ВОПРОСЫ ПРОЕКТНОГО АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

© Ю.А.Матвеев, В.А.Ламзин, В.В.Ламзи
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и научное прогнозирование"
2010 г.

В докладе рассматриваются особенности проектного анализа перспективных проектов космических систем дистанционного зондирования Земли (КС ДЗЗ), когда учитывается развитие (модернизация) техники в планируемый период, приводится постановка задачи прогнозирования характеристик перспективных КС ДЗЗ.

Создание КС ДЗЗ связано со значительными затратами времени, разработка и эксплуатация обычно осуществляется в течение длительного временного интервала. Выбор проектных решений для КС ДЗЗ и подсистем, сроков реализации проекта, программы модернизации проекта проводятся в таком случае при значительной неопределенности, что усложняет поиск рациональных параметров. В связи с этим появляется проблема создания методов оценки проектных решений, учитываю¬щих влияние фактора времени и неопределенностей, обеспечения устойчивости решений, эффек¬тивности разработки и эксплуатации космической техники при ограниченных затратах.

Анализ технических приемов по обеспечению устойчивости решений, эффек¬тивности разработки и эксплуатации космической техники при ограниченных затратах показывает, что реализуются два базовых направления.

Первое направление связано с поиском неизменяемых, по существу, подсистем, модулей, блоков и конструкций, но обладающих в силу заложенных свойств возможностью быть использованными при широком спектре условий применения и действующих нагрузок.

В основе второго направления лежит представление о возможности проведения доработки (модернизации) техники в процессе использования, что при сравнитель¬но малых начальных затратах позволяет наращивать эффективность её использования. Анализ показывает, что второе направление — проведение модернизации системы и созда¬ние модификаций космических аппаратов (КА) — дает возможность рационально использовать научно-техни¬ческий задел, продлить сроки эксплуатации. Роль этого направления в настоящее время значительна.

Известный опыт показывает, что в течение жизненного цикла КС ДЗЗ претерпевает изменения, совершенствуется, проводится комплекс работ, приспосабливаю¬щих её к новым условиям функционирования, проводится поэтапная модернизация. В таком случае обоснованной является постановка и решение проектной задачи с учетом динамики развития, когда вопросы модернизации КС ДЗЗ и замены составляю¬щих элементов (создания модификаций КА) обсуждаются на ранних этапах разработ¬ки.

В докладе, как обобщение основной проектной задачи на случай, когда априори учитывается ряд факторов (возможность доработки техники, изменения параметров и характеристик КС ДЗЗ в планируемый период), формулируется динамическая проектная задача с учетом развития (модернизации) техники. Задача формулируется в следующем виде:

– определить параметры КС ДЗЗ и подсистем;

– функции их изменения при проведении модернизации системы в планируемый период с тем, чтобы при выполнении системой поставленных задач эффективность была не ниже заданного уровня;

– математическое ожидание суммарных затрат на реализацию проекта должно быть минимальным.

При таком подходе варьируются не параметры, как в обычных задачах проектирования, а функции изменения параметров. Поскольку при исследовании перспективной КС ДЗЗ имеет место целый ряд неопределенных и случайных факторов (могут быть не определены как внешние, так и внутренние функциональные и параметрические связи), то решение носит случайный характер, динамическая проектная задача является стохастической.

Первой особенностью задачи является то, что она многопараметрическая и многокритериальная. При оптимизации варьируемые параметры и функции выбираются с учетом ограничений. Они должны удовлетворять требованию эффективности применения КС ДЗЗ, времени её разработки и создания (изготовления) и находиться в области, задаваемой функциональными и параметрическими, внешними и внутренними связями. Важным моментом является ограничение на длительность разработки. При выборе рационального решения проводится оценка суммарных затрат на реализацию проекта и определяется функциональная (целевая) эффективность КС ДЗЗ (информационная производительность, разрешение и др.). Одновременно оцениваются сроки разработки создания базовой КС ДЗЗ и сроки таких работ при проведении модернизации (трудоемкости работ). При постановке задачи используется метод ограничений.

Второй особенностью задачи является то, что она имеет динамический и статистический характер. Динамический характер обусловлен тем, что при поиске рационального решения определяются функции, задающие программу модернизации КС ДЗЗ в планируемый период, а также функции, задающие процесс отработки и обеспечения надежности. Анализ показывает, что указанные функции имеют специальный вид (либо кусочно-непрерывные, либо функциональные соотношения известные с точностью до параметров) и поэтому могут быть заданы в параметрическом виде. Это дает возможность не рассматривать задачу как вариационную, а воспользоваться методами параметрической оптимизации (использовать методы математического программирования) при поиске рационального решения.

Так как при проведении исследований используются опытные данные (статистика по прототипам) прогнозные оценки целевой нагрузки на систему в планируемый период, то в соответствующих зависимостях присутствуют случайные факторы (коэффициенты соотношений для определения массы, информационной производительности, затрат и др.). Поэтому для перспективной КС ДЗЗ оценки суммарных затрат и показателей эффективности имеют разброс. Задача определения рациональных параметров КС ДЗЗ формируется как стохастическая, определяются проектные решения (параметры системы), при которых средние суммарные затраты на проект минимальные и разброс этих затрат (среднее квадратичное отклонение) не превышает наперёд заданной величины. Можно показать, что последнее условие определяет средний риск реализации проекта.

Рассмотренная задача является основной при исследовании модернизации КС ДЗЗ. В докладе, используя метод временных сечений, а также приемы декомпозиции, сформирована логическая схема расчлененного исследования динамической задачи проектирования КС ДЗЗ с учетом развития (модернизации) техники в планируемый период. Главными задачами являются прогнозирование определяющих параметров; условий функционирования к моменту (метод временных сечений); оптимизация параметров и процесса отработки и обеспечения надежности базовой КС ДЗЗ; задача оптимизации программы развития КС ДЗЗ в планируемый период. Последняя задача решается в два этапа. Вначале определяются параметры системы при i-ых модернизациях в планируемый период. Каждая i-ая модернизация связана с заменой подсистем. В частности, при i-ой модернизации могут вводиться в строй новые КА или модификации КА, оснащенные новой целевой аппаратурой.

Результаты исследования первого этапа (оценки характеристик системы при i-ых модернизациях) используются на втором этапе при определении рациональной программы модернизации КС ДЗЗ в планируемый период. Программа модернизации КС ДЗЗ в планируемый период задаёт число (количество) и сроки проведения соответствующих работ, а также объемы финансирования таких работ, достигнутый уровень эффективности КС ДЗЗ. Для определения рациональной программы модернизации системы используется метод динамического моделирования.

Сформулированная задача проектирования КС ДЗЗ с учетом развития техники – это, по определению, задача прогнозирования. При прогнозировании характеристик перспективной КС ДЗЗ используется метод временных сечений. В этом случае в проектных моделях выделяют динамические (определяющие) параметры, значения которых зависят от времени прогноза (времени, к которому планируется реализация проекта).

Прогнозные исследования проводят в два этапа: находят прогнозные оценки определяющих параметров к моменту прогноза;

– при полученных оценках определяющих параметров проводят проектное моделирование, находят рациональные параметры перспективных образцов, определяют риск реализации проекта.

В общем случае исследование проводится итерационно, с учетом особенностей проекта уточняют состав и значение определяющих параметров.