РКС 2022 3

РКС РОССИЙСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Научно-технический журнал РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И  ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Том 9. Выпуск 3. 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, т. 9, вып. 3 Содержание Системный анализ, управление космическими аппаратами, 3 обработка информации и системы телеметрии. Дистанционное зондирование Земли 13 19 Алгоритм формирования рабочих структур при управлении многоспутниковой орбитальной группировкой Потюпкин А. Ю., Тимофеев Ю. А., Волков С. А. Разработка плагина геоинформационной системы QGIS для доступа к ресурсам веб-сервиса «Банк базовых продуктов» Мешков М. В., Евлашкин М. А., Васильев А. И. Повышение эффективности наземных испытаний изделий ракетно-космической техники на основе интеллектуализации обеспечивающих средств испытательных комплексов Вокин Г. Г., Гуменюк А. М., Егоров О. В., Лисейкин В. А., Макаров М. И., Сизяков Н. П., Тожокин И. А., Юрьев И. А. Космические навигационные системы и приборы. Радиолокация и радионавигация 30 Расширение полосы сигналов системы ГЛОНАСС в диапазоне L1 с использованием особенностей BOC-модуляции Астахов Д. А., Ткачев А. Б. Радиотехника и космическая связь 36 48 Синхронное сложение сигналов антенн в комплексе телеметрических средств 57 Ватутин С. И., Козин П. А. 65 Разработка бортовых антенн Фабри–Перо с конструктивным элементом на основе искусственного магнитодиэлектрика Аджибеков А. А. Реализация отказоустойчивой межкристальной связи в системах космической научной аппаратуры, на базе нескольких программируемых логических интегральных схем Воронов К. Е., Сухачев К.И., Шестаков Д. А., Артюшин А. А. Межорбитальная система передачи данных для управления группировкой малых КА Ватутин С. И., Гвардин Р. М., Курков И. К., Егорова Н. В. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах Применение 3D-печати для изготовления элементов радиоэлектронной аппаратуры космического назначения Тюлин А. Е., Ерохин Г. А., Павлов А. В., Горбунов В. А., Тюлькова А. А., Смирнова О. Н. 76 Разработка микросистемного датчика для контроля электризации поверхности космических аппаратов 91 Дорофеев Ю. Б., Дорофеев Р. Ю.

ROCKET-SPACE DEVICE ENGINEERING AND INFORMATION SYSTEMS 2022, Vol. 9, Iss. 3 Contents Systems Analysis, Spacecraft Control, Data Processing, and Telemetry Systems. 3 Earth Remote Sensing 13 19 The Algorithm for Formation of Working Structures in Multi-Satellite Orbital Constellation Management Potyupkin A. Yu., Timofeev Yu. A., Volkov S. A. Development of a Plug-in for the QGIS Geographic Information System for Accessing the Resources of the Basic Products Bank Web Service Meshkov M. V., Evlashkin M. A., Vasil’ev A. I. On Improving the Efficiency of Ground-Based Testing of Rocket and Space Technology Products Based on the Intellectualization of the Supporting Means of Test Complexes Vokin G. G., Gumenyuk A. M., Egorov O. V., Liseikin V. A., Makarov M. I., Sizyakov N. P., Tozhokin I. A., Yuriev I. A. Space Navigation Systems and Devices. Radiolocation and Radio Navigation 30 Expansion of the GLONASS Signal Bandwidth in the L1 Band Using BOC Modulation Features Astachov D. A., Tkachev A. B. Radio Engineering and Space Communication Synchronous Addition of Antenna Signals in a Complex of Telemetry Facilities 36 Vatutin S. I., Kozin P. A. Development of the Space Fabry–Perot Antennas with a Structural Element Based on Artificial Magnetodielectric Adzhibekov A. A. 48 Implementation of Fault-Tolerant Intercrystal Communication in the Systems of Space Scientific Equipment 57 Based on Multiple Field Programmable Gate Arrays Voronov K. E., Sukhachev K. I., Shestakov D. A., Artyushin A. A. Inter-Orbital Data Transfer System for Small Spacecraft Constellation Control 65 Vatutin S. I., Gvardin R. M., Kurkov I. K., Egorova N. V. Solid-State Electronics, Radio Electronic Components, 76 Micro- and Nanoelectronics, Quantum Effect Devices 91 The Use of 3D Printing for the Manufacture of Radio Electronic Equipment Elements for Space Application Tyulin A. E., Erokhin G. A., Pavlov A. V.,. Gorbunov V.A, Tyulkova A. A., Smirnova O. N. Development of a Microsystem Sensor for Monitoring the Electrification of the Spacecraft Surface Dorofeev Yu.B., Dorofeev R.Yu.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 3, c. 3–12 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 621.314.5 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.3.3.12 Алгоритм формирования рабочих структур при управлении многоспутниковой орбитальной группировкой А. Ю. Потюпкин, д. т. н., проф., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Ю. А. Тимофеев, к. т. н., с. н. с., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. А. Волков, к. т. н., с. н. с., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Рассматривается алгоритм формирования рабочих орбитальных структур космических аппаратов для реализации целевых эффектов многоспутниковой орбитальной группировки. Алгоритм основан на решении задачи многокритериального выбора локальных орбитальных структур на избыточном множестве космических аппаратов с использованием нечеткой меры в виде функций принадлежности. Приведена формализация алгоритма в терминах теории нечетких множеств. Рассмотрен пример реализации алгоритма для многоспутниковой системы дистанционного зондирования Земли. Алгоритм формирова- ния рабочих структур может являться составной частью комплекса задач командно-программного обеспечения, реализуемых в Центре управления полетом перспективными многоспутниковыми орбитальными группировками. Ключевые слова: алгоритм, многоспутниковая орбитальная группировка, управление, функции принадлежности The Algorithm for Formation of Working Structures in Multi-Satellite Orbital Constellation Management A. Yu. Potyupkin, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Yu. A. Timofeev, Cand. Sci. (Engineering), senior researcher, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. A. Volkov, Cand. Sci. (Engineering), senior researcher, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. This article presents an algorithm for the formation of working orbital spacecraft structures for the implementation of the target effects of a multi-satellite orbital constellation. The algorithm is based on solving the problem of multi-criteria selection of local orbital structures on an excessive set of space vehicles using a fuzzy measure in the form of membership functions. The algorithm is formalized in terms of fuzzy set theory. An example of the implementation of the algorithm for a multi-satellite system of remote sensing of the Earth is considered. The algorithm for the formation of working structures can be an integral part of the complex of command and software tasks implemented in the Mission Control Center by promising multi-satellite orbital constellations. Keywords: algorithm, multi-satellite orbital constellation, management, control, membership functions

4 А. Ю. ПОТЮПКИН, Ю. А. ТИМОФЕЕВ, С. А. ВОЛКОВ Введение ция по типу ЦЭ (назначение КА, способных реа- лизовать ЦЭ) и конечным — итоговая активация Вопросы создания и эксплуатации многоспут- выбранных КА. никовых орбитальных группировок (МОГ) в настоя- После начальной активации, т. е. потенциаль- щее время приобретают все большую актуальность. ной оценки возможности выполнения задачи неко- В связи с развитием технологий создания малораз- торой группой КА, следует этап устранения кон- мерных КА многоспутниковые группировки стано- фликтов. Дело в том, что приведенные выше за- вятся объектом интереса уже не только государ- дачи могут решаться одновременно для множества ственных, но и частных структур. В силу чего спе- потребителей и одни и те же КА могут оказать- циалисты активно обсуждают различные аспекты ся в различных локальных ОС как способные ре- проблематики МОГ как дистанционно управляемых ализовать выбранные ЦЭ. В связи с этим важ- многоагентных систем. В работах [1–3] подробно ным шагом является выявление и устранение кон- рассмотрены вопросы создания и управления МОГ, фликтов и, в ряде случаев, переназначение КА. а в статье [3] рассмотрен вариант решения задачи После устранения конфликтов происходит итого- управления МОГ на основе концепции режимов вая активация выбранных КА. Указанные задачи функционирования в условиях ограниченности ре- могут быть решены как потребителем, например сурсов управления. для КНС выбор необходимого созвездия навигаци- В целом задача управления МОГ рассматри- онных КА осуществляется потребителем автомати- вается на системном уровне как задача управле- чески, так и в более сложном случае операторами ния системным эффектом (дифференциальным вы- Центра управления полетом космической системы, ходным эффектом в терминах ГОСТ Р56526-2015), как для систем ДЗЗ. который, в свою очередь, предполагает управление Общее правило принятия решения выглядит целевыми эффектами (ЦЭ) системы, орбитальной следующим образом: структурой, состоянием МОГ и системой инфор- Если КА находится в орбитальной позиции, мационного обмена. Подробно указанные вопросы соответствующей нужному целевому эффекту рассмотрены в работах [1, 3]. Напомним общую и его локальной орбитальной структуре, зареги- концепцию управления. стрирован в орбитальной соте, обладает требу- «Задача управления МОГ рассматривается как емой технической готовностью и не находится задача множественного выбора локальных орби- в состоянии конфликта с другими КА, то он мо- тальных структур (ОС) на избыточном множестве жет быть активирован для реализации систем- КА для реализации заданных потребителем ЦЭ ис- ного эффекта. ходя из ресурсных ограничений. Учитывая множе- При этом определение соответствия КА нуж- ство ограничений, связанных с баллистическим по- ной орбитальной структуре при заданном ЦЭ в за- строением МОГ, ресурсом отдельных КА, постав- данной области пространства может быть осу- ленная задача может быть решена одним из мето- ществлено путем наложения множества ОС ЦЭ дов решения многокритериальных задач, например на матрицу орбитальных параметров. методом главного критерия или последовательных Следует учитывать, что формирование правил уступок. принятия решения на управление с учетом режи- Общая структура процесса принятия решения мов функционирования представляет собой отдель- на управление предполагает получение задачи от ную и весьма сложную исследовательскую зада- потребителя, выбор ЦЭ, выбор орбитальной струк- чу, так как выбор варианта режима для каждого туры для его реализации, поиск КА, способных из КА группировки и системы в целом остается в требуемое время ее реализовать, оценку их тех- прерогативой специалистов Центра управления по- нической готовности, запаса ресурсов — энерге- летом космической системы» [3]. В связи с эти тических и рабочего тела (ЭЭ и РТ), наличие возникает актуальная задача разработки алгорит- возможностей информационного обмена. Предва- ма формирования рабочих структур при управле- рительным решением является начальная актива- нии МОГ. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ РАБОЧИХ СТРУКТУР 5 Решение задачи анта в соответствии с выбранным критерием пред- почтения. Примем, что каждая ОС предназначена для ре- ализации некоторого целевого эффекта. Если все Следует учитывать, что в настоящее время ЦЭ будут реализованы с требуемым качеством, существует большое разнообразие методов много- то и общий системный эффект (СЭ) как диффе- критериального принятия решений как в условиях ренциальный выходной эффект также будет реали- определенности, так и в условиях различных видов зован должным образом. В качестве примера по- неопределенности: стохастической и нестохастиче- добного эффекта приведем обеспечение доступно- ской. Рассматриваемая задача относится к классу сти потребителей к получению услуг космических задач, решаемых в условиях неопределенности, систем, где под доступностью понимается способ- и, в связи с отсутствием достаточной статистики, ность системы обеспечивать потребителей сервиса- неопределенности нестохастической. Математиче- ми требуемого качества в зоне действия системы. ским аппаратом, позволяющим решать задачи вы- Например, для космической навигационной систе- бора в таких условиях, является теория нечет- мы (КНС) доступность характеризуется возмож- ких множеств [4, 5]. Понятие нечеткого множе- ностью получения потребителем в рабочей зоне ства основывается на предположении о том, что системы достоверной информации о своем местопо- любой элемент лишь в некоторой степени принад- ложении в определенный период времени и с тре- лежит данному множеству. Степень принадлеж- буемой точностью. В качестве показателя доступ- ности определяется нечеткой мерой — функцией ности навигационного поля КНС в целом исполь- принадлежности (ФП) — μ(•) ∈ [0, 1]. При этом зуется вероятность обеспечения доступности, рас- μ(•) = 1 — элемент принадлежит множеству, считываемая как процент времени, в течение ко- μ(•) = 0 — не принадлежит, 0 < μ(•) < 1 — торого пространственный геометрический фактор принадлежит в некоторой степени. Функции при- PDOP меньше 6 на любом 24-часовом интервале надлежности могут являться результатом эксперт- в зоне действия системы. ной оценки как степени уверенности лица, при- нимающего решение (ЛПР) или обработки коли- Для систем связи доступность рассматривается чественных данных. Подход, основанный на тео- как способность систем связи обеспечивать абонен- рии нечетких множеств, позволяет математически там систем связи доступ к радиоресурсу при сохра- оперировать не только с неявно заданными данны- нении назначенных приоритетов и способов установ- ми, но и со смысловым содержание слов человека. ления связи. Оценивается она вероятностью санк- Например, высказывание «Уровень реализации си- ционированного доступа абонента независимо от стемного эффекта Высокий» может быть описано его местоположения к радиоресурсу системы связи. ФП следующего вида (рис. 1). Например, для космических систем связи PД = SпTа , SаT0 где Sп — площадь пересечения района расположе- Рис. 1. Функция принадлежности высказывания «Уро- ния абонента и площадью зоны обзора радиоаппа- вень реализации системного эффекта Высокий» ратуры; Sа — площадь района расположения або- Здесь μ(D) — ФП, D — доступность космиче- нента; Tа — время, в течение которого абонент на- ской системы. При этом рассматриваются 3 вари- ходится в зоне радиоприема во время цикла обра- анта ФП, отражающих различные варианты пред- почтений ЛПР. щения КА; T0 — период обращения КА. Решение задачи множественного выбора или одновременного выбора на множестве возможных структур, порождаемых отображением множества задач на множество исполнителей — агентов, пред- полагает выбор наилучшего или приемлемого вари- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

6 А. Ю. ПОТЮПКИН, Ю. А. ТИМОФЕЕВ, С. А. ВОЛКОВ Рассмотрим порядок выбора ЦЭ с использо- нения — ФП выглядит как ванием нечеткой меры как меры сравнения раз- личных вариантов. Будем опираться на заявленное μ∗А(•) = правило выбора и декомпозируем его на условия = max min{μОс/ЦЭ(•), μИО(•), μТГ(•), μКфл.(•)}. и выводы из них. Если КА находится в орбитальной позиции, соот- Рассмотрим варианты задания рассмотренных ветствующей нужному целевому эффекту и его функций принадлежности. В литературе можно най- локальной орбитальной структуре, — Условие 1, ти следующие виды ФП: треугольная, трапецеи- дальная, гауссова, экспоненциальная, сигмоидаль- зарегистрирован в орбитальной соте — Ус- ная, обобщенная колоколообразная и ряд других ловие 2, функций. Выбор конкретного варианта и его пара- метров определяется характером решаемой задачи обладает требуемой технической готов- и носит в определенной мере субъективный харак- ностью — Условие 3 тер. Однако после задания ФП дальнейшие вычис- ления и выводы являются строго математически и не находится в состоянии конфликта обоснованными. с другими КА — Условие 4, то он может быть активирован для реализации системного эффек- Примем в качестве рабочего варианта функцию та — Вывод из условий. принадлежности экспоненциального вида. В этом случае При этом Условие 2 — КА зарегистрирован в орбитальной соте — в общем случае может μ(k) = e−αk или μ(k) = 1 − e−αk, рассматриваться как условие решения задач ин- формационного обмена между различными КА где k — информативный параметр, отражающий се- и между КА и наземными комплексами управле- мантику решаемой задачи; α — параметр формы ния и специальным комплексом. ФП, определяемый, например, как αγ = − ln γ/kγ, где γ — значение ФП для заданного k. Например, Введем функции принадлежности для приве- если выбрано k , для которого γ = μ(k ) = 0,5, денных выше условий и вывода. Пусть μОс/ЦЭ(•) — то α0,5 = − ln 0,5/k0,5. ФП Условия 1 — КА находится в орбитальной структуре, соответствующей заданному ЦЭ; С увеличением полезного эффекта степень ис- тинности условия должна возрастать, но при этом μИО(•) — ФП Условия 2 — решены задачи не должна превышать 1. информационного обмена «Б-Б», «Б-З»; Тогда ФП Условия 1 — выбора орбиталь- μТГ(•) — ФП Условия 3 — КА обладает тре- ной структуры для реализации заданного ЦЭ буемой технической готовностью; в простейшем случае выглядит как μОс/ЦЭ(•) = = μОс/ЦЭ(ρ), где ρ — расстояние от оптимального μКфл.(•) — ФП Условия 4 — КА не находится для заданного ЦЭ расположения КА. Однако для в состоянии конфликта с другими КА; реализации ЦЭ с в многоспутниковой группировке одновременно используются несколько КА. Следо- μА(•) — ФП Вывода — КА может быть ак- вательно, возникает множество расстояний ρ и ха- тивирован для реализации системного эффекта. рактер принятия решения становится не столь од- нозначным. В связи с этим целесообразно в каче- Тогда степень истинности принятия решения стве информационного параметра в данном случае об активации КА из множества возможных на ос- использовать степень реализации ЦЭ при данной новании Условий 1–4, учитывая, что логическая орбитальной структуре, например наилучший гео- операция «И» в теории нечетких множеств рас- метрический фактор для КНС, кратность перекры- сматривается как операция min, можно оценить тия зон радиовидимости для спутниковых систем следующим образом: связи, для систем ДЗЗ в случае непрерывности на- блюдения заданного района — интервал времени μА(•) = min{μОс/ЦЭ(•), μИО(•), μТГ(•), μКфл.(•)}. В свою очередь, правило выбора конкрет- ного j-го КА из множества N возможных как определение наиболее предпочтительного варианта по максимальному значению выбранной меры срав- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ РАБОЧИХ СТРУКТУР 7 ненаблюдаемости района, в случае реализации ЦЭ пользователя предоставляемым ему обслужива- стереосъемки основной характеристикой геометри- нием. Качество обслуживания определяется в точ- ческого качества стереопары считается отношение ке доступа к услуге и характеризуется свойствами базиса фотографирования к высоте полета (B/Н), удобства использования, обеспеченности, действен- который также называют показателем стереосъем- ности (доступности, непрерывности, целостности) ки (должен быть приблизительно 1/50). Следова- и безопасности обслуживания» [9]. тельно, μОс/ЦЭ(•) = μОс/ЦЭ(kЦЭ). Как видно из таблицы, однозначно выделить В общем случае при использовании матрицы информативный параметр k для задания ФП затруд- орбитальных параметров задаются фильтры, выде- нительно. В связи с эти предлагается следующий ляющие на множестве КА подмножество, на кото- вариант его определения, основанный на выделе- ром могут быть выбраны КА, обеспечивающие на нии приоритетного показателя качества на основа- момент решения целевой задачи наилучшее значе- нии определения типа данных и вида услуги. На- ние выходного показателя целевого эффекта. Так, пример, для космических систем ДЗЗ для типа дан- в табл. 1 разными цветами выделены две группы ных — «данные» и вида услуги — «передача изоб- КА (1,3) и (2,4), которые на данный момент вре- ражений» с учетом требований по оперативности мени t1 создают орбитальную структуру для ре- передачи информации в ограниченных зонах ра- ализации заданного ЦЭ, но с разным значением диовидимости приоритетным является показатель выходного показателя. «скорость передачи данных». В этом случае пара- метр k — скорость передачи данных V и μИО(•) = Т а б л и ц а 1. Матрица орбитальных параметров = μИО(V ), а коэффициент α определяется с учетом остальных параметров качества обслуживания. КА Вре- X Y Z Vx Vy Vz мя Важным условием принятия решения являет- ся Условие 3 — КА обладает требуемой техни- 1 t1 X1(t1) Y 1(t1) Z1(t1) Vx1(t1) Vy1(t1) Vz1(t1) ческой готовностью с ФП μТГ(•). Как правило, 2 t1 X2(t1) Y 2(t1) Z2(t1) Vx2(t1) Vy2(t1) Vz2(t1) техническую готовность КА характеризуют коэф- 3 t1 X3(t1) Y 3(t1) Z3(t1) Vx3(t1) Vy3(t1) Vz3(t1) фициентом готовности Kг = Tр/(Tр + To), где Tр, 4 t1 X4(t1) Y 4(t1) Z4(t1) Vx4(t1) Vy4(t1) Vz4(t1) Tо — время нахождения КА в состоянии работоспо- собности и отказа. Однако возможность использо- . . .. . . t1 . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . вания КА по назначению определяется не только N t1 XN (t1) Y N (t1) ZN (t1) VxN (t1) VyN (t1) VzN (t1) технической готовностью, но и выделенными запа- сами рабочего тела (РТ) и электроэнергии (ЭЭ), Следовательно, в результате формируется мно- необходимых для решения задачи. Поэтому будем жество возможных ОС с ФП μОi с/ЦЭ(kЦЭ), где i = рассматривать Условие 3 как комплексное, включа- = 1, m, а правило выбора будет выглядеть как ющее следующие частные условия: КА работоспо- собен — условие 3.1. И обладает необходимым μ∗Ос/ЦЭ(kЦЭ) = max μiОс/ЦЭ(kЦЭ). выделенным запасом РТ — условие 3.2. И облада- ет требуемым выделенным запасом ЭЭ — усло- Следующей ФП является μИО(•) — реше- вие 3.3 с соответствующими функциями принад- ния задачи информационного обмена. Следует учи- лежности μ3.1(Kг), μ3.2(РТ), μ3.3( ). Тогда ФП тывать, что в области мультисервисных сетей связи μТГ(•) будет композицией ФП частных условий существует множество показателей, характеризую- следующего вида: щих качество предоставляемой услуги связи QoS для данной скорости передачи и типа данных [6–8] μ∗ТГ(•) = min{μ3.1(Kг), μ3.2(РТ), μ3.3( )}. (см. табл. 2). Здесь качество обслуживания (Qua- lity of Service, QoS) — «это совокупность показате- Заключительным этапом является определе- лей, которые определяют степень удовлетворения ние ФП μКфл.(•) — ФП Условия 4 — КА не на- ходится в состоянии конфликта с другими КА. Конфликт в данном случае будем рассматривать РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

8 А. Ю. ПОТЮПКИН, Ю. А. ТИМОФЕЕВ, С. А. ВОЛКОВ Т а б л и ц а 2. Требования к качеству услуг, предоставляемых мультисервисными сетями связи [8] Тип Требуемая Параметры качества услуги данных скорость Название услуги передачи Задержка, мс Джиттер Потери, % Аудио Телефония 4–64 кбит/с < 150 мс (отличное QoS), < 1 мс < 3% Передача голоса 4–32 кбит/с < 400 мс (допустимое QoS) < 1 мс < 3% < 1 с (для воспроизведения), < 2 с (для записи) Звуковое вещание 16–128 кбит/с < 10 с 1 мс < 1% Видео Видеоконференция > 384 кбит/с < 150 мс (отличное QoS), < 1% < 400 мс (допустимое QoS) Просмотр WEB-страниц 10 кБ < 2 с/стр. (отличное QoS), – 0 < 4 с/стр. (допустимое QoS) Данные Передача файлов 10 кБ–10 МБ < 15 с (отличное QoS), – 0 < 60 с (допустимое QoS) Передача изображений > 100 кБ < 15 с (отличное QoS), – 0 < 60 с (допустимое QoS) Доступ к электронной почте < 10 кБ < 2 с (отличное QoS), – 0 < 4 с (допустимое QoS) Факс > 10 кБ < 30 с/стр. – < 10−6 BER как событие, заключающееся в том, что данный Окончательное решение о назначении КА КА на рассматриваемый момент времени являет- будет выглядеть как ся кандидатом на включение в другие орбитальные структуры для реализации других ЦЭ. Будем счи- μiüj ∗(•) = max min{μОi∗с/ЦЭ(kЦЭ), μiИ∗О(V ), тать, что чем выше уровень востребованности КА, тем уровень конфликтности выше. Тогда μКфл.(•) = μТi∗Г(Kг, РТ, ЭЭ), μiК∗фл.(n)}. = μКфл.(n), где n — число заявок на задействова- ние рассматриваемого КА. Схема принятия решения как последователь- ной редукции размерности исходного множества Таким образом, определение каждой из рас- КА в соответствии с требованиями критериев, вы- смотренных ФП в конкретных ситуациях выбора двигаемых условиями 1–4, представлена на рис. 2. позволит оценить степень обоснованности назна- чения тех или иных КА для реализации задан- Здесь исходное множество КА размерности N ных ЦЭ с итоговой оценкой степени соответствия последовательно редуцируется в итоговое множе- по правилу ство КА размерности M < N по следующей схеме: N → n1 → n2 → n3 → n4 → M , где nj — раз- μiü ∗(•) = min{μiО∗с/ЦЭ(kЦЭ), μИi∗О(V ), мерность множества КА после выполнения j-го ус- ловия. μiТ∗Г(Kг, РТ, ЭЭ), μiК∗фл.(n)}, Общий алгоритм принятия решения о назначе- где «∗» — символ оценки значения ФП, i — номер нии КА будет выглядеть следующим образом: орбитальной структуры. 1. Задание ЦЭ с указанием вида ЦЭ, его про- Следует учитывать, что для каждой из указан- странственно-временных характеристик. ных ФП должен быть задан пороговый уровень вы- полнения каждого из рассмотренных выше условий: 2. Определение параметров возможных ОС для реализации ЦЭ, задание множества фильтров μ∗(•) μтр(•). для матрицы орбитальных параметров. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ РАБОЧИХ СТРУКТУР 9 Рис. 2. Общая схема принятия решения 3. Сравнение возможных ОС, выделенных в ре- уровня. В случае невыполнения требований для заданной ОС возврат к п. 4, выбор сле- зультате фильтрации, по степени реализа- дующей по рангу ОС. ции ЦЭ путем вычисления отдельных ФП 8. Итоговое назначение выбранных КА для реали- μiОс/ЦЭ(kЦЭ), ранжирование ОС по значени- ям ФП. зации ЦЭ, вычисление итоговой μü∗ (•), сравне- 4. Определение подмножества подходящих ние с пороговым значением. В случае невыпол- μО∗ с/ЦЭ(kЦЭ), проверка выполнения требований нения — прекращение решения задачи, отказ порогового уровня. В случае невыполне- от реализации ЦЭ. ния — прекращение решения задачи, отказ Приведенный алгоритм является итерацион- ным и предполагает последовательное принятие ре- от реализации ЦЭ. шений с учетом выполнения тех или иных условий. 5. Проверка выполнения условия решения за- Вместе с тем возможен и вариант параллельно- го рассмотрения всех возможных ОС, полученных дач информационного обмена для выбранных на этапе 2 приведенного алгоритма, с последующей на этапе 3 КА, определение μ∗ИО(V ) и выпол- оценкой всех ФП для множества ОС и результи- нения требований порогового уровня. В случае рующего выбора. невыполнения требований для заданной ОС — Достоинства и недостатки каждого из рас- смотренных вариантов выбора должны обсуждать- возврат к п. 4, выбор следующей по рангу ОС. ся применительно к конкретным условиям с учетом требуемого системного эффекта, множества ЦЭ, 6. Определение готовности выбранных КА к вы- состава орбитальной группировки, состояния КА и системы информационного обмена, вычислитель- полнению целевой задачи с учетом их рабо- ными возможностями системы планирования. тоспособности, запаса РТ и ЭЭ, определение Рассмотрим пример реализации предложенно- μТ∗Г(Kг, РТ, ЭЭ), проверка выполнения требо- го алгоритма. Пусть рассматривается многоспутни- ваний порогового уровня. В случае невыпол- ковая орбитальная группировка ДЗЗ, относящихся нения требований для заданной ОС — возврат к п. 4, выбор следующей по рангу ОС. 7. Проверка уровня конфликтности для выбран- ных на этапах 1–6 КА, определение μК∗ фл.(n), проверка выполнения требований порогового РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

10 А. Ю. ПОТЮПКИН, Ю. А. ТИМОФЕЕВ, С. А. ВОЛКОВ к классу миниКА (до 500 кг), энерговооружен- ние от заданного показателя стереосъемки, напри- ностью до 2 Квт, способных как к маневрирова- мер B/H = 1/50, α = 69,31472 для Δ(B/H)0,5 = нию в плоскости орбиты, так и к изменению угловой = 0,01 рад. ориентации путем осуществления программных раз- воротов с использованием активных элементов си- Условие 2 — решены задачи информацион- стемы управления движением, включающей как ре- активные двигательные установки, так и силовые ного обмена «Б-Б», «Б-З» — представим как ско- гироскопы [10]. Требуемым целевым эффектом яв- ляется ЦЭ стереосъемки [11] заданного участка рость передачи данных съемки ДОСТАТОЧНАЯ поверхности Земли (рис. 3). На заданный момент времени этот эффект потенциально могут реализо- с ФП вать 5 КА, обладающих требуемыми пространствен- но-временными характеристиками (находящимися μИi∗О(V ) = 1 − e−α(V ), над заданным районом мониторинга). где V — скорость передачи данных в системе ин- формационного обмена. С учетом данных, приве- денных в табл. 2, для передачи изображений тре- буется V 100 кБ, α = 0,017329 для V0,5 = 40 Кб. Для комплексного Условия 3 — КА обла- дает требуемой технической готовностью — ФП μiТ∗Г(Kг, РТ, ЭЭ) вычисляется путем компози- ции ФП μ3.1(Kг), μ3.2( ), μ3.3( ) для ряда част- ных условий: коэффициент готовности КА высо- кий — условие 3.1. И обладает необходимым вы- деленным запасом РТ — условие 3.2. И облада- ет требуемым выделенным запасом ЭЭ — усло- вие 3.3. Тогда μ∗3.1i(Kг) = 1−e−α(Kг) при коэффициенте готовности Kг ∈ [0, 1], α = 4,620981 для Kг0,5 = = 0,15. μ∗3.2i(νРТ) = 1 − e−α(νРТ) при выделенном запасе РТ νРТ ∈ [0, 100], гр. Рис. 3. Пример вариантов реализации ЦЭ стереосъемки α = 0,034657359 для νрт0,5 = 20 гр. Рассмотрим способы задания ФП условий вы- μ∗3.3i( ЭЭ) = 1 − e−α( ЭЭ) бора КА для реализации ЦЭ. Будем рассматри- при выделенном запасе ЭЭ ЭЭ ∈ [0, 500], Вт, вать варианты использования ФП экспоненциаль- ного вида. Следует учитывать, что в практических α = 0,006931472 для ээ0,5 = 100 Вт. и μiТ∗Г(•) = приложениях выдвинутые Условия принятия ре- = min{μ3∗.1i(Kг), μ3∗.2i(РТ), μ∗3.3i(ЭЭ)}. шения 1–4 могут трансформироваться без утраты смыслового содержания. Условие 4 — КА не находится в состоянии конфликта с другими КА — будем рассматривать Тогда Условие 1 — КА находится в орби- как уровень конфликтности НИЗКИЙ с ФП тальной структуре, соответствующей заданно- му ЦЭ, — преобразуется в условие 1 показатель μiК∗фл.(n) = e−αn, качества стереосъемки ВЫСОКИЙ — и ФП будет выглядеть с. о.: где n ∈ [1, 5] — число заявок на задействование рас- сматриваемого КА, α = 0,34657359 для n0,5 = 2. −αΔ B , H Общий вид некоторых из указанных ФП при- μОс/ЦЭ(kЦЭ) = e веден на рис. 4 (а, б, в, г). Здесь же проиллю- стрирован графически и процесс определения луч- где B — стереобаза между КА, H — высота по- шего варианта: различным значениям информатив- лета, Δ(B/H) = |B/H − (B/H)зад.| — отклоне- ного параметра соответствуют разные уровни ФП, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ РАБОЧИХ СТРУКТУР 11 Исходя из размерности решаемой задачи на множестве из 5 КА общее число возможных со- четаний для реализации заданного ЦЭ — сте- реосъемки составляет C52 = 10 пар, например КА1–КА4. Осуществим выбор одного предпочти- тельного варианта на основании предложенного ал- горитма. Пусть получены значения всех информативных параметров, сведенные в табл. 3, в которой приве- дены и оценки ФП Условий 1–4 и выводы из оце- нок. Будем считать, что для всех условий задан по- роговый уровень принятия решения μ∗(•) μтр(•), где μтр(•) = 0,7. Последовательный анализ Условий 1–4 позво- ляет на первом этапе сократить число возможных структур с 10 до 8, но при этом в состав ОС вхо- дят все КА группировки, поэтому анализ выпол- нимости Условий 2–4 проводится для всей груп- пировки. ОС и КА, не удовлетворяющие требова- ниям условий, выделены серым цветом. Как видно из табл. 3, происходит последовательное сокраще- ние размерности возможных ОС с 10 до 1. Ито- говая ОС для реализации ЦЭ стереосъемки вклю- чает КА3 и КА5. Заключение Рис. 4. Функции принадлежности условий принятия В настоящей статье рассматривается общий ал- решения горитм формирования рабочих структур при управ- лении МОГ, основанный на решении задачи мно- а на рис. 4, а показан и пороговый уровень ФП, гокритериального выбора с использованием нечет- при превышении которого вариант считается при- кой меры в виде функций принадлежности. Стро- емлемым. гая формализация алгоритма возможна с использо- ванием элементов формализации, введенных в по- становке задачи на управление МОГ, рассмотрен- ной в статье [3]. Практическая реализация пред- ложенного алгоритма предполагает задание соот- ветствующих множеств ЦЭ для МОГ, определе- ния множеств Условий принятия решения и ин- формативных параметров, а также видов функ- ций принадлежности. Алгоритм формирования ра- бочих структур может являться составной частью комплекса задач командно-программного обеспече- ния, реализуемых в Центре управления полетом перспективными многоспутниковыми орбитальны- ми группировками. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

12 А. Ю. ПОТЮПКИН, Ю. А. ТИМОФЕЕВ, С. А. ВОЛКОВ Т а б л и ц а 3. Значения информативных параметров и оценки функций принадлежности ОС 1–2 1–3 1–4 1–5 2–3 2–4 2–4 3–4 3–5 4–5 Δ(B/ ) 0,001 0,002 0,007 0,000 0,004 0,003 0,008 0,002 0,001 0,005 У1 μ∗(Δ(B/ )) 0,933 0,871 0,616 1,000 0,758 0,812 0,574 0,871 0,933 0,707 ОС 1 1–2 1–3 1–5 2–3 2–4 3–4 3–5 4–5 КА 1 2 3 4 5 V 95,000 60,000 85,000 100,000 90,000 У2 0,807 0,646 0,771 0,823 0,790 μ∗(V ) Kг 0,800 0,750 0,900 0,950 μ∗(Kг) 0,975 0,969 0,984 0,988 25,000 50,000 75,000 90,000 νРТ 0,580 0,823 0,926 0,956 У3 μ∗(νРТ) 150,000 300,000 350,000 375,000 0,646 0,875 0,912 0,926 ЭЭ 0,580 0,823 0,912 0,926 μ∗( ЭЭ) 1 2 0 μТ∗Г 0,707 0,5 1 n У4 μ∗(n) КА 1 2 3 4 5 Итоговая ОС 1–2 1–3 1–4 1–5 2–3 2–4 2–4 3–4 3–5 4–5 Список литературы вого оборудования и структурно-сетевых парамет- ров сетей связи следующего поколения. Красноярск: 1. Потюпкин А. Ю., Волков С. А., Пантелеймо- Поликом, 2010. 389 с. нов И. Н., Тимофеев Ю. А. Управление многоспут- никовыми орбитальными группировками // Ракет- 7. Макаренко С. И., Бородинов Р. В. Анализ техноло- но-космическое приборостроение и информацион- гий обеспечения качества обслуживания в мульти- ные системы, 2020, т. 7, вып. 3. С. 61–70. сервисных АТМ сетях // Информационные техно- логии моделирования и управления, 2012, № 1 (73). 2. Жодзишский А. И., Жидкова С. К., Нагорных Д. Н. С. 65–79. Построение единого наземного комплекса управле- ния многоспутниковой группировки КА ДЗЗ // Ра- 8. Аганесов А. В. Модель сети спутниковой связи на кетно-космическое приборостроение и информаци- основе протокола случайного множественного до- онные системы, 2020, т. 7, вып. 4. С. 45–56. ступа S-Aloha // Системы управления, связи и без- опасности, 2015, № 2. С. 99–134. 3. Потюпкин А. Ю. Волков С. А., Тимофеев Ю. А. Групповое управление многоспутниковой орбиталь- 9. Буранова М. А., Киреева Н. В. Технологии обес- ной группировкой на основе концепции режимов печения качества обслуживания в мультисервис- совместного функционирования // Ракетно-косми- ных сетях. Учеб. пособ. Поволжский государствен- ческое приборостроение и информационные систе- ный университет телекоммуникаций и информати- мы, 2021, т. 8, вып. 3. С. 11–19 ки, 2016. 181 с. 4. Прикладные нечеткие системы / Пер. с япон.; 10. Туманов А. В., Зеленцов В. В., Щеглов Г. А. Основы Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. М.: Мир, компоновки бортового оборудования космических 1993. 368 с. аппаратов. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Бау- мана, 2018. 572 с. 5. Нечеткие множества в моделях управления и искус- ственного интеллекта / Под ред. Д. А. Поспелова. 11. Потюпкин А. Ю., Данилин Н. С., Селиванов А. С. М.: Наука, 1986. 311 с. Кластеры малоразмерных космических аппаратов как новый тип космических объектов // Ракетно- 6. Назаров А. Н., Сычев К. И. Модели и методы рас- космическое приборостроение и информационные чета показателей качества функционирования узло- системы, 2017, т. 4, вып. 4. С. 45–56. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 3, c. 13–18 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 004.528, 528.8 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.3.13.18 Разработка плагина геоинформационной системы QGIS для доступа к ресурсам веб-сервиса «Банк базовых продуктов» М. В. Мешков, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация М. А. Евлашкин, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. И. Васильев, к. ф.-м. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Мировые тенденции обеспечения потребителей данными и информационными продуктами ДЗЗ обуславливают создание специализированных веб-сервисов оперативного предоставления космической информации. При этом современные геоинформационные системы ArcGIS/QGIS предусматривают возможность интеграции данных веб-сервисов в рамках своих интегрированных сред. Применительно к информационным продуктам, формируемых по данным российских космических си- стем ДЗЗ, в рамках данной статьи рассматриваются особенности разработки плагина для геоинформационной системы QGIS в обеспечение доступа к ресурсам геоинформационного сервиса «Банк базовых продуктов» (ББП). В частности, в статье при- ведены архитектурные особенности QGIS-плагина, а также модель взаимодействия с сервисами ББП. Подробно рассмотрен разработанный функционал плагина, обеспечивающий возможность заказа сцен и предоставления информационных продук- тов ДЗЗ, включая бесшовные сплошные покрытия регионов РФ. Ключевые слова: геоинформационная система, QGIS, плагин, банк базовых продуктов Development of a Plug-in for the QGIS Geographic Information System for Accessing the Resources of the Basic Products Bank Web Service M. V. Meshkov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation M. A. Evlashkin, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. I. Vasil’ev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. World trends in providing consumers with remote sensing data and information products lead to the creation of specialized web services for the prompt provision of space information. At the same time, modern geographic information systems ArcGIS/QGIS provide for the possibility of integrating data from the web services within their integrated environments. With regard to information products generated from the data of Russian space remote sensing systems, this article discusses the development of a plug-in for the QGIS geoinformation system to provide access to the resources of the geoinformation service Basic Products Bank (BPB). In particular, the article presents the architectural features of the QGIS plugin, as well as the model of interaction with BPB services. The developed functionality of the plug-in, which provides the possibility of ordering scenes and providing remote sensing information products, including seamless continuous coverage of regions of the Russian Federation, is considered in detail. Keywords: geographic information system, QGIS, plug-in, basic products bank

14 М. В. МЕШКОВ, М. А. ЕВЛАШКИН, А. И. ВАСИЛЬЕВ Введение Особенности разработки плагина для QGIS Современные веб-сервисы хранения, обработ- Одной из широко распространенных ки и распространения космической информации геоинформационных систем является QGIS дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) ори- (https://www.qgis.org). Популярность QGIS обу- ентированы на оперативность предоставления дан- славливается рядом характерных достоинств: крос- ных и информационных продуктов ДЗЗ. Широ- сплатформенность; поддержка большинства век- ко распространенными примерами таких веб-сер- торных и растровых форматов и типов баз данных висов могут служить зарубежные системы он- как поставщиков информации; широкий спектр лайн-доступа к данным отрытых космических си- встроенных инструментов для создания, редакти- стем ДЗЗ Landsat (https://earthexplorer.usgs.gov), рования и анализа данных. Вместе с тем одним Terra/Aqua (https://worldview.earthdata.nasa.gov), из главных преимуществ QGIS является его архи- Sentinel (https://scihub.copernicus.eu). В качестве тектура, поддерживаемая расширяемость на осно- примеров зарубежных коммерческих веб-сервисов ве плагинов. При этом поддерживается разработка онлайн доступа следует отметить операторов вы- плагинов с использованием высокоуровневых язы- сокого (https://www.planet.com) и сверхвысоко- ков C++ и Python. Учитывая, что графический ин- го разрешений (https://www.maxar.com). При- терфейс QGIS разработан с использованием кросс- менительно к российской орбитальной группи- платформенной библиотеки Qt, то при создании ровке следует выделить Геопортал Роскосмоса графического интерфейса плагинов также допусти- (https://gptl.ru) и «Банка базовых продуктов» мо использовать библиотеку Qt, а также среду раз- (https://bbp.ntsomz). работки IDE Qt Designer. Приведенные веб-сервисы являются источни- Ключевыми элементами QGIS являются ком- ками данных и информационных продуктов ДЗЗ, поненты — «Карта» (Map Canvas), «Слой» (Layer) предоставляемых соответствующими операторами и «Поставщик данных» (Data Provider). При этом КС ДЗЗ и, как правило, не предназначены для ре- компонент «Карта» является базовым элементом, шения каких-либо тематических задач. При этом отвечающим за послойное отображение компо- для решения прикладных тематических задач при- нентов типа «Слой», в рамках которых обеспечи- меняются два подхода: 1) создание специализи- вается ведение растровой либо векторной информа- рованных прикладных систем ДЗЗ, в том числе ции, предоставляемой в том числе компонентами ти- на основе обращения к ресурсам поставщиков дан- па «Поставщик данных» на основе доступа к TMS- ных и информационных продуктов ДЗЗ (например, сервисам (Tile Map Service) (см. рис. 1). https://eos.com/landviewer); 2) интеграция веб-сер- висов поставщиков информационных продуктов Таким образом, разработка плагинов для QGIS ДЗЗ в геоинформационные системы, в рамках ко- в обеспечение интеграции ресурсов веб-сервисов торых тематическими специалистами традицион- предоставления информационных продуктов ДЗЗ но решаются прикладные задачи (например, ин- накладывает дополнительные требования к доступу теграции в ArcGIS/QGIS, https://www.planet.com/ и отображению метаданных и полноразмерных раст- pulse/planet-releases-arcgis-add-in-qgis-plugin-v2-0). ровых данных информационных продуктов ДЗЗ. В рамках данной работы рассматриваются осо- Архитектурные и технологические бенности интеграции веб-сервисов «Банка базо- решения при создании QGIS- вых продуктов» (ББП) [1, 2], обеспечивающих ав- плагина доступа к ресурсам ББП томатическое формирование и предоставление вы- сокоуровневых информационных продуктов ДЗЗ, В основе архитектуры плагина доступа к ре- в программную инфраструктуру геоинформацион- сурсам ББП применяется двухкомпонентная мо- ной системы QGIS по средствам разработки пла- дель, включающая компонент обращения к веб-API гина. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

РАЗРАБОТКА ПЛАГИНА ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ QGIS ДЛЯ ДОСТУПА К РЕСУРСАМ 15 Рис. 1. Схематичное отображение ключевых компонентов QGIS и компонент трансформации/приведения результа- Рис. 2. Временная диаграмма отдельных механизмов тов обращений к элементам/структурам QGIS. взаимодействия QGIS и ББП в рамках плагина Учитывая специфику ББП в части веб-предо- обзорные изображения. Отображение контуров по- ставления сформированных/подготовленных инфор- лигонов сцен также хорошо согласуется с воз- мационных продуктов ДЗЗ, в том числе посред- можностями QGIS и не предоставляет трудностей ством WMTS-протокола (Web Map Tile Service), при использовании векторных слоев. В свою оче- то данная информация хорошо согласована с клю- редь, визуализация обзорных изображений в рам- чевыми компонентами QGIS. В таком случае техно- ках слоев QGIS возможна только при наличии ин- логическая модель взаимодействия QGIS-плагина формации о картографической проекции и парамет- с ББП при обращении к сформированным/подго- рах географической привязки. Соответственно для товленным информационным продуктам основыва- отображения обзорных изображений в плагине дол- ется на условно-синхронной концепции (см. рис. 2) жен быть реализован дополнительный функционал, и включает следующие основные этапы: обеспечивающий расчет параметров геопривязки 1) регистрация API-ключа для инициализации плагина; 2) получение списка актуальных доступных бесшовных сплошных покрытий (БСП) и/или акту- ального списка базовых продуктов, сформирован- ных/подготовленных в рамках заказов; 3) добавление БСП и базовых продуктов в виде отдельных рабочих QGIS-слоев. В соответствии с моделью ББП [2, 3] для каж- дого заказа/продукта имеется заданное время жиз- ни, в течение которого можно обращаться к продук- ту, в том числе на основе WMTS-протокола. По ис- течении времени жизни заказ/продукт становится недоступен. В рамках плагина дополнительно разра- ботан функционал возможности перезаказа (или ре- генерации продуктов заказа) при необходимости. Применительно к задаче поиска новых сцен для заказа продуктов веб-API ББП обеспечивает предоставление списка сцен для заданных крите- риев поиска, включая контура полигонов сцен и их РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

16 М. В. МЕШКОВ, М. А. ЕВЛАШКИН, А. И. ВАСИЛЬЕВ на основе контура полигона сцены. Кроме того, гина). Далее более подробно рассмотрим функцио- для использования слоя растровых данных для ви- нал каждой из процедур. зуализации должен быть использован формат раст- ровых данных с поддержкой геопривязки (напри- В рамках вкладки «Scenes» реализуется про- мер, формирование временных обзорных изображе- смотр списка всех выполненных, новых и истекших ний в формате GTiff). продуктов заказов. При этом для выполненных за- казов допустимо добавление выбранного продук- Функционал QGIS-плагина доступа та в список активных слоев QGIS (см. рис. 4). к ресурсам ББП Данные продукты отображаются в ГИС на основе WMTS-протокола, поддерживаемого ББП. Для ис- На рис. 3 приведено основное окно QGIS- текших заказов допустима регенерация заказов плагина. Взаимодействие с ресурсами ББП выпол- без необходимости повторного поиска сцен и вы- няется после регистрации API-ключа. В случае ва- бора продуктов. лидного ключа производится авторизация пользо- вателя и основной функционал плагина становится В рамках вкладки «BSP» реализуется про- доступен. смотр списка всех доступных бесшовных сплош- ных покрытий. Для отображения их применяет- В основной функционал QGIS-плагина входят ся древовидная структура по критериям регион– процедуры: 1) доступ к продуктам выполненных, разрешение–дата–продукт. Так же, как и отдельные новых и истекших заказов (вкладка «Scenes» ос- продукты заказов, каждое покрытие допустимо до- новного окна плагина); 2) доступ к бесшовным бавить в список активных слоев QGIS (см. рис. 5). сплошным покрытиям (вкладка «BSP» основного В отличие от продуктов заказов для БСП харак- окна плагина); 3) поиска новых сцен для заказа терно постоянное время жизни (т. е. без необходи- продуктов (вкладка «Search» основного окна пла- мости перезаказа). В рамках вкладки «Search» реализуется поиск новых сцен для заказа продуктов. Веб-API ББП предусматривает широкий функционал критериев Рис. 3. Главное окно QGIS-плагина доступа к ресурсам ББП (демонстрируется сообщение при регистрации нева- лидного ключа, также показана Open Street Map в качестве подложки) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

РАЗРАБОТКА ПЛАГИНА ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ QGIS ДЛЯ ДОСТУПА К РЕСУРСАМ 17 Рис. 4. Отображение продуктов, сформированных/подготовленных ББП, посредством функционала в QGIS Рис. 5. Отображение бесшовных сплошных покрытий, предоставляемых ББП, посредством функционала в QGIS поиска, включая географические координаты и вре- регистрируется вспомогательный векторный слой, менные диапазоны, углы визирования и Солнца, который хранится в оперативной памяти и пред- процент облачности. При этом в рамках плагина для назначен для определения его геометрии полиго- поиска задается временной диапазон (с использо- на. Кроме того, устанавливается режим редакти- ванием графических элементов плагина) и полигон рования для данного слоя и позволяет пользовате- (с использованием базовых инструментов QGIS). лю вручную задать геометрию поиска. Сформиро- Следует отметить, что для полигона в системе ванный полигон проходит проверку на валидность РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

18 М. В. МЕШКОВ, М. А. ЕВЛАШКИН, А. И. ВАСИЛЬЕВ Рис. 6. Отображение результатов поиска сцен для заданного региона интереса, предоставляемых ББП, по сред- ствам функционала в QGIS и в случае успеха может быть использован для по- Список литературы иска сцен. На рис. 6 представлен пример поиска по заданному региону интереса. 1. Селин В. А., Марков А. Н., Васильев А. И., Кор- шунов А. П. Геоинформационный сервис «Банк ба- Доступ к текущей стабильной версии пла- зовых продуктов» // Ракетно-космическое приборо- гина реализован в рамках веб-сервиса ББП строение и информационные системы, 2019, т. 6, (https://bbp.ntsomz.ru/documents). вып. 1. С. 40–48. Заключение 2. Марков А. Н., Васильев А. И., Ольшевский Н. А., Коршунов А. П., Михаленков Р. А., Салимонов Б. Б., В статье рассматривается задача интеграции Стремов А. С. Архитектура геоинформационного сер- веб-сервисов предоставления данных и информаци- виса «Банк базовых продуктов» // Современные про- онных продуктов ДЗЗ в геоинформационные систе- блемы дистанционного зондирования Земли из кос- мы. На примере QGIS демонстрируются ее особен- моса, 2016, т. 13, № 5. С. 39–51. ности и ограничения, а также используемые архи- тектурные и технологические решения при порти- 3. Марков А. Н., Васильев А. И., Ольшевский Н. А., рования веб-сервисов «Банк базовых продуктов» Михаленков Р. А., Салимонов Б. Б., Синяев П. А., в плагин для QGIS. Подробно рассмотрен разраба- Евлашкин М. А. Особенности доступа к ресурсам тываемый функционал плагина, демонстрирующий геоинформационного сервиса «Банк базовых про- практически полноценную работу с ресурсами ББП. дуктов» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2019, т. 16, № 3. С. 228–237. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 3, c. 19–29 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 629.764 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.3.19.29 Повышение эффективности наземных испытаний изделий ракетно-космической техники на основе интеллектуализации обеспечивающих средств испытательных комплексов Г. Г. Вокин, д. т. н., профессор, [email protected] «НИИ КС им. А. А. Максимова» — филиал АО «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева», г. Королев, Московская область, Российская Федерация А. М. Гуменюк, к. т. н., [email protected] АО «ГКНЦ им. М. В. Хруничева», Москва, Российская Федерация О.В. Егоров, к. т. н., [email protected] «НИИ КС им. А. А. Максимова» — филиал АО «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева», г. Королев, Московская область, Российская Федерация В. А. Лисейкин, к. т. н., [email protected] ФКП «НИЦ РКП», г. Пересвет, Московская область, Российская Федерация М. И. Макаров, д. т. н., профессор, [email protected] «НИИ КС им. А. А. Максимова» — филиал АО «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева», г. Королев, Московская область, Российская Федерация Н. П. Сизяков, д. т. н., [email protected] ФКП «НИЦ РКП», г. Пересвет, Московская область, Российская Федерация И. А. Тожокин, [email protected] ФКП «НИЦ РКП», г. Пересвет, Московская область, Российская Федерация И. А. Юрьев, к. т. н., доцент, [email protected] ФКП «НИЦ РКП», г. Пересвет, Московская область, Российская Федерация Аннотация. Изложены методические подходы, научно-технические предложения, результаты проработок, нацеленные па по- вышение показателей эффективности испытаний перспективных изделий ракетно-космической техники (РКТ) на основе ис- пользования элементов интеллектуализации информационно-измерительных технологий, аппаратно-технических и обеспечи- вающих средств наземных испытательных комплексов. В статье решение упомянутых вопросов предлагается искать на путях синергетически эффективного использования ме- тодических, инструментальных и технологических средств интеллектуализации и автоматизации технологических процедур проведения наземных испытаний и контроля изделий РКТ. Основными инструментами повышения показателей эффективности испытаний предлагается широко использовать сред- ства, названные нами интеллекторами и представляющие собой новые, модернизированные или известные, но вновь вводимые решения и средства, адаптированный методический аппарат, новую логистику и интеллектуально-компьютерную поддержку процессов испытаний. При этом для каждого вида испытаний может быть сформулирован свой специфический тезаурус интел- лекторов. Агрегированные интеллекторы выделены в такие типы тезаурусов, как методико-информационно-технологические, аппаратно-технические и модельно-имитационные. Приводятся обобщенная структурно-функциональная схема интеллекту- ализированного комплекса, включающая все его основные функциональные элементы, а также примеры конкретных схем отдельных его интеллектуализированных составных частей. На основе проведенного поискового анализа с использованием методологии деловых игр установлено, что при использова- нии упомянутых выше средств интеллектуализации и автоматизации имеет место существенное (многие десятки процентов) приращение показателей эффективности испытаний, снижение материально-финансовых и временных затрат при уменьшении негативного влияния человеческого фактора и сокращении требуемого количества специалистов-испытателей. Ключевые слова: изделия РКТ, испытания, тезаурусы, интеллекторы; эффективность испытаний, опытно-теоретические оцен- ки характеристик, параметров и свойств изделий; наземные испытательные комплексы РКТ; ожидаемый эффект, качество, средства интеллектуально-компьютерной поддержки процессов испытаний

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 3, c. 19–29 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ On Improving the Efficiency of Ground-Based Testing of Rocket and Space Technology Products Based on the Intellectualization of the Supporting Means of Test Complexes G. G. Vokin, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Maksimov Space Systems Research Institute — a Branch of FSUE Khrunichev State Research and Production Space Center, Korolev, Moscow region, Russian Federation A. M. Gumenyuk, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] FSUE Khrunichev State Research and Production Space Center, Korolev, Moscow, Russian Federation O. V. Egorov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Maksimov Space Systems Research Institute — a Branch of FSUE Khrunichev State Research and Production Space Center, Korolev, Moscow region, Russian Federation V. A. Liseikin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] FKP “NITs RKP”, Peresvet, Moscow region, Russian Federation M. I. Makarov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Maksimov Space Systems Research Institute — a Branch of FSUE Khrunichev State Research and Production Space Center, Korolev, Moscow region, Russian Federation N. P. Sizyakov, Dr. Sci. (Engineering), [email protected] FKP “NITs RKP”, Peresvet, Moscow region, Russian Federation I. A. Tozhokin, [email protected] FKP “NITs RKP”, Peresvet, Moscow region, Russian Federation I. A. Yuriev, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, [email protected] FKP “NITs RKP”, Peresvet, Moscow region, Russian Federation Abstract. The paper presents methodological approaches, scientific and technical proposals, results of studies aimed at improving test performance indicators as applied to the field of advanced rocket and space systems by introducing intellectualization of information and measurement technologies, hardware and support systems of ground-based test facilities. The paper suggests that the solution of these issues should be sought in the synergistically-efficient use of methodological and technological tools to facilitate intellectualization and automation of technological procedures for ground-based tests and monitoring of rocket and space equipment. As proposed by the authors, the key approach to enhancing the test efficiency should involve a wide use of tools designated as “intellectors” which represent new, updated or well-known but newly introduced solutions and tools, an adapted methodology, a new test logistics. At the same time, an individual thesaurus of intellectors may be compiled for a certain type of testing. Aggregated intellectors are divided into such types of thesauri as methodological-information-technological, hardware-technical and simulation-modelling. A functional block diagram of the intellectualized test facility is presented including all its major functional elements, as well as examples of its intellectualized element schematics are provided. Based on the survey and analysis carried out with the use of business game methodology it was found that employing above- mentioned intellectualization and automation tools brings about a considerable growth (by many tens of percent) of test efficiency indicators, fosters reduction in material, financial and time costs while decreasing a human factor negative impact and reducing the number of test specialists required. Keywords: rocket and space systems, tests, thesauri, intellectors; test efficiency, experimental and theoretical assessments of characteristics, parameters and properties of space systems; spacecraft ground-based test facilities; expected effect, quality

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ РКТ 21 Введение венные, межведомственные, наземные, летные, приемо-сдаточные, контрольные, утяжеленные, го- В настоящее время есть основания констати- сударственные и другие наименования испытаний. ровать, что современный этап мирового техноло- гического развития является, по своей сути, на- К настоящему времени, начиная с середины чалом нового периода развития человеческой ци- прошлого века, разработано большое число мето- вилизации. И это нельзя отнести к преувеличе- дик испытаний, закрепленных в нормах и стандар- ниям. Об этом свидетельствуют те новые техноло- тах разного уровня, в том числе и в государствен- гические направления, развитие которых происхо- ных стандартах, тем не менее потребность в со- дит со все большей скоростью. Если в XX веке это вершенствовании технологий испытаний является были космос и атомная энергия, то сейчас это — актуальной в связи с использованием при созда- искусственный интеллект, информационные техно- нии перспективных изделий РКТ новых научно- логии, телекоммуникации, большие системы, био- технических решений, новых материалов, а так- технологии и т. п. [1], при этом борьба за техноло- же в связи с появлением нетрадиционных функ- гическое лидерство стала полем глобальной конку- ций, с необходимостью обеспечения функциони- ренции. На своем опыте авторы лишний раз убеди- рования в тяжелых условиях космической среды, лись, что развитие современных технологий в раз- в том числе и длительное время [3, 4]. личных сферах человеческой деятельности про- исходит на практике в соответствии с философ- Актуальность рассматриваемых вопросов обу- ским законом о переходе количественных измене- словлена тем обстоятельством, что при создании ний в коренные качественные. При этом уместно изделий РКТ такой этап их жизненного цикла, отметить, что в этом смысле ракетно-космическая как испытания и контроль, занимает особо важ- техника исключением не является. Более того, как ное место не только в вопросах обеспечения спо- мы можем констатировать, она сама стала локомо- собности изделий выполнять заданные функции, тивом прогресса и самым активным потребителем но и в том, что трудоемкость испытательных и кон- всего нового и передового на всех этапах жизнен- трольных процессов составляет от 20 до 40 % об- ного цикла изделий РКТ, в том числе и на этапе щей трудоемкости создания изделий и имеет тен- испытаний и контроля. денцию к возрастанию. При этом не только воз- растает потребность в совершенствовании испыта- Испытания изделий РКТ, являясь одним из тельной базы, но и, кроме того, остро стоит вопрос важных этапов их жизненного цикла, а в то же вре- о сокращении материально-финансовых и времен- мя в силу их большой важности, требуемой боль- ных затрат на проведение полномасштабных испы- шой надежности и безотказности в тяжелых усло- таний [5–11], а также об уменьшении количества виях функционирования, большой ответственности занятого на испытаниях технического персонала решаемых боевых, научных или социально-эконо- при безусловном обеспечении надежного определе- мических задач требуют масштабных материаль- ния с требуемой точностью оценок характеристик, но-финансовых затрат и серьезного научно-тех- параметров и свойств изделий [12–19]. нического обоснования для объективной опытно- теоретической оценки характеристик, параметров Как показывает анализ опыта авторов, для вы- и свойств испытываемых изделий [2]. Территори- полнения упомянутых требований технологии ис- ально испытания изделий начинаются в земных пытаний зачастую из простых становятся доста- условиях, а заканчиваются в условиях полета в ат- точно сложными и, что главное, наукоемкими, мосфере, в безвоздушном пространстве или в усло- требуя при этом больших материальных и фи- виях открытого космоса. нансовых затрат с привлечением большого числа специалистов-испытателей. В связи с этим появ- Не ранжируя по объему, видам и времени ис- ляется настоятельная потребность в поиске но- пытаний, можно выделить среди них такие часто вых подходов, научно-технических решений и но- используемые испытания, как: лабораторные, стен- вых технологических инструментов, основанных довые, конструкторские, внутризаводские, ведомст- на новых информационно-измерительных техноло- гиях, новых возможностях программно-аппаратных РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

22 Г. Г. ВОКИН, А. М. ГУМЕНЮК, О. В. ЕГОРОВ И ДР. и проблемно-ориентированных программных про- ния количества обслуживающего персонала; уве- дуктов, а также на создании усовершенствованных личение числа контролируемых параметров изде- обеспечивающих средств испытательных техниче- лий, повышение времени полноценного функцио- ских комплексов. нирования и точности определения надежности из- делия в заданных условиях работы, а также сте- Повышение требований к результативности пень качественного и количественного повышения и показателям эффективности испытаний — это уровня автоматизации, информатизации и сервиса не локальные и не ситуативные явления и случаи, процессов испытаний на технической базе испыта- а это тенденция-тренд. В связи с этим возникает тельных комплексов. актуальная задача теоретического обобщения на- копленного к настоящему времени опыта и поиска Сформированное понятие может не только ха- научно-технических подходов, а также разработки рактеризовать процессы испытаний, но и проводить предложений по повышению эффективности испы- оценки на соответствие требованиям таких важ- таний базовых элементов перспективных изделий нейших видов испытаний, как: функционирование РКТ, тем более что, по данным авторов, прора- двигательных установок; оценки прочности кон- ботки по упомянутым вопросам в соответствующих струкций элементов изделий; испытания изделий информационных источниках остаются пока мало- на стойкость к тепловым нагрузкам, механическим численными. перегрузкам и к вибрациям, на стойкость к воздей- ствиям агрессивных химических веществ и радиа- Направления, способы, ции, на герметичность и долговечность функцио- методические и технические нирования и т. д. инструменты повышения эффективности испытаний изделий Очевидно, что высокий уровень составляющих РКТ на основе использования эффективности способен обеспечить высокую ре- научно-технических возможностей зультативность R испытаний, что означает полу- интеллектуализации чение в результате проведения испытаний высо- технологических процессов кокачественных и полномасштабных данных о ха- и средств наземных рактеристиках, параметрах и свойствах испытывае- испытательных комплексов мых изделий в запланированном требуемом объеме и с высокой степенью надежности. Отправной точкой определения направлений совершенствования процессов испытаний является Как показывают результаты проведенного ав- формирование понятия эффективности Э испыта- торами анализа ретроспективного и современно- ний. Под этим понятием в статье понимается со- го опыта испытаний, к основным путям повыше- вокупность таких практически значимых и числен- ния результативности испытаний следует отнести но выражаемых (нередко взаимосвязанных) пока- в первую очередь интеллектуализацию всех техно- зателей эффективности испытательных комплексов логических процессов и обеспечивающих техниче- (Эi, i = 1, 2, . . . , n), как уровень повышения точ- ских средств, которые в совокупности должны со- ности оценок характеристик, параметров и свойств ставлять интеллектуальную и материальную базу испытываемых элементов; уровень снижения про- перспективных испытательных комплексов. Имен- должительности полномасштабных испытаний за- но на этом пути совершенствования технологий данного вида при использовании в экспериментах и средств испытаний может быть достигнут та- натуральных изделий, их математических и мас- кой уровень наземной отработки изделий, что, на- штабируемых моделей; уровни сокращения финан- пример, новые ракеты могут запускаться с первого совых, материально-технических затрат и сниже- раза без аварий. Показательными в этом отноше- нии примерами могут служить уникальные запуски с первого раза сверхтяжелой РН «Энергия» и си- стемы «Энергия–Буран», что достигнуто благодаря использованию методологии и комплекса средств наземной отработки, сформированных под руковод- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ РКТ 23 ством академика В. П. Глушко. Отметим, что на на- ное использование методических и технических чальных этапах развития ракетно-космической тех- средств интеллектуализации и автоматизации тех- ники успешные пуски начинались после несколь- нологических процедур проведения наземных ис- ких аварийных, а перед принятием на вооружение пытаний изделий РКТ. ракет производился контрольный их отстрел в ко- личестве первых десятков штук. В этом отноше- Как установлено в итоге поискового анализа, нии характерен пример: в середине прошлого века основными средствами или инструментами повы- при отработке ракеты Р-7, в том числе и приме- шения составляющих эффективности являются ин- нительно к полету человека в космос, было совер- теллекторы, представляющие собой новые, модер- шено 46 пусков. Это было вызвано новизной и вы- низированные или известные вновь вводимые науч- сокой ответственностью решаемых задач. На пер- но-технические решения, адаптированный методи- вых этапах развития ракетно-космической техни- ческий аппарат; аппаратно-программные, измери- ки с такими случаями вынуждены были мириться тельные и технические средства; математические в силу отсутствия соответствующих научно-техни- и натурные модели; усовершенствованная логисти- ческих средств, но в настоящее время, когда име- ка и средства интеллектуально-компьютерной под- ется большой арсенал научно-технических возмож- держки процессов испытаний, которые внедряются ностей, такие ситуации принципиально непозволи- в технологическую цепочку испытаний на техни- тельны по определению. ческой базе испытательных комплексов. При этом для каждого вида испытаний, упомянутых выше, Надо сказать, что понятие интеллектуализа- должен быть сформирован свой специфический те- ции базируется на использовании и интеграции на- заурус интеллекторов. учно-технических достижений, результатов и мето- дов, нацеленных на построение достаточно точных В методическом и организационном плане це- математических моделей проектируемых изделий лесообразно выделить такие понятия, как опере- и расчетных методик по оценке их параметров и ха- жающая интеллектуализация, когда создаваемый рактеристик при широком использовании в процес- испытательный комплекс проектируется с перспек- се испытаний информационно-измерительных тех- тивой развития подлежащих испытаниям изделий нологий, вычислительной техники, проблемно-ори- или с учетом расширения их функций, и гибкая ин- ентированных программных продуктов и средств теллектуализация, когда можно оперативно изме- автоматизации. Это означает, что в земных усло- нять наполнение тезауруса необходимыми интел- виях при моделировании процессов испытываемых лекторами. изделий должны быть проведены всевозможные ре- жимы их работы и заблаговременно оценены их Оставаясь на принятом уровне общности изло- характеристики, параметры и свойства, тогда для жения, можно выделить ряд типов тезаурусов ин- дорогостоящих летно-технических испытаний оста- теллекторов, в основу классификации которых по- нется относительно немного невыясненных про- ложены назначения, функциональные возможности блемных вопросов. Это обстоятельство, как будет интеллекторов, а также принадлежность к той или показано в последующем изложении, очень сильно иной составной части технического испытательного сказывается на улучшении составляющих показа- комплекса. В итоге экспертного анализа выделены телей эффективности. следующие типы тезаурусов: В связи с изложенным в итоге поисков и экс- – методико-информационно-технологические пертных оценок основным направлением совершен- (методики испытаний, проблемно-ориентированные ствования процессов испытаний наиболее целесооб- программные продукты, математические модели разными следует считать теоретическое обобщение, и схемы расчета; усовершенствованные способы разработку и внедрение научно обоснованных про- опытно-теоретических оценок характеристик, пара- ектно-конструкторских решений и научно-мето- метров и свойств изделий; базы данных и базы зна- дических продуктов, в основу создания которых ний, экспертные системы, цифровые двойники ис- должно быть положено синергетически эффектив- пытываемых элементов, элементы искусственного интеллекта, документирование результатов испыта- ний, имитационные модели, операции с нечеткими РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

24 Г. Г. ВОКИН, А. М. ГУМЕНЮК, О. В. ЕГОРОВ И ДР. множествами данных, цифровые 3D-макеты, спра- Из этих соображений можно сделать эксперт- вочная литература и т. п.); ное заключение, что максимальная результатив- ность испытаний R определенного вида имеет ме- – аппаратно-технические (датчики для из- сто, когда достигаются максимально возможные мерения параметров испытываемых элементов приращения Эi элементов эффективности Э. со встроенными аналого-цифровыми преобразова- телями, вычислительные средства; системы мони- Обобщенная структурно- торинга, визуализации и отображения процессов функциональная схема испытаний; системы сервиса испытаний, контроль- интеллектуализированного но-техническая аппаратура, средства автоматиза- испытательного комплекса ции процессов испытаний, программно-аппаратные интерфейсы между математическими и натурными Как показывает анализ, хотя испытательные моделями и т. п.); комплексы различных видов испытаний в конструк- тивном отношении очень разнообразны, в функцио- – модельно-имитационные (математические мо- нальном отношении они имеют много общего, дели, натуральные масштабированные и немасшта- что позволяет строить обобщенную структурно- бированные модели испытываемых элементов, ги- функциональную схему испытаний, которая базиру- бридные схемы испытаний — сочетание математи- ется на использовании средств интеллектуализа- ческих моделей, схемы замещения элементов изде- ции и при этом отражает основные возможности лий более простыми моделями: ракета — твердое испытательных технических комплексов всех типо- тело, топливные баки — емкости пустые или ча- вых видов испытаний. Структура и основные функ- стично заполненные жидкостью; средства, имитиру- циональные звенья упомянутого комплекса приве- ющие воздействие внешней среды: механические на- дены на рисунке. грузки, линейные, изгибные и вибрационные; влия- ние химических элементов, радиации и разного рода Надо подчеркнуть, что на рисунке представ- излучений; влияние невесомости и вакуума и т. п.). лен интеллектуализированный комплекс испыта- ний в общих чертах, поскольку изложение ве- Следует заметить, что интеллекторы рассмат- дется на концептуальном уровне, при этом сово- риваются в статье как некоторые функциональные купность ранее упомянутых испытательных проце- элементы, они могут работать на различных физиче- дур и средств является основой для формирова- ских принципах, при этом рассмотрение конкретных ния конкретных структурно-функциональных схем их научно-технических решений выходит за рам- испытательных комплексов определенного назначе- ки тематики статьи, поскольку в статье излагаются ния. При создании интеллектуализированного ис- пока только концептуальные основы взаимоувязан- пытательного комплекса для проведения испыта- ной интеллектуализации всех основных составных ний конкретного вида должен быть проявлен твор- частей наземных испытательных комплексов. ческий подход, учтены взаимосвязи всех составных частей и внесены соответствующие особенности, Оставаясь на принятом уровне общности изло- направленные на повышение эффективности и ре- жения, отметим также, что приращение составных зультативности испытаний соответствующего вида. элементов Эi эффективности испытаний происхо- дит за счет совершенствования упомянутых интел- Уместным будет заметить также, что при со- лекторов Иj за счет внедрения новых их вариан- здании полномасштабного технического испыта- тов, а также за счет выбора рациональных вариан- тельного комплекса должен быть предусмотрен тов дорожной карты испытаний. В формализован- большой объем наукоемких работ по наполнению ном виде имеет место соотношение соответствующим контентом всех звеньев струк- турной схемы рисунка. Extremum Э(Эi) = F (Иj), где i = 1, 2, . . . , n — число составляющих показа- телей эффективности Э; j = 1, 2, . . . , m — число интеллекторов; F (Иj) — функция технологической логистики данного вида испытаний. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ РКТ 25 Примеры отдельных вариантов структурно-функциональных схем интеллектуализированных составных частей испытательного комплекса Рисунок Обобщенная структурно-функциональная Формирование интеллектуализированных стру- схема интеллектуализированного технического ис- ктурно-функциональных схем составных частей пытательного комплекса: 1 — система управления испытательного комплекса можно проиллюстриро- испытательного комплекса, 2 — тезаурус средств вать на примере уже реализованных стендовых ин- интеллектуализации и автоматизации, 3 — натур- формационно-управляющих систем (ИУС), способ- ные элементы испытаний или их модели, 4 — ма- ных интегрировать задачи управления и измере- тематические модели элементов испытаний, 5 — ния. В частности, использование на стендах ис- интерфейсные средства обмена информацией, 6 — пытательных комплексов ФКП «НИЦ РКП» высо- средства моделирования влияния внешней среды, копроизводительных вычислительных средств поз- 7 — технические средства обеспечения испытаний, волило более глубоко автоматизировать процесс 8 — опытно-теоретическая оценка характеристик, набора готовности стенда к подаче компонентов параметров и свойств испытательных элементов из- топлива, рабочих жидкостей и газов на изделие делий, 9 — мониторинг и визуализация испытаний, [13, 14]. Такая интеллектуализация, особенно эф- фективная для стендов с высокой интенсивностью 10 — протоколы и документирование испытаний типовых испытаний, например испытаний серий- ных изделий, реализована с помощью интеллек- При этом, как показывает проведенный авто- туализированной экспертной системы (ИЭС), кото- рами обзорно-оценочный анализ, в настоящее вре- рая позволяет выполнять все операции подготовки мя не просматриваются возможности разработки стенда к испытанию в режиме совета или в авто- формализованного математического аппарата для матическом режиме [12, 14]. синтеза эффективных вариантов интеллектуали- зированных испытательных комплексов. В связи Прототипом упомянутой ИЭС является систе- с этим в качестве основных инструментов синтеза ма контроля, диагностики и отображения парамет- упомянутых комплексов и их элементов наиболее ров изделия, разработанная для испытаний сту- целесообразно использовать соответствующие до- пеней космического ракетного комплекса «Ангара» рожные карты синтеза, разработанные высококва- [12, 13]. Типовой характер процесса подготовки лифицированными специалистами, главным обра- и набранная при проведении множества испытаний зом на основе применения разного рода экспертных статистическая информация по параметрам подачи подходов и приемов. рабочих сред позволяют создать ИЭС, обобщаю- щую опыт, накопленный при выполнении типовых операций, и имеющую в своей основе базу знаний и базу данных. База знаний содержит формальное описание об- щего плана подготовки, типовых операций по каж- дой стендовой системе, моделей поведения парамет- ров, методов контроля параметров и взаимосвязи с окружающей средой и другими системами стенда. База данных представляет собой массив пере- менных, значения которых характеризуют каждое испытание, например режимы работы двигателя, об- щее время и время каждого режима, параметры РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

26 Г. Г. ВОКИН, А. М. ГУМЕНЮК, О. В. ЕГОРОВ И ДР. окружающей среды и т. п., что позволяет настроить При желании или необходимости интересую- ИЭС на конкретное испытание. То есть, по сути, щую информацию об упомянутых системах мож- речь идет о создании модели стендовой системы, ра- но получить в ФКП «НИЦ РКП» в соответствии ботающей в режиме реального времени при заправ- с установленным порядком. ке стенда и подготовке его к испытаниям. Одно из важнейших условий работы ИЭС — ее «обучае- О методическом подходе к оценке мость», т. е. модель не является статичной, а мо- приращений показателей жет автоматически корректироваться с учетом опы- эффективности за счет та проводимых работ. интеллектуализации процессов испытаний и экспертной оценке Помимо выполнения технологических опера- ожидаемого суммарного ций подготовки к пуску ИЭС может выполнять ди- синергетического эффекта агностику стендовой арматуры, вырабатывая свое- при опытно-теоретической оценке временные рекомендации по проведению профи- характеристик, параметров лактических работ в целях предупреждения выхо- и свойств перспективных изделий да элементов автоматики из строя при подготов- РКТ на технической базе ке к испытаниям, так как такие случаи в порядке интеллектуализированных выполнения авторами служебных заданий на прак- испытательных комплексов тике были нередки и приводили к существенным задержкам, а порой и к отмене испытания. Наиболее убедительными оценками эффектив- ности и результативности, а также ожидаемого эф- Таким образом, существующий уровень раз- фекта по определению являются такие оценки и за- вития стендовых ИУС и вычислительных средств ключения, которые базируются на натурных экс- позволяет создавать ИЭС, аккумулирующие опыт периментальных испытаниях и выражаются коли- ведущих специалистов и позволяющие автоматизи- чественно. Это условие становится обязательным, ровать процесс заправки и подачи на изделие рабо- когда ожидаемый эффект от использования ново- чих сред и диагностировать неисправность стендо- введения невелик и составляет, например, несколь- вых агрегатов, существенно повышая надежность ко процентов. В случае существенного значения выполнения подготовительных операций. ожидаемого эффекта допустимыми и приемлемыми становятся логически обоснованные оценки и за- В качестве двух других примеров примене- ключения качественного и вербального характера. ния приемов интеллектуализации, математических В нашем случае, когда изложение ведется на кон- методов моделирования, визуализации и докумен- цептуальном уровне и при этом ожидается полу- тирования хода подготовки и проведения испыта- чение существенного эффекта от использования ний могут служить следующие работоспособные предложенных мер и рекомендаций, вполне право- системы: стендовая информационно-управляющая мерно и допустимо широко использовать эксперт- система и система управления контролем каче- ные оценки. ства изделий [15], которые продемонстрировали высокий уровень работоспособности и эффективно- Из проведенного поискового анализа установ- сти. Обе названные системы реализованы в ФКП лено, что в основу упомянутых оценок логично по- «НИЦ РКП» и эффективно используются на прак- ложить экспертно-исследовательские сценарии ис- тике в этом Центре [12–15]. Дополнительно сле- пытаний, построенные по методологии деловых игр дует отметить, что упомянутая система управле- с учетом имеющегося современного опыта. При про- ния контролем качества функционирует на эта- пах исследовательского проектирования, констру- ирования, производства и эксплуатации, при этом отклонения характеристик изделия от требуемых значений отрабатываются на упомянутых этапах жизненного цикла через соответствующие обрат- ные связи. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ РКТ 27 игрывании достаточного количества вариантов сце- сокращение упомянутых затрат. Проведение испы- нариев испытаний с учетом использования рассмот- таний при традиционном подходе требует, как пра- ренных выше средств интеллектуализации накапли- вило, проектирования и изготовления полномас- вается значительное количество данных, необходи- штабных или в уменьшенном масштабе натурных мых для проведения оценок экспертного характера. моделей, подлежащих испытаниям, разного рода вспомогательных механизмов и контролирующей Вторым элементом излагаемого подхода явля- аппаратуры, что требует немалых (в зависимости ется использование приемов калькуляции в соот- от вида испытываемых изделий) материальных за- ветствии с дорожной картой испытаний и в сочета- трат, привлечения высококвалифицированных спе- нии с использованием имеющегося практического циалистов для создания ручным способом уникаль- опыта. ных по существу изделий-моделей. В связи с низ- ким уровнем информатизации и автоматизации При использовании изложенного подхода по- испытаний необходимо привлекать также высоко- являются вполне правомерные основания для опре- квалифицированных специалистов-испытателей. деления положительных приращений компонент Очевидно, что при традиционном подходе все упо- эффективности испытаний и формирования заклю- мянутые действия связаны не только с большими чения о существенном повышении результативно- материальными, но и с финансовыми затратами на сти R испытаний. оплату работы высококвалифицированных специа- листов. Кроме того, все это связано с увеличенными Как свидетельствуют результаты анализа про- затратами времени. веденных экспертно-исследовательских сценариев испытаний, при использовании средств интеллек- В то же время при широком использовании туализации приращения показателей эффективно- упомянутых выше средств, методов и приемов ин- сти являются существенными и могут составлять теллектуализации, модернизированных математиче- многие десятки процентов; при этом мы не повто- ских методов моделирования и расчетных алгорит- ряем наименования показателей эффективности ис- мов по оценке характеристик и свойств изделий, пытаний, которые имеют практическую направлен- визуализации процессов и документирования по- ность и выражаются, в зависимости от содержания, вышаются объемы экспериментальных данных по как количественно, так и качественно. углубленному определению показателей и свойств испытываемых элементов с привлечением меньшего Особо надо подчеркнуть, что получение тако- количества высокооплачиваемых профессионалов- го существенного эффекта от внедрения средств испытателей. Все это достигается, образно говоря, интеллектуализации вполне возможно обеспечить не магически, это результат заблаговременного при использовании вполне доступных современных глубокого научного обследования подлежащих ис- измерительных и программно-аппаратных средств, пытаниям изделий, обобщения имеющегося опыта, новых информационных технологий с элементами цифровизации и автоматизации процессов испы- искусственного интеллекта, уточненных математи- таний. Приведенные обстоятельства свидетельст- ческих моделей, а также при широком использова- вуют, что при широком использовании интеллек- нии средств и методов автоматизации технологиче- туализации процессы испытаний становятся каче- ских процессов испытаний. ственно иными, в частности для людей менее тру- доемкими и более производительными и быстрыми По проведенным экспертным оценкам авторов при повышении их качества [16–18]. отработка проектируемых изделий РКТ при исполь- зовании интеллектуализированных испытательных Заключение комплексов приводит к сокращению как временных, так и материально-финансовых затрат при повыше- Анализ проведенных концептуальных прора- нии результативности испытаний. боток свидетельствует о большом ожидаемом по- ложительном эффекте от использования средств Как свидетельствует анализ традиционного пе- речня необходимых мероприятий и процедур, про- ведение полномасштабных испытаний изделий тре- бует значительных материальных и финансовых затрат. Интеллектуализация как раз и нацелена на РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

28 Г. Г. ВОКИН, А. М. ГУМЕНЮК, О. В. ЕГОРОВ И ДР. интеллектуализации и интеллектуально-компью- 2. Азаренко Л. Г., Вокин Г. Г., Лашманов К. В. Кон- терной поддержки процессов проведения испыта- цептуальная основа исследовательского синтеза вы- ний изделий РКТ как в целом, так и особенно сокоэффективных систем обнаружения и определе- критических их элементов. Эффект от использова- ния координат в районах падения элементов, от- ния интеллектуализации достигается в основном за деляемых от ракет стратегического и космического счет учета при испытаниях большого прошлого ин- назначения на траекториях их полета в ходе испы- теллектуального опыта при построении уточненных таний и штатной эксплуатации / В кн.: XLIII Ака- математических моделей испытываемых элементов демические чтения по космонавтике, посвященные и расчетных методик, а также за счет использова- памяти академика С. П. Королева и других выда- ния вновь разработанных интеллекторов. Повышен- ющихся отечественных ученых — пионеров освое- ный уровень надежности достигается, в частности, ния космического пространства. Сб. тезисов. 2019. за счет того, что при моделировании выявляют- С. 304–305. ся различного рода непрогнозируемые перегрузки, действующие на элементы, негативное (катастро- 3. Вокин Г. Г. О концепции исследовательского синте- фическое) влияние которых устраняется при дора- за высокоэффективных систем обнаружения и опре- ботке изделий путем соответствующего изменения деления координат в районах падения элементов, конструкции или функциональных схем, после че- отделяемых от ракет стратегического и космиче- го элементы становятся работоспособными в ожида- ского назначения на траекториях их полета в ходе емых условиях функционирования по определению. испытаний и штатной эксплуатации // Инфор- мационно-технологический вестник МГОТУ, 2018, Интеллектуализированные наземные испыта- № 3 (17). С. 10–21. тельные комплексы позволяют резко сократить объемы дорогостоящих летно-технических испы- 4. Вокин Г. Г. Об ограниченных возможностях косми- таний при обеспечении существенного улучшения ческих технологий при реализации перспективных других составляющих показателей эффективности научно-технических и гуманитарных проектов кос- испытаний, имеющих большое практическое зна- мической деятельности // Социально-гуманитарные чение. Как показывает научно-технический ана- технологии, 2018, № 2 (6). С. 11–18. лиз, при внедрении процедур интеллектуализации не ожидается проблемных трудностей, потому что 5. Азаренко Л. Г. Метод синергетической оптимиза- имеется достаточно объемный арсенал необходимых ции технологических и экономических процессов и доступных методических инструментов и научно- создания изделий ракетно-космической техники / технических средств для создания интеллекторов. В сб.: Проблемы и перспективы экономического развития высокотехнологичных отраслей промыш- И, наконец, отметим, что все приемы и средства ленности. Управление, ресурсное обеспечение и ко- интеллектуализации могут быть применены и на операция в условиях новых вызовов. Материалы этапе летно-технических испытаний, когда, наряду Всероссийской научно-практической конференции, с надежностью, определяются такие важнейшие Москва, РУДН. 2015. С. 100–110. летно-технические характеристики, как дальность и точность боевых ракет или вес выводимого на 6. Аббасова Т. С., Комраков А. А. Восстановление заданную орбиту полезного груза ракетами косми- и проверка корректности телеметрических дан- ческого назначения. ных // Информационно-технологический вестник МГОТУ, 2015, № 2 (04). С. 55–64. Список литературы 7. Комраков А. А. Унификация программного обес- 1. Совещание по вопросам развития технологий в об- печения для декомпозиции телеметрических дан- ласти искусственного интеллекта. 30 мая 2019 года, ных // Теоретические и прикладные аспекты совре- http://kremlin.ru/events/president/news60630 (Дата менной науки, 2014, № 3–5. С. 71–74. обращения 28.05.2021). 8. Артюшенко В. М., Васильев Н. А., Аббасова Т. С. Комплекс полунатурного моделирования систем ав- томатического управления летательных аппаратов и ракетно-космической техники // Современные об- разовательные технологии, используемые в очном, заочном и дополнительном образовании. Королев: ФТА; М.: Канцлер, 2013. С. 17–22. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ РКТ 29 9. Vibrant Go hale, Gosh S. K., Armband Gupta Classi- для стендовых испытаний ЖРД и ДУ. М.: Маши- fication of Attacks on Wireless Mobile Ad Hoc Net- ностроение/Машиностроение–Полет, 2012. works and Vehicular Ad Hoc Networks. 196–217 p. Security of Self-Organizing Networks. MANET, 15. Лисейкин В.А., Моисеев Н.Ф., Сайдов Г.Г., Фролов WSN, WMN, VANET. CRC Press, 2011, 595 p. О.П. Основы теории испытаний. Эксперименталь- ная отработка ракетно-космической техники. М.: 10. Артюшенко В. М., Бекетов В. А., Кузьмин С. В., Машиностроение–Полет, 2015. Майданов А. Ю., Мороз А. П., Привалов В. И. Сбор и обработка виброакустических процессов на борту 16. Недайвода А. К. Технологические основы обеспе- ракетно-космической техники // Приволжский на- чения качества ракетно-космической техники. М.: учный вестник, 2014, № 4 (32). С. 23–28. Машиностроение, 1998. 11. Аббасова Т. С., Погосян А. Т. Анализ структу- 17. Альбрехт А. В., Арзуманов Ю. Л., Баталин Н. Н. ры наземного комплекса управления космически- Оптимальное управление качеством сборки агрега- ми летательными аппаратами // Информационные тов изделий РКТ // Научно-технические разработ- технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации ки КБ «Салют» 2009-2011 гг. Вып. 3. М.: Машино- (ITRT-2016): Сб. статей VI Международной заоч- строение–Полет, 2012. ной научно-технической конференции. Ч. 1 / По- волжский гос. ун-т сервиса. — Тольятти: Изд-во 18. Кучкин В. Н., Кучкин К. В., Сайдов Г. Г. Теорети- ПВГУС, 24–25.03.2016. С. 19–22. ческие основы разработки испытательного оборудо- вания для ракетно-космической техники / Под ред. 12. Лисейкин В. А., Милютин В. В., Тожокин И. А. Г. Г. Сайдова. М.: Машиностроение/Машинострое- и др. Информационно-управляющая система для ние–Полет, 2014. стендовых испытаний РН «Ангара» // Обще- российский научно-технический журнал «Полет», 19. Вокин Г. Г., Гуменюк А. М. Концептуальные ос- 2009, № 5. новы обеспечения высокой эффективности испы- таний элементов перспективных изделий ракет- 13. Абросимов А. В., Бизяев Р. В., Лисейкин В. А. Си- но-космической техники на основе интеллектуали- стема контроля, диагностики и отображения инфор- зации технологий, измерительных, аппаратно-про- мации для стендовых испытаний РН «Ангара» // граммных и технических средств наземных испыта- Науч. труды «Вестник МАТИ», 2013, № 20. тельных комплексов // Информационно-технологи- ческий вестник, 2021, № 2 (28). С. 38–47. 14. Лисейкин В. А., Милютин В. В., Сайдов Г. Г., То- жокин И. А. Информационно-управляющие системы РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 3, c. 30–35 КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ. РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ УДК 621.396.98 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.3.30.35 Расширение полосы сигналов системы ГЛОНАСС в диапазоне L1 с использованием особенностей BOC-модуляции Д. А. Астахов, otdelenie_74@spaceсorp.ru АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. Б. Ткачев, к. т. н., otdelenie_74@spaceсorp.ru АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Статья посвящена проблеме повышения потенциальной точности кодовых измерений псевдодальности сигна- лов системы ГЛОНАСС диапазона L1 при существующих ограничениях спектра, вызванных близким расположением радио- астрономического диапазона. Указанную проблему предлагается решать за счет расширения спектра навигационных сигналов за пределы радиоастрономического диапазона с использованием особенностей меандровой поднесущей модуляции (BOC). В работе рассмотрены разные виды сигналов с модуляцией BOC, приведены спектры их излучения в диапазоне L1 и в ра- диоастрономическом диапазоне. Проведено сравнение потенциальной точности предлагаемых и существующих навигационных сигналов ГЛОНАСС в диапазоне L1. Для сравнения была использована методика, позволяющая оценивать потенциально до- стижимые значения дисперсии ошибок для навигационных сигналов с ВОС-модуляцией, обрабатываемых перспективными широкополосными приемниками. В результате сравнения было показано, что предлагаемые сигналы значительно превосходят существующие по потенциальной точности и при этом не создают значительного излучения в радиоастрономическом диапа- зоне. Из предлагаемых сигналов наиболее перспективным выбран сигнал с модуляцией cosBOC(15, 2.5), который обеспечивает наибольшую потенциальную точность. Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), ГЛОНАСС, расширение спектра, точность, радио- астрономический диапазон, BOC-сигналы Expansion of the GLONASS Signal Bandwidth in the L1 Band Using BOC Modulation Features D. A. Astachov, otdelenie_74@spaceсorp.ru Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. B. Tkachev, Cand. Sci. (Engineering), otdelenie_74@spaceсorp.ru Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article is devoted to the problem of increasing the potential accuracy of code measurements of pseudorange of GLONASS signals in the L1 range under the existing spectrum limitations caused by the close location of the radio as- tronomy range. This problem is proposed to be solved by expanding the spectrum of navigation signals beyond the radio astronomy range using the features of the meander subcarrier modulation (BOC). The paper considers different types of signals with BOC modulation and shows their emission spectra in the L1 band and in the radio astronomy band. The potential accuracy of the proposed and existing GLONASS navigation signals in the L1 range is compared. For comparison, a technique was used that allows esti- mating the potentially achievable values of the error dispersion for navigation signals with BOC modulation processed by advanced broadband receivers. As a result of the comparison, it was shown that the proposed signals significantly exceed the existing ones in terms of potential accuracy and at the same time do not create significant radiation in the radio astronomy range. Of the proposed signals, the most promising is the signal with cosBOC(15, 2.5) modulation, which provides the highest potential accuracy. Keywords: global navigation satellite system (GNSS), GLONASS, spread spectrum, accuracy, radio astronomy range, BOC signals

РАСШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС В ДИАПАЗОНЕ L1 31 Существует проблема, связанная с тем, что использования особенностей меандровой поднесу- используемые в настоящее время и внедряемые щей модуляции. в ближайшем будущем навигационные радиосиг- налы системы ГЛОНАСС не отвечают современ- Наиболее известным вариантом этой модуля- ным требованиям по критерию потенциальной точ- ции является ВОС (binary offset carrier). Первые ности, так как были разработаны 10–30 лет на- упоминания в литературе использования BOC-сиг- зад. Кроме того, в диапазоне L1 они уступают по налов для спутниковых радионавигационных си- потенциальным свойствам сигналам других ГНСС стем появилось в 1999 г. [4]. В русскоязычной ли- (GPS, Galileo, Beidou). Повышение потенциаль- тературе описание и характеристики BOC-сигналов ной точности кодовых измерений и уменьшение приводятся в работах [5, 6]. В обозначении влияния многолучевости [1] обусловлено расшире- BOC(m, n) для данных сигналов вводятся соответ- нием полосы навигационного сигнала. Необходи- ственно коэффициенты отношения поднесущей ча- мо исследовать и разработать перспективные ти- стоты и частоты кода к частоте кода C/A системы пы сигналов ГЛОНАСС в условиях значительных GPS [7]. Например, в сигнале BOC(2, 1) частота ограничений по возможности расширения полосы кода соответствует 1,023 МГц, а частота меандра частот и с учетом сигналов других радиоэлек- соответствует 2,046 МГц. тронных систем в выделенных частотных диапа- зонах. Отличие BOC-сигналов от традиционных шу- моподобных сигналов заключается в использование Предлагаемая тема соответствует направле- при формировании сигнала меандровой последова- нию междисциплинарных исследований из переч- тельности поднесущей частоты. При этом сигнал ня прорывных технологий, включенных в «Прогноз гармонического несущего колебания манипулиру- научно-технологического развития Российской Фе- ется по фазе результатом перемножения псевдослу- дерации до 2030 года» (ТОП-20), а именно, «Тех- чайной последовательности (ПСП) и поднесущего нологии координатно-временного и навигационного колебания. обеспечения». BOC сигнал в математическом виде записыва- На рис. 1–8 приведена информация о разме- ется следующим образом: щении спектров предлагаемых сигналов ГЛОНАСС в наиболее проблемном диапазоне L1. Существу- SBOC(t) = A×d(t)×Π(t)×Sc(t)×cos(ω·t+ϕ(t)), (1) ющие сигналы ГЛОНАСС с частотным и кодо- вым разделением размещены в выделенном диа- где A — амплитуда сигнала, d(t) — двоичные сим- пазоне 1592,9–1610 МГц. Справа от него рас- волы информации μ = ±1, Π(t) — псевдослучай- положен радиоастрономический диапазон (РАД) ная последовательность (ПСП), Sc(t) — аппрокси- 1610,6–1613,8 МГц, в котором требуется обеспечи- мация поднесущей частоты, ω — несущая частота вать уровень спектральной плотности потока мощ- сигнала, ϕ(t) — фаза несущего колебания. ности не более 194 дБВт/(м2 · 20 кГц) [2]. Слева находится диапазон сигналов систем GPS и Galileo, Наиболее широко известны два основных ви- в котором невозможно расположение спектра сиг- да аппроксимации гармонического колебания Sc(t) налов ГЛОНАСС. Возможным вариантом переда- чи сигналов ГЛОНАСС с расширенным спектром для использования в качестве поднесущей часто- в диапазоне L1 является вынесение их спектра вправо в область более высоких частот за пределы ты [8]: sinBOC и cosBOC. РАД при обеспечении низкого уровня излучения В случае sinBOC функцию Sc(t) представляют в РАД до диапазона 1626,5–1660 МГц, который согласно [3] выделен для подвижной спутниковой в виде связи в направлении «Земля–космос». Sc(t) = sign sin(ωsc · t) , (2) «Для решения данной проблемы предлагается расширять полосу навигационных сигналов путем где функция ⎧ x > 0, ⎪⎨ 1, x = 0, x < 0, sign[x] = ⎩⎪ 0, (3) − 1, ωsc = 2 · π · fsc — частота поднесущего колеба- ния» [9]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

32 Д. А. АСТАХОВ, А. Б. ТКАЧЕВ В случае cosBOC функцию Sc(t) представляют (рис. 1, 2), cosBOC(12.5, 2.5) и sinBOC(12.5, 2.5) (рис. 3, 4), cosBOC(15, 2.5) и sinBOC(15, 2.5) в виде (рис. 5, 6), cosBOC(10, 1) и sinBOC(10, 1) (рис. 7, 8). Данные виды модуляции позволяют располо- Sc(t) = sign cos(ωsc · t) . (4) жить сигналы ГЛОНАСС с расширенным спектром при минимизации уровня внеполосного излучения В качестве примера рассмотрены следую- и излучения в РАД. щие варианты использования для этого сигналов с модуляциями cosBOC(10, 2.5) и sinBOC(10, 2.5) Рис. 1. Расположение спектров сигналов с модуляцией Рис. 3. Расположение спектров сигналов с модуляцией cosBOC(10, 2.5) и sinBOC(10, 2.5) cosBOC(12.5, 2.5) и sinBOC(12.5, 2.5) Рис. 2. Расположение спектров сигналов с модуляцией Рис. 4. Расположение спектров сигналов с модуляцией cosBOC(10, 2.5) и sinBOC(10, 2.5) в РАД cosBOC(12.5, 2.5) и sinBOC(12.5, 2.5) в РАД РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

РАСШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС В ДИАПАЗОНЕ L1 33 Рис. 5. Расположение спектров сигналов с модуляцией Рис. 7. Расположение спектров сигналов с модуляцией cosBOC(15, 2.5) и sinBOC(15, 2.5) cosBOC(10, 1) и sinBOC(10, 1) Рис. 6. Расположение спектров сигналов с модуляцией Рис. 8. Расположение спектров сигналов с модуляцией cosBOC(15, 2.5) и sinBOC(15, 2.5) в РАД cosBOC(10,1) и sinBOC(10, 1) в РАД Из графиков, представленных на рис. 1–8, за пределами главных лепестков у сигналов с мо- можно сделать вывод, что сигналы с модуляцией дуляцией cosBOC более медленный, чем у сигна- cosBOC обладают более глубоким провалом между лов с модуляцией sinBOC, что создает трудности главными лепестками спектра по сравнению с сиг- с уровнем излучения в соседних диапазонах. налами sinBOC. То есть сигналы с модуляцией cosBOC лучше обеспечивают выполнение требова- Проведем сравнение потенциальной точности ний, предъявляемых к уровню излучения радиона- предлагаемых и существующих навигационных вигационных систем в РАД. Однако, спад спектра сигналов ГЛОНАСС в диапазоне L1. При сравне- нии сигналов практический интерес представляют РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022

34 Д. А. АСТАХОВ, А. Б. ТКАЧЕВ не абсолютные, а относительные значения по- Количество фронтов в сигналах с модуляцией тенциальной точности. Поэтому найдем отноше- BPSK(n) ние дисперсии ошибки сигнала с С/А-кодом GPS NBPSK(n) = n · NПСП , (8) 2 (модуляция BPSK(1)) и сравниваемых сигналов. Такой выбор обусловлен тем, что в настоящее вре- где NПСП — количество символов на периоде псевдослучайной последовательности, используе- мя при сравнении новых сигналов в качестве ба- зового часто используют характеристики сигна- мой в сигнале. ла с С/А-кодом GPS. Кроме того, коэффициенты Количество фронтов в сигналах с модуляция- ми sinBOC(m, n) и cosBOC(m, n) соответственно: ВОС-модуляции также определяются относитель- но параметров С/А-кода GPS. Для сравнения сиг- налов воспользуемся разработанной в [10] методи- NsinBOC(m,n) = n · NПСП + NПСП · 2m − 1 , 2 n кой, позволяющей оценивать потенциально дости- жимые значения дисперсии ошибок для навигаци- (9) онных сигналов с ВОС-модуляцией, которая явля- NcosBOC(m,n) = n · NПСП + NПСП · 2m . (10) 2 n ется частным случаем ФКМ. Будем рассматривать применение перспективных приемников, которые используют широкие полосы, что обеспечивает по- Для корректности сравнения будем считать NПСП одинаковым для всех сигналов. В таблице вышение точности и помогает алгоритмам борьбы приведены параметры существующих и предлагае- мых навигационных сигналов. с многолучевостью. С расширением полосы дис- Т а б л и ц а. Параметры навигационных сигналов персия ошибок уменьшается, но медленнее, чем уменьшается длительность фронтов сигнала на вы- ходе фильтров. Поэтому дисперсия ошибки начи- нает выходить за пределы длительности фронтов. DC/A/D (округлено Таким образом нарушаются условия применения Модуляция Излучение в РАД, до целого) дБВт/(м2 · 20 кГц) границы Рао–Крамера и основанных на ней тради- ционных методов для оценки значения дисперсии Существующие сигналы ошибки. Согласно [10] дисперсия ошибок принимае- BPSK(0, 5) L1OF 0,25 −177 мого сигнала 13/8 BPSK(1) L1OCd 1 −182 Q2 Dt = . (5) BOC(1, 1) L1OCp 9 −177 При этом с учетом широкополосности прием- Предлагаемые сигналы ника и использования предложенной в [10] экви- валентной спектральной плотности шума в случае sinBOC(10, 2.5) 1406 −170 сигнала с несколькими фронтами cosBOC(10, 2.5) 1806 −176 Q = A2Nф , (6) sinBOC(12.5, 2.5) 2256 −176 N0 cosBOC(12.5, 2.5) 2756 −196 sinBOC(15, 2.5) 3306 −177 где A — амплитуда сигнала, N0 — спектральная cosBOC(15, 2.5) 3906 −192 плотность шума, Nф — количество фронтов в сиг- sinBOC(10, 1) 1521 −178 нале. cosBOC(10, 1) 1681 −196 Таким образом отношение дисперсий ошибок При практическом применении для выполне- ния требований по внеполосным излучениям боко- сравниваемых сигналов полностью определяется вые лепестки спектра сигналов придется обрезать отношением квадратов числа фронтов импульсов внутри этих сигналов: Dt2/Dt1 = Nф21/Nф22. (7) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 3 2022