FORMATION OF OPTIMUM STRUCTURE OF ACS OF SPACE COMMUNICATION SYSTEMS AND NAVIGATION

全文:

Автоматизированные системы управления космических систем связи и навигации представляют собой иерархические многофункциональные и многоконтурные комплексы с развитыми средствами связи между управляющими узлами. Они включают в себя совокупность наземных измерительных пунктов различных типов, распределенных по значительной территории, каналы связи, обеспечивающие передачу информации между элементами системы, узлы связи и управляющие узлы различных уровней иерархии. Появление новых классов космических аппаратов и расширение их функций требуют совершенствования структуры автоматизированных систем управления космических систем (АСУ КС). Проектирование подобных систем включает определение элементов и подсистем АСУ КС в пространстве, выбор комплекса технических средств, обеспечивающих выполнение функций управления с учетом пространственного размещения комплекса и доступности узлов, распределение множества выполняемых функций по узлам системы с учетом взаимосвязи по технологии обработки информации и управления. При этом должны быть обеспечены требования к качеству управления системой. Постановка задачи. При синтезе структуры АСУ КС возникают задачи рационального распределения функций между управляющим комплексом и остальными узлами системы, задачи выбора технических средств в узлах системы и каналов связи между ними с учетом различных тактико-технических и техникоэкономических требований к функционированию АСУ КС [1-3]. Возникающие при этом математические постановки задачи синтеза структуры системы могут быть формализованы с использованием дискретных переменных различного уровня детализации системы. Необходимо определить последовательность задач и этапов формирования структуры АСУ космической системы связи и навигации и решить задачу выбора пунктов управления АСУ космической системы за счет комбинированной реализации оптимизационных и имитационных моделей. Рис. 1. Последовательность задач и этапов формирования структуры АСУ космической системы связи и навигации Метод решения. Последовательность задач и этапов формирования структуры АСУ КС приведена на рис. 1. На начальных этапах формулируются требования к разрабатываемой АСУ КС, выбирается состав характеристик и критериев эффективности вариантов структуры системы. Определяется возможный состав узлов, вариантов их построения и территориального расположения, а также характеристики этих вариантов. Выделяются функции управления в системе, которые детализируются до комплекса взаимосвязанных задач управления и вариантов их решения (или до вариантов построения процедур обработки информации и информационных массивов), обеспечивающих выполнение заданных функций управления (рис. 1). Последовательность задач и этапов формирования структуры АСУ космической системы связи и навигации, представленных на рис. 1: 1 - формулировка задачи формирования структуры АСУ космической системы связи и навигации; 2 - уточнение и выбор состава учитываемых характеристик и критериев эффективности вариантов структуры; 3 - определение возможного состава узлов управления и их взаимосвязей; 4 - формализация вариантов построения топологической структуры системы (построения графа взаимосвязанной совокупности задач управления, выполняемых АСУ КС, Gj); 5 - модель оптимизации топологической структуры (выбор G* с Gj ); 6 - имитационная модель топологической структуры АСУ космической системы связи и навигации; 7 - блок анализа и коррекции решения; 8 - определение состава функций задач управления и их взаимосвязей; 9 - определение вариантов выполнения функций и задач управления; 10 - определение возможного набора технических средств выполнения функций и задач управления; 11 - формализация вариантов выполнения функций и задач (построение графа топологической структуры АСУ КС, отражающего набор возможных вариантов построения и пространственного размещения управляющих узлов системы и каналов связи между ними, GI); 12 - формализация построения функциональной структуры АСУ космической системы связи и навигации (построение отображения GI на Gj); 13 - модель оптимизации функциональной структуры системы; 14 - имитационная модель функциональной структуры системы; 15 - блок анализа и коррекции решения; 16 - получение оптимального варианта структуры системы. Далее выделенные варианты построения комплекса взаимосвязанных задач управления и варианты построения управляющих узлов (включая варианты оснащения их техническими средствами управления) формализуются в виде графов GI и Gj, которые служат основой для формализованных этапов синтеза топологической и функциональной структуры системы (выделенные блоки 5-7, 13-15 на рис. 1). Рассматриваемые задачи могут быть формализованы с использованием аппарата графов и отображений. Общая схема формирования структуры АСУ КС включает следующие этапы: 1) построение графа топологической структуры АСУ КС GI, отражающего набор возможных вариантов построения и пространственного размещения управляющих узлов системы и каналов связи между ними; 2) построение графа взаимосвязанной совокупности задач управления Gj, выполняемых АСУ КС; 3) формализация отображения графов GI на Gj. Таким образом, задача синтеза топологической структуры системы состоит в поиске оптимального подграфа на графе Gj узлов АСУ КС, а задача синтеза функциональной структуры - в поиске оптимального отображения графа GI на граф Gj топологической структуры системы. Для АСУ КС целесообразно выделять следующие уровни детализации построения системы [4]: - выбор состава и топологии наземных пунктов управления (агрегированная переменная X); - выбор варианта защищенности пунктов управления от внешних воздействий и выбор комплексов технических средств в узлах (агрегированная переменная Y); - выбор варианта распределения функций и задач управления между выбранными узлами управления и техническими средствами (агрегированная переменная Z). При этом общую задачу формирования структуры АСУ КС можно записать следующим образом [5]: ех& F(X, Y, Z) = f(X + J2(X, Y) + J3(X, Y, Z); X e Gj, Y e G2 (X), Z £ G3 (X,Y), где X = {x,}, Y = {yjk}, Z = {z,jk} - булевы векторы, связанные между собой следующим образом: для всех j e J, k e K, i e I; yjk > 0, если x, > 0; yjk > 0, если x, = 0; zijk > 0, если y,k > 0; zjk = 0, если y,k = 0. Можно отметить, что в общем случае ряд ограничений задачи может быть задан алгоритмически, что требует, в свою очередь, организации итеративных схем решения указанных задач с учетом итераций решения общей задачи формирования структуры АСУ КС. На практике такие сложные процедуры реализуются в виде человеко-машинных схем синтеза, включающих возможности «конструктора системы» в режиме диалога вмешиваться и корректировать результаты промежуточных решений и ход оптимизации. Для решения проблем синтеза структуры распределенных АСУ КС на основе методологии синтеза структуры сложных систем при выполнении исследовании по проекту «Модели, методы и алгоритмы синтеза и управления развитием кластерных структур АСУ космических систем связи и навигации» (при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.0116) разработан комплекс взаимосвязанных моделей и алгоритмов и итеративные схемы их взаимодействия при синтезе топологической (пространственной) и функциональной структуры системы (рис. 2). Рис. 2. Схема комбинированной реализации оптимизационных и имитационных моделей для выбора пунктов управления XXC р k min вкхвк На первом этапе синтеза АСУ КС (блок 1) решается задача выбора состава и пространственного размещения управляющих узлов с учетом затрат на их организацию, доступность и глобальность управления различными классами космических аппаратов (КА). Предполагается, что на заданной территории определено множество пунктов, входящих в АСУ КС, в которых могут создаваться узлы управления, непосредственно взаимодействующие с КА. Зоны видимости различных пунктов управления разбивают проекции траекторий движения КА на участки. Совокупность участков различных пунктов определяет доступность КА пунктами управления и глобальность АСУ КС. Задача синтеза структуры АСУ КС состоит в выборе совокупности узлов управления, минимизирующем затраты на их создание при условии выполнения требований к глобальности управления для каждого класса КА и некоторых других требований, например, к количеству узлов, взаимодействующих с каждым классом объектов, и др. [6]. Для определения алгоритмически заданных характеристик функционирования синтезированного варианта структуры АСУ КС предназначены имитационные модели взаимодействия элементов заданной топологической структуры (блок 2). Модель позволяет анализировать функционирование системы с различным числом и расположением наземных пунктов управления, различным количеством классов КА и числом КА в каждом классе, различным числом типов управляющих взаимодействий между пунктами управления и КА. В результате моделирования определяются характеристики эффективности работы наземных пунктов управления (общая загрузка, загрузка по типам взаимодействия и классам КА) и качество управления совокупностью КА различных классов (число взаимодействий, их длительность, число неосуществленных взаимодействий и т. д.). В блоках 3, 4 для выбранной совокупности пунктов управления и их взаимосвязей определяются варианты построения узлов и связей между ними, обеспечивающие повышение живучести системы, определяемой вероятностью выполнения системой функций управления с учетом возможных неблагоприятных внешних воздействий. Различные варианты построения узлов АСУ КС и связей между ними, направленные на увеличение живучести системы, формализуются в виде графа GJ. Для повышения живучести используется дублирование узлов и каналов связи, повышение защищенности узлов и т. д. Каждый вариант построения узлов или каналов связи характеризуется затратами на их осуществление и вероятностью выхода из строя за рассматриваемый интервал времени. Для каждого класса объектов задается минимальная совокупность узлов, функционирование которых обеспечивает выполнение заданных функций управления. Предполагается, что такой совокупностью являются элементы, соединяющие объект с центром управления. Задача определения вариантов построения АСУ КС состоит в минимизации затрат на мероприятия, обеспечивающие выполнение системой функций управления при ограничениях, характеризующих живучесть системы управления для различных классов объектов. Такой выбор осуществляется в результате реализации аналитико-имитационной процедуры, выполняющей взаимодействие в процессе синтеза оптимизационной модели выбора вариантов реализации элементов системы (блок 3) и имитационной модели (блок 4). Для детального учета вероятностных характеристик функционирования сгенерированных вариантов построения и обеспечения живучести системы предназначен комплекс имитационных моделей (блок 4), который позволяет анализировать функционирование системы при различных величинах интенсивности и для различных законов распределения выхода из строя элементов системы (узлов управления, каналов связи и др.). В соответствии с общей методологией синтеза структуры сложных систем генерирование вариантов для их детального анализа и выбора осуществляется с помощью моделей оптимизации (блок 3). При этом предполагаются заданными следующие величины: : = LK, i =1 Pk (k = 1,K, i=1I), Pjk (k = 1,Kj, j = 1,j), вероятности надежной работы k-го варианта построения i-го объекта, j-го узла АСУ КС, R-го ретранслятора за рассматриваемый интервал времени с учетом неблагоприятных внешних воздействий; индекс j = 0 соответствует центральному узлу управления, а индексы j = 1j - совокупности наземных узлов управления; Pjk, PiRk, PRjk, Pj0k - вероятности успешной работы вариантов построения каналов связи между объектом и наземным узлом управления, объектом и ретрансляторами, ретрансляторами и наземным узлом управления, наземным узлом управления и центром за рассматриваемый интервал времени с учетом неблагоприятных воздействий; Cik, Cjk, CRk, Cijk, CRk, CRjk, Cj0k - затраты на организацию вариантов построения объектов, ретрансляторов, центра и каналов связи, наземных узлов управления. Задача выбора вариантов построения элементов АСУ КС состоит в минимизации затрат: при ограничениях Pi0 (xik, X0k ) [PRk (xRk, XiRk ) ( - (k (k, XRjk, Xjk )) + + (1 - PRk (xRk, xm))( - ( (k, x,k ))] ^ —п, i= й; X xak= 1, a =i, J, R; k X xpk=1, p={iR,iJ, jR j0}, k где xik = 1, если выбирается k-й вариант построения i-го объекта; x,k = 1, если выбирается k-й вариант PR, (k = 1,KR )- LLCak a k Л V k ( Л( л ) = X PRkxRk X PiRkxiRk V k JV k -Rk> xiRk ( X Pvkxvk V k V П j P*( X Pj V k 1 jkXjk xijk, xRjk, xjk 1 -X Pjkxjk 1 -X p n 1 - Для решения задачи предлагается использовать алгоритм, основанный на методе ветвей и границ [7]. В целях сокращения размерности задачи на графе Gj вариантов построения узлов системы и их взаимосвязей предусмотрено выделение последовательных участков, определение агрегированных вариантов построения выделенных участков и их характеристик. При этом из графа Gj исключаются агрегированные варианты участков, над которыми доминируют оставшиеся. На последующем этапе синтеза (блок 5) для найденного множества узлов АСУ КС, работающих с объектами различных классов, и заданных функций управления по каждому классу объектов определяется оптимальное распределение задач взаимосвязанных подсистем по уровням и узлам системы и выбирается состав комплекса технических средств. Функции управления задаются в виде множества задач, выполняемых различными подсистемами (контурами) управления. Типовая подсистема управления АСУ КС предназначена для выполнения последовательности взаимосвязанных функций (задач) по измерению, передаче и обработке информации о совокупности контролируемых параметров КА, выработке управляющих воздействий и контролю за их реализацией [8]. Проблема состоит в оптимизации распределения задач, входящих в контур управления, по уровням и управляющим узлам АСУ КС и определении набора технических средств, минимизирующих затраты на оснащение узлов техническими средствами и их эксплуатацию, при выполнении ограничений по оперативности, аппаратной надежности выполнения задач управления, массе и энергопотреблению бортовой аппаратуры, загрузке узлов и др. Варианты распределения функций и задач по уровням и узлам АСУ КС формализуются в виде сопостроения j-го узла; xRk = 1, если выбирается k-й вариант построения ретранслятора; ximk = 1, если выбирается k-й вариант связи соответственно между элементами i и j, i и R, R и j, j и 0 (центральный узел управления); xik = xjk = xRk = ximk = 0 - в противном случае. Величины Pi0, PRk, Pjk, Pj вычислены по следующим формулам: ( у л Pi0 (xik, x0k ) = X Pikxik X P0kx0k PRk X Pjkxjk V k Y Pj (k, xjk ) вокупности взаимосвязанных графов G0. Специфика АСУ КС заключается в том, что каждый путь отдельного графа соответствует некоторому варианту построения соответствующего контура управления системы. Подграф, состоящий из набора путей графов, задает структуру всей системы. Таким образом, в рамках единого подхода определены задачи и этапы формирования структуры АСУ космической системы связи и навигации, включая последовательность решения взаимосвязанных задач формирования основных элементов и частей системы, а также выбор рационального варианта структуры создаваемой АСУ космической системы связи и навигации. Проведенный анализ задач формирования структуры АСУ космических систем связи и навигации показал, что целесообразно выделять следующие уровни детализации построения системы: - выбор состава и топологии наземных пунктов управления; - выбор варианта защищенности от внешних воздействий; - выбор комплексов технических средств в узлах АСУ космической системы связи и навигации; - выбор варианта распределения функций и задач управления между выбранными узлами управления и техническими средствами. Для решения задачи выбора пунктов управления АСУ космической системы связи и навигации разработана схема комбинированной реализации оптимизационных и имитационных моделей. Такая схема позволяет эффективно использовать указанные модели в рамках единого оптимизационно-имитационного подхода к формированию структуры АСУ космических систем связи и навигации, что обеспечивает рациональное распределение функций между управляющим комплексом АСУ и остальными узлами системы, а также позволяет проводить обоснованный выбор технических средств с учетом различных требований к функционированию АСУ космических систем связи и навигации.

作者简介

R. Tsarev

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

D. Kapulin

Siberian Federal University

G. Sidorova

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

M. Serzhantova

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

N. Beschastnaya

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

参考

补充文件