РКС 2021 1

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ 71 Проблема — разница между действительным По степени структурированности выделяют ИЗ: и желаемым состоянием объекта. – структурированные, – неструктурированные, Измерительная задача — задача обработки – слабоструктурированные, измерений с целью определения физических свойств – квазиструктурированные. (или характеристик) измеряемого объекта [2]. Согласно классификации, предложенной Г. Саймоном и А. Ньюэллом [3], все множество Предметная область — совокупность объек- проблем (или задач), в зависимости от глубины их тов, свойств и функциональных связей между ними, познания, подразделяется на три класса: присущих области решений данной задачи. – хорошо структурированные или количе- ственно выраженные проблемы, которые поддаются Информационный параметр (ИП) — ко- математической формализации и решаются с ис- личественная или качественная характеристики пользованием формальных методов; «неисправности» различного вида, проявляющейся – неструктурированные или качественно вы- в элементах системы в процессе решения задачи. раженные проблемы, которые описываются лишь на содержательном уровне и решаются с использо- Структура (от лат. structure — строение, рас- ванием неформальных процедур; положение, порядок) — совокупность устойчивых – слабоструктурированные проблемы, содер- связей объекта, обеспечивающих или целостность жащие количественные и качественные зависимо- и тождественность самому себе, или сохранение сти, причем качественные относятся к малоизвест- основных свойств при различных внешних и внут- ным и неопределенным объектам и имеют тенден- ренних изменениях. цию к доминированию. Дополнительно введен еще один тип задач, рас- Баллистико-навигационное обеспечение полагающийся между структурированными и сла- (БНО) — основной вид информационного обеспе- боструктурированными задачами — квазиструкту- чения управления полетом КА. рированные задачи; в большинстве случаев они имеют формализованное решение, но с отклоне- Системный анализ (СА) — научный метод ниями по точности решения. познания, представляющий собой последователь- ИЗ разделяются по типу измерительной ин- ность действий по установлению структурных свя- формации: зей между элементами исследуемой системы. – дальности, – фазе, Формальные методы (ФМ) — математиче- – разности дальностей и разности фаз в слу- ские методы решения формализованных задач. чае использования измерений КА глобальной нави- гационной системы. Эвристические методы (ЭМ) — качествен- Различают следующие методы решения ИЗ ные методы решения слабоструктурированных и не- (обработки измерительной информации): структурированных задач. – статистический — метод, используемый для обработки большинства видов измерительной ин- Информационно-вычислительная система формации; (ИВС) — совокупность данных (или баз данных – аналитический — метод получения точного (БД)), систем управления базами данных и при- числового решения, в частности рассматривается кладных программ, функционирующих на вычис- кинематический метод определения орбиты КА лительных средствах как единое целое для реше- с использованием одномоментных навигационных ния определенных задач. определений; – эвристический — метод получения нефор- Система — совокупность взаимосвязанных мального решения, в частности «дерево целей», элементов. Классификация измерительных задач Классификация ИЗ осуществляется по следу- ющим признакам: степени структурированности, типу измерительной информации и методу реше- ния ИЗ (обработки измерительной информации). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

72 В. К. ЛАРИН «прогнозный граф», метод «Дельфи», метод экс- или программы можно описать с помощью матема- пертных оценок, метод «сценариев». тических выражений (условий перехода). По ана- логии со структурными связями условия перехода Поскольку предметная область ИЗ достаточно могут отсутствовать либо быть неточно сформули- большая, используется понятие «степень структу- рованными. В таком случае происходит сбой ре- ризации задач», цель которого сводится к упоря- шения или получается отличающийся по точности дочению распределения ИЗ в предметной области результат. в зависимости от корректности решения. Введем понятие «вероятность получения коли- Процедура классификации необходима для чественного решения задачи — P (A)» (по аналогии определения предметной области ИЗ. с CCЗ). Анализ частей структуры ИЗ БНО Вероятность события A вычисляется как отно- шение числа благоприятных случаев m к общему Анализ частей структуры ИЗ БНО заклю- числу случаев n [4]: чается в выявлении информационных параметров в каждом структурном блоке [3]. P (A) = m/n. (1) Структурная схема ИЗ без привязки к какой- Рассмотрим два положения из теории вероят- либо предметной области может быть представлена ностей. в следующем виде (см. рисунок). 1. Вероятность появления какого-либо одного из нескольких несовместимых событий равна сум- ме вероятностей этих событий: Pc = m1/n1 + m2/n2 + . . . + mk/nk. (2) 2. Вероятность совместного появления несколь- ких событий равна произведению вероятностей этих событий: Pc = m1/n1 × m2/n2 . . . × mk/nk. (3) Рисунок. Структурная схема измерительной задачи По аналогии с формулой расчета вероятности благоприятных исходов события (1) формула для Анализ ИЗ БНО с учетом функционально- расчета степени СЗ будет иметь вид го наполнения блоков [4] позволяет сформировать следующий перечень ИП, привязанный к конкрет- N = (n − p)/n, (4) ной предметной области БНО (табл. 1). где n — общее число элементов в блоке, p — число Определение степени ИП в блоке. Разность (n − p) представляет собой структурированности задачи число «чистых» элементов в блоке. Степень структурированности задачи (CCЗ) Тогда с учетом выражений (2), (3) и (4) мож- является ориентиром для выбора метода решения но представить формулы для определения ССЗ для задачи. случая исключения влияния одного ИП в одном из блоков задачи: Термин «слабоструктурированная проблема (задача)» говорит о слабых структурных связях N1 = (n1 − p1)/n1 + (n2 − p2)/n2 + . . . + (nk − pk)/nk, частей системы или об их отсутствии. Аналити- (5) чески связи между соседними блоками алгоритма где p1, p2, . . . — число ИП в блоке; n1, n2, . . . — количество всех элементов в соот- ветствующем блоке задачи. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ 73 Т а б л и ц а 1. Перечень информационных параметров ИЗ БНО Функциональное Обозна- Характеристика ИП Примечание содержание блока чение Бл-1 Постановка ИП Описание задачи ИПп-1 — Не выявлено Бл-2 Алгоритм ИД ИПа-1 Недостаточное количество ИД — (const, измерений) Типы измерений ИПа-2 Не рассмотрен один из типов измерений Например, дальность Условия решения ИПа-3 Отдельные условия не соответствуют — физическому смыслу входящих Математико-статистические ИПа-4 величин МНК (метод наименьших методы квадратов), Монте-Карло Ошибки в зависимостях используемых методов Бл-3 Программа Исходные данные ИПпр-1 Недостаточное количество ИД — (const, измерений) Расчет параметров орбит ИПпр-2 Ошибки в модели движения КА — навигационных КА — ИПпр-3 Нарушения в условиях выбора базовых — Расчет базовых линий линий Фильтрация и разрядка ИПпр-4 Неправильно заданы параметры измерений фильтрации Формирование разностей ИПпр-5 Число измерений в сеансе (n) n < 10 и сеансов измерений не соответствует норме Бл-4-1 База данных Настройка доступа к БД ИПб-1 Неправильная настройка параметров См. программу доступа к БД «Формирование рабочих настроек» Формирование ИПб-2 Откат отдельных транзакций — и исполнение запросов к БД при обращении к БД Формирование таблиц БД ИПб-3 Наличие одинаковых записей или полей — в таблице — Функция объединения таблиц ИПб-4 Выбор неправильного признака объединения таблиц РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

74 В. К. ЛАРИН Т а б л и ц а 1. Окончание Функциональное Обозна- Характеристика ИП Примечание содержание блока чение ИП — — Бл-4-2 Архивы — — Настройка локальных путей ИПар-1 Неправильная настройка локальных путей хранения информации — — Списки измерительных ИПар-2 Несоответствие списков станций — станций — Списки базовых линий ИПар-3 Несоответствие списков базовых линий Настройка доступа ИПар-4 к каталогам SP3 Неправильная настройка доступа ИПс-1 к каталогам SP3 Сервер ЦБД Бл-5 Сервер Сбой при промежуточном обращении к ЦБД Сервер предварительной ИПс-2 Неправильные настройки расчетных обработки измерений параметров Сервер краевой задачи ИПс-3 Некорректное определение скачков фазы по «фазе» Сервер краевой задачи ИПс-4 Отсутствие данных ЭВИ по «коду» Для случая исключения влияния одновремен- сти N при условии, что N для структурированных но нескольких ИП в различных блоках задачи: задач = 1, для неструктурированных задач = 0 [5]. N2 = (n1 − p1)/n1 × . . . × (nk − pk)/nk. (6) В этом случае – для структурированных задач Ni = 1; N1 и N2 для единичных или нескольких ИП не – для квазиструктурированных задач 1 > Ni могут рассматриваться как элементы алгоритма за- 0,5; дачи, однако их использование целесообразно для определения направления поиска методов решения, – для слабоструктурированных задач 0,5 < что значительно ускоряет процедуру решения. < Ni > 0; Выбор метода решения – для неструктурированных задач Ni = 0. измерительных задач Исходя из опыта работ по БНО КА можно при- нять, что для решения ИЗ используются следующие Критерии выбора методы: Как указывалось выше, критериями выбора – аналитические (А), метода решения ИЗ могут быть значения степени структурированности задач N . – статистические (С), Ниже предлагается обобщенное числовое рас- – статистические со снижением точности пределение типа ИЗ и величины структурированно- (ССТ), – эвристические (ЭМ). Для удобства данные зависимости между сте- пенью структуризации и методом решения при- ведены в табл. 2; А + С означает возможность РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ 75 Т а б л и ц а 2. Зависимость метода решения от степени Способ выбора структуризации ИЗ Выбор метода решения сводится к следующим Типы ИЗ Методы решения ИЗ действиям. N А + С ССТ ССТ + ЭМ ЭМ 1. Выбирается вариант расчета N в зависимо- Структури- 1 + сти от случаев возникновения сбоев из-за воздей- рованные ствия ИП. Возможны варианты: Квазиструк- + – блокирование реакции одного ИП в одном турирован- 1 > N 0,5 из блоков задачи (формула (5)); ные – блокирование влияния одновременно не- скольких ИП в каждом блоке задачи (формула (6)). Слабо- + структури- 0,5 < N > 0 2. В зависимости от варианта решения с ис- пользованием данных табл. 1 рассчитывается зна- рованные чение Ni. Неструк- 0 + 3. По значению Ni по табл. 2 определяется тип турирован- ИЗ и выбирается метод решения. ные использования двух методов решения — аналити- Технология решения ИЗ БНО ческого и статистического. Технологию решения ИЗ рассмотрим на при- Конкретные названия методов для решения ИЗ мере решения задачи БНО «предварительная обра- приведены в табл. 3 [6]. ботка траекторных измерений (ПРО)», относящей- ся к типу измерительных задач. Т а б л и ц а 3. Перечень основных методов, используе- мых для решения ИЗ Для простоты в качестве измерительной ин- формации возьмем кодовую дальность d: Типы методов Наименования методов d = c · t, (7) Формальные Аналитические методы Статистические где c — скорость света; t — время прохождения Теоретико-множественные сигнала от передающей антенны КА до приемной Эвристические Лингвистические антенны измерительного пункта. методы Семиотические Графические Цель задачи ПРО заключается в фильтрации «сырых» измерений (формат Rinex-файлов) и фор- Морфологический подход мировании сеансов измерений в пределах заданно- Методы «дерево целей» го цикла радиоконтроля орбиты (РКО). Будем счи- Методы «Дельфи» тать БНО предметной областью ИЗ, а ее контен- Методы экспертных оценок том — задачу ПРО. Методы «сценариев» Методы мозгового штурма (атаки) Согласно приведенным выше этапам системно- го подхода на первом этапе определяется место ИЗ В большинстве случаев формальные методы в классификационном перечне. применяются для решения структурированных за- дач, эвристические методы — для слабоструктури- Установлено, что задача ПРО относится к ИЗ рованных и неструктурированных задач. предметной области БНО по критерию «тип изме- рительной информации» — дальность. Из формальных методов наиболее часто ис- пользуются аналитические и статистические мето- На втором этапе проводится анализ структур- ды, из эвристических методов — метод экспертных ных частей задачи ПРО с целью определения наи- оценок, включая экспертные системы, морфологи- более уязвимых к сбою частей по значениям ИП. ческий подход и метод мозгового штурма [5]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

76 В. К. ЛАРИН Для расчета значения ССЗ примем вариант Заключение «блокирование влияния одного ИП в одном из бло- ков задачи». При этом необходимо учесть сле- 1. Разработана методология решения измери- дующее замечание: ввиду того, что работа бло- тельных задач с использованием системного под- ков задачи происходит последовательно во времени хода, представляющая возможность определять ме- и блоки не могут работать одновременно, сумма (5) тоды решения ИЗ для конкретной предметной об- сокращается до одного слагаемого (любого из бло- ласти. ков задачи), как это следует из названия варианта. 2. Дано определение системного подхода как Тогда последовательного выполнения этапов классифика- ции задачи, степени ее структуризации, выбора ме- N1 = (nk − pk)/nk, (8) тода и технологии решения. где nk — общее число элементов в выбранном бло- 3. Разработана методика определения степени ке k; pk — число ИП в блоке k. структуризации измерительных задач, позволяющая уточнять их место в общем перечне задач БНО. Исходные данные для расчета N1 с учетом данных табл. 2 приведены в табл. 4. 4. Разработана технология решения измери- тельных задач в рамках системного подхода, поз- Т а б л и ц а 4. Исходные данные для расчета степени воляющая путем последовательных действий найти структуризации N1 метод решения, зависящий от степени структури- зации задачи. № Наименование Число ИП Число Список литературы п/п блоков в блоке (pk) элементов в блоке (nk) 1. Тарасенко Ф. П. Прикладной системный анализ: учебник / Ф. П. Тарасенко. Томск: Издательство 1 Постановка — > 10 Томского университета, 2004. 185 с. задачи 2. Бетанов В. В. Использование системного подхода 2 Алгоритм 4 > 100 к решению проблемных вопросов функционирова- ния АКП БНО полетов КА ГНСС / В. В. Бетанов, 3 Программа 4 > 100 В. К. Ларин // Ракетно-космическое приборострое- 5 > 100 ние и информационные системы. 2016. Т. 3, вып. 1. 4 Блоки памяти С. 3–10. (БД, архив) 3. Бетанов В. В. К вопросу анализа причин возник- 5 Сервер 4 > 100 новения сбоев в АКП / В. В. Бетанов, В. К. Ларин, З. А. Позяева // Ракетно-космическое приборострое- Подставляя данные из табл. 4 (для любого ние и информационные системы. 2015. Т. 1, вып. 3. блока) в (8), получим значение 0,5 < N1 < 1. С. 55–60. Соответственно полученному значению N1 за- 4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вент- дача ПРО, согласно табл. 2, относится к квази- цель. М.: Государственное издательство физико-ма- структурированным задачам и решается статисти- тематической литературы, 1961. 563 с. ческими методами (в частности, методом наимень- ших квадратов, со значением предельно допусти- 5. Бетанов В. В. Концепция использования гибридной мой ошибки результата, не превышающей 3,5 × σ, технологии в информационно-вычислительных си- (σ — среднеквадратическая ошибка измерения)). стемах / В. В. Бетанов, В. К. Ларин // Правовая ин- форматика. 2018. № 2. С. 39–46. Таким образом, для задачи ПРО определены предметная область — БНО КА, степень струк- 6. Ларин В. К. Построение прототипа экспертно-диа- турированности задачи — N1, метод решения — гностической системы анализа траекторной измери- статистический с возможным понижением точно- тельной информации / В. К. Ларин // Ракетно-косми- сти решения, что подтверждает практическую зна- ческое приборостроение и информационные системы. чимость проведенных исследований. 2017. Т. 4, вып. 1. С. 53-60. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 77–85 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 004.627 DOI 10.30894/issn2409-0239.2021.8.1.77.85 Увеличение объемов передаваемой по космическим радиолиниям информации за счет применения алгоритмов сжатия А. Е. Мордвинов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. С. Никитин, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. С развитием спутниковых систем дистанционного зондирования Земли растут требования к скорости передачи данных, которая практически достигла границы Шеннона. Перспективным решением является применение на борту косми- ческих аппаратов алгоритмов сжатия передаваемых данных. Наибольший интерес для исследования представляет сжатие оптических снимков, поскольку они занимают наибольший объем передаваемой информации и хорошо поддаются сжатию, в том числе без потерь. На данный момент авторам статьи неизвестны эффективные алгоритмы сжатия оптических снимков, которые применялись бы на борту отечественных космических аппаратов. В таких алгоритмах должны учитываться функцио- нальные особенности матриц оптико-электронной аппаратуры, структуры получаемых снимков и выдаваемых пакетов данных. Также должна применяться правильная комбинация методов сжатия, которая бы учитывала структуру данных на каждом этапе и обеспечивала требуемый баланс между степенью сжатия, скоростью сжатия, потребляемыми бортовыми ресурсами и сложностью реализации. Алгоритмы, применяемые в распространенных форматах медиаданных, этим требованиям не удо- влетворяют. Алгоритмы, применяемые в некоторых зарубежных космических аппаратах, сжимают либо с потерями, либо с низкой степенью. Таким образом, необходим более глубокий анализ особенностей оптико-электронной аппаратуры, структур передаваемых данных, а также методов и алгоритмов их сжатия. Ключевые слова: радиолиния, высокоскоростная радиолиния, бортовая аппаратура, ВРЛ, БА ВРЛ, бортовой радиотехниче- ский комплекс (БРТК), дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), спутниковые изображения, спутниковые снимки, алго- ритмы сжатия снимков, алгоритмы сжатия изображений, сжатие снимков, сжатие изображений, информационная скорость радиолинии, скорость передачи данных Increasing the Volume of Information Transmitted through Space Radio Links by Implementing Compression Algorithms A. E. Mordvinov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. S. Nikitin, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. With the development of Earth remote sensing systems, requirements for the data transfer rate, which has almost reached the Shannon limit, become more demanding. A promising solution is the use of transmitted data compression algorithms on board the spacecraft. Of greatest interest for research is the compression of optical images, since they occupy the largest volume of transmitted information and lend themselves well to compression, including lossless compression. Currently, the authors of the article are not aware of efficient algorithms for compressing optical images that would be used onboard domestic spacecraft. Such algorithms must account for the functional features of the optoelectronic equipment matrices, the structure of the obtained images and the issued data packets. The right combination of compression methods, which would take into account the data structure at each stage and ensure the required balance between the compression ratio, compression rate, consumed onboard resources and implementation complexity, must also be applied. Algorithms used in common media data formats do not meet these requirements. The algorithms employed in some foreign spacecraft either compress with loss or with a low compression ratio. Thus, an in-depth analysis is required of the peculiarities of optoelectronic equipment, the structures of transmitted data, as well as of the methods and algorithms for their compression. Keywords: radio link, high-speed radio link, onboard equipment, HSRL, HSRL OE, onboard radio engineering complex (OREC), Earth remote sensing (ERS), satellite imagery, satellite images, image compression algorithms, imagery compression algorithms, image compression, imagery compression, radio-link data rate, data transfer rate

78 А. Е. МОРДВИНОВ, А. С. НИКИТИН Введение эффективной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ). Для хорошо освоенной кодовой конструк- Требуемая скорость передачи данных в радио- ции 32АФМ 9/10 спектральная эффективность линии определяется информационными потоками равна 4,453027 бит/с · Гц, а требуемое отношение с целевой аппаратуры либо телеметрической систе- сигнал/шум соответственно равно 15,98 дБ. Увели- мы космического аппарата (КА). С развитием со- чение скорости битового потока на 20 % потребует временных КА дистанционного зондирования Зем- использования кодовой конструкции со спектраль- ли (ДЗЗ) объемы получаемых снимков существен- ной эффективностью не хуже 5,34363 бит/с · Гц, но возросли, а скорость их передачи достигла что соответствует созвездию 64АФМ 9/10 и от- уже нескольких гигабит в секунду. Тенденцией ношению сигнал/шум 18,51 дБ. Таким образом, развития группировок КА ДЗЗ является повыше- ЭИИМ придется увеличить практически в 2 раза, ние информативности, оперативности, глобально- что приведет к значительному увеличению энерге- сти и непрерывности, что в будущем приведет тических и массогабаритных характеристик борто- к еще большему увеличению потоков передаваемой вой аппаратуры радиолинии. информации и, соответственно, увеличению требу- емых от радиолинии скоростей передачи данных. Таким образом, спектральная эффективность С увеличением сложности бортовых систем растут технически реализуемых радиолиний практически и объемы телеметрируемых параметров, которые достигла предела Шеннона. Альтернативным путем также потребуют от радиолинии повышения ско- повышения информационной скорости в радиоли- рости передачи данных. нии является внедрение алгоритмов сжатия дан- ных в цифровую часть системы, что позволит из- Скорость передачи данных по радиолинии пря- бежать значительного увеличения энергетических мо пропорциональна спектральной эффективности и массогабаритных характеристик аналогового трак- применяемых в ней сигнально-кодовых конструк- та и увеличить объем передаваемой информации ций. Рассмотрим два основных пути повышения в 1,2–10 раз. спектральной эффективности. На сегодняшний день существует огромное 1. Расширение выделенного частотного диапа- множество методов и конкретных алгоритмов сжа- зона (полосы пропускания) позволит повысить ско- тия данных. В наземной технике большинство из рость битового потока, не применяя более слож- них получили весьма широкое распространение: ную сигнально-кодовую конструкцию, чем хоро- в компьютерах, сети Интернет, факсах, смартфонах, шо освоенная 32АФМ. Однако в хорошо освоен- плеерах, радиостанциях, фотоаппаратах, видеока- ном Х-диапазоне частот ГКРЧ позволяет исполь- мерах и т. п. Однако в космической технике су- зовать полосу пропускания около 375 МГц, расши- ществующие алгоритмы сжатия данных широко- рение которой не допускается. Можно увеличить го распространения не получили. Из нескольких ширину полосы пропускания, перейдя в набираю- тысяч запущенных КА только несколько десят- щий популярность Ка-диапазон частот, однако ши- ков из них применяют в бортовой аппаратуре ра- рокополосных ламп бегущей волны, применяемых диолинии какие-либо алгоритмы сжатия инфор- в бортовых передатчиках, на сегодняшний день мации. Причин, по которым сжатие информации еще не существует. Стоит отметить и частичное до сих пор не получило широкого распростране- отсутствие необходимой электронно-компонентной ния, несколько. базы Ка-диапазона, а также слабо развитую назем- ную инфраструктуру. 1. Одной из основных технических характери- стик радиолинии считается вероятность появления 2. Применение более сложных сигнально-ко- ошибки на бит принятой информации, возникно- довых конструкций позволит повысить скорость би- вение которой в пакете сжатой информации ведет тового потока, но приведет к увеличению требуе- к ее размножению при декодировании и искажению мого отношения энергии полезного сигнала к спек- информации всего сжатого пакета. тральной плотности мощности шума E /N0 у по- верхности Земли, а следовательно, и к увеличению 2. Обработка высокоскоростных потоков инфор- мации (более 1 Гбит/с) требует соответствующих РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМОВ ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО КОСМИЧЕСКИМ РАДИОЛИНИЯМ ИНФОРМАЦИИ 79 вычислительных ресурсов, которые для бортовой видом, наивысшей энтропией и большими объема- аппаратуры весьма ограничены по сравнению с на- ми, для передачи которых используются высоко- земной. скоростные радиолинии со скоростью передачи до нескольких гигабит в секунду [7]. Сжатие первич- 3. Внедрение дополнительных бортовых прибо- ной РЛИ сильно затруднено и в большинстве слу- ров/модулей сжатия информации может понизить чаев не оправдывает своего применения. общую надежность бортовой аппаратуры радиоли- нии, а также ведет к увеличению ее стоимости, веса Не менее важную роль в сфере ДЗЗ игра- и энергопотребления при прочих равных условиях. ют оптико-электронные комплексы [5, 8]. Спутни- ковые снимки оптического диапазона характеризу- Тем не менее вопросами сжатия на борту КА ются меньшей энтропией и большими объемами, целевой и телеметрической информации интере- для передачи которых используются также высо- суются многие специалисты космической отрасли. коскоростные радиолинии со скоростью передачи На сегодняшний день электронно-компонентная до нескольких гигабит в секунду. Сжатие спутни- база уже достигла того минимального уровня, ко- ковых изображений определенно оправдывает свое торый позволил бы реализовать на борту КА сжа- применение, однако массовых успехов в данном на- тие данных и повысить скорость передачи инфор- правлении пока не наблюдается. мации. В мире уже существуют некоторые КА, в которых применяется сжатие данных, однако их Поскольку ТМИ не требует от радиолинии количество мало. высоких скоростей передачи, первичная РЛИ без предварительной обработки сжатию практически Таким образом, внедрение на борт отечествен- не поддается, а оптические снимки занимают наи- ных космических аппаратов устройств сжатия дан- больший объем всей передаваемой с отечественных ных является актуальной и необходимой областью КА ДЗЗ информации, то наибольший интерес для исследования. исследования сжатия представляют именно опти- ческие снимки. Выбор источника данных для сжатия Специфика получения оптических снимков Рассмотрим основные источники информации, требующие ее передачи по радиоканалу. Оптическое сканирование (зондирование) под- стилающей поверхности Земли выполняется опти- Ни один современный космический аппарат не ко-электронной аппаратурой (ОЭА) КА. В совре- обходится без телеметрических комплексов. Теле- менной ОЭА основным фоточувствительным эле- метрическая информация (ТМИ) характеризуется ментом является матрица с одной или несколь- небольшими объемами и, соответственно, низкими кими линейками ПЗС ВЗН [8]. Количество лине- требованиями к скорости радиолинии [1]. Для пе- ек обозначим L. Каждая линейка состоит из набо- редачи ТМИ используются низкоскоростные ра- ра M фотоприемников (пикселей) и чувствительна диолинии со скоростью передачи до нескольких де- только к заданному спектральному диапазону длин сятков мегабит в секунду [2]. Сжатие ТМИ оправ- волн λ, который может быть как широким, так и уз- дывает себя не всегда, однако изучается многими ким (с конкретной длиной волны). При этом необя- специалистами [3, 4]. зательно, что количество пикселей для всех лине- ек одинаково. За каждый такт сканирования для В сфере ДЗЗ достаточно важную роль играют каждого пикселя каждой линейки выполняется радиолокационные комплексы. В частности, радио- экспонирование (накопление заряда, пропорцио- локаторы с синтезированной апертурой [5]. Обра- нального мощности светового потока) спроециро- ботка первичной (сырой) радиолокационной инфор- ванного оптикой изображения подстилающей по- мации (РЛИ) является достаточно сложной проце- верхности, а также Q-разрядное аналого-цифровое дурой, требующей участия человека, поэтому непо- средственно на борту КА ее не применяют [6]. Первичная РЛИ характеризуется шумоподобным РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

80 А. Е. МОРДВИНОВ, А. С. НИКИТИН Рис. 1. Структуры снимков и выходной информации ОЭА преобразование формируемого сигнала, амплитуда ной избыточностью и соответствуют количествен- которого соответствует величине накопленного за- ным данным с памятью (последовательности зави- ряда. В результате на выход ОЭА со всех L линеек симых значений какой-либо величины). по L каналам поступают пакеты цифровых данных, каждый из которых содержит в себе Q-разрядные Непосредственно же целевой информацией значения яркости пикселей очередной строки изоб- ОЭА считаются снимки или маршруты (рис. 1). ражения. Количество строк в изображении обозна- В зависимости от применяемого в матрице набо- чим N (определяется длиной снимаемого марш- ра линеек и их спектральной чувствительности рута). Таким образом, каждое изображение, полу- получаемые снимки делятся на панхроматиче- ченное любой линейкой матрицы, характеризует- ские (ПХ), мультиспектральные (МС) и гиперспек- ся номером канала 1–L, диапазоном λ, разрядно- тральные (ГС), а также моноскопические (МнС) стью Q, шириной M и высотой N . и стереоскопические (СтС) [8]. ПХ-снимок пред- ставляет собой одно изображение, полученное в од- Получаемые линейками изображения являются ном конкретном спектральном диапазоне, поэто- растровыми, с непрерывным тоном, природного му его можно считать одноканальным (L = 1). происхождения. На таких изображениях отсут- МС-снимок представляет собой набор из несколь- ствуют области с абсолютно равными значения- ких изображений, полученных в разных спектрах, ми пикселей, как это бывает в компьютерной гра- например RGB, поэтому его можно считать мно- фике. Пиксели любых объектов и условных границ гоканальным (L ≈ 3–100). ГС-снимок отличается между ними (облаков, водоемов, полей, гор, объек- от МС только бо´льшим количеством используемых тов инфраструктуры и т. п.) всегда имеют некото- спектральных диапазонов (L > 100). СтС-снимок рый градиент и в зависимости от координат прини- обычно представляет собой набор из двух изобра- мают различные значения. Дополнительные отли- жений (стереопару), поэтому его также можно рас- чия вносят и шумы самой аппаратуры. Таким обра- сматривать как многоканальный (L = 2). Посколь- зом, получаемые изображения обладают характер- ку МС-, ГС- и СтС-снимки состоят не из одного РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМОВ ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО КОСМИЧЕСКИМ РАДИОЛИНИЯМ ИНФОРМАЦИИ 81 изображения, а из нескольких, то, помимо избыточ- информацию требуется передать без потерь, в ре- ности в каждом отдельном изображении снимка, альном времени или только частично (конкретные можно учесть и межканальную избыточность [9]. изображения отснятого маршрута). Крайне важно отметить, что выходные паке- Способы сжатия снимков ты ОЭА содержат в себе не только часть изобра- жения, но и служебную информацию; сами изоб- Можно выделить два способа сжатия выходных ражения полученного в соответствующих спектрах данных ОЭА, отличающихся друг от друга слож- маршрута могут иметь не только разное разрешение ностью реализации и степенью сжатия (рис. 2). M × N, но и разную глубину цвета Q, а их суммар- ный объем для одного маршрута может достигать В первом случае реализуется пакетное сжатие нескольких терабайт. Более того, в ОЭА может данных. На вход кодировщика поступают либо па- применяться не одна, а несколько матриц с боко- кеты данных, содержащие части строк изображе- выми и продольными сдвигами относительно друг ния вместе со служебной информацией, либо толь- друга, что приводит к кратному увеличению коли- ко строки изображения. При этом данные могут как чества получаемых изображений [8]. поступать из ОЭА в реальном времени, так и считы- ваться из записанных в запоминающем устройстве Специальные алгоритмы сжатия изображений, (ЗУ) файлов. Преимущества — простота реализа- применяемые в таких форматах, как JPEG, JPEG- ции, возможность потокового сжатия данных без 2000, PNG, TIFF и т. п., не предназначены для отделения служебной информации от строк изобра- работы с отдельными строками изображения, осо- жения. Недостатки — неполная декорреляция изоб- бенно разбитыми на несколько пакетов, дополнен- ражений/снимков и низкая степень сжатия, по- ных чужеродной служебной информацией. Дан- скольку междустрочная и межканальная избыточ- ные алгоритмы не могут эффективно работать ность не устраняется. и с изображениями, компоненты цветового про- странства (спектральные диапазоны) которых раз- Во втором случае реализуется групповое сжа- личаются разрешением M × N . Также данные ал- тие данных. Кодировщик накапливает пакеты, от- горитмы не подразумевают эффективной работы носящиеся либо к отдельному изображению, либо со спектральными диапазонами, количество кото- к отдельному МС-, ГС-, СтС-снимку, и сжимает их рых больше L = 4, поскольку обычно исполь- совместно, с предварительным устранением меж- зуются цветовые пространства RGB, YUV или дустрочной или межканальной избыточности со- CMYK [9]. Так, наиболее привлекательный для спе- ответственно. Междустрочная избыточность, как циалистов в области геопространственных данных было отмечено ранее, характерна для всех изоб- формат JPEG-2000 подразумевает устранение меж- ражений природного происхождения. Межканаль- канальной избыточности только для трех каналов ная же избыточность характерна для изображе- RGB [10, 11]. ний, полученных в разных спектрах, но для од- ной и той же подстилающей поверхности. При этом Алгоритмы сжатия, применяемые в таких фор- важно помнить, что разрешения изображений раз- матах, как ZIP, RAR, BZip2 и т. п., предназначены ных спектров могут отличаться друг от друга — для сжатия разнородных данных, структура кото- может потребоваться приведение всех изображе- рых отличается и заранее непредсказуема. Напри- ний снимка к единому разрешению (например, пу- мер, это могут быть тексты, видео, аудио, графи- тем применения интерполяционных сплайнов) или ка, изображения или же служебные файлы. Дан- же более элегантное решение. В данном случае, ные алгоритмы универсальны, заложенная матема- если данные поступают из ОЭА в реальном вре- тическая модель входных данных не соответствует мени, то для группового сжатия потребуется их изображениям, поэтому их эффективность также оперативная буферизация, а служебную информа- является низкой [12]. цию потребуется выдавать отдельно. Компромисс- ным решением является работа с уже записан- Описанные тонкости делают использование классических алгоритмов сжатия неэффективным, а иногда и вовсе непригодным. Особенно если РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

82 А. Е. МОРДВИНОВ, А. С. НИКИТИН Рис. 2. Способы сжатия целевой информации ОЭА ными в ЗУ данными и запись сжатых данных ющиеся между собой по рассмотренным характери- в свободное пространство ЗУ. Данный способ об- стикам. Конкретная реализация тех или иных мето- ладает высокой сложностью реализации, высоким дов и является основой любого алгоритма сжатия. уровнем декорреляции и высокой степенью сжатия. Рассмотрим эти методы подробнее. Эффективность сжатия снимков Методы сжатия данных Основными характеристиками любого алго- В первую очередь все методы и конкретные ритма сжатия являются степень сжатия, скорость алгоритмы сжатия делятся на две группы по типу сжатия, количество потоков, уровень потерь, объем потерь: без потерь и с потерями. В основном нас оперативной памяти, сложность реализации. Дан- будут интересовать методы сжатия без потерь, по- ные характеристики могут быть использованы как скольку в формируемых ОЭА пакетах информации для сравнения алгоритмов между собой, так и для содержится не только часть изображения, но и слу- выбора критериев эффективности. жебная информация, потеря которой недопустима. Потери в качестве изображения в большинстве Для эффективного сжатия снимков непосред- случаев также неприемлемы [5]. ственно на борту КА в большинстве случаев потре- буется их предварительная буферизация (которую По типу обработки данных методы бывают пре- проще всего реализовать в ЗУ), а также специаль- образующими и статистическими (энтропийными). ные алгоритмы сжатия, реализующие тот или иной способ и метод сжатия с учетом выбранных кри- Преобразующие методы в основном служат териев эффективности и рассмотренных особенно- для преобразования и декорелляции данных. С по- стей ОЭА и структуры формируемых ею данных. мощью данных методов качественные данные мож- но преобразовать в количественные, устранить из- Для каждого типа данных, их структуры и раз- быточность данных (избавиться от памяти источ- рядности существуют свои методы сжатия, отлича- ника) и получить более удачное распределение веро- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМОВ ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО КОСМИЧЕСКИМ РАДИОЛИНИЯМ ИНФОРМАЦИИ 83 ятности элементов (понизить энтропию). Наиболее чественные данные таким способом тоже подда- известные представители данной группы — ме- ются сжатию, однако с меньшей эффективностью. тоды Зива–Лемпеля (LZ77, LZ78, LZH, LZW), преобразование Барроуза–Уилера (BWT), переме- Разнородные данные, когда на вход кодиров- щение стопки книг (MTF), дискретное вейвлет-пре- щика могут поступать как качественные, так и ко- образование (DWT), преобразование Фурье (FT), личественные данные, лучше всего сжимать ме- частным случаем которого является дискретное тодами контекстного моделирования путем оценки косинус-преобразование (DCT), разделение ман- вероятности появления нового элемента в зависи- тисс и экспонент (SEM), субполосное кодирова- мости от элементов, непосредственно ему пред- ние (SC), линейно-предсказывающее кодирование шествующих (контекста). Контекстом может быть (LPC), которое иногда путают с дифференциаль- не только элемент или слово, но даже и набор ной импульсно-кодовой модуляцией (DPCM), ко- качественно разных объектов. В отличие от прос- дирование длин серий (RLE) и другие [12]. того статистического кодирования контекстное мо- делирование работает с условными вероятностями Статистические же методы оперируют вероят- встречи элементов вместо безусловных, что дает ностями элементов (частотами их встречи) и осу- более точные оценки и, как следствие, лучшие ре- ществляют сжатие поступающих данных на осно- зультаты. Данный способ можно считать инвари- ве собранной статистики и полученного распределе- антным к типу входных данных. ния. Наиболее известными представителями данной группы являются методы Хаффмана (HUFF), ариф- На практике поэтапное сжатие данных метическое кодирование (ARIC) и методы кон- несколькими методами находит отражение в алго- текстного моделирования, в которые входят наибо- ритмах широко распространенных файловых фор- лее распространенные методы предсказания по ча- матов: JPEG (DCT + HUFF), JPEG-2000 (DWT + стичному совпадению (PPM) и динамическое мар- + ARIC), PNG (LZ77 + HUFF), ZIP (LZ77 + HUFF), ковское сжатие (DMC) [12]. TIFF (RLE, LZW, LZ77, ZIP, JPEG, JBIG, CCITT Group 3, CCITT Group 4), Bzip2 (BWT + MTF + Комбинирование методов + HUFF), 7z (PPMd, LZMA2, Bzip2, ZIP), MP3 сжатия данных (FT + SC + HUFF) и т. д. Чем выше энтропия поступающих данных, тем Важно отметить, что ни один из данных алго- ниже их избыточность, тем сложнее и слабее их ритмов не учитывает той специфики ОЭА, о которой можно сжать. Для получения наиболее оптимально- говорилось в разделе «Специфика получения опти- го результата сжатие следует применять в несколь- ческих снимков», и не может быть применен на бор- ко этапов (от 1 до 3), на каждом из которых исполь- ту КА в чистом виде. Сравним данные алгоритмы зуется свой метод сжатия, учитывающий параметры с алгоритмами, примененными в реальных миссиях. данных, поступающих с предыдущего этапа. Апробированные алгоритмы Количественные данные с памятью лучше всего космического назначения сжимать путем декорреляции данных с получением более удачного распределения вероятности встречи NASA в своих марсианских миссиях Spirit элементов и использования полученного распреде- и Opportunity для сжатия ПХ-изображений, по- ления для более эффективного энтропийного сжа- лучаемых с кадровых матриц ПЗС бортовых ви- тия на втором этапе. деокамер марсоходов, применила алгоритм ICER [13, 14]. В его основе, как и в основе JPEG-2000, Качественные данные лучше всего сжимать лежит преобразование DWT с последующим эн- путем составления словаря. Сжатие происходит за тропийным кодированием ARIC. В отличие от счет записи в выходной поток ссылок на «слова», JPEG-2000 ICER лучше сжимает ПХ-изображе- вместо записи самих «слов» (словами являются ния, нежели МС-. Арифметическое кодирование уникальные последовательности элементов). Коли- в ICER используется целочисленное, более удобное РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

84 А. Е. МОРДВИНОВ, А. С. НИКИТИН для радиационно стойких DSP-процессоров (в то позволяет получить показательное распределение время как в JPEG-2000 используется кодирование для Q-разрядных элементов, а SEM кодирует стар- с плавающей точкой). Причем, помимо арифме- шие разряды преобразованных элементов гамма- тического кодирования, ICER может применять кодами Элиаса (чем чаще встречается старший раз- коды Голомба при m = 5 (один из вариантов ряд, тем короче его сжатый код). Преимуществами SEM). Преимуществом данных алгоритмов явля- алгоритма являются его простота и возможность ется хорошая степень сжатия (до 1,9 без потерь, применения непосредственно к пакетам выходных до 100 со значительными потерями) и возмож- данных ОЭА сразу же после их получения неза- ность предварительного просмотра данных путем висимо от наличия в них служебной информации. чтения низкочастотной составляющей из начала Недостатком является то, что получить достойную файла. Недостатком же является высокая вычисли- степень сжатия (до 5 раз) можно только для сним- тельная сложность вейвлет-преобразований, а так- ков с невысокой степенью энтропии. Средняя сте- же возможность их применения только к полно- пень сжатия колеблется от 1,2 до 2,6 раз. ценным изображениям, полученным классической ПЗС-матрицей или сформированным из строк ПЗС Таким образом, на сегодняшний день на борту ВЗН матрицы непосредственно на борту КА. КА не реализован ни один алгоритм, который поз- волил бы сжимать полученные ПЗС ВЗН матрицей В КА ДЗЗ ALOS и SPOT-5 для сжатия ПХ- снимки эффективно и без потерь. и МС-изображений, а также данных с радиоло- каторов и радиометров применены алгоритмы на Заключение основе DCT [15, 16]. С наибольшей вероятностью присутствует и энтропийное сжатие методом HUFF Проведенный обзор показал, что повышение или ARIC, поскольку само по себе DCT никакого скорости передачи информации по радиоканалу от- сжатия не дает. Режим сжатия без потерь дан- работанными техническими решениями ограничено ными аппаратами не поддерживается, а степень физически и практически достигло своей границы сжатия с потерями сопоставима с алгоритмами Шеннона. На сегодняшний день в отечественной JPEG и WebP, в основе которых лежит тот же са- космонавтике отсутствуют готовые технические ре- мый DCT. Так, для JPEG степень сжатия может шения по эффективному сжатию без потерь це- достигать 50 при значительных потерях информа- левой информации, в то время как в зарубежных ции. Потеря информации является существенным странах некоторый задел уже накоплен. Проведен- и неприемлемым недостатком данных алгоритмов. ный анализ специфики оптико-электронной аппа- ратуры, формируемых ею данных и существую- В некоторых КА ДЗЗ серий ALOS, SPOT щих алгоритмов сжатия позволяет сделать вывод, и «Ресурс» для сжатия с потерями изображений что эти алгоритмы неэффективны для применения и сигналов применен алгоритм на основе DPCM в космической технике. (ДИКМ) [17]. Режим сжатия без потерь таким ме- тодом не поддерживается [19], сжатие достигается Таким образом, требуется более глубокий и де- за счет умышленной потери данных (исключения тальный анализ структур передаваемых данных, из выходных пакетов ОЭА заданного числа пиксе- а также способов, методов и алгоритмов их сжатия, лей в допущении, что разница их соседних значе- что подразумевает математическое моделирование ний несущественна). Практическая степень сжатия каналов передачи данных и анализ эффективности с потерями достигает 3 раз. Преимущество мето- применяемых алгоритмов сжатия. Требуется разра- да — в его неоспоримой простоте, недостаток — ботка наиболее эффективных алгоритмов, учиты- в гарантированной потере информации. вающих специфику бортовой аппаратуры космиче- ского назначения, а также экспериментальная от- Перспективный алгоритм сжатия данных без работка возможных технических решений на соот- потерь описан в книге CCSDS 120.0-G-3 для кос- ветствующих испытательных макетах. мических информационных систем [19]. Заключа- ется он в комбинации дельта-кодирования LPC Решение поставленных задач позволит рас- и адаптивного кодера SEM. Преобразование LPC ширить область применения алгоритмов сжатия РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМОВ ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО КОСМИЧЕСКИМ РАДИОЛИНИЯМ ИНФОРМАЦИИ 85 данных и применить их в отечественной космонав- 10. Acharya Tinku, Ping-Sing Tsai. JPEG2000 Standard тике, получить комплексное представление о бор- for image compression. Concepts, Algorithms and товом устройстве сжатия и наземном декодере, VLSI Architectures. John Wiley & Sons, Inc, Hobo- сформировать научно-технический задел по созда- ken, New Jersey, 2005. 162 p. нию радиолиний, обладающих большей скоростью передачи информации по сравнению с классичес- 11. High Throughput JPEG 2000 (HTJ2K) and the JPH кими архитектурами. file format: a premier // ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG1/ Document № 87018. Список литературы 12. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. 1. Бровкин А. Г., Бурдыгов Б. Г., Гордийко С. В. и др. Методы сжатия данных. Устройство архивато- Бортовые системы управления космическими аппа- ров, сжатие изображений и видео. М.: ДИАЛОГ- ратами: Учеб. пособ. Под ред. А. С. Сырова. М.: МИФИ, 2003. 384 с. МАИ-ПРИНТ, 2010. 304 с. 13. Kiely A., Klimesh M. The ICER Progressive Wavelet 2. СТО ГК РОСКОСМОС 1019-2019. Стандарт орга- Image Compressor. IPN Progress Report 42-155. низации. Аппаратура бортовая автоматических кос- November 15, 2003. 46 p. https://ipnpr.jpl.nasa.gov/ мических аппаратов. Информационное взаимодей- progress_report/42-155/155J.pdf (Дата обращения ствие. Низкоскоростная радиолиния. 04.02.2021). 3. Эльшафеи М. А., Сидякин И. М., Харитонов С. В., 14. Kiely A., Klimesh M. Preliminary Image Compres- Ворнычев Д. С. Информатика и вычислительная sion Results from the Mars Exploration Rovers. IPN техника. Исследование методов обратимого сжатия Progress Report 42-156. February 15, 2004. 8 p. телеметрической информации // Вестник МГТУ https://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/42-156/ им. Н. Э. Баумана. Серия: Приборостроение, 2014, 156I.pdf (Дата обращения 04.02.2021). № 3. С. 92–104. 15. Osawa Yuji. Optical and microwave sensors 4. Мамедов Т. Т., Губайдуллин И. Р., Косарев Д. И., on japanese mapping satellite — ALOS. ALOS Орешко В. В. Применение вейвлет-преобразований Project Team, Japan Aerospace Exploration Agency для анализа и сжатия телеметрических данных виб- (JAXA). 2-1-1, Sengen, Tsukuba, Ibaraki, 305-8505, рационных процессов // Ракетно-космическое при- Japan. 4 p. https://www.isprs.org/proceedings/xxxv/ боростроение и информационные системы, 2019, congress/comm1/papers/57.pdf (Дата обращения т. 6, вып. 4. С. 59–65. 04.02.2021). 5. Булавицкий В. Ф., Жукова Н. В. Фотограмметрия 16. Lier P., Moury G., Latry C., Cabot F. Selection и дистанционное зондирование территории. Хаба- of the SPOT-5 Image Compression Algorithm // ровск: Издательство ТОГУ, 2016. 113 с. Proceedings of SPIE. 1998. Vol. 3439,70. 12 p. https://www.spiedigitallibrary.org/conference- 6. Неронский Л. Б., Михайлов В. Ф., Брагин И. В. proceedings-of-spie/3439/0000/Selection-of-the- Микроволновая аппаратура дистанционного зонди- SPOT5-image-compression-algorithm10.1117/ рования поверхности земли и атмосферы. Радио- 12.325660.short?SSO=1 (Дата обращения локаторы с синтезированной апертурой антенны. 04.02.2021). Учеб. пособ. СПб.: СПбГУАП, 1993. 174 с. https://techlibrary.ru/ (Дата обращения 04.02.2021). 17. Кирилин А. Н., Ахметов Р. Н., Стратилатов Н. Р. и др. Космический аппарат «Ресурс-П» // Интер- 7. СТО ГК РОСКОСМОС 1018-2019. Стандарт орга- нет-журнал «Геоматика», 2010, № 4. С. 23–26. низации. Аппаратура бортовая автоматических кос- https://sovzond.ru/upload/iblock/c54/2010_04_004.pdf мических аппаратов. Информационное взаимодей- (Дата обращения 04.02.2021). ствие. Высокоскоростная радиолиния. 18. Манохин А. Е. Радиотехнические системы передачи 8. Шовенгердт Р.А˙. Дистанционное зондирование. информации. Конспект лекций. Екатеринбург: УрФУ, Модели и методы обработки изображений. М.: Тех- 2013. 81 с. https://study.urfu.ru/Aid/Publication/ носфера, 2010. 560 с. 11784/1/Manohin.pdf (Дата обращения 04.02.2021). 9. Сэломон Д. Мир программирования. Сжатие дан- 19. The Consultative Committee for Space Data Systems. ных, изображений и звука. М.: Техносфера, 2004. Report Concerning Space Data System Standards. 368 с. Lossless data compression. Informational report. CCSDS 120.0-G-3. Green book. April 2013. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2021, том 8, выпуск 1, c. 86–94 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 531.381:629.78:629.783 DOI 10.30894/issn2409-0239.2021.8.1.86.94 Вращение аппаратов серии ТНС вдоль вектора скорости под управлением ротора и электромагнитной системы ориентации М. Ю. Овчинников, д. ф-м. н., профессор, [email protected] Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, г. Москва, Российская Федерация В. И. Пеньков, к. ф.-м. н., [email protected] Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва, Российская Федерация Д. С. Ролдугин, к. ф.-м. н., [email protected] Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, г. Москва, Российская Федерация С. С. Ткачев, к. ф.-м. н., [email protected] Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, г. Москва, Российская Федерация Н. А. Юданов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Рассматривается спутник с быстро вращающимся вокруг оси симметрии корпусом и соосным маховиком, с ма- лым суммарным кинетическим моментом системы. Аппарат оснащен электромагнитной системой ориентации для создания и поддержания ориентации оси вращения вдоль вектора скорости. Предложены законы управления, обеспечивающие требуе- мое положение равновесия и его асимптотическую устойчивость в полусвязанной системе координат. Рассмотрены проблемы реализации управления, связанные с особенностями электромагнитной системы ориентации и переходом к системе координат, связанной с корпусом спутника. Проведено моделирование для аппарата серии ТНС, весьма далекого от осесимметричного. Показано, что использование простой электромагнитной системы позволяет обеспечить быстрое вращение спутника вокруг вектора скорости, несмотря на возмущающие факторы. Ключевые слова: магнитная ориентация, ротор, ТНС Rotation of TNS Series Spacecraft along the Velocity Vector under the Rotor Control and Magnetic Attitude Control System M. Yu. Ovchinnikov, Dr. Sci (Phys.-Math.), Prof., [email protected] Keldysh Institute of Applied Mathematics, Moscow, Russian Federation V. I. Pen’kov, Cand. Sci. (Phys.-Math.), associate professor, [email protected] Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russian Federation D. S. Roldugin, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected] Keldysh Institute of Applied Mathematics, Moscow, Russian Federation S. S. Tkachev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), associate professor, [email protected] Keldysh Institute of Applied Mathematics, Moscow, Russian Federation N. A. Yudanov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. A satellite that rotates around the axis of symmetry is considered. A rotor is installed to compensate the angular momentum of the rotating body. Magnetic attitude control system is utilized to provide the stabilization of the rotation axis along the velocity vector on the circular orbit. Control algorithms are proposed that ensure the equilibrium position for the required attitude and its asymptotic stability in the semi-fixed reference frame. Control implementation issues are discussed, including the inherent problems of the magnetic control and the transition to the satellite-fixed reference frame. Numerical simulation is performed for the TNS satellite, which is very far from axisymmetrical. Fast rotation of the satellite around the velocity vector is proved to be achievable with the magnetic control despite the different disturbance sources. Keywords: magnetic control, rotor, TNS

ВРАЩЕНИЕ АППАРАТОВ СЕРИИ ТНС ВДОЛЬ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ПОД УПРАВЛЕНИЕМ РОТОРА 87 Введение Решается задача быстрого вращения космиче- Рис. 1. Аппарат ТНС-0 № 2 ского аппарата вокруг оси приблизительной сим- метрии с ориентацией этой оси вдоль вектора ско- срок существования из-за низкой солнечной актив- рости (по касательной к круговой орбите). В каче- ности. При этом все системы работали в штат- стве основных исполнительных элементов исполь- ном режиме до разрушения аппарата в плотных зуются магнитные катушки. В отличие от типич- слоях атмосферы. В настоящее время планируется ной задачи стабилизации собственным вращением несколько миссий, использующих платформу ТНС. должна поддерживаться ориентация вдоль прин- Одним из отличий является необходимость в уста- ципиально подвижного в инерциальном простран- новке активной системы ориентации для выпол- стве направления. Такая задача возникает, если нения задач, стоящих перед полезной нагрузкой. нет технической возможности установить скани- При этом в силу малого размера и массы аппарата рующую полезную нагрузку на подвижную плат- желательно использовать магнитную систему ори- форму и приходится закручивать корпус спутника. ентации в качестве основной. В статье рассматривается приложение приведенной динамической постановки задачи к аппаратам се- Поворот оси вращения в инерциальном про- рии ТНС, имеющим массу 5–10 килограммов. Эти странстве с орбитальной скоростью сопровождает- аппараты являются примером спутников, на ко- ся возникновением существенного гироскопического торых может быть установлена серьезная полез- момента. Организация парирующего момента с по- ная нагрузка, но некоторые технические решения, мощью магнитных катушек представляется пробле- в частности подвижные платформы, могут быть матичной из-за малой величины типичных управля- недоступны. При этом небольшие масса и размер ющих моментов такой системы. Возникает вопрос подразумевают установку одного основного блока обеспечения осевого вращения корпуса спутника полезной нагрузки, что позволяет подчинить требо- и одновременно устранения возникающего при этом вания по ориентации всего аппарата требованиям нагрузки. Серия технологических наноспутников разра- ботки и производства АО «Российские космические системы» была начата успешным запуском аппа- рата ТНС-0 № 1 28 марта 2005 г. [1]. Аппарат успешно выполнил основные поставленные зада- чи — отработку запуска с борта МКС, проверку работы модуля связи через глобальную телекомму- никационную спутниковую систему «Глобалстар», летную квалификацию конструкции КА и его эле- ментов, включая новую аккумуляторную батарею. Дальнейшее развитие серии планировалось на ос- нове модернизированной платформы ТНС-1 [2], однако в силу ряда причин работы над ним не были завершены. 17 августа 2017 г. был запущен второй аппа- рат серии ТНС-0 № 2 (рис. 1), во многом схожий с первым. Оба спутника были оснащены пассивной магнитной системой ориентации [3–5]. Аппарат также успешно прошел летные ис- пытания, значительно превысив запланированный РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

88 М. Ю. ОВЧИННИКОВ, В. И. ПЕНЬКОВ, Д. С. РОЛДУГИН, С. С. ТКАЧЕВ, Н. А. ЮДАНОВ кинетического момента. Для этого предлагается Ox1x2x3 — полусвязанная система координат. установить на спутнике управляемый маховик (ро- Ось Ox1 совпадает с осью Ox1 связанной системы, тор), ось вращения которого коллинеарна оси за- а оси Ox2, Ox3 не участвуют в осевом вращении крутки корпуса, а скорость вращения постоянна спутника. или почти постоянна. Спутники с двойным враще- нием, как и стабилизируемые вращением, зачастую Рассмотрим случай, когда в номинальном дви- оснащаются магнитной системой [6–8]. Ее недо- статки — слабый управляющий момент и ограни- жении продольная ось Ox1 спутника, то есть ось, чение на его величину — компенсируются динами- вокруг которой необходимо обеспечить его враще- ческими свойствами аппарата. При этом использо- вание одного ротора в связке с магнитной систе- ние, направлена по касательной к орбите — вдоль мой ориентации позволяет значительно сэкономить ресурсы аппарата по сравнению с полноценной ги- оси OX1 ОСК. Ориентацию спутника (связанной роскопической системой ориентации. с ним системы координат) относительно орбиталь- В работе рассматривается следующая задача. ной системы будем описывать с помощью углов α, Аппарат вращается вокруг оси максимального мо- мента инерции. При построении управления пред- β, γ (последовательность поворотов 2–3–1) и ком- полагается, что это — ось динамической симмет- рии. На аппарате установлены магнитная система понент абсолютной угловой скорости ωi. При чис- ориентации (три магнитные катушки) и маховик. ленном моделировании используется кватернион. Маховик может вращаться с постоянной скоростью или медленно равномерно раскручиваться. В ре- Для выбранной последовательности поворотов мат- зультате в номинальном режиме движения сум- марный кинетический момент системы спутник– рица перехода A от орбитальной к связанной си- маховик должен быть близок к нулевому, корпус и маховик вращаются с постоянной скоростью. стеме имеет вид Управление скоростью вращения маховика невоз- можно после того, как он достиг номинального ре- A⎛= ⎞ жима вращения. Задача магнитной системы — под- cos α cos β sin β − sin α cos β держание ориентации оси вращения аппарата вдоль =⎜⎜⎝⎜⎜⎜− −sisni+nαcαsoisnsiαnββscionssinγγγ++⎟⎟⎟⎟⎟⎠. касательной к орбите и обеспечение требуемой ско- cos α sin β cos γ+ cos β cos γ + cos α cos γ рости вращения. + sin α sin γ − cos β sin γ sin α cos γ+ + cos α sin β sin γ (1) Кинетический момент K спутника с тензором инерции J = diag(A, B, C) и маховика с осевым мо- ментом инерции Jf , вращающегося с угловой ско- ростью ωf относительно корпуса спутника, в свя- занных осях записывается как K = Jω + Jf (ω1 + ωf )e1. Постановка задачи При вращении маховика распределение его масс относительно корпуса спутника не меняется. Введем три правые декартовы системы коор- Поэтому экваториальный момент инерции махови- ка содержится в компонентах B и C тензора инер- динат: ции спутника. Тогда динамические уравнения дви- жения корпуса спутника и маховика имеют следу- OX1X2X3 — орбитальная система координат ющий вид: (ОСК). Ось OX3 направлена вдоль текущего ради- уса-вектора центра масс спутника. Ось OX2 колли- J d Jω + Jf (ω1 + ωf )e1 + неарна нормали к плоскости орбиты. Ось OX1 до- dt полняет систему до правой (направлена по скорости + ω × Jω + Jf (ω1 + ωf )e1 = Mгр + Mупр. (2) орбитального движения аппарата); На спутник действуют гравитационный Mгр = Ox1x2x3 — связанная со спутником система = 3ω02e3 × Je3 и управляющий магнитный Mупр = координат (ССК), ее оси совпадают с главными = m × B моменты, ω0 — угловая скорость орби- центральными осями инерции спутника, e1 — орт оси динамической симметрии спутника Ox1; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

ВРАЩЕНИЕ АППАРАТОВ СЕРИИ ТНС ВДОЛЬ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ПОД УПРАВЛЕНИЕМ РОТОРА 89 тального движения спутника, e3 = (a13, a23, a33) — при дифференцировании по аргументу широты орт оси OX3, m = (m1, m2, m3) — управляющий u = ω0(t − t0) имеют вид дипольный момент, формируемый токовыми катуш- AΩ˙ 1 + Jf Ω˙ f = M2(B1 sin α + B3 cos α)+ ками, B = (B1, B2, B3) — вектор индукции геомаг- нитного поля. + M3(B1 cos α sin β − B2 cos β − B3 sin α sin β), BΩ˙ 2 + (A − B)Ω1Ω3 + Jf Ωf Ω3 = Динамические уравнения дополняются кине- = −3(A − B) sin α cos α cos β− матическими соотношениями dα = 1 β (ω2 cos γ − ω3 sin γ) − ω0, − M1(B1 sin α + B3 cos α)+ dt cos + M3(B1 cos α cos β + B2 sin β − B3 sin α cos β)− − BΩ3(Ω1 − Ω2 tg β), dβ = ω2 sin γ + ω3 cos γ, (3) BΩ˙ 3 + (B − A)Ω1Ω2 − Jf Ωf Ω2 = dt = −3(B − A) sin2 α sin β cos β− dγ = ω1 − tg β(ω2 cos γ − ω3 sin γ). dt В рамках модели прямого диполя в систе- − M1(B1 cos α sin β − B2 cos β − B3 sin α sin β)− ме OX1X2X3 вектор индукции имеет вид [9] − M2(B1 cos α cos β + B2 sin β − B3 sin α cos β)+ + BΩ2(Ω1 − Ω2 tg β), B = B0(sin i cos u, cos i, −2 sin i sin u) = (4) α˙ = Ω2 − 1, β˙ = Ω3, γ˙ = Ω1 − Ω2 tg β. = B0(B1, B2, B3), cos β (5) Заметим, что матрица перехода A от орби- где u — аргумент широты, B0 = μe/r3 — индук- тальной к полусвязанной системе задается выраже- ция над экватором, r — радиус орбиты спутника, μe = μ0μm/4π, μm — модуль дипольного момента нием (1), в котором нужно положить γ = 0. Земли (в настоящее время μe = 7,7245·106 Тл · км3), μ0 = 4π ·10−7 кг · м · А−2· с−2 — универсальная маг- Построение управления нитная постоянная. Обеспечение существования положения Управление спутником осуществляется с помо- равновесия щью дипольного момента, создаваемого магнитны- Найдем условия существования решения α = = β = 0 системы (5), при котором ось симметрии ми катушками, и за счет изменения скорости вра- спутника отслеживает касательную к орбите. Под- ставляя это решение в (5), получаем условия на щения маховика относительно спутника. оставшиеся, не обращающиеся в нули слагаемые, Введем обозначение A = A + Jf . Последнее AΩ˙ 1 + Jf Ω˙ f = M2B3 − M3B2, (6) 0 = −m1B3 + M3B1, означает, что тензор инерции diag(A, B, C) отве- −AΩ1 − Jf Ωf = M1B2 − M2B1, чает спутнику с «вмороженным» в его тело ма- Ω2 = 1, Ω3 = 0, γ˙ = Ω1. ховиком. Рассмотрим осесимметричный спутник Введем переменные P = AΩ1 + Jf Ωf и Q = (C = B). Перейдем к безразмерным уравнениям = M2B3 − M3B2, что позволяет переписать (6) в следующем виде, исключив m1 и используя соот- в полусвязанной системе координат. Для этого ношение M1 = M3B1/B3 из второго равенства: введем проекции абсолютной угловой скорости P˙ = Q, P = B1 Q. (7) Ω1 = ω1/ω0, Ω2 = (ω2 cos γ − ω3 sin γ)/ω0, Ω3 = B3 = (ω2 sin γ + ω3 cos γ)/ω0, скорость вращения махо- вика Ωf = ωf /ω0, компоненты управляющего маг- нитного момента M1 = m1/ω02, M2 = (m2 cos γ − − m3 sin γ)/ω02, M3 = (m2 sin γ + m3 cos γ)/ω02 на оси Ox2 и Ox3 полусвязанной системы соответ- ственно. Уравнения (2) и (3) относительно вновь введенных проекций абсолютной угловой скорости РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021

90 М. Ю. ОВЧИННИКОВ, В. И. ПЕНЬКОВ, Д. С. РОЛДУГИН, С. С. ТКАЧЕВ, Н. А. ЮДАНОВ Поделив почленно первое уравнение на второе, где скорость вращения маховика относительно кор- пуса спутника Ωf есть управляющий параметр, ко- получаем торым можно регулировать скорость вращения кор- пуса спутника. Из последнего равенства (6) полу- dP = B3 du. чаем квадратуру P B1 u Используя выражения (4) для проекций векто- γref = Ω1ref du. ра индукции геомагнитного поля, после интегриро- 0 вания имеем решение этого уравнения После подстановки сюда выражения (13) с за- P = C1 cos2 u, (8) данным законом изменения относительной скоро- сти маховика в зависимости от времени и уточне- где C1 = AΩ1(0) + Jf Ωf (0) — постоянная интегри- ния входящих в это выражение постоянных инте- рования. грирования получим зависимость угла γ поворота спутника вокруг его оси симметрии от времени. Выразим управляющие моменты через полу- Это теоретически позволит пересчитать значения проекций магнитного момента токовых катушек на ченное решение P и второе равенство из (7) так: полусвязанные оси в оси связанной со спутником системы координат и тем самым решить задачу M2B3 − M3B2 = −2C1 sin u cos u. (9) реализации магнитного управляющего момента. Из-за того, что на две проекции момента име- Обеспечение асимптотической устойчивости и реализация управления ется лишь одно соотношение, одну из проекций с помощью магнитной системы можно выбрать произвольно. Будем задавать M3, Управление (10)–(12) получено в полусвязан- M2 затем получается из соотношения (9). Предпо- ной системе координат. Для его реализации на бор- ложим, что третья компонента дипольного момента ту спутника требуется перевод полученных момен- постоянна и равна M3∗. Тогда из второго уравне- тов в связанную систему. Это сопряжено с вычис- ния (6) для первой компоненты получаем M1 = лением угла γ. Однако на практике для описания = M3∗ cos u/(2 sin u), то есть над экватором требуе- ориентации используется кватернион и иногда — мый управляющий дипольный момент обращается матрица направляющих косинусов. Определить по ним угол γ однозначно нельзя. Чтобы обойти эту в бесконечность. Чтобы избежать этого, будем вы- проблему, рассмотрим движение вблизи требуемой ориентации. В этом случае бирать M3 пропорционально sin u, а именно M3 = kf sin u. (10) Из формулы (9) имеем M2 = − 1 kf B0 cos i + C1 cos u B0 sin i, (11) 2 из второго соотношения в (6) — M1 = B1 M3 = − 1 kf cos u. (12) sin γ ≈ −a32 = cos β sin γ, B3 2 cos γ ≈ a22 = cos β cos γ. Выбор f представляет некоторую свободу в по- Тогда вместо (10)–(12) создается дипольный момент строении управления. Например, положив f = m1 = M1, (14) = −2 sin iB0, получим M3 = kB3. Именно этот ва- m2 = M2 cos β cos γ + M3 cos β sin γ, риант будем использовать далее. m3 = −M2 cos β sin γ + M3 cos β cos γ. Так как известно значение переменной P из (8), то, разрешая это равенство относительно Ω1, полу- чаем выражение для угловой скорости спутника Ω1ref = 1 (−Jf Ωf + 1 cos2 u), (13) При численном моделировании будем исполь- A зовать именно это управление, несмотря на то что РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 8 вып. 1 2021