Задача динамической корректировки плана наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов

Актуальность исследования.

В последнее время все более широкое распространение получают глобальные источники информации — источники, которые могут получать и передавать потребителям информацию по всем районам Земли. Такими источниками информации являются спутниковые системы мониторинга, оснащенные космическими аппаратами (КА) — наблюдателями, которые способны осматривать земную поверхность аппаратурой осмотра (АО) различного типа и передавать полученную информацию на наземные комплексы приема/передачи данных.

В данной работе рассматривается автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов (АСЬСМ ПМО). Эта система строится на принципах использования КА различных космических систем на правах аренды их ресурсов.

КА-наблюдатели принадлежат различнымведомствам и организациям и предназначены для выполнения различных целевых задач, таких, например, как экологический мониторинг, мониторинг лесных пожаров, мониторинг чрезвычайных ситуаций, мониторинг движения рыболовных судов.

На бортовую АО КА-наблюдателей накладываются ресурсные ограничения по возможности ее использования. Из-за ограничений на работу аппаратура осмотра КА, как правило, не может осмотреть все заданные районы земной поверхности. Поэтому в системе должна решаться задача оптимального использования ограниченных ресурсов АО КА, выделенных для наблюдений за ПМО, с целью максимизации эффективности проведения наблюдений.

Задачу оптимального использования ресурсов возможно решить только посредством планирования наблюдений на некоторый интервал времени в будущем, соизмеряя эффект от каждого наблюдения с затратами ресурсов АО на их реализацию. Задача планирования работы АО КА является одной из наиболее важных задач, которые должны решаться в АСКМ.

Решению задачи планирования посвящена диссертационная работа Новикова С. А. «Планирование наблюдений в автоматизированной системе космического мониторинга подвижных морских объектов» [38]. В этой работе приведена постановка задачи планирования на некоторый заданный длительный интервал времени (как правило — сутки), разработан и исследован алгоритм планирования наблюдений на этом интервале.

Как показали проведенные в работе исследования (см. раздел 1.6), при использовании информации составленного плана, полученной на момент его формирования, с удалением от начала планирования увеличиваются размеры областей возможных положений ПМО, и соответственно уменьшается вероятность их накрытия зонами наблюдения АО КА, увеличивается время наблюдения, в результате чего эффективность отдельных наблюдений ПМО существенно снижается.

С другой стороны, в результате реализации первоначально составленного плана появляется новая информация о положении ПМО. Появляется возможность динамической корректировки начального плана с учетом этой информации.

Таким образом, актуальной является задача организации динамического процесса корректировки созданного ранее долгосрочного плана. Актуальная научная задача — сформировать формализованную постановку задачи планирования с применением динамической корректировки плана наблюдений, предложить метод решения этой задачи, разработать инструмент, позволяющий исследовать эффективность внедрения механизма динамической корректировки составленного плана в процесс планирования наблюдений.

Объект исследования Автоматизированная система космического мониторинга подвижных морских объектов.

Предмет исследования.

Динамический процесс корректировки при планировании наблюдений областей возможных положений морских объектов в автоматизированной системе космического мониторинга.

Цель исследования Повышение эффективности процесса сбора информации о ПМО с помощью АСКМ.

Задачи исследования Для достижения поставленной цели были решены следующие научно-технические задачи:

1. Проведен анализ процесса функционирования АСКМ;

2. Осуществлена формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений областей возможных положений подвижных морских объектов;

3. Разработан метод и алгоритм решения задачи динамической корректировки плана;

4. Разработан комплекс вложенных имитационных моделей для исследования эффективности динамической корректировки плана;

5. Проведено исследование влияния включения в процесс планирования процедур динамической корректировки плана на эффективность функционирования АСКМ.

Методы исследования.

Поставленные задачи решались с использованием методов системного анализа, математического программирования, теории оптимального планирования и управления, объектно-ориентированного программирования, имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Осуществлена формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений ПМО в АСКМ с комплексным учетом факторов, влияющих на эффективность составленного плана, и разработан алгоритм ее решения;

2. Создано эффективное инструментальное средство в виде комплекса вложенных имитационных моделей (КИМ) для проведения всесторонних имитационных исследований динамического процесса планирования наблюдений ПМО с применением динамической корректировки плана;

3. Показано, что включение в процесс планирования процедур динамической корректировки существенно повышает эффективность функционирования АСКМ.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Формализованная постановка задачи динамической корректировки плана наблюдений ПМО;

2. Алгоритм динамической корректировки плана наблюдений ПМО;

3. Система вложенных имитационных моделей для исследования процесса динамической корректировки плана наблюдений;

4. Результаты имитационных исследований, подтверждающие эффективность процесса динамической корректировки.

Практическая значимость результатов.

1. Разработанный КИМ использован при проведении ОКР на предприятии ФГУП «ЦНИИ «Комета» «для оценки эффективности процесса функционирования АСКМ с учетом проектируемых алгоритмов планирования;

2. Результаты исследований использовались на этапе проведения ОКР для создания рабочих алгоритмов планирования наблюдений для проектируемой на ФГУП «ЦНИИ «Комета» «АСКМ ПМО;

3. Разработанный КИМ использован при работе над проектом РФФИ 09−08−145-а. и.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. Молодежь и будущее авиации и космонавтики 2009, работа отмечена дипломом (второе место в секции);

2. На 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2009»,.

Москва, 2009 г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 отчетах по ОКР и в 9 печатных работах, в том числе 2 публикации в ведущем рецензируемом научном журнале «Вестник МАИ», входящем в список ВАК РФ- 1 публикация в ведущем рецензируемом научном журнале «Мехатро-ника», входящем в список ВАК РФ- 1 публикация в электронном журнале «Труды МАИ», входящем в список ВАК РФ.

Структура и объем работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 65 наименований и двух приложений. Объем диссертации — 169 страниц машинописного текста, включает 62 рисунка и 23 таблицы.

4.3.4 Выводы.

На основе проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

• КИМ позволяет выявить для каждого конкретного примера рациональный объем ресурсов, выше которого выкупать ресурсы становится невыгодно ввиду незначительного роста конечных критериев;

• При использовании динамической корректировки выход на рациональный объем ресурсов происходит раньшепосле выхода на рациональных объем ресурсов выигрыш в МОВажЗВИ и МОВажЗС при увеличении объема выделенных ресурсов остается постоянным;

• ЗВИ более чувствительна к недостатку ресурсов, чем ЗС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Осуществлена постановка актуальной задачи динамической корректировки плана наблюдений в АСКМ ПМО и разработана формализованная постановка задачи динамической корректировки плана, как задачи стохастического программирования, учитывающая важные с точки зрения функционирования системы факторы.

2. Предложен косвенный метод решения задачи динамической корректировки плана наблюдений, позволивший свести задачу стохастического программирования к детерминированной оптимизационной задаче, что существенно уменьшает вычислительную сложность алгоритма динамической корректировки плана наблюдений ОВП ПМО. На основе метода максимального элемента и в соответствии с формализованной постановкой разработан алгоритм решения задачи динамической корректировки плана наблюдений.

3. Разработан комплекс имитационных моделей КИМ АСКМ, отображающий основные процессы функционирования моделируемой системы. КИМ используется для формирования исходных данных для алгоритма динамической корректировки плана наблюдений и для исследования эффективности этого алгоритма.

4. Проведенные вычислительные и имитационные эксперименты по анализу эффективности динамической корректировки плана наблюдений позволяют сделать выводы:

• о соответствии формализованной постановки задачи динамической корректировки плана конечным целям функционирования АСКМ;

• о чувствительности решения задачи к изменению важных параметров и характеристик системы;

• о решении в работе проблемы снижения эффективности функционирования АСКМ по мере отдаления от момента построения долгосрочного плана наблюдения.