Презентация на тему: Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема

Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема
1/21
Средняя оценка: 4.9/5 (всего оценок: 61)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (12848 Кб)
1

Первый слайд презентации

Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема 7. Оперативное планирование съемки земных объектов низкоорбитальной космической системой наблюдения дтн, снс Клюшников В.Ю. (ЦНИИ машиностроения) Кафедра 604 «Системный анализ и управление»

Изображение слайда
2

Слайд 2

Спектр электромагнитной энергии (а), окна прозрачности атмосферы (б) и используемые в дистанционном зондировании диапазоны электромагнитных волн (в) 1 Для космических систем наблюдения практический интерес представляет область длин волн 300 нм    30 м В этой области солнечная радиация распределена очень неравномерно: почти 99 % всей излучаемой Солнцем энергии сосредоточено в диапазоне 150-4 000 нм, т. е. в ультрафиолетовой, видимой и ближней ИК-областях. Максимум энергетического спектра солнечной энергии находится вблизи длины волны 500 нм, в то время как в радиодиапазоне энергия солнечного излучения составляет около 10 -12 от энергии в видимом диапазоне.

Изображение слайда
3

Слайд 3

Область спектра/ цветовая зона Ширина области спектра/ цветовой зоны в длинах волн  Оптический диапазон 0,01-1 000, мкм Ультрафиолетовая область (UV) 0,01-0,40 Видимая область (VIS) 0,4-0,75 Цветовые зоны: фиолетовая 0,40-0,45 синяя 0,45-0,48 голубая 0,48-0,50 зеленая 0,50-0,56 желтая 0,56-0,59 оранжевая 0,59-0,62 красная 0,62-0,75 Инфракрасная область (ИК) 0,75-1 000 Ближняя (NER) 0,75-1,3 Средняя (IR) 1,3-3,0 Дальняя >3 Тепловой ИК-диапазон (TIR) 8-14 Сверхвысокочастотный (СВЧ) или микроволновый (MW) радиодиапазон 0,8-100, см Миллиметровый Ка 0,8-1,1 Сантиметровые К 1,1-15 Ки 1,7-2,4 X 2,4-3,8 С 3,8-7,5 S 7,5-15 Дециметровые L 15-30 Метровые Р 30-100 Зоны электромагнитного спектра Для целей ДЗЗ используются следующие разновидности поля электромагнитного излучения: - поле отраженной солнечной радиации; - поле собственного теплового излучения; - поле отраженного радиоизлучения; - поле отраженного когерентного оптического (лазерного) излучения. Основные « окна прозрачности » расположены в видимом и ближнем ИК-диапазонах (0,4-1,3; 1,5-1,8; 2,0-2,6 мкм), в нескольких сравнительно узких участках теплового ИК-диапазона вблизи 3 и 5 мкм и в интервале от 8 до 14 мкм, а также в радиодиапазоне от миллиметровых до дециметровых волн. Для радиоволн субмиллиметрового диапазона атмосфера непрозрачна. Радиоволны с длиной волны 1-10 мм заметно поглощаются атмосферой. Радиоволны длиной свыше 20-30 м экранируются ионосферой. 2

Изображение слайда
4

Слайд 4

Структура космической системы наблюдения Земли 3 Назначение : сбор, обработка, архивация и предоставление пользователям информации об объектах, явлениях и процессах на земной поверхности, в атмосфере и околоземном пространстве. Космический сегмент : - носители съемочной аппаратуры - космические аппараты (КА), запущенные на специальные орбиты; - бортовая съемочная аппаратура - «сенсоры», регистрирующие в том или ином виде отраженное или собственное электромагнитное излучение изучаемых объектов; - бортовые средства передачи данных на Землю по радиоканалу; - спутники-ретрансляторы. Наземный сегмент : - средства выведения КА на орбиту (ракетно-космический комплекс); - средства управления полетом КА (центры управления полетом, наземные станции командно-измерительной системы, системы связи и передачи телеметрической информации); - комплекс приема спутниковой информации, включающий распределенную сеть региональных, локальных и мобильных приемных станций; - комплекс обработки данных ДЗЗ и предоставления потребителям различных информационных продуктов на их основе.

Изображение слайда
5

Слайд 5

Перспективы развития орбитальной группировки ДЗЗ России 5

Изображение слайда
6

Слайд 6

Общий порядок планирования съемки земных объектов 6 Оператором всех российских космических систем ДЗЗ является Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) Российского космического агентства. Он осуществляет планирование съемки, прием, регистрацию, обработку, архивацию, каталогизацию и распространение космической информации с отечественных, а также ряда зарубежных космических аппаратов ДЗЗ (по соглашениям с зарубежными космическими агентствами). Для решения этих задач НЦ ОМЗ оснащен современными антенными системами, программно-аппаратными комплексами приема и компьютерной обработки данных. Получение данных ДЗЗ и создание информационных продуктов на их основе в НЦ ОМЗ осуществляется следующим образом. 1. На первом этапе на основе заявок потребителей сотрудники центра составляют долгосрочный план съемок на срок до 30 суток. 2. Затем с учетом условий освещенности заказанных участков, прогноза состояния облачного покрова и возможных углов визирования выбирается оптимальный вариант съемки на последующие сутки, который в виде программы работы через Центр управления полетами (ЦУП) передается на борт спутника. 3. После выполнения съемки данные ДЗЗ по радиолиниям в установленных международными стандартами для передачи диапазонах 8,0-8,4; 7,5-7,6 и 1,67-1,71 ГГц (потоки до 300 Мбит/с) принимаются антенными системами Центра приема и обработки данных ДЗЗ НЦ ОМЗ. НЦ ОМЗ обеспечивает эксплуатацию « Геопортала Роскосмоса » (www.gptl.ru) - открытого геоинформационного ресурса, сочетающего в себе средство просмотра космических снимков земной поверхности и средство поиска данных ДЗЗ с российских и зарубежных спутников по наиболее полному в России каталогу. С его помощью пользователь может не только оформить заявку на найденные им по каталогу архивные данные, но и заказать новую съемку задав интересующие параметры.

Изображение слайда
7

Слайд 7

Задача оперативного планирования съемки земных объектов. Общая схема целевого функционирования низкоорбитальной КСН 7 Целевое функционирование низкоорбитальной КСН состоит в съемке земных объектов, записи поступающей при этом информации и ее накоплении в БЗУ, последующей передаче информации на наземные станции (воспроизведении формации). Целевое функционирование низкоорбитальной КСН рассматривается при следующих допущениях: - для получения изображения земного объекта из космоса достаточно одного снимка, совершенного при ориентации линии визирования бортовой съемочной аппаратуры КА в геометрический центр объекта (географическую точку с известными долготой и широтой); - объекты являются локальными; - запись информации в БЗУ и ее передача происходят с определенными скоростями; - наземная станция способна принимать информацию с борта всех КА, находящихся в зоне ее радиовидимости; - орбитальная структура космической системы за интервал планирования не изменяется.

Изображение слайда
8

Слайд 8

К определению интервалов (моментов) времени возможной съемки земных объектов и возможных сеансов связи 8 Возможность съемки земных объектов определяется предельным углом отклонения линии визирования бортовой съемочной аппаратуры КА от направления в надир. Возможность сеансов связи КА с ППИ определяется только минимальным углом места последних.

Изображение слайда
9

Слайд 9

Модели временных интервалов (моментов) съемки земных объектов и сеансов связи 9 Последовательности моментов времени возможной съемки земных объектов : { t ik },, - множества таких моментов t ik  (, ), которые соответствуют минимальному углу визирования объекта: В последовательность не включены моменты времени, соответствующие потенциальным снимкам, не удовлетворяющие требованиям по уровню освещенности, разрешению и облачности. N - количество КА системы; k i - количество моментов возможной съемки земных объектов i - ым КА за интервал планирования [ t 0, T ];  ik - угол визирования земного объекта в момент t ik (угол между направлениями линии визирования бортовой съемочной аппаратуры i -ого КА в надир и в центр объекта);  i к - центральный угол Земли, определяющий расстояние от надира i -ого КА до центра земного объекта в момент t ik ; r ik - радиус-вектор i –ого КА в момент t ik ; R - радиус сферической Земли. Порядковые номера в сквозной нумерации (далее - номера) земных объектов, которые могут быть сняты в моменты t ik, представляются в виде последовательностей : { n ik },, n ik {1, 2, …, H } Н - общее количество земных объектов, подлежащих съемке космической системой интервал [ t 0, T ]. Последовательности интервалов времени, в которые КА могут передавать накопленную в БЗУ информацию на наземные станции, - интервалов возможных сеансов связи представляются в виде последовательностей : {(, )},, и - моменты входа и выхода i -ого КА из зоны радиовидимости наземной станции; l i - количество возможных сеансов связи i -ого КА за интервал [ t 0, T ]. Последовательностям (, ) поставлены в соответствие последовательности порядковых номеров в сквозной нумерации (номеров ) наземных станций : { m i l },, m ik {1, 2, …, M } М - общее количество наземных станций.

Изображение слайда
10

Слайд 10

Геометрическая интерпретация временных интервалов (моментов) съемки земных объектов и сеансов связи 10 В плоскости географических координат показаны относительное положение трассы КА, земных объектов, зон обслуживания бортовой съемочной аппаратуры КА, земных станций и их зон радиовидимости. Трассе КА поставлена в соответствие временная ось. Возможность съемки земных объектов определяется предельным углом отклонения линии визирования бортовой съемочной аппаратуры КА от направления в надир. Возможность сеансов связи КА с наземными станциями определяется только минимальным углом места последних. Географическая широта

Изображение слайда
11

Слайд 11

Модели целевого функционирования аппаратуры бортового информационного комплекса 11 1. Модель динамики состояния БЗУ , - продолжительность интервала времени между двумя последовательными моментами возможной съемки земных объектов i -ым КА; - параметр управления включением бортовой съемочной аппаратуры i -ого КА в момент, принимающий значение 1, если объект в этот момент снят, и 0 в противном случае (управляющий параметр); - объем информации, накопленной в БЗУ i -ого КА после возможной съемки объекта в момент ; - объем информации, накопленной в БЗУ i -ого КА после возможной съемки объекта в момент ; - объем информации, поступающей в БЗУ i -ого КА при съемке -ого объекта в момент ; - - доля, приходящаяся на передачу информации из БЗУ i -ого КА; W - скорость передачи информации - производительность передающей аппаратуры i -ого КА. 2. Модель переориентации бортовой съемочной аппаратуры - параметр управления включением бортовой съемочной аппаратуры i -ого КА в момент ; - углы визирования земных объектов бортовой съемочной аппаратурой i -ого КА в моменты и соответственно; R - радиус сферической Земли; - радиус-вектор i -ого КА в момент ; - угловое расстояние от надира i - го КА до земного объекта в момент ; - скорость переориентации бортовой съемочной аппаратуры i -ого КА на временном интервале ( ). Угол ориентации бортовой съемочной аппаратуры КА считается нулевым до момента времени его первой съемки на интервале [ t 0, T ]. Переориентация аппаратуры совершается равномерно, скорость переориентации уставляет собой кусочно-постоянную функцию, участки которой определяются параметрами последовательных моментов съемки земных объектов:

Изображение слайда
12

Слайд 12

Пояснение модели динамики состояния БЗУ и переориентации бортовой съемочной аппаратуры 12 - Первое слагаемое учитывает объем записываемой в БЗУ информации в момент t ik+1 : если объект снимается, то u 1k = 1, БЗУ пополняется объемом информации, если объект не снимается, то u 1k = 0, и БЗУ не пополняется информацией (слагаемое обращается в 0). Второе слагаемое учитывает объем переданной из БЗУ информации за интервал t ik : - если информация не передавалась, то b ik = 0, и к моменту t ik+1 в БЗУ содержится объем V ik информации; - если передана вся информация, то к моменту t ik+1 в БЗУ нет информации (слагаемое обращается в 0); - если была передана часть объема V ik информации, то к моменту t ik+1 в БЗУ накоплена информация в объеме ( V ik - ∆ t ik b ik W i ). Емкость БЗУ ограничена предельным объемом V maxi информации, который может в нем храниться. Заметим, что запись информации в БЗУ (поступление объема V n ik+1 информации ) технически осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, на порядок большей производительности передающей аппаратуры W i. Пример учитывает этот факт разницей в наклоне участков кривых, соответствующих записи и воспроизведению информации. Участкам изменения углов визирования земных объектов бортовой съемочной аппаратурой КА соответствуют участки кусочно-постоянной функции скорости ее переориентации. Процесс переориентации бортовой съемочной аппаратуры КА характеризуется предельным углом визирования земного объекта и предельной скоростью. 1 +2 +3

Изображение слайда
13

Слайд 13

Критерий эффективности целевого функционирования низкоорбитальной КСН Информационный эффект, достигающийся при совершении съемки одного земного объекта, определяется величиной: , - уровень приоритета съемки n ik -ого объекта i -ым КА в момент, определяющий важность съемки этого объекта по сравнению с остальными объектами. Первый сомножитель - коэффициент качества изображения, учитывающий фактор ухудшения распознавательной способности снимков земных объектов, удаленных от надирной линии, и достигающий наибольшего значения при съемке в надир и наименьшего значения - при съемке под углом На интервале [ t 0, T ] эффект количественно определяется как: - ценность информации, полученной i -ым КА в процессе съемки земных объектов на интервале [ t 0, T ]; - булевые управляющие параметры съемочной аппаратурой i -ого КА на интервале [ t 0, T ]. 13

Изображение слайда
14

Слайд 14

Понятие об оперативном съемочном плане низкоорбитальной КСН Оперативный съемочный план низкоорбитальной КСН представляет собой совокупность временных последовательностей выполнения операций ( ВПВО ) каждого КА на интервале планирования: моментов времени включения бортовой съемочной аппаратуры (программа съемки земных объектов), интервалов времени переориентации бортовой съемочной аппаратуры (программа переориентации), интервалов времени передачи информации на земные станции (сеансы связи). Основными параметрами такого плана являются последовательности моментов съемки земных объектов, поскольку именно они определяют эффективность целевого функционирования космической системы. Программа переориентации съемочной аппаратуры КА и сеансы связи, в свою очередь, определяются программой съемок и техническими возможностями бортовой аппаратуры КА: , - последовательность или стратегия управления бортовой съемочной аппаратурой i -ого КА; - соответствующая стратегии управления программы переориентации бортовой съемочной аппаратуры i -ого КА. Задача планирования процесса целевого функционирования низкоорбитальной КСН состоит в формировании такого оперативного съемочного плана, реализация которого на интервале планирования позволяет достичь максимальной ценности информации о снятых земных объектах и максимальной эффективности космической системы в условиях ограниченных технических возможностей бортовой аппаратуры КА и ограничений на количество съемок объектов. 14

Изображение слайда
15

Слайд 15

Пояснение задачи оперативного планирования целевого функционирования низкоорбитальной КСН Из всего множества моментов времени возможной съемки земных объектов (а) и соответствующих углах их визирования (б), при известных возможных сеансах связи КА (в) на интервале планирования, заданных параметрах и ограничениях моделей, выбрать для каждого объекта только один момент съемки таким образом, чтобы значение показателя эффективности было максимальным. Пример : за интервал планирования [ t 0, T ]=48 часов могут снять 3 земных объекта и передать накопленную в БЗУ информацию на 1 наземную станцию, всего может быть проведено два сеанса, по одному каждым КА. Вариант решения задачи: возможность хранения в БЗУ первого КА информации одного снимка, в БЗУ второго КА - двух снимков; моменты съемок в плане обозначены черными значками, каждому земному объекту соответствует только один черный значок, в промежутках времени до сеансов связи каждого КА план содержит допустимое количество съемок. Ограничения переориентации не нарушаются. 15

Изображение слайда
16

Слайд 16

Оптимизация плана целевого функционирования КСН методом направленного перебора Процесс поиска оптимального плана целевого функционирования космической системы с применением процеду­ры направленного перебора сводится к реализации двух основных этапов: 1)определение начального приближения оптимального плана ; 2)доказательство оптимальности найденного приближения пла­на на основе направленного перебора комбинаций вариаций критерия по правилу: Предложенный численный метод модифицируют известный классический метод ветвей и границ: ветвями в данном слу­чае являются серии комбинаций вариаций критерия, а грани­цами — диапазоны изменения номеров вариаций, входящих в состав этих комбинаций. Достоинства алгоритма : - возможность полного учета всех альтернатив планов целевого функционирования космической системы, - наглядность, - простая компьютерная реализация, потребность небольшой памяти компьютера для хранения текущей информации. Недостаток алгоритма : - рост вычислительных затрат при увеличении количества целевых операций, выполняемых КА системы за интервал планирования. 16

Изображение слайда
17

Слайд 17

Примеры решения модельных задач планирования целевого функционирования КСН Исходные данные Допущения : а) скорости приема информации каждого ППИ удовлетворяют скорости передачи информации с любого КА группировки и равны 300 Мбит/с; б) для оценки периодичности наблюдений на экваторе применена аппроксимация всей земной поверхности с шагом 5°. 17 Для исследования выбраны российские орбитальные группировки КСН проектов «Ресурс-П», « Канопус » и «Метеор »:

Изображение слайда
18

Слайд 18

Примеры решения модельных задач планирования целевого функционирования КСН Орбитальное построение КСН. ППИ и объекты наблюдения Обозначения : М — максималь­ное (принятое для моделирования) количество плоскостей в орби­тальной группировке; N n — максимальное (принятое для модели­рования) количество КА в одной орбитальной плоскости. 1 8 Наименование КСН Высота орбиты Н, км Наклонение орбиты, град Варианты группировки, М x N п Кратность наблюдения, сутки/витки Угол обзора целевой аппаратуры КА, град «Ресурс» 475 97.28 5 X 1 3/46 ±42 «Канопус» 515 98.37 1 X 5 4/61 ± 30 «Метеор» 825 98.80 1 X 2 2X2 (1 X 1)±(2Х2) 4/57 ±45 Ресурс-П Канопус Метеор

Изображение слайда
19

Слайд 19

Примеры решения модельных задач планирования целевого функционирования КСН Сравнительные результаты моделирования 1. Зависимость оперативности передачи информации на ППИ. Линии: нижняя — Метеор, средняя — Канопус, верхняя — Ресурс 2. Зависимость среднесуточного объема переданной информации на ППИ. Линии: нижняя — Ресурс, средняя — Канопус, верхняя — Метеор 3. Зависимость периодичности наблюдения экватора. Линии: нижняя — Метеор, средняя — Ресурс, верхняя — Канопус 4. Зависимость совокупной ценности съемочной информации. Линии: нижняя — Метеор, средняя — Канопус, верхняя — Ресурс Для расчета каждого из показателей проводилось моделирование функционирования исследуемых КСН на интервале времени, равном времени кратности орбиты, т.е. времени, через которое трассы КА повторяются. Выводы : - параметр оперативности передачи информации на ППИ для КСН проекта «Метеор» принимает наименьшие значения, т.е. для данной системы среднее время между съемкой и приемом информации на ППИ при заданных условиях моделирования будет наименьшим. - зависимость среднесуточного объема переданной информации на ППИ для всех рассматриваемых КСН линейно зависит от количества КА, если учитывать тот факт, что прием информации может осуществляться с любого КА; - совокупная ценность полученной съемочной информации является наилучшей для КСН проекта «Ресурс», потому что на ней установлена аппаратура с наилучшей разрешающей способностью. Примечания : Совокупная ценность полученной съемочной информации зависит еще и от того факта, под какими углами визирования КА орбитальной группировки КСН проходят над объектами (территориями) съемки, потому что, чем больше угол визирования, тем хуже разрешающая способность снимка, что, в свою очередь, не позволяет рассматривать его как потенциально возможный в съемочном плане. Высота орбиты влияет как на время пребывания КА в зоне видимости ППИ, так и на время между соседними пролетами КА над ППИ. Периодичность наблюдения экватора напрямую зависит как от параметров орбиты КА, так и от параметров бортовой целевой аппаратуры КА. 1 9

Изображение слайда
20

Слайд 20

Примеры решения модельных задач планирования целевого функционирования КСН Результаты оптимизации Результаты многокритериальной оптимизации в рамках принятия решения по отдельно взятой орбитальной группировке при условии, что значение каждого из четырех рассматриваемых показателей нормировалось по единице относительно лучшего из них по формуле: J i =J i / max i (J), i =1,…,4 где J ={ J 1, J 2, J 3, J 4 } — вектор значений критерия; J i — конкретные значения каждого из четырех показателей. Нормированные значения показателей для орбитальной группировки Линейная свертка с коэффициентами важности по 0.25 для каждого из рассматриваемых показателей Линейная свертка с коэффициентами важности 0.2,0.2, 0.2,0.4 соответственно для каждого из рассматриваемых показателей Для многокритериальной сравнительной оценки эффективности целевого функционирования нескольких орбитальных группировок и принятия решения может быть также использована линейная свертка по всем рассматриваемым четырем показателям с коэффициентами важности по формуле: J =  k i J i где =  k i =1, k i - коэффициенты важности критериев эффективности целевого функционирования $ i = 1,…,4. Представленные выше результаты можно интерпретировать следующим образом. При многокритериальной оптимизации используется интегральный показатель, который является сверткой частных показателей. Однако, рассматриваемые частные показатели увеличиваются в зависимости от количества КА в орбитальной группировке. Для принятия решения о конкретном количестве КА в группировке КСН необходимо использовать дополнительные ограничения, которые предъявляются к максимально возможному количеству КА в группировке или к достижению частными показате­лями значений не хуже наперед заданных. 20

Изображение слайда
21

Последний слайд презентации: Управление целевым функционированием информационных спутниковых систем Тема

Изображение слайда