РКС 2019 1

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 1, c. 49–54 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 621.396.677 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.1.49.54 Обеспечение энергетических характеристик крупногабаритных зеркальных антенн с помощью антенных полей Д. Д. Габриэльян, д. т. н., профессор, [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация В. И. Демченко, к. т. н., [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация А. Е. Коровкин, [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация А. В. Шипулин, [email protected] ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация Ю. И. Полтавец, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Рассмотрены вопросы обеспечения высоких энергетических характеристик путем замены крупноапертурных ан- тенн антенными полями. Предложено формировать антенное поле на единой конструкции, наклоненной под углом 45◦ к плос- кости горизонта, что обеспечивает сканирование луча в пределах верхней полусферы, использовать опорно-поворотное устрой- ство (ОПУ) каткового типа, позволяющее установить несущую конструкцию антенного поля в требуемом рабочем секторе по углу азимута, и собственные ОПУ, осуществляющие точное наведение каждой зеркальной системы в составе антенного поля по углу места и азимута. Приведен вариант построения антенного поля для системы дальней космической связи на базе семи зеркальных антенн (ЗА) с диаметром рефлектора 12 м, обеспечивающего сканирование луча, формируемого антенным полем в секторе углов, близком к полусфере. Представлены характеристики направленности при сканировании луча в верхней полусфере. Ключевые слова: крупногабаритная зеркальная антенна, антенно-волноводный тракт, антенное поле Ensuring Energy Characteristics of Large-Scale Dish Antennas by Antenna Fields D. D. Gabriel’yan, Dr. Sci. (Engineering), [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russia V. I. Demchenko, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russia A. E. Korovkin, [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russia A. V. Shipulin, [email protected] FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russia Yu. I. Poltavets, Cand. Sci. (Engineering), contact@ spacecorp.ru Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The paper studies the issues of providing high-energy characteristics by means of changing large aperture antennas with antenna fields. It is offered to form an antenna field on a unified construction declined at the 45◦ angle to the horizontal plane, which ensures scanning of a ray within the limits of the upper hemisphere. Moreover, the article suggest employing a positioning mount of a roller type allowing erecting a supporting structure of an antenna filed in the required operating sector in the azimuth angle. In addition, it is offered to apply own positioning mounts providing accurate pointing of each parabolic system as a part of an antenna field both in elevation and in azimuth. Keywords: large-scale dish antenna, antenna and waveguide transmission line, antenna field

50 Д. Д. ГАБРИЭЛЬЯН, В. И. ДЕМЧЕНКО, А. Е. КОРОВКИН, А. В. ШИПУЛИН, Ю. И. ПОЛТАВЕЦ Крупноапертурные антенные системы с пло- Цель статьи — анализ одного из вариантов по- щадью апертуры рефлектора больше 300 м2 нахо- строения антенного поля системы дальней космиче- дят применение в различных областях исследова- ской связи на базе зеркальных антенн, обеспечива- ния космоса, включая организацию дальней кос- ющего сканирование луча, формируемого антенным мической связи [1–5]. Создание таких антенных полем в секторе углов, близком к полусфере. систем в каждом случае сопряжено с необходимо- стью решения сложных научно-технических и ин- Решаемые задачи: женерных задач и соответственно значительными 1. Анализ возможности создания антенного материальными и временными затратами. поля для замены крупноапертурной антенны с диа- метром рефлектора 32 м и более и предложения по Основными факторами, определяющими слож- его построению. ность построения таких антенных систем, являются: 2. Исследование характеристик направленно- сти, формируемых антенным полем. – большая площадь и масса зеркальной си- Одним из основных требований, предъявляе- стемы, а также значительный вынос контррефлек- мых к конструкции антенного поля системы даль- тора, что обусловливает сложность поддержания ней космической связи, является возможность ска- требуемой формы зеркальной системы и взаимного нирования луча в секторе углов, близком к верхней положения зеркальной и облучающей систем при полусфере. Для исключения эффектов взаимного сопровождении спутника по углу места. Появляю- затенения антенн при формировании луча в на- щиеся отклонения формы рефлектора и смещение правлениях, близких к горизонту, предлагается со- контррефлектора требуют принятия сложных доро- здавать антенное поле, как показано на рис. 1: гостоящих мер для исключения снижения коэффи- – исключение эффектов взаимного затенения циента усиления в Ku- и Ka-диапазонах частот; при сканировании луча в угломестной плоско- сти обеспечивается установкой плоскости несущей – высокая сложность создания опорно-пово- конструкции антенного поля под углом 45◦ к плос- ротного устройства (ОПУ) (независимо от того, ис- кости горизонта; пользуется ОПУ башенного или каткового типа), – исключение эффектов взаимного затенения которое должно обеспечивать точность наведения при сканировании луча в азимутальной плоскости зеркальной системы не более 0,1 в требуемом диа- обеспечивается возможностью вращения антенного пазоне углов; поля путем поворота на катках. Приведенный на рис. 1 вариант построения со- – внешние воздействия, включая весовые ответствует замене 32-метровой зеркальной антен- и ветровые нагрузки, приводящие к колебаниям ны антенным полем из семи 12-метровых ЗА. зеркальной системы, а также градиент температур Каждая из семи антенн имеет независимое по поверхности рефлектора, приводящий к искаже- ОПУ для наведения своей зеркальной системы нию его формы. в требуемом направлении и свой антенно-волно- водный тракт. Расстояние между центрами рефлек- Указанные сложности реализации крупноапер- торов составляет 19,2 м. Это позволяет, с одной турных антенн обусловливают во многих случаях стороны, избежать взаимного затенения рефлекто- использование подхода, связанного с созданием ги- ров при малых и больших углах места, а с другой бридной антенны, представляющей собой совокуп- стороны, исключить появление дифракционных ле- ность зеркальных антенн (ЗА) с диаметром рефлек- пестков в диаграмме направленности (ДН) всей ан- тора 10–12 м, установленных на общем подвижном тенной системы. основании упрощенной конструкции [1, 3, 4]. На рис. 2 и 3 показано положение рефлекторов в составе антенного поля для углов места 5◦ и 85◦. Известные варианты построения антенных по- В предлагаемой антенной системе наведение лей на основе зеркальных антенн, предусматриваю- максимума ДН по углу азимута осуществляется щие установку антенн в горизонтальной плоскости, комбинированным способом: имеют ряд недостатков, одним из которых является затенение антенн, размещенных в центре антенного поля, антеннами, установленными по его периметру, которое возникает при сканировании луча антенной системы в секторе углов, близком к полусфере. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН 51 Рис. 1. Антенное поле на основе семи антенн: а) общий вид; б) вид сбоку Рис. 2. Конструкция антенной системы (угол места луча 5◦): а) общий вид; б) вид сбоку – с использованием ОПУ каткового типа несу- ляется. В то же время такая предварительная уста- щая конструкция антенной системы устанавлива- новка позволяет сократить азимутальный сектор ется в требуемом рабочем секторе по углу азимута; перемещения привода каждой зеркальной системы – с использованием собственного ОПУ осу- ществляется точное наведение каждой зеркальной и тем самым упростить построение опорно-пово- системы по углу места и азимута. ротного устройства. Плоскость несущей конструк- Необходимо указать, что к точности предвари- ции наклонена под углом 45◦ к плоскости основа- тельной установки несущей конструкции по углу азимута никаких высоких требований не предъяв- ния, что позволяет упростить также и угломест- ный привод и ограничить угловое перемещение ре- флектора сектором (−40◦, +40◦). В целом это дает РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

52 Д. Д. ГАБРИЭЛЬЯН, В. И. ДЕМЧЕНКО, А. Е. КОРОВКИН, А. В. ШИПУЛИН, Ю. И. ПОЛТАВЕЦ Рис. 3. Конструкция антенной системы (угол места луча 85◦): а) общий вид; б) вид сбоку Рис. 4. ДН антенной системы (угол места луча 45◦): а) в угломестном сечении; б) в азимутальном сечении Рис. 5. ДН антенной системы (угол места луча 5◦): а) в угломестном сечении; б) в азимутальном сечении РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН 53 возможность значительного упрощения угломест- Выводы но-азимутального привода и повышения точности установки луча. 1. Анализ возможности создания антенного поля для замены крупноапертурной антенны с диа- На рис. 4 и 5 приведены ДН, формируемые метром рефлектора 32 м и более, сканирующей данной антенной системой для углов места 45◦ и 5◦ в области верхней полусферы, показал необходи- соответственно (ДН для угла места 85◦ будет сов- мость использования системы ЗА, установленных падать с ДН для угла места 5◦). на общей несущей конструкции, плоскость кото- рой наклонена под углом 45◦ к плоскости гори- Конструкция 12-метрового рефлектора явля- зонта. Вращение несущей конструкции достигается ется жесткой с отсутствием деформаций при изме- ее установкой на систему катков, движущихся по нении угла места. Достигнутые в настоящее время рельсовому пути, уложенному по окружности. значения среднеквадратичного отклонения (СКО) поверхности рефлектора от эталонной (теоретиче- Достоинствами предложенной антенной систе- ской) составляют 0,15 мм. Максимальная рабочая мы являются: частота антенны, при которой КНД антенны оста- ется в заданных пределах с учетом условий экс- – замена сложного в изготовлении и установ- плуатации, составит 40 ГГц. Необходимо отметить, ке рефлектора диаметром 32 м и более и связанной что в ЗА с рефлектором меньшего размера ре- с ним формообразующей конструкции на семь ре- ализуемое значение коэффициента использования флекторов с диаметром 10–12 м, технология изго- поверхности (КИП) антенн выше по сравнению товления которых хорошо отработана; со значением КИП в крупноапертурных антеннах [5–8]. – возможность использования гибридного ОПУ, в котором предварительная установка несущей Одним из вопросов построения предлагаемо- конструкции антенной системы в рабочем секто- го варианта антенной системы является совместное ре по углу азимута осуществляется с применением фазирование всех семи ЗА, которое заключается ОПУ каткового типа, а точное наведение каждо- в выравнивании фаз излучаемых каждой антенной го рефлектора — с использованием отработанного сигналов относительно одного, например излучае- азимутально-угломестного ОПУ. Наклон несущей мого четвертой антенной сигнала. конструкции под углом 45◦ к плоскости горизонта позволяет сократить сектор сканирования каждой На рис. 6 приведена структурная схема антенны до ±40◦ относительно нормали к плоско- устройства фазирования в режиме передачи сиг- сти раскрыва. С учетом данных предложений воз- налов. Для подстройки фазы излучаемых сигналов можно использование упрощенного азимутально- в тракте передачи каждой антенны установлен на- угломестного ОПУ, что обеспечивает повышение правленный ответвитель. точности наведения луча и снижает стоимость ан- тенной системы; Сигнал проходит через фазосдвигающее ус- тройство и поступает на первый вход соответ- – обеспечение более высокого значения КИП ствующей системы фазовой автоподстройки часто- и отсутствие его снижения из-за искажений фор- ты (ФАПЧ). На второй вход подается опорный сиг- мы рефлектора, обусловленных действием весовых нал с ответвителя четвертой антенны. нагрузок, при изменении угла места; Сигнал рассогласования, пропорциональный – более простое выполнение антенно-волно- разности фаз излучаемых сигналов, подается на водного тракта с использованием последующего вход соответствующего генератора, что обеспечи- цифрового диаграммообразования; вает взаимное фазирование всех семи антенн. – более простое выполнение операций при Величина фазового сдвига определяется в ус- проведении технического обслуживания и эксплу- тройстве управления антенной системой на осно- атации. ве известного положения зеркальных антенн на несущей конструкции и требуемых углов наведе- Сложности реализации заключаются в: ния луча антенной системы. • необходимости использования семи трактов (один тракт для каждой антенны); РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

54 Д. Д. ГАБРИЭЛЬЯН, В. И. ДЕМЧЕНКО, А. Е. КОРОВКИН, А. В. ШИПУЛИН, Ю. И. ПОЛТАВЕЦ Рис. 6. Структурная схема устройства фазирования зеркальных антенн в составе антенной системы • необходимости дополнительного введения радиоастрономии». 22–26 сентября 2014 г., Пущино, устройства цифрового диаграммообразования. ПРАО АКЦ ФИАН. 2. Выполненное исследование диаграммы на- 2. Кинбер Б. Е. Двухзеркальная антенна // Радиотех- правленности, формируемой антенным полем из се- ника и электроника, 1962, т. 7. С. 973–981. ми 12-метровых ЗА, расстояние между центрами которых составляет 19,2 м, показало, что ДН та- 3. Williams W. F. High efficiency antenna reflector // кого антенного поля полностью соответствует ДН Microwave Journal, July, 1965. P. 79–82. 32-метровой ЗА. При этом общая геометрическая площадь рефлекторов семи 12-метровых ЗА со- 4. Galindo V. Design of dual reflector antennas with arbi- ставит 1008 м2 против 1024 м2 32-метровой ЗА. trary phase and amplitude distribution // IEEE Trans. С учетом более высокого КИП, реализуемого Antennas Propagat, 1964, vol. AP–12. P. 403–408. в 12-метровых антеннах, выигрыш в шумовой доб- ротности при использовании антенного поля по 5. Демченко В. И., Косогор А. А., Раздоркин Д. Я. сравнению с 32-метровой ЗА составит 0,7 дБ. Методология разработки многодиапазонных зеркаль- ных антенн // Антенны, 2012, вып. 9(184). С. 4–13. Список литературы 6. Раздоркин Д. Я., Романенко М. В. Оптимизация об- 1. Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Саранов А. А. лучающих систем многодиапазонных двухзеркаль- Применение полей зеркальных антенн для постро- ных осесимметричных антенн // Антенны, 2001, ения современных радиотелескопов // Материалы вып. 6(61). С. 47–51. Всероссийской радиоастрономической конференции (ВРК-2014) «Радиотелескопы, аппаратура и методы 7. Раздоркин Д. Я., Романенко М. В. Алгоритм оп- тимизации двухзеркальной антенны с рефлекто- ром из параболических щитов // Антенны, 2002, вып. 5(60). С. 44–47. 8. Rao B. L. J., Chen S. N. C. Illumination efficiency of a shaped Cassegrian system // IEEE Trans. An- tennas and Propagat (Communications), May 1970, vol. AP–18. P. 411–412. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 1, c. 55–64 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 629.7.071 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.1.55.64 Универсальная портативная система функционального контроля бортовой аппаратуры малых космических аппаратов С. А. Подшивалов, аспирант, м. н. с., [email protected] Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация А. С. Злобин, с. н. с., [email protected] Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация Т. В. Кондранин, д. ф.-м. н., профессор, [email protected] Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация С. С. Негодяев, к. т. н., [email protected] Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация Аннотация. Тестирование и наземная отработка бортовой аппаратуры малых космических аппаратов (МКА) — важная и неотъемлемая задача каждой миссии. В докладе представлены полученные в 2013–2018 гг. в МФТИ результаты иссле- дований и разработки специализированной малогабаритной универсальной системы функционального контроля (СФК) для испытаний бортовой электронной аппаратуры различного назначения для малых КА. Ключевой особенностью созданной СФК является универсальность, реализованная путем построения архитектуры системы на базе программируемой логической инте- гральной схемы (ПЛИС). Также значимым достигнутым результатом являются невысокая стоимость и малые габариты системы по сравнению с представленными на рынке готовыми модульными решениями. Портативность системы позволяет совмещать функциональный контроль и тестирование бортовой аппаратуры с другими типами испытаний, например термовакуумными, что максимально точно симулирует поведение тестируемого прибора на орбите. С помощью данной СФК были проведены комплексное тестирование и функциональный контроль разработанного в МФТИ бортового вычислителя для малых КА. Ключевые слова: функциональный контроль, наземная отработка, предполетные испытания, бортовая аппаратура, малые космические аппараты Universal Portable Functional Control System for Small Spacecraft Onboard Equipment S. A. Podshivalov, postgraduate student, junior researcher, [email protected] Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation A. S. Zlobin, senior researcher, [email protected] Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation T. V. Kondranin, Dr. Sci (Phys.-Math.), professor, [email protected] Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation S. S. Negodyaev, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation Abstract. Testing and ground adjustment of onboard equipment of small spacecraft is an important and integral task of each mission. This article presents the results obtained in 2013–2018 at MIPT of research and development of a specialized small-size universal functional control system (FCS) for verification of onboard electronic equipment for small spacecraft. A key feature of the created FCS is its versatility implemented by building a system architecture based on a field-programmable gate array (FPGA). In addition, significant results are the low cost and small size of the system compared to the modular solutions presented on the market. The portability of the system makes it possible to combine functional control and testing of onboard equipment with other types of tests, for example, thermal vacuum, which most accurately simulates the behavior of the device being tested on the orbit. Comprehensive testing and functional control of the onboard computer for small spacecraft developed at MIPT was completed by means of the developed FCS. Keywords: functional control, ground adjustment, pre-flight testing, onboard equipment, small spacecraft

56 С. А. ПОДШИВАЛОВ, А. С. ЗЛОБИН, Т. В. КОНДРАНИН, С. С. НЕГОДЯЕВ Введение троля одно из важнейших условий — условие мак- симального совмещения процедур функционально- Разрабатываемая бортовая аппаратура (БА) го тестирования БА с другими типами испытаний. для космических аппаратов проходит ряд предпо- Отсюда вытекает важное требование, предъявляе- летных испытаний, и тестирование аппаратуры яв- мое к СФК, — портативность и удобство исполь- ляется ответственной и трудоемкой задачей. зования. В настоящее время из представленных на рынке решений наиболее подходящими являются В последние годы в космической индустрии относительно компактные PXI- или VXI-системы активно развивается сфера малых недорогих кос- и средства тестирования [2]. Оба решения под- мических аппаратов. При разработке бортовой ап- разумевают набор требуемого функционала путем паратуры для малых космических аппаратов ис- установки различных модулей в несущее шасси. пользование электрорадиоизделий (ЭРИ), квали- Как зарубежные PXI-системы от «National Instru- фицированных для космического применения, ста- ments» [3], так и отечественные VXI-системы [4] новится нецелесообразным в силу их экстремально обладают высокой стоимостью, например шасси высокой стоимости. Поэтому в большинстве слу- для PXI-системы будет стоить минимум 5 тыс. чаев применяют ЭРИ индустриального исполне- долл. [5], а каждый модуль — от 1 тыс. долл. [6], ния, при этом возникает важный вопрос надежно- так общая сумма одной такой системы тестиро- сти такой аппаратуры. Вследствие этого тестирова- вания обойдется в несколько десятков тысяч дол- ние, наземная отработка и проведение предполет- ларов. Учитывая необходимость использования па- ных испытаний бортовой аппаратуры МКА требу- раллельно нескольких таких систем для наземной ют особенно пристального внимания. отработки, ценовой фактор имеет очень большой вес. Также при использовании существующих си- Актуальность создания стем необходимо значительное время на их адап- тацию, настройку и отладку исходя из требова- Важную роль в тестировании электронной БА ний, предъявляемых к конкретной БА. При этом занимает функциональный контроль, который так- большинство разрабатываемой бортовой аппаратуры же задействуется при верификации БА, ее подси- не унифицировано. Бортовая аппаратура постоян- стем и программного обеспечения [1]. Применение но модернизируется, и каждое новое изделие имеет функционального контроля в сочетании с други- существенные отличия от предшествующего образ- ми типами проверок в рамках наземной отработки ца БА. Как следствие, использование ранее разра- и предполетных испытаний позволяет получить бо- ботанного стенда тестирования для проверки ново- лее достоверную информацию о состоянии всей по- го изделия того же назначения становится невоз- лезной нагрузки КА и, следовательно, обеспечить можным. Поэтому целесообразным решением для более точный прогноз по функционированию аппа- обеспечения оперативного тестирования разрабаты- ратуры на орбите. Основными испытаниями борто- ваемой аппаратуры является использование систе- вой электронной аппаратуры космического приме- мы с высокими показателями универсальности для нения являются: проведения наземных испытаний и отладки борто- вой аппаратуры МКА. Под универсальностью пони- • термоциклические испытания; мается спектр доступной периферии и функционала, а также простота и удобство их реализации. • вакуумные либо термовакуумные испытания; Для нужд тестирования и проведения фун- • радиационные испытания; кционального контроля бортового вычислителя, со- зданного в МФТИ, было принято решение само- • механические испытания (вибрации и ударные стоятельно разработать специализированную СФК. нагрузки). При этом упор ставился на уменьшение ее мас- согабаритных характеристик. Помимо этого, стоя- Совмещение каждого типа испытаний с функ- ла задача универсализации СФК, т. е. возможности циональным тестированием БА позволяет быстро обнаружить слабые места в аппаратуре. В этой свя- зи при разработке системы функционального кон- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОРТАТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ 57 ее использования для тестирования другой однотип- дования, функционального контроля коммуникаци- ной бортовой аппаратуры с минимальными доработ- онных интерфейсов и прочих узлов. При необходи- ками. Также упор делался на уменьшение стоимости мости можно провести поверку СФК и переквали- разработки и изготовления, что позволяет произво- фицировать ее в контрольно-измерительное обору- дить несколько СФК для каждого нового разраба- дование. тываемого прибора. Это ускоряет и упрощает назем- ную отработку БА. Таким образом, можно сформу- Технические основы лировать три основные задачи при разработке СФК: • универсальность и гибкость платформы; Исходя из требований, предъявляемых к СФК, было решено проектировать систему, опираясь на • массогабаритные характеристики; структуру современных бортовых вычислительных машин. Такой подход гарантирует высокую надеж- • низкая стоимость. ность, достаточную производительность и компакт- ность системы. Требования к гибкости платформы Универсальность подразумевает не только пе- и универсальности системы определили архитектур- реконфигурацию конкретной СФК для задач тести- ную основу СФК: было решено строить систему рования других устройств, а и в большей степе- на базе программируемой логической интегральной ни возможность в кратчайшие сроки с минималь- схемы. Исследования зарубежной литературы и тру- ными изменениями и доработками в аппаратной дов конференций показало, что большинство совре- части произвести новое, готовое к эксплуатации менных высоконадежных бортовых вычислительных устройство для другого образца бортовой аппара- машин строятся на основе вычислительного ядра туры МКА. С таким определением универсально- Leon3-FT [7–9]. Данное ядро имеет высокие по- сти эффект гибкости платформы начинает играть казатели радиационной стойкости и крайне поло- еще большую роль, т. к. это сильно упрощает адап- жительно себя зарекомендовало в полетных мис- тацию вновь произведенной СФК под новый те- сиях [10]. Широкое распространение процессоры на стируемый образец бортовой аппаратуры. Это ка- данном ядре получили потому, что Leon3 [11] рас- сается как аппаратной части, так и специально- пространяется в виде библиотек [12], в состав кото- го программного обеспечения. Такой подход отра- рых входит не только вычислительное ядро, но и бо- жает концепцию наследия и преемственности при гатый набор периферии, что в свою очередь позво- проектировании и разработке средств тестирования ляет строить законченные системы на базе програм- и функционального контроля. мируемой логической интегральной схемы с гиб- кой внутренней структурой (пример системы на кри- Разработанная СФК представляет собой уни- сталле в ПЛИС СФК — рис. 1). версальный программно-аппаратный комплекс, пред- назначенный для решения следующих задач: В качестве основы СФК выбрана именно программируемая логическая интегральная схема, • проверки токов потребления; ее использование позволяет как строить стандарт- ную систему на основе ядер Leon3, так и разраба- • контроля допустимого диапазона напряжений тывать специализированные модули на VHDL под питания; каждый нестандартный тестируемый образец БА. Такой подход позволяет повысить показатели уни- • контроля пиковой и средней мощностей тести- версальности системы и охватить широкий спектр руемой аппаратуры; возможной тестируемой аппаратуры с помощью СФК. При этом для наземного применения нет • проверки работоспособности коммуникацион- необходимости в использовании ядра с повышен- ных интерфейсов; ными отказоустойчивыми характеристиками (вер- сия FT — fault tolerance), а достаточно свободно • проверки портов ввода/вывода; • проверки сигналов синхронизации. Следует подчеркнуть, что по умолчанию СФК не является метрологическим оборудованием, а ис- пользуется для верификации тестируемого обору- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

58 С. А. ПОДШИВАЛОВ, А. С. ЗЛОБИН, Т. В. КОНДРАНИН, С. С. НЕГОДЯЕВ Рис. 1. Система на кристалле, реализованная в ПЛИС (LEON3 CPU — процессор LEON3; Debug support unit — контроллер отладочного модуля процессора; CAN — контроллер интерфейса CAN; Serial debug link — контроллер отладочного последовательного интерфейса; Ethernet — контроллер интерфейса Ethernet; SpaceWire — контроллер интерфейса SpaceWire; SPI — контроллер интерфейса SPI; UART — контроллер интерфейса UART; Timer — счетчик; IRQ controller — контроллер прерываний; 1-Wire — контроллер интерфейса 1-Wire; AHB/APB bridge — мост между основной и периферийной шиной; Memory Controller — контроллер памяти; SRAM — оперативная память; PROM — флеш-память; AHB — контроллер основной высокопроизводительной шины) распространяемой GPL-версии ядра Leon3. Еще гибкость и возможность изменения конфигурации. один плюс системы на ПЛИС — ее малый размер Для обеспечения совместимости и возможности и малый размер требуемой аппаратной периферии, проведения испытаний доработан физический уро- что является одним из ключевых факторов для до- вень в части расширения функционала коммуника- стижения поставленных задач. ционных интерфейсов, была изменена конфигура- ция и распайка коннекторов, разработана прошив- Нулевое поколение — прототип ка ПЛИС для нужд тестирования, а также пол- ностью написано специализированное ПО для про- Разработка СФК началась в 2013 году. Тогда ведения функционального контроля. Следует под- непосредственно стояла задача провести функцио- черкнуть, что основная работа состояла именно нальный контроль и ряд предполетных испытаний в разработке ПО для проведения тестирования, разрабатываемого бортового вычислителя. За ос- а также в создании прошивки ПЛИС с необходи- нову были взяты технические наработки и реше- мым функционалом. Данная разработка стала про- ния, полученные в ходе создания самого борто- тотипом СФК, ее можно назвать «СФК нулевого вого вычислителя. Для сокращения сроков про- поколения» (рис. 2), которая обладала следующи- изводства и проверки гипотез аппаратной и про- ми техническими характеристиками: граммной частей было принято работать непосред- ственно с образцом бортового вычислителя преды- • производительность 25 MIPS; дущего поколения. Такой подход был возможен, т. к. архитектура бортового вычислителя также по- • объем SRAM-памяти 16 Мбайт; строена на ПЛИС, которая имеет определенную • объем FLASH-памяти 64 Мбайт; • напряжение питания от 5 В до 26 В; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОРТАТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ 59 Рис. 2. СФК нулевого поколения (прототип) • поддержка интерфейсов: что фактически свелось к проработке программ- но-аппаратных решений, оперируя конфигурацией – CAN 2 шт.; которых можно получить требуемый функционал – RS-485 1 шт.; под любой другой образец БА. Ядром всей ар- – RS-422 1 шт.; хитектуры СФК является ПЛИС, поэтому пра- – SPI 2 шт.; вильный выбор микросхемы определяет достижи- – Ethernet 1 шт.; мость всех поставленных задач при разработке – 1-Wire 1 шт. СФК. Первичный обзор рынка представленных на рынке ПЛИС определил тип будущей микро- СФК нулевого поколения в полной мере спра- схемы — FPGA (англ. Field-Programmable Gate вилась с поставленными задачами, тем самым за- Array). Такие микросхемы обладают на порядок валидировав концепцию создания малогабаритных большим количеством ячеек и позволяют строить приборов на ПЛИС при проектировании контроль- более сложные системы в силу особенностей архи- но-проверочной аппаратуры. тектуры в сравнении с CPLD- (англ. Complex Pro- grammable Logic Device) устройствами [13]. Изна- Первое поколение — универсальность чально ядро Leon3-FT было разработано для со- здания систем на кристалле и идеальной рабо- Следующей вехой в развитии стало созда- ты на базе радиационно стойких ПЛИС RTAX ние специализированной СФК для нужд тестиро- и RT ProASIC3 от компании Actel. Затем ста- вания нового поколения бортового вычислителя, ли проводится исследования дизайнов на процес- разрабатываемого в МФТИ. Основной задачей при сорном ядре Leon3-FT и систем на кристалле проектировании было заложить универсальность, для ПЛИС компании Xilinx семейства Virtex [14]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

60 С. А. ПОДШИВАЛОВ, А. С. ЗЛОБИН, Т. В. КОНДРАНИН, С. С. НЕГОДЯЕВ Рис. 3. СФК первого поколения (справа) и второго поколения (слева) При этом микросхемы Xilinx в несколько раз доро- Данная разработка стала полноценной «СФК же, а для Actel доступен более широкий спектр первого поколения» (рис. 3, справа). Первое поко- документации в силу идеальной совместимости ление СФК во многом имеет отсылки к прототипу с процессорным ядром и большого количества по- в части надежных и уже отработанных решений, летных миссий с такой конфигурацией. Поэто- при этом был расширен перечень интерфейсов на му для наземного применения в качестве осно- борту. Одним из новшеств стала система подачи вы цифровой части СФК была выбрана индустри- питания и контроля и измерения параметров, таких альная ПЛИС семейства ProASIC3E A3PE3000, как ток, напряжение и мощность. Программное производимая фирмой Actel. Такая же ПЛИС сто- обеспечение и все тесты для функционального кон- яла в СФК нулевого поколения и оказалась опти- троля были сведены в единую программу и запу- мальной для применения в данной системе. ПЛИС щены на операционной системе реального времени семейства ProASIC3E обладают высокой производи- RTEMS с целью слаженной и бесперебойной ра- тельностью и низким энергопотреблением, высокой боты СФК и тестируемой аппаратуры. Синхрони- степенью интеграции и объемом матрицы в три мил- зация двух устройств происходила по шине CAN, лиона системных вентилей. В отличие от большин- тестирование которой осуществлялось в первую ства других ПЛИС, требующих загрузки конфигу- очередь. Положительный результат тестирования рации из внешнего источника, ProASIC3E начина- шины CAN открывал доступ к остальному набору ет работать сразу после подачи питания. Также на проверок. Основные технические характеристики выбор данного семейства повлияло большое количе- СФК первого поколения приведены ниже: ство наработок, в частности касаемо разработанной системы на кристалле для ПЛИС, которая зареко- • производительность 25 MIPS; мендовала себя в нулевом поколении СФК. • объем SRAM-памяти 16 Мбайт; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОРТАТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ 61 • объем FLASH-памяти 64 Мбайт; на базе PXI-модулей. При этом габариты в несколь- ко раз меньше и соизмеримы лишь с одним моду- • напряжение питания от 5 В до 26 В; лем PXI-системы. Срок производства СФК состав- ляет порядка одного календарного месяца, который • диапазон выходного напряжения (входного для включает параллельные процессы изготовления пе- тестируемой БА) от 2,5 В до 25 В; чатных плат и доставки компонентов с последую- щим этапом монтажа. С учетом заложенной кон- • максимальный выходной ток 4 А; цепции преемственности и наследия данные пока- затели стоимости и сроков применимы ко всем бу- • поддержка интерфейсов: дущим поколениям и модификациям СФК. – SpaceWire 3 шт.; Второе поколение — функциональность – CAN 4 шт.; – RS-485 2 шт.; Для бортовой аппаратуры ключевым показа- – RS-422 1 шт.; телем является надежность, поэтому для наиболее – SPI 3 шт.; важных и ответственных узлов, агрегатов и прибо- – Ethernet 1 шт.; ров реализовано полное дублирование. Такие при- – 1-Wire 2 шт.; боры можно представить в виде двух независи- – 14 свободных портов ввода/вывода для мых полукомплектов. Именно для возможности те- стирования подобных устройств была разработана масштабирования и адаптации СФК. СФК второго поколения. В данной версии был рас- ширен набор интерфейсов, например был добав- Важно подчеркнуть, что созданная СФК может лен MIL-STD-1553, были реализованы два незави- быть адаптирована под задачи тестирования других симых контура питания тестируемой аппаратуры, устройств только путем изменения ПО, построенной позволяющие автономно подавать питание на раз- в ПЛИС системы на кристалле, а при крайней необ- личные полукомплекты, в реальном времени изме- ходимости путем внесения изменений в аппаратную нять параметры и измерять их, параллельно прово- часть. Оценки показали, что времени для модерни- дя необходимые функциональные проверки. Теку- зации (адаптации) СФК с учетом производственно- щий функционал второго поколения содержит на го процесса потребуется не более, чем времени на борту все современные интерфейсы, позволяющие закупку, сборку и настройку готового представлен- проводить испытания большинства разрабатывае- ного на рынке решения. Именно в данном поколе- мых цифровых бортовых устройств. Данная СФК нии была заложена основная ценность СФК — уни- сохранила малые габариты, что является важным версальность. На этапе проектирования все реше- фактором при ее использовании в ходе предполет- ния принимались с оглядкой на возможность мас- ных испытаний. штабирования, модификации и адаптации платфор- мы СФК. Набор интерфейсов и перечень протоко- Очередное эволюционное изменение коснулось лов, простота проектирования и сроки производства, не только аппаратной части и прошивки, а так- стоимость и массогабаритные характеристики — все же и программного обеспечения. Для данной вер- это составляет основу «универсальности» СФК. сии СФК доступна удобная графическая версия ПО, позволяющая как провести полный цикл проверок, При разработке и изготовлении данного поко- так и работать выборочно с определенными тестами. ления СФК была выполнена и завалидирована дру- Пример окна программы приведен на рис. 4. гая задача — низкая стоимость. Себестоимость го- тового изделия СФК составляет 1000–1500 долл. Основные технические характеристики СФК в зависимости от набора периферии и количества второго поколения (рис. 5): интерфейсов, куда включены производство печат- ных плат, непосредственно компоненты и их мон- • габариты в корпусе 135 × 165 × 25 мм; таж. СФК преимущественно построена на импорт- ной индустриальной элементной базе, поэтому це- • производительность 25 MIPS; нообразование привязано к иностранной валюте. Стоимость единицы СФК на порядок ниже ана- • объем SRAM-памяти 16 Мбайт; логичной по функционалу системы, построенной РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

62 С. А. ПОДШИВАЛОВ, А. С. ЗЛОБИН, Т. В. КОНДРАНИН, С. С. НЕГОДЯЕВ Рис. 4. Окно программы проведения тестирования Рис. 5. Второе поколение СФК в корпусе РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОРТАТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ 63 • объем FLASH-памяти 64 Мбайт; Выводы • напряжение питания от 5 В до 26 В; Анализ состояния проблемы позволил выявить • диапазон выходного напряжения (входного обстоятельства, связанные с использованием су- ществующих систем, такие как сложность, время для тестируемой БА) от 2,5 В до 34 В; подготовки к тестированию, габариты установок, • максимальный выходной ток 4 А; их стоимость, затраты на испытания и пр. В резуль- • наличие системы измерения сигналов основ- тате была сформулирована и практически реализо- вана концепция компактной системы для проведе- ных интерфейсов; ния функционального контроля и испытаний элек- • поддержка интерфейсов: тронной БА, позволяющая оперативно и с гаранти- рованным высоким качеством проводить весь ком- – SpaceWire 5 шт.; плекс испытаний, предусмотренных техническим за- – CAN 6 шт.; данием, и при этом не требующая больших вре- – RS-485 6 шт.; менны´х и финансовых затрат. Разработанная СФК – SPI 6 шт.; использовалась для проведения функционального – Ethernet 1 шт.; контроля различных бортовых вычислителей для – 1-Wire 4 шт.; МКА. С помощью СФК первого поколения прово- – MIL-STD-1553 2 шт.; дились термоциклические, радиационные и вакуум- – UART для подключения и отладки БА ные испытания двух бортовых вычислителей, кото- рые на данный момент успешно выполняют свою 2 шт.; работу на орбите. С использованием СФК второго – 10 портов GPIO. поколения еще два бортовых вычислителя прошли полный комплекс испытаний. СФК подтвердила на- Третье поколение — мобильность дежность этих вычислителей и готовность изделий к запланированному запуску на орбиту. Широкий спектр испытаний, включая радиа- Список литературы ционные, термовакуумные, виброиспытания, под- разумевает различную географию их проведения. 1. Prof. Dr.-Ing. Jens Eickhoff. Onboard Computers, В таких условиях для СФК важным фактором яв- Onboard Software and Satellite Operations — An In- ляется удобство использования, время готовности troduction. Institute of Space Systems (IRS), Univer- к работе и простота перевозки. Чтобы превратить sity of Stuttgart, Germany: Shpringer, 2011. СФК в максимально удобный инструмент, в насто- ящее время ведется работа по созданию третьего 2. Афанасьев В. Н., Газов Е. В. Выбор платформы при поколения устройства — единого прибора, вклю- построении модульных контрольно-измерительных чающего все необходимые компоненты для авто- систем // T-Comm — Телекоммуникации и Транс- номной работы СФК. Внутри пылевлагозащищен- порт, 2009. С. 88–89. ного кейса с классом защиты IP67 будут собра- ны следующие компоненты: непосредственно пала- 3. Описание PXI систем от NI. http://www.ni.com/en- та СФК, блок питания, портативный компьютер, us/shop/pxi.html (Дата обращения 19.02.2019). устройство отображения информации, устройства ввода. Фактически система будет представлять со- 4. Зайченко С. Н. Опыт разработки контрольно-изме- бой увеличенный в габаритах ноутбук, открыв ко- рительных систем на базе российских модульных торый и подключив к разъемам тестируемый об- приборов в открытых стандартах VXI, LXI, AXIe для разец БА можно провести полный цикл проверок обеспечения стендовых испытаний и функциональ- и функциональный контроль. ного контроля узлов и агрегатов авиационной и ра- кетной техники // Авиакосмическое приборострое- ние, 2015, № 2. С. 64–68. 5. Список PXI платформ NI. http://www.ni.com/ru-ru/ shop/select/pxi-chassis (Дата обращения 19.02.2019). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

64 С. А. ПОДШИВАЛОВ, А. С. ЗЛОБИН, Т. В. КОНДРАНИН, С. С. НЕГОДЯЕВ 6. Описание модуля CAN интерфейса для PXI платфор- 10. Jens Eickhoff. A Combined Data and Power Manage- мы. http://www.ni.com/ru-ru/shop/select/pxi-canopen- ment Infrastructure: For Small Satellites. Germany: interface-module (Дата обращения 26.01.2019). Shpringer, 2013. 7. Shubham Agarwal, Rajiv Bhatia, Padmavathi N., 11. Описание процессора Leon3. Sudhakar S., Udupa S. System on Chip approach https://www.gaisler.com/index.php/products/ for Onboard Computer. IEEE International Confe- processors/leon3 (Дата обращения 19.02.2019). rence on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), 2013. 12. Описание библиотек для системы на кристалле на базе процессора Leon3. https://www.gaisler.com/ 8. Sandi Habinc, Barry Cook, Paul Walker, Jens Eick- index.php/products/ipcores/soclibrary (Дата обраще- hoff, Rouven Witt, Hans-Peter Ro¨ser. Using FPGAs ния 19.02.2019). and a LEON3FT Processor to Build a “Flying Laptop”. ReSpace / Military and Aerospace Programmable 13. Brown S., Rose J. Architecture of FPGAs and CPLDs: Logic Devices Conference Materials, 2011. A tutorial // IEEE Design and Test of Computers, 1996. C. 42–57. 9. Luo Pei, Zhang Jian. A high reliable SOC on-board 14. Learn M. W. Evaluation of the Leon3 Soft-Core computer based on Leon3. IEEE International Confe- Processor Within a Xilinx RadiationHardened Field- rence on Computer Science and Automation Enginee- Programmable Gate Array. SANDIA REPORT — ring (CSAE), 2012. SAND2012-0454, 2012. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 1, c. 65–75 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.1.65.75 Искусственный интеллект в космической технике: состояние, перспективы развития А. Н. Балухто, д. т. н., [email protected] ФГУП ЦНИИмаш, Королев, Российская Федерация А. А. Романов, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Целью работы является определение и обоснование основных областей (направлений) применения технологий искусственного интеллекта (ИИ) в космических системах и комплексах в контексте обеспечения эффективной реализации их целевого применения. Приводится обзор основных областей и направлений применения технологий искусственного интеллекта (ИИ) в косми- ческой технике. Анализируется текущее состояние и перспективы развития в этой области, приводятся конкретные примеры практического использования в ней технологий ИИ. Делается вывод о том, что применительно к космическим приложениям в первую очередь должны развиваться: • нейросетевые и другие технологии, обеспечивающие эффективное решение различных задач, связанных с обработкой больших массивов разнородной спутниковой информации, а также отдельных изображений и сигналов, в том числе на борту КА; • экспертные и другие интеллектуальные системы реального времени, обеспечивающие повышение уровня автономности функционирования КА различного назначения; • мультиагентные технологии автономного управления (в режиме самоорганизации) многоспутниковыми орбитальными группировками; • интеллектуальные системы, обеспечивающие эффективную поддержку модельно-ориентированного проектирования кос- мических систем и их компонентов; • робототехнические средства, предназначенные для орбитального обслуживания КА и решения других задач. Ключевые слова: космический аппарат, космическая техника, искусственный интеллект, технологии искусственного интел- лекта Artificial Intelligence in Space Technology: State, Development Prospects А. N. Balukhto, Dr. Sci. (Engineering), [email protected] FSUE TSNIImash, Korolev, Russian Federation A. A. Romanov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The aim of the work is to identify and substantiate the main areas (directions) of application of artificial intelligence (AI) technologies in space systems and complexes in the context of ensuring the effective realization of their intended use. The review of the main areas and directions of application of artificial intelligence technologies in space technology is given. The current state and prospects of development in this area are analyzed, specific examples of practical use of AI technologies in it are given. It is concluded that in the case of space applications the development of the following areas should be prioritized: • neural networks and other technologies that provide effective solutions to various problems associated with the processing of large amounts of heterogeneous satellite information, as well as individual images and signals, including onboard processing; • expert systems and other intelligent real-time systems that increase the level of autonomy of the SC for various purposes; • multi-agent technologies of autonomous control (in self-organization mode) of multi-satellite orbital groups; • intelligent systems that provide effective support for model-oriented design of space systems and their components; • robotic devices designed to service spacecraft in orbit and solve other problems. Keywords: spacecraft, space technology, artificial intelligence, artificial intelligence technology

66 А. Н. БАЛУХТО, А. А. РОМАНОВ Введение вод и др.) или к описанию некоторых специальных тестов на определение степени интеллектуальности Целью данной статьи является определение системы. Примером такого классического теста яв- и обоснование основных областей (направлений) ляется эмпирический тест Тьюринга [1]. применения технологий искусственного интеллек- та (ИИ) в космических системах (КС) и комплек- Многие читатели этой статьи наверное согла- сах в контексте обеспечения эффективной реали- сятся с ее авторами в том, что когда в названии зации их целевого применения. той или иной современной информационно-вычис- лительной системы присутствует слово «интеллек- Говоря об использовании технологий искус- туальная», то в этом есть всегда некоторая доля ре- ственного интеллекта в космической технике, кламного «лукавства», поскольку на текущий мо- прежде всего необходимо отметить, что данные мент более корректно их следовало бы называть технологии к настоящему времени достигли такого системами с элементами ИИ. Хотя сегодня у ве- уровня развития, который в совокупности с дости- дущих специалистов в этой области нет больших жениями в области нанотехнологий, биотехноло- сомнений в том, что в отдаленном будущем (а мо- гий, аддитивных технологий, «интернета вещей» жет быть, и в ближайшем) будут созданы в пол- позволяет говорить о начале новой (четвертой) ин- ном смысле интеллектуальные (думающие) систе- дустриальной революции. мы. Во всяком случае, законов природы, исключа- ющих такую возможность, пока не обнаружено. Сегодня технологии искусственного интеллек- та приобретают статус стратегических, поскольку В последние годы, наряду с термином «искус- потенциально способны оказывать огромное вли- ственный интеллект», все более широко использу- яние на различные сферы деятельности человека, ется другой близкий к нему термин — «машин- в том числе и в космической отрасли. ное обучение». По своему смысловому содержанию данный термин связывается с направлением ИИ, С годами это влияние будет только расти. изучающим методы и алгоритмы обучения различ- Объем инвестиций в создание и развитие техно- ных классов систем (в том числе нейронных сетей), логий искусственного интеллекта со стороны веду- а также программно-аппаратные средства их реа- щих мировых ИТ-компаний исчисляется миллиарда- лизации. По мнению авторов, наблюдаемое сегодня ми долларов. Согласно прогнозу аналитической ком- смещение акцента в исследованиях по проблемати- пании Tractica, в 2025 году рынок технологий искус- ке ИИ в область машинного обучения в первую ственного интеллекта приблизится к $60 млрд. очередь обусловлено тем, что в ближайшей пер- спективе наиболее прорывные результаты ожида- Существует множество определений искус- ются именно в этой области. ственного интеллекта. Авторы данной статьи при- держиваются определения, в соответствии с кото- С прикладной точки зрения одной из важных рым искусственный интеллект — это область науч- особенностей интеллектуальной системы является ных исследований и практического применения их способность находить необходимые решения слож- результатов, связанная с созданием и применени- ной задачи по ее постановке на основе имеющихся ем компьютерных систем, способных выполнять за- у нее знаний (базы знаний) по соответствующей дачи, обычно требующие человеческого интеллекта. предметной области. При этом база знаний может формироваться и пополняться как во взаимодей- Данное определение искусственного интеллек- ствии с человеком, так и системой самостоятельно, та, равно как и другие существующие определения, в том числе на основе когнитивного анализа доступ- достаточно размыто. Вместе с тем оно интуитивно ных внешних данных (структурированных и не понятно. Попытки конкретизировать такие опреде- структурированных), обучения и самообучения. ления, как правило, сводятся к дополнительному перечислению типовых задач, традиционно относя- В настоящее время существует множество раз- щихся к интеллектуальным задачам (таким, напри- личных методов и технологий, развиваемых в рам- мер, как анализ и синтез речи, обработка визуаль- ках искусственного интеллекта. В качестве основ- ной информации с семантической интерпретацией ных из них можно выделить: наблюдаемых динамических сцен, машинный пере- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ 67 • нейросетевые технологии, основанные на ис- условия (факторы), определяющие целесообраз- пользовании различных парадигм нейронных ность применения тех или иных технологий ИИ: сетей (НС) и методов их обучения; • потенциально обеспечивается решение соот- • экспертные системы, основанные на исполь- ветствующих прикладных задач с более вы- зовании различных форм представления зна- соким выходным качеством и оперативностью ний (в виде нечетких правил, хорновских пра- (по сравнению с традиционными техноло- вил, продукций, фреймов, семантических се- гиями) при приемлемых для этого необходи- тей и др.) и методов работы с ними; мых вычислительных и других ресурсах; • эволюционные вычисления (генетические ал- • обеспечивается более высокий уровень авто- горитмы, эволюционные стратегии, генетиче- номности КА и (или) орбитальной группиров- ское программирование и др.); ки в целом, в том числе в условиях существен- ной априорной неопределенности относитель- • методы и технологии извлечения новых зна- но условий их функционирования, без ущерба ний из больших баз данных (технологии Data эффективности их целевого применения. Mining); Исходя из сказанного, а также обобщения • технологии «роевого интеллекта»; существующего опыта практического использова- ния технологий ИИ в качестве основных областей • комбинированные и др. технологии. (направлений) их применения в космической тех- нике на ближайшую перспективу можно выделить: Все они в той или иной мере могут использо- ваться в рассматриваемой предметной области. • тематическую обработку спутниковых изобра- жений; Поскольку сегодня существует огромное число публикаций, посвященных обзорному и детальному • контроль, диагностику и управление техниче- описанию существующих методов и технологий ИИ, ским состоянием КА; истории их возникновения, далее мы не будем по- дробно останавливаться на этом, а основное вни- • бортовую обработку целевой информации; мание уделим перспективным областям (направле- • управление многоспутниковыми орбитальны- ниям) их применения в космической технике. ми группировками; Основные области применения • интеллектуальные системы поддержки проект- технологий ИИ в космической технике ных решений; • обработку больших массивов разнородной спут- Практическая реализация технологий ИИ в различных космических системах и комплек- никовой информации; сах, равно как и в других предметных областях, • реализацию дальних космических миссий; не является самоцелью. Прежде всего, эти техно- • робототехнические средства. логии должны использоваться в тех случаях, ко- гда их применение потенциально более эффектив- Ниже более подробно рассмотрим вопросы но по сравнению с традиционными технологиями. применения технологий ИИ в приведенных выше При этом необходимо учитывать тот факт, что областях их применения. с развитием технологий искусственного интеллек- та расширяется и спектр возможных областей их Тематическая обработка применения в космической технике, которая также спутниковых изображений постоянно развивается. Тематическая обработка спутниковых изобра- Применительно к рассматриваемой предмет- жений сегодня является одной из ставших уже тра- ной области можно выделить следующие основные диционными областей применения технологий ИИ. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

68 А. Н. БАЛУХТО, А. А. РОМАНОВ Наибольшее распространение в этой области Сегодня можно с уверенностью утверждать, получили нейросетевые технологии. Особенно ин- что применение нейросетевых технологий в обла- тенсивное развитие они получили после появления сти тематической обработки спутниковых изобра- впечатляющих результатов их применения в обла- жений является вполне обыденным делом. сти обработки изображений с применением так на- зываемых методов глубокого обучения и новых па- Бортовые системы контроля, радигм НС, таких, например, как сверточные ней- диагностики и управления ронные сети [2]. техническим состоянием КА В настоящее время нейросетевые методы об- Большое внимание в последние годы со сто- работки спутниковых изображений реализованы роны предприятий и организаций космической ин- в ряде различных программных инструментов, та- дустрии уделяется вопросам применения техно- ких, например, как ENVI, ScanEx Image Processor, логий ИИ в бортовых системах контроля, диа- Arc-SDM (модуль в составе ArcView) и др., кото- гностики и управления техническим состоянием рые достаточно активно используются на практике. (СКДУ) КА. И это не случайно, поскольку ре- шаемые ими задачи по уровню сложности (прежде Если проанализировать многочисленные пуб- всего в силу сложности формального описания са- ликации, посвященные нейросетевым методам мого объекта контроля и управления) могут быть и алгоритмам обработки различной информации, отнесены к классу так называемых трудно форма- в том числе спутниковых изображений, то мож- лизуемых задач. Кроме того, интерес к примене- но обнаружить следующую закономерность: все нию технологий ИИ в этой области обусловлен по- они демонстрируют решение соответствующих за- тенциальной возможностью существенного повы- дач с более высоким качеством выходного резуль- шения уровня автономности КА при решении ука- тата (в числовом выражении определяется значени- занных выше задач (в идеальном случае — без ями соответствующих показателей, например, при какого-либо участия наземных средств управле- решении задачи классификации — величиной ве- ния). Как справедливо отмечается в работе [3], роятностей ошибок первого и второго рода, при в настоящее время во многих случаях на борту решении задачи фильтрации — отношением «сиг- КА осуществляется лишь контроль технического нал/шум» на выходе фильтра и т. д.). И этому есть состояния, а диагностирование и управление тех- свое объяснение. Дело в том, что при использо- ническим состоянием проводится наземными ком- вании классических методов решения таких, на- плексами управления, что приводит к длительным пример, задач, как фильтрация и классификация, задержкам по выработке необходимых управляю- мы вынуждены делать ряд априорных предположе- щих воздействий и передачи их на борт КА. ний о свойствах входных сигналов. Однако тако- го рода предположения не всегда полностью соот- Поскольку контроль, диагностика и управле- ветствуют реальным характеристикам этих сигна- ние техническим состоянием бортовых систем КА лов. В противоположность этому нейронная сеть должны осуществляться непрерывно во времени, при правильном формировании для нее обучаю- то среди всех технологий ИИ для решения этих щей выборки в процессе своего обучения мак- задач наиболее целесообразно использовать так на- симально адаптируется к реальным характеристи- зываемые динамические экспертные системы [4]. кам входных сигналов. За счет этого, в основном, Такого рода системы способны в реальном масшта- и обеспечивается высокое качество решения раз- бе времени по результатам измерения различных личных задач с использованием нейросетевых тех- параметров бортовых систем КА и их обработки нологий обработки сигналов и изображений. Кроме с использованием базы знаний (в общем случае ди- того, нейронные сети в современном их представле- намически развивающейся) осуществлять управле- нии являются существенно нелинейными система- ние их техническим состоянием. ми обработки информации, что также способству- ет повышению качества решения указанных выше задач. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ 69 Уже сейчас СКДУ некоторых КА по своему и минуя промежуточные центры приема, обработки устройству и функциональным возможностям могут и распространения космической информации. быть отнесены к классу интеллектуальных систем. Так, например, в работе [5] отмечается, что в ряде Кроме того, проблема реализации обработки российских КА связи уже более двадцати лет при- целевой информации на борту КА актуальна так- меняются бортовые программные комплексы авто- же для многоспутниковых сетевых систем опти- номного контроля, диагностики и управления, по- ко-электронного и радиолокационного наблюдения, строенные по принципу динамических экспертных способных в сутки генерировать десятки тысяч систем. и даже более терабайт информации. В этих усло- виях реализация обработки целевой информации Важно также отметить, что перспективные на борту КА позволит существенно снизить тре- СКДУ должны обеспечивать решение не только бования к пропускной способности каналов связи, задач контроля, диагностики и управления техни- в том числе межспутниковых. ческим состоянием КА, но и прогнозирования из- менения указанного состояния во времени. В этой Уже сегодня отчетливо наблюдается тенденция части роль технологий ИИ трудно переоценить. к проведению необходимых исследований по дан- ной проблематике, в том числе экспериментальных, В космических аппаратах NASA в качестве включая отработку необходимых технологий ИИ. аналога российских СКДУ выступают так назы- Так, например, ЕКА планирует в 2019 году запу- ваемые системы управления живучестью, обозна- стить экспериментальный КА ДЗЗ BrainSat, на бор- чаемые аббревиатурой ISHM (Integrated Systems ту которого будет установлен процессор Myriad Health Management). Достаточно полный обзор ме- от компании Intel с производительностью 1 трилли- тодов и алгоритмов решения типовых задач ISHM он операций в секунду (TOPS), предназначенный приведен в работе [6]. В ней, в частности, отме- для нейросетевой обработки спутниковых изобра- чается, что для решения задачи прогнозирования жений. На взгляд авторов, это весьма перспектив- технического состояния КА могут использоваться ный и многообещающий проект. нейросетевые методы. Управление многоспутниковыми Основные перспективы развития в области со- орбитальными группировками здания интеллектуальных СКДУ следует связы- вать, прежде всего, с развитием таких их функци- Появление и активное развитие в последнее ональных свойств, как адаптивность, обучаемость десятилетие многоспутниковых низкоорбитальных и самообучаемость. космических систем, основанных на использова- нии так называемых малых КА [7], инициирова- Бортовая обработка целевой ло и разработку новых подходов к управлению их информации орбитальными группировками (ОГ). Реализация обработки целевой информации на Особый интерес представляют подходы, ори- борту КА во многих случаях является актуальной, ентированные прежде всего на существенное по- в частности, когда речь идет о необходимости ре- вышение автономности решения соответствующих шения задач наблюдения в реальном масштабе вре- управленческих задач, что позволяет упростить мени или близком к нему. К их числу можно, на- необходимую наземную инфраструктуру, задей- пример, отнести задачи, связанные с обнаружени- ствованную в контуре управления ОГ, и повысить ем различного рода природных и техногенных ка- живучесть системы в целом. В качестве основных тастроф, а также событий и процессов, имеющих таких задач можно выделить: большое значение для обороны и экономики страны. В этих случаях целесообразно потребителям переда- • управление по поддержанию баллистической вать не исходную измерительную информацию, а ко- конфигурации ОГ; нечные результаты ее обработки, причем, как уже отмечалось ранее, в реальном масштабе времени • планирование и управление выполнением за- дач наблюдения (мониторинга) за состоянием РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

70 А. Н. БАЛУХТО, А. А. РОМАНОВ целевой обстановки с динамическим форми- спутниковыми космическими системами находится рованием необходимых для этого кластерных на стадии своего формирования и требует более структур КА (например, динамических класте- глубокого развития и экспериментальной отработ- ров из 3 и более КА, решающих задачу обнару- ки (до уровня, обеспечивающего возможность ее жения источников радиоизлучения и определе- реального практического применения). ния места их расположения с использованием разностно-дальномерного метода [8]); Для целей управления функционирования КА используются также экспертные и близкие к ним • выполнение других задач управления функцио- системы, применяемые в наземных комплексах нированием КА, в том числе в космических управления. К их числу можно, например, отне- системах связи (одна из таких задач, связан- сти системы SHARP, SURPASS, PMS, GSOC MPS ная с контролем, диагностикой и управлением и др. [12–14]. технического состояния КА, была рассмотрена выше). Интеллектуальные системы поддержки проектных решений Очевидно, что эффективное решение указан- ных задач в автономном режиме возможно в слу- Сегодня на смену традиционным подходам чае, если все КА орбитальной группировки связаны к проектированию космической техники приходит в единую спутниковую сеть, в том числе с использо- новый подход, позволяющий в более короткие сроки ванием межспутниковых каналов, что обеспечивает и с более высоким качеством формировать техни- возможность необходимого в таких случаях их опе- ческий облик космических систем, создавать КА ративного информационного взаимодействия. нового поколения и средства их выведения, — мо- дельно-ориентированное проектирование [15–18] Характерным примером практической отработ- (рис. 1). ки технологий автономного управления многоспут- никовой ОГ является программа Blackjack, реали- В модельно-ориентированном проектирова- зуемая DARPA. Одной из целей данной програм- нии (МОП) процесс разработки сосредоточен во- мы является разработка автономного программного круг системной модели объекта проектирования — обеспечения на уровне полезных нагрузок и целых от анализа предъявляемых к нему требований миссий, а также демонстрация автономных опера- до ввода его в штатную эксплуатацию. ций, в том числе с использованием орбитальных процессорных вычислений. Конечная цель иссле- Эта модель должна быть единой для всех раз- дований — создание орбитальной группировки из работчиков КС — системщиков, специалистов по 60–200 МКА, работающих на высотах от 500 космической баллистике, целевой и служебной ап- до 1300 км, с единым центром управления и спо- паратуре КА, связи и передачи данных, наземной собностью работать без команд с Земли в течение инфраструктуре и др. При этом предполагается, 30 дней. что все они должны активно участвовать в про- ектировании, начиная с самых ранних его этапов. Одним из наиболее перспективных направле- ний развития технологий в рассматриваемой об- На начальном этапе такая модель описывает ласти является реализация так называемого муль- некоторый общий функциональный облик систе- тиагентного управления распределенными система- мы с абстрагированием от конкретных технических ми [9–11]. В рамках этого подхода КС представ- решений. На последующих этапах проектирования ляется в виде самоорганизующейся совокупности она постепенно (в итеративном режиме) развива- интеллектуальных агентов, в роли которых высту- ется по мере коррекции и принятия тех или иных пают орбитальные, наземные и другие узловые эле- системных и технических решений. менты спутниковой сети [9–11], оснащенные соот- ветствующим программным обеспечением. По существу, при модельно-ориентированном проектировании роль утвержденной документации Однако надо отметить, что на текущий момент переходит от чертежей к аннотированной компью- методология мультиагентного управления много- терной модели КС («цифрового двойника» КС). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ 71 Рис. 1. Модельно-ориентированный подход к проектированию Основное достоинство МОП заключается екта на всех этапах его жизненного цикла на основе в том, что компьютерную модель можно тестиро- оперативного обмена данными о проекте (проекти- вать, уточнять и повторно тестировать в течение руемом изделии) между его участниками и консо- всего процесса проектирования без создания фи- лидации указанных данных в едином хранилище зических прототипов компонентов создаваемой си- с последующим отображением принимаемых про- стемы. При этом тестирование, верификация и ва- ектных решений в системной модели. лидация превращаются в непрерывный процесс, а не проводятся в конце разработки, что позволяет Потенциально сфера возможных применений обнаруживать ошибки и устранять их на более ран- технологий ИИ в МОП весьма обширна. В рамках них этапах проектирования (до момента физиче- его могут использоваться различного рода эксперт- ской реализации компонентов создаваемой системы ные и другие интеллектуальные системы, помо- или изделия). Кроме того, системная модель и ее гающие проектировщикам быстро находить наибо- компоненты могут быть относительно быстро адап- лее эффективные и перспективные решения по раз- тированы для их использования в других проектах. работке КА и космических систем в целом. Все это в конечном счете и позволяет суще- Особую роль в МОП играют программные ственно повысить качество создаваемых космиче- средства имитационного моделирования, которые ских систем и комплексов, сократить сроки и сто- на протяжении уже многих десятилетий достаточ- имость их разработки. Приведенные в работе [15] но активно используются при системном и техни- результаты анализа опыта применения МОП при ческом проектировании КС и их компонентов. проектировании авиационной техники показывают, что при использовании модельно-ориентированного В современных программных средствах тако- подхода 85 % ошибок выявляется на самых ранних го назначения аккумулированы все основные зна- этапах проектирования, а при традиционном — ния, необходимые для моделирования космиче- только 40 % (см. рис. 2). ских систем на разных уровнях их детализации. При этом реализуются технологии визуального Кроме того, модельно-ориентированный под- конструирования соответствующих компьютерных ход к проектированию создает необходимые усло- моделей при использовании различных библиотек вия для эффективной реализации технологии ор- типовых блоков (компонентов), каждый из кото- ганизации так называемого параллельного проек- рых, если пользоваться терминологией из обла- тирования [17, 18]. Это реализуется за счет исполь- сти фреймового представления знаний, представ- зования информационных систем, обеспечивающих ляет собой некоторый концепт — модель обще- информационную поддержку всех участников про- го вида некоторого класса процессов, явлений или устройств. После параметризации такого концепта РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

72 А. Н. БАЛУХТО, А. А. РОМАНОВ Рис. 2. Сравнение числа выявленных ошибок по этапам при проектировании авиационной техники [15] он становится уже моделью конкретного процес- ражения. По мнению авторов и многих других экс- са, явления или устройства. В результате тако- пертов в этой области, глубокий и полный анализ го конструирования на выходе получается некото- таких массивов даже хорошо подготовленными спе- рый графический параметризованный образ модели циалистами без использования современных техно- исследуемой системы, который затем автоматиче- логий ИИ практически невозможен. Основной це- ски транслируется в собственно имитационную мо- лью такого анализа является обнаружение новых яв- дель, с помощью которой далее проводятся различ- лений и закономерностей, различных опасных си- ные машинные имитационные эксперименты, в том туаций и их предвестников, которые невозможно числе оптимизационные. выявить на основе анализа (обработки) единичных спутниковых изображений или измерений. Кроме В качестве наиболее продвинутого програм- того, при обработке больших массивов спутниковой много комплекса имитационного моделирования информации актуальной является такая практиче- космических систем с точки зрения его функци- ски важная задача, как исследование динамики из- ональных возможностей и реализуемых в нем тех- менения состояния природных, инфраструктурных нологий моделирования можно выделить програм- и других объектов наблюдения. мный комплекс STK (System Tool Kit, ранее — Satellite Tool Kit), разработанный компанией Ana- В указанных случаях применяются, как пра- lytical Graphics Inc. вило, методы и технологии, получившие общее название Data Mining (извлечение новых знаний Обработка больших массивов из баз данных) — нейросетевые методы, ассоциа- разнородной спутниковой тивные правила, деревья решений, кластерный ана- информации лиз, регрессионный анализ и др. В процессе функционирования космических си- В случаях, когда речь идет об обработке боль- стем наблюдения накапливаются большие массивы ших массивов спутниковых изображений, весьма различной информации, включая спутниковые изоб- продуктивно могут использоваться нейросетевые методы. Эффективность их использования в этой сфере значительно возрастает при применении РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ 73 соответствующих нейровычислителей, которые по альным. Очевидно, что в этих случаях техноло- соотношению «производительность/стоимость» су- гии ИИ, включая технологии машинного зрения, щественно превосходят вычислительные системы могут весьма эффективно применяться, что, соб- с традиционной архитектурой [19] (за счет принци- ственно, в последние годы и реализуется, в част- пиальной возможности глубокого распараллелива- ности, в таких космических миссиях, как Curiosity, ния вычислительного процесса, реализуемого при Opportunity, Rosetta, Cassini–Huygens, OSIRIS- выполнении нейровычислений). REx, InSight и др. Характерным примером применения нейросете- Робототехнические средства вых технологий для обработки больших массивов видеоданных, получаемых с помощью беспилотных Традиционной областью применения техно- летательных аппаратов, является проект Maven, логий ИИ являются и робототехнические сред- инициированный военным ведомством США. ства (РБС) различного назначения. При этом сообщается (https://thebulletin.org/2017/ 12/project-maven-brings-ai-to-the-fight-against-isis/), Применительно к космической технике можно что над собственной версией проекта Maven уже выделить следующие основные направления при- работает сообщество аналитиков, имеющих дело менения РБС: со спутниковыми изображениями. Реализация этого проекта позволит многократно повысить уровень – орбитальное обслуживание КА (ремонт, за- автоматизации обработки больших массивов видео- правка, сборка, увод с орбиты); данных и тем самым существенно повысить опе- ративность и качество решения соответствующих – робототехнические средства, используемые целевых задач (с минимизацией рисков, связанных в составе различных космических зондов для про- с влиянием человеческого фактора). ведения напланетных исследований (по существу такого рода зонды сами по себе представляют Реализация дальних космических автономные или полуавтономные робототехниче- миссий ские устройства, способные в условиях априорной неопределенности относительно условий их функ- Не менее важной областью применения техно- ционирования самостоятельно принимать необхо- логий ИИ в космической технике является реали- димые решения по осуществлению возложенных на зация дальних космических миссий с целью прове- них миссий); дения напланетных и других исследований. Такого рода исследования, особенно напланетные исследо- – робототехнические линии сборки, обеспечи- вания, осуществляются в условиях существенной вающие массовое серийное производство КА ново- априорной неопределенности относительно условий го поколения в интересах создания многоспутни- функционирования соответствующих космических ковых систем; средств. При этом важно отметить, что взаимо- действие таких средств с Землей осуществляется – робототехнические средства, реализующие также в условиях значительных временных задер- автономное выполнение различных опасных работ, жек передачи радиосигналов (например, радиосиг- таких, например, как заправка ракеты-носителя нал с Марса достигает Земли за время, находя- компонентами ракетного топлива. щееся в диапазоне от 3 до 23 мин, в зависимости от расстояния между планетами). Особое внимание в последние годы со сторо- ны практически всех мировых лидеров космиче- Использование в таких миссиях космических ской индустрии уделяется проблеме орбитального средств, способных автономно (без участия че- обслуживания КА, включая их ремонт, заправку, ловека) быстро принимать необходимые решения сборку и увод с орбиты. Это обусловлено тем, что в различных ситуациях, является крайне акту- практическая реализация такого рода технологий позволит: – существенно повысить сроки активного су- ществования «больших» и дорогостоящих КА, в частности космических аппаратов различного РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

74 А. Н. БАЛУХТО, А. А. РОМАНОВ назначения, размещаемых на геостационарной ор- который позволит производить не менее двух спут- бите (путем проведения на орбите их ремонта, тех- ников в день для орбитальной группировки кос- нического переоснащения и заправки); мической системы OneWeb. Описание подобной роботизированной линии, создаваемой компанией – осуществлять сборку крупногабаритных КА Raytheon, приведено в работе [20]. (например, больших телескопов) и космических конструкций, предназначенных для реализации Заключение программ освоения Луны и Марса; В рамках одной статьи подробно осветить – проводить увод с орбиты отработавших свой все основные области применения технологий ис- срок активного существования КА различного на- кусственного интеллекта в космической технике значения, что внесет существенный вклад в ре- не представляется возможным. Безусловно, каждая шение проблемы борьбы с космическим мусором из них заслуживает более детального и глубокого и обеспечения безопасности космических полетов. обсуждения. В этой области достаточно отчетливо наблюда- Если говорить о самих технологиях ИИ, ется тренд перехода от теоретических обоснований то применительно к космическим приложениям и рассуждений непосредственно к эксперименталь- в первую очередь должны развиваться: ной отработке технологий орбитального обслужи- вания с использованием бортовых робототехниче- • нейросетевые и другие технологии, обеспечи- ских комплексов. Так, например, еще в 2007 г. вающие эффективное решение различных за- в США были запущены экспериментальные спут- дач, связанных с обработкой больших мас- ники, созданные по программе Orbital Express, сивов разнородной спутниковой информации, ориентированной на отработку проведения орби- а также отдельных изображений и сигналов, тальных ремонтно-восстановительных и заправоч- в том числе на борту КА; ных операций. • экспертные и другие интеллектуальные систе- В ближайшее время NASA планирует от- мы реального времени, обеспечивающие авто- править на МКС оборудование для эксперимента номное функционирование КА различного на- Robotic Refueling Mission 3 (RRM3), которое поз- значения; волит впервые опробовать метод хранения и по- полнения запасов криогенного топлива КА. RRM3 • мультиагентные технологии автономного уп- станет продолжением двух предыдущих технологи- равления (в режиме самоорганизации) много- ческих демонстрационных миссий на МКС — RRM спутниковыми орбитальными группировками; и RRM2, которые заключались в выполнении робо- тами действий по снятию крышек и манипуляции • интеллектуальные системы, обеспечивающие вентилями на макете космического аппарата. Экс- эффективную поддержку модельно-ориентиро- перимент был доведен до стадии, предшествующей ванного проектирования КС и их компонентов; началу собственно перекачки. Способность попол- нять запас криогенных жидкостей в космосе по- • робототехнические средства, предназначенные может минимизировать количество топлива, кото- для орбитального обслуживания КА, проведе- рое должны нести на борту космические аппараты ния напланетных исследований в дальних кос- с поверхности Земли, что делает возможными бо- мических миссиях и решения других рассмот- лее дальние и продолжительные полеты в космос. ренных выше задач. Компания SSL приступила к созданию центра При этом необходимо еще раз подчеркнуть, управления по обслуживанию на геостационарной что по мере развития технологий ИИ будет изме- орбите для коммерческих компаний. Реализуется няться и спектр возможных областей их практиче- и ряд других подобных проектов. ского использования в космической технике, кото- рая также постоянно развивается. Характерным примером в области создания ро- ботизированных линий сборки и испытаний малых Авторы данной статьи убеждены, что примене- КА является создаваемый компанией Airbus завод, ние технологий ИИ в рассматриваемой предметной РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ 75 области позволит создавать перспективные косми- научно-технической конференции Минобороны РФ ческие системы и комплексы с качественно новыми «Искусственный интеллект: проблемы и пути реше- свойствами и функциональными возможностями, ния», 14–15 марта 2018. С. 9–15. способствуя тем самым более глубокому и рацио- нальному освоению человеком космического про- 11. Лихтенштейн В. Е., Конявский В. А., Росс Г. В., странства. Лось В. П. Мультиагентные системы. Самооргани- зация и развитие. М.: Финансы и статистика, 2018. 264 с. Список литературы 12. Atkinson D., James M. Applications of AI for auto- mated monitoring: The SHARP system // AIAA Pap., 1. Тьюринг А. М. Вычислительные машины и разум // 1990, № 5054. 9 p. В сб.: Хофштадер Д., Деннет Д. Глаз разума. Сама- ра: Бахрах-М, 2003. С. 47–59. 13. Hull L., Hansen E., Sparn T. Distributed planning and scheduling for instrument and platform opera- 2. Николенко С. И., Кадурин А. А., Архангельская Е. О. tions // AIAA Pap., 1990, № 5090. 10 p. Глубокое обучение. СПб: Питер, 2018. 480 с. 3. Инфраструктура малых космических аппаратов // 14. Wickler M., Zoechinger G. Mission planning concept Под ред. В. Ф. Фатеева. М.: Радиотехника, 2011. and system for MOMS-2P (and PRIRODA) / Mission 432 с. Planning System Documentation. DLR/GSOC, 1995. № M2P-GSO-G70-SP-001. 4. Попов Э. В., Фоминых И. Б., Кисель Е. Б., Ша- пот М. Д. Статические и динамические экспертные 15. Агафонов О. А., Вахрушев Д. Э., Прядко С. П., системы. М.: Финансы и статистика, 1996. 320 с. Щукин А. В. Внедрение модельно-ориентированно- го подхода к проектированию самолетов // Вест- 5. Хартов В. В. Автономное управление космиче- ник Самарского государственного аэрокосмического скими аппаратами связи, ретрансляции и навига- университета, 2012, № 5 (36). С. 44–47. ции // Авиакосмическое приборостроение, 2006, № 6. С. 29–33. 16. Weiss K. A., Dulac N., Chiesi S., Daouk M., Zip- kin D., Leveson N. Engineering Spacecraft Mission 6. Schwabacher M., Goebel K. A Survey of Artificial Software using a Model-Based and Safety-Driven De- Intelligence for Prognostics. AAAI Fall Symposium — sign Methodology // Journal of Aerospace Compu- Tech. Rep. 2007. P. 107–114. ting, Information and Communication, 2006, vol. 3. P. 562–586. 7. Данилкин А. П., Козлов В. А. Мировые тенденции развития малых спутников // Экономические стра- 17. Ridolfi G., Mooij E., Chiesa S. A Modeling Frame- тегии, 2016, № 6. С. 136–149. work for the Concurrent Design of Complex Space Systems // AIAA Modeling and Simulation Technolo- 8. Ворошилин Е. П., Миронов М. В., Громов В. А. gies Conference 2–5 August 2010, Toronto, Ontario, Определение координат источников радиоизлучения Canada. разностно-дальномерным методом с использованием группировки низкоорбитальных малых космических 18. Bandecchi M., Melton B., Gardini B., Ongaro F. аппаратов // Доклады Томского государственного The ESA/ESTEC Concurent Design Facility // Pro- университета систем управления и радиоэлектро- ceeding of EuSEC 2000. P. 329–336. ники, 2010, № 1(21), ч. 2. С. 23–28. 19. Бендерская Е. Н., Толстов А. А. Тенденции раз- 9. Соллогуб А. В., Скобелев П. О., Симонова Е. В. вития средств аппаратной поддержки нейровычис- и др. Интеллектуальная система распределенного лений // Научно-технические ведомости СПбПУ, управления групповыми операциями кластера ма- 2013, вып. 3 (174). С. 9–17. лоразмерных космических аппаратов в задачах ди- станционного зондирования Земли // Моделирова- 20. Клименко Н. Н. Современные космические аппара- ние систем и процессов, 2013, № 1. С. 16–26. ты для информационного обеспечения войск на те- атре военных действий // Воздушно-космическая 10. Городецкий В. И. Самоорганизующиеся сети аген- сфера, 2018, № 1 (94). С. 43–53. тов — базовая модель группового и кооперативного поведения автономных объектов // Сборник трудов РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 1, c. 76–82 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 528.852.8 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.1.76.82 Алгоритм статистической коррекции пространственной неоднородности многосканового изображения Ю. М. Гектин, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Р. В. Андреев, аспирант, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Зайцев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. Д. Коган, аспирант, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В процессе орбитального функционирования приборов дистанционного зондирования Земли для абсолютизации получаемого сигнала регулярно проводится их внутренняя бортовая калибровка. Однако в случае использования многоэле- ментного фотоприемника в качестве регистратора сигнала могут возникнуть ситуации, при которых в результате проведен- ной бортовой калибровки не в полной мере обеспечивается пространственная однородность сигнала по полю фотоприемника при съемке однородной области подстилающей поверхности. В статье предлагается алгоритм коррекции указанных неоднородностей, основанный на статистическом анализе сигнала с многоэлементных фотоприемников. При этом используется избыточность информации, возникающая из-за перекрытия сканов изображения. Основным преимуществом данного алгоритма является его непараметричность, то есть для его работы требуется только само исходное многоскановое изображение. Предлагаемый алгоритм протестирован на данных, полученных с российского спутника дистанционного зондирования Земли. Ключевые слова: многоскановые изображения, пространственная неоднородность, спутниковые системы дистанционного зон- дирования Земли, линейные многоэлементные фотоприемники Algorithm of Statistical Correction of Spatial Nonuniformity of the Multiscan Image Yu. M. Gektin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation R. V. Andreev, postgraduate student, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Zaytsev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. D. Kogan, postgraduate student, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. During orbital functioning Earth remote sensing devices for absolutization of the received signal regularly carry out internal onboard calibration. However in case of using a multielement photodetector as a signal recording device there can be situations when, as a result of the carried out onboard calibration, spatial uniformity of a signal across the field of the photodetector is not fully provided when surveying a uniform area of the underlying surface. The article offers the algorithm to correct the specified nonuniformity based on the statistical analysis of a signal from multiele- ment photodetectors. Under such conditions, the redundancy of information arising because of overlapping of image scans is employed. The main advantage of this algorithm is its nonparametricity, i.e., only the initial multiscan image is required for its operation. The offered algorithm is tested on the real data obtained from the Russian satellite of Earth remote sensing. Keywords: multiscan images, spatial nonuniformity, satellite systems of Earth remote sensing, linear multielement photodetectors

АЛГОРИТМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ 77 Введение Причины появления указанной скановой стру- ктуры могут быть различны. Подобные эффекты В процессе орбитального функционирования могут быть вызваны как особенностями оптической приборов дистанционного зондирования Земли схемы и механизма калибровки конкретной аппа- (ДЗЗ) для абсолютизации получаемого сигнала ре- ратуры (особенностями съемки бортовых эталон- гулярно проводится внутренняя бортовая калиб- ных источников излучения), так и другими при- ровка фотоприемного оптико-электронного тракта. чинами, характер которых далеко не всегда можно Однако в случае использования линейного много- установить однозначно. Дополнительные трудности элементного фотоприемника в качестве регистрато- связаны также с тем, что указанная неоднород- ра сигнала могут возникнуть ситуации, при кото- ность чувствительности может быть нестационар- рых в результате проведенной бортовой калибровки ной и изменяться в процессе эксплуатации аппара- не в полной мере обеспечивается пространствен- туры, что со временем снижает эффект компенса- ная однородность чувствительности по полю фото- ционного влияния предполетных наземных калиб- приемника [1]. Эта неоднородность тем больше, ровок и ухудшает радиометрическое качество по- чем выше уровень регистрируемого сигнала, по- лучаемой информации. Таким образом, возникает этому особенно сильно она проявляется при съем- необходимость ее наземной коррекции. ке пространственно квазиоднородных сцен с высо- ким уровнем средней яркости. В качестве примера Известны статистические способы наземной на рис. 1 приведено изображение с явной скано- коррекции неоднородности многоэлементных фото- вой структурой. Визуально такая неоднородность приемников [4, с. 23–75]. Однако каждый из них воспринимается как наличие на изображении по- накладывает определенные ограничения на исход- перечных полос с периодом, равным ширине скана. ный спутниковый снимок: одни алгоритмы требу- ют однородности сюжета, другие учитывают его неоднородность, но предполагают резкую грани- цу между разнородными классами объектов; все они чувствительны к объему исходных данных (требуется большая статистика) и т. д. Описывае- мый в этой статье способ лишен указанных недо- статков, т. к. вычисляет коэффициенты «взаимно- го искажения» между элементами фотоприемника не в смысле среднего, а напрямую, с точностью до географической привязки исходных сканов. Бла- годаря этому он пригоден не только для визуаль- ного «выравнивания» снимка, но и для радиомет- рической нормализации данных ДЗЗ. Рис. 1. Фрагмент многосканового инфракрасного Описание алгоритма изображения, полученного аппаратурой МСУ-ИК- СРМ (космический аппарат «Канопус-В-ИК») [2] Предлагаемый алгоритм коррекции основан на использовании избыточности информации, со- держащейся в исходном изображении, полученном аппаратурой ДЗЗ. Для корректной работы алгорит- ма на его вход должно поступать многоскановое изображение, имеющее такие области перекрытия между соседними сканами, что ширина области (размер в направлении, перпендикулярном скани- рованию), непрерывно изменяется от некоторого РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

78 Ю. М. ГЕКТИН, Р. В. АНДРЕЕВ, А. А. ЗАЙЦЕВ, С. Д. КОГАН начального значения до конечного, составляющего где U{i,j,k} — искаженное значение сигнала; не менее 50 процентов от ширины всего скана. Сами U{0i,j,k} — идеальное, неискаженное значение сканы при этом есть результат съемки линейным многоэлементным фотоприемником с использовани- сигнала; ем оптико-механической развертки [3, с. 150–152] в широком угле сканирования [5]. Алгоритм яв- αi — коэффициент, отвечающий за степень ис- ляется двухэтапным: на первом этапе проводится кажения сигнала; вычисление коэффициентов коррекции, на вто- ром — их применение к исходному изображению. β — уровень сигнала, передающийся без ис- Ниже приводится описание работы алгоритма, осу- ществляющего линейную (по яркости) коррекцию. кажений (в дальнейшем изложении для простоты описания положим, что β = 0; случай β = 0 будет Этап I. Вычисление коэффициентов коррекции рассмотрен в конце описания алгоритма). Пусть имеется изображение ДЗЗ, удовлетво- Очевидно, что для любых пар элементов ряющее приведенным в предыдущем разделе усло- изображения {i, j, k}1 и {i, j, k}2, совпадающих виям. Введем индексацию: k ∈ [1; K] — номер пространственно, должно выполняться равенство скана, i ∈ [1; I] — номер строки изображения U{0i,j,k}1 = U{0i,j,k}2. Следовательно, в скане (эквивалентен номеру фоточувствительно- го элемента), j ∈ [1; J] — номер пикселя в строке αii21 = αi1 = U{i,j,k}1 . скана. На рис. 2 схематично показано перекрытие αi2 U{i,j,k}2 соседних сканов при их пространственной сшивке (географической привязке изображения [4, с. 76– Смысл полученного коэффициента αii21 заклю- 166]) и приведена индексация пары пространствен- чается в «степени взаимного искажения» сигнала но совпадающих элементов изображения из разных сканов. для строк i1 и i2 изображения (или, что то же са- мое, для фотоэлементов с номерами i1 и i2). Таким Рис. 2. Перекрытие двух последовательных сканов. образом, задача алгоритма на первом этапе сводит- Обозначена пара пространственно совпадающих элемен- ся к поиску этих коэффициентов. тов изображения из разных сканов Количество коэффициентов αiiψϕ равно I2, од- В случае полностью корректной калибровки нако лишь I из них являются независимыми. аппаратуры в области перекрытия значения кода Действительно, зная значения коэффициентов αii21 яркости для одних и тех же объектов должны быть и αii31 , можно найти значение коэффициента αii23 = одинаковыми в разных сканах. Предположим, что = αii21 /αii31 , а также αii32 = 1/αii23. Приведенные выше это не так, и для элемента изображения с коорди- требования наличия хотя бы 50-процентного пере- натами {i, j, k} имеет место линейное искажение сигнала вида крытия между соседними сканами и широкого уг- U{i,j,k} = (U{0i,j,k} − β) × αi + β, ла обзора сканера как раз и обеспечивают получе- ние I независимых коэффициентов αiiψϕ (т. е. гаран- тируют существование хотя бы одной пары коэф- фициентов αii21 и αii31 для любой пары индексов i2 и i3). Поскольку все коэффициенты αiiψϕ являются относительными, то выбор конкретных I независи- мых коэффициентов формально произволен. Одна- ко, исходя из того соображения, что наибольшие искажения сигнала обычно наблюдаются на краях скана, а в центральной области почти отсутствуют, логично вычислить набор коэффициентов αIi /2. На рис. 3 показан процесс получения ко- эффициентов αiiψϕ на примере приведенного на рис. 1 фрагмента изображения с аппаратуры МСУ-ИК-СРМ. На рис. 3, а показана область мат- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

АЛГОРИТМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ 79 Рис. 3. Стадии получения матрицы коэффициентов αiiψϕ Рис. 4. Процесс самосогласования матрицы коэффициентов αiiψϕ рицы коэффициентов, полученная при наборе ста- Для этого в несколько итераций выполняется вы- числение каждого коэффициента αiiψϕ с использова- тистики по изображению. Возникающая при этом нием (I − 1) пары коэффициентов. На рис. 4, а–г показаны исходная матрица и три итерации ее избыточность для определения каждого коэффици- ента αiiψϕ устраняется выбором медианного значе- самосогласования, а на рис. 4, д–ж — разницы ния. На рис. 3, б–г показано дополнение области до содержащей I2 коэффициентов по вышеописанным между значениями коэффициентов для соседних формулам. При этом для получения новых коэф- итераций. Видно, что означенные дефекты быстро фициентов (например, для перехода из «в» в «г») исчезают и набор коэффициентов αiiψϕ становится самосогласованным. используются все известные пары коэффициентов На рис. 5 приведены значения искомого на- и конечным результатом считается медианное зна- бора коэффициентов αIi /2 и аппроксимирующая их функция αIi/2 (в данном случае — полином чение среди результатов вычисления. 6-й степени) для тестового изображения с I = = 288. Тот факт, что наименьший разброс значе- После заполнения пустых областей в матрице ний коэффициентов наблюдается по краям скана, коэффициентов αiiψϕ на рис. 3, г отчетливо видны диагональные полосы — это границы подобластей, полученных разными методами. Поэтому необ- ходимо согласовать полученные коэффициенты. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

80 Ю. М. ГЕКТИН, Р. В. АНДРЕЕВ, А. А. ЗАЙЦЕВ, С. Д. КОГАН Рис. 5. Вычисленные коэффициенты коррекции α1i44 и аппроксимирующая их функция α1i44 объясняется тем, что для них изначально было жений. Видно, что выражение U{i,j,k} = (U{0i,j,k} − больше статистических данных — чем ближе стро- − β) × αi + β после переноса свободного члена β ка к центру скана (т. е. чем меньше разница |I/2 − в левую часть имеет симметричный относительно − i|), тем реже она участвует в межскановом пере- него вид, и все дальнейшие вычисления следует крытии. проводить со значениями (U{i,j,k} − β). Таким об- разом, можно предложить использовать априор- С физической точки зрения полученная зави- ное значение β с учетом специфики конструк- симость αIi/2 есть относительная чувствительность ции и работы сканера, получившего изображение, фотоприемного тракта аппаратуры (как функция а в случае неудовлетворительного результата — порядкового номера фотоэлемента). сделать несколько итераций полного цикла вычис- ления коэффициентов αIi /2 и последующей коррек- Этап II. Коррекция изображения ции изображения, варьируя значения β как пара- метра. Соответственно в случае β = 0 алгоритм Процедура коррекции изображения сравни- коррекции имеет вид тельно проста и заключается в применении к каж- дому элементу изображения процедуры U{i,j,k} = (U{i,j,k} − β)/αIi/2 + β. U{i,j,k} = U{i,j,k}/αIi/2, где U{i,j,k} — скорректированное значение сигнала, Пример работы алгоритма U{i,j,k} =∼ U{0i,j,k}. На рис. 6 приведен результат применения Теперь необходимо сделать замечание насчет алгоритма к тестовому изображению. Скановая опущенного в приведенном изложении коэффици- структура устранена на всех уровнях яркости. ента β — уровня сигнала, передающегося без иска- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

АЛГОРИТМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ 81 Рис. 6. Фрагмент изображения до коррекции (слева) и после коррекции (справа) Замечания о корректности Заключение использования алгоритма Представленный в данной работе алгоритм успешно устраняет скановую структуру, порож- Как уже говорилось в разделе «Описание алго- даемую пространственной неоднородностью чув- ритма», представленный способ устранения неодно- ствительности фотоприемного тракта оптико-элек- родности позволяет получить корректный результат тронной аппаратуры ДЗЗ. Для работы алгоритма только тогда, когда искажение сигнала линейно по необходимы исходное многоскановое изображение яркости. В случае когда это не так, можно раз- и данные для его географической привязки. бить яркостный диапазон на несколько интервалов, в каждом из них вычислить αIi/2, а после интерпо- Следует отметить, что применение коррек- лировать полученный набор {αIi/2} как функцию ции с относительными коэффициентами позволяет яркости. Однако этот случай к настоящему момен- добиться лишь пространственной однородности ту не апробирован в силу отсутствия необходимо- сигнала на изображении при съемке однородных сти решения подобной задачи. яркостных сцен, но абсолютизации измерений при этом не происходит. Поэтому для получения ра- Кроме того, при вычислении матрицы коэф- диометрически абсолютизированного изображения фициентов αiiψϕ немаловажную роль играет точ- (т. е. такого, где любому уровню цифрового сиг- ность пространственной сшивки (географической нала можно однозначно сопоставить определенное привязки) сканов изображения: чем ниже точность значение яркости как физической величины) необ- сшивки, тем бо´льшим должен быть объем исход- ходимо пользоваться дополнительными соображе- ной статистики по парам {i, j, k}ϕ и {i, j, k}ψ для ниями, определяемыми особенностями конкретной минимизации погрешности первичного расчета αiiψϕ . аппаратуры. Так, в изложенном материале было РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

82 Ю. М. ГЕКТИН, Р. В. АНДРЕЕВ, А. А. ЗАЙЦЕВ, С. Д. КОГАН принято, что наименьшим искажениям подвержена тивного мониторинга техногенных и природных чрез- центральная область скана, для которой проведе- вычайных ситуаций на территории России // Ре- на радиометрическая абсолютизация сигнала путем гиональные проблемы дистанционного зондирования независимых наземных предполетных измерений. Земли: Материалы III Междунар. науч. конф. (Крас- ноярск, 13–16 сентября 2016 г.). Красноярск, 2016. На момент публикации данной статьи автора- С. 46–49. ми подана заявка на изобретение представленного способа коррекции. 3. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. М.: Тех- Список литературы носфера, 2010. 560 с. ISBN 978-5-94836-244-1. 1. Андреев Р. В., Гектин Ю. М., Зайцев А. А., Сме- 4. Современные технологии обработки данных дистан- лянский М. Б. Специальные алгоритмы радиомет- ционного зондирования Земли / Под ред. В. В. Ере- рической коррекции изображений ДЗЗ в ИК-диа- меева. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. 460 с. ISBN 978-5- пазоне // Ракетно-космическое приборостроение 9221-1596-4. и информационные системы. 2016. Т. 3, вып. 4. С. 32–40. 5. Акимов Н. П., Бадаев К. В., Гектин Ю. М., Зай- цев А. А., Фролов А. Г. Первые результаты ра- 2. Акимов Н. П., Бадаев К. В., Гектин Ю. М., Зай- боты ИК-радиометра МСУ-ИК-СРМ в составе КА цев А. А., Смелянский М. Б., Рыжаков А. В., Фро- «Канопус-В-ИК» // Ракетно-космическое прибо- лов А. Г. Перспективный ИК-радиометр для опера- ростроение и информационные системы. 2018. Т. 5, вып. 4. С. 34–45. DOI 10.30894/issn2409- 0239.2018.5.4.34.45. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 1, c. 83–93 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 621.396 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.1.83.93 Проблемно-ориентированный метод установления ограничений (требований) к комплексированию средств информационно-телеметрического обеспечения В. Л. Воронцов, к. т. н., [email protected] Филиал АО «ОРКК»–«НИИ КП», Москва, Российская Федерация Аннотация. Разработан проблемно-ориентированный метод установления ограничений (требований) к комплексированию средств информационно-телеметрического обеспечения отработки средств выведения (далее — средств ИТО) при осуществ- лении стратегий усовершенствования и применения средств ИТО (далее — проблемно-ориентированный метод установления ограничений), базирующийся на теоретико-множественном подходе и проблемно-ориентированном морфологическом анализе. Он позволяет создать необходимые условия для реализации системного подхода к построению вышеупомянутых стратегий. Результатом его применения является конечное и относительно малочисленное множество наборов требований, каждый из ко- торых относится к определенным рациональным (на рассматриваемом этапе) стратегиям усовершенствования и применения средств ИТО. При этом границы поиска рациональных стратегий существенно сужаются без ущерба его качеству. Ключевые слова: неопределенные факторы, средства информационно-телеметрического обеспечения, стратегия, стратифици- рованные объекты, телеметрируемый объект, телеметрическая информация, телеметрический комплекс Problem-oriented Method of Establishing Restrictions (Requirements) for the Integration of Information and Telemetry Software V. L. Vorontsov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] A branch of JSC “United Rocket and Space Corporation”–“Institute of Space Device Engineering”, Moscow, Russian Federation Abstract. A problem-oriented method of setting restrictions (requirements) on integration of Information and Telemetry Support means (hereinafter referred to as ITS means) for launch vehicle development has been developed when implementing strategies of improvement and application of ITS means (hereinafter referred to as a problem-oriented method of setting restrictions), which is based on a set-theoretic approach and problem-oriented morphological analysis. The method allows establishing the necessary conditions for implementation of a system approach to develop the above strategies. Its application results in a finite and relatively small aggregate of sets of requirements, each of which refers to certain rational (at the stage under consideration) strategies for improving and applying ITS means. Moreover, the search frontiers for rational strategies get substantially narrow without compromising on its quality. Keywords: uncertain factors, information and telemetry support means, strategy, stratified objects, telemetered object, telemetric information, telemetry complex

84 В. Л. ВОРОНЦОВ В настоящее время необходимая для практики ходимые программно-технические средства, кото- достоверность телеизмерений, получаемых при пус- рые относятся к ПТС измерительного комплекса ках ракет космического назначения (РКН) и меж- космодрома и, соответственно, телеметрического континентальных баллистических ракет (МБР), комплекса. обеспечивается их чрезмерной избыточностью. Тем не менее имеют место значительные потери инфор- Средства выведения (см. «Средства выведе- мации, особенно в случае нештатных и аварийных ния орбитальных средств» [2]) в рассматривае- ситуаций на телеметрируемом объекте. Приходит- мых случаях — в основном ракеты-носители (РН) ся констатировать, что существующая отечествен- и разгонные блоки (РБ) ракет космического назна- ная телеметрия является телеметрией нормального чения. Обычная для космодромов (полигонов) прак- пуска, в то время как наиболее острая потребность тика — осуществление, кроме РКН, пусков меж- в телеметрической информации (ТМИ) появляет- континентальных баллистических ракет (МБР). ся именно при нештатных и аварийных ситуациях. Их соответствующие составляющие (маршевые Для сокращения этих (значительных) потерь ТМИ ступени, ступени разведения боевых блоков и бое- традиционным путем требуется дальнейшее увели- вые блоки) также отнесем к средствам выведения. чение избыточности телеизмерений. Однако рост мощности информационных потоков при приемо- Телеметрируемые средства выведения явля- регистрации, сборе ТМИ является причиной суще- ются телеметрируемыми объектами [3]. Кро- ственного увеличения количества наземных про- ме типичных для космодрома РКН и МБР, те- граммно-технических средств (ПТС), при том что леметрируемыми объектами являются стартовые потери информации до требуемого уровня не сни- комплексы и шахтно-пусковые установки. К те- жаются. Выходом из этой противоречивой ситу- леметрируемым объектам могут быть отнесены ации является построение принципиально новых приемно-регистрирующие станции (ПРС), парамет- стратегий противодействия воздействию неопреде- ры функционирования которых (соотношение сиг- ленных факторов различной природы на основе ре- нал/шум, уровень сигнала АРУ и т. д.) телеметриру- зультативного управления избыточностью телеиз- ются. Телеметрируемыми объектами могут быть мерений. Однако их сущности неочевидны, для их и нетипичные для космодрома объекты. В зависи- построения необходимо соответствующее научно- мости от контекста встречающийся в тексте данной методическое обеспечение развития средств ИТО. работы термин «телеметрируемые объекты» мо- Необходимы правила комплексирования средств жет быть синонимом термина «средства выве- ИТО. Прежде всего для их развития (т. к. они весь- дения». ма специфичны, что обусловлено в том числе необ- ходимостью противодействия весьма специфичным Полагаем, независимо от того, осуществляется неопределенным факторам) предпочтителен про- ли пуск по программе летных испытаний (ЛИ) или блемно-ориентированный метод установления огра- штатной эксплуатации, результаты обработки по- ничений (требований). Результаты его примене- лученной ТМИ и ее анализа используют для усо- ния позволяют определить и существенно сузить вершенствования средств выведения (телеметри- границы поиска рациональных стратегий развития руемых объектов), т. е. осуществляется их отра- средств ИТО. ботка. Средства ИТО — располагаемые материаль- Измерительный комплекс космодрома но-технические, стоимостные, временные, людские (ИКК) — совокупность программно-технических и другие ресурсы, которыми может воспользо- средств и сооружений измерительных пунктов ваться оперирующая сторона (в том числе иссле- и вычислительного центра, в которых они размеще- дователь операции) для достижения цели опера- ны, предназначенных для получения и обработки ции, относящейся к решению задач ИТО отработ- информации о функционировании систем средств ки средств выведения (см. «Активные средства» выведения и контроля их движения на участке в гл. 4 [1]). В состав средств ИТО входят необ- выведения (см. «Измерительный комплекс космо- дрома» [2]). Телеметрический комплекс (ТК) является частью ИКК и предназначен для решения задач РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ МЕТОД УСТАНОВЛЕНИЯ ОГРАНИЧЕНИЙ (ТРЕБОВАНИЙ) 85 ИТО отработки, прежде всего РКН и МБР. ПТС, • стратегии Uус усовершенствования средств входящие в его состав, размещены на измеритель- ИТО; ных пунктах (ИПах) и в вычислительном центре (ВЦ) космодрома, причем наиболее сложные зада- • неопределенные факторы Λиссл, влияющие на чи обработки ТМИ решаются в ВЦ. результаты осуществления стратегий Uприм; При проведении пуска РКН (МБР) определя- • неопределенные факторы Λразв, влияющие на ют комплекс средств измерений, сбора и обра- результаты осуществления стратегий Uус; ботки информации ракетно-космического ком- плекса (КСИСО) [2], являющихся частью ИКК • показатели Wэф эффективности (качества) (и, соответственно, ТК). Определяют также сред- осуществления стратегий Uприм и Uус; ства ИТО для решения отдельных задач ИТО. • предприятия (организации) Org; Исходя из существующей [1] терминологии стратегия — это правило, предписывающее опре- • множество положений стандартов T rS (в том деленные действия над рассматриваемыми объек- числе стандартов, необходимых для постро- тами (над множеством телеметрируемых объектов, ения рациональных средств ИТО, базирую- множеством задач ИТО и задач, касающихся ИТО; щихся на официальной концепции развития множеством ПТС и т. д.). средств ИТО). Операция — совокупность действий, меро- Для краткости из множества стратифициро- приятий, направленных на достижение некоторой ванных объектов более детально представлены ни- цели, т. е. совокупность целенаправленных дей- же лишь выявленные неопределенные факторы ствий [1]. Применительно к технике операция — (из множества Λ), наиболее сильно влияющие на взаимодействие технических средств и людей, на- результаты осуществления стратегий Uприм и Uус, правленное на достижение определенной цели [1]. а именно: Применительно к рассматриваемым вопросам дей- ствия при выполнении операции усовершенствова- ΛОТ — неопределенность отрабатываемых те- ния и/или применения средств ИТО соответству- леметрируемых объектов множества O, ΛОТ ⊂ Λ; ют определенной стратегии этой операции. ΛФП — неопределенность сущностей физи- Эффективность операции — степень соот- ческих процессов на телеметрируемых объек- ветствия реального результата операции желаемо- тах O, создающая необходимость использования му [1]. разнообразных методов измерений M etQ_ТМИ_измер, ΛФП ⊂ ΛОТ; С целью формализации осуществлено страти- фицированное описание объектов [4]. Рассмотрены ΛОТ_кол_ТМП — неопределенность, проявляю- страты, связанные со следующими стратифициро- щаяся в большом разбросе количества телеметри- ванными объектами: руемых параметров (ТМП) в зависимости от сущ- ностей объектов O, ΛОТ_кол_ТМП ⊂ ΛОТ; • телеметрируемые объекты O; ΛOТ_T r — неопределенность траекторий полета • задачи ZИТО ИТО; объектов O, ΛOТ_T r ⊂ ΛОТ; • программно-технические средства (ПТС) R; ΛOТ_T _пер — неопределенность периодичности пусков объектов O, ΛOТ_T _пер ⊂ ΛОТ; • методы M etQ_ТМИ (алгоритмы AlgQ_ТМИ) непо- средственных действий над ТМИ (QТМИ); ΛТМП — неопределенность поведения ТМП, являющаяся причиной потерь ТМИ, ΛТМП ⊂ Λ; • сигналы (данные) Q; ΛПТС_ОТ_аном (ΛПТС_ТК_аном, ΛПТС_внеш_аном) — • функции F ПТС R (режимы Reg функциони- неопределенные факторы, являющиеся причиной рования ПТС R); потерь ТМИ, связанные с отказами и аномальным функционированием ПТС RОТ (RТК, Rвнеш), с дей- • стратегии Uприм применения средств ИТО ствием на них дестабилизирующих факторов раз- по целевому назначению; ной природы; Λпом — неопределенные факторы, касающиеся помех в каналах «борт–Земля», Λпом ⊂ Λ; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

86 В. Л. ВОРОНЦОВ Λуниф — неопределенность, связанная с мно- Из (2) следует, что формально сущности те- гообразием неунифицированных структур сигна- леметрируемых объектов O∗ описаны совокупно- лов и данных (в том числе содержащих ТМИ) стью физических процессов ΩO_∗, траекторий поле- та T rO_∗ и периодичностью пусков Tпер_O_∗ (далее и средств ИТО; множество ΩO_∗ физических процессов опосредова- но множеством телеметрируемых параметров и — Λразв — неопределенные факторы, влияющие на результаты осуществления стратегий Uус. затем — множеством первичных сигналов QТМИ_ПП на входах БРТС RБРТС (3)). Для дальнейшего рассмотрения выбраны сле- Атрибуты объектов F (Reg) представлены сле- дующие неопределенные факторы Λиссл, касаю- щиеся стратегий Uприм применения: дующим образом: Λиссл = ΛТМП, Λпом, ΛОТ_кол_ТМП, FR_∗ = R∗, M etR_∗, QR_∗, TR_∗ , (4) ΛOТ_T r, ΛOТ_T _пер, Λуниф . (1) Атрибуты объектов O∗ (прежде всего, OРКН где FR_∗ — функции, осуществляемые ПТС множе- и OМБР) представлены следующим образом: ства R∗; O∗ = ΩO_∗, T rO_∗, Tпер_ _∗ , (2) M etR_∗ — методы, реализованные ПТС R∗; обычно методы M etQ_ТМИ действий над ТМИ; где O∗ — множество телеметрируемых объектов; ΩO_∗ — множество физических процессов, про- QR_∗ — сигналы (данные), которые могут быть приняты, переданы, преобразованы (обработаны), исходящих на объектах O∗, ΩO_∗ ⊂ Ω; сформированы и т. д. ПТС R∗ при осуществлении T rO_∗ — множество траекторий полета теле- методов M etR_∗; метрируемых объектов O∗; TR_∗ — последовательности текущего времени Tпер_ _∗ — периодичность пусков (или дата, при осуществлении функций FR_∗. время пусков) телеметрируемых объектов O∗, при- Атрибуты множества стратегий Uприм примене- чем ния таковы: fOt_3 : ΩТМП_∗×M etQ_ТМИ_измер×RПП → QТМИ_ПП_∗, Uприм_∗∗ = (3) = ZИТО_иссл, RegR_∗∗, R∗∗, M etR_∗∗, QR_∗∗, TR_∗∗ . где fOt_3 — функция отображения декартова произ- (5) ведения множеств ΩТМП_∗, M etQ_ТМИ_измер и RПП При осуществлении стратегий Uприм выбор в множество QТМИ_ПП_∗, соответствующая опреде- нужных ПТС и режимов их функционирования ленному научно-методическому обоснованию этого (F , Reg) (4) регламентируется (ограничивается) отображения; ΩТМП_∗ — множество ТМП, ΩТМП_∗ ⊂ Ω∗; све- сущностями объектов O и ZИТО_иссл. При этом сущ- ности стратегий Uус_U_прим_рац усовершенствования дения о ТМП телеметрируемых объектов представ- для построения рациональных стратегий Uприм_рац лены в соответствующих им программах телеизме- применения (а также для построения объектов, рений [3] (ПТИ); относящимся к ним) таковы: M etQ_ТМИ_измер — методы измерений; RПП — источники (формирователи) первичных fOt_6 : Uприм × Uус_U_прим_рац → Uприм_рац. (6) сигналов, RПП ⊂ RОТ; QТМИ_ПП_∗ — первичные сигналы, формируе- Обосновано [6], что наиболее актуальные за- мые ПТС RПП. дачи ИТО ZИТО_иссл (рис. 1) связаны с формирова- Каждый из первичных сигналов QТМИ_ПП_∗ нием обобщенного массива данных телеизмерений [3, 5] соответствует определенному ТМП. Первич- (ФОМДТ): ные сигналы поступают на входы бортовой радио- телеметрической системы (БРТС). ZИТО_иссл = ZИТО_1, ZИТО_2, ZИТО_3, ZИТО_4 , (7) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ МЕТОД УСТАНОВЛЕНИЯ ОГРАНИЧЕНИЙ (ТРЕБОВАНИЙ) 87 Рис. 1. Общая стратегия решения задач ИТО где ZИТО_1 — формирование ТМИ на телеметриру- ровано 28 таких кортежей. Ограничения (требова- емом объекте; ния), относящиеся к этим кортежам, определяют ZИТО_2 — приемо-регистрация ТМИ; ZИТО_3 — сбор ТМИ в интересах ФОМДТ; требуемые свойства стратегий применения. ZИТО_4 — ФОМДТ. Определены сущности ограничений (требова- При осуществлении проблемно-ориентирован- ний) LU_прим_исх для противодействия неопределен- ным факторам Λиссл (1) (для краткости представ- ного метода установления ограничений выполняют лена лишь часть сформулированных ограничений (требований) LU_прим_исх, табл. 1). следующие действия. Суть разработанного проблемно-ориентирован- 1. Устанавливают ограничения (требования) ного метода установления ограничений состоит в следующем. LU_прим_исх_i (LU_прим_исх = {LU_прим_исх_i}, i = Формулируют отдельные наборы ограничений = 1, 2, . . . , N1), регламентирующие осуществление (требований), касающиеся стратегий, обеспечиваю- исходных стратегий Uприм_исх применения и касаю- щих противодействие отдельным рассматриваемым щиеся противодействия неопределенным факто- неопределенным факторам (см. табл. 1), а также формулируют отдельные наборы, связанные со спе- рам Λиссл. цификой решения задач ИТО (в частности, с раз- 2. Попарно сопоставляют отдельные ограни- несенным приемом ТМИ, с ФОМДТ). В дальней- шем получают кортежи, каждый из которых по су- чения (требования) LU_прим_исх_i и LU_прим_исх_j ти — список из отдельных непротиворечивых на- (LU_прим_исх_i, LU_прим_исх_j ∈ LU_прим_исх; i, j = боров ограничений (требований). В итоге сформи- = 1, 2, . . . , N1; i = j): fOt_8 : LU2 _прим_исх → YL_U_прим_исх. (8) Возможные результаты сопоставления таковы: • совместимые (взаимодополняемые), YL_U_прим_исх_i_j = 0; • взаимоисключающие (альтернативные, несов- местимые), YL_U_прим_исх_i_j = 1. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

88 В. Л. ВОРОНЦОВ Т а б л и ц а 1. Ограничения (требования) LU_прим_исх Λиссл Суть ограничений (требований) LU_прим_исх Ожидаемый полезный эффект от мер проти- ΛФП водействия неопределенным факторам Λиссл LU_прим_исх_1 — получение дополнительных сведений Получение новыми методами измерений о физических процессах, происходящих на телеметри- дополнительных сведений (информации) о телеметрируемом объекте, позволяющих руемом объекте, путем использования новых методов улучшить качество решений, направлен- ных на достижение цели его отработки измерений множества M etQ_ТМИ_измер ΛФП LU_прим_исх_2 — улучшение характеристик WQ_ТМИ Компактное представление данных телеиз- ТМИ и WТЭХ средств ИТО путем выбора методов из- мерений и повышение помехоустойчивости мерений из множества M etQ_ТМИ_измер, реализуемых использованием семантических свойств ПТС множества RПП; причем природа соответствую- этих данных, зависящих от выбранных ме- щих ТМП (ТМП из множества ΩТМП) такова, что тодов измерений, осуществляемых на те- существуют благоприятные условия для компактного леметрируемом объекте представления данных QТМИ_КП и для восстановления данных QТМИ_КП наземными ПТС Rобраб_ВЦ в случае искажений ТМИ QТМИ_ОМ помехами, действующими в канале «борт–Земля» ΛОТ_кол_ТМП LU_прим_исх_3 — априорное сокращение численности Уменьшение суммарной скорости поступ- избыточных ТМП и обеспечение их рационального ления ТМИ с выходов БРТС при допусти- состава по методам (по методикам), базирующимся мых потерях информации о состояниях те- на сведениях о результатах наземных испытаний, мо- леметрируемого объекта на этом объекте делировании и учете ценности ТМП по статистиче- ским данным, полученным в ходе ЛИ [7]. LU_прим_исх_4 — уменьшение объема данных QТМИ_КП кодов параметров путем оперативного изменения со- става ТМП в полетное время и результативного ис- пользования освободившихся телеметрических кана- лов (см., например, [8]) ΛТМП LU_прим_исх_5 — существенное уменьшение потерь ин- Существенное улучшение качества семан- формации из-за ошибок в выборе диапазона измерения тической составляющей ТМИ, формируе- мой на телеметрируемом объекте, и умень- ТМП и частоты опроса датчика (улучшение качества шение суммарной скорости поступления ТМИ с выходов БРТС, актуальное в усло- семантической составляющей данных QТМИ_КП) при виях жестких ограничений пропускной преобразовании первичных сигналов QТМИ_ПП в дан- способности каналов «борт–Земля» и кос- ные QТМИ_КП [6] и компактное представление данных мических радиолиний для непосредствен- ной ретрансляции и сбора ТМИ QТМИ_КП [9] ... ............................................. ................................... 3. Формируют из отдельных совмести- Пояснение п. 3. В принципе, возможны раз- мых (взаимодополняемых, см. п. 2) элементов личные по количеству вышеупомянутых элемен- LU_прим_исх_i (i = 1, 2, . . . , N1) множество корте- тов комбинации (различные кортежи). Например, LKort_U_прим_исх_∗ = LU_прим_исх_3, LU_прим_исх_4 , жей ограничений (требований) LKort_U_прим_исх LKort_U_прим_исх_∗∗ = LU_прим_исх_3, LU_прим_исх_4, (LKort_U_прим_исх = {LKort_U_прим_исх_k}, k = LU_прим_исх_5 и т. д. (см. табл. 1). Исходим из = 1, 2, . . . , N3), каждый из которых содержит того, что выполнение каждого отдельного набора максимально возможное количество элементов. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ МЕТОД УСТАНОВЛЕНИЯ ОГРАНИЧЕНИЙ (ТРЕБОВАНИЙ) 89 ограничений (требований) LU_прим_исх_i (i = 1, 2, . . . – LZ_ИТО_12_T _1 — формирование ТМИ в БРТС . . . , N1) существенно улучшит качество ИТО, а его (ZИТО_1) и приемо-регистрация (ZИТО_2) осуществ- игнорирование не влечет невыполнение оставшихся ляются лишь в полетное время; ограничений (требований). – LZ_ИТО_12_T _2 — формирование ТМИ в БРТС (ZИТО_1) и приемо-регистрация (ZИТО_2) осуществ- 4. Устанавливают ограничения (требования) ляются не только в полетное, но и в послеполетное LZ_ИТО_иссл, касающиеся оперативности решения время (аналог такой технологии — DTN [10], Delay задач ZИТО_иссл и объемов (скорости передачи) Tolerant Networking (англ.), устойчивые к задерж- ТМИ, над которой осуществляют действия при ре- кам сети); шении этих задач. – LZ_ИТО_3_T _1 — сбор ТМИ (ZИТО_3) преиму- щественно в темпе формирования ТМИ в БРТС 5. Формируют множество кортежей огра- в полетное время; ничений (требований) LKort_Z_ИТО_иссл группи- рованием установленных по п. 4 ограниче- – LZ_ИТО_3_T _2 — сбор ТМИ (ZИТО_3) преиму- ний (требований) LZ_ИТО_иссл (LKort_Z_ИТО_иссл = щественно в послеполетное время; = {LKort_Z_ИТО_иссл_i}, i = 1, 2, . . . , N5). – LZ_ИТО_4_T _1 — ФОМДТ (ZИТО_4) преиму- 6. Попарно сопоставляют отдельные ограниче- щественно в темпе формирования ТМИ в БРТС ния (требования) множеств LZ_ИТО_иссл (см. п. 4) в полетное время; и LU_прим_исх (см. п. 1), результаты сопоставления аналогичны п. 2. – LZ_ИТО_4_T _2 — ФОМДТ (ZИТО_4) в после- полетное время; 7. Формируют из отдельных совместимых – LZ_ИТО_2_V _1 — объем ТМИ QТМИ_рег, заре- (взаимодополняемых, см. п. 6) элементов мно- гистрированной ПРС, обычный для существующих средств ИТО (VQ_ТМИ_рег ∼ nКРVQ_ТМИ_ОМ, nКР = жеств LU_прим_исх и LZ_ИТО_иссл, входящих, соот- = nКР_сущ); ветственно, в состав отдельных кортежей мно- – LZ_ИТО_2_V _2 — объем ТМИ QТМИ_рег суще- жеств LKort_U_прим_исх (см. п. 3) и LKort_Z_ИТО_иссл ственно уменьшен по сравнению с обычным для су- (см. п. 5), множество кортежей LKort_Z_ИТО_иссл_выб ществующих средств ИТО объемом (VQ_ТМИ_рег ∼ (LKort_Z_ИТО_иссл_выб = {LKort_Z_ИТО_иссл_выб_i}, i = ∼ nКРVQ_ТМИ_ОМ, nКР = nКР_ум, nКР_ум < nКР_сущ, = 1, 2, . . . , N7). где nКР_сущ — количество обычно используемых каналов разнесения или количество обычно задей- 8. Выбирают из множества кортежей ствуемых ПРС; nКР_ум — уменьшенное по сравне- LKort_Z_ИТО_иссл_выб (см. п. 7) наиболее акту- нию с nКР_сущ количество каналов разнесения, или альные кортежи LKort_Z_ИТО_иссл_рац (кортежи, количество ПРС) путем сокращения числа каналов обладающие по результатам экспертных оце- разнесения по сравнению с существующим количе- нок показателей эффективности средств ИТО ством; признаками рациональных стратегий Uприм_рац), LKort_Z_ИТО_иссл_рац ⊂ LKort_Z_ИТО_иссл_выб. – LZ_ИТО_3_V _1 — объем ТМИ QТМИ_ФОМДТ, поступившей (выбранной) для ФОМДТ, примерно 9. Конкретизируют выбранные по п. 8 огра- равен объему всей ТМИ QТМИ_рег, зарегистриро- ничения (требования) LKort_Z_ИТО_иссл_выб_j , ванной ПРС (VQ_ТМИ_ФОМДТ ∼ VQ_ТМИ_рег); LKort_Z_ИТО_иссл_выб_j ∈ LKort_Z_ИТО_иссл_рац (т. е. формулируют рекомендации по построению – LZ_ИТО_3_V _2 — объем ТМИ QТМИ_ФОМДТ значительно меньше объема ТМИ QТМИ_рег новых методов, методик, моделей, касающихся (VQ_ТМИ_ФОМДТ VQ_ТМИ_рег). объектов множества Uприм_∗∗ (5) и/или FR_∗ (4)). Сформировано (табл. 2) множество кортежей Установлены следующие ограничения (требо- ограничений (требований) LKort_Z_ИТО_иссл груп- вания) LZ_ИТО_иссл, связанные с ФОМДТ, касаю- пированием установленных по п. 4 ограничений щиеся оперативности решения задач ZИТО_иссл (7) и объемов (скорости передачи) ТМИ, над которой осуществляют действия при решении этих задач: РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

90 В. Л. ВОРОНЦОВ Т а б л и ц а 2. Кортежи множества LKort_Z_ИТО_иссл (LKort_Z_ИТО_иссл = {LKort_Z_ИТО_иссл_i}, i = 1, 2, . . . , 16) LKort_Z_ИТО_иссл_i, i = LZ_ИТО_12_T _j , j = LZ_ИТО_3_T _j , j = LZ_ИТО_4_T _j , j = LZ_ИТО_2_V _j , j = LZ_ИТО_3_V _j , j = 1 1 1111 2 1 1211 3 1 2211 4 2 2211 5 1 1121 6 1 1221 7 1 2221 8 2 2221 9 1 1112 10 1 1 2 1 2 11 1 2 2 1 2 12 2 2 2 1 2 13 1 1 1 2 2 14 1 1 2 2 2 15 1 2 2 2 2 16 2 2 2 2 2 (требований) LZ_ИТО_иссл (LKort_Z_ИТО_иссл = – рациональные алгоритмы Aрац получения = {LKort_Z_ИТО_иссл_i}, i = 1, 2, . . . , 16). обобщенных данных, основанные на подборе ве- совых характеристик достоверности, полученные Из множества кортежей LKort_Z_ИТО_иссл_выб (см. п. 7) выбрано множество наиболее актуальных по методу M etü_рац (детализация разработанной кортежей LKort_Z_ИТО_иссл_рац (см. п. 8). Опреде- проблемно-ориентированной концептуальной моде- лены объекты (см. п. 9), необходимые для осу- ли M odФОМДТ технологии ФОМДТ); ществления рациональных (на рассматриваемом – метод M etвосст_синхр_Q_ТМИ_БД улучшения ка- чества синхронизации принятых блоков данных; этапе) стратегий множества Uприм_рац. Таковыми, в частности, являются следующие объекты [6]: – рекомендации LU_прим_контр_деф_Q_ТМИ по раз- работке технологии выявления причин (источни- – метод M etQ_ТМИ_преоб_Λ_ТМП преобразования ков) дефектов ТМИ при осуществлении ФОМДТ первичных сигналов, уменьшающий потери ТМИ (детализация модели M odФОМДТ). из-за неопределенности ТМП; – рекомендации LMet_Q_ТМИ_накопл_БИТС по на- Требуемый состав ПТС ТК (RТК) зависит коплению ТМИ в БИТС, применяемых в условиях от отдельных ПТС, образующих текущие наборы риска полетных аварий РКН и МБР; КСИСО: – рекомендации LMet_Q_ТМИ_обмен_РП по осу- JK ществлению новых методов M etQ_ТМИ_обмен_РП уп- равляемого обмена данными в интересах ФОМДТ RТК = Rk_j , (9) и сбора ТМИ; j=1 k РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ МЕТОД УСТАНОВЛЕНИЯ ОГРАНИЧЕНИЙ (ТРЕБОВАНИЙ) 91 где j = 1, 2, . . . , J — условное обозначение типа Такое оценивание позволяет наиболее пол- телеметрируемого объекта (различных ПТИ [3]), но учитывать влияние изменяющихся свойств а обозначения «k», . . ., «K» соответствуют наиме- отдельных объектов, относящихся к стратеги- нованиям отдельных ПТС. ям Uприм и Uус, а также сущностей отношений этих объектов на общие показатели эффективно- Для наиболее рационального состава ТК сти (качества) Wприм и Wус: (для ТК, обладающего свойством инвариантно- сти по отношению к изменяющимся задачам ИТО fM et_W _прим_рац : (fM et_W _ТЭХ_тр : или по отношению к отрабатываемым телеметриру- (fM et_W _Q_ТМИ_об_тр : Uприм_рац × Λиссл → емым объектам) характерно → WQ_ТМИ_ОМ_тр) → WТЭХ_тр) → Wприм_рац, (13) Rk_j = Rk, Nk_j = Nk_ min, (10) а для наименее рационального — где f ∗ — функция отображения одного множества в другое, соответствующая определенному научно- J Nk_i Nk_j, i = j (11) методическому обоснованию этого отображения; Rk_j = ∅, WQ_ТМИ_ОМ_тр — необходимые для осуществ- ления рациональных стратегий Uприм_рац характе- j=1 ристики данных телеизмерений обобщенного мас- сива; хотя бы для одного (i-го) типа РКН или МБР (Nk_j — количество ПТС Rk_j, ∅ — пустое мно- WТЭХ_тр — необходимые для осуществления жество, индекс «min» означает «минимальное ко- рациональных стратегий Uприм_рац технико-эконо- личество»). мические характеристики применяемых ПТС; Следует заметить, что условие (10) — необ- Wприм_рац — показатели эффективности мно- ходимый, но недостаточный признак рационально- жества Wприм (Wприм_рац ⊂ Wприм), относящиеся го ТК. Должны соблюдаться требования по мате- к рациональным стратегиям Uприм_рац. риальным затратам на применение средств ИТО, по оперативности решения задач ИТО, по каче- При этом характеристики WQ_ТМИ ТМИ ству ТМИ. В случае разнотипных ПТС и альтерна- условно разделены на три следующие группы тивных стратегий применения связь между количе- (что соответствует сущностям QТМИ ТМИ): ством ПТС и эффективностью стратегий — весьма условная. WQ_ТМИ = {WQ_ТМИ_сем, WQ_ТМИ_V T , WQ_ТМИ_ун}, (14) В этой ситуации целесообразно четырехуров- невое оценивание эффективности (качества) рас- где WQ_ТМИ_сем — характеристики семантической сматриваемых стратегий Uприм и Uус составляющей ТМИ, связанные с уменьшением по- терь информации; Wэф = WQ_ТМИ, WТЭХ, Wприм, Wус , (12) WQ_ТМИ_V T — объемно-временны´е характери- где Wэф — множество характеристик и показателей стики ТМИ; эффективности (качества); WQ_ТМИ_ун — характеристики свойств (каче- Wус — множество показателей эффективности ства) ТМИ, связанные с унификацией структур выполнения операций усовершенствования в соот- сигналов и данных. ветствии со стратегиями Uус [6], Wус ⊂ Wэф; Из представленной схемы (рис. 2) следует, что Wприм — множество показателей эффективно- для обеспечения требуемых свойств ТМИ отдель- ным предполагаемым ПТС Ri нужно осуществить сти выполнения операций применения в соответ- в нем подходящий метод (или совокупность мето- дов) множества M etQ_ТМИ (положим, осуществить ствии со стратегиями Uприм [6], Wприм ⊂ Wэф; метод M etQ_ТМИ_i, M etQ_ТМИ_i ∈ M etQ_ТМИ), при- WТЭХ — множество технико-экономических чем с учетом свойств ТМИ на входе этого ПТС. характеристик средств ИТО; WQ_ТМИ — множество характеристик ТМИ (QТМИ). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 1 2019