Общая формулировка и системный анализ задачи оценки эффективности технологии автоматизированного управления ОГ КА в условиях внешних возмущений.
Назначение и основные принципы построения технологий автоматизированного управления КА. Анализ особенностей технологических циклов управления низкоорбитальных КА.
Анализ и выбор основных показателей эффектив-ности ТЦУ ОГ КА.
Основные элементы формирования оценки эффективности технологий автоматизированного управления КА.
Анализ существующих подходов к оценке эффективности технологии автоматизированного управления КА на различных этапах жизненного цикла. Описание структуры технологии автоматизированного управления ОГ КА.
Системный подход при формировании оценки эффективности ТАУ КА.
Постановка задачи по оценке целевой эффективности ТАУ КА на основе многокритериальной и полимодельной оптимизации. Выводы по главе 1.
Аналитические модели для оценки частных показателей эффективности технологии автоматизированного управления КА в условиях внешних возмущений. Постановка задачи по выбору и построению моделей оценки эффективности технологии управления с учетом факторов неопределенности. Модель управления движением ОГ КА в условиях внешних возмущений. Модель управления операциями ОГ КА. Обобщенная динамическая модель управления космическими средствами.
Модель оценки устойчивости технологии АУ КА к внешним возмущениям. Выводы по главе 2.
Стр. 3 8.
8 18 22.
25 33.
53 55.
69 80.
Глава 3. Комплекс стахостических имитационных моделей ТАУ 97 ОГ КА.
3.1. Цели и задачи построения моделей. 97.
3.1.1. Объекты исследования. 98.
3.1.2. Характеристики объктов исследования. 99.
3.2. Технические ограничения при взаимодействии с КА 105 -К.
3.3. Технологические ограничения при взаимодействии с 107 КА-К.
3.4. Показатели качества функционирования НКУ. 108.
3.5. Результаты моделирования. 122.
Выводы по главе 3 127.
Глава 4. Практические предложения и рекомендации по реше- 128 нию прикладных задач оценки эффективности ТАУ КА.
4.1. Методические предложения для решения задач оценки 128 эффективности ТАУ КА.
4.2. Многокритериальная сравнительная оценка эффектив- 132 ности технологии управления КА на основе метода функции ожидаемой желательности.
4.2.1. Общая постановка задачи. 132.
4.2.2. Аналитические формы представления функции 135 ожидаемой желательности как алгоритма преобразования натуральных шкал критериев в единую безразмерную шкалу.
4.2.3. Метод функции ожидаемой желательности. 139.
4.2.4. Методика оценки обобщенного показателя эффектив- 146 ности ТЦУ КА с использованием метода функции ожидаемой желательности.
4.3. Практическая реализация оценки эффективности 154 технологии управления КА по результатам модельного эксперимента в условиях внешних возмущений.
Выводы по главе 4 177.
Заключение
179.
Литература
182.
Основные сокращения 186.
Приложения 187.
Актуальность темы
: Технология автоматизированного управления (ТАУ) активными подвижными объектами представляет собой методы, приемы, способы, порядок, регламент выполнения процессов управления, отражающие последовательность и взаимосвязь процедур, операций, составляющих этот процесс.
Активные подвижные объекты (АПО) представляют собой искусственно созданные материальные объекты (приборные комплексы), перемещающиеся в пространстве и осуществляющие взаимодействие (информационное, энергетическое) с объектами обслуживания (ОБО), пунктами обслуживания, другими АПО. Предлагаемая структура АПО допускает весьма многообразную интерпретацию. Так, например, в качестве АПО может выступать наземное, воздушное, надводное или подводное средство передвижения: станок, робот с программным управлением, управляемый радиотелескоп, управляемое устройство фотографирования и т. д.
В данной работе под активным подвижным объектом будем понимать космический аппарат (КА), который представляет собой техническое устройство, предназначенное для полета в космическом пространстве. Таким образом, технологию управления активными подвижными объектами различного назначения при изложении дальнейшего материала будем рассматривать на примере технологии автоматизированного управления орбитальной группировкой космических аппаратов (ТАУ ОГ КА).
Раньше технологии управления КА были четко расписаны по следующему сценарию: объем орбитальной группировки и наземные средства управления находились в полном соответствии.
Хотя в 2006 г. улучшилось состояние отечественной орбитальной группировки, но до радикального ее «выздоровления» еще далеко. И тем не менее доля космических аппаратов социально-экономического и научного назначения, работающих в пределах своего гарантийного срока, возросла по сравнению с показателем 2005 г. с 51 до 58%.
Несмотря на тот фактор, что федеральная космическая программа России в 2006 г. профинансирована в объеме 23.0 млрд рублей, а 2007 год федеральным бюджетом предусмотрено выделение ассигнований на реализацию ФКП в объеме 24.4 млрд. рублей современный период развития отечественных космических средств, характеризуется значительным сокращением объемов финансирования работ на создание, проведение испытаний и эксплуатацию данных средств, а также деградацией существующих наземных средств.
В результате непоследовательной и нерасчетливой реструктуризации оборонного комплекса существенно изменился состав орбитальных средств, которые вошли в общую орбитальную группировку, более того, состав группировки неопределен.
В 2006 г. проводились работы по созданию и модернизации наземной космической инфраструктуры на Байконуре, в Уссурийске, в подмосковных Медвежьих Озерах, на объектах Алтайского оптико-лазерного центра. При этом на космодроме Байконур в ведение Роскосмоса от Минобороны России по плану 2006 г. передано 64 объекта. В 2007 году процесс передачи объектов от Минобороны Роскосмосу планируют завершить в полном объеме.
Кроме того в настоящее время для управления космическими аппаратами различного назначения в Российской Федерации кроме штатных средств Минобороны России появилось большое количество разнесенных по всей территории России наземных комплексов и средств управления КА других государственных ведомств и коммерческих организаций.
Эти обстоятельства выдвигают на передний план задачу сохранения требуемой эффективности технологии управления как отдельными КА, так и в целом орбитальной группировкой в условиях внешних возмущений, решение которой неразрывно связано с внедрением экономичных технологий контроля и управления конкретными типами КА с учетом структурной динамики наземных средств на этапах эксплуатации данных систем по целевому назначению, когда фактор времени является определяющим.
Указанные обстоятельства определяют актуальность исследуемой в диссертации сложной научной задачи: Системный анализ и комплексное моделирование технологий автоматизированного управления активными подвижными объектами на примере космических аппаратов в условиях внешних возмущений.
Объект исследования: процессы автоматизированного управления бортового комплекса управления и наземного комплекса управления КА на этапе целевого применения.
Предмет исследования: технология автоматизированного управления космическими аппаратами.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались: экспертные оценки, системное моделирование, методы теории оптимального управления сложными динамическими системами, методы принятия решений в условиях неопределенности, методы решения дифференциальных игр с непротивоположными интересами, методы многокритериальной оптимизации.
Цель работы: Решение научной задачи по совершенствованию и оптимизации комплексного моделирования процессов управления КА для выбора эффективной технологий автоматизированного управления КА на основе структурной динамики состояния космических средств в реальном масштабе времени в условиях внешних возмущений на этапе применения.
Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие подзадачи:
— анализ существующих технологий управления;
— выбор и обоснование основных показателей ТЦУ;
— обоснование и постановка многокритериальной и полимодельной задачи оценки эффективности ТЦУисследование частных динамических моделей структурно-функциональных процессов АУ ОГ КА на этапе целевого применения в условиях внешних возмущений, с учетом факторов неопределенности;
— решение задач оценки эффективности оптимального ТЦУ с использованием стохастического имитационного моделирования процессов управления;
— решение задач сравнительной оценки эффективности ТЦУ на основе метода функции ожидаемой желательности;
— разработка методики многокритериальной сравнительной оценки ТЦУ с использованием функции ожидаемой желательности. Научная новизна полученных результатов в том, что автором:
1. Предложен новый системный подход к изучению проблемных вопросов системного анализа ТАУ КА, заключающийся в постановке и комплексной оптимизации задач выбора для оценки и повышения эффективности ТАУ КА в условиях внешних возмущений с позиций многокритериальных и полимодельных методов.
2. На основе модифицированных динамических моделей процессов управления КА на разных иерархических уровнях получены модели и соотношения для определения частных показателей эффективности управления, учитывающие факторы неопределенности.
3. В отличии от существующих имитационных моделей предложены структура и состав системы стохастического имитационного моделирования ТАУ К, А в условиях внешних возмущений, позволяющие проводить оценку эффективности технологии управления.
4. Разработана модель и алгоритм многокритериальной сравнительной оценки технологий управления КА в условиях внешних возмущений по ожидаемой желательности.
Полученная в результате специальных теоретических и экспериментальных исследований возможность имитационного и аналитического моделирования ТЦУ так и математического воспроизведения оценочных характеристик этих ТЦУ, позволила решить ряд практических задач по оперативной оценке эффективности технологии управления ОГ КА на этапе применения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью используемых ограничений и допущений и подтверждается практикой целевого применения в различных организациях промышленности (ВИКИ им. Можайского, НИИ ТП, ЦСКБ, Федеральное космическое агентство, НПО им. Лавочкина, ЦНИИМАШ, СПИИРАН).
Внедрение основных результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН и использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Корона», заданной Федеральным космическим агентством в рамках Федеральной космической программы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и положения, выносимые на защиту, прошли научную апробацию на научной конференции ГОУ МАРТИТ и МНТК, (Аланья-Севастополь, май-сентябрь 2004 г.), т. 2. Федеральное агентство по образованию, М. МГАПРИ, 2005.
Публикации, материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 статьи, 1 — материалы научно-технической конференции.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы, включающего 52 наименования, и приложения. Объем работы: 180 страниц основного машинописного текста, 50 рисунков и 30 таблиц.
Выводы.
1 .Для оценки эффективности технологии управления в главе предложен новый полимодельный комплекс процессов управления, описывающий с требуемой степенью детализации как структурные так и функциональные аспекты реализации технологии автоматизированного управления КА.
Предложенный комплекс позволяет сравнительно легко проводить интерпретацию и согласование результатов по оценке эффективности оптимальной технологии управления КА, полученных на разнородных моделях, входящих в состав многомодельного комплекса как на программном, так и на информационном, алгоритмическом концептуальном уровнях описания технологии автоматизированного управления КА.
Оригинальность предложенного варианта формализации процессов управления КСр состоит в том, что в этом случае удается в явном виде связать содержательные аспекты функционирования АСУ КСр с выбором технологий управления КСр.
2.Предложенный алгоритм сравнительной оценки эффективности ТЦУ на основе использования функции ожидаемой желательности в условиях внешних возмущений позволяет определять обобщенный показатель эффективности ТЦУ в виде среднегеометрического значения. При этом данное значение может быть представлено в виде ребра многогранника, число граней которого соответствует количеству частных показателей сравниваемых ТЦУ, а значение грани соответствует значению функции ожидаемой желательности для каждого частного показателя этих ТЦУ.
Данный алгоритм позволяет упростить математический аппарат при определении точности оценок ЧПК, избежать трудоемких расчетов по определению коэффициентов важности ЧПК, учитывая их поведение и.
178 реальное изменение в зависимости от их желаемых значений (требований к ним) в виде гиперэкспоненты.
3 .Практическая реализация модельного эксперимента с использованием комплекса стахостических имитационных моделей управления орбитальными группировками КА и наземных средств управления космическими аппаратами, позволила.
• разработать технологию имитационного моделирования процессов подготовки и проведения операций обслуживания КА в условиях деградации наземного комплекса управления (НКУ);
• выполнить анализ по оценке показателей эффективности технологии АСУ КА для 5 вариантов НКУ.
Рассматриваемая система моделирования реализована с использованием инструментальных средств пакета прикладных программ GPSS — Word. При этом повышается степень автоматизации и оперативность принятия решения на командном пункте на 20−30%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате выполненных научных исследований в работе были получены следующие основные научные результаты.
1. Анализ принципов построения существующих технологий управления ОГ КА показал, что для повышения (сохранения) требуемого уровня эффективности данных технологий на этапе применения необходимо осуществлять управление их структурами, которые позволяют осуществлять динамическую интерпретацию процессов управления на основе методов комплексного моделирования управления в реальном масштабе времени.
2.Предложенный в работе системный подход к формальному описанию модифицированных динамических моделей процессов управления, отличающийся от ранее предложенных тем, что в его основу для оценки эффективности ТАУ КА положены комбинированные аналитико-имитационные модели управления операциями взаимодействия КСр в условиях внешних возмущений.
З.В качестве базовой математической структуры при формировании комплекса моделей процессов управления КА выбрана математическая структура динамической системы.
При этом в отличии от существующих динамических моделей (ДМ) программного управления в диссертации предложен один из вариантов, связанный с модификацией известных динамических моделей, который учитывает факторы неопределенности, связанные с воздействием и изменением внешней среды, для случая известных вероятностных характеристик случайного булевого процесса, описывающего в обобщенном виде воздействия внешних факторов на функционирование СУ ОГ КА с учетом структурной динамики состояния средств НКУ КА.
4.На основе построения множества достижимости конечномерных дифференциальных нелинейных динамических моделей управления с перестраиваемой структурой предложена модель оценки устойчивости ТАУ КА к внешним возмущениям в динамике. В этом случае выбор эффективных ТАУ КА является реализацией одного из основополагающих принципов принятия решений в условиях неопределенности — принципа гарантированного результата.
5. Разработанный комплекс стахостических имитационных моделей ОГ КА и наземных средств управления позволяет проводить оценку выполнимости задач управления, а также определять оптимальные варианты сокращенных технологических циклов управления при сохранении требуемых показателей управления в условиях возмущающих воздействий внешней среды, вызванных случайными факторами и деградацией НКУ.
6.В отличии от существующих методов в условиях случайных возмущений в работе предложена модель и алгоритм многокритериальной сравнительной оценки эффективности ТАУ КА на основе использования функции ожидаемой желательности при условии, что критериальная функция является случайной функцией с известным распределением вероятностей. При этом получены аналитические зависимости функции ожидаемой желательности в виде гиперэкспоненты от критериальных функций (частных показателей) эффективности ТАУ КА, которая с вероятностью 0,96 отражает изменение данных показателей от их желаемых значений.
7.В работе разработаны методические предложения по решению прикладных задач выбора эффективной технологии АУ КА на основе построения многомодельного комплекса процессов управления, который позволяет: сравнительно легко проводить интерпретацию и согласование результатов по выбору оптимальной технологии управления КА, -существенно повысить достоверность оценки эффективности управления КА в условиях внешних возмущений, а также скорость сходимости итерационных процедур поиска оптимальной технологии автоматизированного управления ОГ КА, полученных на аналитических и имитационных моделях с учетом изменения структурной динамики состояния космических средств в условиях внешних возмущений.
8.Практическая реализация модельного эксперимента с использованием комплекса стахостических имитационных моделей управления орбитальными группировками КА и наземных средств управления космическими аппаратами позволила;
— разработать технологию имитационного моделирования процессов подготовки и проведения операций обслуживания КА в условиях деградации наземного комплекса управления (НКУ);
— выполнить анализ по оценке показателей эффективности технологии АСУ КА для 5 вариантов РЖУ.
В целом в диссертации решена крупная научная задача по совершенствованию и оптимизации комплексного моделирования технологии управления для оценивания показателей эффективности целевого применения КА на основе структурной динамики состояния космических средств в условиях внешних возмущений в реальном масштабе времени.
Использование полученных результатов в организациях промышленности позволяет:
— сократить количество средств НКУ ОКИК на 10−15% при выполнении требуемого технологического цикла управления КА;
— сократить количество сеансов связи с КА на 25−30%, что обеспечивает повышение устойчивости связи с КА;
— повысить степень автоматизации и оперативность принятия решения по выполнению целевых задач на 20−30%.
