РКС 2020 1

50 А. В. УБАЙЧИН В качестве опорных генераторов шума приме- тальных исследований технических характеристик нены активные полупроводниковые генераторы шу- разрабатываемого двухприемникового СВЧ-гипер- ма — лавинно-пролетный диод в режиме обратного спектрометра для дистанционного зондирования пробоя и малошумящий усилитель, подключенный природных сред. входом к входу радиометрического приемника. Исследование выполнено за счет гранта Рос- Подключение малошумящего усилителя вхо- сийского научного фонда (проект № 18-79-00045). дом к входу радиометрического приемника позволя- ет формировать на входе радиометрического прием- Список литературы ника низкотемпературный шум, пропорциональный собственным шумам малошумящего усилителя. 1. Smith Sr. W. L., Revercomb H., Bingham G., Larar A., Huang H., Zhou D., Li J., Liu X. and Kireev S. Evolu- Использование двух опорных генераторов шу- tion, current capabilities, and future advances in satel- ма позволяет минимизировать влияние дестабили- lite nadir viewing ultraspectral IR sounding of the зирующих факторов радиометрических измерений, lower atmosphere // Atmosphere Chemical Physics, а именно дрейфа собственных шумов и коэффици- 2009, vol. 9. P. 5563–5574. ента передачи радиометрического приемника. Это позволяет упростить калибровку в гиперспектраль- 2. Blackwell J. W., Leslie R. V., Pieper M. L., Samra J. E. ном режиме и повысить устойчивость к изменяю- All-Weather Hyperspectral Atmospheric Sounding // щимся факторам внешней среды, в первую очередь Lincoln laboratory journal, 2010, vol, 18, № 2. P. 28–46. температуры. 3. Frater R. H., Williams D. R. An Active “Cold” Noise Перенос направленного ответвителя из антен- Source // IEEE Transactions on Microwave Theory and ного канала уменьшает потери на входе системы Techniques, 1981, vol. 29, is. 4. P. 344–347. и приводит к повышению чувствительности. 4. Убайчин А. В., Филатов А. В. Многоприемниковые Использование двух приемников позволяет уве- микроволновые радиометрические системы на осно- личить разрешающую способность по частоте при ве модифицированного метода нулевых измерений. проведении СВЧ-гиперспектральных исследований Томск: Изд. ТУСУР, 2014. 154 с. в два раза за счет пропорционального увеличения времени наблюдения за сигналом антенны по срав- 5. Абдирасул уулу Т., Алексеев Е. В., Данилов Д. Н., нению с приемными каналами, выполненными на Жук Г. Г., Ташходжаев А. С., Убайчин А. В., Фила- основе классических СВЧ-радиометров с одним ра- тов А. В. Бортовая микроволновая радиометрическая диометрическим приемником. система с высокой динамикой измерения // Динамика систем, механизмов и машин, 2016, № 4. С. 62–65. Разработанная математическая модель оценки погрешности радиометрических измерений позво- 6. Filatov A. V., Ubaichin A. V., Bombizov A. A. A two- лит на этапе проектирования оценить точность из- receiver microwave radiometer with high transfer cha- мерений в зависимости от технических параметров racteristic linearity // Measurement Techniques, 2013, входной высокочастотной части. vol. 55, is. 11. P. 1281–1286. Результаты численного эксперимента на разра- 7. Убайчин А. В. Линейность передаточной характе- ботанной модели показали, что влияние точности ристики нулевых радиометров с комбинированной термостатирования на результаты измерений сни- импульсной модуляцией при высоком динамическом жено по сравнению СВЧ-радиометрами, использу- диапазоне измеряемых шумовых температур // Из- ющими пассивные опорные генераторы шума. вестия высших учебных заведений. Физика, 2012, т. 55, № 9–3. С. 130–133. В разработанном СВЧ-радиометре основной вклад в погрешность измерений обусловлен тем- 8. Убайчин А. В. Инвариантность нулевых радиометров пературной нестабильностью уровня собственных с цифровым управлением подшумливанием к нели- шумов опорного малошумящего усилителя. нейности уравнивающего генератора шума на ла- винно-пролетном диоде // Доклады ТУСУР, 2012, Проведенные в статье результаты являются ос- № 2(26), ч. 1. С. 87–91. новой для последующих практических эксперимен- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 51–58 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 004.9: 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.1.51.58 Особенности формирования информационно-вычислительной системы для решения измерительных задач в условиях различной степени структуризации В. К. Ларин, к. т. н., с. н. с., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В статье рассмотрены вопросы формирования информационно-вычислительной системы (ИВС) для решения из- мерительных задач в условиях различной степени структуризации. Решение задачи основано на принципах структурного анализа, центральным из которых является разделение сложной системы на простые составляющие с определением функ- циональных связей между ними. Вид решения может быть представлен как в графической, так и в аналитической формах. В работе сформулирована последовательность этапов решения поставленной задачи. Приводится общая структурная схема ИВС для решения технических задач. В соответствии с указанными принципами решение разбивается на методическую и технологическую части. Даны структурные схемы этих частей. Выделен фрагмент решения измерительной задачи, отражающий специфику перехода решения от предыдущего блока к последующему в зависимо- сти от выполнения «условий перехода». Показана зависимость «условий перехода» от значений информационных параметров. На примере задачи определения параметров движения КА рассмотрено применение сформированной ИВС для ее решения. Итогом исследований является структурная схема универсальной ИВС для решения технических задач различного типа. Ключевые слова: информационно-вычислительная система, измерительная задача, структура, условия перехода, информаци- онные параметры Special Features of Building an Information Computer System for Solving Measuring Problems in Conditions of Varying Degrees of Structuring V. K. Larin, Cand. Sci. (Engineering), senior researcher, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article considers the creation of an information computer system (ICS) for solving measuring problems in conditions of different degrees of structuring. The solution is based on the principles of structural analysis. The key principle is the division of a complex system into simple constituents and the definition of functional relationships between them. The solution type can be given in both graphical and analytical form. The paper formulates a sequence of stages for solving the problem. A general block diagram of the ICS for solving technical problems is given. In accordance with the aforementioned principles, the solution is divided into a methodological and a technological part. Block diagrams of these parts are presented. A fragment of the solution to the measuring problem, which reflects the particular nature of solution transition from the previous block to the next depending on the fulfillment of the “transition conditions”, is highlighted. The dependence of the “transition conditions” on the values of information parameters is shown. The problem of determining the motion parameters of a spacecraft is considered as an example of implementing the developed ICS for its solution. Keywords: information computer system, measuring task, structure, transition conditions, information parameters

52 В. К. ЛАРИН Введение ного (численного) решения качественное решение, а в пределе — не имеющие решения. Объектом исследования является некоторая измерительная задача, в которой определены вход- Решение задач различной степени ные данные, вид результата и подход к решению структуризации данной задачи. На основе вышесказанного можно предпо- Измерительная задача — это задача обра- ложить, что слабоструктурированные задачи за- ботки измерений с целью определения физических нимают пространство между структурированными свойств (или характеристик) измеряемого объек- и неструктурированными задачами. Очевидно, что та [1]. степень структуризации задач на границе масси- ва структурированных задач будет максимальной Примером может служить задача определения (примем равной 1) и минимальной — на границе параметров движения КА, где объектом является массива неструктурированных задач (примем рав- орбита КА. ной 0). В основу исследований положены принципы С большой долей вероятности можно предполо- структурного анализа [2]. жить, что задачи со значением степени структури- зации, близким к 1, должны иметь количественное Решение любой инженерной задачи можно раз- или качественное решение, задачи со значением сте- делить на две части: методическую, состоящую из пени структуризации, близким к 0, должны иметь постановки задачи и алгоритма, и технологическую, качественное решение, а в пределе — не иметь его. включающую программу, информационно-вычисли- тельную систему (ИВС) и процедуру реализации Для достаточно большого диапазона, в кото- программы на вычислительных средствах ИВС. рый попадают ССЗ, и неопределенной корректно- сти их решения, в [5] было предложено разделить Согласно ГОСТ Р 53622-2009 термин инфор- массив слабоструктурированных задач на две ча- мационно-вычислительная система означает со- сти: задачи, примыкающие к массиву структуриро- вокупность данных (или баз данных), систем управ- ванных задач, названные квазиструктурированными ления базами данных и прикладных программ, задачами (КСЗ); и собственно слабоструктурирован- функционирующих на вычислительных средствах ные задачи. как единое целое для решения определенных за- дач [3]. С учетом вышесказанного, а также приведен- ных выше значений степени структуризации (обо- Решение задачи зависит от степени ее струк- значим через К) массив КСЗ приближенно характе- туризации. Согласно классификации, предложен- ризуется диапазоном K от 1,0 до 0,5, массив ССЗ — ной в [4], проблемы (к ним относятся и измери- соответственно диапазоном K от 0,5 до 0. В табл. 1 тельные задачи) можно разделить по степени струк- приведены в общем виде данные взаимосвязи вида туризации на три типа: структурированные (СЗ) — решения задачи и степени структуризации. имеющие численное решение; неструктурирован- ные (НСЗ) — не имеющие решения; и слабострук- турированные (ССЗ), имеющие на фоне формаль- Т а б л и ц а 1. Соответствие вида решения задачи и степени структуризации Типы задач Степень структуризации (К) Методы решения Примечание СЗ 1 Аналитические методы Численное решение КСЗ 1–0,5 Аналитические методы Численное решение с отклонением ССЗ 0,5–0 Эвристические методы точности результата НСЗ 0 Нет решения Качественное решение — РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 53 Практически все измерительные задачи изна- Рис. 1. Структурная схема ИВС чально имеют численное решение. При реализа- ции задачи на ИВС возможно получение результата турная схема ИВС общего типа для решения тех- с различной степенью точности. Это объясняется нических задач в технологическом варианте будет ошибками, допущенными при разработке алгорит- иметь следующий вид (рис. 1). ма и программы, а также при формировании отдель- ных частей ИВС. Примем, что решение, получен- На рис. 1 введены сокращения: ИО — инфор- ное с ошибкой больше заданного предела, является мационное обеспечение, ПО — программное обес- непригодным для дальнейшего рассмотрения. печение, ТО — техническое обеспечение, БД — ба- за данных, СУБД — система управления БД. Таким образом, цель настоящих исследований заключается в формировании ИВС, которая позво- Алгоритмическое обеспечение не включено ляла бы получить оптимальный результат для из- в схему, так как оно отнесено к методической части мерительных задач квазиструктурированного типа и рассматривается отдельно. в виде численного решения, так как качественное решение для измерительных задач не имеет прак- Этап 2. Определение методической тического значения. и технологической частей решения измерительных задач В статье рассмотрена технология построения ИВС для решения данной проблемы. Специфика измерительных задач (ИЗ) харак- теризуется следующими свойствами: Решение поставленной задачи заключается в последовательном выполнении следующих этапов. – большим объемом входных данных (измере- ний), ошибки которых имеют в основном случай- Этап 1. Определение структуры ИВС. На пер- ный характер; вом этапе определяется структура ИВС, исполь- зуемая для решения информационных задач об- – используемыми методами обработки — филь- щего типа. Состав такой ИВС определен в ГОСТ трация измерений по критериям с последующей об- Р 53622-2009. работкой статистическими методами (метод наи- меньших квадратов, метод Монте-Карло); Этап 2. Определение методической и техно- логической частей решения измерительных задач. – строгим соблюдением правил формирования На этом этапе определяется структура методической и решения условных и нормальных уравнений по- и технологической частей решения измерительных правок к измерениям (соответствие числа уравне- задач, проводится анализ структур с целью выделе- ний числу неизвестных); ния блоков, несущих наибольшую нагрузку некор- ректности в элементах, и определяется влияние – заданием оптимальных значений пределов изменения характеристик элементов некорректных внутренней сходимости в процедурах решения блоков на точность решения задачи в заданной с использованием метода последовательных при- предметной области. ближений (согласование быстродействия и точно- сти решения). Этап 3. Формирование основной структуры ИВС. На третьем этапе формируется основная структура ИВС с блокировкой решений, получен- ных с ошибками, превышающими предельные зна- чения. Этап 1. Определение структуры ИВС В соответствии с требованиям ГОСТ Р 53622- 2009 ИВС включает следующие виды обеспече- ния: информационное, программное, алгоритмиче- ское и техническое. С учетом сказанного струк- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

54 В. К. ЛАРИН Указанные свойства измерительных задач зна- Сам по себе термин «слабоструктурированная чительно усложняют поиск решения. Во-первых, проблема (задача)» говорит о «слабых» структур- необходимостью формализации свойств для их уче- ных связях частей системы или об их отсутствии. та и, во-вторых, определением возможного диа- Аналитически связи можно описать с помощью пазона их значений. Для решения этих вопросов условий перехода между соседними блоками про- целесообразно использовать методы структурного граммы. По аналогии со структурными связями анализа, а также подход, используемый в [6], где условия могут отсутствовать или быть не точно рекомендуется предварительно разделить процеду- сформулированными. В таком случае либо может ру решения на методическую и технологическую произойти сбой решения, либо получен отличаю- части, представив каждую часть в виде струк- щийся по точности результат. турной схемы. Структурные схемы методической и технологической частей решения представлены Возможны следующие варианты «сбоя» на на рис. 2 и 3 соответственно. некотором шаге программы: – остановка расчета вследствие невыполнения условия перехода к очередному блоку программы (команда «Останов»); – получение неверных данных в очередном блоке программы вследствие влияния критического значения информационного параметра (ИП) и пере- ход к следующему блоку программы на очередном шаге за счет изменения условий перехода. Структурная схема фрагмента «сбойного» ва- рианта решения при возможном нарушении усло- вий перехода между соседними блоками програм- мы представлен на рис. 4. На рис. 4: U (kn) — номинальное условие пе- рехода от блока n к блоку n + 1; In — ИП блока n; U (kn, In) — измененное условие перехода от бло- ка n к блоку n + 1; N — номинальное значение Рис. 2. Структура методической части решения Рис. 3. Структура технологической части решения Рис. 4. Схема фрагмента перехода расчетов между со- седними блоками программы n, n + 1 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 55 условия перехода; N1–N2 — диапазон значений ние, его значение не должно быть меньше задан- условия перехода для конкретного блока; U 1 = ного; = U (kn, In) (в блоке 6); Fn, Fn+1 — функциональ- ное содержание блоков n, n + 1. – при формировании сеанса количество изме- рений не должно быть меньше заданного; В алгоритмической форме этот фрагмент мо- жет быть представлен в следующем виде: – при формировании математической модели движения (ММД) КА учитываемые возмущающие 1. Fn — расчет блока n. ускорения должны обеспечивать заданную точ- 2. U (kn) = N > Fn+1 = → In. ность параметров орбиты КА; 3. U (kn, In) = U 1 — коррекция условия перехо- да (УП) как функции информационного параметра. – при формировании математической моде- 4. N1 U 1 N2 → Fn+1, → Останов, ли измерений (ММИ) учитываемые составляю- где Un — номинал условия перехода блока n; щие должны соответствовать заданному набору по- In — информационный параметр блока n; правок; kn — критерий расчета Fn; kn+1 — критерий расчета Fn+1; – при оценке решения «краевой задачи» по дан- δ — поправка к УП. ным определения местоположения отличия полу- Для анализа условий перехода представим про- ченных значений координат от расчетных не долж- грамму в виде набора замкнутых математических ны превышать заданной величины. процедур, где переход между ними осуществляется по выполнению условий. В соответствии с [7] ИП зависят от значе- ний функций и процедур, составляющих основу ре- Вид условия зависит от содержания очередной шения, и могут совпадать с условиями перехода процедуры (блока). и влиять на точность результата. Ниже представ- лен перечень основных ИП ОПД КА. Для измерительных задач возможны следую- щие условия перехода: Как и в предыдущем случае, ИП целесообраз- но разделить по их влиянию на две части: мето- – полученные данные на очередном шаге долж- дическую (постановка и алгоритм) и технологиче- ны быть больше, меньше или равны некоторому зна- скую (информационное обеспечение и программа). чению; ИП элементов методической части решения – полученные данные должны находиться в за- и их критические значения данном диапазоне значений; Постановка задачи – единицы измерений полученных данных 1. Цель решения (неоднозначно сформулиро- должны соответствовать единицам измерений ве- вана). личин, используемых на следующем шаге реше- Алгоритм ния (проверка на идентичность единиц измерения 1. Количество измерений в сеансе (меньше должна проходить на каждом шаге программы). нормы). 2. Учет возмущающих сил в модели движения В качестве примера рассмотрим задачу опреде- (недостаточно). ления параметров движения космического аппара- 3. Учет поправок в модели измерений (недо- та (ОПД КА), условиями перехода в которой могут статочно). служить следующие соотношения рассчитываемых 4. Критерии фильтрации измерений (не соот- параметров: ветствуют нормам). 5. Диапазон базовых линий (задан неверно). – при формировании двойных разностей из- 6. Величина разрядки измерений (задана не- мерений фазы длина базовой линии должна нахо- верно). диться в заданном диапазоне; ИП элементов технологической части реше- ния и их критические значения – при фильтрации измерений (кода или фазы) Информационное обеспечение значение сигнал/шум каждого измерения не дол- 1. Координаты измерительных станций (зада- жен быть меньше заданной величины; ны неверно). – при фильтрации измерений (кода или фазы) по углу места, при котором производилось измере- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

56 В. К. ЛАРИН Т а б л и ц а 2. Перечень ИП и их значения № Наименование Символ Соотношение Примечание п/п текущего и номинального значений ИП Методическая часть 1 Цель решения Zl = 0 Неоднозначность 2 Количество измерений в сеансе ni ni < ns Число измерений меньше заданного 3 Возмущающие силы в ММД Fv Fv = fv Недостаток учета возмущающих сил 4 Поправки в модель измерений δIz δIz = ΔIz Недостаток учета поправок в ММИ 5 Критерии фильтрации Fj Fj = FN Критерий не соответствует норме 6 Диапазон базовых линий ΔLb ΔLb = N Базовые линии вне диапазона 7 Величина разрядки измерений Δtr Δtr = ΔtN Разрядка не соответствует норме Технологическая часть 8 Измерительные станции Bs, Ls Bs, Ls = Bn, Ln Координаты ИС заданы неверно Tr 9 Выбор данных из таблиц Tri = 0 Откат транзакции (по транзакции) 10 Таблицы qi qi = qn Данные в ячейках имеют ошибки 11 Настройки Ni Ni = Nz Настройки не равны заданному значению 12 Выбор исходных данных из архива ID ID = Iz ИД с ошибками 13 Цикл Zt Zt = Zn 14 Условие Ift Ift = Ifn Параметры цикла заданы неверно 15 Стандартная программа Sp Sp = Spn Условие задано неверно Несоответствие норме выбранной стандартной программы 16 Формирование результата R R = Rn Формирование неверного результата 2. Формирование таблиц (с ошибками). В табл. 2 приведен перечень ИП и их значе- 3. Выбор данных из таблиц (откат транзак- ний, приводящих решение к одному из сбойных ва- ций). риантов. Программа 1. Настройки (с ошибками). Как показывает опыт работы, два случая могут 2. Выбор исходных данных из архивов (с ошиб- привести к невозможности получить решение: ками). 3. Циклы (с ошибками). – неопределенность цели решения, что соот- 4. Условия (с ошибками). ветствует ИП в постановке задачи; 5. Выбор и использование стандартных под- программ (с ошибками). – ошибки при настройке программы, что соот- 6. Формирование результата (с ошибками). ветствует ИП в программе. Все остальные случаи приводят к неточному результату. Результаты отбора ИП второго случая, в соот- ветствии с [8], представлены в табл. 3. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 57 Т а б л и ц а 3. Результаты отбора ИП № Название ИП Критическое условие ИП Примечание п/п Архив 1 Диапазон базовых линий δli < Δl Базовые линии вне диапазона 2 Координаты измерительных станций Bs, Ls = Bn, Ln Координаты ИС заданы неверно 3 Исходные данные из архивов ИД заданы неверно ID = Iz БД, СУБД 4 Заполнение таблиц БД qi = qn Ошибки в ячейках 5 Выбор данных из таблиц БД Tri = 0 Откат транзакций Программа 6 Возмущающие силы в ММД Fv = fv Недостаток учета возмущающих сил 7 Поправки в модель измерений δIz = ΔIz Недостаток учета поправок 8 Критерии фильтрации Fj = FN Критерий не соответствует норме 9 Величина разрядки измерений Δtr = ΔtN Разрядка не соответствуют норме 10 Циклы Zt = Zn Параметры цикла заданы неверно 11 Логические условия Ift = Ifn Условие задано неверно Несоответствие норме выбранной 12 Стандартные подпрограммы Sp = Spn стандартной подпрограммы Этап 3. Формирование основной Таким образом, на рис. 5 представлена ИВС, структуры ИВС сформированная с учетом возможной некоррект- ности отдельных элементов составных частей, вы- С учетом схемы фрагмента программы (рис. 4) раженных в формате ИП. Конкретное содержание и данных табл. 3 можно сформировать ИВС для из- блоков и фрагментов ИВС должно соответствовать мерительной задачи определения параметров движе- функциональному назначению задачи. ния КА, учитывающую степень ее структуризации. Структурная схема ИВС представлена на рис. 5. Из материалов статьи следует, что точность решения задачи зависит от величины отклонения ИПА 1, 2, 3 — информационные параметры условий перехода от нормы, что аналогично степе- блока «Архив»; ИПД 1, 2 — информационные па- ни структуризации составных частей ИВС. раметры блока БД, СУБД; блок 1, 2, . . . , n − 1, n — блоки программы; фрагмент 1, 2, . . . , n − 1, n — под- Заключение программа перехода между блоками, индекс соот- ветствует номеру блока (рис. 4); σr — среднеквад- 1. Разработана технология формирования ратическая ошибка результата; N3 — предельное ИВС для решения измерительных задач с различ- значение ошибки результата. ной степенью структуризации. ИПА и ИПД могут оказать влияние на реше- 2. В основу решения проблемы положены прин- ние задачи при выполнении команд считывания ин- ципы структурного анализа, позволяющие значи- формации. тельно упростить процесс решения подобных задач. Безусловный переход от блока через фраг- 3. В качестве примера рассмотрена задача опре- мент i к очередному блоку обеспечивается скор- деления параметров движения КА, где показано ректированным «условием перехода» за счет ИП. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

58 В. К. ЛАРИН Список литературы 1. ГОСТ 24453-80 Измерения параметров и характе- ристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин. 2. ГОСТ Р 53622-2009 Информационные технологии. Информационно-вычислительные системы. Стадии и этапы жизненного цикла, виды и комплектность документов. 3. Йордан Э. Современный структурный анализ. Йор- дан Пресс Computing Series, 1989. ISBN 0-13- 598624-9. 4. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: со- временный подход. 2-е изд. М.: Вильямс, 2007. 1408 с. 5. Бетанов В. В., Ларин В. К. Использование системно- го подхода к решению проблемных вопросов функци- онирования АКП БНО полетов КА ГНСС // Ракет- но-космическое приборостроение и информационные системы, 2016, т. 3, вып. 1. С. 3–10. 6. Бетанов В. В., Ларин В. К. Концепция построения технологической модели решения слабоструктуриро- ванных задач на основе теории множеств // Ракетно- космическое приборостроение и информационные си- стемы, 2019, т. 6, вып. 2. С. 59–67. Рис. 5. Структурная схема ИВС 7. Ларин В. К. Построение прототипа экспертно-диаг- ностической системы анализа траекторной измери- тельной информации // Ракетно-космическое прибо- ростроение и информационные системы, 2017, т. 4, вып. 1. С. 53–60. влияние «условий перехода» на точность решения 8. Бетанов В. В., Ларин В. К., Позяева З. А. К вопро- задачи. су анализа причин возникновения сбоев в аппаратно- программном комплексе уточнения эфемеридно-вре- 4. Предложенная структура ИВС имеет уни- менной информации ГНСС // Ракетно-космическое версальный характер и может использоваться для приборостроение и информационные системы, 2014, решения измерительных задач различного типа. т. 1, вып. 1. С. 55–60. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 59–71 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.1.59.71 Анализ методов обработки информации и координации развития космических систем ДЗЗ гидрометеорологического назначения в рамках международных программ CGMS и GSICS Ю. М. Гектин, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. М. Зорин, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Д. О. Трофимов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация И. А. Барсуков, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация К. И. Жуковская, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Международная координация работ по калибровке и валидации гидрометеорологических спутниковых данных привела к формированию под эгидой ВМО (Всемирная метеорологическая организация, WMO) двух основных международных программ — CGMS и GSICS, в рамках которых ежегодно проводятся заседания с участием представителей нескольких стран, включая Российскую Федерацию (Росгидромет, Роскосмос). В работе представлен анализ основных направлений развития си- стем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) гидрометеорологического назначения по результатам рассмотрения докладов и участия представителей АО «Российские космические системы» в международных мероприятиях CGMS-47 и GSICS-EP-20 (Россия, г. Сочи, 16–24 мая 2019 г.). Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), космический аппарат (КА), калибровка, валидация, Всемирная метеорологическая организация, координационная группа по метеорологическим спутникам, Глобальная система интеркалиб- ровки спутниковых данных

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 59–71 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ Data Processing Methods and the Coordination of the Development of Hydrometeorological ERS Space Systems as Part of the CGMS and GSICS International Programs Yu. M. Gektin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. M. Zorin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation D. O. Trofimov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation I. A. Barsukov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation K. I. Zhukovskaya, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The international coordination of efforts in hydrometeorological satellite data calibration and validation has led to the organization of two main international programs under the auspices of the World Meteorological Organization (WMO) — CGMS and GSICS. Within the programs, annual meetings are held with participants from several countries, including the Russian Federation (Roshydromet, Roscosmos). The paper presents an analysis of the key focus areas of development of hydrometeorological Earth Remote Sensing (ERS) systems in accordance with reports and results of the participation of representatives of Joint Stock Company “Russian Space Systems” in the CGMS-47 and GSICS-EP-20 international meetings (Sochi (Russia), May 16–24, 2019). Keywords: Earth Remote Sensing (ERS), spacecraft, calibration, validation, WMO — World Meteorological Organization, CGMS — Coordination Group for Meteorological Satellites, GSICS — Global Space-based Inter-Calibration System

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗВИТИЯ 61 Введение шенствования аппаратуры с целью повышения точ- ности и стабильности радиометрических измерений, Координационная группа по метеорологическим а также точности их геопривязки. спутникам CGMS была образована в 1972 году. Росгидромет присоединился к CGMS в 1973 году. Основные принципы организации В настоящее время членами CGMS также явля- работ метеорологических агентств, ются Госкорпорация по космической деятельности космических агентств и операторов «Роскосмос», Китайская метеорологическая адми- КА ДЗЗ по калибровке/валидации нистрация (CMA), Китайское национальное кос- спутниковых данных мическое управление (CNSA), Европейская органи- зация по эксплуатации метеорологических спутни- Спутниковые данные для мониторинга климата ков (EUMETSAT), Европейское космическое агент- и других задач гидрометеорологии требуют точной ство (ESA), Французское космическое агентство калибровки, согласованной для различных однотип- (CNES), Индийская организация космических ис- ных приборов и обеспечивающей в течение длитель- следований (ISRO), Индийский метеорологический ного времени штатной эксплуатации КА хорошее департамент (IMD), Японское агентство аэрокос- соответствие с данными референсного (эталонного) мических исследований (JAXA), Японское метео- прибора. Работы в рамках Международной системы рологическое агентство (JMA), Корейская метео- калибровки и валидации спутниковых приборов, ко- рологическая администрация (KMA), Националь- ординируемых CGMS и GSICS, имеют важное зна- ное управление по аэронавтике и исследованию чение как для исследования климатических процес- космического пространства США (NASA), Наци- сов, так и для совершенствования организационных, ональное управление океанических и атмосферных аппаратурных, технологических и методических ас- исследований США (NOAA), Всемирная метеоро- пектов всех видов калибровок. логическая организация (WMO), Межправитель- ственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО Основная идея интеркалибровки заключается (IOS-UNESCO) в том, что два КА проводят съемку одной и той же территории в одно и то же время, с одинаковыми Кроме того, в состав CGMS со статусом на- пространственными характеристиками и геометри- блюдателей входят Канадское космическое агент- ей обзора. В результате интеркалибровки нужно ство (CSA), Глобальная система наблюдений за кли- количественно определить относительную погреш- матом (GCOS), Корейский институт аэрокосмиче- ность измерений между проверяемым и эталонным ских разработок (KARI), Корейский институт оке- приборами для конкретной тандемной съемки, най- анических исследований и развития (KORDI), Го- ти причины несоответствия данных, скорректиро- сударственное океанологическое управление Китая вать или устранить их. (SOA). Как показано в работе [1] на примере аппа- Международная рабочая группа по Глобаль- ратуры МСУ-МР, интеркалибровка двух приборов ной системе интеркалибровки спутниковых данных разных космических аппаратов требует точного со- GSICS была образована совместно ВМО и CGMS гласования в 8-мерном пространстве, включающем в 2005 году с целью мониторинга и улучшения каче- время, широту, долготу, высоту, солнечный зенит- ства наблюдений с оперативных метеорологических ный угол, угол обзора по азимуту, зенитный угол спутников Глобальной системы наблюдений ВМО. наблюдения и спектральный диапазон. Значитель- ные погрешности в любой из перечисленных со- Росгидромет и Роскоcмос имеют своих пред- ставляющих могут привести к случайным и систе- ставителей в CGMS и GSICS, используют участие матическим ошибкам, что впоследствии приведет в работе этих международных мероприятий для вы- к неточностям измерения. работки общих подходов к формированию данных космической съемки, более эффективного проведе- ния работ по калибровке/валидации информацион- ных данных отечественных метеоспутников и совер- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

62 Ю. М. ГЕКТИН, С. М. ЗОРИН, Д. О. ТРОФИМОВ, И. А. БАРСУКОВ, К. И. ЖУКОВСКАЯ Выбор эталонного прибора также вызыва- либровки данных космической съемки ЦА, уста- ет сложности — ключевой его характеристикой новленной на КА серий «Метеор-М», «Электро-Л», должна являться радиометрическая стабильность, «Канопус-В-ИК» [1–3]. но нужно учитывать и другие важные факторы (орбиты спутников должны позволять проводить Опыт разработки и эксплуатации целевой аппа- съемку одних и тех же территорий, приборы долж- ратуры микроволнового диапазона (например, мик- ны иметь схожие спектральные характеристики роволновых сканеров/зондировщиков температур- и др.). Кроме того, эталонный прибор выбирается но-влажностного зондирования атмосферы МТВЗА путем проверки качества и признания его таковым и МТВЗА-ГЯ для КА «Метеор-3М» № 1 и КА се- странами — членами международного сообщества рии «Метеор-М») подтверждает необходимость со- в рамках CGMS и GSICS с учетом малых погреш- здания процедур интеркалибровки и внешней ка- ностей радиометрических измерений, долговремен- либровки спутниковых данных. В настоящее вре- ной стабильности измерительных характеристик, мя микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ГЯ а также условий и точности наземной радиомет- является одним из основных видов целевой аппара- рической калибровки и наличия высокостабильной туры на метеорологических спутниках серии «Ме- системы бортовой калибровки. теор-М». По информационным характеристикам и области применения МТВЗА-ГЯ соответствует Например, как показано в [1, 2], для аппа- зарубежным аналогам — зондировщикам AMSU-A ратуры МСУ-МР и МСУ-ГС видимого диапазо- и AMSU-B (КА NOAA, США и MetOp, Евро- на в качестве опорных радиометров использова- союз), ATMS (КА Suomi NPP, США) [4], ска- лись соответственно AVHRR (КА МetOp, Евро- нерам AMSR-E (КА Aqua, США), AMSR2 союз) и VIIRS (КА Suomi NPP, США). (КА GCOM-W1, Япония) [4] и сканеру/зондиров- щику SSMIS (КА DMSP F16–F19, США). А для интеркалибровки спутниковой ИК-аппа- ратуры в настоящее время в рамках GSICS в ка- Для внешней калибровки микроволновых ска- честве основного эталонного прибора используется неров/зондировщиков выполняются сопоставления интерферометр IASI (КА MetOp, Евросоюз). Кроме измеренной антенной температуры (отсчетов) и ра- того, для интеркалибровки могут использоваться счетной яркостной температуры над протяженны- данные инфракрасного (ИК) зондировщика AIRS ми однородными «холодными» и «горячими» участ- (КА Aqua, CША). ками океана и земной поверхности [4, 5]. В каче- стве «горячей» области используются широколист- Помимо IASI и AIRS в качестве промежуточ- венные леса бассейна Амазонки, при этом выбира- ных эталонов для ИК-диапазона спектра использу- ются измерения на витках, когда над участком со ется ряд приборов, стабильность и точность радио- сплошным лесным покровом отсутствует мощная метрических характеристик которых была подтвер- облачность и осадки. «Холодные» области выбира- ждена в ходе различных интеркалибровок целевой ются над отдельными районами Антарктиды и над аппаратуры (ЦА): районами океана с температурой поверхности воды от 0 до +12 ◦C, слабым ветром, отсутствием обла- – ИК-зондировщик CrIS/SNPP (работы по ков и низкими значениями паросодержания атмо- проверке качества абсолютной калибровки завер- сферы [4]. шились в 2013 г.); Для интеркалибровки пассивных измерений ми- – сканирующий радиометр MODIS/EOS Terra, кроволновых приборов типа сканера/зондировщика Aqua; МТВЗА-ГЯ в качестве зарубежных референсных приборов можно использовать прежде всего аппара- – сканирующий радиометр AVHRR/NOAA; туру с коническим режимом сканирования — ска- – сканирующий радиометр VIIRS/SNPP; неры/зондировщики SSMIS (КА DMSP F16–F19, – сканирующий радиометр SEVIRI/Meteosat 10. США), AMSR-E/EOS (КА Aqua, США), AMSR2 Данные измерений перечисленных приборов (КА GCOM-W1, Япония). При отсутствии доступа (регионального и глобального покрытия) имеют- к информации указанных приборов для интерка- ся в открытом доступе или могут быть получены из спутниковых архивов, поддерживаемых NOAA, NASA, EUMETSAT и используются для интерка- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗВИТИЯ 63 либровки данных в отдельных каналах МТВЗА-ГЯ окружающей среды, в том числе опасных явлений с определенными ограничениями можно использо- погоды и их заблаговременного предупреждения, за- вать измерения микроволновых зондировщиков нимают США, Евросоюз, Япония и Китай. AMSU-A и AMSU-B (КА NOAA, США и MetOp, Евросоюз) и ATMS (КА Suomi NPP и JWSS, Соответственно важен анализ состояния спут- США) с поперечным режимом сканирования. никовых группировок и ЦА гидрометеорологическо- го назначения в первую очередь указанных стран. Краткий обзор состояния США (NASA, NOAA) зарубежных спутниковых группировок и целевой аппаратуры На рис. 1, 2 представлен состав действующей гидрометеорологического и перспективной группировок гидрометеорологиче- назначения по результатам ских спутников США из доклада NASA [6]. докладов на заседаниях CGMS-47 и GSICS-EP-20 (г. Сочи, Россия, По состоянию на май 2019 г. США имеют 16–24 мая 2019 г.) 23 действующих гидрометеорологических спутни- ка (NASA), без учета геостационарной космиче- Лидирующее положение в вопросах координа- ской системы GOES (NOAA). С момента прошлого ции и организации международного сотрудничества заседания CGMS-46 было запущено 10 новых мис- в вопросах глобальных спутниковых систем наблю- сий, включающих: ICESat-2, GRACE-FO, OSO-3, дения за метеорологическими (и смежными с ними) ECOSTRESS, GEDI и пять ультракомпактных КА параметрами в целях анализа и прогноза состояния (типа CubeSat): RainCube, Cube RRT, CSIM-FD, TEMPTEST-D, MinXSS-2. В период 2019–2025 гг. NASA планирует запустить еще 15 миссий, в их числе TEMPO, Landsat-9, 10, Sentinel-6A/B, SWOT, PACE, CLARREO-PF и др. (рис. 1). Таким Рис. 1. Группировка гидрометеорологических спутников ДЗЗ США [6] РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

64 Ю. М. ГЕКТИН, С. М. ЗОРИН, Д. О. ТРОФИМОВ, И. А. БАРСУКОВ, К. И. ЖУКОВСКАЯ Рис. 2. Состав действующей и перспективной группировок спутников ДЗЗ США [6] образом, суммарный состав группировки гидроме- – DigitalGlobe, 5 спутников наблюдения Земли теорологических спутников США превысит 30 КА. с разрешением до 30 см (GeoEye-1, WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3, WorldView-4); При этом на данный момент в составе груп- пировки спутников ДЗЗ США есть значительное – Planet (ранее Planet Labs), три спутниковые число КА со сроком службы 15–20 лет, которые системы (SkySat, Dove, RapidEye) с группировкой продолжают успешно функционировать (рис. 2). более 150 спутников наблюдения Земли со сред- ним и высоким разрешением и высокой частотой Также увеличивается количественный и ка- обновления данных; чественный состав аппаратуры ДЗЗ США (LIS, SAGE III, TSIS-1, OCO-3, ECOSTRESS, GEDI, – SPIRE, более 60 спутников с приборами ра- CLARREO-PF, EMIT) на международной космиче- диозатменного зондирования, определения коорди- ской станции (МКС) (рис. 3) [7]. нат летательных аппаратов и судов. Необходимо отметить, что в 2017–2019 гг. бы- Евросоюз (ESA, EUMETSAT) ли запущены и введены в эксплуатацию ультраком- пактные КА (типа CubeSat), такие как MiRaTA, Спутниковая группировка Евросоюза по состо- HARP, RAVAN, IceCube, RainCube, TEMPEST-D, янию на май 2019 г. содержит 15 действующих CubeRRT, CIRiS, которые подтвердили перспектив- спутников, 25 находятся в разработке, 12 готовят- ность развития данного направления ДЗЗ в США. ся к запуску. За последнее время можно отме- тить успешный запуск и ввод в эксплуатацию КА Кроме того, в NASA и NOAA явно обозначе- Sentinel-5P (октябрь 2017 г.), Sentinel-3B (апрель ны тенденции по коммерциализации всех звеньев 2018 г.), Aeolus (август 2018 г.), MetOp-C (ноябрь создания и функционирования КС от разработки 2018 г.). техники до распространения данных ДЗЗ, форми- рования прогнозов погоды и климата. На рис. 4 представлен план-график развития спутниковой группировки ESA до 2040 г. [8]. Сле- По состоянию на сентябрь 2018 г. были заклю- дует отметить представленные согласованные планы чены контракты в рамках пилотных коммерческих NASA и ESA (программа Copernicus) по развитию программ по созданию многоспутниковых систем на основе малых КА: РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗВИТИЯ 65 Рис. 3. Состав аппаратуры ДЗЗ США на МКС [7] Рис. 4. Спутниковая группировка ДЗЗ Евросоюза [8] научной составляющей программ наблюдения Зем- ление содержания углекислого газа, озона, метана ли из космоса, которые предполагают создание но- и других парниковых газов, а также на изучение вых приборов, нацеленных на изучение качества интенсивности процессов фотосинтеза и роста рас- атмосферного воздуха, состава атмосферы, опреде- тений. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

66 Ю. М. ГЕКТИН, С. М. ЗОРИН, Д. О. ТРОФИМОВ, И. А. БАРСУКОВ, К. И. ЖУКОВСКАЯ Перечисленные задачи требуют создания прин- также ИК-радиометры (IRS, VNR, AHI), ИК-фурье ципиально новых приборов, таких как спектро- спектрометры (TANSO-FTS), приборы наблюдения метры сверхвысокого спектрального разрешения за парниковыми газами (КА Ibuki, 7 приборов) FLEX (Fluorence Explorer), OCO (Orbiting Carbon и микроволновые радиометры (GMI, AMSR). Необ- Observatory), GeoCarb (Geostationary Carbon Cycle ходимо отметить тесное сотрудничество японских Observatory), а также ИК-радиометры и спектро- агентств JAXA и JMA с соответствующими агент- метры с чувствительностью в дальнем ИК- и мик- ствами США и Евросоюза. На заседаниях ра- роволновом диапазонах, такие как CORSAIR (Cali- бочих групп GSICS и CGMS часто обсуждают- brated Observations of Radiance Spectra in the Far- ся вопросы интеркалибровки ИК-радиометров AHI Infrared), CLARREO (Climate Absolut Radiance and (Advanced Himawari Imager), которые изготовлены Refractivity Observatory), ECOSTRESS (ECOsys- с участием США (аналоги ABI), установлены на tem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on КА Himavari-8, 9 и хорошо себя зарекомендова- Space Station), ICESat-2 (Ice, Cloud and land Eleva- ли при длительной эксплуатации, подтвердив сли- tion Satellite 2), GEDI (Global Ecosystem Dynamics чения c данными, полученными с приборов IASI Investigation), а также ряд приборов в рамках про- и CrIS/SNPP (США). На заседаниях WGII со сто- граммы MeTop-SG — MWI, MWS, ICI и др. роны представителя США была выражена особая заинтересованность в данных микроволнового ска- Япония (JAXA, JMA) нера с коническим сканированием и обеспечении запуска AMSR-3 в 2022–2023 гг. Основные КА японской программы наблюде- Китай (CMA, CNSA) ния Земли из космоса представлены на рис. 5 [9]. На рис. 6 представлены история и стратегия Японская аппаратура гидрометеорологического запусков гидрометеорологических КА китайской назначения, помимо приборов видимого, ближнего программы наблюдения Земли из космоса [10]. ИК- и ближнего УФ-диапазонов (SGLI), включает Рис. 5. Японская аппаратура гидрометеорологического назначения [9] РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗВИТИЯ 67 Рис. 6. История и стратегия запусков гидрометеорологических КА по программе КНР Фэнъюнь (Fengyun) [10] На данный момент на орбите работают 7 КА ского эталонного стенда космического базирования КНР (4 на геостационарной и 3 на низкой около- (Space-based Radiometric Benchmark) с целью прове- земной орбитах). Геостационарный КА FY-2H за- дения радиометрических калибровок ЦА в абсолют- пущен в июне 2018 г. и принят в эксплуатацию ных единицах системы СИ (рис. 7) [10]. в январе 2019. Основные исполнители проекта: В составе ЦА китайской группировки пред- – Академия оптоэлектроники (AOE), Китай- ставлен весь спектр приборов мониторинга атмо- ская академия наук (CAS); сферы, океана, Солнца и Луны, МСУ, микровол- – Национальный спутниковый метеорологиче- новые сканеры-зондировщики, ИК-фурье-спектро- ский центр (NSMC), CMA; метры (ИКФС), регистраторы молний (lightning – Шанхайский институт технической физики mapper) и т. д. (SITP), CAS; – Хэфэйский институт естественных наук С 2019 по 2023 гг. планируется запустить 6 но- (HIPS), CAS. вых КА (FY-3Е, FY-4B, FY-4F, FY-RM, FY-4С, Этап Б (2018–2022 гг.) предполагает финанси- FY-3G) (см. рис. 6) [10]. рование 300 млн юаней (около 3 млрд руб.) [10], что говорит о значимости данного направления В докладе CMA на GSICS отмечалось, что в планах развития систем ДЗЗ. Данная програм- КНР планирует масштабные проекты по изучению ма предусматривает такие исследования в об- Луны, которые помогут получить также и необхо- ласти метрологии, как измерения характеристик димые данные для радиометрической калибровки АЧТ, коэффициентов излучения различных мате- аппаратуры ДЗЗ по лунному диску. риалов, создание бортовых АЧТ с применением В ряде докладов специалистов КНР сообщается о проекте разработки национального радиометриче- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

68 Ю. М. ГЕКТИН, С. М. ЗОРИН, Д. О. ТРОФИМОВ, И. А. БАРСУКОВ, К. И. ЖУКОВСКАЯ Рис. 7. Радиометрический эталонный стенд космического базирования КНР [10] калибровочных ячеек на фазовых переходах спла- сканирующие радиометры. Основные требования вов галлия, воды и органических веществ, приме- к этим приборам состоят в долговременной стабиль- нение лазерной техники. ности измерительных характеристик и минималь- но достижимых инструментальных погрешностях. Данный подход позволит снизить неопределен- Так, например, представленные результаты интер- ность калибровки по температуре полостного бор- калибровки Himawari-8/AHI (Япония), проведенной тового АЧТ до 10 мК для диапазона температур в 2019 г., при сличении с данными эталонных при- от 270 до 350 К (коэффициент излучения не менее боров MetOp-A/IASI (США) и SNPP/CrIS (США) 0,997 и погрешность воспроизведения температуры показали стандартное отклонение измеренных тем- не более 0,15 К). ператур в разных ИК каналах от 0,005 до 0,039 К, а значения систематической погрешности от 0,01 Заключение до 0,24 К за год. Эти данные подтверждают очень высокую стабильность и точность измерений ради- Таким образом, можно выделить следующие ационной температуры зарубежной ИК-аппаратуры. основные направления развития КС ДЗЗ гидроме- теорологического назначения. 2. Признано, что алгоритмы GSICS и эталон- ные приборы GSICS (IASI, CrIS, L1 Microwave 1. В части точных радиометрических изме- SSMIS, AMSR-E, AMSR-2, MSU/AMSU FCDR) рений для прогноза погоды, мониторинга со- могут быть использованы для мониторинга и ре- стояния климата, акваторий морей и океанов калибровки соответствующих российских приборов большое внимание уделяется приборам ИК-диа- МСУ-ГС, МСУ-МР, ИКФС-2, МТВЗА-ГЯ. пазона, таким как многозональные сканиру- ющие устройства (МСУ), ИК-фурье-спектроме- 3. В рамках GSICS в период до марта тры (ИКФС), а также микроволновые пассивные 2019 г. проводились работы по интеркалибровке РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗВИТИЯ 69 следующей ИК аппаратуры: Meteosat-8-11/SEVIRI предназначены для обеспечения исследований, кон- (EUMETSAT), MTSAT-2 Imager, Himawairi-8-9/ троля и прогнозирования состояния атмосферы, AHI (JMA); GOES-11, -12, -15 Imager, GOES-16, океана, арктических морских льдов, прибрежной -17/ABI (NASA/NOAA); FY-2C,D,E,F,G/VISSR, зоны, высоты снежного покрова, аномальных яв- FY-4A/AGRII/GIIRS (CMA); COMS, KOMP- лений в приполярных районах. SAT-2A (KMA); INSAT-3D/Imager, INSAT-3D/ Sounder/Imager, INSAT-3R (ISRO); «Метеор-М»/ 8. Следует отметить, что в России большую ИКФС-2, «Электро-Л»/МСУ-ГС, «Метеор-М»/ часть работы по распространению данных ЦА гид- МСУ-МР (Росгидромет, Роскосмос). рометеорологического назначения, оценке качества полученных данных, проведению интеркалибровки 4. Отмечена перспективность проведения ра- и представлению научно-технических и организа- бот по использованию лунной калибровки аппа- ционных результатов в рамках GSICS и CGMS ратуры, разработке соответствующих алгоритмов проводит Росгидромет, в частности ФГБУ «НИЦ и расчетных моделей. «Планета». Однако, эта работа невозможна без участия предприятий — разработчиков бортовой 5. Космическим агентством КНР запланиро- аппаратуры. Например, АО «Российские космиче- ван масштабный проект разработки национально- ские системы» является разработчиком и изгото- го радиометрического эталонного стенда космиче- вителем такой бортовой аппаратуры, как многозо- ского базирования (Space-based Radiometric Bench- нальные сканирующие устройства МСУ-МР (КА mark) с целью проведения радиометрических калиб- «Метеор-М»), МСУ-ГС (КА «Электро-Л», «Арк- ровок ЦА от видимого до ИК-диапазона в абсолют- тика-М»), МСУ-ИК-СРМ (КА «Канопус-В-ИК»), ных единицах системы СИ с высокой точностью. МСУ-МР-МП (КА «Метеор-МП»), инфракрасный радиометр высокого разрешения (РИВР) для мно- 6. Современные вызовы, связанные с большим гоцелевого лабораторного модуля «Наука» МКС, количеством успешных стартапов в области мно- сканеров/зондировщиков МТВЗА-ГЯ (КА «Мете- госпутниковых систем на базе малых КА, суще- ор-М») и МТВЗА-ГЯ-МП (КА «Метеор-МП»). ственным образом трансформировали рынок ДЗЗ. Эксперты предполагают, что к 2023 г. на орбитах Все вышеперечисленные приборы имеют осо- появится более 1100 новых спутников ДЗЗ. Толь- бенности декодирования и обработки поступающей ко четыре компании (Planet (ранее Planet Labs), информации при штатной эксплуатации, особенно- Maxar, Spire и BlackSky Globe) планируют за сти измерительных трактов спектральных каналов, этот период запустить более 970 спутников [11]. особенности наземной и бортовой калибровки, что При этом необходимо отметить, что многоспутни- требует полетного сопровождения данной целевой ковые системы ДЗЗ на основе малых КА (типа аппаратуры специалистами разработчика при оцен- CubeSat) на данном этапе предназначены для высо- ке качества данных космической съемки для ис- кооперативного наблюдения и не решают задач точ- ключения систематических ошибок при проведении ных радиометрических измерений характеристик интеркалибровок. атмосферы, океана и поверхности Земли в различ- ных спектральных диапазонах. Однако, например, В докладах, представленных специалиста- NASA выполняет большое количество проектов на ми АО «Российские космические системы» на основе КА типа CubeSat в рамках программы Earth GSICS-EP-20 и CGMS-47, авторы–разработчики Science Technology Program Elements (ESTO), сканеров/зондировщиков МТВЗА-ГЯ (КА серии которые предполагают создание ультракомпакт- «Метеор») [5], многозональных сканирующих ной ЦА, включая ИК-гиперспектрометры (HyTI), устройств МСУ-ГС (КА «Электро-Л») [12] и МСУ- спектрометры солнечного излучения (CTIM), ра- ИК-СРМ (КА «Канопус-В-ИК») [13] описывают диолокационные радиометры (SNoOPI, RainCube, принципы работы, основные технические характе- TEMPEST-D), гиперспектральные трассовые спек- ристики и особенности бортовой калибровки аппа- трометры (TACOS) и т. д. ратуры с учетом оценки полученных данных кос- мической съемки, в том числе на основе интерка- 7. Все большее внимание уделяется спутни- либровки. ковым системам ДЗЗ арктической зоны, которые РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

70 Ю. М. ГЕКТИН, С. М. ЗОРИН, Д. О. ТРОФИМОВ, И. А. БАРСУКОВ, К. И. ЖУКОВСКАЯ В частности, в докладе [12] отмечено, что 3. Rublev A. N., Gorbarenko E. V., Golomolzin V. V., оценка метрологических характеристик радиометра Borisov E. Y., Kiseleva J. V., Gektin Y. M., Zai- МСУ-ГС в составе КА «Электро-Л» № 2 в сравне- tsev A. A. Inter-calibration of Infrared Channels нии с радиометрами VIIRS (КА Suomi NPP, схема of Geostationary Meteorological Satellite Imagers // GEO-LEO) и SEVIRI (КА Meteosat-10, схема GEO- Frontiers in Environmental Science, doi: 10.3389/ GEO), показала хорошее соответствие получаемых fenvs.2018.00142, November 2018, volume 6, этими приборами радиометрических данных, а так- article 142. же возможность построения на основе данных кос- мических съемок МСУ-ГС тематических продуктов, 4. Чернявский Г. М., Митник Л. М., Кулешов В. П., соответствующих мировым стандартам качества. Митник М. Л., Ч¨ерный И. В. Микроволновое зон- дирование океана, атмосферы и земных покровов по Результаты интеркалибровки радиометра МСУ- данным спутника «Метеор-М» № 2 // Исследование ИК-СРМ (КА «Канопус-В-ИК») [13] с исполь- Земли из космоса, 2018, т. 15, № 4. С. 78–100. зованием в качестве опорных приборов IASI (КА MetOp-A,B) и ИКФС-2 (КА «Метеор-М» № 2) 5. Cherny I. V., Chernyavsky G. M., Barsukov I. A., показали, что относительная разность радиометри- Streltsov A. M., Egorov A. N., Gavrilov M. I., Yakov- ческих данных в канале 2 МСУ-ИК-СРМ по срав- lev V. V. Calibration of microwave imager/sounder нению с данными IASI (MetOp-B) и ИКФС-2 для MTVZA-GY onboard «Meteor» satellites series // спектральной плотности энергетической яркости на Materials from CGMS-47, Russian Federation, Sochi, эффективной длине волны не превышает 5 %. Это 2019, Working Paper CGMS-47-ROSCOSMOS- свидетельствует о хорошем качестве абсолютной WP-02, 18 p. // CGMS-47, WGII: Satellite Data and калибровки МСУ-ИК-СРМ. Products, CGMS agency reports on highlights issues in dataset and product generation. http://www.cgms- Таким образом, интеркалибровка является хо- info.org/agendas/CGMS-47 (Доступ свободный). рошим инструментом для отслеживания метро- логических характеристик космических радиомет- 6. Kaye J. NASA Report on the Status of Current and ров при условии минимизации методических оши- Future Earth Satellite Systems // Materials from бок, связанных с согласованием времени, широ- CGMS-47, Russian Federation, Sochi, Working Paper ты, долготы, высоты, солнечного зенитного угла, CGMS-47-NASA-WP-01, 23 p. // CGMS-47, Plenary угла обзора по азимуту, зенитного угла наблюде- Session. http://www.cgms-info.org/agendas/ ния и спектрального диапазона при съемке одного CGMS-47 (Доступ свободный). объекта двумя различными приборами. 7. Butler J., Xiong J. Report from NASA // Materials from GSICS-EP-20, Russian Federation, Sochi, 2019 // GSICS-EP-20 https://www.wmo.int/pages/prog/sat/ meetings/ GSICS-EP-20/ documents/ GSICS-EP- 20_Doc_5.10p_NASA_agency_report_050819.pdf (Доступ свободный). Список литературы 8. EUMETSAT development and plans since CGMS-46 // Materials from CGMS-47, Russian Federation, Sochi, 1. Филей А. А., Рублев А. Н., Зайцев А. А. Радио- 2019, Working Paper CGMS-47 EUM-WP-01 PPT, метрическая интеркалибровка коротковолновых ка- 11 p. // CGMS-47, Plenary Session. налов многоканального спутникового устройства http://www.cgms-info.org/agendas/CGMS-47 (Дос- КА «Метеор-М» № 2 по радиометру AVHRR КА туп свободный). «MetOp-A» // Современные проблемы дистанцион- ного зондирования Земли из космоса, 2016, т. 13, 9. Hitoshi Tsuruma JAXA Earth Observation Pro- № 6. С. 251–263. gram // Materials from CGMS-47, Russian Fede- ration, Sochi, 2019, Working Paper CGMS-47-JAXA- 2. Филей А. А., Рублев А. Н., Зайцев А. А. Радиомет- WP-01 PPT, 15 p. // CGMS-47, Plenary Session. рическая кросс-калибровка коротковолновых кана- http://www.cgms-info.org/agendas/CGMS-47 (Дос- лов многоканального спутникового устройства КА туп свободный). «Электро-Л» № 2 по данным измерений VIIRS КА Suomi NPP // Современные проблемы дистанцион- 10. Zhang Peng Updated report on Fengyun satellite pro- ного зондирования Земли из космоса, 2017, т. 14, gram and development // Materials from CGMS-47, № 7. С. 31–38. Russian Federation, Sochi, 2019, Working Paper CGMS-47-CMA-WP-01 PPT, 32 p. // CGMS-47, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗВИТИЯ 71 Plenary Session. http://www.cgms-info.org/agendas/ ROSCOSMOS-WP-01, 9 p. // CGMS-47, WGII: CGMS-47 (Доступ свободный). Satellite Data and Products, CGMS agency reports on highlights issues in dataset and product gener- 11. Бакланов А. И. Новые горизонты космических си- ation. http://www.cgms-info.org/agendas/CGMS-47 стем оптико-электронного наблюдения Земли высо- (Доступ свободный). кого разрешения // Ракетно-космическое приборо- строение и информационные системы, 2018, т. 5, 13. Zubkova K. I., Kurevleva T. G., Grishantseva L. A., вып. 4. C. 14–27. Velikoselskaya D. М. Intercalibration of MSU-IK- SRM/Kanopus-V-IK with IASI/Metop // Materials 12. Gektin U. M., Zorin S. M., Trofimov D. O., Zait- from GSICS-EP-20, Russian Federation, Sochi, 2019 // sev A. A. The functional and calibration features of GSICS-EP-20. https://www.wmo.int/pages/prog/sat/ the multispectral scanner MSU-GS onboard Elektro-L meetings/GSICS-EP-20/documents/GSICS-EP-20_ No. 2 // Materials from CGMS-47, Russian Fed- Doc_5.11p _ROSCOSMOS.pdf (Доступ свободный). eration, Sochi, 2019, Working Paper CGMS-47- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 72–83 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 528.72, 528.8, 004.9 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.1.72.83 Особенности обработки данных сенсора «Геотон-Л1» космического аппарата «Ресурс-П» при формировании бесшовных сплошных покрытий регионов РФ А. Н. Марков, [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 А. В. Крылов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация М. А. Евлашкин, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Пестряков, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Михеев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. С. Алексеевский, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В статье рассматриваются особенности обработки данных сверхвысокого разрешения аппаратуры «Геотон-Л1» космического аппарата «Ресурс-П» в обеспечение формирования бесшовных сплошных покрытий (БСП) на регионы Россий- ской Федерации. Приведены методика формирования БСП и требования к опорной информации. Обозначены проблемные вопросы отбора данных и создания продуктов стандартной обработки данных «Геотон-Л1». Приведена технология формиро- вания бесшовных сплошных покрытий, обеспечивающая точность геодезической привязки на опорных точках не хуже 5 м. На примере обработки данных Белгородской области (более 27 тыс. км2) дано распределение временных затрат по техно- логическим процессам: 2/3 всего времени занимает обработка данных с участием оператора, при этом 1/2 всего времени — стандартная обработка. В рамках выполнения работ по заказу ГК «Роскосмос» с использованием рассматриваемой технологии сформированы БСП за летние периоды 2013–2018 гг. на 10 регионов РФ: Москва и Московская область, Санкт-Петербург и Ленинградская область, Севастополь и Республика Крым, Белгородская, Брянская, Воронежская, Калининградская, Курская, Самарская, Орловская области. Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, космический аппарат «Ресурс-П», сверхвысокое разрешение, бесшовное сплошное покрытие, мозаика, банк базовых продуктов

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 72–83 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ Generation of Seamless Continuous Coverages of the Russian Regions Using Resurs-P Very-High Resolution Data A. N. Markov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. I. Vasilyev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. V. Krylov, [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. A. Pestryakov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Mikheev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. S. Alexeevskiy, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article discusses the ultra-high resolution data processing of the Geoton-L1 equipment installed on the Resurs-P spacecraft to ensure the generation of seamless continuous coverage (SCC) for regions of Russia. The method for achieving SCC and the requirements for supporting information are given. The problematic issues of data selection and the creation of standard data processing Geoton-L1 products are indicated. The technology of achieving seamless continuous coverage, which ensures the accuracy of geodetic reference at ground control points of no worse than 5 m is described. Taking the processing of the Belgorod Region data (more than 27,000 square kilometers) as an example, the time distribution by technological processes is presented: 2/3 of total time is data processing with the operator involvement and 1/2 of total time is standard level processing. As part of the efforts undertaken at the request of the Roscosmos State Corporation for Space Activities, using the above technology, the SCCs were generated for 10 regions of the Russian Federation during summer seasons of 2013–2018: Moscow and Moscow Region, Saint Petersburg and Leningrad Region, Sevastopol and the Republic of Crimea, Belgorod Region, Bryansk Region, Voronezh Region, Kaliningrad Region, Kursk Region, Samara Region, and Orel Region. Keywords: Earth remote sensing, Resurs-P spacecraft, very-high resolution, seamless continuous coverage, mosaic, basic product bank

74 А. Н. МАРКОВ, А. И. ВАСИЛЬЕВ, А. В. КРЫЛОВ И ДР. Введение данной статьи рассматриваются особенности обра- ботки данных сверхвысокого разрешения аппарату- Основные тенденции развития мировой груп- ры «Геотон-Л1» космического аппарата «Ресурс-П» пировки космических аппаратов дистанционного при формировании бесшовных сплошных покрытий зондирования Земли высокого (1–10 м) и сверхвы- на регионы Российской Федерации. сокого (лучше 1 м) пространственного разрешения [1–3] предусматривают: 1) улучшение простран- Методика формирования ственного разрешения (до 0,1–0,3 м) для новых бесшовного сплошного покрытия спутников; 2) повышение частоты съемки за счет со- здания многочисленных группировок малых спутни- Общая методика формирования бесшовного ков. Кроме того, наметился устойчивый тренд опе- сплошного покрытия на основе набора сцен дан- ративного предоставления космической информации ных аппаратуры «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» и информационных продуктов дистанционного зон- включает следующие основные этапы. дирования Земли (ДЗЗ) на основе веб-сервисов (на- пример, https://eos.com/ landviewer). При этом су- 1. Стандартная обработка набора сцен до уров- щественное увеличение объемов космической ин- ня 4A в соответствии с утвержденным Госкорпора- формации ДЗЗ высокого разрешения определило цией «Роскосмос» «Перечнем стандартных продук- еще один тренд — регламентированное формиро- тов, изготавливаемых по материалам ДЗЗ с КА ти- вание и обновление мозаик или бесшовных сплош- па “Ресурс-П”» и поставляемых потребителям [11]: ных покрытий для отдельных регионов и всего ми- ра (например, https://www.planet.com). • геометрическая и радиометрическая коррекции; • трансформирование на плоскость; Отечественная группировка в период 2013– • расчет параметров RPC; 2018 гг. насчитывала до трех действующих кос- • синтез спектральных RGB-каналов и паншар- мических аппаратов (КА) ДЗЗ типа «Ресурс-П», оборудованных сенсором «Геотон-Л1» сверхвысо- пенинг на основе данных панхроматического кого разрешения [4]. На начало 2020 г. по це- спектрального канала. левому назначению функционировал только один КА ДЗЗ типа «Ресурс-П». Вместе с тем вос- 2. Фотограмметрическая обработка набора сцен: требованность в данных и информационных про- • поиск и задание связующих и опорных точек; дуктах ДЗЗ неуклонно возрастает. Более того, немалый интерес проявляют потребители к бес- • блочное уравнивание набора сцен на основе шовным сплошным покрытиям больших террито- множества связующих и опорных точек; рий на основе данных ДЗЗ, технологии форми- рования которых созданы АО «Российские кос- • ортотрансформирование набора сцен. мические системы» в рамках выполнения опыт- но-конструкторских работ Федеральной космиче- 3. Построение БСП: ской программы России на 2016–2025 гг. Примеры • построение и редактирование линий порезов; применения этих технологий для автоматическо- го формирования бесшовных сплошных покры- • расчет параметров яркостного выравнивания; тий (БСП) на основе данных среднего разре- шения КА «Ресурс-П» и «Метеор-М» рассмот- • формирование единого результирующего изоб- рены в работах [5, 6]. Предоставление инфор- ражения БСП. мационных продуктов и БСП потребителям осу- ществляется оператором КС ДЗЗ с использовани- Определим требования к условиям съемки ем геоинформационных сервисов «Банк базовых и опорной информации в обеспечение формирова- продуктов» (https://bbp.ntsomz.ru) [7,8] и «Геопор- ния БСП. Во-первых, с учетом пространственно- тал Роскосмоса» (https://gptl.ru) [9, 10]. В рамках го разрешения (0,7 м) аппаратуры «Геотон-Л1» КА «Ресурс-П» необходимая точность планового поло- жения опорных точек должна составлять не менее половины пикселя — 0,35 м. Во-вторых, на рис. 1 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СЕНСОРА «ГЕОТОН-Л1» КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 75 Рис. 1. Зависимость точности задания высоты наблюда- ние образа точки местности на снимке в преде- емой точки местности на снимке «Геотон-Л1» КА серии лах половины пикселя. Соответственно для «на- «Ресурс-П» от угла крена КА, обеспечивающая смеще- дирного» снимка точность задания высоты долж- на быть лучше 10 м, при углах крена менее 30◦ — ние образа точки на снимке в пределах 0,5 пикселя не хуже 1 м. Таким образом, для формирования БСП с точностью (среднеквадратическим отклоне- приведена зависимость ошибки задания геодези- нием (СКО)) до 3–4 м необходимо использовать: ческой высоты наблюдаемой точки местности от 1) снимки с углами визирования/крена не более углов крена съемочной аппаратуры «Геотон-Л1» 10◦; 2) опорные точки с точностью 0,35 м в плане КА «Ресурс-П», при которых наблюдается смеще- и по высоте не хуже 2 м; 3) цифровую модель ре- льефа (ЦМР) с максимальной ошибкой не более 12 м (3 СКО). Далее следует отметить проблему выбора ис- ходных данных аппаратуры «Геотон-Л1» КА «Ре- сурс-П», связанную с отсутствием планового сплошного покрытия территории РФ. На рис. 2 приведено покрытие Ленинградской области марш- рутами (сценами) съемки за летние периоды 2013–2018 гг. с уровнем облачности менее 50 %. Рис. 2. Набор маршрутов/сцен съемки аппаратуры «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» территории Ленинградской области за летние периоды 2013–2018 гг. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

76 А. Н. МАРКОВ, А. И. ВАСИЛЬЕВ, А. В. КРЫЛОВ И ДР. Фактически отснято 2/3 региона, однако ввиду блему RGB-синтеза спектральных каналов, а имен- отсутствия перекрытия между сценами (с уров- но разновременную съемку одной и той же точ- нем облачности менее 30 %) представляется воз- ки местности разными группами ПЗС-матриц. Как можным формирование сплошного покрытия толь- следствие, попиксельное сведение спектральных ко для 1/3 региона (граница обозначена желтым каналов возможно за счет использования высоты цветом на рис. 2). Для увеличения площади бес- наблюдаемой точки местности (на рис. 4 приве- шовного покрытия необходимо использовать сце- дена траектория a1–P1–b1). При этом ошибки зада- ны, отснятые в условиях визирования более 20–30◦ ния высоты наблюдаемой точки местности приводят по крену и/или с уровнем облачности 50–100 %, к ошибкам синтеза спектральных каналов (на рис. 4 что не всегда целесообразно, поскольку от этого приведена траектория a1–P2–b2). На рис. 5 при- зависит качество результирующего изображения. веден фрагмент изображения, на котором демон- стрируются ошибки синтеза спектральных кана- Проблемные вопросы стандартной лов, связанных с неточностью задания высоты на- обработки данных «Геотон-Л1» КА блюдаемого высотного объекта. серии «Ресурс-П» в обеспечение формирования БСП Решение проблем синтеза спектральных ка- налов возможно в случае реализации следующих На рис. 3 представлена схема расположе- конструктивных и технологических задач. ния ПЗС-матриц в фокальной плоскости сенсора «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П». Как видно из 1. Применение светоразделительных оптиче- схемы, спектральные каналы Red (0,61–0,68 мкм), ских систем, обеспечивающих одномоментную Green (0,52–0,60 мкм) находятся в рамках одной съемку в различных спектральных каналах (дан- группы ПЗС-матриц, канал Blue (0,45–0,52 мкм) — ный прием реализован для аппаратуры ГСА КА в рамках другой группы ПЗС-матриц. Каждая из «Ресурс-П»). этих групп равноудалена от группы ПЗС-матриц панхроматического канала (0,58–0,80 мкм), нахо- 2. Минимизация расстояния между группами дящейся в плоскости оптического центра. ПЗС-матриц таким образом, чтобы временной ин- тервал задержки наблюдения одной и той же точки Приведенная оптическая схема расположения местности был согласован с пространственным раз- различных групп ПЗС-матриц обусловливает про- решением аппаратуры (данное решение реализовано для спектральных каналов Red и Green в рамках од- ной группы ПЗС-матриц аппаратуры «Геотон-Л1»). 3. Согласование пространственного разреше- ния аппаратуры с цифровой моделью рельефа Рис. 3. Схема расположения ПЗС-матриц в фокальной плоскости сенсора «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П». Справа приведены параметры светофильтров ПЗС РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СЕНСОРА «ГЕОТОН-Л1» КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 77 Рис. 4. Схема синтеза спектральных каналов при ошибках задания высоты наблюдаемого объекта Рис. 5. Ошибки синтеза спектральных каналов данных «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» для высотных объектов (ЦМР), используемой при синтезе спектральных Технология формирования БСП каналов (данное требование характерно для ап- паратуры среднего пространственного разрешения Общая технология формирования БСП, по дан- КА «Ресурс-П» — КШМСА [9]). ным «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П», приведе- на на рис. 7. Технология включает этап формиро- 4. Синтез изображений различных спектраль- вания продуктов стандартной обработки, ориентиро- ных каналов на основе нелинейных деформа- ванный на программные решения НКПОР, в рамках ций изображений (данное решение реализовано которых выполняется создание продуктов уровня 4А в НКПОР КА «Ресурс-П» в виде специального по «Перечню стандартных продуктов, изготавлива- программного обеспечения, требующего участия емых по материалам ДЗЗ с КА типа “Ресурс-П”» оператора для контроля триангуляционной сети, [11] в автоматизированном режиме (с участием см. рис. 6). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

78 А. Н. МАРКОВ, А. И. ВАСИЛЬЕВ, А. В. КРЫЛОВ И ДР. Рис. 6. Пример синтеза спектральных каналов данных «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» с использованием кор- реляционного сопоставления и построения триангуляционной сети Рис. 7. Технология формирования БСП по данным аппаратуры «Геотон-Л1» КА типа «Ресурс-П» оператора). Далее для каждого маршрута выполня- а также фрагментирование (см. рис. 8) маршрута ется автоматическое уточнение геопривязки (на ос- на сцены. Обработанные маршруты/сцены аккуму- нове опорных данных и цифровой модели рельефа), лируются в обменном буфере, а также загружаются РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СЕНСОРА «ГЕОТОН-Л1» КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 79 Рис. 8. Примеры фрагментированных маршрутов аппаратуры «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» на территорию Белгородской области в геоинформационный сервис «Банк базовых про- их ортотрансформирование. Например, при блоч- дуктов», где производится их каталогизация и ар- ном уравнивании данных «Геотон-Л1» КА серии хивирование. «Ресурс-П» на территорию Республики Крым (пе- репад высот более 1500 м) СКО на опорных точ- В рамках данной работы для автоматическо- ках составило не более 5 м [13]. При этом для ре- го измерения плановых координат опорных точек гионов с перепадом высот в несколько сотен мет- использовалось покрытие, предоставляемое Planet ров, например Белгородской области, СКО привяз- Labs (пространственное разрешение — 3 м), точ- ки отдельных сцен составляло около 1,5 пикселей ность геодезической привязки которого не хуже опоры или не более 5 м (см. рис. 9). Соответствен- 10 м [12]. Доступ к этому покрытию реализован но для таких «равнинных» регионов формирова- в рамках библиотеки GDAL (https://gdal.org). В ка- ние БСП осуществлялось без блочного уравнива- честве ЦМР применялась SRTM (https://doi.org/ ния и для сведения контуров ортотрасформирован- 10.5066/F7PR7TFT). ных маршрутов/сцен, при необходимости применя- лись методы локальной деформации, в частности Далее выполнялось блочное уравнивание для заданного набора маршрутов/сцен и последующее РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

80 А. Н. МАРКОВ, А. И. ВАСИЛЬЕВ, А. В. КРЫЛОВ И ДР. Рис. 9. Распределение а) систематических и б) случайных ошибок (м) геопривязки сцен «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П», используемых при формировании БСП на территорию Белгородской области Рис. 10. Пример БСП территории Белгородской области, сформированного по данным аппаратуры «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» за летние периоды 2013–2018 гг. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СЕНСОРА «ГЕОТОН-Л1» КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 81 Т а б л и ц а. Временные оценки формирования БСП Бел- Следует отметить, что этапы автоматической городской области обработки данных выполнялись на двух вычис- лительных узлах, организованных в соответствии Технологический этап Время, ч Объем, ТБ с моделью линейного конвейера. Узел фрагменти- рования в том числе являлся буфером стандарт- Стандартная обработка 250* 1,2** ных продуктов НКПОР. Для уточнения геопривяз- Фрагментирование ки и ортотрансформирования применялся вычисли- Уточнение привязки 37 2,5 тельный узел, обеспечивающий также копирование Ортотрансформирование ортотрансформированных сцен на вычислительный Редактирование порезов 46 – узел оператора формирования БСП. С учетом меж- Формирование результирую- сетевого взаимодействия, а также накладных рас- щего изображения 31 2,5 ходов одновременного чтения/записи обменных бу- феров обеспечивались номинальные показатели ав- 61* – томатической обработки данных — 15–25 Мб/с. Для увеличения скорости автоматической обработ- 39 0,5 ки планируется дальнейшая оптимизация техноло- гической схемы. * — этап с участием оператора. ** — данные со сжа- тием. Заключение реализованные в фотограмметрическом пакете В рамках выполнения контрактных работ по Photomod. Результирующее изображение БСП Бел- заказу Госкорпорации «Роскосмос» сформированы городской области приведено на рис. 10. бесшовные сплошные покрытия по данным аппара- туры «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» за летние В таблице показаны временные оценки техно- периоды 2013–2018 гг. на следующие регионы РФ логических этапов формирования покрытия (вклю- (см. рис. 10, 12): Москва и Московская область, чая накладные расходы, связанные с копированием Санкт-Петербург и Ленинградская область, Сева- данных) на примере формирования БСП Белгород- стополь и Республика Крым, Белгородская, Брян- ской области на основе обработки более 30 марш- ская, Воронежская, Калининградская, Курская, Са- рутов данных «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П». марская, Орловская области. Соответствующая таблице диаграмма распределе- ния временных затрат показана на рис. 11. Анализ В общей сложности на основе данных стандарт- диаграммы показывает, что работа оператора со- ных продуктов ДЗЗ объемом около 10 ТБ (с уче- ставляет 2/3 всего времени формирования конеч- том сжатия) сформировано более 330 тыс. км2 ного продукта, при этом более половины време- (более 3,5 ТБ) бесшовных сплошных покрытий ре- ни уходит на стандартную обработку данных «Гео- гионов Российской Федерации сверхвысокого про- тон-Л1» КА «Ресурс-П». странственного разрешения. Список литературы Рис. 11. Диаграмма распределения времени между тех- 1. Кучейко А. А. Мировые тенденции развития от- нологическими этапами формирования БСП Белгород- расли ДЗЗ из космоса. Отрасль ДЗЗ в вопросах и ответах // Земля из космоса, 2019, № 10 (26). ской области С. 36–45. 2. Бакланов А. И. Новые горизонты космических систем оптико-электронного наблюдения Земли РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

82 А. Н. МАРКОВ, А. И. ВАСИЛЬЕВ, А. В. КРЫЛОВ И ДР. Рис. 12. Обзорные изображения бесшовных сплошных покрытий регионов РФ, сформированных по данным аппа- ратуры «Геотон-Л1» КА серии «Ресурс-П» за летние периоды 2013–2018 гг. высокого разрешения // Ракетно-космическое при- 4. Кирилин А. Н., Ахметов Р. Н., Стратилатов Н. Р., боростроение и информационные системы, 2018, Бакланов А. И., Федоров В. М., Новиков М. В. Кос- т. 5, вып. 3. С. 17–28. мический аппарат «Ресурс-П» // Геоматика, 2010, № 4 (9). С. 23–26. 3. Бакланов А. И. Новые горизонты космических систем оптико-электронного наблюдения Земли 5. Васильев А. И., Крылов А. В., Панкин А. В. Стан- высокого разрешения (ч. II) // Ракетно-космическое дартная обработка данных КШМСА КА «Ресурс-П» приборостроение и информационные системы, 2018, в обеспечение автоматического формирования бес- т. 5, вып. 4. С. 14–27. шовного сплошного покрытия // Современные про- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СЕНСОРА «ГЕОТОН-Л1» КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 83 блемы дистанционного зондирования Земли из кос- 10. Тохиян О. О., Гладков А. П., Васильев А. Ю. Рас- моса, 2019, т. 16, № 2. С. 18–28. ширение возможностей сервисов геопортала Роскос- моса // Геоматика, 2015, № 2. С. 22–25. 6. Марков А. Н., Васильев А. И., Крылов А. В., Ев- лашкин М. А., Михеев А. А. Эксперимент по форми- 11. Перечень стандартных продуктов, изготавливаемых рованию бесшовного сплошного покрытия на терри- по материалам ДЗЗ с КА типа «Ресурс-П». Продук- торию российской федерации по данным КМСС КА ты стандартной обработки информации, полученной «Метеор-М» // Дистанционное зондирование Земли аппаратурой «Геотон» КА «Ресурс-П». из космоса в России, 2019, вып. № 1. С. 50–55. http://www.ntsomz.ru/for_clients/standart_ip/ standart_ip_resurs_p#geoton (Дата обращения 7. Марков А. Н., Васильев А. И., Ольшевский Н. А., 12.02.2020). Михаленков Р. А., Салимонов Б. Б., Синяев П. А., Евлашкин М. А. Особенности доступа к ресурсам 12. Planet imagery product specifications, JANUARY геоинформационного сервиса «Банк базовых про- 2018. https://www.planet.com/products/satellite- дуктов» // Современные проблемы дистанционного imagery/files/Planet_Combined_Imagery_Product_ зондирования Земли из космоса, 2019, т. 16, № 3. Specs_December2017.pdf (Дата обращения С. 228–237. 12.02.2020). 8. Селин В. А., Марков А. Н., Васильев А. И., Коршу- 13. Алексеевский А. C., Пешкун А. А. Пилотный про- нов А. П. Геоинформационный сервис «Банк базо- ект бесшовное сплошное покрытие высокого раз- вых продуктов» // Ракетно-космическое приборо- решения (БСПВР) Республики Крым // Вебинар строение и информационные системы, 2019, т. 6, Госкорпорации «Роскосмос» с представителями ор- вып. 1. С. 40–48. ганов исполнительной власти субъектов Российской Федерации 15 февраля 2018 года. 9. Тохиян О. О., Кошкин К. В. Опыт разработки и экс- http://www.ntsomz.ru/webinar150218 (Дата обраще- плуатации геопортала Роскосмоса // Геоматика, ния 12.02.2020). 2011, № 2. С. 20–28. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 84–94 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 621.391.7 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.1.84.94 Методы аутентификации и шифрования информации в сетях связи на основе динамично изменяющихся матриц ключей и матриц алгоритмов И. Н. Пантелеймонов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Монастыренко, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. В. Белозерцев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. В. Боцва, [email protected] АО «ЦНИИ машиностроения», г. Королев, Российская Федерация А.В. Наумкин, [email protected] ГБПОУ «Колледж связи № 54» имени П. М. Вострухина, г. Москва, Российская Федерация Аннотация. В сетях подвижной связи стандарта GSМ на SIM-карте абонента хранятся постоянные ключ аутентификации и алгоритм аутентификации. Для аутентификации абонента используются постоянные ключ аутентификации, алгоритм аутен- тификации и алгоритм шифрования, которые задействуются для аутентификации абонента и шифрования передаваемой инфор- мации. В случае компрометации ключа аутентификации алгоритм аутентификации и алгоритм шифрования злоумышленника смогут входить в связь с базовой станцией под чужим идентификатором телефона IMSI (International Mobile Subscriber Iden- tity). Представлена технология усиления криптостойкости алгоритмов аутентификации и шифрования информации, применяе- мых в сетях подвижной связи GSM, в основе которой вместо постоянных ключа аутентификации, алгоритма аутентификации и алгоритма шифрования лежит применение динамично изменяющихся матриц ключей и алгоритмов. Предлагаемое техниче- ское решение может иметь широкое применение в системах радиосвязи, сетях подвижной связи и персональной подвижной спутниковой связи, а также позволит избирательно подходить к дополнительному усилению криптостойкости передаваемой информации для отдельных категорий абонентов. Положительным эффектом также является то, что повышение криптостойко- сти сети связи осуществляется без значительного увеличения вычислительной нагрузки на процессор абонентского терминала, что обеспечивает экономию заряда аккумуляторной батареи абонентского терминала. Ключевые слова: ключ, алгоритм, аутентификация, шифрование, базовая станция, абонентский терминал

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 84–94 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ Methods of Authentication and Encryption of Information in Communication Networks Based on Dynamically Changing Key Matrices and Matrix Algorithms I. N. Panteleymonov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Monastyrenko, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. V. Belozertsev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. V. Botsva, [email protected] JSC “Central Research Institute of Mechanical Engineering”, Korolev, Russian Federation A. V. Naumkin, [email protected] “College of Communication No. 54” named after P.M. Vostrukhina, Moscow, Russian Federation Abstract. In GSM mobile networks, a subscriber’s SIM card stores a permanent authentication key and an authentication algo- rithm. For authentication of the subscriber is used a permanent authentication key, an authentication algorithm, as well as an encryption algorithm, that used to encrypt the transmitted information. If the authentication key is compromised, an attacker will be able to communicate with the base station using someone else’s IMSI (International Mobile Subscriber Identity). The technology for enhancing the cryptographic strength of authentication algorithms and information encryption used in GSM mobile networks is presented, which, instead of using a permanent authentication key, authentication algorithm and encryption algorithm, is based on the use of dynamically changing key matrices and algorithms. The proposed technical solution can be widely used in radio communication systems, mobile networks, and personal mobile satellite communications. It will also make it possible to differ- entiate additional strengthening of the cryptographic stability of the transmitted information for certain categories of subscribers. An additional positive effect is that the increase in the cryptographic strength of the communication network is carried out without a significant increase in the computational load on the processor of the subscriber terminal, which saves the battery power of the subscriber terminal. Keywords: key, algorithm, authentication, encryption, base station, subscriber terminal

86 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ, А. А. МОНАСТЫРЕНКО, А. В. БЕЛОЗЕРЦЕВ, В. В. БОЦВА, А. В. НАУМКИН Введение на АТ случайное число RAND, а АТ на основании По оценке аналитиков, уровень потерь опера- числа RAND, ключа аутентификации Ki и алго- торов мобильной связи от разного рода мошенниче- ритма аутентификации Ai вычисляет значение от- ства и вредительства составляет от 2–6 % до 25 % вета SRES: SRES = Ai(Ki; RAND). Далее АТ от- от общего объема трафика. Причем атаки мошенни- правляет ответ SRES на базовую станцию, кото- ков направлены как против операторов, так и про- рая использует ключ Ki и алгоритм аутентифика- тив абонентов [1]. Решение проблемы обеспечения ции Ai вызываемого абонента, хранящиеся в базах безопасности в российских сетях связи осложняет- данных зарегистрированных абонентов мобильного ся широким использованием технических средств зарубежного производства, что создает возмож- центра коммутации, вычисляет число SRES и срав- ность реализации не декларируемых поставщиками возможностей [1]. нивает вычисленное число SRES с полученным от Для передачи информации цифровой телефо- абонентского терминала. Если вычисленное и полу- нии и коротких сообщений (SMS) c использованием ченное от АТ число SRES совпадают, то БС всту- персональных абонентских терминалов наибольшее распространение получил стандарт GSM. В сетях пает в связь с АТ. подвижной связи (СПС) GSМ для аутентификации абонента используются постоянные ключ аутенти- То есть в данном случае используется аутенти- фикации Ki и алгоритм аутентификации Ai, а для шифрования информации применяются постоян- фикация с открытым ключом, характеризующаяся ный алгоритм шифрования A8, которые привязаны к SIM-карте абонента [2]. Злоумышленник, кото- следующими недостатками: рый единожды вскрыл ключ аутентификации Ki, алгоритм аутентификации Ai и алгоритм шифро- – ключ Ki и алгоритм аутентификации Ai по- вания A8, может постоянно расшифровывать ин- стоянные, следствием чего является низкая крип- формацию в абонентском канале связи с конкрет- ным пользователем СПС GSM. Отдельные катего- тостойкость; рии абонентов, например представители крупного бизнеса [3, 4] или госслужащие [5], нуждаются – случайное число RAND передается по от- в повышении криптостойкости услуг связи СПС крытому каналу связи и при компрометации ключа GSM [6] и сетях подвижной персональной спут- никовой связи [7]. и алгоритма аутентификации злоумышленник мо- Алгоритмы аутентификации жет осуществить ложное подключение к базовой и шифрования в СПС GSM станции (т. е. создать ложный АТ, осуществив под- В современных сетях подвижной (мобильной) связи применяется алгоритм шифрования, основан- лог), пока на АТ, ключи и алгоритмы аутентифи- ный на следующей технологии [2]. кации которого скомпрометированы, не будет сме- Для аутентификации информации абонента нена SIM-карта; в сетях подвижной связи стандарта GSM каждый абонентский терминал (АТ) содержит записанные – отсутствует возможность увеличения крип- в SIM-карте свои индивидуальный ключ аутенти- фикации Ki и алгоритм аутентификации Ai. Базо- тостойкости аутентификации для отдельных ка- вая станция (БС) сети подвижной связи передает тегорий АТ без применения дополнительных про- граммных средств. Для шифрования информации абонентской радиолинии в сети подвижной связи стандар- та GSM БС передает на АТ случайное число RAND. Абонентский терминал на основании чис- ла RAND, ключа Ki и алгоритма шифрования A8 вычисляет ключ шифрования на сеанс связи Kc: Kc = A8(Ki; RAND). Передаваемая в абонент- ской радиолинии (от базовой станции и от або- нентского терминала) информация зашифровыва- ется с применением ключа шифрования на се- анс связи K и алгоритма шифрования A8: Ec = = A8(Kc; Ic), где Ic — открытая информация в се- ансе связи. То есть используют шифрование с открытым ключом, характеризующееся следующими недо- статками: РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

МЕТОДЫ АУТЕНТИФИКАЦИИ И ШИФРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ СВЯЗИ 87 – алгоритм вычисления Ai ключа аутентифи- При работе предложенной системы передачи кации Ki, из которого формируется ключ шифро- данных периодические изменения позиций ключей вания информации в сеансе связи Kc, постоянный, в матрице ключей, а также изменение алгорит- поэтому злоумышленник имеет возможность ском- мов в матрице алгоритмов являются альтернати- вой хранения в постоянном запоминающем устрой- прометировать ключ аутентификации Ki, а затем стве большого количества ключей и алгоритмов. научится формировать ключи шифрования инфор- Работа системы основана на двух последователь- ных процессах: аутентификации информации або- мации в сеансе связи Kc; нентской радиолинии и шифрования абонентской радиолинии. Порядок смены ключей аутентифика- – алгоритм шифрования A8, используемый ции Ki, формулы математических операций и меха- для формирования ключа шифрования информации низм смены алгоритмов аутентификации Ai и алго- ритмов шифрования A8 известны каждому центру в сеансе связи Kc из ключа аутентификации Ki коммутации системы — наземной станции сети по- и применяемый для шифрования информации, по- движной связи и/или спутнику-ретранслятору сети персональной спутниковой связи. Процесс аутен- стоянный, поэтому данный способ шифрования об- тификации удостоверяет, что абонент имеет право доступа к услугам связи и предшествует процедуре ладает низкой криптостойкостью; установления соединения. После установления со- единения начинает работу процедура шифрования – случайное число RAND передается по от- информации в абонентской радиолинии. крытому каналу связи и при компрометации ключа Пример простейшей матрицы ключей аутенти- фикации — аутентификации Ki, алгоритма аутентификации Ai и алгоритма шифрования A8 злоумышленник мо- жет прослушивать трафик АТ, пока не будет сме- нена SIM-карта; – для отдельных категорий АТ отсутствует возможность увеличения криптостойкости шифро- вания без применения дополнительных програм- мных средств. MKi = Ki11 Ki12 Ki13 Ki22 Ki23 , Метод аутентификации абонента Ki21 Ki32 Ki31 R с применением динамично где R — это принятое от БС число RAND. изменяющихся матриц ключей Пример простейшей матрицы смены позиций и алгоритмов ключей аутентификации — В предлагаемом методе аутентификации [8] MCKi = CKi11 CKi12 CKi13 CKi22 CKi23 . данные аутентификации и шифрования передава- CKi21 CKi32 CKi33 CKi31 емой информации задействуются при установлении Пример простейшей матрицы алгоритмов ау- каждого соединения и передаче данных и органи- тентификации — зованы в памяти каждого составляющего систе- MAi = Ai11 Ai12 Ai13 Ai22 Ai23 . му устройства как матрица ключей аутентифика- Ai21 Ai32 Ai33 Ai31 ции MKi; матрица порядков смены позиций MCKi ключей аутентификации Ki в матрице ключей Пример простейшей матрицы смены позиций аутентификации MKi; матрица алгоритмов аутен- алгоритмов аутентификации — тификации MAi; матрица порядков смены пози- ций MCAi алгоритмов аутентификации Ai в матри- MCAi = CAi11 CAi12 CAi13 це MAi; матрица MA8 алгоритмов шифрования A8; CAi22 CAi23 . матрица порядков смены позиций MCA8 алгорит- CAi21 CAi32 CAi33 мов шифрования A8 в матрице MA8 алгоритмов CAi31 шифрования. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

88 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ, А. А. МОНАСТЫРЕНКО, А. В. БЕЛОЗЕРЦЕВ, В. В. БОЦВА, А. В. НАУМКИН Пример простейшей матрицы алгоритмов шиф- После прохождения полного цикла смены по- рования — зиций ключами аутентификации Ki и принятым MA8 = A811 A812 A813 случайным числом RAND ключи аутентифика- A821 A822 A823 . A831 A832 A833 ции Ki и принятое случайное число RAND воз- вращаются на исходные позиции и изменяется по- Пример простейшей матрицы смены позиций алгоритмов — рядок смены их позиций CKi. После прохождения полного цикла изменения порядков смены пози- MCae = CA811 CA812 CA813 CA821 CA822 CA823 . ций CKAi ключами аутентификации порядки сме- CA831 CA832 CA833 ны позиций CKAi возвращаются на исходные пози- ции в матрице MCKi порядков смены позиций и по- Аутентификация АТ выполняется следующим рядок смены позиций CKAi изменяется по опреде- ленному закону. образом. Шаг 4. Номера алгоритмов Ai вычисления чис- Шаг 1. Матрицы MKi ключей аутентифика- ла SRES (алгоритмов аутентификации) записыва- ции, матрицы порядков смены позиций MCKi клю- чей аутентификации, матрицы алгоритмов аутен- ются в матрицу аутентификации алгоритмов MAi, и каждому порядковому номеру соответствует своя тификации MAi, матрицы порядков смены пози- ций MCAi алгоритмов аутентификации, матрицы математическая формула. алгоритмов шифрования MA8 и матрицы порядков смены позиций MA8 алгоритмов шифрования за- Шаг 5. Номера алгоритмов аутентификации Ai, писываются в постоянное энергонезависимое запо- записанных в матрице MAi алгоритмов аутенти- фикации, перемещаются по позициям матрицы ал- минающее устройство (ПЗУ) каждого АТ (или на горитмов аутентификации по определенному пра- SIM-карту), в защищенные базы данных центров вилу в соответствии с действующим на данный коммутации и являются уникальными для каж- момент порядком смены позиций CAi алгорит- дого АТ. мов аутентификации. Вначале номера алгоритмов Шаг 2. Принятое АТ от центра коммутации аутентификации Ai изменяются по одному прави- лу CAi, действующему в настоящий момент, за- случайное число RAND записывается в одну из по- тем порядок смены позиций алгоритма аутенти- зиций матрицы MKi ключей аутентификации для фикации CAi изменяется. Номера порядков смены проведения процедуры вычисления числа SRES. позиций CAi алгоритма аутентификации записаны в матрице MCAi порядков смены позиций алгорит- Позиция матрицы MKi ключей аутентификации, ма аутентификации, и каждому номеру порядков в которую записывается принятое случайное число смены позиций CAi алгоритма аутентификации со- RAND, определяется порядком смены позиций CKi ответствует определенная последовательность сме- ключа аутентификации. ны позиций. Шаг 3. Значения ключей аутентификации Ki и принятое случайное число RAND, записанных После прохождения полного цикла смены по- в матрице MKi ключей аутентификации, периоди- зиций номерами алгоритмов аутентификации Ai чески перемещаются по позициям матрицы клю- номера алгоритмов аутентификации возвращаются чей аутентификации по определенному алгоритму на исходные позиции и изменяется порядок смены в соответствии с действующим на данный момент их позиций CAi. После прохождения полного цик- ла изменения порядков смены позиций CAi номера- порядком смены позиций CKi ключей аутентифи- ми алгоритмов аутентификации Ai порядки смены кации. Порядковые номера порядков смены пози- позиций CAi возвращаются на исходные позиции в матрице MCAi порядков смены позиций и поря- ций CKi ключа аутентификации записаны в мат- док смены позиций CAi изменяется по определен- рице MCKi порядков смены позиций ключа аутен- ному закону. тификации, и каждому номеру порядков смены по- Смена позиций ключами аутентификации KAi зиций CKi ключа аутентификации соответствует и номеров алгоритмов аутентификации Ai осущест- определенная последовательность смены позиций. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

МЕТОДЫ АУТЕНТИФИКАЦИИ И ШИФРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ СВЯЗИ 89 вляется через строго определенные интервалы Метод шифрования информации времени (от 1 суток до полугода), известные АТ и центрам коммутации. Все алгоритмы вычисле- с применением динамично ний Ai ответа SRES содержат однонаправленные функции. изменяющихся матриц ключей Шаг 6. В АТ на основании матрицы MKi клю- и алгоритмов чей аутентификации, принятого случайного числа RAND и матрицы алгоритмов аутентификации MAi В предлагаемом методе [8] шифрование ин- производятся математические операции для вычис- ления числа SRES. формации выполняется следующим образом. Шаг 7. Вычисленное число SRES передается Шаг 1. Ключ шифрования Kc на сеанс связи в центр коммутации, где также вычисляется число определяется из вычисленного на этапе аутенти- SRES. Вычисленное число SRES сравнивается с по- лученным от АТ числом SRES. Абонент считается фикации ключа аутентификации Ki c применени- прошедшим аутентификацию при совпадении чисел ем действующего в настоящий момент алгоритма SRES, вычисленных АТ и центром коммутации. шифрования A8. Криптостойкость процесса аутентификации Шаг 2. Номера алгоритмов шифрования A8 определяется: записываются в матрицу алгоритмов шифрова- – длиной ключа аутентификации LKi (для уве- личения криптостойкости длина ключа шифрова- ния MA8. Каждому порядковому номеру соответ- ния LKi должна стремится к максимально возмож- ствует заданная математическая формула. Номера ному значению); алгоритмов шифрования A8, записанных в матри- – количеством применяемых ключей аутенти- це алгоритмов шифрования MA8, перемещаются по фикации NKi и количеством перестановок клю- позициям данной матрицы по определенному пра- чей NCKi (для увеличения криптостойкости коли- чество применяемых ключей аутентификации и ко- вилу в соответствии с действующим на данный личество перестановок ключей должны стремиться к максимально возможным значениям); момент порядком смены позиций CA8 алгоритмов шифрования. – сложностью и количеством алгоритмов ау- тентификации NAi (для увеличения криптостойко- Вначале номера алгоритмов шифрования A8 сти сложность и количество алгоритмов аутенти- изменяются по одному правилу CA8, действующе- фикации должны стремиться к максимально воз- му в настоящий момент, затем порядок смены по- можным значениям); зиций алгоритма шифрования CA8 изменяется. Но- – количеством перестановок алгоритмов аутен- мера порядков смены позиций CA8 алгоритма шиф- тификации NCAi (для увеличения криптостойкости рования записаны в матрице MCA8 порядков смены количество перестановок алгоритмов аутентифика- позиций алгоритма шифрования, и каждому номе- ции должно стремиться к максимально возможным значениям); ру порядков смены позиций CA8 алгоритма шифро- вания соответствует определенная последователь- – периодом действия ключей аутентифика- ции TKi и алгоритмов аутентификации TAi (для ность смены позиций. После прохождения полного увеличения криптостойкости период действия клю- чей аутентификации и алгоритмов аутентификации цикла смены позиций номерами алгоритмов шиф- должны стремиться к минимально возможным зна- чениям). рования A8 номера алгоритмов шифрования воз- вращаются на исходные позиции и изменяется по- Алгоритм работы АТ и центра коммутации СПС или СР сети ПСС при выполнении процедуры рядок смены их позиций CA8. аутентификации изображен на рис. 1 и 2. После прохождения полного цикла изменения порядков смены позиций CA8 номерами алгоритмов шифрования A8 порядки смены позиций CA8 воз- вращаются на исходные позиции в матрице MCA8 порядков смены позиций и порядок смены пози- ций CA8 изменяется по определенному закону. Смена позиций номеров алгоритмов шифрова- ния A8 осуществляется через строго определенные интервалы времени (от 1 суток до полугода), из- вестные АТ и центрам коммутации. Все алгоритмы РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

90 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ, А. А. МОНАСТЫРЕНКО, А. В. БЕЛОЗЕРЦЕВ, В. В. БОЦВА, А. В. НАУМКИН Рис. 1. Алгоритм работы АТ при выполнении процедуры аутентификации РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

МЕТОДЫ АУТЕНТИФИКАЦИИ И ШИФРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ СВЯЗИ 91 Рис. 2. Алгоритм работы центра коммутации сети подвижной связи или спутника-ретранслятора сети подвижной персональной спутниковой связи при выполнении процедуры аутентификации РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

92 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ, А. А. МОНАСТЫРЕНКО, А. В. БЕЛОЗЕРЦЕВ, В. В. БОЦВА, А. В. НАУМКИН вычислений A8 ключа шифрования Kc содержат Рис. 3. Алгоритм процедуры шифрования в сети подвиж- однонаправленные функции. ной связи или спутника-ретранслятора в сети подвиж- Шаг 3. Информация зашифровывается с помо- ной персональной спутниковой связи щью ключа шифрования Kc на сеанс связи и алго- ритма шифрования A8. Криптостойкость процесса шифрования ин- формации определяется: – длиной ключа аутентификации LKi (для увеличения криптостойкости длина ключа шифро- вания LKi должна стремиться к максимально воз- можному значению); – количеством применяемых ключей аутенти- фикации NKi и количеством перестановок клю- чей NCKi (для увеличения криптостойкости коли- чество применяемых ключей аутентификации и ко- личество перестановок ключей должны стремиться к максимально возможным значениям); – сложностью и количеством алгоритмов аутен- тификации NAi и алгоритмов шифрования NA8 (для увеличения криптостойкости сложность и ко- личество алгоритмов аутентификации и алгорит- мов шифрования должны стремиться к максимально возможным значениям); – количеством перестановок алгоритмов аутен- тификации NCAi и алгоритмов шифрования NCA8 (для увеличения криптостойкости количество пе- рестановок алгоритмов аутентификации должно стремиться к максимально возможным значениям); – периодом действия ключей аутентифика- ции TKi, алгоритмов аутентификации TAi и ал- горитмов шифрования TA8 (для увеличения крип- тостойкости период действия ключей аутентифи- кации, алгоритмов аутентификации и алгоритмов шифрования должен стремиться к минимально воз- можным значениям). Алгоритм процедуры шифрования в сети по- движной связи или спутника-ретранслятора в сети подвижной персональной спутниковой связи изоб- ражен на рис. 3. Дешифрование информации выполняется сле- дующим образом. Шаг 1. В центре коммутации так же, как и в АТ, на основании вычисленного на этапе аутен- тификации ключа аутентификации Ki и матрицы алгоритмов шифрования MA8i производятся мате- матические операции для вычисления ключа шиф- рования на сеанс связи Kc. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

МЕТОДЫ АУТЕНТИФИКАЦИИ И ШИФРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ СВЯЗИ 93 Шаг 2. Затем в центре коммутации на основа- – разные временные сроки действия опреде- нии вычисленного ключа шифрования на сеанс свя- ленного алгоритма аутентификации и определен- зи Kc и действующего в настоящий момент алго- ного алгоритма шифрования; ритма шифрования A8 выполняется дешифрование информации (функция, обратная шифрованию). – разные по сложности алгоритмы аутентифи- кации и алгоритмы шифрования; Методика управления степенью криптостойкости передаваемой – разную длительность интервала времени информации действия определенной комбинации ключей аутен- тификации, алгоритмов аутентификации и алгорит- Для управления степенью криптостойкости мов шифрования, которая должна быть меньше пе- передаваемой информации и, соответственно, отка- риода, необходимого для компрометации ключей за от усложнения системы в ряде случаев абонен- и алгоритмов. тов классифицируют по восьми категориям от 0-й до 7-й [8]: Например, для категории абонентов с макси- мальными требованиями к криптостойкости инфор- 1) абоненты с минимальными требованиями мации ключи можно записывать не в одну, а в две к криптостойкости — 0-й, 1-й, 2-й категорий — матрицы и производить операцию умножения од- «массовый» пользователь (потенциальный наруши- ной матрицы на другую. тель — хакер, работающий единолично на обычных бытовых компьютерах); Заключение 2) абоненты с повышенными требованиями В рассмотренных методах аутентификации к криптостойкости — 3-й, 4-й категорий — высоко- и шифрования информации за счет одновременно- поставленные представители бизнеса и госслужа- го обеспечения на всех устройствах большого ко- щие (потенциальный нарушитель — организован- личества вариантов числа аутентификации и клю- ная группа хакеров, работающая в интересах пре- ча шифрования информации абонентского канала ступных организаций или конкурентной разведки связи обеспечивается повышение криптостойкости в небольших центрах обработки данных); системы передачи данных с минимальной допол- нительной нагрузкой на вычислительные мощно- 3) абоненты с высокими требованиями к крип- сти АТ. тостойкости — 5-й, 6-й, 7-й категорий — высокопо- ставленные госслужащие и представители силовых Таким образом, разработана и обоснована ме- структур и ведомств (потенциальный нарушитель – тодика аутентификации абонентов и шифрования инженеры, имеющие в распоряжении крупные цен- информации, обладающая следующими преимуще- тры обработки данных). ствами: В зависимости от категории абонентов приме- – простотой реализации, не требующей высо- няют: кой производительности вычислительных средств; – разные по размеру матрицы ключей аутен- – универсальностью применения в различных тификации, матрицы порядков смены позиций клю- системах радиосвязи и спутниковой связи, в том чей аутентификации, матрицы алгоритмов аутенти- числе в СПС и в СППСС военного и двойного на- фикации и матрицы порядков смены позиций алго- значения; ритмов аутентификации; – гибким подходом к изменению степени крип- – разные по размеру матрицы алгоритмов тостойкости для различных категорий трафика шифрования и матрицы порядков смены позиций и различных категорий абонентов. алгоритмов шифрования; Список литературы – разные временные сроки действия опреде- ленной комбинации ключей аутентификации; 1. Барсуков В. С. Безопасность GSM: реальная или виртуальная? // GSM guard. http://www.gsm-guard.net/press1_2.html (Дата об- ращения 19.02.2020). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

94 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ, А. А. МОНАСТЫРЕНКО, А. В. БЕЛОЗЕРЦЕВ, В. В. БОЦВА, А. В. НАУМКИН 2. Чекалин А. А., Зарев А. В., Скрыль С. В., Вохмин- ФСТЭК России» от 15.02.2017 № 27, от 28.05.2019 цев В. А. и др. Защита информации в системах мо- № 106). https://www.fstec.ru/normotvorcheskaya/ бильной связи: Учеб. пособ. для вузов. 2-е изд., испр. akty/53-prikazy/702 (Дата обращения 27.02.2020). и доп. М.: Горячая линия–Телеком, 2005. 171 с. 6. Максименко В. Н. Организационно-режимные про- 3. Организация для защиты корпоративной сотовой цессы защиты информации в сетях сотовой подвиж- связи на базе SafePhone Plus. Решения операторов ной связи. https://studfile.net/preview/8102488/ персональных данных. https://www.niisokb.ru/ (Дата обращения 19.02.2020). upload/solutions-for-operators-of-personal-data.pdf (Дата обращения 19.02.2020). 7. Приказ от 21 июля 1999 г. № 22 «Об утверждении Положения о порядке, общих условиях и принципах 4. Требования по защите информации в корпоратив- использования на территории Российской Федерации ной системе мобильной связи при обработке дан- систем глобальной подвижной персональной спутни- ных в государственных информационных систе- ковой связи (ГППСС) и требованиях по обеспече- мах. https://www.niisokb.ru/upload/the-infosecurity- нию информационной безопасности для российских requirements-for-state-information-systems.pdf (Дата сегментов указанных систем». https://www.base. обращения 19.02.2020). garant.ru/181201 (Дата обращения 27.02.2020). 5. Приказ от 11 февраля 2013 г. № 17 «Об утвер- 8. Пантелеймонов И. Н., Толкачев В. И., Панте- ждении требований о защите информации, не со- леймонова А. В., Адамсон Н. Н., Тодуркин В. В. ставляющей государственную тайну, содержащейся Патент № 2684488 Российской Федерации. Система в государственных информационных системах». защищенной передачи данных: № 2018116591/08: Список изменяющих документов (В ред. «Приказов заявл. 05.04.18; опубл. 04.09.19. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 1, c. 95–103 ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРЫ НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ УДК 538.975/621.316.849 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.1.95.103 Исследование процессов токопереноса в тонкопленочных магниторезистивных структурах Ni0,76Fe0,18Co0,06 А. Б. Грабов, [email protected] АО «НПО измерительной техники», г. Корол¨ев, Московская область, Российская Федерация Аннотация. Исследованы процессы гальваномагнитного транспорта в тонких пленках мягкого ферромагнетного сплава Ni0,76Fe0,18Co0,06, применяемого в анизотропных магниторезистивных датчиках (АМР) индукции магнитного поля космическо- го применения. Описаны результаты измерения зависимостей магнитофизических и магнитоэлектрических параметров тонкой пленки Ni0,76Fe0,18Co0,06 6-зондовым методом. Обнаружена величина Δρ/ρ 5,0 %. Проведен анализ процесса токопереноса в сплаве в рамках модели трехмерной топологии поверхностей Ферми Лифшица–Каганова. Сделан вывод, что наблюдаемое по- вышение Δρ/ρ — следствие эффекта разрыва дырочной зоны проводимости из-за присутствия атомов кобальта в кубической подрешетке железа. Результаты могут быть применены для повышения чувствительности АМР-сенсоров и для разработки новых материалов спинтроники. Ключевые слова: анизотропное магнитосопротивление, тонкая пленка, поверхность Ферми, токоперенос Study of Current Transfer Processes in Thin Film Magnetoresistive Structures Ni0,76Fe0,18Co0,06 A. B. Grabov, [email protected] Joint Stock Company “Scientific Production Association of Measuring Equipment” (NPO IT), Korolev, Moscow Region, Russian Federation Abstract. Galvanomagnetic transfer processes in thin films of the soft magnetic alloy Ni0,76Fe0,18Co0,06 used in space-grade anisotropic magnetoresistive (AMR) magnetic field’s sensors are studied. The results of measuring the magnetophysical and magnetoelectric parameters of a thin film of Ni0,76Fe0,18Co0,06 alloy using a 6-probe method are described. The value Δρ/ρ 5.0 % was detected. The analysis of the current transfer process in the alloy is carried out according to the model the three-dimensional topology of the Fermi surfaces proposed by Lifshitz–Kaganov. It is concluded that the increase in Δρ/ρ is a consequence of the rupture of the hole conduction band due to the presence of cobalt atoms in the cubic iron sublattice. Obtained results can be used for upgrade high-sensitive AMR-sensors and for new spintronic materials development. Keywords: anisotropic magnetoresistance, thin film, Fermi surface, current transfer

96 А. Б. ГРАБОВ Введение ветствия между стехиометрическим составом фер- ромагнитного сплава, его остаточным удельным со- Происходящее в настоящий момент одновре- противлением ρ и Δρ/ρ представляет собой зада- менное развитие наноспутниковых технологий и пе- чу, не решенную даже на теоретическом уровне». реход к высокоинформативным методам многоплат- Тем не менее ранее были получены тонкие плен- форменных исследований геомагнитного поля ост- ки сплава Ni0,76Fe0,18Co0,06 [7–9]. Эти пленки изо- ро поднимает вопрос о миниатюризации магни- морфны Ni0,81Fe0,19, но имеют меньшую величи- тометрической аппаратуры космических аппаратов ну ρ и воспроизводимо демонстрируют значение (ММА КА) [1]. В основу принципов действия чув- Δρ/ρ 5,0 %. Из них были изготовлены ЧЭ, при- ствительных элементов (ЧЭ) ММА КА могут быть годные для применения в ММА КА [3, 4]. В дан- положены более десятка разных физических эф- ной работе выполнено исследование гальваномаг- фектов, но наилучшим потенциалом миниатюриза- нитных свойств тонких пленок Ni0,76Fe0,18Co0,06, ции при высокой чувствительности, малом энерго- описываются результаты эксперимента и анализи- потреблении и высокой стойкости к внешним фак- руется возможный механизм влияния добавки Со торам обладают анизотропные магниторезистивные на механизм токопереноса в пленке. сенсоры (АМР-сенсоры) [1, 2]. АМР-сенсоры пред- ставляют собой специальные резисторы, сделанные Образцы и методика измерений из тонкой пленки мягкого ферромагнетика, напы- ленной на диэлектрическую подложку. Миниатю- В качестве опытных образцов на ситалло- ризация АМР-сенсоров легко достигается за счет вых подложках размером 60 × 48 мм были на- их изготовления методами микроэлектронной тех- пылены 5 однослойных ферромагнитных пленок нологии (напыление тонких пленок, фотолитогра- Ni0,76Fe0,18Co0,06. Напыление производилось в про- фия, травление). На основе АМР-эффекта в по- мышленной установке вакуумного напыления типа следние годы был разработан ряд миниатюрных УРМ3-279, оборудованной ионно-плазменным ис- ЧЭ магнитной индукции, используемых в бортовых точником и магнитной системой, обеспечивающей векторных системах ММА КА [3–5]. наведение в плоскости подложки магнитного по- ля напряженностью 200 Гc. Напыление производи- Однако чувствительность и разрешающая спо- лось с мишени типа НЖ18К6, содержащей соот- собность современных АМР-магнитометров при- ветственно 76 % Ni, 18 % Fe и 6 % Co. мерно на 1–2 порядка хуже, чем у наиболее ши- роко применяемого типа векторных магнитомет- Толщина слоя Ni0,76Fe0,18Co0,06 контролирова- ров ММА КА — флюксгейт-магнитометра. Из-за лась по времени напыления и составила 250 . требований, связанных с повышением отноше- Для измерения магнитофизических параметров ния сигнал–шум и сохранением температурной пленок (Rs, Hc, Hk, dR/R) использовался стенд стабильности, наиболее часто используемым для ТИДН.411182.001, изготовленный в СКТБ ИРЭ АМР-сенсоров материалом является пермаллой со- РАН (рис. 1) [8], который является первой рос- става Ni0,81Fe0,19, имеющий Δρ/ρ ≈ 1,8 % [2, 6]. сийской установкой, реализующей 6-зондовый ме- Повышение чувствительности АМР-сенсора мо- тод измерения магнитосопротивления, предложен- жет быть достигнуто совершенствованием тополо- ный J. Cavallo [10]. Так же как и в традиционном гии [4, 5] либо повышением величины магнитосо- 4-зондовом, в 6-зондовом способе измерения сигна- противления Δρ/ρ исходной пленки. лом является разность потенциалов V между дву- мя точками. В схему измерений 6-зондового ме- Второй путь представлялся более сложным, тода введена дополнительная пара потенциальных хотя еще McGuire и Potter [2] предложили два контактов (контакты 5 и 6 на рис. 1, б). То есть сплава — Ni0,91Fe0,09 и Co0,7Fe0,3, демонстрирую- одна пара контактов (3 и 4) располагается в по- щие в объемном образце Δρ/ρ > 5,0 %. Однако зиции максимума сигнала от магнитосопротивле- данных о тонкопленочных АМР-сенсорах на их ния, а другая пара (5 и 6) — в позиции минимума основе до сих пор нет. Tumanski [6, с. 99] отме- чал, что «. . .обоснованное прогнозирование соот- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТОКОПЕРЕНОСА 97 Рис. 1. а) Общий вид измерительного стенда ТИДН.411182.001, разработанного СКТБ ИРЭ РАН: 1 — катушки Гельмгольца, 2 — поворотный столик, 3 — образец, 4 — блок электроники и управления, 5 — 6-зондовая изме- рительная головка, 6 — привод измерительной головки, 7 — привод поворотного столика; б) схема расположения измерительных контактов зондовой головки сигнала. Линия расположения контактов под 45◦ и управления 4 подает калиброванный ток на токо- относительно оси легкого намагничивания (ОЛН) пленки обеспечивает максимальный сигнал V от вые контакты (1 и 2) 6-зондовой измерительной го- магнитосопротивления при прохождении положе- ния ln(1 + Δρ/ρ). При этом V между любой парой ловки (5) и измеряет разность потенциалов на двух измерительных контактов будет описываться урав- нением парах потенциальных контактов. Также блок элек- V = IR ln 1 + Δρ (cos θ + sin θ)2 − троники и управления управляет приводом измери- 2π ρ0 тельной головки (6) и приводом поворотного сто- − ln 1 + Δρ (cos θ − sin θ)2 , (1) ρ0 лика (7). Измерительный стенд ТИДН.411182.001 где ρ0 — удельное сопротивление, перпендикуляр- позволяет снимать ом-эрстедные характеристики ное s; пленок при различных углах поворота столика, Δρ — магнитосопротивление; а также в различных точках пластины. Коэрцитив- θ — угол между направлением намагниченно- ная сила H определялась как разность ΔH поло- жения пиков Rs max прямой и обратной ветви за- сти и осью x. висимости Rs = f (H). Положение ретроградного участка на нисходящей ветви этого графика соот- Шестизондовым методом непосредственно на ветствует величине поля смещения Hs. При этом поверхности ферромагнитной пленки можно изме- поле магнитной анизотропии Hk представляет со- бой полуширину основания пика. рить локальное значение поверхностного сопротив- По данным семейств ом-эрстедных характери- ления Rs (Ом/квадрат) и вычислить из него коэф- фициент магнитосопротивления dR/Rs: стик при разных углах поворота θ для каждого об- разца были построены зависимости dR/Rs = f (θ), Hc = f (θ), Hk = f (θ). dR/Rs = Rs max − Rs min . (2) Результаты измерений Rs max Магнитное поле напряженностью ±150 Э со- Для всех образцов были сняты семейства здается парой катушек Гельмгольца (позиция 1 на рис. 1, а). На поворотный столик (2) устанавлива- ом-эрстедных характеристик в диапазоне углов по- ются исследуемые образцы (3). Блок электроники ворота 0–360◦ с шагом 15◦. За нулевое направление принималось технологически заданное направление РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

98 А. Б. ГРАБОВ Т а б л и ц а. Магнитофизические параметры образцов (отклонение от ОЛН — 0◦) Образец I II III IV V H,Э 1,83 1,94 2,37 0,59 1,29 Hk, Э 15,2 14,8 14,4 11,4 14,7 dR/R, % 4,42 4,58 5,00 3,45 4,00 α50, ◦ 3,6 17,7 17,7 1,0 19,4 Рис. 2. Анизотропный магниторезистивный эффект ее симметрия относительно полярной точки, сим- метрия относительно ОЛН (0–180◦) и оси трудного Δρ/ρ = 5,15 % в пленке Ni0,76Fe0,18Co0,06 (образец III, намагничивания (ОТН) (90◦–270◦). таблица) Диаграмма зависимости dR/R = f (θ) подло- жек приведена на рис. 4. ОЛН. Вид ом-эрстедной характеристики образца III при θ = 0,0◦ приведен на рис. 2. По полученным характеристикам были вычис- лены основные магнитофизические параметры пле- нок и их изменение в зависимости от угла поворота (рис. 3). Рис. 4. Диаграмма dR/R = f (θ) Рис. 3. Изменение Rs в в магнитном поле напряжен- Кривые имеют гантелеобразную форму с ожи- ностью в диапазоне ±30 Э при повороте столика от 0◦ даемой перетяжкой в области ОТН, где dR/R всех образцов падает практически до нуля. Площадь, до 90◦ (образец III, таблица) занимаемая каждой кривой, четко соответствует максимальной величине магниторезистивного эф- В таблице приведены все полученные при из- фекта в пленке. мерении магнитофизические параметры образцов. В диаграмме основное внимание следует обра- Величины H , Hk и dR/R указаны для на- тить на направление осей собственной симметрии правления, параллельного ОЛН (θ = 0,0◦). Более кривых, которое характеризует отклонение направ- наглядным и информативным является представ- ления максимального магниторезистивного эффек- ление величин dR/R, Hc и Hk в виде полярных та от ОЛН. Приведенная диаграмма демонстрирует, диаграмм их зависимостей от угла поворота под- что подавляющее большинство образцов имеет су- ложки. В этом случае обретает физический смысл щественное отклонение максимума dR/R от ОЛН. собственная осевая симметрия описанной кривой, Величина этого отклонения заключена, как прави- ло, в диапазоне от 2◦–3◦ до 15◦. Величина отклоне- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТОКОПЕРЕНОСА 99 Рис. 5. Диаграмма H = f (θ). + – обр. I, — обр. II, Рис. 6. Диаграмма Hk = f (θ). + – обр. I, — обр. II, — обр. III, • — обр. IV, = — обр. V — обр. III, • — обр. IV, = — обр. V ния не связана ни с величиной dR/R, ни с величи- трансляционную симметрию. Магнитное поле за- ной α50. Так, наименьшее отклонение имеют образ- цы III и IV, которые имеют соответственно наиболь- кручивает носители заряда, а также поляризует их шую и наименьшую абсолютную величину dR/R из исследованной выборки, а наибольшее отклонение спины. Поляризация фиксирует направление спи- дают образцы I и II, которые в выборке имеют наи- нов, и исчезает возможность рассеяния с поворотом большее и наименьшее значение α50. спина. Магнитосопротивление в такой модели явля- Наиболее характерным в диаграмме зависимо- сти H = f (θ) ферромагнитных пленок от угла ется следствием снижения полной вероятности рас- (рис. 5) является четко выраженный минимум H в области ОЛН. Причем понятие «минимум» дохо- сеяния [12]. дит вплоть до того, что в ряде образцов в области этого минимума наблюдается отрицательная вели- Использовавшийся в работе сплав чина коэрцитивности, что на первый взгляд ка- жется лишенным какоголибо физического смысла. Ni0,76Fe0,18Co0,06 представляет собой типичный Кажущееся отрицательное значение H в сплаве твердый раствор замещения [13], составленный из Ni0,76Fe0,18Co0,06 наблюдалось впервые и требует дополнительного анализа. Форма кривых Hk = трех различных 3d-металлов. Он образован мат- = f (θ) тоже может быть охарактеризована как ган- рицей гранецентрированной кубической (ГЦК) ре- телеобразная (рис. 6). Ось симметрии «перетяжки» шеткой Ni с параметром ячейки a ∼ 3,524 направлена вдоль ОТН. и растворенными в ней атомами Fe и Со. Если ре- Обсуждение результатов шетка немодифицированного Ni0,81Fe0,19 состоит из простой кубической решетки Fe и вставленной в нее С точки зрения современной теории магнито- сопротивление является гальваномагнитным транс- октаэдрической решетки Ni, то в Ni0,76Fe0,18Co0,06 портным феноменом [11]. Перенос заряда про- в одной четверти узлов кубической подрешетки Со исходит в ферромагнитном материале, состоящем частично замещает Fe. При этом структура само- из локализованных магнитных моментов, имеющих го Со испытывает искажение вследствие наруше- ния симметрии. Вид кристаллической ячейки сплава Ni0,76Fe0,18Co0,06 приведен на рис. 7. Токоперенос в сплаве Ni0,76Fe0,18Co0,06 осу- ществляется как по электронному, так и по дыроч- ному механизму. Для случая токопереноса двумя типами носителей известно следующее выражение для величины Δρ/ρ [14]: Δρt = (σ1 σ1σ2(R1σ1 − R2σ2)2B2 , (3) ρ0 + σ2)2 + (R1σ12 + R2σ22)2B2 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 1 2020