Problem statement of reliability and efficiencyoptimizationof communication sessions for heterogeneous data transfer between swarm of spacecraftsand mission control centre via network of ground stations
- Authors: Kalashnikov D.A1, Solovyov V.A1, Simonova E.V2, Mayorov I.V3, Grachev S.P4, Tichonov D.I5, Voroszheykin V.N5, Skobelev P.O5
-
Affiliations:
- JSC “S.P. Korolev Rocket and Space Corporation “Energia”
- Samara State Aerospace University
- Institute for the Control of Complex Systems, Russian Academy of Sciences
- Software Engineering Company “Smart Solutions” Ltd
- Samara State Technical University
- Issue: Vol 22, No 4 (2014)
- Pages: 59-68
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/20005
- DOI: https://doi.org/10.14498/tech.2014.4.%25u
- ID: 20005
Cite item
Full Text
Abstract
Full Text
1. Общее описание задачи Среди задач управления космическими аппаратами особое место занимает планирование сеансов связи КА и ЦУП через сеть наземных станций. Сложность задачи в значительной мере увеличивается, если вместо одного КА рассматривается группировка КА, каждый из которых решает свои целевые задачи, имеет на борту свои технические средства приема-передачи информации с наземными отдельными командно-измерительными комплексами (ОКИК). Кроме этого необходимо учитывать требования, накладываемые на сеансы связи отдельных КА из группировки, связанные с необходимым уровнем резервирования ресурсов при выполнении ими сложных и ответственных операций. Необходимо, чтобы ряд таких операций, как коррекция орбиты КА, затопление КА, информационная поддержка научных программ и др., осуществлялись на витках орбиты в зоне взаимной видимости более чем одной ОКИК. Задача построения сеансов связи КА, группировки КА и ЦУП через сеть ОКИК рассматривались в работах [1-8]. Однако вопросы динамической оптимизации показателей надежности и экономичности сеансов связи группировки КА с ЦУП через ОКИК не нашли в них свое отражение. В настоящей работе впервые сформулирована постановка задачи динамического планирования сеансов связи группировки КА и ЦУП через сеть наземных станций для оптимизации их надежности и экономичности. Данная постановка задачи позволяет применить для ее решения мультиагентные технологии [9-12]. Суть сформулированной ниже задачи состоит в следующем: - обеспечить максимальную зону обмена необходимой информацией с группировками КА при выполнении заданных операций; - обеспечить максимальную непрерывную зону обмена необходимой информацией с КА на каждом витке в зависимости от специфики выполняемых операций с необходимым уровнем резервирования ресурсов. Примеры сложных и ответственных операций, требующих высокой надежности: - коррекция орбиты КА; - затопление космического аппарата; - информационная поддержка научных программ и др. Упрощенная схема, поясняющая суть решаемой задачи, представлена на рис. 1. Здесь виток 1 попадает в зону действия первых двух станций (С1 и С2) и имеет более высокую надежность, виток 2 - в зону только одной С3 (низкая надежность), а виток 3 - снова в зону действия двух станций, но уже теперь С2 и С3 (более высокая надежность). Разумно предположить, что наиболее ответственные операции следует выполнять на 1-м и 3-м витке. Но при этом каждая станция может иметь свою аппаратуру, различающуюся качеством и скоростью приема-передачи, а также разную стоимость, которую следует принимать во внимание. Более важные операции могут быть забронированы на самых дорогих ресурсах, если нет других вариантов; менее важные вполне могут подождать до более дешевых станций. Рис. 1. Упрощенная схема, поясняющая решаемую задачу 2. Формализованная постановка задачи 2.1. Пусть задан набор наземных ОКИК , где - отдельный командно-измерительный комплекс; - число ОКИК в сети, на данный момент , с набором технических средств для приема-передачи информации на каждом ОКИК ; где - число технических средств на отдельном ОКИК (); - техническое средство для приема-передачи информации. Техническое средство приема-передачи данных однозначно определяется типом передаваемой информации и описывается множеством , где - индекс отдельного ОКИК (); - число технических средств на отдельном ОКИК; - тип передаваемой информации (командно-программная информация - команды, цифровые массивы на борт группы космических аппаратов (ГКА), квитанции на них с борта; телеметрическая информация с борта; информация радиоконтроля орбиты; телефонная информация - голосовой обмен с экипажами КА; телевизионная информация с борта); - скорость передачи информации, бод; - стоимость резервирования и возможного дальнейшего использования технического средства, руб/час. 2.2. Задана группа космических аппаратов , Р и с. 2. Периоды времени с постоянным числом ОКИК в зоне видимости ГКА где - число космических аппаратов в составе ГКА, каждый из которых определяется как набор технических средств для приема-передачи информации; , где - число технических средств на отдельном космическом аппарате в составе ГКА (), которые определяются так же, как и технические средства ОКИК в п. 2.1. 2.3. Циклограммы видимости ГКА каждым ОКИК (см. рис. 2) заданы как множество периодов времени с постоянным числом ОКИК в зоне видимости ГКА (используется московское декретное время (МДВ)) где - число периодов времени, каждый из которых определяется как ; - время начала периода видимости, МДВ; - время окончания периода видимости, МДВ; - время начала периода устойчивого приема (угол над горизонтом ≥ 7°), МДВ; - время окончания периода устойчивого приема (угол над горизонтом ≥ 7°), МДВ; - количество ОКИК в зоне видимости ГКА, . 2.4. Задания на передачу информации определяются как множество (см. рис. 3) , где - число заданий на передачу информации в планируемый период времени; - объем информации к передаче, байт; - время готовности информации к передаче, МДВ; - самое позднее возможное время выполнения задания, МДВ; - приоритет задания, - требуемый уровень резервирования ресурсов, ; - планируемый уровень резервирования ресурсов, ; - планируемая стоимость выполнения задания, руб. Здесь параметры задания и являются выходной информацией, вычисляются для определенного расписания и пересчитываются при изменении требований к расписанию. В данной постановке на первом этапе принимается неделимость задания на части по времени выполнения. Рис. 3. Пример распределения заданий 3. Расчетные данные 3.1. План взаимодействия со станциями и обмена информацией, который состоит из запланированных сеансов связи - периодов времени, на которые резервируются определенные технические средства определенного ОКИК для выполнения определенного задания ГКА для обмена информацией: , где - число сеансов связи; - число заданий на передачу информации, запланированных на сеанс, ; - набор заданий на передачу информации, запланированных на сеанс; - время начала сеанса, МДВ; - время окончания сеанса, МДВ; - набор КА, задействованных в сеансе; - набор зарезервированных технических средств на задействованных КА; - набор зарезервированных ОКИК; - набор зарезервированных технических средств на зарезервированных ОКИК; - множество периодов времени с постоянным числом ОКИК в зоне видимости ГКА, на которые запланирован сеанс; - стоимость резервирования ресурсов для сеанса связи, руб. 3.2. Стоимость выполнения и уровень резервирования ресурсов по каждому заданию: , где - число заданий на передачу информации в планируемый период времени. 3.3. Суммарная стоимость сеансов связи в расписании , где - число сеансов связи; - стоимость резервирования ресурсов для сеанса связи, руб. 4. Примеры критериев решения задачи Построение расписания обмена информацией с ГКА на каждом витке, выбирая периоды времени и варьируя время начала выполнения заданий, требуется осуществлять: 1. С максимальной непрерывной по времени зоной обмена информацией , где - число периодов времени, каждый из которых определяется следующим образом: - время начала периода устойчивого приема (угол над горизонтом ≥ 7°), МДВ; - время окончания периода устойчивого приема (угол над горизонтом ≥ 7°), МДВ. 2. С максимальным планируемым выполнением заданий обмена информацией, с учетом приоритетности заданий: - по количеству запланированных заданий из общего числа заданий, представленных к планированию: , где - число сеансов связи; - число заданий на передачу информации, запланированных на сеанс, ; - по объему запланированной к передаче информации: , где - число сеансов связи; - число заданий на передачу информации, запланированных на сеанс, ; - объем информации к передаче в отдельном задании, байт. 3. С требуемым или максимальным уровнем резервирования ресурсов. Требуемый уровень резервирования ресурсов , где - количество временных отрезков с постоянным числом ОКИК, задействованных в расписании; - требуемый уровень надежности. 4. С минимальной или не превышающей бюджетных ограничений суммарной стоимостью сеансов связи в расписании: - минимальная стоимость , где - количество сеансов связи; - стоимость резервирования ресурсов для сеанса связи; - бюджетные ограничения , где - количество сеансов связи; - стоимость резервирования ресурсов для сеанса связи, руб.; - бюджетное ограничение, руб. Метод решения задачи должен предусматривать возможность расширения числа критериев и изменения их приоритетности при изменении ситуации. Задание комбинаций критериев В общем случае суть задачи состоит в том, чтобы в зависимости от ситуации, диктуемой текущей доступностью ресурсов и наземных станций, а также с учетом сложности, длительности и важности задачи (приоритетов), наличия денежных средств и других факторов построить наиболее сбалансированное по указанным критериям расписание сеансов связи. Общую оценку текущего расписания (целевую функцию) предлагается производить сверткой (взвешенной суммой критериев), учитывая множество частных критериев: , где - непрерывность зоны обмена информацией; - полнота обмена информацией по количеству запланированных заданий; - полнота обмена информацией по объему переданной информации; - уровень резервирования ресурсов; - суммарная стоимость сеансов связи в расписании, а также предполагаемые идеальные значения этих критериев , и определяя свертку оценочных функций с заданными весовыми коэффициентами . Надлежащим выбором знаков и вида функций можно свести рассматриваемую задачу к максимизации целевой функции: где весовые коэффициенты нормируются: . Заключение В данной работе впервые сформулирована задача оптимизации показателей надежности и экономичности сеансов связи группировки КА и ЦУП через сеть наземных станций как максимизации суммы удовлетворенностей всех участников этого процесса (минимизации разницы между текущими и идеальными значениями), что позволяет добиться ситуативно формируемого баланса интересов задач (операций), космических аппаратов и наземных станций. Данный подход позволяет начать разработку набора методов решения поставленной задачи на основе применения мультиагентных технологий для построения гибкого самоорганизующегося расписания работы КА и наземных станций по приему/передаче данных, пригодного для ситуационного разрешения конфликтов и поиска компромиссов между участниками, а также для интерактивной доводки или дальнейшей адаптивной перестройки плана сеансов связи в ответ на любые возникающие непредвиденные события с учетом заданных индивидуальных критериев, ограничений и предпочтений. Реализация предлагаемого подхода будет способствовать повышению надежности функционирования любых сложных технических комплексов в условиях самых различных применений.About the authors
Dmitry A Kalashnikov
JSC “S.P. Korolev Rocket and Space Corporation “Energia”
Email: esib@samgtu.ru
Head of “Operation Analysis and Support of the On-Board Radio Engineering Systems and Technical Means of Ground Control of Spacecraft and Launch Vehicles” Department at RSC “Energia” 4A Lenin Street, Korolev, Moscow Region, 141070, Russia
Vladimir A Solovyov
JSC “S.P. Korolev Rocket and Space Corporation “Energia”
Email: esib@samgtu.ru
First Deputy General Designer, Deputy Director of Prime Design Bureau in charge of flight operational use, testing rocket-space complexes and systems of RSC “Energia” named after S.P. Korolev” 4A Lenin Street, Korolev, Moscow Region, 141070, Russia
Elena V Simonova
Samara State Aerospace University
Email: esib@samgtu.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 34 Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russia
Igor V Mayorov
Institute for the Control of Complex Systems, Russian Academy of Sciences
Email: esib@samgtu.ru
Senior Specialist 61 Sadovayastreet, Samara, 443020, Russia
Sergey P Grachev
Software Engineering Company “Smart Solutions” Ltd
Email: esib@samgtu.ru
Deputy CEO 17 Moskovskoe shosse, office center “Vertikal”, office 1201, Samara, 443013, Russia
Denis I Tichonov
Samara State Technical University
Email: esib@samgtu.ru
Postgraduate Student 244 Molodogvardeyskayastreet, Samara, 443100, Russia
Vladimir N Voroszheykin
Samara State Technical University
Email: esib@samgtu.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244 Molodogvardeyskayastreet, Samara, 443100, Russia
Petr O Skobelev
Samara State Technical University
Email: esib@samgtu.ru
244 Molodogvardeyskayastreet, Samara, 443100, Russia
References
- Соловьев В.А. Управление космическими полетами: учеб. пособие в 2 ч. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 476 с.
- Бетанов В.В., Демидов А.С., Ступак Г.Г., Янчик А.Г. Теоретические основы построения автоматизированной системы организационно-технического управления космическими средствами. - М: Военная академия РВСН им. Петра Великого, 2002. - 154 с.
- Макаров М.И., Медведев А.А. Наземные комплексы управления космическими аппаратами. - М.: Наука и технологии в промышленности, 2012. - № 1. - 20-29 с.
- Галантерник Ю.М., Гориш А.В., Калинин А.Ф. Командно-измерительные системы и наземные комплексы управления космическими аппаратами: Монография. - М.: МГУП, 2003.
- Кащееев Н.А., Чаплинский В.С., Панферов В.В. Наземно-космические информационные сети управления низкоорбитальными космическими аппаратами и обмена сообщениями между различными абонентами: принципы создания и применения, методы оценки эффективности // Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия / Под общ. ред. К.С. Касаева. - М.: ЭНЦИТЕХ, 2006.
- Молотов Е.П. Наземные радиотехнические системы управления аппаратами. - М: Физматлит, 2004. - 256 с.
- Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Сологуб А.В., Макаров В.П. Методы обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА зондирования Земли: математические модели, компьютерные технологии. - М.: Машиностроение, 2010. - 384 с.
- Лысенко Л.Н., Бетанов В.В., Иванов Н.М., Соловьев В.А. Математическое моделирование реализации технологического цикла баллистико-навигационнного обеспечения при управлении космическим полетом // Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики. - 2000. - № 1. - С. 37-44.
- Скобелев П.О. Открытые мультиагентные системы для оперативной обработки информации в процессах принятия решений // Автометрия. - 2002. - № 6. - С. 45-61.
- Андреев В.А., Виттих В.А., Батищев С.В., Скобелев П.О. и др. Методы и средства создания открытых мультиагентных систем для поддержки процессов принятия решений // Известия академии наук. Теория и системы упрвавления. - 2003. - № 1. - С. 126-137.
- Андреев В.В., Глащенко А.В., Иващенко А.В., Иноземцев С.В., Скобелев П.О., Швейкин П.К. Мультиагентные системы адаптивного планирования мобильных ресурсов в реальном времени // Сб. трудов 4-й Междунар. конф. по проблемам управления МКПУ - IV (26-30 января 2009). - М.: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РА, 2009. - С. 1534-1542.
- Батищев С.В., Батищева Т.В., Иноземцев С.В., Ивкушкин К.В., Скобелев П.О. Опыт применения мультиагентной системы планирования расписаний в задаче транспортной логистики // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Тр. VII Междунар. конф. - Самара, СНЦ РАН, 27 июля 2005. - С. 388-396.