Задача динамической корректировки плана наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.13.01

«Системный анализ, управление и обработка информации»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Задача динамической корректировки плана наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов

Посадский Алексей Игоревич

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Московского авиационного института (государственного технического университета) «МАИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хахулин Геннадий Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Павлова Наталья Владимировна;

доктор технических наук, профессор

Пушкарев Юрий Александрович.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие центральный научно-исследовательский институт (ФГУП ЦНИИ) «Комета»

Защита диссертации состоится « » _________ 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.11 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ» по адресу: 125993, А-80, ГСП-3, Москва, Волоколамское шоссе, дом 4, зал заседаний Ученого Совета МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.11

кандидат технических наук, доцент Горбачев Ю.В.

Актуальность исследования

В последнее время все более широкое распространение получают глобальные источники информации - источники, которые могут получать и передавать потребителям информацию по всем районам Земли. Такими источниками информации являются спутниковые системы мониторинга, оснащенные космическими аппаратами (КА) - наблюдателями, которые способны осматривать земную поверхность аппаратурой осмотра (АО) различного типа и передавать полученную информацию на наземные комплексы приема/передачи данных.

В данной работе рассматривается автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ ПМО). Эта система строится на принципах использования КА различных космических систем на правах аренды их ресурсов. Часть ресурсов этих систем выделяется для решения задач АСКМ ПМО.

КА-наблюдатели принадлежат различным ведомствам и организациям и предназначены для выполнения различных своих целевых задач, таких, например, как экологический мониторинг, мониторинг лесных пожаров, мониторинг чрезвычайных ситуаций и др.

На бортовую АО КА-наблюдателей накладываются ресурсные ограничения по возможности ее использования. Из-за ограничений на работу аппаратура осмотра КА, как правило, не может осмотреть все заданные районы земной поверхности, где находятся интересующие систему ПМО. Поэтому в системе должна решаться задача оптимального использования ограниченных ресурсов АО КА, выделенных для наблюдений за ПМО, с целью максимизации эффективности проведения наблюдений.

Задачу оптимального использования ресурсов возможно решить только посредством планирования наблюдений на некоторый интервал времени в будущем, соизмеряя эффект от каждого наблюдения с затратами ресурсов АО на их реализацию. Задача планирования работы АО КА является одной из наиболее важных задач, которые должны решаться в АСКМ.

Решению задачи планирования посвящена диссертационная работа Новикова С.А. «Планирование наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов». В этой работе приведена постановка задачи планирования на некоторый заданный длительный интервал времени (как правило - сутки), разработан и исследован алгоритм планирования наблюдений на этом интервале.

Как показали проведенные в данной работе исследования, при использовании исходной информации, полученной на момент формирования плана, с удалением от начала планирования увеличиваются размеры областей возможных положений (ОВП) ПМО, и соответственно уменьшается вероятность их накрытия зонами наблюдения АО КА, увеличивается время наблюдения, в результате чего эффективность отдельных наблюдений ПМО существенно снижается.

С другой стороны, в результате реализации первоначально составленного плана появляется новая информация о положении ПМО. Следовательно, появляется возможность динамической корректировки начального плана с учетом этой информации. Это должно уменьшить размеры ОВП ПМО при последующих наблюдениях, уменьшить затраты ресурсов АО на их осмотр и, следовательно, повысить эффективность всей системы.

Таким образом, актуальной является задача организации динамического процесса корректировки созданного ранее долгосрочного плана. Актуальная научная задача - сформировать формализованную постановку задачи планирования с применением динамической корректировки плана наблюдений, предложить метод решения этой задачи, разработать инструмент, позволяющий исследовать эффективность применения механизма динамической корректировки составленного плана в процесс планирования наблюдений.

Объект исследования

Автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов.

Предмет исследования

Динамический процесс корректировки при планировании наблюдений областей возможных положений морских объектов в автоматизированной системе космического мониторинга.

Цель исследования

Повышение эффективности процесса сбора информации о ПМО с помощью АСКМ.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели были решены следующие научно-технические задачи:

Проведен анализ процесса функционирования АСКМ;

Осуществлена формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений областей возможных положений подвижных морских объектов;

Разработан метод и алгоритм решения задачи динамической корректировки плана;

Разработан комплекс вложенных имитационных моделей для исследования эффективности динамической корректировки плана;

Проведено исследование влияния включения в процесс планирования процедур динамической корректировки плана на эффективность функционирования АСКМ.

Методы исследования

Поставленные задачи решались с использованием методов системного анализа, математического программирования, теории оптимального планирования и управления, объектно-ориентированного программирования, имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Осуществлена формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений ПМО в АСКМ с комплексным учетом факторов, влияющих на эффективность составленного плана, и разработан алгоритм ее решения;

Создано эффективное инструментальное средство в виде комплекса вложенных имитационных моделей (КИМ) для проведения всесторонних имитационных исследований динамического процесса планирования наблюдений ПМО с применением динамической корректировки плана;

Показано, что включение в процесс планирования процедур динамической корректировки существенно повышает эффективность функционирования АСКМ.

Научные результаты, выносимые на защиту:

Формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений ПМО.

Алгоритм динамической корректировки плана наблюдений ПМО.

Система вложенных имитационных моделей для исследования процесса динамической корректировки плана наблюдений.

Результаты имитационных исследований, подтверждающие эффективность процесса динамической корректировки.

Практическая значимость результатов

Разработанный комплекс имитационных моделей использован при проведении ОКР на предприятии ФГУП «ЦНИИ “Комета”» для оценки эффективности процесса функционирования АСКМ с учетом проектируемых алгоритмов планирования.

Результаты исследований использовались на этапе проведения ОКР для создания рабочих алгоритмов планирования наблюдений для проектируемой на ФГУП «ЦНИИ “Комета”» АСКМ ПМО.

Разработанный КИМ использован при работе над проектом РФФИ 09-08-00145-а.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в том числе:

Молодежь и будущее авиации и космонавтики 2009, работа отмечена дипломом (второе место в секции).

На 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2009», Москва, 2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 отчетах по ОКР и в 9 печатных работах, в том числе в 4 публикациях в рецензируемых научных журналах, входящих в список ВАК РФ.

Структура и объем работ

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 65 наименований и двух приложений. Объем диссертации - 167 страниц машинописного текста, включает 62 рисунка и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описывается рассматриваемая в работе создаваемая на ФГУП «ЦНИИ “Комета”» автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ ПМО), предназначенная для федерального контроля судоходства в интересах различных ведомств центрального подчинения. Примеры областей, в которых может быть успешно применен космический мониторинг:

наблюдение за судами транспортного флота с целью наиболее быстрого оказания помощи при возникновении чрезвычайных ситуаций;

решение задач глобального космического мониторинга и контроля деятельности промысловых судов, с целью выявления и предотвращения нелегального промысла и контрабанды уловов;

контроль пересечения границ страны судами других государств и обеспечение наиболее оперативного задержания нарушителей;

контроль за перемещениями иностранных судов специального назначения с целью предотвращения их незаконных действий;

контроль транспортировки нефти и нефтепродуктов, химических и других вредных для окружающей среды веществ с целью своевременного обнаружения возможных аварий, эффективного планирования и своевременного проведения мероприятий по их устранению и ликвидации последствий.

АСКМ должна обеспечить наблюдение за морской деятельностью страны, а также контроль надводной обстановки в любых районах Мирового океана. динамический наблюдение план космический мониторинг

АСКМ должна снабжать информацией о наблюдаемых подвижных морских объектах конечных потребителей. Потребителями информации (ПИ) являются средства, способные непосредственно взаимодействовать с ПМО, например спасательные суда, суда рыбинспекции, пограничные сторожевые суда, суда специального назначения и другие.

Для успешной выдачи информации о ПМО потребителям АСКМ должна обеспечивать формирование информационного образа ПМО, которым является формуляр, определяющий текущие значения отдельных измеряемых и рассчитываемых характеристик ПМО таких, например, как координаты, момент времени последнего определения координат, курс, скорость, класс, государственная принадлежность, важность и другие.

Каждая позиция формуляра (ПФ) имеет некоторую важность с точки зрения использования содержащейся в ней информации для решения специфических задач ПИ.

Целью функционирования АСКМ является обеспечение решения двух основных задач: задача сопровождения (ЗС) ПМО и задача выдачи информации (ЗВИ) по ПМО.

ЗС заключается в том, что необходимо всегда знать местоположение ПМО с определенной точностью, то есть размер ОВП ПМО не должен превышать определенной величины. Таким образом, получение данных о ПМО должно производиться так часто, чтобы не происходила потеря ПМО.

ЗВИ заключается в том, что центр приема и обработки информации (ЦПОИ) должен иметь возможность выдавать по мере необходимости всевозможным ПИ наиболее актуальные данные по ПМО. ЗВИ может быть решена, если по ПМО имеется полная актуальная информация, то есть заполнены заданные ПФ ПМО, причем последние данные по этим позициям должны быть получены не ранее заданного интервала времени назад.

Целевое назначение системы отражают два наиболее важных конечных критерия эффективности функционирования АСКМ: математическое ожидание важности ПМО, по которым решается ЗВИ (МОВажЗВИ) и математическое ожидание важности ПМО, по которым решается ЗС (МОВажЗС).

Зачастую возникает необходимость решения ЗВИ к определенному моменту или интервалу времени по некоторым заданным ПМО. В этом случае распределение всех активных средств системы должно быть таким, чтобы обеспечить решение ЗВИ к заданному времени.

Для успешного решения целевых задач в АСКМ должны решаться частные задачи, такие как: сбор и обработка данных о ПМО, информационное взаимодействие и передача данных между различными объектами системы.

В условиях ограниченных ресурсов на возможность работы бортовой АО КА для успешного решения целевых задач в АСКМ должно обеспечиваться также решение задачи планирования наблюдений на некоторый интервал времени в будущем, как одной из наиболее важных задач.

Актуальность организации динамического процесса корректировки плана наблюдений в АСКМ ПМО связана с тем, что при отсутствии корректировок по мере течения времени ОВП ПМО становятся все больше, и к концу суток могут приобретать значительные размеры. Таким образом, при определенной ширине полосы обзора АО КА процент накрытия ОВП ПМО полосой обзора АО КА снижается при удалении от начала до конца суток. Быстрота этого снижения зависит от следующих факторов:

скорость и маневренность ПМО;

ширина полосы обзора АО КА.

Были проведены исследования, подтверждающие актуальность организации динамического процесса корректировки плана наблюдений. На рисунке 1 показан пример снижения среднего процента перекрытия АО КА ОВП ПМО в течение суток, на которые был построен план наблюдений.

Рисунок 1 - Процент перекрытия АО КА ОВП ПМО

На рисунке 2 показаны изменения конечных критериев в течение суток, на которые был построен план наблюдений, полученные с помощью имитационной модели АСКМ ПМО.

Рисунок 2 - Изменения конечных критериев в течение суток

На основе проведенных исследований сделаны следующие выводы:

Явление падения качества возможностей наблюдения с точки зрения процента перекрытия АО КА ОВП ПМО в направлении удаления текущего времени от момента времени построения суточного плана наблюдений существует;

Это явление напрямую оказывает отрицательное влияние на качество решения основных задач ЗВИ и ЗС;

Наиболее выраженные потери конечных показателей функционирования системы по мере удаления от момента построения суточного плана наблюдений замечены при средней ширине полосы обзора АО КА и значительной скорости ПМО;

Наименьшие потери конечных показателей функционирования системы по мере удаления от момента построения суточного плана наблюдений замечены при широкой полосе обзора АО КА и ПМО, движущихся с малой скоростью;

Даже в самом благоприятном случае (широкая полоса обзора АО КА, медленные ПМО) потери конечных показателей заметны.

Таким образом, проведенные исследования являются подтверждением актуальности дополнения алгоритмов планирования механизмом динамической корректировки плана наблюдений ПМО с учетом информации, полученной в результате реализации предварительно составленного плана.

Во второй главе проведен системотехнический анализ процесса динамической корректировки плана наблюдений ПМО. Реализация запланированных наблюдений имеет стохастический характер вследствие двух причин: стохастической природы процесса наблюдений, производимых АО КА, возможности ПМО маневрировать и, как следствие, выходить из зоны наблюдения АО.

В процессе выполнения составленного плана возможны следующие варианты реализации отдельных его компонент:

по результатам некоторых наблюдений получена и доведена до ЦПОИ информация о местоположении и других характеристиках ПМО, которые определяются АО, произведшей соответствующие наблюдения;

по результатам некоторых наблюдений получена и доведена до ЦПОИ информация о том, что ПМО в зоне возможного их положения не обнаружены;

некоторые наблюдения уже произведены, но информация по ним еще не доведена до ЦПОИ;

некоторые запланированные наблюдения еще не произведены, но изменить план по этим наблюдениям нельзя, так как КА, участвующие в этих наблюдениях, в оставшееся до их реализации время не будут находиться в зоне информационного взаимодействия с ЦПОИ;

некоторые запланированные наблюдения еще не произведены и можно изменить план по этим наблюдениям: либо их отменить, либо скорректировать параметры наблюдений (изменить времена включения и выключения АО КА);

в процессе выполнения появилась возможность в проведении некоторых новых наблюдений ПМО, и есть возможность изменить план, добавив эти наблюдения.

Таким образом, на основе новой информации, полученной в результате частичной реализации плана, в ЦПОИ возникает возможность корректировки ранее составленного плана.

С учетом полученной информации в ЦПОИ на основе соответствующих алгоритмов может быть скорректирован прогноз динамики движения и размеров ОВП тех ПМО, по которым реализовались исходы «а» или «б».

В результате баллистического прогноза взаимодействия зон наблюдения АО КА с обновленной динамикой ОВП ПМО осуществляется корректировка множества возможных наблюдений. При этом по некоторым наблюдениям могут быть скорректированы лишь параметры (моменты начала и конца наблюдения), некоторые возможности могут вообще исчезнуть (например, из-за того, что процент перекрытия ОВП маневрирующего ПМО становится недопустимо мал), могут появиться новые возможности наблюдения.

Под актуальностью информации (АИ) понимается площадь над реализацией кривой функции старения информации по отдельному ПМО и отдельной ПФ. АИ является интегральной характеристикой процессов старения информации на плановом периоде, характеризующей степень новизны (актуальности) имеющейся в ЦПОИ информации о характеристиках ПМО на всем периоде планирования.

Процессы изменения «актуальности информации» по отдельным ПФ ПМО с учетом полученной информации по исходам «а» или «б» принимают на момент решения задачи корректировки конкретные значения и являются для задачи корректировки начальными условиями.

При решении задачи корректировки плана необходимо также учитывать то, что некоторые ресурсы АО уже истрачены или будут истрачены в результате частичной реализации плана.

Представлена формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений.

Целью планирования является обеспечение наиболее эффективного решения задач сопровождения ПМО и выдачи информации о характеристиках ПМО конечным потребителям этой информации. К сожалению, невозможно непосредственно при планировании связать показатели качества решения этих задач с переменными, определяющими план. Поэтому в качестве критерия оптимизации задачи планирования предлагается максимум математического ожидания суммарной площади над процессами старения информации по всем ПФ всех ПМО с учетом важности как отельных ПМО, так и различных ПФ.

С использованием введенных обозначений формализованная постановка задачи планирования наблюдений ОВП ПМО может быть записана в следующем виде:

,

,

Соотношения (1-8) определяют задачу динамической корректировки плана как комбинаторную нелинейную дискретную задачу стохастического программирования. В приведенной формализованной постановке зависимость ее параметров и переменных от новой информации о ПМО, полученной на момент проведения корректировки, отражается индексом (t). Область допустимых решений имеет детерминированный характер. Неравенства (2, 3) определяют ограничения по числу включений АО КА соответственно на отдельных витках и на всем интервале корректировки. Неравенства (4, 5) определяют аналогичные ограничения по времени работы АО КА. Неравенства (6) задают ограничение на объемы бортовых долговременных запоминающих устройств (ДЗУ). Неравенства (7) определяют временные ограничения на возможность перенацеливания АО КА с ОВП одного ПМО на ОВП другого ПМО, следующего по определенному в плане порядку наблюдения. Равенство (8) определяет множество фиксированных возможностей, которые уже не могут быть изъяты из плана.

Актуальность информации для отдельной ПФ отдельного ПМО - это, как говорилось выше, площадь над кривой конкретной реализации функции старения информации. Математическое ожидание (МО) АИ - это средняя взвешенная по вероятностям отдельных наблюдений площадь над реализациями функции старения информации. Под актуальностью информации для отдельного ПМО будем понимать взвешенную по важностям ПФ сумму МО АИ по отдельным ПФ. Под актуальность информации для группы ПМО будем понимать взвешенную по важностям ПМО и важностям ПФ сумму МО АИ по отдельным ПФ и отдельным ПМО. В дальнейшем аббревиатурой «АИ» будем обозначать актуальность информации для группы ПМО.

В главе 2 определяется последовательность действий при выполнении динамической корректировки.

Когда КА выходит на связь с НИК и передает собранные за интервал времени с последнего сеанса связи данные, имеется возможность проанализировать эти данные и скорректировать для данного КА план наблюдений, пока он находится в зоне связи. Рациональный интервал перепланирования будет находиться между двумя моментами выхода на связь с НИК, т.е. между текущим моментом и моментом следующего выхода данного КА на связь (запаздыванием при осуществлении процессов обмена данными между КА и ЦСОИ АСКМ пренебрегаем). Выполнять перепланирование дальше смысла нет - в течение следующего сеанса связи будет выполнена новая корректировка на основе более свежих данных разведки.

Перепланирование на более длинный временной интервал может быть целесообразно с точки зрения надежности - в случае срыва перепланирования в следующем сеансе связи КА будет иметь менее устаревший план.

Качество нового плана будет зависеть не только от информации, собранной данным КА, но и от информации, собранной другими КА, которой не было на момент составления предыдущего плана. Причем эта информация должна быть доведена до НИК до начала выполнения перепланирования по данному КА.

При корректировке построение плана наблюдений производится по всем КА, несмотря на то, что исправить план необходимо только одному. Известен интервал планирования, рассчитаны доступные ресурсы и начальные устаревания по ПМО ПФ. Выполняется прогон алгоритма планирования по одному КА, с учетом важностей ПМО и ПФ, возможности наблюдения по которым появляются на интервале.

Построенный таким образом план не будет рациональным, поскольку не учитывает так называемые пассивные возможности интервала корректировки, которые бывают следующих видов:

возможности наблюдения других КА, которые уже запланированы на данном интервале и не могут быть отменены;

возможности наблюдения других КА, которые уже запланированы на данном интервале и могут быть изменены в ходе корректировки соответствующего КА, но это произойдет уже позже выполнения данной корректировки.

Построение плана без учета пассивных возможностей приводит к проявлению следующих недостатков планирования:

Исходя из значительной важности ПМО, КА может быть назначено наблюдение по нему, однако этот же ПМО в близкое время наблюдается другим КА, и ценность данного назначения оказывается сильно завышена;

Исходя из незначительной важности ПМО, возможность наблюдения по нему может быть отброшена. Затем может оказаться, что при корректировке следующих КА в этот временной интервал ни один КА не имеет возможности выполнить наблюдение по данному ПМО. В таком случае ПМО может быть потерян;

Исходя из важности ПМО, наблюдение по нему может быть назначено данному КА. В то же время может оказаться, что другие КА могут провести наблюдения по данному ПМО со значительно большим процентом перекрытия полосой обзора АО КА ОВП данного ПМО;

Исходя из высокой важности ПМО, наблюдение по нему может быть назначено данному КА. При этом в ближайшее время будет выполнена корректировка по другому КА, который обладает большим запасом невыработанного ресурса наблюдения и небольшим списком возможных наблюдений, и было бы выгоднее поручить наблюдение этому КА.

Список может быть продолжен. Очевидно, что без учета пассивных возможностей наблюдения выполнять динамическую корректировку плана эффективно невозможно. Для учета пассивных возможностей наблюдения предлагается выполнять прогон алгоритма планирования для всех КА, а не только для того, по которому выполняется корректировка плана. При этом учитывается состояние ресурсных ограничений всех КА на момент начала интервала планирования, а также так называемые фиксированные возможности наблюдения - уже запланированные к реализации по другим КА. Отменить такие возможности наблюдения нельзя, поэтому они сразу считаются включенными в план. После выполнения планирования построенный план по другим КА отбрасывается - используется только план по тому КА, который инициировал корректировку. Сохранять такие планы нет смысла - каждый из КА при своей корректировке плана получит новый, построенный на основе более свежих разведывательных данных, собранных к соответствующему моменту.

Характерной особенностью динамической корректировки наблюдений является разная текущая новизна информации по различным комбинациям ПМО и ПФ. Перед выполнением корректировки необходимо определить начальное значение устаревания по каждой ПФ каждого ПМО. Это начальное значение складывается из двух компонентов:

Длина временного интервала от момента последнего считывания данных до текущего момента времени (момента перепланирования). В этой компоненте учитывается только доведенная информация - если по комбинации (ПМО; ПФ) было выполнено наблюдение, но к моменту перепланирования данные не были доведены, интервал рассчитывается от первого доведенного до Земли наблюдения по этим (ПМО; ПФ). Примечание: компонента считается по всем КА, включая тот, по которому выполняется корректировка.

Предполагаемые обновление информации по (ПМО; ПФ) с помощью наблюдений, которые уже стоят в плане и были реализованы, но на момент динамического перепланирования данного КА результаты этих наблюдений еще не доведены до НИК. Примечание: компонента считается по всем КА, кроме перепланируемого, поскольку все его наблюдения в момент перепланирования доводятся до НИК.

В рассматриваемой задаче планирования наблюдений задано большое количество разнородных ресурсных ограничений на работу бортовой АО КА. Трудно при решении задачи учесть все ограничения сразу, поэтому алгоритм планирования наблюдений предлагается разбить на три этапа составления рационального плана.

На первом этапе составляется рациональный план с учетом только ограничений на работу бортовой АО КА (количество включений и время работы) на витке и ограничения на скорость перенацеливания АО КА.

На втором этапе составления рационального плана работы АО КА производится корректировка плана, составленного на этапе 1 с целью удовлетворения его ограничениям на максимальный объем ДЗУ на борту КА. Из плана исключаются возможности, дающие наименьшее уменьшение АИ.

На третьем этапе составления рационального плана работы АО КА производится корректировка плана, составленного на этапах 1 и 2 с целью удовлетворения глобальным ограничениям на количество включений и время работы АО КА, выделенных на весь интервал корректировки.

Перед началом выполнения этапов 1, 2 и 3 происходит «просеивание» массива возможностей осмотров по метеообстановке и освещенности в месте наблюдения.

Также производится учет минимального процента накрытия АО КА ОВП ПМО. В случае, если накрытие меньше заданного минимального уровня, возможность наблюдения сразу отсеивается.

Учтено отсеивание «бесполезных» возможностей. В процессе выполнения баллистического прогноза могут быть получены возможности наблюдения, слишком удаленные от будущего момента связи КА, выполняющих эти наблюдения, и НИК. В этом случае полученная в результате наблюдения навигационная информация полностью устареет к моменту своего доведения, а поэтому выполнять такие наблюдения нет смысла. Подобные возможности наблюдения называются «бесполезными» и отсеиваются на начальном этапе работы алгоритма.

Рассмотрим этап 1 составления рационального плана, который учитывает только ограничений на работу бортовой АО КА. На этом этапе рассматриваются ресурсные ограничения на витке - количество включений и время работы АО КА, а также ограничение по скорости перенацеливания АО КА. Отдельно выделяются целые витки, входящие в интервал выполнения корректировки, и начальный виток, попавший в интервал корректировки не полностью. Ресурсные ограничения на этом начальном витке рассчитываются с учетом потраченного на первой половине витка на уже отработанном участке ранее созданного плана (кол-во потраченных ресурсов хранится в соответствующих переменных модели).

По очереди анализируется каждый виток каждого КА. Рассматривается добавление к уже составленной части плана каждой возможности, соответствующей данному витку. Затем выбирается та их них, включение в план которой приводит к максимальному увеличению АИ, и эта возможность включается в план. Из оставшегося объема рассматриваемых ресурсов на данном этапе вычитается объем ресурсов, необходимый для реализации включенной в план возможности. После включения одной возможности процесс повторяется с оставшимися на витке возможностями до тех пор, пока рассматриваемые ресурсы не будут исчерпаны, или все возможности данного витка не будут включены в план. После этого рассматривается следующий виток. В результате отработки первого этапа алгоритма планирования будет получен рациональный план использования возможностей осмотра на интервале корректировки, удовлетворяющий ограничениям на время работы и количество включений АО КА на витке, ограничениям на скорость перенацеливания оптической АО КА.

Для остальных КА (кроме того, по которому выполняется корректировка) также рассматриваются неполные витки в начале интервала, но интервал отсчитывается от момента передачи данных этого КА в НИК, попавшего в интервал перепланирования.

На этапе 2 алгоритма корректировки производится редактирование полученного на первом этапе плана на соответствие ограничению по объему бортового ДЗУ КА. Для КА, по которому выполняется корректировка, временной интервал планирования включает в себя время между двумя передачами данных на НИК, и добавленный временной интервал до окончания текущего витка. На первой части интервала ресурс объема бортового ДЗУ соответствует заданному для КА, на второй части - рассчитывается пропорционально длине интервала относительно длины интервала между моментами связи КА с НИК. Для других КА интервал планирования делится на несколько частей по моментам связи этих КА с НИК, и отработка ограничения производится на каждой из этих частей. При этом для неполных интервалов (в начале и в конце всего интервала планирования) количество выделенного ресурса объема бортового ДЗУ рассчитывается пропорционально длине интервала относительно длины интервала между моментами связи КА с НИК.

По очереди рассматривается каждый подинтервал. Если на нем имеется превышение ограничения по объему ДЗУ, то ищется возможность, исключение которой приведет к минимальному уменьшению АИ, затем эта возможность исключается из плана. Если ограничение снова не выполняется, то ищется еще одна возможность, исключение которой приведет к минимальному уменьшению АИ; она тоже исключается. Процесс повторяется до тех пор, пока ограничение для данного КА на данном подинтервале не будет выполнено. После этого рассматривается следующий подинтервал.

В результате отработки второго этапа алгоритма корректировки будет получен рациональный план наблюдений, удовлетворяющий ограничениям на количество включений и время работы АО КА на витке, ограничениям на возможность перенацеливания, а также на объем ДЗУ.

На третьем этапе алгоритма полученный рациональный план проверяется на выполнение глобальных ресурсных ограничений - на количество включений и время работы, выделенных на весь интервал корректировки.

Если для КА выявлено превышение глобальных ограничений, то выполняется следующая процедура. Рассматривается множество возможностей, которые включены в план для данного КА. Каждая из них исключается по очереди из плана, и рассчитывается АИ для плана без этой возможности. Та возможность, исключение которой из плана привело к наименьшему уменьшению АИ, исключается из плана. Процедура повторяется до тех пор, пока превышение ограничений не будет устранено.

После выполнения корректировки оператор может самостоятельно ввести изменения в построенный план осмотра. Оператор имеет возможность исключить из плана наблюдения возможности либо добавить новые из списка доступных. Интерфейс контролирует соответствие измененного вручную плана ограничениям и, в случае несоответствия им, запрещает произвести изменение плана и указывает на конкретные нарушенные ограничения.

В третьей главе описывается разработанный комплекс имитационных моделей.

Для реализации механизма динамической корректировки требуется разработка не одной, а комплекса взаимосвязанных имитационных моделей (ИМ). Одна из них - основная ИМ (ОСИМ) - должна отображать процесс реализации плана и его корректировок, воспроизводя процессы движения КА, работу АО, взаимодействие зон обнаружения АО непосредственно с ПМО. Вторая - вложенная ИМ (ВИМ) - в отличие от ОСИМ должна отображать взаимодействие зон обнаружения АО не с ПМО, а с динамически перемещающимися и изменяющимися в размерах их ОВП (эта информация получается на основе работы алгоритмов прогнозирования движения ПМО с учетом данных о ПМО, приходящих в ЦПОИ при реализации плана).

ВИМ разработана на базе ИМ АСКМ. Внесены изменения, позволяющие выполнять прогон алгоритма планирования на ограниченном временном интервале с передаваемыми из ОСИМ исходными данными. В ВИМ с точки зрения имитационного процесса работа осуществляется не с реальными положениями ПМО, а с их ОВП.

Все события ВИМ являются структурными.

ВИМ включает 4 события:

К4: Моделирование передачи данных с КА на НИК;

К9: Моделирование появления возможности выполнить наблюдение за ПМО;

К10: Моделирование окончания возможности выполнить наблюдение ОВП ПМО;

К11: Моделирование перехода КА на новый виток - необходимо для учета ресурсных ограничений на витке.

В ВИМ алгоритм планирования используется для построения нового плана наблюдений на заданном интервале планирования. После построения плана он будет сравниваться с исходным планом наблюдений, и, в случае достаточной разницы между ними, заменит его в ходе перепланирования КА.

Для проведения корректировочного баллистического прогноза необходимо загрузить в ВИМ расположение КА, соответствующее их расположению в ОСИМ. Было принято решение не передавать многочисленные параметры положений всех КА на орбите, а производить перерасчет исходя из даты и времени выполнения баллистического прогноза.

Для этого была выполнена доработка ИМ АСКМ. Раньше начальные положения КА хранились в файле исходных данных и загружались при начале моделирования. В процессе моделирования координаты расположения КА пересчитывались относительно предыдущего положения с учетом прошедшего модельного времени - таким образом, в ИМ существовало только относительное время.

При выполнении доработки параметры начального расположения КА были вычислены на некую дату d0 заведомо в прошлом. В ИМ добавлен новый параметр - дата и время моделирования (абсолютное время). Теперь эти начальные положения КА хранятся отдельно и отсутствуют в исходных данных, а вместо них пользователь выбирает только дату и время моделирования. На каждом шаге моделирования положения всех КА пересчитываются заново на основе хранящегося начального положения на d0 и разнице между d0 и абсолютным временем моделирования (складывается из даты и времени начала моделирования и модельного времени).

Таким образом, при загрузке начального состояния КА в ВИМ исчезла необходимость в дополнительных решениях - достаточно передать абсолютное время моделирования в момент остановки и использовать его как «Дата и время моделирования в ВИМ». Перед первым шагом моделирования КА в ВИМ примут то же расположение, что и в остановленной ОСИМ.

ОСИМ разработана на базе ИМ АСКМ. Были выполнены доработки, позволяющие приостанавливать процесс моделирования, осуществлять вызов ВИМ, обрабатывать результаты работы ВИМ, выполнять перепланирование наблюдений для КА. С точки зрения имитационного процесса ОСИМ работает с реальными точными положениями ПМО. На рисунке 3 изображена схема ОСИМ.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 3 - Cхема ОСИМ

ОСИМ состоит из следующих событий:

К1: Моделирование обнаружения ПМО АО КА;

К4: Моделирование передачи данных с КА на НИК;

К5: Моделирование процесса передачи данных между КА и НИК, КА-ретранслятором и НИК, КА и КА-ретранслятором;

К6: Моделирование окончания передачи данных между объектами системы и начало процесса обработки или дальнейшей передачи данных;

К7: Моделирование расчета нового курса движения ПМО.

К8: Моделирование окончания процесса сопровождения ПМО (потеря ПМО);

К9: Моделирование включения АО КА - начинается наблюдение за ПМО;

К10: Моделирование выключения АО КА - наблюдение за ПМО прекращается;

К12: По завершению события производится расчет показателей критерия: МОВажЗС, МОВажЗВИ.

В ОСИМ алгоритм планирования используется для построения начальной версии плана на большие временные интервалы (например, на сутки). В дальнейшем этот план будет корректироваться, но, не смотря на это, его построение необходимо: в течение длительного периода времени возможны сбои и непредвиденные обстоятельства, которые могут помешать выполнению динамических корректировок. В этом случае КА будут иметь базовый план, и наблюдения все же будут выполнены, пусть и не с максимальной эффективностью.

Возникает проблема организации взаимодействия между двумя ИМ.

Был реализован следующий процесс работы с этими ИМ:

перед составлением плана запускается ВИМ, с помощью которой получаются исходные данные для составления плана;

затем запускается ОСИМ, в которой составленный план (или план очередной корректировки) начинает реализоваться и оценивается эффективность его реализации;

затем наступает момент решения задачи корректировки: фиксируется состояние ОСИМ, запускается ВИМ, включаются в работу алгоритмы прогнозирования ОВП ПМО, решается задача корректировки. Последние два этапа циклически повторяются на плановом периоде. Решение этой технической проблемы рассматривается в работе на основе применения системы имитационного моделирования (СИМ) Modelling.

Технически для реализации и ОСИМ, и ВИМ, используются разные версии одной и той же имитационной программы, в разных режимах работы. При наступлении события «КА передает данные в НИК» ОСИМ приостанавливается, сохраняет свое текущее состояние (расположение КА, расположение ПМО и их формуляры и.т.д.) и производит вызов ВИМ. ВИМ загружает сохраненное состояние и выполняет баллистический прогноз на его основе. После этого на основе полученного баллистического прогноза строится новый план наблюдений, который корректирует предыдущий (только по тому КА, по которому произошло событие «КА передает данные в НИК»). После выполнения перепланирования КА, ВИМ посылает сообщение о завершении своей работы, и ОСИМ возобновляет моделирование.

При разработке имитационной программы применялась разработанная на кафедре 302 МАИ система СИМ Modelling. Система Modelling является средством визуального проектирования дискретных и непрерывно-дискретных имитационных моделей (ДИМ и НДИМ).

В четвертой главе приведены результаты исследования эффективности внедрения механизма динамической корректировки в процесс планирования. Были проведены вычислительные эксперименты с разработанными программными реализациями решения задачи динамической корректировки на КИМ АСКМ.

В результате проведенных исследований показано, что применение механизма динамической корректировки приводит к улучшению конечных показателей функционирования АСКМ.

Были проведены исследования, подтверждающие, что КИМ АСКМ позволяет выявить рациональный объем ресурсов для планирования наблюдений, использование ресурсов сверх которого нецелесообразно. Показано, что выход на рациональный объем ресурсов при использовании механизма динамической корректировки наступает раньше, чем при отработке суточного плана. Показано, что чем сильнее выражен дефицит ресурсов наблюдения, тем больше выигрыш от внедрения механизма динамических корректировок в процесс планирования. На рисунке 4, в частности, показано, как изменяются значения критериев при изменении объема выделенных ресурсов (шаг изменения 15%).

Рисунок 4 - Зависимость критериев от объема выделенных ресурсов

Выполнены исследования, определяющие рациональную периодичность выполнения динамической корректировки плана (в среднем, каждые 90 минут). Оценено снижение эффективности динамической корректировки плана при более редком выполнении.

Проведены исследования влияния эффективности внедрения механизма динамической корректировки в процесс планирования в зависимости от подвижности ПМО и ширины полосы обзора АО КА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Осуществлена постановка актуальной задачи динамической корректировки плана наблюдений в АСКМ ПМО и разработана формализованная постановка задачи динамической корректировки плана, как задачи стохастического программирования, учитывающая важные с точки зрения функционирования системы факторы.

Предложен косвенный метод решения задачи динамической корректировки плана наблюдений, позволивший свести задачу стохастического программирования к детерминированной оптимизационной задаче, что существенно уменьшает вычислительную сложность алгоритма динамической корректировки плана наблюдений ОВП ПМО. На основе метода максимального элемента и в соответствии с формализованной постановкой разработан алгоритм решения задачи динамической корректировки плана наблюдений.

Разработан комплекс имитационных моделей КИМ АСКМ, отображающий основные процессы функционирования моделируемой системы. КИМ используется для формирования исходных данных для алгоритма динамической корректировки плана наблюдений и для исследования эффективности этого алгоритма.

Проведенные вычислительные и имитационные эксперименты по анализу эффективности динамической корректировки плана наблюдений позволяют сделать выводы:

о соответствии формализованной постановки задачи динамической корректировки плана конечным целям функционирования АСКМ;

о чувствительности решения задачи к изменению важных параметров и характеристик системы;

о решении в работе проблемы снижения эффективности функционирования АСКМ по мере отдаления от момента построения долгосрочного плана наблюдения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1) Хахулин Г. Ф., Новиков С. А., Посадский А. И., Ескин В. И.

Результаты исследования алгоритма планирования наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов" Вестник Московского авиационного института 2009, № 4, т. 16

2) Хахулин Г. Ф., Новиков С. А., Посадский А. И., Ескин В. И. Задачи формирования и динамической корректировки плана наблюдений в системе космического мониторинга подвижных моpских объектов

Содержание журнала "Мехатроника, Автоматизация, Управление" №11, 2009

3) Хахулин Г.Ф., Новиков С.А., Посадский А.И., Ескин В.И. Задача планирования наблюдений подвижных морских объектов в системе космического мониторинга. Вестник Московского авиационного института 2007, т. 14, № 3, с.125-130.

4) Посадский А.И., Новиков С.А. Задачи и модели, методы и результаты исследования динамического процесса планирования наблюдений в АСКМ ПМО. Электронный журнал «Труды МАИ», №38, 2010.

В других изданиях

5) Хахулин Г.Ф., Новиков С.А., Ескин В.И., Посадский А.И. , Рыцарева А.С. Динамический процесс планирования космического мониторинга подвижных морских объектов и оценка его эффективности. XVI Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2007.

6) Посадский А.И., Рыцарева А.С. Формирование критерия оптимизации при планировании наблюдений в системе космического мониторинга подвижных морских объектов. 5-я международная конференция "Авиация и космонавтика - 2006". 23-26 октября 2005 года. Москва. Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2006. - 388 с.

7) Новиков С.А., Посадский А.И., Ескин В.И. Оценка эффективности алгоритма планирования космического мониторинга подвижных морских объектов. Алушта, 2009.

8) Посадский А.И. Комплекс взаимосвязанных имитационных моделей для исследования динамического процесса планирования в системе космического мониторинга подвижных морских объектов. 26 - 29 октября 2009 года. Москва. 8-я Международная конференция "Авиация и космонавтика - 2009". Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2009. - 245 с.

9) Посадский А.И., Новиков С.А. Задачи и модели, методы и результаты исследования динамического процесса планирования наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов. Июнь -- декабрь 2009 г., г. Москва. Конкурс научно-технических работ и проектов молодых ученых и специалистов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики». Тезисы докладов. Работа отмечена 2-м местом в секции «Ракетная и космическая техника».

10) «Разработка моделей процессов в ЦСОИ в части алгоритмов функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр» (шифр - «МШ-33 - МАИ»). Этап 1.«Разработка алгоритмов моделей ЦСОИ в части функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр». Отчет о СЧ ОКР. Договор N 32490-03020. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2007.

11) «Разработка моделей процессов в ЦСОИ в части алгоритмов функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр» (шифр - «МШ-33 - МАИ»). Этап 2. «Разработка модели функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр. Испытания модели». Отчет о СЧ ОКР. Договор N 32490-03020. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2007.

12) «Разработка моделей процессов в ЦСОИ в части алгоритмов функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр» (шифр - «МШ-33 - МАИ»). Этап 3. «Обеспечение работы в части комплексов программ функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр в предварительных испытаниях ЦСОИ». Отчет о СЧ ОКР. Договор N 33640-03020. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2009.

13) «Разработка моделей процессов в ЦСОИ в части алгоритмов функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр» (шифр - «МШ-33 - МАИ»). Этап 4: «Обеспечение работы в части комплексов программ функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр в комплексной отладке системы МШ-33». Отчет о СЧ ОКР. Договор N 33640-03020. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2009.

14) «Разработка моделей процессов в ЦСОИ в части алгоритмов функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр» (шифр - «МШ-33 - МАИ»). Этап 5: «Доработка алгоритмов в части комплексов программ функционирования взаимодействующих космических систем, формирования заявок на осмотр по результатам гос. испытаний системы МШ-33». Отчет о СЧ ОКР. Договор N 33640-03020. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2009.

15) «Разработка методов и алгоритмов интеллектуального планирования и управления процессом сбора информации о подвижных наземных и морских объектах группами авиационных и космических летательных аппаратов в условиях стохастической обстановки и ограниченных ресурсов». Научный отчет по проекту РФФИ 09-08-00145-а. Руководитель проекта Г.Ф.Хахулин. МАИ. 2010.

Размещено на Allbest.ru

...