РКС 2023 1

РКС РОССИЙСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Научно-технический журнал РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И  ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Том 10. Выпуск 1. 2023

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2023, т. 10, вып. 1. EDN: GJZALC Содержание Системный анализ, управление космическими аппаратами, 3 обработка информации и системы телеметрии. Дистанционное зондирование Земли 10 21 Испытания бортовой аппаратуры космического назначения. Часть 1. Синергизм воздействия факторов 31 космического пространства 42 53 Ерохин Г. А., Жуков А. А., Соловьев В. А., Самитов Р. М., Тюлин А. Е., Хромов О. Е., Чурило И. В. Создание прототипа охлаждаемой мозаичной фокальной плоскости Квитка В. Е., Лавренов В. А., Мастюгин С. М., Блинов В. Д., Шепелев А. С., Петров В. В., Никитин А. А., Кукушкин Р. О. Обеспечение устойчивости функционирования многоспутниковых космических систем на основе концепции гомеостаза Потюпкин А. Ю., Тимофеев Ю. А., Волков С. А. Разработка методов автоматического контроля точности геореференцирования данных комплекса мультиспектральной съемочной системы КА «Метеор-М» № 2 Васильев А. И. Информационно-технологическая система баллистико-навигационного обеспечения полетов космических аппаратов Ларин В. К. Безоблачное композитное изображение по данным КА «Арктика-М» для задач мониторинга ледовой обстановки Штангей А. С., Долгобородов Л. Е., Савосин И. В. Космические навигационные системы и приборы. Радиолокация и радионавигация 63 Определение временных корректирующих поправок для высокоточного абсолютного местоопределения с разрешением целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений по сигналам ГЛОНАСС с частотным разделением каналов Бабурин А. А. Радиотехника и космическая связь 78 87 Распознавание видов модуляции сигналов и сигнально-кодовых конструкций Косткин И. В., Ватутин В. М., Ежов С. А., Григорьев Р. К. Метод сложения сигналов BPSK далеко разнесенных антенн с «доворотом» фаз Ватутин С. И., Козин П. А. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, 98 микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах Физико-технологические ограничения при изготовлении СВЧ-антенн Фабри–Перо с полупрозрачными элементами Аджибеков А. А., Алексеев О. А., Жуков А. А.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2023, том 10, выпуск 1, c. 3–9 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 629.7.05 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.10.1.3.9 EDN IJYXJS Испытания бортовой аппаратуры космического назначения. Часть 1. Синергизм воздействия факторов космического пространства Г. А. Ерохин, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Жуков, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация ФГБОУ «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», Москва, Российская Федерация В. А. Соловьев, д. т. н., профессор, академик РАН, [email protected] ПАО «РКК “Энергия”», г. Королев, Московская область, Российская Федерация Р. М. Самитов, [email protected] ПАО «РКК “Энергия”», г. Королев, Московская область, Российская Федерация А. Е. Тюлин, д. э. н., к. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация О. Е. Хромов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация И. В. Чурило, к. т. н., [email protected] ПАО «РКК “Энергия”», г. Королев, Московская область, Российская Федерация Аннотация. Показано синергетическое воздействие факторов космического пространства на бортовую аппаратуру (БА) и, как следствие, предложно проведение ее дополнительных испытаний (включая приборы, их компоненты и материалы) на Между- народной космической станции (МКС) и/или Российской орбитальной служебной станции (РОСС) до начала летных испыта- ний (ЛИ). Испытания предлагается проводить в реальных полях мировых систем наземной и космической связи и навигации, гравитационных и/или магнитных полях Земли, Солнца и Луны с реальными образами звезд, планет, спутников, космических аппаратов (КА) во всех диапазонах излучений, исследуемых факторов космического пространства одновременно с синергетиче- ским воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства (ДФКП), а также в режиме функционировании аппаратуры, максимально приближенном к штатному. Проведение дополнительных натурных испытаний бортовой аппаратуры на орбитальной станции позволит своевременно выявить «слабые» места в технических решениях, заложенных в аппаратуре, устранить их и доработать БА до начала ЛИ. Ключевые слова: дестабилизирующие факторы космического пространства, аппаратура, роботизированный манипулятор

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2023, том 10, выпуск 1, c. 3–9 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ Testing of Onboard Equipment for Space Purposes. Part 1. Synergism of the Space Factors Impact G. А. Erokhin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Zhukov, Dr. Sci. (Engineering), Professor, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russian Federation V. A. Solovyev, Dr. Sci. (Engineering), Professor, member of RAS, [email protected] Rocket and Space Public Corporation Energia, Korolev, Moscow region, Russian Federation R. M. Samitov, [email protected] Rocket and Space Public Corporation Energia, Korolev, Moscow region, Russian Federation A. E. Tyulin, Dr. Sci. (Econ.), Cand. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation O. E. Khromov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation I. V. Churilo, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Rocket and Space Public Corporation Energia, Korolev, Moscow region, Russian Federation Abstract. This article demonstrates the synergistic effect of outer space factors on the onboard equipment (OBE) and, as a result, the expediency of conducting additional tests (including devices, their components and materials) on the International Space Station (ISS) and/or the Russian Orbital Service Station (ROSS) prior to the start of flight-tests (FT). Tests are proposed to be carried out in real fields of world systems of terrestrial and space communications and navigation, gravitational and/or magnetic fields of the Earth, Sun and Moon with real images of stars, planets, satellites, spacecraft (SC) in all radiation ranges, space factors under consideration, simultaneously with the synergistic effect of the destabilizing factors of outer space (DFOS) as well as in the operating mode of the equipment, as close as possible to the standard one. Carrying out additional full-scale tests of the onboard equipment at the orbital station will make it possible to timely identify weak points in the technical solutions embedded in the equipment, eliminate them and refine the OBE before the start of the FT. Keywords: destabilizing factors of outer space, equipment, robotic arm

ИСПЫТАНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ЧАСТЬ 1 5 Введение (Phase А), Разработка предварительной конструк- торской документации и макетов (Phase В), Раз- Известно, что к бортовой аппаратуре космиче- работка финальной конструкторской документации ских аппаратов предъявляются повышенные требо- и подготовка к производству (Phase С), Производ- вания по надежности, реализация которых ограни- ство, сборка, тестирование (Phase D), Эксплуата- чена возможностями ее диагностики и в большин- ция (Phase Е), Завершение (Phase F). стве случаев невозможностью ремонта аппарату- ры в процессе эксплуатации на орбите. Эксплуата- Крайне важными для достижения требуемых ционную ситуацию обостряют условия, в которых показателей надежности и подтверждения их соот- должна функционировать аппаратура: вакуум, ши- ветствия техническому заданию (ТЗ) являются два рокий диапазон рабочих температур, радиация. процесса, описанные в работах [3, 4]: При этом результаты проведения последователь- ных испытаний аппаратуры в земных условиях бу- 1. Экспериментальная отработка — совокуп- дут отличаться от результатов натурных испыта- ность работ по подготовке и проведению испыта- ний под нагрузкой в космическом пространстве ний в условиях, близких к реальным, на моде- из-за синергетического воздействия. В этой связи лях, макетах, опытных образцах с целью достиже- оценка действия факторов космического простран- ния и подтверждения (проверки) соответствия ха- ства на бортовую аппаратуру представляется зада- рактеристик изделия требованиям, заданным в ТЗ, чей актуальной. обеспечения работоспособности изделий, определе- ния запасов их ресурса. В эту совокупность входят Цель работы: оценка воздействующих факто- и работы по имитационному моделированию, мате- ров космического пространства и их влияние на матическому и программному обеспечению, балли- бортовую аппаратуру космических аппаратов. стическому обоснованию, по отработке технологи- ческих процессов, а также работы, проводимые на Для достижения цели необходимо решить сле- основе опытно-теоретического метода. дующие задачи: 2. Испытания — экспериментальное определе- – рассмотреть совокупное воздействие на ап- ние количественных и/или качественных характе- паратуру дестабилизирующих факторов космическо- ристик свойств объекта испытаний как результа- го пространства, реальных полей мировых систем та воздействия на него, при функционировании, наземной и космической связи и навигации, грави- при моделировании объекта и/или воздействий [5]. тационных и/или магнитных полей Земли, Солнца Процесс испытаний является многоэтапным и за- и Луны с реальными образами звезд, планет, спут- частую итерационным. Анализ результатов очеред- ников, космических аппаратов (КА) во всех диапа- ного этапа испытаний может потребовать прове- зонах излучений; дения коррекции конструкторской документации и повторения испытаний. Основное назначение эта- – провести оценку влияния воздействий на пов испытаний заключается в выявлении слабых бортовую аппаратуру космических аппаратов. мест в принятых при проектировании бортовой ап- паратуры решениях, их устранение по результа- Воспользуемся определением, приведенным там испытаний и финальное подтверждение со- в [1]: надежность — свойство объекта сохранять во ответствия аппаратуры требованиям технического времени способность выполнять требуемые функ- задания. ции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспор- Существующий подход предполагает первые тирования. На всех этапах жизненного цикла кос- испытания БА по штатным алгоритмам и при ре- мической программы проводятся мероприятия, на- альных воздействиях только на этапе ЛИ КА. правленные на повышения показателей надежно- Предлагаемый подход позволит заранее оценить сти бортовой аппаратуры. В работе [2] приведе- штатное функционирование БА при реальных воз- ны семь основных фаз жизненного цикла косми- действиях, скорректировать конструкторскую до- ческой программы, принятых в NASA: Передовые кументацию в случае необходимости и тем самым исследования (Pre-phase А), Определение техниче- избежать повторных ЛИ КА. ского облика системы и необходимых технологий РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

6 Г. А. ЕРОХИН, А. А. ЖУКОВ, В. А. СОЛОВЬЕВ И ДР. Воздействие факторов функционирования бортовой аппаратуры, макси- в космическом пространстве мально приближенному к штатному, проявляют си- на бортовую аппаратуру нергетический эффект. В [8] отмечено, что особую и оцениваемые решения опасность для космических аппаратов представля- ют формирующиеся в магнитосфере радиационные К основным видам воздействий на бортовую пояса (внешний и внутренний пояса Ван Аллена), аппаратуру в открытом космосе можно отнести: полярные регионы с открытыми силовыми линия- ми магнитного поля, аномалии геомагнитного по- – функциональные воздействия, включающие ля в виде Бразильской магнитной аномалии. Дан- управляющие воздействия и энергообеспечение, по- ные о структуре магнитного поля Земли и его из- ля мировых систем наземной и космической свя- менениях представлены в атласе магнитного поля зи и навигации, исследуемые факторы космического Земли [9]. пространства, гравитационные и/или магнитные по- ля Земли, Солнца и Луны, изображения звезд, пла- Все перечисленные факторы в совокупности нет, спутников, КА во всех диапазонах излучений; воздействуют на аппаратуру и, как следствие, ре- зультаты проведения последовательных испытаний – дестабилизирующие факторы космического аппаратуры в земных условиях будут отличаться пространства (ДФКП), к которым относят вакуум, от результатов натурных испытаний под нагрузкой атомарный кислород, УФ-излучение, радиационное, в космическом пространстве из-за синергетическо- микрометеоритное, термоцикличное, плазменное го эффекта [10]. воздействия и другие [6, 7]. Основные виды воздействий на аппаратуру, Одновременное воздействие ДФКП с функ- при которых она должна выполнять требуемые циональными воздействиями и их флуктуациями, в соответствии с техническим заданием функции, характерными для орбиты полета КА в режиме и оцениваемые решения приведены на рис. 1. Рис. 1. Основные виды воздействий на аппаратуру и оцениваемые решения РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

ИСПЫТАНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ЧАСТЬ 1 7 К оцениваемым техническим решениям относят: Обозначим функцию, определенную на отрез- – схемные решения, ке p1 min x p1 max и принимающую значение – технологические решения, воздействия d ∈ D1, соответствующее парамет- – конструктивные решения, ру x, как d = d1(x). Аналогично определим функ- – алгоритмические решения, цию d2(y). – выбор комплектующих изделий, – выбор материалов. Теперь каждое воздействие из множества S определяется парой действительных чисел (x, y): Виды воздействий S = {(d1, d2) | d1 = d1(x) ∈ D1, d2 = d2(y) ∈ D2, и оцениваемых решений p1 min x p1 max, p2 min y p2 max}. Приведенные множества видов воздействий В большинстве случаев для воздействий из множеств D1 и D2 существует понятие нор- и оцениваемых решений справедливы для многих мальных условий, которое соответствует парамет- рам P1ну и P2ну. Так, для температуры это 20 ◦C, видов аппаратуры, однако в некоторых случаях они для давления −760 мм рт.ст. будут несколько отличаться, что не меняет описы- В принятых обозначениях справедливо: ваемого подхода к испытаниям. D1ну = {d1ну | d1ну = d1(P1ну) ∈ D1}; D1ну ∈ D1, D2ну = {d2ну | d2ну = d2(P2ну) ∈ D2}; D2ну ∈ D2. Пусть имеется N видов воздействий, которые влияют на функционирование аппаратуры и пропи- Зачастую испытания проводятся в условиях, когда одно из воздействий соответствует нормаль- саны в техническом задании; ным условиям, то есть на множествах Di — множество допустимых воздействий S1ну = D1ну × D2 = {(d1, d2) | d1 = d1(P1ну) ∈ D1, i-го типа, i = 1, N . d2 = d2(y) ∈ D2, p2 min y p2 max}, Тогда суммарные воздействия на аппаратуру S2ну = D1 × D2ну = {(d1, d2) | d1 = d1(x) ∈ D1, d2 = d2(P2ну) ∈ D2, p1 min x p1 max}. образуют множество S равное произведению мно- жеств Di: Графически это показано на рис. 2 (множества воздействий). На этом же рисунке гипотетически S = D1 × D2 × . . . × DN . изображено множество Sкр. На этапе планирования испытаний определяет- ся множество совокупных воздействий Sи, на кото- рых будут проводиться испытания (Sи ∈ S). Обозна- чим Sкр множество критических суммарных воздей- ствий (Sкр ∈ S) на которых аппаратура не выпол- няет требуемые функции в соответствии с техниче- ским заданием. В принятых терминах можно сфор- мулировать очевидные утверждения: Если Sкр\\Sи = ∅, то все критические воздей- ствия будут зафиксированы. Если Sкр\\Sи = ∅, то не все критические воз- действия будут зафиксированы. Ниже приведен пример для N = 2 с графиче- ским изображением S = D1 × D2 и Sкр. Дополнительно предположим, что воздействия из множеств D1 и D2 определяются параметра- ми p1 и p2 соответственно, при этом p1 и p2 дей- ствительные числа и p1 min p1 p1 max, Рис. 2. Множества воздействий p2 min p2 p2 max. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

8 Г. А. ЕРОХИН, А. А. ЖУКОВ, В. А. СОЛОВЬЕВ И ДР. Рассмотрим несколько случаев: и, как следствие, целесообразность проведения 1. Sи = S1ну ∪ S2ну; дополнительных испытаний бортовой аппаратуры Sкр соответствует изображению на рисунке. в реальных условиях в космосе. Испытания предла- В данном случае Sкр\\Sи = ∅, более того, гается проводить на Международной космической Sкр\\Sи = Sкр и, в соответствии с ранее сформули- станции и/или Российской орбитальной служебной рованным утверждением, ни одно критическое воз- станции до начала летных испытаний в реальных действие зафиксировано не будет. полях мировых систем наземной и космической 2. Sи = S; связи и навигации, гравитационных и/или магнит- Sкр — соответствует изображению на рисунке. ных полях Земли, Солнца и Луны с реальными об- В данном случае Sкр\\Sи = ∅ и все критиче- разами звезд, планет, спутников, космических ап- ские воздействия будут зафиксированы. паратов во всех диапазонах излучений, исследуе- 3. Sи = S1ну ∪ S2ну; мых факторов космического пространства одновре- менно с синергетическим воздействием дестабили- Sкр = {(d1, d2) | d1 = d1(x) ∈ D1, зирующих факторов космического пространства. d2 = d2(P2ну) ∈ D2, p1 min p1кр x p1 max}. Проведение дополнительных натурных испы- таний бортовой аппаратуры на орбитальной стан- Ситуация характеризуется тем, что воздей- ции позволит своевременно выявить слабые места ствия из множеств D1 и D2 независимы с точ- в технических решениях, заложенных в аппарату- ки зрения испытуемой аппаратуры, т. е. независи- ре, устранить их и доработать бортовую аппарату- мо от воздействия из множества D2 критическая ру до проведения летных испытаний. ситуация возникает при воздействии из множе- ства D1 с параметром x, превышающим некоторое Список литературы критическое значение p1кр. Данный пример демон- стрирует то, что при испытаниях на зависимые воз- 1. ГОСТ 27.002-2015. Межгосударственный стандарт. действия проявляется синергетический эффект. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2016. Дополнительно отметим, что в приведенных примерах множества испытаний Sи параметры воз- 2. Блошенко А., Борисов С. Планировать по уму. действия p1 и p2 изменяются непрерывно от ми- Как улучшить организацию работ в космической от- нимальных до максимальных значений, эти мно- расли // Русский космос, 2021, № 26. https://agat- жества имеют мощность множества действитель- roscosmos.ru/publikatsii/experts-public (Дата обра- ных чисел (континуум). Так, если речь идет об ис- щения 13.09.2022). пытаниях на воздействие температуры окружаю- щей среды, необходимо пройти весь температурный 3. Клюшников В. Ю. Современные проблемы анали- диапазон, непрерывно оценивая функционирование за и синтеза космических систем. МАИ. Кафедра аппаратуры. На практике реализовать такой про- 611Б «Системный анализ и проектирование косми- цесс достаточно сложно и переходят к конечному ческих систем». Тема 8. Экспериментальная отра- множеству испытаний. Для температурных испы- ботка и испытания космических систем. https://ppt- таний это может означать испытания в нормальных online.org/1101294 (Дата обращения 13.09.2022). условиях, при предельных пониженной и повышен- ной температурах. На рисунке Sи в этом случае 4. Землянский Б. А., Кудрявцев В. В., Липниц- вместо отрезка будет иметь вид трех точек. кий Ю. М., Фадеев В. А. Концепция совершенство- вания наземной отработки изделий ракетно-косми- Выводы ческой техники в области теплообмена и аэрогазо- динамики // Космонавтика и ракетостроение, 2014, Показано синергетическое воздействие факто- № 4. С. 107–114. ров космического пространства на приборы, их компоненты и материалы космических аппаратов 5. ГОСТ 16504-81. Межгосударственный стандарт. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основ- ные термины и определения. 6. Модель космоса. В 2-х т. Т. 1. Физические усло- вия в космическом пространстве. Т. 2. Воздействие РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

ИСПЫТАНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ЧАСТЬ 1 9 космической среды на материалы и оборудование дарь Т. Н., Нечитайленко В. А., Рыбкина А. И., космических аппаратов / Под ред. М. И. Панасюка, Пятыгина О. О., Шибаева А. А. Атлас магнитного Л. С. Новикова. М.: КДУ, 2007. 852 с. (т. 1), 1145 с. поля Земли / Под ред. А. Д. Гвишиани, А. В. Фро- (т. 2). лова, В. Б. Лапшина. М.: ГЦ РАН, 2012. 364 с. 10. Жуков А. А., Хромов О. Е., Тюлин А. Е., 7. Finckenor M. M., de Groh K. K. Space Environmental Чурило И. В. Концепция натурных испытаний Effects. A Researcher’s Guide to: International Space типовых унифицированных блоков бортовой аппа- Station. NASA ISS Research Integration Office. John- ратуры космического назначения. Международная son Space Center. Ed. B. Dansberry. Publ: March 2015, конференция «Космические системы», тезисы. Revision: Sept. 2020. 40 p. http://www.nasa.gov/ МАИ, 27 апреля 2021 г. М.: Перо, с. 14–15. centers/johnson (Дата обращения 15.02.2022). Дата поступления рукописи 8. Кузнецов В. Д. Космическая погода и риски косми- в редакцию 27.09.2022 ческой деятельности // Космическая техника и тех- нологии, 2014, № 3(6). C. 3–13. Дата принятия рукописи в печать 13.01.2023 9. Соловьев А. А., Хохлов А. В., Жалковский Е. А., Березко А. Е., Лебедев А. Ю., Харин Е. П., Ше- стопалов И. П., Мандеа М., Кузнецов В. Д., Бон- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2023, том 10, выпуск 1, c. 10–20 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 520.344.2 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.20.1.10.20 EDN RNFRKB Создание прототипа охлаждаемой мозаичной фокальной плоскости В. Е. Квитка, к. т. н., [email protected] Филиал АО «РКЦ “Прогресс”»–НПП «ОПТЭКС», г. Москва, Зеленоград, Российская Федерация Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация В. А. Лавренов, к. т. н., [email protected] Филиал АО «РКЦ “Прогресс”»–НПП «ОПТЭКС», г. Москва, Зеленоград, Российская Федерация Московский институт электронной техники, г. Москва, Зеленоград, Российская Федерация С. М. Мастюгин, [email protected] Филиал АО «РКЦ “Прогресс”»–НПП «ОПТЭКС», г. Москва, Зеленоград, Российская Федерация В. Д. Блинов, [email protected] Филиал АО «РКЦ “Прогресс”»–НПП «ОПТЭКС», г. Москва, Зеленоград, Российская Федерация А. С. Шепелев, [email protected] АО «НПП “ЭЛАР”», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация В. В. Петров, [email protected] АО «НПП “ЭЛАР”», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация А. А. Никитин, аспирант МФТИ, [email protected] Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация Р. О. Кукушкин, студент МФТИ, [email protected] Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация Аннотация. В статье рассмотрена задача построения мозаичного фотоприемного устройства для оптико-электронного пре- образователя астрономических телескопов наземного базирования. Описана необходимость минимизации темнового сигнала путем охлаждения матричных фотоприемников. Обоснована температура охлаждения. Определен облик оптико-электронного преобразователя, способ охлаждения, конфигурация теплообменника. Предложена «сухая» посадка фотоприемников, обеспечи- вающая высокую ремонтопригодность аппаратуры. Проведены расчеты ключевой характеристики перспективного телескопа — проницающей способности и связанной с ней дальности обнаружения астероида для перспективной системы контроля косми- ческого пространства. Ключевые слова: астрономический телескоп, мозаичное фотоприемное устройство, наблюдение астероидов, охлаждение фо- топриемников

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2023, том 10, выпуск 1, c. 10–20 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ Prototyping a Cooled Mosaic Focal Photodetector V. E. Kvitka, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Space Rocket Centre «Progress»–Scientific and Production Enterprise «OPTEKS»”, Zelenograd, Moscow, Russian Federation Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation V. A. Lavrenov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Space Rocket Centre “Progress”–Scientific and Production Enterprise «OPTEKS»”, Zelenograd, Moscow, Russian Federation National Research University of Electronic Technology — MIET, Zelenograd, Moscow, Russian Federation S. M. Mastiugin, [email protected] Joint Stock Company “Space Rocket Centre “Progress”–Scientific and Production Enterprise «OPTEKS»”, Zelenograd, Moscow, Russian Federation V. D. Blinov, [email protected] Joint Stock Company “Space Rocket Centre “Progress”–Scientific and Production Enterprise «OPTEKS»”, Zelenograd, Moscow, Russian Federation A. S. Shepelev, [email protected] Joint Stock Company “Research and Production Enterprise “ELAR””, Saint-Petersburg, Russian Federation V. V. Petrov, [email protected] Joint Stock Company “Research and Production Enterprise “ELAR””, Saint-Petersburg, Russian Federation A. A. Nikitin, PhD student, [email protected] Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation R. O. Kukushkin, student, [email protected] Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation Abstract. The article considers the problem of constructing a mosaic photodetector array, which is one of the main components of ground-based astronomical telescopes. The necessity of minimizing dark signal by cooling matrix photodetectors is described, and the cooling temperature is substantiated. The shape of the optoelectronic converter, the cooling method, and the configuration of the heat exchanger are determined. A “dry” pinning of photodetectors is proposed to ensure high maintainability of the equipment. The text contains a calculation of the key characteristic of a promising telescope — the maximum detected apparent magnitude. This characteristic is also used to determine the associated asteroid detection range for a future space monitoring system. Keywords: astronomical telescope, mosaic photodetector, observation of asteroids, cooling of photodetectors

12 В. Е. КВИТКА, В. А. ЛАВРЕНОВ, С. М. МАСТЮГИН И ДР. Состояние проблемы Поверхностный темновой ток возникает на гра- нице между кремнием и оксидом, ниже электро- Одним из основных направлений развития аст- дов. Для его сдерживания обычно реализуется ме- рономических телескопов как наземного, так и кос- тод multi-pinned phase (MPP). Для ФПЗС со скры- мического базирования является увеличение про- тым каналом n-типа это заключается в отрицатель- ницающей способности, то есть максимально воз- ном смещении фаз электродов и добавлении им- можной звездной величины наблюдаемого объек- планта закрепления под некоторые из них. та. Каждый новый телескоп способен различать все более тусклые объекты. Технически проница- Обедненный, или объемный, темновой ток соз- ющая способность может быть повышена за счет дается непосредственно в обедненной зоне, где элек- увеличения диаметра входного зрачка телескопа, трическое поле соответствующего электрода опреде- чувствительности фотоприемников и времени на- ляет потенциальную яму пикселя. копления сигнала. Рост первых двух параметров ограничен как физическими пределами (квантовый Диффузионный темновой ток генерируется выход фотоприемника не может превышать 100 %), в бесполевой области ниже зоны обеднения. В ПЗС так и сугубо техническими ограничениями (изго- типа MPP только две последние составляющие товление высокоточных зеркал диаметром 5–6 м вносят существенный вклад в общий темновой сиг- требует колоссальных затрат). С учетом этих об- нал, но в разных пропорциях [1]. стоятельств основным способом повышения прони- цающей способности является максимизация вре- Иногда в фотоприемниках применяются спе- мени накопления. циальные режимы тактирования, позволяющие со- кратить влияние темнового сигнала на получаемое Описанный путь также содержит в себе нема- изображение в съемочных системах без охладите- ло трудностей. Прежде всего это необходимость вы- ля или с термоэлектрическим охладителем [2]. сокоточной стабилизации телескопа по углам и уг- ловым скоростям. Еще одной важной проблемой яв- Характерная зависимость темнового сигна- ляется появление значительного темнового сигнала ла Uтемн, накопленного в пикселе фотоприемника, и, соответственно, шумовой составляющей. описывается формулой (1) для температуры T [3,4]: Современные матричные ПЗС-фотоприемники Uтемн(T ) = A · T3 −B · U0, (1) имеют большое количество реализаций. С учетом ·e T особенностей проектируемой аппаратуры основным показателем для анализа качества системы являет- где A, B — эмпирические параметры: например, ся темновой сигнал ПЗС-фотоприемника. для разных модификаций кадровых фотоприемни- Темновой сигнал, накопленный в пикселе ПЗС, ков CCD42-40 фирмы «E2V» A = 122 K−3; B = возникает из-за так называемого темнового тока. = 6400 K или A = 1,14 · 106 K−3; B = 9080 K; Темновой ток генерируется тепловым возбужде- нием валентных электронов в зону проводимости U0 — темновой сигнал [электроны], накоплен- и одновременным или последующим сбором этих ный в пикселе при температуре 0 = 293 K. электронов в потенциальную яму пикселя. Его на- зывают темновым, потому что он возникает даже Подробнее о температурных зависимостях тогда, когда на ПЗС не поступает свет, например когда механизм затвора закрыт. темнового сигнала можно узнать в статьях [5–8]. В практических расчетах можно считать, что В дальнейших расчетах примем данные из фор- темновой сигнал растет линейно со временем накоп- ления сигнала в ПЗС и арифметически добавляется мулы (1) как характеристики типового ПЗС-фото- к фотоэлектронам, порожденным падающим на пик- сели светом. Существуют три типа темнового тока: приемника. поверхностный, обедненный и диффузионный. Необходимость охлаждения фотоприемников в телескопах Для ПЗС при комнатной температуре характер- ные скорости накопления темнового сигнала состав- ляют от 103 до 105 электронов/(с · пиксель) [3, 9]. Времена накопления, применяемые в современных астрономических приборах, могут достигать сотен РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА ОХЛАЖДАЕМОЙ МОЗАИЧНОЙ ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ 13 секунд. Например, расчетное время накопления Рис. 1. Типовая зависимость относительной отводимой для наблюдения звезды 25-й величины составляет мощности от разности температур для элемента Пельтье 120 с и 55 с для телескопов диаметром 1 м и 1,5 м соответственно [10]. Таким образом, при комнатной ко-электронных преобразователей, построенных на температуре большая часть сигнала в пикселе бу- основе разработанной технологии. Такое решение дет создана темновой генерацией. Вред вносит не способно кардинально упростить конструкцию ап- только сам темновой сигнал, но и его шум, рав- паратуры, но оно работоспособно только при разни- ный квадратному корню из величины накопленных це температур не более 70 K, что показано на гра- электронов [11]. Так, при зарядовой вместимости фике (рис. 1), построенном по данным работы [13]. пикселя 200 · 103 электронов и времени накопле- При перепадах температур 85 K характерный КПД ния 20 с, типичном для практической астрономии, элементов Пельтье падает почти до нуля, что огра- получим темновой сигнал не менее 20 · 103 элек- ничивает область их практического применения. По- тронов (10 % зарядовой вместимости) и его шум дробная проработка и обоснование данного решения 141 электрон. Именно поэтому многие крупные те- будет проводиться на этапе испытаний создаваемого лескопы как наземного, так и космического базиро- оптико-электронного преобразователя. вания имеют охлаждаемую фокальную плоскость. Проблемы создания Выбор рабочей температуры макетной «мозаики» Исследуем возможность создания сборных ох- В процессе проработки оптико-электронного лаждаемых фокальных плоскостей на основе кад- преобразователя (ОЭП) со сборной фокальной плос- ровых фотоприемников. костью-«мозаикой» выявлены следующие проблемы: Выбор способа охлаждения и рабочей темпе- • выбор принципа охлаждения фотоприемных ратуры сборной фокальной плоскости делается на матриц; основе зависимости темнового сигнала и его шума от рабочей температуры. Существующие сверхболь- • теплоизоляция основания фокальной плоско- шие фокальные плоскости как наземного, так и кос- сти; мического базирования имеют рабочую температуру от −120 ◦C до −70 ◦C, что, как правило, достигает- • специфические требования к фотоприемнику; ся применением жидкого азота в системе охлажде- ния [12]. Поэтому температура −100 ◦C (173 K) • ремонтопригодность фокальной плоскости, т. е. принята как рабочая в прорабатываемой системе. замена одного фотоприемника не должна тре- бовать снятия соседних. Тем не менее оценки по формуле (1) показыва- ют, что при скорости накопления темнового сигна- Рассмотрим каждый из этих вопросов подроб- ла 104 электрон/(пиксель · с) относительно неболь- нее. Проработан облик кадрового ПЗС-фотоприем- шое охлаждение (до −40 ◦C) снизит темновой сиг- ника со следующими особенностями: нал до 1090 электронов для времени накопления 60 с. При температуре −100 ◦C темновой сигнал • минимальное значение темнового сигнала 1 электрон сформируется за полчаса. Таким обра- и шума считывания; зом, при зарядовой вместимости пикселя от 100 до 200 тысяч электронов применение охлаждения • широкий диапазон частот считывания; до 173 K может оказаться избыточным. Накоплен- ные 1090 темновых электронов заполняют не бо- лее 1 % зарядовой вместимости пикселя и порож- дают шум 33 электрона. Выявленный эффект мо- жет стать основанием для применения элементов Пельтье для охлаждения будущих серийных опти- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

14 В. Е. КВИТКА, В. А. ЛАВРЕНОВ, С. М. МАСТЮГИН И ДР. • реализация полнокадрового считывания в два тронных преобразователях как крупных наземных переключаемых выхода — малошумящий и вы- (Pan-STARRS, JPCam) [14, 15] так и космических сокоскоростной; (Euclid, Gaia) зарубежных телескопов [16,17] и по- казано на рис. 3 по данным [16]. • возможность работы в вакууме; • минимальное расстояние между фотозонами Сборные фокальные плоскости могут быть применены в телескопах как для съемки очень соседних матриц в сборке; тусклых объектов с большим временем накопле- • возможность замены матрицы в фокальной ния, так и для наблюдения за космическими ап- паратами и космическим мусором на околоземной плоскости без снятия соседних. орбите. Если в первой задаче приоритетом явля- Характеристики предлагаемого фотоприемни- ется обеспечение низких шумов, то второе направ- ка показаны в табл. 1, а его общий вид — на рис. 2. ление работы требует относительно высокой кад- ровой частоты (не менее 0,5 кадр/с), необходимой Т а б л и ц а 1. Характеристики фотоприемника для прогноза орбитального движения искусствен- ных спутников Земли и космического мусора. Опи- Параметр Значение санные требования являются в значительной степе- ни противоречивыми. Для разрешения этой дилем- Формат, пиксели 2048 × 2048 мы фотоприемник разрабатывается с двумя пере- ключаемыми выходными устройствами, каждое из Размер пикселя, мкм 15 которых способно выполнять считывание полного кадра. Малошумящий выход работает на частотах Максимальная часто- 1 (малошумящий выход) считывания от 0,3 до 1 МГц и используется при та считывания, МГц 12 (высокоскоростной выход) съемке тусклых объектов, когда приоритетное зна- чение имеет уменьшение шумов. Высокоскоростной Шум считывания, 10 (малошумящий выход) выход применяется при работе на кадровой частоте электрон от 0,24 до 2,8 кадр/с, что соответствует диапазону частот считывания от 1 до 12 МГц. Рис. 2. Общий вид фотоприемника Основание фокальной плоскости вместе с фото- Ключевой особенностью конструкции фото- приемниками размещается в вакуумированом объе- приемника является «сухая» реализация посадки на ме оптико-электронного преобразователя (ОЭП). два штифта. В предшествующих разработках матри- Такое конструктивное решение позволяет исклю- цы закрепляются на инваровом основании на клее, чить конвективные теплопритоки при работе ОЭП закачиваемом в специальные канавки. В охлаж- в наземной аппаратуре. Дополнительно к этому даемой фокальной плоскости технология приклей- фокальную плоскость защищает от теплового излу- ки неприменима по двум причинам: свойства клея чения корпуса охлаждаемый экран. Отметим, что непредсказуемы для температуры −100 ◦C и за- фотоприемники устанавливаются не на само осно- труднена замена фотоприемников, расположенных вание напрямую, а рядами на линейки-держатели, не на краю фокальной плоскости. Подобное техно- что позволяет избежать снятия периферийных мат- логическое решение использовано в оптико-элек- риц при замене центральных. Основные характери- стики созданного макетного оптико-электронного преобразователя и его фокальной плоскости при- ведены в табл. 2. В сборной фокальной плоскости значитель- но возрастает сложность задачи минимизации шу- мов тракта. Для ее решения плата предусилителя должна находиться как можно ближе к выходному устройству фотоприемника. Такое требование идет РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА ОХЛАЖДАЕМОЙ МОЗАИЧНОЙ ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ 15 Рис. 3. Общий вид фотоприемника (слева) системы Euclid и его штифтового крепления (справа). Хорошо видно выходное устройство в виде боковых шлейфов Т а б л и ц а 2. Характеристики фокальной плоскости Параметр Значение Размер фотозоны, мм 225,7 × 247,32 Количество фотоприемных матриц 49 (7 × 7) Расстояние между фотозонами 1,78 Рис. 4. Общий вид линейки-держателя с установленны- соседних матриц по оси X, мм ми фотоприемниками и предусилителями 5,38 Расстояние между фотозонами 173 Проведена проработка азотной системы охлаж- соседних матриц по оси Y , мм ±5 дения. Охлаждение фотоприемников осуществля- ±30 ется холодным газообразным азотом, протекающим Рабочая температура, К 0,828 по трубкам коллектора. Сеть трубок сваривается и устанавливается на основание фокальной плос- Неравномерность температурного кости, а на нее, в свою очередь, монтируются ли- поля по плоскости, К нейки-держатели матриц. Альтернативным вари- антом изготовления теплообменника является 3D- Отклонение от плоскостности, мкм печать из металла. Регулировка температуры фо- кальной плоскости обеспечивается двумя способа- Коэффициент заполнения (fill factor) ми: изменением сечения трубки вентилем азотной магистрали и — для опытного наземного образ- вразрез с принятой компоновкой ОЭП: при нали- ца — изменением мощности нагревателя жидкого чии гермопереходов из вакуумной части ОЭП в на- азота в сосуде Дьюара (азотного питателя). Общий ружную расстояние от считывающего регистра до вид коллектора показан на рис. 5. Для обеспече- устройства обработки сигнала составит не менее ния равномерности охлаждения по полю фокальной 100 мм, что недопустимо много при работе с вы- плоскости коллектор выполнен в виде двух встреч- сокоскоростным выходом. В результате комплекс- ных контуров, по которым протекает холодный га- ного анализа было принято решение о размеще- зообразный азот. нии плат предусилителя на боковых поверхностях держателей матриц. Для предотвращения нагрева Все 7 держателей матриц устанавливаются на фотоприемников от предусилителей их платы уста- общее основание и соединяются с коллектором си- новлены на терморазвязках и покрыты теплозащит- стемы охлаждения, как показано на рис. 6. ным экраном, защищающим от теплового излуче- ния. На рис. 4 показано размещение матриц и плат предусилителей на линейках-держателях. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

16 В. Е. КВИТКА, В. А. ЛАВРЕНОВ, С. М. МАСТЮГИН И ДР. Возможности применения фокальных плоскостей на базе описанной технологии Рис. 5. Общий вид коллектора системы охлаждения Проведен анализ перспектив применимости технологии создания охлаждаемых ОЭП в назем- ных телескопах. Вопрос о выборе и обосновании рабочей температуры следует рассмотреть с физи- ческой точки зрения при описании области приме- нения системы в наземных телескопах. Выполним расчеты соотношения сигнал/шум для разных ра- бочих температур. Для оценок возьмем следующие исходные данные: • телескоп D/f = 1/2 и диаметром D = = 1000 мм; • квантовая эффективность ФПЗС 40 % в мак- симуме (λ = 0,79 мкм), 20 % на 0,54 мкм и на 0,93 мкм, 10 % на 0,47 мкм и на 0,98 мкм; Рис. 6. Фокальная плоскость в сборе с коллектором • небесное тело величины +22 со спектром, ана- системы охлаждения логичным звезде Веге (радиационная темпера- тура 10 125 K). Минимизация термосопротивления на пере- Для расчетов нужно получить спектраль- ходе «линейка–коллектор» обеспечивается точной ную плотность потока [Вт/(м2· мкм)], создаваемого притиркой поверхностей и стягивающими винтами. звездой на верхней границе атмосферы (ВГА). Про- Термопасты не применяются, так как их поведе- ние при криогенных температурах и отсутствии ат- цедура расчета аналогична [18] и имеет следующие мосферы труднопредсказуемо. Эскиз общего вида ОЭП показан на рис. 7. основные этапы. Рис. 7. Эскиз оптико-электронного преобразователя 1. Выполним пересчет от звезды Веги, взя- той за точку отсчета яркостей звезд. Она имеет величину M0 = 0 и создает освещенность 2,54 ×· × 10−6 люкс на ВГА. Примем Вегу абсолютно чер- ным телом (АЧТ) и звездой белого спектрального класса (показатель цвета B − V = 0); ее темпера- туру оценим как 10 125 K по [19]. 2. По формуле Планка находим для све- та от Веги спектральную плотность потока E(M0, Tвеги, λ) [Вт/(м2· мкм)], облучающего вход- ной зрачок телескопа (пренебрегаем атмосферным поглощением). Результаты сходятся с фактически- ми данными: спектральная плотность света Веги 3,44 · 10−2 мкВт/(м2· мкм) на λ = 0,556 мкм [20]. 3. Для спектральной плотности потока E(m, Tзв, λ) от звезды величины m и температу- рой Tзв имеем уравнение перехода (2), учитываю- щее кривую видности глаза V (λ). Его физический РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА ОХЛАЖДАЕМОЙ МОЗАИЧНОЙ ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ 17 смысл — звезда величины m = 5 дает освещен- ность в 100 раз меньше, чем Вега: ∞ E(m, Tзв, λ) · V (λ) dλ = 0 ∞ = 10−0,4·m E(M0, Tвеги, λ) · V (λ) dλ. (2) 0 4. Находим информативный (полезный) сиг- Рис. 8. Зависимость информативного сигнала от време- ни накопления нал Uинф [электроны], созданный светом от звезды и накопленный в пикселе. На основе полученных данных найдем соотно- шение сигнал/шум (ОСШ) для температуры фото- приемников T и шуме считывания Nсчит (для на- шей ФПЗС Nсчит = 10 электронов при работе на малошумном выходе) по формуле (3): SN R(m, T ) = Uинф(m) = Uинф(m) + Uтемн(T ) + N 2 = Uинф(m) , (3) Uинф(m) + A · T3 · e− B · U0 + Nс2чит T где A = 122 K−3 и B = 6400 K — эмпирические Рис. 9. Характерная зависимость темнового сигнала параметры, для оценки взяты по [3]. от температуры При относительном отверстии телескопа D/f = 1/2 и характерной длине волны λхар = = 0,7 мкм для идеального телескопа радиус круж- ка рассеяния Эйри составляет 1,22 · λхар · f /D = = 1,22 · 0,7 · 2 = 1,7 мкм, что намного меньше раз- мера пикселя (15 мкм). Тогда примем, что весь свет от звезды попал в один пиксель. Результаты расче- тов для звезды величины +22 со спектром свече- ния, аналогичным Веге, представлены на рис. 8–10: 1) информативный сигнал от времени накопле- ния; 2) накопленный темновой сигнал от рабочей тем- Рис. 10. Зависимость соотношения сигнал/шум от тем- пературы; пературы 3) соотношение сигнал/шум от рабочей темпера- Анализ расчетов позволяет сделать следующие туры. выводы: Полученные результаты можно обобщить и пе- • значительное возрастание темнового сигнала рейти к обнаружительным характеристикам теле- появляется при рабочих температурах, бо´ль- скопа (проницающей способности), построенного ших −40 ◦C; на основе разрабатываемого ОЭП (рис. 11). Рас- четы выполнены для двух критериев обнаружения: по величине сигнал/шум SN R = 5 и SN R = 10. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

18 В. Е. КВИТКА, В. А. ЛАВРЕНОВ, С. М. МАСТЮГИН И ДР. где H — абсолютная звездная величина астероида в лучах V (видимого диапазона), r и Δ — расстоя- ние от Солнца и Земли до астероида соответствен- но [астрономические единицы], G — так называе- мый параметр наклона, Φ1 и Φ2 — функции угла фазы, определяемые (5)–(6): Φi = exp −Ai tg β Bi (5) 2 , i = 1, 2, A1 = 3,33, A2 = 1,87, B1 = 0,63, B2 = 1,22. (6) Рис. 11. Зависимость предельной наблюдаемой звездной После того, как элементы орбиты определе- величины объекта от температуры фокальной плоскости ны и, следовательно, r, Δ и β могут быть вычис- лены, данная формула позволяет найти абсолют- при двух критериях обнаружения ную звездную величину, если имеются наблюдения видимой звездной величины. Для определения па- • соотношение сигнал/шум и проницающая спо- раметра G требуются наблюдения видимой звезд- собность почти не зависят от рабочей темпе- ной величины при различных углах фазы. В на- ратуры при ее значениях менее −70 ◦C; стоящее время значение параметра G определено из наблюдений только для 114 астероидов. Найден- • наибольшее влияние температуры на соотно- ные значения G варьируются в пределах от −0,12 шение сигнал/шум и проницающую способ- до +0,60. Для прочих астероидов значение G при- ность имеет место в диапазоне от −45 ◦C нимается равным 0,15. до −20 ◦C: проницающая способность возрас- тает на 0,6 звездной величины на каждые Под абсолютной звездной величиной астерои- 10 ◦C дополнительного охлаждения; да понимается звездная величина, которую имел бы астероид, находясь на расстоянии 1 а. е. от Солнца • при повышении рабочей температуры с −100 ◦C и Земли и при нулевом угле фазы (углом фазы на- до −40 ◦C проницающая способность ухудша- зывается угол при астероиде между направлениями ется на 2 звездные величины: с +25 до +23. на Землю и на Солнце). Формула для вычисления абсолютной звездной величины [21] имеет вид (7): Кроме наблюдения звезд, телескопы могут применяться и для прогнозов движения астеро- H = −5 · lg d · √ρ , (7) идов. Проведем расчеты дальности обнаружения 1329 астероида для разных его размеров и температуры охлаждения фотоприемников. где H — абсолютная звездная величина объекта, ρ — его геометрическое альбедо, а d — его диа- Астероиды, как и все тела Солнечной систе- метр [километр]. Очевидно, что в природе подобная мы, кроме Солнца, светят отраженным светом. Ха- конфигурация трех тел осуществиться не может: рактеристикой интенсивности свечения астероидов при одинаковом расстоянии в 1 а. е. «астероид– является их блеск, выражаемый в звездных вели- Земля» и «Солнце–астероид» угол фазы соста- чинах: чем ярче астероид, тем меньше его звезд- вит 60◦. ная величина. С 1986 г. для вычислений видимой звездной величины m астероидов в лучах V (ви- Ниже приведены рассчитанные графики зави- зуальная полоса спектра фотометрической системы симости соотношения сигнал/шум от размера асте- UBV) применяется полуэмпирическая формула (4), роида и расстояния от него до Земли при угле фазы, позволяющая описать изменение блеска в диапа- равном 5,73◦ (графики на рис. 12 для температур зоне фазовых углов от 0◦ до 120◦ [21]: охлаждения фотоприемника 173, 233, 293 K). Диа- метр телескопа D = 1,5 м. Величина lg(SN R) = 1 m = H +5·lg(r·Δ)−2,5·lg (1−G)·Φ1−G·Φ2 , (4) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023



































36 А. И. ВАСИЛЬЕВ вследствие наличия облачности). С целью согласо- вания геореференцирования в рамках одного марш- рута съемки сцен, не прошедших контроль точ- ности, со сценами, его прошедшими, рассмотрим подход к определению/уточнению параметров дви- жения КА на основе найденного множества опор- ных точек. В рамках данного подхода опорные точки, най- денные для сцен L1C-данных КМСС КА «Мете- ор-М» № 2, пересчитываются для L1B-данных с использованием соответствующих RPC-моделей. В таком случае связь пространственных и пиксель- ных координат опорных точек будет определяться уравнением коллинеарности следующего вида: Rk = RS(t) + m · A (ϑ(t)) · xk yk −f T , Рис. 4. Пример автоматического поиска опорных то- где Rk — географические координаты k-й опорной чек на изображении NIR-канала L1C-данных КМСС точки в абсолютной СК; КА «Метеор-М» № 2 {RS(t), ϑ(t)} — линейное и угловое положение КА в момент времени t; не согласован с RPC-моделью, если количество красных опорных точек внутри блока более поло- A — матрица поворотов из СК камеры (связа- вины (при общем количестве опорных точек внут- на с центром фотографирования сенсора в момент ри блока более 10); 3) количество несогласованных времени t) в абсолютную СК; блоков должно быть не более двух. Для объек- тивной оценки общего количества анализируемых m — масштабный множитель; блоков в том числе учитывалась маска воды (на- f — фокусное расстояние; пример, https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/ (xk; yk) — координаты k-й опорной точки в фо- mod44w.php) и облаков (при наличии). кальной плоскости сенсора в момент времени t, рассчитанные на основе пиксельных координат Повышение точности (uk; vk) опорной точки изображения L1B-данных геореференцирования с учетом параметров съемочной системы (в част- маршрута съемки на основе ности, коэффициентов дисторсии). фотограмметрического Учитывая линейный сканерный тип сенсора уравнивания КМСС, момент времени наблюдения k-й опорной точки в зависимости от ее номера строки v на изоб- ражении спектрального канала L1B-данных опре- деляется следующим образом: t(v) = v · μ + t0, В соответствии с [1] маршрут съемки КМСС — оператор округления до целого числа КА «Метеор-М» № 2 содержит множество сцен, снизу; формируемых путем фрагментированные маршрута на условные «квадратные» сцены/кадры (в среднем μ — строчная частота сканирования сенсора; маршрут включает 10–12 сцен). При этом нередки- t0 — время съемки, соответствующее нулевой ми являются съемки, при которых контроль точ- строке L1B-данных. ности в рамках маршрута может быть обеспечен В свою очередь, параметры движения КА вы- только для отдельных несмежных сцен (например, числяются на основе решения задачи фотограммет- рического уравнивания (относительно параметров, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ГЕОРЕФЕРЕНЦИРОВАНИЯ 37 определяющих положение КА) в следующем виде файла L1B-данных НКПОР: 1) для каждой стро- (n — индекс спектрального канала): ки узлов вычисляется положение КА (путем усред- нения положений КА, рассчитываемых для каж- Xn,k 2 Yn,k 2 дого узла строки); 2) оценка параметров полино- Zn,k Zn,k ма на основе метода наименьших квадратов для xn,k + f + yn,k + f → min, всего маршрута. Применение полинома 4-й степе- ни для задания траектории движения КА показа- n,k ло ошибку аппроксимации не более 1 м. В свою очередь, параметры полиномов углового положения ⎡ ⎤T КА (в частности, 3-й степени) оценивались на ос- Xn,k нове фотограмметрического уравнивания. ⎣ Yn,k ⎦ = AT ϑ(tn,k) · Rn,k − RS(tn,k) . На рис. 5 приведен пример результатов урав- Zn,k нивания маршрута съемки КМСС КА «Мете- ор-М» № 2 (виток — 37 251, камера — 201) Для описания линейного и углового положе- в виде скатерограмм невязок на опорных точках, ний КА в соответствии с [22] применялись полино- миальные модели. При этом параметры полиномов линейного положения оценивались на основе грид- Рис. 5. Распределение невязок на опорных точках (синие — NIR-, красные — Red-, зеленые — Green-канал) по результатам фотограмметрического уравнивания маршрута съемки КМСС КА «Метеор-М» № 2 (виток — 37 251, камера — 201): сверху — по строкам (вдоль съемочного маршрута); снизу — по столбцам (поперек съемочного маршрута) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

38 А. И. ВАСИЛЬЕВ найденных для отдельных сцен маршрута съемки ор-М» № 2, выполненной за период 2017–2021 гг. (более 5000). Данные скатерограммы демонстриру- по всем континентам (за исключением Антарк- ют распределение опорных точек вдоль (см. рис. 5, тиды). При этом для приблизительно 8000 сцен верхний рисунок) и поперек съемочного маршрута L1B-данных НКПОР, рассматриваемых маршрутов (см. рис. 5, нижний рисунок) и соответствующую съемки, была выполнена оценка качества георе- величину невязок, показывающую согласованность ференцирования (с учетом выше рассматриваемых рассчитанных параметров движения для множе- условий сопоставления). На рис. 7 приведена лога- ства опорных точек. Кроме того, на рис. 6 показано рифмированная (lg) гистограмма количества сцен распределение количества опорных точек в зависи- в зависимости от величины ε0. Данный график де- мости от абсолютной величины абсолютной оста- монстрирует значительное количество сцен (око- точной невязки (корень от суммы квадратов невяз- ло 20 %), для которых наблюдается ошибка георе- ки по столбцу и строке изображения). ференцирования более 30 пикселей. Рис. 6. Распределение количества опорных точек в за- Рис. 7. Логарифмированная (lg) гистограмма количества висимости от величины абсолютной невязки по ре- сцен в зависимости от величины ошибки геореференци- зультатам фотограмметрического уравнивания маршру- та съемки КМСС КА «Метеор-М» № 2 (виток — 37 251, рования (без учета систематики) камера — 201) Учет систематической поправки позволяет су- щественно улучшить точность геореференцирова- Таким образом, для повышения точности гео- ния сцен. На рис. 8 приведена скаттерограмма референцирования маршрута съемки предлагается средних невязок, оцененных для опорных точек определять/уточнять параметры линейного и угло- сцены, без учета (показано синим цветом) и с уче- вого положения КА на основе фотограмметрическо- том (показано красным цветом) систематики. Со- го уравнивания с использованием опорных точек, ответствующее данной скатерограмме процентное найденных для сцен маршрута в рамках контро- распределение в зависимости от ошибки георефе- ля точности их геореференцирования. В свою оче- ренцирования приведено на рис. 9. Распределение редь, уточненные параметры обеспечивают пересчет показывает, что более 90 % сцен имеют первичную грид-файла и RPC-модели L1B-данных. точность геореференцирования хуже 2 пикселей. При этом учет систематической поправки позволя- Результаты апробации алгоритмов ет сократить эту долю до 40 %. контроля и повышения качества геореференцирования данных Кроме того, в результате маршрутного уточне- КМСС «Метеор-М» № 2 ния удалось обеспечить повторный контроль точ- ности геореференцирования для около 10 000 сцен Приведенные алгоритмы апробировались на ос- рассматриваемых маршрутов съемки, т. е. первич- нове обработки около 10 000 сцен (соответству- ная выборка увеличилась на 25 %. На рис. 10 ет 1000 маршрутов съемки) КМСС КА «Мете- приведено распределение процентного количества новых сцен в зависимости от величины ошибки геореференцирования без учета (показано синим цветом) и с учетом (показано красным цветом) си- стематической поправки. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ГЕОРЕФЕРЕНЦИРОВАНИЯ 39 Рис. 8. Скаттерограмма величин средних невязок для сцен по результатам оценки качества. Точками отмечены величины средней невязки для сцен: синим — рассчитанны без учета систематики, красным — с учетом Заключение Рис. 9. Распределение процентного количества сцен в за- В рамках данной работы выполнен анализ ка- висимости от величины ошибки геореференцирования: чества данных архива НКПОР КМСС КА «Ме- синим цветом — оценки для ε0, красным цветом — теор-М» № 2 в части точности геореференцирова- ния при учете, что штатная технология НКПОР для εW ориентирована на использования показаний бор- товых навигационных систем, при формировании Рис. 10. Распределение процентного количества новых L1B-продуктов архива. В обеспечение проведения сцен, для которых были детектированы опорные точки анализа (с целью контроля и повышения точно- после маршрутного уравнивания, в зависимости от ве- сти геореференцирования) в статье предлагаются личины ошибки геореференцирования: синие — оценки алгоритмические решения: 1) построение геомет- рической модели снимка на основе RPC-модели; для ε0, красные — оценки для εW 2) оценка систематической поправки к RPC-модели сцены на основе сопоставления с опорными данны- ми; 3) повышение точности геореференцирования на основе фотограмметрического уравнивания. По результатам апробации (анализируются около 8000 сцен, отснятых за период съемки 2017– 2021 гг.) предлагаемых решений для 10 % рас- сматриваемых сцен архива НКПОР наблюдает- ся ошибка геореференцирования до 2 пикселей, при этом около 20 % сцен имеет ошибку георе- ференцирования 30–300 пикселей. Учет система- тической поправки позволяет обеспечить точность РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

40 А. И. ВАСИЛЬЕВ геореференцирования не хуже 2 пикселей для 60 % Стремов А. С. Архитектура геоинформационного сцен и нивелировать ошибку более 30 пикселей. сервиса «Банк базовых продуктов» // Современ- Кроме того, наблюдается увеличение на 25 % коли- ные проблемы дистанционного зондирования Земли чества сцен, пригодных для повторной оценки ка- из космоса, 2016, т. 13, № 5. С. 39–51. чества по результатам фотограмметрического урав- нивания (уточнения параметров движения КА). 4. Селин В. А., Марков А. Н., Васильев А. И., Коршу- нов А. П. Геоинформационный сервис «Банк базо- Дополнительный анализ приведенных распре- вых продуктов» // Ракетно-космическое приборо- делений позволяет оценить точность навигацион- строение и информационные системы, 2019, т. 6, ных систем КМСС КА «Метеор-М» № 2 (в сред- вып. 1. С. 40–48. нем — не лучше 3 пикселей, см. рис. 9). При этом точность прогнозных моделей движениях КА, ис- 5. Марков А. Н., Васильев А. И., Ольшевский Н. А., пользуемых при сбоях навигации, имеет ограни- Крылов А. В., Салимонов Б. Б., Синяев П. А., Ми- ченный разброс (до 300 пикселей, см. рис. 7–8), халенков Р. А., Волкова Е. В. Технологии ведения а также систематическую составляющую (распре- банка базовых продуктов ДЗЗ для задач цифровой деление смещено относительно центра). В свою экономики РФ // Современные проблемы дистанци- очередь, предлагаемые алгоритмы уточнения поз- онного зондирования Земли из космоса, 2020, т. 17, воляют улучшить точность геореференцирования № 5. С. 79–90. (в среднем до 2 пикселей) относительно исходной точности обрабатываемых сцен (около 75 % сцен — 6. Василейский А. С., Жуков Б. С., Жуков С. Б., Кур- хуже 3 пикселей, см. рис. 9). кина А. Н., Полянский И. В. Относительная радио- метрическая калибровка комплекса многозональной Таким образом, результаты анализа на значи- спутниковой съемки (КМСС). Всероссийская науч- тельной выборке архива демонстрируют целесооб- но-техническая конференция «Современные пробле- разность применения данных решений в рамках мы определения ориентации и навигации космиче- штатных и перспективных технологий НКПОР КА ских аппаратов», г. Таруса. 22–25 сентября 2008 г. «Метеор-М». При этом дальнейшее развитие пред- Сб. трудов. ИКИ РАН. 2009 г. С. 562–574. лагаемых методов целесообразно проводить в части увеличения доли сцен с точностью геореференци- 7. Гаврилов В. Р. Методы и средства предполетной рования лучше 1 пикселя, в том числе для высоко- и бортовой радиометрической калибровки оптико- точного сведения изображений спектральных кана- электронной аппаратуры ДЗЗ. 7-я Международная лов цветосинтезированных ортопродуктов. выставка испытательного и контрольно-измеритель- ного оборудования. Метрология, измерения и испы- тания в ракетно-космической отрасли, г. Москва. 27 октября 2020 г. https://www.testing-control.ru (Дата обращения 19.01.2023). Список литературы 8. Жуков Б. С., Жуков С. Б., Кондратьева Т. В., Ни- китин А. В. Автоматизация полетной геометриче- 1. Жуков Б. С., Жуков С. Б., Клименко О. Я., Кон- ской калибровки комплекса многозональной спутни- дратьева Т. В., Никитин А. В., Полянский И. В. ковой съемки КМСС-М на КА «Метеор-М» № 2 // Руководство пользователя видеоданными КМСС. Современные проблемы дистанционного зондирова- КБДУ.201231.014 РПВ. Версия 2. АНО «Космос — ния Земли из космоса, 2018, т. 15, № 6. С. 201–212. наука и техника». М., 2012. С. 59. 9. Жуков Б. С., Гришанцева Л. А., Кондратьева Т. В., 2. Полянский И. В., Жуков Б. С., Кондратьева Т. В., Никитин А. В., Пермитина Л. И., Полянский И. В. Прохорова С. А., Сметанин П. С. Комплекс много- Полетная геометрическая калибровка комплекса зональной спутниковой съемки среднего разреше- многозональной спутниковой съемки КМСС-2 на ния для гидрометеорологических космических ап- КА «Метеор-М» № 2-2 // Современные проблемы паратов // Современные проблемы дистанционного дистанционного зондирования Земли из космоса, зондирования Земли из космоса, 2019, т. 16, № 6. 2019, т. 16, № 6. С. 93–100. С. 83–92. 10. Жуков Б. С., Кондратьева Т.B., Полянский И. В., 3. Марков А. Н., Васильев А. И., Ольшевский Н. А., Пермитина Л. И. Полетная радиометрическая Коршунов А. П., Михаленков Р. А., Салимонов Б. Б., кросс-калибровка комплекса многозональной спут- никовой съемки на КА «Метеор-М» № 1 по спек- трорадиометру MODIS на КА Terra // Современные РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ГЕОРЕФЕРЕНЦИРОВАНИЯ 41 проблемы дистанционного зондирования Земли из 17. Васильев А. И., Михеев А. А., Евлашкин М. А., космоса, 2014, т. 11, № 2. С. 123–137. Ольшевский Н. А. Технологии формирования и пре- доставления глобального опорного покрытия Зем- 11. Кондратьева Т. В., Жуков Б. С., Полянский И. В. ли на основе данных Landsat. Доклад на XVIII Радиометрические характеристики комплексов мно- Всероссийской открытой конференции «Современ- гозональной спутниковой съемки КМСС-М на КА ные проблемы дистанционного зондирования Зем- «Метеор-М» № 2 и КМСС-2 на КА «Метеор-М» ли из космоса», Москва, 16–20 ноября 2020 г. № 2-2 // Современные проблемы дистанционного http://conf.rse.geosmis.ru/thesisshow.aspx?page=174 зондирования Земли из космоса, 2020, т. 17, № 7. &thesis=8262 (Дата обращения 19.01.2023). С. 67–76. 18. Титаров П. С. Оценка точности ориентирования 12. Еремеев В. В., Князьков П. А., Кузнецов А. Е., Ер- снимков PLEIADES // Ракурс, Москва, Россия, маков В. А., Никонов О. А. Комплекс оценки каче- 2013. https://racurs.ru/upload/iblock/734/Pleiades_ ства видеоданных датчиков МСУ-МР и КМСС кос- Titarov_Racurs.pdf (Дата обращения 19.01.2023). мического аппарата «Метеор-М» № 2 // Вопросы электромеханики, 2014, т. 143. С. 29–35. 19. Кузнецов А. Е., Пошехонов В. И., Рыжиков А. С. Технология автоматического контроля точности 13. Бекренев О. В., Жуков Б. С., Гришанцева Л. А., геопривязки спутниковых изображений по опорным Полянский И. В. Особенности автоматической по- снимкам от КА «Landsat-8» // Цифровая обработка токовой обработки данных КМСС космического сигналов, 2015, № 3. С. 37–42. комплекса «Метеор-3М» // Геоматика, 2015, № 2. С. 32–36. 20. Vasilyev A. I., Boguslavskiy A. A., Sokolov S. M. Parallel SIFT-detector implementation for images 14. Плотников Д. Е., Колбудаев П. А., Жуков Б. С., matching. Proc. of the 21st Conference on Com- Матвеев А. М., Барталев С. А., Егоров В. А., Каш- puter Graphics and Vision, GraphiCon’2011, Septem- ницкий А. В., Прошин А. А. Публикация коллекции ber 26–30, 2011, Moscow. P. 173–176. мультиспектральных измерений прибором КМСС-М (КА «Метеор-М» № 2) для количественной оцен- 21. Fischler M. A., Bolles R. C. Random Sample Consen- ки характеристик земной поверхности // Современ- sus: A Paradigm for Model Fitting with Applications ные проблемы дистанционного зондирования Земли to Image Analysis and Automated Cartography // из космоса, 2020, т. 17, № 7. С. 276–282. Communications of the ACM, 1981, vol. 24, iss. 6. P. 381–395. 15. Grodecki J., Dial G. IKONOS Geometric Accuracy // Proceedings of Joint Workshop of ISPRS Working 22. Poli D. A. Rigorous Model for Spaceborne Linear Ar- Groups I/2, I/5 and IV/7 on High Resolution Mapping ray Sensors // Photogrammetric Engineering & Re- from Space 2001, University of Hannover, Germany, mote Sensing, 2007, vol. 73, № 2. P. 187–196. Sept. 19–21, 2001. Дата поступления рукописи 16. Стремов А. С., Васильев А. И., Марков А. Н. в редакцию 28.10.2022 Об уровнях обработки данных российских косми- ческих систем ДЗЗ // Дистанционное зондирование Дата принятия рукописи Земли из космоса в России, 2019, вып. 2. С. 26–31. в печать 01.02.2023 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2023, том 10, выпуск 1, c. 42–52 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 004.9: 629 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.10.1.42.52 EDN ADMOHH Информационно-технологическая система баллистико-навигационного обеспечения полетов космических аппаратов В. К. Ларин, к. т. н., с. н. с., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В статье рассмотрены вопросы возможности представления баллистико-навигационного обеспечения в формате информационно-технологической системы. Причиной такой постановки является необходимость расширения свойств балли- стико-навигационного обеспечения для случаев нештатных ситуаций орбитального характера, когда возникает необходимость перехода к решению слабоструктурированных задач. Используемые в настоящее время комплексы баллистико-навигационного обеспечения обладают возможностью решения только формализованных задач, и в случаях отклонений исходных данных для расчета от нормы происходит сбой решения. Выходом из положения является использование информационно-технологической системы баллистико-навигационного обеспечения, где предусмотрены две ветки расчетов в зависимости от значения степени структуризации. В статье приводится структура, описание свойств и технология применения информационно-технологической системы баллистико-навигационного обеспечения во внештатных ситуациях. Ключевые слова: информационные технологии, информационные системы, информационные процессы, база знаний Information Technology System for Ballistic and Navigation Support of Spacecraft Flights V. K. Larin, Cand. Sci. (Engineering), senior researcher, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The paper deals with the possibility of presenting ballistic and navigation support in the format of an information tech- nology system. The reason for this is the need to extend the properties of ballistic and navigation support for cases of orbital contingencies, when the transition to low-structured tasks is necessary. The presently used ballistic and navigation support com- plexes have the capability of solving only formalized tasks, and in cases of deviations of initial calculation data from the norm the solution fails. The way out is the use of information and technology system for ballistic and navigation support, which provides two branches of calculations depending on the value of the structuring degree. The article presents the structure, description of properties, and technology of employing information technology system for ballistic and navigation support in emergencies. Keywords: information technology, information systems, information processes, knowledge base

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 43 Введение пользователям, созданная с целью обеспечения эф- фективности реализации информационных функ- В информационном мире существует достаточ- ций рассматриваемого объекта. но большое количество информационных систем (ИС), в основе которых лежит обработка информа- ИТС состоит из взаимодействующих функций ции. В качестве примера к ним можно отнести ин- следующих подсистем: формационно-вычислительные системы, информа- ционно-логические системы, экспертные системы, – технологической — языковые средства ИТ, экспертно-диагностические системы, базы знаний, методологическое обеспечение ИТ, технологиче- базы данных, информационно-технологические си- ская среда: сценарии и диаграммы, регламенты; стемы и др. – методической — методы и режимы обработ- Существуют два основных критерия, по кото- ки данных, модели предметной области; рым можно определить, относится данный продукт к информационной системе или нет. Первый кри- – материально-технологической — комплексы терий — данный продукт должен быть системой. вычислительных средств (терминальные комплек- Второй критерий — исходные данные и результаты сы, ПК, сети, специальные вычислительные систе- обработки должны быть информацией. Дополни- мы), программные комплексы специального и обще- тельным условием отбора ИС на современном эта- го назначения, аппаратно-программные комплексы пе является представление данной системы в виде и другие; компьютерной программы. – эргономичной — люди (операторы, програм- К информационным системам относится и боль- мисты, пользователи), психофизиологические тре- шинство информационных технологий (ИТ) по- бования к пользователям, эргономические харак- скольку в обоих случаях информационные продукты теристики отдельных технологических операций; обладают одинаковыми функциями, а именно осу- ществляют сбор, хранение и обработку информации. – организационной — формы и методы органи- зации технологических процессов, функции рабочих В настоящее время к области реализованных мест, структура сети рабочих мест, регламентация ИТ относятся: дистанционная система образования, прав доступа к базам данных и знаний, характери- медицинская информационная система (МИС) qMS, стики временных циклов; системы выработки управленческих решений, авто- матизированные информационные технологии и т. д. – информационной — базы данных и знаний, начальная входная информация, управляющие дан- На основании вышесказанного можно заклю- ные, модели потоков информации в данной предмет- чить, что информационно-технологическую систему ной области, данные как промежуточные результаты (ИТС) можно рассматривать как объединение ИТ и т. д.; и ИС, содержащее как общие функции, так и неко- торые специфические функции ИТ или ИС в зави- – экономической — экономические цели обра- симости от функциональных свойств образуемой си- ботки данных, ограничения, ресурсы для внедре- стемы. ния» [1]. Статья посвящена рассмотрению возможности Основные составляющие ИТС представления баллистико-навигационного обеспе- чения (БНО) в формате информационно-техноло- Основными составляющими ИТС являются гической системы, а также описанию свойств, при- информационные технологии и информационные обретаемых БНО в этом случае. системы. Определение ИТС Информационная технология (ИТ) — «сово- купность средств и методов сбора, обработки и пе- ИТС — это «специализированная часть систе- редачи данных (первичной информации) для по- мы более высокого уровня, которая реализует про- лучения информации нового качества о состоянии цессы сбора, обработки, хранения, передачи данных объекта, процесса или явления. Информационная система (ИС) — взаимосвя- занная совокупность средств, методов и персонала, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

44 В. К. ЛАРИН Рис. 1. Структурная схема ИТС используемых для хранения, обработки и выдачи Обозначения на рис. 1: информации в интересах достижения поставленной модели — модели исследуемой системы; ЭДС — цели» [2]. экспертно-диагностическая система; программы — программный компонент системы; АКП — авто- Учитывая общность функций рассматривае- матизированный комплекс программ; ИВС — ин- мых систем, условно можно принять: формационная вычислительная система; ЛВС — локальная вычислительная сеть, N — степень ИТС=ИТ+ИС. структуризации. Структура ИТС Предметная область ИТС Имея в виду простейшую формулу обра- Предметная область ИТС состоит из взаимо- зования информационно-технологической системы действующих функций следующих подсистем: ИТС = ИТ + ИС, а также основные элементы и функции, составляющие ИТС, структурную схе- – технологической — языковые средства ИТ; мы ИТС можно представить в следующем виде – методологическое обеспечение ИТ; (рис. 1). – технологическая среда: сценарии, диаграммы; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 45 – методы и режимы обработки данных, моде- участия передающего в каких-либо других частях ли предметной области; информационного процесса. – комплексы вычислительных средств, сети, В качестве передатчика могут выступать любые специализированные ВС; физические носители или ретрансляторы (книга, радиопередатчик, флеш-карта), а также компью- – программные комплексы специального и об- терные сети. щего назначения, АПК; Защита информации. Любые действия, ис- – информационная — БД и БЗ; пользующие какие-то средства для защиты инфор- – входная информация, потоки данных. мации от использования другой стороной. Основные виды Защита информации актуальна лишь в слож- информационных процессов ИТС ных информационных системах со многими участ- никами, для того чтобы не дать нежелательно- «Сбор информации. Нахождение и сбор пер- му элементу воспользоваться некой информацией. вичной информации, извлечение ее из “среды”, Фактически единственный способ защиты инфор- иногда, возможно, без конкретной цели. Полученная мации — это шифрование того или иного рода. в итоге сбора информация может быть использована различными обработчиками с различной целью. Использование информации. Самый объем- ный информационный процесс. Являет собой обос- Поиск информации. Нахождение конкретной нованное принятие решений в разных видах че- информации по определенному вопросу с конкрет- ловеческой деятельности в самом широком смыс- ной целью из конкретных источников. ле» [2, 3]. Объектом поиска могут быть измерения радио- Существующие информационные сигналов передающих антенн приемной аппарату- продукты на базе ИТС рой, установленной на Земле или на борту КА. ARIST — это информационный инструмент Обработка информации. Совокупность дей- для получения сведений о существующих на рын- ствий, направленных на преобразование исходной ке инновационных технологиях. (Научно-техноло- информации в новую. гическая информационная служба). Он использу- ется для установления контактов инновационных Задачей обработки информации является по- организаций, обладающих соответствующей техно- лучение чего-то нового от уже существующей ин- логией, с потенциальными клиентами. ARIST предо- формации, фактически создание нового информа- ставляет целый ряд информационных услуг, кото- ционного объекта. рые можно разбить на три группы: Представление информации. Изменение ис- – научная и технологическая информация для ходной информации к виду удобному для ее ис- анализа того, какой стадии достигла определенная пользования в работе. инновационная технология; Наиболее часто встречается в информатике — – технико-юридическая информация — анали- в памяти компьютера вся информация хранится зируются такие темы, как промышленная собствен- в виде двоичного кода, но пользователю представ- ность (патенты, торговые марки, полезные модели, ляется в виде понятных и легко читаемых образов. национальные и зарубежные технические стандар- ты), а также законодательства, нормативно-право- Хранение информации. Хранение информа- вые акты разных стран; ции разделяется на два основных вида — долго- временное и кратковременное. – технико-экономическая информация, вклю- чает рыночные исследования поставок и дистри- Под хранение информации могут подходить бьюции. только те действия, которые в итоге должны при- водить к возможности повторного использования CORDIS — это система баз данных (в настоя- сохраненной информации. щее время 8 баз данных), в которой аккумулиру- Передача информации. Доставка информа- ции от источника потребителю без фактического РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

46 В. К. ЛАРИН ется информация об исследовательской деятельно- сти в странах ЕС. Разработка этой информационной системы была начата в ноябре 1990 г. Достоинством CORDIS является то, что инновационные организа- ции не только могут рекламировать результаты сво- их собственных НИОКР, им может быть оказана са- мая различная информационная помощь. EPIPOS (European Patent Information and Do- cumentation Systems) европейская система патент- ной информации и документации представляет со- бой информационно-технологическую систему, ко- торую разрабатывает и поддерживает Европейское патентное бюро (European Patent Office). Эта си- стема содержит информацию о патентах, получен- ную из более 50 стран. EPIPOS содержит инфор- мацию из таких баз данных, как PATOLIS, — уникальный источник данных о японских патен- тах [4]. Рис. 2. Структура БНО ИТС–БНО (аналог БНО) — система подготов- ки баллистико-навигационных данных для управ- Программа — последовательность решения за- ления полетом КА. Предварительно будем рассматривать «ИТС– дачи (алгоритма), написанная на алгоритмическом БНО» в качестве информационного продукта ИТС. языке. БД (база данных) — способ хранения данных До настоящего времени БНО как систему при- в определенном формате. числяли к информационным системам, определяя СУБД (система управления базой данных) — последние как системы более высокого уровня. Нижеследующий анализ БНО показывает возмож- система команд управления данными в базе данных. Архивы (файловые архивы данных) — форма ность отношения БНО к ИТС как к системе бо- лее высокого уровня. Это позволяет, во-первых, хранения данных в памяти ЭВМ, использующая определить более точное положение БНО как си- сетевую ОС. ЛВС (локальная вычислительная сеть) — объ- стемы в линейке информационных продуктов ИС, и, во-вторых, расширить поиск решения местопо- единение рабочих станций на ограниченной тер- ритории в одну систему с использованием инфор- ложения КА в режиме внештатной ситуации. Структурная схема БНО представлена на рис. 2. мационных каналов под управлением выделенной Ниже приведена краткая характеристика ос- ЭВМ (сервера). Сервер — ЭВМ с функциями управления рабо- новных элементов БНО (состав БНО характерен практически для большинства предметных обла- чими станциями ЛВС, использующая сетевую ОС. Рабочая станция (ЭВМ) — номинальный эле- стей расчетных задач). Постановка (постановка задачи) — формули- мент ЛВС, решающий определенный блок задач ровка цели решения и необходимых исходных дан- в рамках программы полета КА (или другого тех- нологического процесса) [5]. ных. Методы (методы решения) — математические или эвристические методы решения задачи в зави- Информация БНО симости от степени структуризации. Алгоритмы — иерархическая последователь- Информацию БНО целесообразно рассматри- ность решения задачи от входных данных до ре- вать, разделяя на входную и выходную информа- зультата. ции. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 47 К входной информации относятся: Поиск информации – измерительная траекторная информация; – геофизические параметры Земли и ее атмо- Под поиском информации будем понимать на- сферы; хождение конкретной информации по определенно- – технические характеристики КА; му вопросу с конкретной целью из конкретных ис- – номинальные параметры рабочей орбиты КА; точников. – координаты приемных станций. К выходной информации относятся: В данном случае основным объектом поис- – параметры уточненной орбиты КА; ка информации системой БНО являются измере- – стандартная баллистическая информация ния радиосигналов передающих антенн КА при- (трасса полета, теневые участки полет, зоны ви- емной аппаратурой, установленной на Земле или димости КА и т. д.); на борту КА. В качестве таких измерений (да- – параметры управления ДУ (в случае коррек- лее «траекторные измерения») могут быть кодо- ции или спуска с орбиты); вые и фазовые псевдодальности, высота КА над по- – формы обмена баллистической информацией верхностью Земли, двойные дальности, измеряемые с группами управления КА. ЛДС и др. Указанная информация получается в ре- зультате проведения сеансов РКО, которые заранее Функциональные процессы БНО планируются группой управления КА и передаются на измерительные пункты НКУ. Измерения по ин- Сбор информации формационным каналам передаются на сервер БНО ЦУП КА, где происходит их дальнейшая обработка. Под сбором информации в данном случае по- Вся остальная информация, используемая в процес- нимается сбор траекторной информации. Вид ин- се баллистических расчетов, располагается на сер- формации зависит от приемопередающей аппара- верах ЦУП КА, как правило, она находится в спе- туры, используемой в данном процессе. К наибо- циальных архивах или базах данных. лее распространенным типам измерений относятся: псевдодальность — время прохождения сигнала Обработка информации от передающей антенны КА до приемника; псевдо- фазовая дальность — функция изменения фазы В общем виде под обработкой информации бу- несущей за время прохождения сигнала от КА дем понимать совокупность действий, направленных до приемника; высота КА — в случае использо- на преобразование исходной информации в новую. вания высотомера на борту КА; двойная дальность от КА до приемника в случае использования лазер- Для БНО исходной информацией являются: но-дальномерной системы. Первичная стадия сбора сеансы траекторных измерений и необходимые для информации заключается в получении измерений расчетов данные по системам КА, данные о Земле приемной антенной (последняя может находиться и окружающей атмосфере. как на Земле, так и на борту КА, с последую- щей передачей в Центр управления КА). Продол- К результатам обработки исходной информа- жительность разовых измерений (а также и объем ции относятся: уточненные параметры орбиты КА; информации) зависят от времени нахождения КА стандартная баллистическая информация, включаю- в зоне приема сигнала (зона видимости), которые щая зоны видимости КА для точек наблюдения; заранее планируются в «группе управления КА». трасса полета КА в виде набора точек с геодези- Процедура проведения измерений и сбора трактор- ческими координатами с определенным временным ной информации называется радиоконтролем орби- шагом; целеуказания; программы управления ДУ ты (РКО). Для получения орбиты с требуемой точ- в случае проведения коррекции или спуска с ор- ностью необходимо накопление информации соот- биты, а также формы обмена баллистической ин- ветствующей нескольким сеансам РКО. формации для групп управления КА ЦУПа. Представление информации Представление информации заключается в из- менении исходной информации к виду, удобному для ее использования в работе. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

48 В. К. ЛАРИН Возможные формы представления информации Одной из самых популярных систем памяти следующие: таблицы; графики; диаграммы; схемы является База данных (БД) с управляющей про- (например, электрические); блок-схемы программ; граммой (СУБД). Наиболее распространенной сре- рисунки; шрифты — их вид и размер; специальные ди БД является реляционная БД, в которой дан- формы баллистической информации, используемые ные хранятся в виде двумерных таблиц. Преиму- в оперативном управлении КА. Выбор вида фор- щество БД перед другими системами памяти за- мы представления выходной информации зависит ключается в том, что СУБД позволяет не только от требований пользователя максимальной инфор- выдавать информацию по запросу, но и выполнять мативности полученных данных. Еще одним кри- определенные процедуры обработки данных. терием выбора вида формы является точность дан- ных, с которой требуется дальнейшее их исполь- Передача информации зование. Передача информации — физический процесс Для преобразования выходных данных в со- (в общем смысле), посредством которого осуществ- ответствующие формы существует большой набор ляется перемещение сведений, способных предо- программ. В частности, современные операционные ставлять информацию, в пространстве, или физиче- системы (например, Windows) включают в качестве ский доступ субъектов к носителям информации. сервиса большое число графических подпрограмм. К ним следует отнести специализированные про- Передача информации (с точки зрения БНО) — граммы Microsoft Office. технический процесс, результатом которого являет- ся перемещение информации от источника к при- Хранение информации емнику. Хранение информации является информацион- В практике БНО передача информации про- ным процессом, в ходе которого информация оста- ходит два этапа: первый, КА–пункт приема, осу- ется неизменной и доступной с точки зрения воз- ществляется по радиотелеметрическому каналу, можности повторного использования. второй — от приемной антенны до групп управле- ния КА по информационным каналам компьютер- Опуская описание прежних форм и способов ной сети. хранения информации, приведем современные тех- нологии работы с информацией. Разделим способы Процесс передачи информации должен удовле- хранения информации в вычислительной системе творять двум критериям: полное совпадение отправ- на внутренние и внешние (имея в виду какое-то ленной и полученной информации и получение ин- устройство внутри и вне ее). В настоящее вре- формации в заданное время, иначе информация те- мя основным внутренним носителем информации ряет смысл. является память компьютера (ПК). В компьютере предусмотрены два основных устройства памяти: К основным современным видам передачи ин- оперативная память (специальная плата) и жест- формации можно отнести: оптическую, провод- кий диск, различающиеся по объему памяти и ско- ную, радио-, радиорелейную, волоконно-оптиче- рости обращения. В ПК имеются два устройства скую, спутниковую. (дисковод и USB), позволяющие запись и считы- вание информации с внешних устройств памяти — Защита информации это диски и флеш-накопители. В самом общем смысле под защитой информа- Для удобства вычислений в памяти ПК орга- ции понимается комплекс действий, использующий низуют «архивы» — специальные файлы большого какие-то средства для защиты информации от ис- объема, обмен информацией с которыми произво- пользования другой стороной. дится с помощью стандартных команд, приведен- ных в компьютерной программе. Под защитой информации в данном контек- сте следует понимать мероприятия, обеспечива- ющие получение безошибочных результатов рас- четов баллистических данных, необходимых для управления КА. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 49 Ошибки, приводящие к неправильным резуль- Нарушения работы аппаратуры жизнеобеспе- татам, могут иметь место в следующих случаях: чения КА не являются предметом рассмотрения в данной статье. а) ошибки в исходных данных; б) ошибки в программе, допущенные при раз- Рассмотрим вариант нештатной ситуации, работке; когда объем и качество измерительной информации в) заражение программ вирусом; не обеспечивают точное решение краевой задачи г) завышенная продолжительность решения (в пределе сбой решения, что может привести к по- варианта программы. тере КА), в таком случае данная задача относится к Способ исключения ошибок по варианту а) — разряду слабоструктурированных задач, а ее реше- двойной контроль исходных данных перед началом ние переносится в область системного анализа [5]. расчетов. Способ исключения ошибок по варианту б) — Наиболее эффективным способом решения сла- тестовые расчеты и сравнение результатов с эта- боструктурированных задач в рамках системного лонными данными. анализа является использование эвристических ме- Способ исключения ошибок по варианту в) — тодов (ЭМ). В связи с этим структура ИТС–БНО проверка рабочей программы на антивирус перед должна включать две вычислительные линейки началом расчетов. в зависимости от степени структуризации исход- Способ исключения ошибок по варианту г) — ных данных: аналитическую — ИВС для формали- анализ программы на предмет поиска сбойных бло- зованных данных и системную — ЭМ для слабо- ков, приводящих к задержке решения (или его структурированных данных. остановке). Краткий перечень основных типов формаль- ных и эвристических методов приведен в таблице. Использование информации Т а б л и ц а. Формальные и эвристические методы реше- ния измерительных задач В общем смысле «Использование информа- Аналитические методы Формальные методы — ции» наиболее объемный информационный про- Статистические методы методы формализованно- цесс. Являет собой обоснованное принятие реше- Теоретико-множественные го представления систем ний в разных видах человеческой деятельности методы (количественное реше- в самом широком смысле. Лингвистические методы ние) Семиотические методы В данном случае целью информационного про- Графические методы цесса, организуемого БНО, является своевремен- ный расчет баллистической информации, необхо- Морфологический подход Эвристические мето- димой для управления полетом КА. Методы структуризации: ды — методы, направ- Особенности БНО при рассмотрении системы в формате ИТС «дерева целей», «прогноз- ленные на активизацию Управление полетом КА может происходить ного графа» и др. использования интуиции в двух режимах: штатном, когда полет КА проис- ходит в соответствии с «Программой полета» (до- Методы «Дельфи» и опыта специалистов кумент ГК); и внештатном режимах, когда полет КА происходит с отклонениями от «Программы по- Методы экспертных оценок (качественное решение) лета». Наиболее серьезным считается нештатная ситуация, связанная с нарушениями работы аппа- (ЭС, ЭДС) ратуры жизнеобеспечения КА, а также при сбоях в цикле РКО. Методы «сценариев» Методы мозгового штурма (атаки) К наиболее часто используемым формальным методам решения задач БНО относятся аналитиче- ские и статистические методы. К используемым эвристическим методам от- носятся методы экспертных оценок в форме ЭС и ЭДС [6, 7]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023

50 В. К. ЛАРИН Рис. 3. Структурная схема ИТС–БНО С учетом вышесказанного и схем ИТС (рис. 1) «Расчет N » и левой ветки с элементами ЭМ, ЭДС и БНО (рис. 2) структурная схема ИТС–БНО будет и «Отобранные измерения», соответствующей N < иметь следующий вид (рис. 3). < 0,5. По этой ветке проходит решение задач БНО в случае их отношения к слабоструктурированным На рис. 3 введены обозначения: задачам. ПМИО — программно-методическое и инфор- мационное обеспечение; Технологически процесс функционирования N — степень структуризации системы; ИТС–БНО в части использования эвристических ЛВС — локальная вычислительная сеть; методов можно представить в виде следующей по- ИВС — информационно-вычислительная сис- следовательности шагов. тема; ЭМ — эвристические методы; 1. Расчет N (расчет степени структуризации). ЭДС — экспертная диагностическая система; Для точного определения значения N должны АКП — автоматизированный комплекс про- быть выполнены следующие действия: грамм; БД — база данных; – получение и сохранения «сырых» траектор- СУБД — система управления БД. ных измерений; Принципиальное отличие структурной схемы БНО (рис. 2) от ИТС–БНО (рис. 3) заключа- – первичный анализ траекторных измерений ется в появлении в 1-й части ИТС–БНО блока с выделением информационных параметров [8]; – расчет текущего значения Ni и его сравне- ние с заданным значением 0,5. В случае если Ni < < 0,5, то дальнейшие расчеты ведутся по левой РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 10 вып. 1 2023