УПРАВЛЕНИЕ МНОГОСПУТНИКОВЫМИ ОРБИТАЛЬНЫМИ ГРУППИРОВКАМИ НА БАЗЕ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ. CONTROL OF MULTI-SATELLITE CONSTELLATIONS BASED ON SMALL SPACECRAFTS

© С.А.Волков, И.Н.Пантелеймонов, А.Ю.Потюпкин, Ю.А.Тимофеев, А.С.Сергеев, Н.С.Данилин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Симпозиум
2019 г.

Аннотация: Рассматривается задача управления многоспутниковыми орбитальными группировками на базе малоразмерных космических аппаратов в условиях ограниченности ресурсов управления. Предлагается иерархическая структура задач управления, на верхних уровнях которой вводятся задачи управления системным и целевым эффектами. Общая задача управления системным эффектом включает в себя следующие частные задачи: управление целевым эффектом, орбитальной структурой, численностью орбитальной группировки, ресурсами системы, сетью передачи данных, вычислительной сетью GRID. Особое внимание уделено вопросам управления многоспутниковой группировкой как сложной системой на основе принципов гомеостаза. Рассмотрены факторы, приводящие к деградации системы, и предложены варианты их парирования. Приводится содержание новых задач по видам информационного обеспечения управления. Сделан вывод о необходимости разработки практических методов управления системным эффектом многоагентной системы при ограниченности ресурсов управления.

Ключевые слова: орбитальная группировка, управление, многоагентная система, системный эффект, целевой эффект, гомеостатические методы управления.

Abstract: The problem of control of multi-satellite orbital groupings on the basis of small spacecraft in conditions of limited resources is considered. Hierarchical structure of management tasks with system and target effects control tasks on its upper levels is proposed. The overall task of system effect management includes the following tasks: management of target effect, orbital structure, quantity of orbital grouping, system resources, data transmission network, computing network GRID. Special attention is paid to the questions of multi-satellite grouping control as complex system on the basis of homeostasis principles. Factors leading to system degradation are considered and ways of its counteraction are proposed. The content of the new tasks of information support of management is provided. Finally, a conclusion of necessity of development of practical methods of system effect management of multi-agent systems with limited control resources is made.

Keywords: orbital groupings, control, space system, multi-agent system, system effect, target effect, homeostatic control methods.

Создание многоспутниковых орбитальных группировок (ОГ), основу которых будут составлять малоразмерные КА (МКА) требует изменения подходов к их управлению[1], связанных с изменением объекта управления – от одиночных КА наблюдается переход к дистанционно управляемым многоагентным системам с численностью от десятков до нескольких сотен и тысяч МКА. В связи с этим возникает сложная задача создания систем управления интегрированными многоспутниковыми ОГ различного назначения и систем межспутникового взаимодействия в условиях ресурсных ограничений, в первую очередь ограничений по глобальности управления для существующего НАКУ КА.

Будем исходить из того, что всякая многоспутниковая система создаётся для реализации некоторого системного эффекта, характеризующегося целевыми показателями. Помимо общих показателей, таких как глобальность, непрерывность, оперативность и массовость, выделяют и показатели целевого предназначения. Например, для КНС – доступность и целостность системы, точность определения координат, для систем ДЗЗ – периодичность наблюдения, информативность, обзорность, вероятность получения информации с требуемым качеством, для ССС – множество предоставляемых сервисов, вероятность вхождения в связь за заданное время, задержка при передаче речи и т.д. Достижение заданных показателей предполагает переход от традиционных задач управления отдельным КА в полёте к другому классу задач управления – управлению системой КА.

Анализ системы КА как объекта управления показывает, что системный эффект достигается за счёт реализации ряда целевых эффектов (ЦЭ) многоспутниковой космической системы (КС). Например, для КНС необходимым условие решения навигационной задачи является обеспечение требуемого геометрического фактора, для систем связи - наличие в зоне видимости абонента хотя бы одного КА связи, для систем ДЗЗ - требуется реализация ЦЭ непрерывности, многопозиционности, стереосъёмки, комплексности наблюдения. В общем случае для сложной многоспутниковой КС на основе МКА возможно множество реализуемых ЦЭ, в силу чего возникает задача выбора ЦЭ и определение условий для его реализации – необходимой орбитальной структуры, обеспечения технической готовности МКА и наличия требуемых ресурсов, возможности обмена информацией между МКА и НКУ, а в случае реализации распределенной бортовой обработки информации, и управление вычислительной сетью GRID.

Представляется, что в целом иерархия задач управления будет выглядеть следующим образом. Общая задача управления системным эффектом будет включать частные задачи: управления ЦЭ, орбитальной структурой, численностью ОГ, ресурсами системы, сетью передачи данных (СПД), управление вычислительной сетью GRID.

Рассмотрим более подробно частные задачи управления. Управление целевым эффектом предполагает задание множества ЦЭ, выбор ЦЭ для решения системных задач, определение исходных данных для реализации ЦЭ – требуемой баллистической структуры, требований по ресурсным возможностям МКА, реализующих выбранный ЦЭ, наличие СПД и возможностей по обработке информации бортовой вычислительной сетью. Управление орбитальной структурой предполагает синтез баллистической структуры всей КС, определение орбитальной структуры для реализации выбранного ЦЭ. Управление численностью ОГ предполагает выведение на орбиту заданного числа МКА и дальнейшее восполнение ОГ в случае необходимости. Управление ресурсами системы включает оценку технического состояния отдельных МКА, учет энергоресурса и запаса рабочего тела, выбор МКА, способных реализовать ЦЭ с учетом баллистического построения и наличия необходимого ресурса. Ввиду особенностей отечественного НАКУ – его расположения только на территории РФ, ограниченной пропускной способности, отсутствия достаточного числа каналов ретрансляции для передачи управляющей информации, процесс управления многоспутниковой КС предполагает реализацию методов сетевого управления, обязательное наличие каналов межспутниковой связи, т.е. формирование СПД на основе МКА. В силу этого появляется новая задача управления - управление СПД, которая предполагает контроль состояния сети, маршрутизацию сообщений и ряд других задач.

Специфика ряда многоспутниковых систем потребует наличия системы бортовой обработки информации при ограниченных мощностях БЦВК отдельных МКА С учетом возможностей БЦВК, а также ограничений на каналы связи, предлагается технология GRID-систем как систем с распределением задач обработки по сети компьютеров. Вследствие этого возникают задачи управления вычислительной сетью GRID, предполагающие контроль состояния сети, распределение вычислительных задач, хранение данных, обработку данных и анализ результатов, передачу результатов потребителю.

В целом, главной особенностью новых технологий управления является переход от управления отдельными МКА к управлению системным эффектом всей КС в условиях ограниченности ресурсов управления. Управление многочисленной группировкой потребует новых подходов, основанных на гомеостазе системы, позволяющем сохранить баланс между различными противоречивыми процессами деградации и упорядоченности, происходящими в системе, и обеспечить её жизнедеятельность. К числу процессов деградации, разрушения системы отнесём влияние факторов космического пространства, приводящее к нарушению баллистической структуры системы; физическое и моральное старение элементов системы, приводящее к отказам и сбоям в работе системы; влияние ресурсных ограничений, а также влияние человеческого фактора.

К числу процессов нарастания упорядоченности системы отнесём процессы реализации целевого предназначения КС, связанные с удовлетворением потребностей потребителей в связи, мониторинге, навигации и т.д.; процессы поддержания работоспособности КС и реализации технологического цикла управления системой с решением задач командно-программного (КПО), информационно-телеметрического (ИТО), навигационно-баллистического (НБО) и частотно-временного обеспечения (ЧВО), которые получат новое содержание. Помимо традиционных задач, ориентированных на управление отдельным МКА, появятся задачи системного уровня, ориентированные на управление системным эффектом всей КС [2].Например, для КПО появятся следующие задачи: выдача исходных данных для формирования рабочей структуры; управление конфигурацией системы; маршрутизация передачи служебной и специальной информации; формирование и поддержание альманаха системы. В рамках ИТО возникнут задачи контроля состояния каналов связи; состояния БЦВК отдельных МКА; групповой оценки состояния системы в целом; оценки качества выполнения целевой задачи. Для НБО важным будет расчет и поддержание баз в пространстве между МКА в установленных пределах при групповом выполнении целевых задач, прогнозирование баллистического существования целевых групп – выбранных орбитальных структур. Согласованное функционирование многоспутниковой ОГ потребует и синхронизации и поддержания ГШВ системы в рамках ЧВО.

Требование гомеостаза системы предполагает наличие своеобразных «уступок» антагонистам: с одной стороны, допускается определённое снижение показателей упорядоченности, например, отказ от жёсткой баллистической структуры, понижение требований к точности занятия орбитальной позиции МКА, допускается стохастический вывод МКА на орбиту, отказ от резервирования части подсистем, перенос функций управления на борт МКА, использование элементной базы с менее строгими требованиями по надёжности – коммерческой электроники; использование «наземных» решений для отработки и проведения испытаний из опыта автомобильной и электронной промышленности и т.д. С другой стороны разрабатываются способы компенсации влияния факторов разрушения, например, способы управления системой с нарушенной баллистической структурой, создание избыточности МКА на орбите, своевременное восполнение системы в случае отказа элементов, проведение мероприятий по восстановлению работоспособности системы и её элементов и т.д. Практическая реализация отечественных проектов создания многоспутниковых орбитальных группировок, в частности, анонсированного проекта «Сфера», возможна при условии успешного решения задачи управления нового класса – управление системным эффектом многоагентной системы при ограниченности ресурсов управления. Такое решение возможно на основе гомеостатического подхода, предполагающего, с одной стороны, увеличение степеней свободы отдельных МКА, отказ от «жесткого контроля», но, с другой стороны, реализующего возможность управления ресурсами всей системы путём создания избыточности по числу МКА.

Литература

1. Концепция создания и применения малоразмерных космических аппаратов. Роскосмос, М.- 2018 г.

2. Потюпкин А.Ю., Данилин Н.С., Селиванов А.С., Кластеры малоразмерных космических аппаратов как новый тип космических объектов. //Научно-технический журнал «Ракетно - космическое приборостроение и информационные системы» , 2017, том 4, выпуск 4, c. 45–56.