | 750 | 109,1 | 56,5 | 313,4 | 272,5 | 52,2 | 312,0 | 124,2 | 123 | 40,78

900 | 117,6 | 48,0 | 134,1 | 244,2 | 152,5 | 299,3 | 265,4 | 113 | 38,84

5 | 750 | 117,6 | 74,8 | 255,5 | 208,9 | 105,9 | 275,3 | 241,4 | 319,1 | 55,1 | 101 | 31,42

900 | 119,1 | 46,6 | 317,7 | 105,9 | 162,4 | 259,8 | 67,8 | 324,7 | 193,4 | 96 | 28,41

6 | 750 | 119,1 | 49,4 | 91,8 | 132,7 | 295,1 | 216,0 | 50,8 | 266,8 | 136,9 | 313,4 | 273,9 | 94 | 23,62

900 | 119,1 | 19,8 | 307,8 | 72,0 | 129,9 | 127,1 | 225,9 | 218,8 | 14,1 | 310,6 | 196,2 | 87 | 21,30

6/6/2 | 750 | 119,1 | 60 | 120 | 120 | 240 | 180 | 0 | 240 | 120 | 300 | 240 | 165 | 26,7

900 | 119,1 | 60 | 120 | 120 | 240 | 180 | 0 | 240 | 120 | 300 | 240 | 118 | 22

В Таблиці 1 використані такі позначення: Н – висота орбіти, МЧПО – максимальний час повторного огляду, СЧПО – середній час повторного огляду, i – нахил орбіти, - пряме сходження висхідного вузла, М – середня аномалія.

З розгляду модельних параметрів оптимальних угруповань, генерованих з використанням багатопараметричного ГА, випливає, що для трьох і чотирьох супутників геометрія угруповання несиметрична. Це видно з аналізу розподілу прямого сходження висхідного вузла супутників для кожного угруповання. Для трьох і чотирьох супутників значення розподілені по діапазону, що покриває близько 180 градусів. Для шести супутників значення розподілені майже симетрично по всім 360 градусам. Для п'яти супутників характер зміни залежностей знаходиться між двома останніми випадками.

Методика багатоцільового ГА показала здатність відшукувати несиметричні угруповання для випадків дуже розрідженого покриття (особливо для угруповань із трьома і чотирма супутниками), що краще угруповань, отриманих з використанням традиційних методик. У випадку симетричних угруповань методика ГА продемонструвала здатність знаходить угруповання близькі до оптимальних рішень.

У четвертому розділі “Моделювання і оцінка ефективності функціонування багатосупутникових угруповань ДЗЗ”, використовуючи розроблені методики і програмні комплекси моделювання і оцінки ефективності багатосупутникових систем ДЗЗ, досліджуються структура, характер функціонування таких систем та основні критерії ефективності. На рисунку 3 досліджується характер покриття чотирьохсупутникової системи на сонячно-синхронних орбітах. По побудованій картині покриття можна оцінити характер покриття, періодичність огляду території в залежності від широти, виділити райони з більш частою періодичністю (світлий колір) та з меншою періодичністю (темний колір). З рисунка видно, що періодичність погіршується з наближенням до екваторіальної зони (стає більшою 245 хв. в деяких зонах) та на невеликих ділянках в зоні полюсів (зовсім випадають із зони огляду), що обумовлено нахилом орбіти, характерним для сонячно-синхронних орбіт і шириною смуги огляду КА. А сам малюнок розподілу періодичності по довготі обумовлений взаємним розташуванням КА на орбітах.

Рис. 3. Розподіл покриття для супутникового угруповання з 4 супутників. Параметри моделювання: висота орбіт – 800 км, нахил орбіти – 98.60, кут огляду апаратури

КА – 450; КА розташовані в 2-х орбітальних площинах із кроком 1800.

В результаті оптимізації орбітальної побудови КС ДЗЗ було отримуємо оцінки основних параметрів структури КС. На рисунку 4а відображено процес роботи ГА при пошуку оптимальних значень таких параметрів КС ДЗЗ: висота орбіт супутникового угруповання Н і відносна маса апаратури зондування - , яка впливає на вибір таких параметрів апаратури зондування, як кут огляду та просторова розрізненність. Також зображується крива значень критерію оптимізації. В даному випадку цільовою функцією для генетичного алгоритму є мінімізація загальних витрат на КС ДЗЗ . Відпрацювання критерію оптимізації свідчить про поступову його мінімізацію в ході роботи ГА, тобто пошуку мінімального значення . При цьому параметри Н і змінюються в ході роботи алгоритму в деякому просторі можливих значень параметрів (висота орбіти в діапазоні 400-900 км, відносна маса апаратури в діапазоні 0,1-0,9), з кожною ітерацією поліпшуючи значення цільової функції. Після 25 циклу ітерацій на даному рисунку видно, що значення параметрів і цільової функції досягли деяких своїх рівноважних станів і далі вже не поліпшуються, тому ГА зупиняється і досягнуті значення приймаються за оптимальні при заданих початкових умовах (просторова роздільна здатність R=5 м, розмір елемента зображення =12мкм, кількість елементів зображення в одній лінійці детектора =8000, питома вага апаратури зондування =11000 кг/м3, кількість супутників N=3).

а |

б

Рис. 4. Процес оцінки критеріїв ефективності та параметрів КС ДЗЗ за допомогою імітаційного моделювання.

На рисунку 4б відображено процес оцінки критеріїв ефективності та параметрів КС ДЗЗ за допомогою імітаційного моделювання. По осі Х відображена зміна висоти польоту супутників. При цьому для різних висот оцінюються смуга огляду апаратури КА (B), мінімальна кількість супутників (N), яка забезпечує задану періодичність огляду на цій висоті, та зміна затрат на КС ДЗЗ (Cкс). Аналізуючи побудовані залежності, можна виділити точку найменшого значення вартості багатосупутникової космічної системи та відповідні оптимальні параметри системи: висоту орбіт угруповання, кут огляду, мінімальну та достатню кількість супутників.

На основі розглянутих у розділі 2 критеріїв оцінки інформативної ефективності КС ДЗЗ (належності, відповідності, близькості) була розроблена комп'ютерна програма для порівняльного аналізу відносних оцінок інформаційної ефективності КС ДЗЗ (від 0 до 1), як по окремих задачах і підпрограмах, так і по всій науково-господарській програмі ДЗЗ в цілому. За допомогою цей програми були виконані розрахунки інформаційної ефективності для розробленої “оптимальної” багатосупутникової КС і відомих КС ДЗЗ, таких як: DMC – супутникове угруповання з 4+ КА, RapidEye –5 супутників, Pleiades - 2 супутника, ORFEO – 6 супутників, Landsat-7, SPOT5, Terra.

В таблиці 2 приведені результати порівняльного аналізу параметрів пропонованих КС ДЗЗ і характеристик тематичних задач підпрограм: сільського господарства, лісового господарства і кризового моніторингу.

Останній рядок в таблиці 2 являє собою порівняльні процентні співвідношення між ефективностями вирішення тематичних задач досліджуваними КС ДЗЗ. Із цього видно, що “Оптимальна” КС ДЗЗ, отримана за допомогою розробленої в даній роботі методики оптимізації на основі ГА, перевершує існуючі та розроблювані КС ДЗЗ у середньому на 28% при вирішенні тематичних задач підпрограм: сільського господарства, лісового господарства і кризового моніторингу.

Таблиця 2

Порівняння відносних оцінок інформаційної ефективності, розрахованих для розробленої “оптимальної” багатосупутникової КС ДЗЗ і відомих КС ДЗЗ.

Підпрограми | Багатосупутникові орбітальні угруповання КА ДЗЗ | Односупутникові КС ДЗЗ

Оптимальна | DMC | RapidEye | Pleiades | ORFEO | Landsat-7 | SPOT5 | Terra

Сільське господарство | 0,853 | 0,57 | 0,581 | 0,568 | 0,794 | 0,388 | 0,534 | 0,579

Лісове

господарство | 0,756 | 0,441 | 0,465 | 0,518 | 0,68 | 0,644 | 0,467 | 0,729

Кризові ситуації | 0,782 | 0,317 | 0,334 | 0,425 | 0,77 | 0,219 | 0,331 | 0,552

Процентні співвідношення | +28% | -35% | -34% | -29% | -5% | -38% | -35% | -18%

Для моделювання процесу засвоєння космічної інформація в еколого-господарському моніторингу використовується метод адаптивного балансу впливів – Adaptive Balance of Causes (АВС-метод), що був розроблений І.Є.Тімченком як удосконалення і спрощення методу системної динаміки Д.Форрестера. АВС-метод дозволяє моделювати і прогнозувати розвиток складних систем і виконує обчислювальні функції з урахуванням взаємодії всіх модулів, кожний з який знаходиться в стані динамічної рівноваги. На основі аналізу можливих причинно-наслідкових зв'язків у системі ЕГМ будується концептуальна модель впровадження КІ в ЕГМ, що включає рівень ефективності космічної системи ЕГМ, рівні, що відображають обсяг продукції (інформації), одержуваної за допомогою моніторингу (км2) і обсяг використовуваної інформації ЕГМ, обсяг планових витрат на моніторинг і на впровадження інформації, рівні якості моніторингу і потреби в інформації моніторингу, собівартість і ціну виконання 1 км2 моніторингу, зусилля на впровадження інформації, продуктивність праці, прибуток від виконання моніторингу, оплату праці виконавців моніторингу, професійний рівень операторів і витрати на підготовку операторів.

З розгляду залежностей, отриманих в результаті моделювання, можна зробити висновок, що на першому етапі при безперервному збільшенні витрат, спрямованих на впровадження КІ в ЕГМ, всупереч очікуваному росту обсягів продукції моніторингу спостерігається зворотна реакція - випуск продукції падає. Після чергового відліку реалізація програми впровадження КІ в ЕГМ приводить до помітного росту продуктивності праці і відповідно до зростання виробництва. Плановий обсяг продукції моніторингу відновлюється і продовжує зростати разом з ростом продуктивності праці.

Отриманий сценарій розвитку процесу впровадження КІ в ЕГМ є результатом складних нелінійних взаємодій всередині системи. Падіння обсягу продукції ЕГМ і прибутку від її реалізації, що спостерігається в початковий період, є результатом скорочення планових витрат на виконання моніторингу за рахунок їхнього часткового відволікання на витрати, пов'язані з впровадженням КІ. Після спрацювання зусиль, спрямованих на засвоєння інформації ЕГМ, за рахунок останньої підвищується продуктивність ЕГМ, припиняється падіння, а згодом відбувається поступове підвищення обсягу виробленої продукції моніторингу і прибутку від її реалізації.

Імітаційні експерименти з моделлю ЕГМ показали, що остання адекватно реагує на зміни її рівнів, дозволяє спостерігати динаміку вектора стану системи і знаходити сценарії стійкого функціонування ЕГМ, при яких задачі моніторингу узгоджуються з раціональним використанням КІ ДЗЗ. Уточнюючи функції впливу, можна обґрунтувати такий сценарій функціонування ЕГМ, при якому використовуваний обсяг і відповідні витрати на КІ ДЗЗ будуть підтримуватися на рівні, що задовольняє попит споживачів інформації і ресурсні можливості, призначені для виконання моніторингу.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу тематичних задач, які вирішуються за допомогою космічної інформації ДЗЗ і параметрів космічних систем ДЗЗ, показано, що для більш ефективного задоволення сучасних потреб споживачів космічної інформації ДЗЗ необхідна розробка і використання багатосупутникових космічних систем ДЗЗ, які забезпечують глобальність, високу періодичність та оперативність спостереження, більшу інформативність та надійність отримання космічної інформації. А для більш ефективного використання багатосупутникових космічних систем ДЗЗ з мінімальними витратами необхідно вдосконалення існуючих та розробка нових методик моделювання, аналізу і пошуку оптимальних структур багатосупутникових космічних систем ДЗЗ.

2. Були вирішені такі завдання: розроблено структурну схему багатосупутникового угруповання ДЗЗ; сформульовані основні критерії оцінки інформативної ефективності космічних систем ДЗЗ; на основі генетичного алгоритму розроблено методики параметричного синтезу апаратурного комплексу і оптимізації побудови орбітальної структури космічної системи ДЗЗ; на основі критеріїв належності, відповідності, близькості параметрів космічної системи характеристикам тематичних задач удосконалено методику оцінки ефективності апаратурного комплексу і космічної системи ДЗЗ в цілому; побудована модель засвоєння космічної інформації ДЗЗ в еколого-господарському моніторингу і виконані імітаційні експерименти з моделлю.

3. Розроблена структурна схема багатосупутникового угруповання ДЗЗ і сформульовані основні критерії оцінки інформативної ефективності космічної системи ДЗЗ дозволяють визначати ступінь відповідності параметрів космічної системи ДЗЗ вимогам, які пред’являють користувачі космічної інформації при вирішенні тематичних задач ДЗЗ.

4. Оптимізація на основі генетичної методики складу і параметрів багатосупутникових орбітальних угруповань космічних систем ДЗЗ, на відміну від інших методів багатопараметричної оптимізації, дає не тільки виграш по швидкості при знаходженні оптимального варіанту параметрів апаратурного комплексу космічної системи ДЗЗ, але і можливість пошуку екстремуму таких складних цільових функцій, як функції належності, відповідності і близькості параметрів космічної системи характеристикам, необхідним для виконання задач ДЗЗ, за кінцевий проміжок часу.

5. Використання генетичної методики формування і оптимізації структури орбітального угруповання космічних систем ДЗЗ у порівнянні з існуючими методиками побудови орбітального угруповання такими, як кінематично правильні системи з різними групами симетрії або Уолкеровські та полярні системи, показало можливість розширення області пошуку варіантів вирішення задачі, здатність відшукувати несиметричні