На правах рукописи

УДК 519.854(075.8):519.876.5(075)

НОВИКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПЛАНИРОВАНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ

КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОДВИЖНЫХ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.13.01

«Системный анализ, управление и обработка информации»

(информатика, управление и вычислительная техника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

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 Наталия Владимировна;

кандидат технических наук Колесов Денис Владимирович

Ведущая организация:

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

Защита диссертации состоится « 10 » ноября 2008 г. в 14 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 « » 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125. кандидат технических наук, доцент Горбачев Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 своей группировки.

В настоящее время актуальной является задача создания автоматизированной системы космического мониторинга (АСКМ) подвижных морских объектов, которая использовала бы КА-наблюдатели различных космических систем (КС), принадлежащих различным владельцам и предназначенных для выполнения различных целевых задач, а получаемая с их помощью информация о подвижных морских объектах (ПМО), за которыми осуществляется наблюдение, интегрировалась и обрабатывалась бы в едином центре с целью эффективного решения задачи сопровождения (ЗС) ПМО и задачи выдачи информации (ЗВИ) конечным потребителям, взаимодействующим с АСКМ.

В связи с тем, что используемые КА-наблюдатели должны решать не только задачи АСКМ, но и целевые задачи своих владельцев, а также в связи с ограниченностью энергии, 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. 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. Задача планирования работы АО КА является одной из наиболее важных задач, которые должны решаться в АСКМ.

При постановке и решении задачи планирования должны быть учтены следующие факторы:

основная целевая установка АСКМ относительно сбора информации по различным ПМО, заключающаяся в эффективном решении ЗС и ЗВИ;

прогнозируемых областей возможных положений (ОВП) ПМО при определении возможности наблюдения;

неопределенность движения ПМО;

стохастическая природа реализации планируемых наблюдений;

динамика движения КА относительно наземных информационных комплексов (НИК) для определения моментов времени доведения собранной на борту информации до центра приема и обработки информации (ЦПОИ);

ресурсные ограничения, накладываемые на бортовую АО по количеству включений на витке и за сутки, по времени работы на витке и за сутки, по емкости бортового ДЗУ;

ограничения по видео и метеоусловиям на проведение наблюдений определенными типами АО;

динамика старения информации по различным характеристикам ПМО, получаемым в ЦПОИ;

важности различных ПМО с точки зрения необходимости первоочередного получения данных по ним;

важности отдельных характеристик ПМО с точки зрения необходимости иметь по ним актуальные данные;

возможности по сбору информации по различным характеристикам ПМО различными типами АО КА.

В настоящее время отсутствует постановка и решение задачи планирования, учитывающая все перечисленные факторы. Следовательно, постановка и решение задачи планирования наблюдений за ПМО является актуальной научной задачей.

Актуальная научная задача – сформировать такую формализованную постановку, которая удовлетворяет перечисленным требованиям, предложить метод решения задачи, обеспечить эффективность процесса планирования, разработать инструмент, позволяющий исследовать эффективность алгоритмов планирования.

Объект исследования Автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов.

Предмет исследования Процесс планирования наблюдений областей возможного положения подвижных морских объектов в автоматизированной системе космического мониторинга.

Цель исследования возможного положения подвижных морских объектов в системе космического мониторинга, исследование эффективности полученных решений.

Задачи исследования Для достижения поставленных целей были решены следующие научнотехнические задачи:

1. Анализ процесса функционирования АСКМ.

2. Формализованная постановка задачи планирования наблюдений областей возможных положений подвижных морских объектов.

планирования наблюдений.

4. Программная реализация разработанных алгоритмов.

эффективности процесса планирования.

6. Проведение исследований по оценке эффективности формируемых планов наблюдений.

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

Научная новизна работы заключается в получении следующих результатов:

1. Осуществлена формализованная постановка задачи планирования наблюдений ОВП ПМО в АСКМ в виде задачи стохастического математического программирования, учитывающая вероятностный характер процесса наблюдения, старение информации, полученной в результате наблюдений, различного рода ограничения на работу бортовой АО КА, осуществляющей процесс наблюдения.

2. Разработан косвенный метод расчета значений целевой функции задачи планирования, позволивший разработать эффективный алгоритм решения задачи планирования.

3. Создана имитационная модель процесса функционирования АСКМ для оценки эффективности процесса планирования наблюдений.

На защиту выносятся следующие результаты исследований 1. Формализованная постановка задачи планирования наблюдений ОВП ПМО аппаратурой осмотра КА, учитывающая стохастический характер процесса обнаружения ПМО, процессы старения информации о ПМО, различного рода ограничения на возможность использования бортовой аппаратуры осмотра КА, важности ПМО и их отдельных информационных характеристик (позиций формуляра) для решения целевых задач системы.

2. Метод и алгоритм решения задачи планирования.

3. Имитационная модель, позволяющая исследовать эффективность алгоритмов планирования и АСКМ в целом.

4. Результаты имитационных экспериментов по оценке эффективности процесса планирования.

Практическая значимость результатов заключается в 1. создании на этапе проведения ОКР рабочих алгоритмов планирования автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов, 2. получении результатов имитационных исследований, использованных при проведении ОКР на предприятии ФГУП «ЦНИИ “Комета”» для оценки эффективности процесса функционирования АСКМ с учетом проектируемых алгоритмов планирования.

Внедрение результатов Результаты работы внедрены на ФГУП ЦНИИ «Комета» в качестве составной части ОКР по разработке АСКМ ПМО.

Внедрение результатов работы подтверждается соответствующим актом.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2005», Москва, 2005 г.;

• на 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006», Москва, г.;

• на XVI международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2007 г.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 отчетах по НИР и в 9 печатных работах, в том числе одна публикация в ведущем рецензируемом научном журнале «Вестник МАИ», входящем в список ВАК РФ.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем диссертации – 149 страниц машинописного текста, включает 52 рисунка и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлено описание АСКМ, входящих в нее объектов, процесса функционирования, назначения и решаемых задач. Произведен системотехнический анализ (в том числе и формализованный анализ) процессов, происходящих в АСКМ, и связанных с постановкой и решением задачи планирования наблюдений, приведена содержательная постановка задачи планирования наблюдений и обоснована актуальность темы диссертации.

В диссертации рассматривается автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов, предназначенная для федерального контроля судоходства в интересах различных ведомств центрального подчинения (рис. 1). Активными средствами системы являются группировки космических аппаратов с АО различного типа, собирающей информацию по различным характеристикам ПМО (координатам, курсе, скорости движения, классу ПМО и др.). Процесс сбора информации имеет стохастический характер, что связано с неопределенностью движения ПМО, ошибками в прогнозе местоположения ПМО, частичностью перекрытия зоной обзора АО прогнозируемой ОВП ПМО, вероятностным характером самого процесса обнаружения. Полученная с помощью АО КА информация о ПМО с запаздыванием доводится до ЦПОИ системы через НИК, осуществляющие прием/передачу данных между КА и ЦПОИ. В АСКМ предусмотрено наличие спутников–ретрансляторов (СР).

Ретрансляционная аппаратура находится на высокоорбитальных КА. СР способен принимать и передавать данные между КА и НИК. На основе полученной в ЦПОИ информации должны решаться задача сопровождения (ЗС) ПМО, а также задача выдачи информации (ЗВИ) о характеристиках ПМО конечным потребителям (службы спасения, рыбоохраны, экологического мониторинга, пограничной охраны и т.п.). Для решения ЗС и ЗВИ в АСКМ должен формироваться информационный образ 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.

Заказчиком сформулированы два наиболее важных конечных показателя эффективности функционирования АСКМ: математическое ожидание важности ПМО, по которым решается ЗВИ (МОВажЗВИ) и математическое ожидание важности ПМО, по которым решается ЗС (МОВажЗС).

Ранее полученная информация обладает свойством старения с точки зрения использования ее для решения указанных задач на определенный момент. С точки зрения конечных потребителей информации, чем более свежей является полученная информация о ПМО, тем эффективнее могут быть организованы их действия по взаимодействию с ПМО. В данной работе предполагается, что по каждой позиции формуляра ПМО имеется предельное запаздывание, после которого полученная ранее по ним информация перестает быть актуальной и не может эффективно использоваться потребителями информации для организации своих действий.

На конкретном КА установлена АО определенного типа (радиолокационная, радиотехническая, оптическая). Различные типы АО имеют различные возможности по сбору информации по перечню позиций формуляра ПМО.

На работу бортовой АО КА накладываются ограничения по возможности ее использования в АСКМ. В работе рассматриваются следующие ограничения:

по числу включений АО КА на одном витке и на сутках, по времени работы АО КА на одном витке и на сутках, по скорости перенацеливания оптической аппаратуры с осмотра одной области на осмотр другой, по емкость бортового долговременного запоминающего устройства (ДЗУ), по освещенности места осмотра, по метеообстановке в месте осмотра.

Для осуществления планирования наблюдений необходимо определять массив всех возможностей наблюдения на интервале планирования, включающий, в частности, в себя следующую информацию по каждой возможности:

• Моменты времени возможного начала и окончания наблюдения.

• Момент времени возможного доведения данных текущего наблюдения до ЦПОИ.

наблюдения.

• Доля перекрытия ОВП ПМО полосой обзора АО КА при текущем наблюдении.

• Освещенность места осмотра (угол места Солнца).

• Прогнозируемый коэффициент метеообстановки в месте осмотра.

• Угол разворота оптической оси камеры для АО оптического типа.

планирования наблюдений, описаны метод и алгоритм решения задачи планирования, а также приведено описание программной реализации алгоритмов планирования.

Для осуществления формализованной постановки задачи планирования введены следующие обозначения:

I – множество КА, для которых осуществляется планирование, М – множество ПМО, за которыми осуществляется наблюдение, KVm (m M ) - коэффициент важности m-го ПМО, KF – множество позиций формуляра ПМО KVF (k KF ) - коэффициент важности k – ой позиции формуляра с точки зрения использования содержащейся в ней информации для решения ЗС и ЗВИ, I k (k KF ) - множество КА, АО которых получает информацию по k-ой позиции формуляра ПМО, [0, T p ] - интервал планирования, Li (i I ) - множество витков i-го КА на интервале планирования, N 1i (i I ) - ограничение на количество включений АО i-го КА на одном витке интервала планирования, NS i (i I ) - ограничение на количество включений АО i-го КА на всем интервале планирования, T 1i (i I ) - ограничение на время работы АО i-го КА на одном витке интервала планирования, TSI i (i I ) - ограничение на время работы АО i-го КА на интервале планирования, Vi (i I ) - ограничение на объем ДЗУ АО i-го КА, KDPi (i I ) - коэффициент пересчета времени наблюдения АО i-го КА в объем памяти ДЗУ, требуемой для хранения информации, полученной в результате наблюдения, Ri - упорядоченное по времени множество всех возможных наблюдений для iго КА, J i (i I ) - множество интервалов между соседними моментами сброса информации в ЦПОИ на всем интервале планирования для i-го КА, Rij (i I, j J i ) - упорядоченное по времени множество всех возможных наблюдений для i-го КА на j-ом временном интервале между соседними моментами сброса информации в ЦПОИ, обозначение r-го по порядку наблюдения, осуществляемого i-ым КА ( mr - номер ПМО для этого наблюдения, lr - номер витка i-го КА для этого наблюдения), Dir (i I, r Ri ) - длительность наблюдения (i, r ), t ir, t ir (i I, r Ri ) - моменты начала и окончания наблюдения (i, r ), I p - подмножество КА, АО которых требует нацеливания на область осмотра, x[i r ] (i I, r Ri ) - оптимизационные переменные (=1, если наблюдение (i, r ) включено в составляемый план, =0 – в противном случае), TPN ri, r + j (i I p, r Ri ) - время, необходимое для перенацеливания с r-го на r+j наблюдение для i-го КА, ir (i I, r Ri ) - случайная величина, определяющая успешность реализации наблюдения (i, r ) (=1, если наблюдение прошло успешно, =0 – в противном случае); предполагается возможным перед решением задачи планирования расчет вероятностей P( ir = 1). При расчете вероятности успешной реализации наблюдения учитывается несколько составляющих: вероятность обнаружения ПМО Pобн, если ПМО оказался в поле обзора АО КА и АО включена;

вероятность накрытия Pнакр ПМО полосой обзора АО КА, если ПМО находится внутри ОВП ПМО; вероятность того, что ПМО находится внутри ОВП PОВП ;

вероятность обнаружения ПМО при текущей освещенности места осмотра Pосвещ ;

вероятность обнаружения ПМО при текущей метеообстановке в месте осмотра Pметео. Таким образом, P( ir = 1) = Pобн Pнакр PОВП Pосвещ Pметео.

KSI mk (t ) (m M, k KF ) - коэффициент старения полученной в ЦПОИ информации по k-ой позиции формуляра m-го ПМО (является случайной, пилообразного вида, кусочно-линейной функцией времени, изменяющейся на отрезке [0,1] (0-информация только получена АО КА и одновременно доведена составленного плана ( x[i r ] (i I k, r : mr = m) ; случайный характер этой функции KSI mk (t ) имеют следующий вид:

где KSI mk (t ) - составляющая функции старения информации, связанная с успешной реализацией запланированного наблюдения (i, r (m, lr )), XU mk - множество запланированных и успешно реализованных наблюдений k – ой позиции формуляра m-го ПМО;