SYSTEM APPROACH OF SELECTION TO PURPOSE DESIGNED EQUIPMENT OF SMALL SPACECRAFT

Full Text

Введение. Современные космические системы ис- пользуются для решения широкого круга прикладных задач: спутниковая связь, дистанционное зондирова- ние Земли, навигация, исследование Солнечной сис- темы и т. д. Задача обеспечения высокой эффективно- сти и результативности для различных космических систем является весьма актуальной. В последнее десятилетие стали востребованными разработка, производство и эксплуатация малых кос- мических аппаратов (МКА) с массой до 100 кг, которые наиболее экономически обоснованы, чем тяжелые космические аппараты. На различных этапах проектирования сложных технических систем, в том числе и МКА, необходимо использование методов системного анализа [1]. По- скольку МКА обладают существенными ограниче- ниями по массе, габаритам, энергопотреблению и другим техническим параметрам, то одной из задач системного анализа является выбор и обоснование рационального состава комплекса приборов целевого назначения. В состав МКА входят служебные и целевые сред- ства бортовой аппаратуры, рассматриваемые как под- системы. Поэтому перспективный МКА может быть представлен как совокупность технических подсис- тем, т. е. CМКА = {A1, ¼, AN }, где CМКА - разрабатываемый МКА; Ai - его подсисте- мы с порядковым номером i = 1, …, N. При этом технические средства Ai характеризуют- ся различными параметрами: показатели назначения, показатели надежности (безотказности, долговечно- сти, ремонтопригодности), показатели технологично- сти, показатели стандартизации и унификации и др. Для геофизического мониторинга бортовая науч- ная аппаратура (БНА) МКА имеет потенциальные возможности решать задачи наблюдения за различ- ными процессами и явлениями на Земле. Актуаль- ность мониторинга предвестников землетрясений по- средством БНА обусловлена высокими требованиями по оперативности получения данных, глобальности обзора поверхности Земли и достаточности набора данных по их полноте (информативности). Процесс подготовки сильных коровых землетря- сений сопровождается появлением различных пред- вестников: деформация земной коры, вариации элек- тромагнитного поля, аномальные облачные образова- ния и др. Для эффективного краткосрочного анализа предвестников сейсмической опасности необходимо использование космического сегмента, так как назем- ные службы недостаточно отражают изменения пара- метров окружающей среды в силу локализации их измерений. Геофизические явления и бортовая научная аппаратура. Рассмотрим некоторые геофизические явления, связанные с сейсмической активностью и регистрируемые посредством БНА МКА. Известно, что землетрясения сопровождаются раз- витием крупных тепловых аномалий, которые возни- кают за 2-3 недели до события и существуют в тече- ние 1-2 дней после него. Интенсивность таких анома- лий обычно составляет 3-4 °С, причём нагревается не только земная поверхность, но и воздух над эпицен- тром. Эти аномалии можно зафиксировать оптиче- скими средствами, работающими в ИК-диапазоне, посредством сканирующих радиометров [2]. Целесообразно учитывать результаты и линеа- ментного анализа космических изображений подсти- лающей поверхности в различных областях спектра: зеленой, красной и ближней ИК-диапазона. В сейсми- ческих регионах локальные линеаменты лучше всего выражаются на космических изображениях, сформи- рованных в зеленой зоне спектра, а региональные, как правило, - в ближнем ИК-диапазоне. Поэтому с целью сохранения максимальной информативности космических изображений и экономии времени на их обработку полезно использовать промежуточную (красную) зону спектра: Δλ = 620-690 мкм [3]. Наиболее информативным представляется исполь- зование космической тепловой съемки в комплексе с другими спутниковыми методами. Среди таких ме- тодов могут быть названы радиолокационная интер- ферометрия, наблюдения за вариациями параметров ионосферы. Так, в [4] приведены результаты обработ- ки измерений бортовым прибором ISL КА DEMETER, где обнаружено значительное увеличение плотности электронов за ~ 4 дня до сейсмического события в Самоа 29.09.2009 г. Увеличение шумов в частотном диапазоне 100-500 Гц регистрировалось за 14 часов до землетрясения на низкоорбитальных космических аппаратах над эпи- центром землетрясения при М > 5,4. Эффект ано- мального увеличения интенсивности низкочастотных радиоволн (0,1-15 кГц) в моменты землетрясений фиксировался как магнитной, так и электрической антенной. Также фиксировались изменения фазы низкочастотных сигналов, трассы распространения которых проходили через сейсмоактивный район [5; 6]. В [7] обнаружена пространственно-временная корреляция сильных литосферных землетрясений и вариаций потока энергичных частиц внутреннего ра- диационного пояса. К составу комплексов бортовой научной аппара- туры, предназначенной для обнаружения предвестни- ков землетрясений, выдвигается ряд основных требо- ваний: - максимальная эффективность; - габаритно-весовые характеристики и электро- магнитная совместимость; - учет требований по механическим, тепловым, электрическим и другим характеристикам, предъяв- ляемых к научной аппаратуре малых космических аппаратов. Рассмотрим возможности комплекса приборов МКА геофизического назначения. 1. Ионозонды. Одним из эффективных средств на- учной аппаратуры для решения задачи обнаружения предвестников сейсмической активности является ионозонд. Он проводит импульсное зондирование ионосферы, предоставляя оперативную информацию о ее состоянии, включая значение критической часто- ты f0 слоя F2 ионосферы и электронной концентра- ции. Опыт применения таких приборов показывает возможность оперирования более чем 300 фиксиро- ванными частотами в диапазоне 0,3-15,95 МГц для высот от 400 до 1000 км [8]. 2. Детекторы заряженных частиц. Основное назна- чение - регистрация протонов и электронов с энер- гиями в диапазонах 20 кэВ - 2 МэВ. Такие приборы широко использовались на низкоорбитальных и высо- коапогейных космических аппаратах. На борту «Метеор-ЗМ» прошел успешную проверку детектор МСГИ-5ЕИ для измерения дифференциальных спек- тров как электронной, так и ионной (протонной) компонент геоактивных корпускулярных излучений. В настоящее время подобные комплексы установлены на борту космических аппаратов «Метеор-М» № 1, № 2. 3. Радиомаяки. Такие приборы необходимы для радиотомографии ионосферы. Приемники могут работать, например, на частотах 150 и 400 МГц или 1,575 и 1,227 ГГц (частоты навигационных космиче- ских аппаратов). Метод радиотомографии дает воз- можность получать разрез плотности ионосферы по горизонтали и вертикали в масштабах на тысячи километров. 4. Волновые комплексы низкочастотного диапазо- на. Для регистрации аномалий в низкочастотном диа- пазоне необходимы приборы, которые позволят про- водить изучение непрерывных шумовых сигналов, появляющихся в ионосфере перед землетрясением. Для оценки изменений, происходящих в свойствах сигналов, оптимально использовать прибор, рабо- тающий в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц, поскольку большинство экспериментальных данных соответст- вует этому частотному диапазону. 5. Радиометры. Обработка изображений, получае- мых как в видимом, так и в ИК-диапазонах, позволяет выделить ряд предвестниковых факторов, таких как температурные аномалии, линеаменты облачного по- крова и другие метеорологические предвестники. Примером может быть радиометр AVHRR, установ- ленный на борту космических аппаратов семейства NOAA, и приборы типа МСУ космических аппаратов «Метеор-М» № 1, № 2 [2]. Также указанные явления фиксируются пассивными СВЧ-радиометрами типа МТВЗА, осуществляющими прием СВЧ-излучения с вертикальной и горизонтальной поляризацией с про- странственным разрешением 20-100 км и полосой обзора 1100 м. 6. Масс-спектрометры. Масс-спектрометры позволяют проводить измерения ионизированной и нейтральной составляющих ионосферной плазмы. Необходима регистрация относительного содержания концентра- ций ионов основных компонент ионосферной плазмы в диапазоне масс 1-65 а.е.м. с разрешением 10-15 (на уровне 10 % высоты пика). Выбор рационального состава целевой аппара- туры малых космических аппаратов. Для оценива- ния возможностей применения БНА МКА в интересах краткосрочного прогнозирования землетрясений прежде всего необходим выбор наиболее приоритет- ных источников спутниковой информации, для чего и предлагается следующий методический аппарат. Методика базируется на экспертном методе и методе парных сравнений с учетом «порогового принципа». В табл. 1 представлены основные источники пред- вестниковой информации [5]. Предлагаемая методика основывается на обработ- ке данных по основным источникам предвестниковой информации, заполнении экспертами таблиц, исходя из трех критериев: актуальность предвестника, эконо- мическая обоснованность и приборная реализуемость. Для экспертного оценивания привлекались со- трудники ИКИ РАН, МИРЭА, АО «Российские кос- мические системы», ИРЭ РАН с учетом их одинаковой компетентности (M = 7). При получении парных сравнений объектов Ai (i= 1, n) используется метод анкетирования, предусматривающий заполнение каждым экспертом матриц с одинаковым числом строк и столбцов (табл. 2). Таблица 1 Источники спутниковой информации № п/п Предвестниковая информация A1 Вариации температуры поверхности Земли A2 Вертикальные профили температуры и влажности воздуха A3 Облачные аномалии A4 Аномальные потоки скрытой теплоты испарения A5 Ветры на высоте 9-12 км A6 Аномалии потока уходящего длинноволнового излучения OLR A7 Температура приповерхностного слоя воздуха Окончание табл. 1 № п/п Предвестниковая информация A8 Концентрации, температуры ионов и электронов. Вертикальные профили электронной концентрации A9 Массовый состав и концентрация основных ионов A10 КНЧ- и ОНЧ-излучения, измеряемые бортовой научной аппаратурой A11 Квазипостоянные магнитные и электрические поля A12 Потоки высыпающихся частиц Таблица 2 Обобщенный вид матрицы экспертного оценивания Источники A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A1 a1,1 a1,2 a1,3 a1,4 a1,5 a1,6 a1,7 a1,8 a1,9 a1,10 a1,11 a1,12 A2 a2,1 a2,2 a2,3 a2,4 a2,5 a2,6 a2,7 a2,8 a2,9 a2,10 a2,11 a2,12 A3 a3,1 a3,2 a3,3 a3,4 a3,5 a3,6 a3,7 a3,8 a3,9 a3,10 a3,11 a3,12 A4 a4,1 a4,2 a4,3 a4,4 a4,5 a4,6 a4,7 a4,8 a4,9 a4,10 a4,11 a4,12 A5 a5,1 a5,2 a5,3 a5,4 a5,5 a5,6 a5,7 a5,8 a5,9 a5,10 a5,11 a5,12 A6 a6,1 a6,2 a6,3 a6,4 a6,5 a6,6 a6,7 a6,8 a6,9 a6,10 a6,11 a6,12 A7 a7,1 a7,2 a7,3 a7,4 a7,5 a7,6 a7,7 a7,8 a7,9 a7,10 a7,11 a7,12 A8 a8,1 a8,2 a8,3 a8,4 a8,5 a8,6 a8,7 a8,8 a8,9 a8,10 a8,11 a8,12 A9 a9,1 a9,2 a9,3 a9,4 a9,5 a9,6 a9,7 a9,8 a9,9 a9,10 a9,11 a9,12 A10 a10,1 a10,2 a10,3 a10,4 a10,5 a10,6 a10,7 a10,8 a10,9 a10,10 a10,11 a10,12 A11 a11,1 a11,2 a11,3 a11,4 a11,5 a11,6 a11,7 a11,8 a11,9 a11,10 a11,11 a11,12 A12 a12,1 a12,2 a12,3 a12,4 a12,5 a12,6 a12,7 a12,8 a12,9 a12,10 a12,11 a12,12 Значение элемента, стоящего на пересечении i-й строки и j-го столбца, определяется согласно правилу [9] ì0, Ai p Aj ij í i j a = ï1, A ~ A . Итоговая групповая оценка была получена усредне- нием значений индивидуальных оценок экспертов. Для оценки значимости результатов экспертного оценивания использовалось ранжирование. Каждому значению параметров A1, …, A12 присваивался ранг - порядковый номер, расположенный в порядке возрас- ï2, A f A îï i j Метод вычисления весовых коэффициентов, в соот- ветствии со значениями которых ранжируются объек- ты, представляет собой итерационную процедуру: pt = Apt -1, тания этих параметров. Для определения тесноты связи между рангами параметров A1, …, A12 определялся коэффициент кон- кордации. Поскольку ранги являются несвязными, то коэффициент конкордации будет определяться как [10] 12S где p0 = (1,1, …,1)'. W = m2 (n3 - n), В процессе итерирования возможно получение больших весовых значений. Чтобы этого не произошло, компоненты вектора pt на каждом шаге нормируютгде m = 3 - количество критериев; n = 12 - количество параметров A1, …, A12; S - разность между суммой квадратов рангов и средним квадратом рангов, опреся путем деления на сумму: λt = å pt = åå a pt-1. деляемая по формуле æ n m ö2 i ij j i i j n æ m 2 ççåå Rij ÷÷ ö i=1 j=1 S= åççå Rij ÷÷ - è ø , C учетом нормирующего множителя процедура вычисления весовых коэффициентов записывается m è j ø n как pt = 1 Apt-1. λt Вычислительный процесс продолжается до момента, где Rij - ранг, присвоенный i-му значению j-го при- знака. В результате расчетов S = 823, W = 0,639. Значимость коэффициента конкордации оцени- вается по χ2-критерию Пирсона. Расчетное значение когда весовые коэффициенты, полученные на сосед- 2 χ расч при отсутствии связных рангов определяется по них итерациях, будут незначительно отличаться друг от друга, т. е. формуле: i i max pt - pt-1 < ε, 2 χ расч 12S = mn (n+1). где ε - достаточно малое положительное число, Расчетное значение 2 χ расч = 21,1 превышает табличзадающее точность расчетов. Оценка приоритетности предвестниковой инфорное значение 2 χ табл = 19,675 при заданном уровне значимации по каждому критерию проводилась отдельно. мости α = 0,05 и числе степеней свободы v = n - 1 = 11, поэтому коэффициент конкордации признается зна- чимым, что свидетельствует о сильной связи между оценками экспертов. Применив относительное нормирование по макси- мальному значению, были получены показатели, которые характеризуют степень соответствия предвест- никовой информации заданным критериям (табл. 3). Выявление наиболее значимой предвестниковой информации проводилось по «пороговому принципу». Пороговое значение для Ai определялось с помощью средневзвешенного значения: Подпись: N åCiWiVi N L= i=1 , åWiVi i=1 где L - средневзвешенное значение («порог»); N - количество признаков; Сi - средняя арифметическая мнений экспертов по i-му признаку; Vi - «литератур- ный вес» по каждому i-му признаку. Для расчета «литературного веса» параметров A1, …, A12 были проанализированы имеющиеся лите- ратурные источники (табл. 4): W = Ci , i i i max - min где Wi - «практический вес», который отражает зна- чимость Ai по мнению экспертов; maxi, mini - значе- ния мнений экспертов по Ai. Нормированные параметры A1, …, A12 и получен- ное пороговое значение L = 0,92 показаны на рисунке. Как видно на рисунке, наибольшей значимостью при геофизическом мониторинге обладают параметры A3, A7, A8, A10. По результатам проведенного эксперт- ного оценивания для обнаружения краткосрочных предвестников землетрясений целесообразно диагно- стировать выявленные параметры и иметь в составе БНА МКА приборы, фиксирующие: - концентрацию, температуру ионов и электронов, вертикальные профили электронной концентрации; - температуру приповерхностного слоя воздуха; - КНЧ- и ОНЧ-излучения, измеряемые бортовой научной аппаратурой; - облачные аномалии. Таблица 3 Результаты расчета показателей приоритета предвестниковой информации A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 0,81 0,76 0,93 0,52 0,46 0,46 0,99 1,00 0,85 0,98 0,68 0,77 Таблица 4 Результаты анализа литературных источников № п/п Литературные источники, содержащие предвестниковую информацию V A1 [5; 2; 11-14] 0,24 A2 [3; 5; 11-13; 15-17] 0,32 A3 [3; 5; 13] 0,12 A4 [3; 5; 11; 12; 16] 0,20 A5 [5] 0,04 A6 [2; 3; 5; 8; 11; 14-16] 0,32 A7 [5; 11-13; 15-17] 0,28 A8 [3-5; 8; 11; 12; 16; 18-26] 0,64 A9 [4; 5; 8; 11; 12; 18-20; 26] 0,36 A10 [5; 8; 11; 17; 18; 22; 27; 28] 0,32 A11 [3; 5; 8; 12; 16; 19; 22] 0,32 A12 [5; 11; 18; 22; 29; 30] 0,24 Визуализация результатов селекции предвестниковой информации Visualization of the results of selection of predictive information Отметим, что в работе [31] предложенная методи- ка использовалась с меньшим числом критериев, где наряду с параметрами A3, A7, A8, A10 были выявлены A9, A12: массовый состав и концентрация основных ионов, а также потоки высыпающихся частиц соот- ветственно. Таким образом, приборы, регистрирую- щие параметры A9, A12, могут быть дополнительно установлены на МКА. Заключение. Предложена методика выбора наиболее информативных спутниковых данных, получаемых бортовыми приборами, комплектация которых должна определяться исходя из технических характеристик МКА, состава орбитальной группи- ровки и вышеприведенных требований. Основными приборами могут быть: - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (двухчастотный, с темпом изме- рений не ниже 20 Гц, имеющий не менее 2-х антенн, ортогональных по оси Х) для радиозатменного зонди- рования или Легмюровский зонд; - камера ИК-диапазона с разрешением 15-250 м в полосе обзора до 700 км и разрешающей способно- стью не хуже 5 К; - низкочастотный волновой комплекс для иссле- дования непрерывных шумовых сигналов в ионосфе- ре в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Полученные результаты позволяют оценить опти- мальный состав и технические характеристики борто- вой научной аппаратуры МКА геофизического назна- чения и определить перспективы развития космиче- ской системы мониторинга сейсмической активности. Дальнейшее повышение достоверности определе- ния места, времени и интенсивности сейсмического события может быть достигнуто путем сочетания спутниковых данных с результатами наземных измерений [32; 33].

About the authors

I. B. Kaloshin

Moscow Technological University (MIREA)

Email: kaloshin@mirea.ru
78, Vernadsky Av., Moscow, 119454, Russian Federation

A. G. Kharlamov

Moscow Technological University (MIREA)

78, Vernadsky Av., Moscow, 119454, Russian Federation

V. O. Skripachev

Moscow Technological University (MIREA)

78, Vernadsky Av., Moscow, 119454, Russian Federation

I. V. Surovceva

Moscow Technological University (MIREA)

78, Vernadsky Av., Moscow, 119454, Russian Federation

V. K. Ivanov

Moscow Technological University (MIREA)

78, Vernadsky Av., Moscow, 119454, Russian Federation

References

Supplementary files