Эволюция и тенденции развития комплексов управления КА за рубежом

Самая свежая информация видео стены у нас на сайте. Купить мясо баранины.

До середины 1960-х гг. для управления конкретными типами КА создавались специализированные сети слежения. Они разрабатывались разными фирмами, имели свою аппаратуру управления КА и наземные станции. Это относится к большинству гражданских и военных КА того периода. Недостатком такой организации управления КА было быстрое увеличение числа наземных станций слежения при их относительно малой загрузке, что привело к низким показателям сетей слежения по критерию эффективность — стоимость.

С увеличением числа КА на орбитах НАСА и Минобороны США пришли к выводу о необходимости создания сетей слежения общего пользования с унифицированными командно-измерительными системами (наземные станции и соответствующая бортовая аппаратура КА). В результате последовательного объединения различных средств управления в США сформировались описанные выше комплексы управления НАСА и Минобороны. По различным техническим и организационным причинам полной унификации и стандартизации средств и методов управления не получилось, хотя и были приняты некоторые меры по совместимости комплексов НАСА и Минобороны. Задачи их дальнейшей интеграции и унификации для сокращения бюджетных ассигнований на их эксплуатацию и развитие по-прежнему рассматриваются в США как актуальные.

Характерной чертой НКУ США, управляющих большим числом различных КА,является многопунктность их структуры. Так,в сети СТДН к началу 1980-х гг. насчитывалось до 22 КИПов, расположенных как на территории США, так и в других странах, что позволило обеспечить сеансы связи с К А на каждом витке орбиты. Однако, несмотря на такое большое число КИПов и большие затраты на эксплуатацию комплекса СТДН,общая зона радиовидимости орбит КА со всех КИПов не превышала 20 % от всей траектории их движения,что в ряде случаев затрудняло выполнение операций с КА в реальном масштабе времени, особенно в случаях возникновения на борту нештатных ситуаций.

Кардинальным путем снижения требуемого для управления КА парка наземных станций, сокращения необходимого количества обслуживающего персонала и повышения эффективности управления и применения КА явилось создание космической системы ретрансляции TDRSS для приема научной (целевой) информации с К А и управления ими в по лете, а также сбора информации с РН,РБ и КА при запуске КА и посадке возвращаемых космических кораблей. КСР TDRSS обеспечивает информационную связь с низкоорбитальными КА, принадлежащими НАСА, используется для ретрансляции разведывательной информации с КА Минобороны США. Кроме того, радиоканалы системы TDRSS используются на правах аренды для обеспечения связи с КА иностранных государств.

Создание КСР в корне изменяет структуру НКУ КА. При этом НКУ превращается в цепочку элементов ЦУП — наземная станция TDRSS — СР — КА-абонент, т.е. в однопунктную структуру. Фактически с учетом требования глобальности действия необходимо иметь не менее трех разнесенных по долготе СР, а с учетом достигнутой пропускной способности и состояния аппаратуры на орбитах находится до шести геостационарных СР.

В наземном сегменте создано три терминала (два в районе Уайт-Сэндс, шт. Калифорния,один в зоне Тихого океана). Каждый терминал может поддерживать непрерывную связь с 2 — 4 СР. Наземные станции с традиционными КИС используются лишь для управления КА НАСА, находящимися на орбитах с высотой более 12 тыс. км (для существующего поколения СР), либо КА, не включенными по различным причинам в число абонентов СР.

Принципиально такая структура является прообразом комплексов управления и приема информации с КА в XXI в., когда информационный контакт между наземными центрами управления и обработки информации с КА будет возможен в любой момент времени независимо от взаимного положения ЦУПа на Земле и КА в космосе.

Идея использования СР для обеспечения глобальной и непрерывной связи с КА применима не только для околоземных спутников. Она может быть плодотворной при проведении работ в дальнем космосе. Так, при исследовании планет Солнечной системы с широким применением малых спутников, пенетраторов, различных приборов для исследования поверхности и атмосферы планеты передачу научных данных и управление указанными объектами по энергетическим соображениям целесообразно осуществлять путем ретрансляции сигналов через базовый искусственный спутник планеты, который будет служить связующим звеном с научным центром Земли, организующим исследования в дальнем космосе. О подобных проектах общего СР уже упоминается в зарубежной литературе,имеется опыт такой ретрансляции. НАСА планирует дальнейшие эксперименты в этой области при выполнении марсианской программы.

В настоящее время широким фронтом за рубежом идут работы по созданию низкоорбитальных многоспутниковых систем связи и передачи широкополосной информации. По своему замыслу эти системы должны работать с низкоэнергетическими терминалами типа телефонной трубки либо с подвижными и стационарными малогабаритными приемопередатчиками,обеспечивая им дешевую глобальную и непрерывную связь с любой зоной Земли. В пред стоящее десятилетие (до 2010 г.) такие системы будут широко применяться наряду с высокоорбитальными системами спутниковой связи. Для обеспечения глобальности действия низкоорбитальные системы будут использовать межспутниковую ретрансляцию между КА системы внутри орбитальной плоскости и между КА различных плоскостей. Использование связных каналов одновременно для передачи управляющей информации позволит создать одно-пунктные комплексы управления этими низкоорбитальными системами.

Применение унифицированных интерфейсов обмена информацией через системы спутниковой связи сделает ненужным создание специализированных систем связи и передачи данных, которые сейчас существуют в сетях слежения. Тенденции создания и использования КСР характерны и для других ведущих космических стран и международных консорциумов — владельцев разнообразных космических систем (Европейское космическое агентство, Япония, Китай, организации Intelsat, Inmarsat и др.). Учитывая ограниченность территории,указанные страны и организации используют для размещения КИПов зарубежные территории и корабельные КИПы (Китай).

ЕКА и Япония как наиболее развитые в экономическом и техническом отношении космические субъекты, имеющие высокий научно-технический потенциал и большой опыт работы с КА, также создают свои КСР в интересах поддержания глобальной связи с научными КА и перспективными пилотируемыми космическими модулями МКС. НАСА, ЕКА и НАСДА прорабатывают вопрос о совместимости всех трех КСР в интересах взаимного резервирования и расширения возможностей национальных КСР и создания в перспективе единой мировой космической ретрансляционной системы.

Международное сотрудничество в космосе,выполнение крупных международных космических проектов (МКС, космические системы глобального мониторинга, создание глобальных систем космической связи,охватывающих многие страны и т.д.) требуют проведения крупномасштабной интеграции космических средств, включая системы управления ими. Основой и необходимым условием для этого является унификация и международная стандартизация аппаратно-программных комплексов средств автоматизации, средств связи и информационного обмена с КА. Начиная с 1990-х гг. эта стандартизация широко проводится в рамках работ Консультативного комитета по системам передачи космических данных (CCSDS) в дополнение к усилиям Международной организации по стандартизации (ISO),Международного союза электросвязи (ITU), Межполигонной группы (стандарты IRIG).

Стандартизуемые объекты:

диапазоны радиочастот, функции и структуры линии "Земля-борт";
параметры приемных и передающих устройств;
стандартные блоки форматированных данных;
процедуры командных радиолиний;
обработка и сжатие данных;
интерфейсы и протоколы обмена данными различных уровней;
логика принятия решений и т.д.

В последние годы разработаны стандарты Super MOCA-700 группы стандартов CCSDS. Они определяют требования по планированию и использованию средств управления в ЦУПе, наземных терминалах и на КА для всех станций жизненного цикла и для различной степени автономности КА.

На основе внедрения всех этих стандартов обеспечивается совместимость средств и комплексов управления, разрабатываемых фирмами различных стран, и можно считать, что уже в настоящее время при необходимости можно организовать мировую сеть взаимосвязанных средств управления КА, принадлежащих космическим агентствам разных стран. При этом в связи с широким применением микропроцессорной техники и формированием структуры сигналов и способов их обработки чисто программным путем возможна полная эмуляция различных командно-измерительных систем (КИС),когда КИС одной сети слежения может настраиваться по заданию ЦУПа на работу с КА, управляемым другой сетью со своей структурой сигналов.

В ближайшие годы, видимо,будет решена проблема совместимости стандартов передачи космических данных, в которых учитывается конечное время вхождения в связь, доплеровский сдвиг частоты, учет зон взаимной радиовидимости и т.д., со стандартами наземной связи, реализующими идеологию многоуровневого взаимодействия открытых систем. С учетом межспутниковой ретрансляции будет реализована мировая наземно-космическая информационная сеть (полный аналог сети Internet), обеспечивающая пользователям космических данных, операторам-управленцам, космонавтам,ученым свободный (с учетом разграничения полномочий) доступ в любой момент времени к информационным ресурсам,к бортовым приборам КА и т.д. Реализация подобной наземно-косми-ческой сети позволит обеспечить космический "telescience", когда ученый, техно лог, конструктор смогут проводить космические эксперименты и научные исследования с использованием бортовой аппаратуры КА прямо со своего рабочего места в лаборатории,университете и даже из дома в реальном времени,не занимаясь рутинными процедурами по согласованию заявок, выбору времени проведения экспериментов, участию в формировании программно-командной информации для КА.

Развитие АСУ КА будет идти по пути совершенствования технологии управления с переносом на борт К А многих функций, выполняемых в настоящее время в ЦУПе. В части функций навигационно-баллистического обеспечения (НБО) перспективным направлением является создание автономной системы навигации (АСН) на основе использования навигационной аппаратуры потребителей (НАЛ) космических навигационных систем типа GPS (США) и ее дальнейших перспективных модификаций. Система GPS предоставляет большие возможности для широкого круга пользователей, в том числе К А, РН и других объектов РКТ. НАЛ системы GPS установлена сейчас более чем на 100 К А многих типов, принадлежащих разным странам.

НАЛ системы GPS позволит выполнять следующие функции (часть из них реализована):

определение координат с точностью не хуже единиц — десятков метров и скорости объекта с точностью до 0,01 м/с с получением результатов на борту либо путем передачи измерений непосредственно на Землю по телеметрическому каналу или по радиоканалу через спутник-ретранслятор; при этом признано желательным объединение НАП с инерциальными измерительными блоками для уменьшения потерь информации из-за кратковременных перерывов в приеме навигационного сигнала;
определение ориентации объекта в пространстве;
контроль взаимного положения элементов больших космических конструкций (изгиб ферм, положение "руки" манипулятора, колебание солнечных батарей при включении двигателей и др.);
обеспечение разных этапов стыковки двух и более объектов в космосе, контроль перемещения космонавтов вне корабля и т.п.

Создание надежных АСН позволит полностью отказаться от траекторных измерений с наземных пунктов, которые будут привлекаться для навигационно-баллистического обеспечения только на этапе летных испытаний и при нештатных ситуациях на борту КА. Перспективные АСН могут быть созданы также на основе других принципов: применение наземных радиомаяков; систем взаимных межспутниковых измерений; систем астронавигации, чему будет способствовать повышение точности звездных каталогов на два-три порядка; использование принципов болыпебазовой интер-форометрии с разнесенными радиомаяками, в том числе не только на Земле, но и на Луне, а возможно, и на других планетах при полетах в дальнем космосе.

Получат широкое распространение и развитие бортовые телеметрические системы контроля состояния, технической диагностики и восстановления работоспособности бортовых систем КА. На борту будет осуществляться обработка и сжатие информации; обобщенная информация по запросу или по определенному расписанию будет передаваться в наземный ЦУП только в случае нештатных ситуаций,выход из которых не предусмотрен на борту КА, и решения будут приниматься наземными операторами.

В составе бортовой телеметрической аппаратуры помимо традиционных датчиков будет применяться оптико-электронная датчиковая аппаратура, позволяющая получать видеоинформацию, связанную с наблюдением за движением блоков РН,РБ и КА, раскрытием солнечных панелей, антенн, манипуляторов и др., координатную информацию об этом движении и, наконец, сигнальные и спектральные характеристики различных физико-химических процессов,в том числе при авариях взрывного характера на борту КА. Введение оптико-электронных датчиков существенно расширит возможности анализа функционирования КА.

Перенос на борт КА функций НБО,контроля и диагностики бортовых систем, планирования их функционирования по заданиям НКУ, применение на борту высокостабильных генераторов позволят создавать полностью автономные КА. ВВС США планируют создание подобных автономных КА к 2015-2020 гг. Реализация автономных КА и адекватных им по выполняемым функциям ЦУПов требует решения проблем интеллектуализации АСУ КА путем внедрения методов и средств искусственного интеллекта (ИИ) в бортовые и наземные аппаратно-программные средства АСУ, а также использования последних достижений в вычислительных и связных средствах и их программном обеспечении.

Системы ИИ, робототехника, нейрокомпьютеры в США относятся к приоритетным технологиям космического назначения. Работы в этом направлении начались более 20 лет назад. Расходы на системы ИИ возросли с 217 млн дол. в 1987 г. до 520 млн дол. в 1992 г. Системы ИИ основаны на использовании моделей предметной области, правил вывода и принятия решений, организованных в виде баз данных и знаний с соответствующим человеко-машинным интерфейсом. Первая эксплуатационная система ИИ,разработанная по заказу НАСА и представляющая собой специализированную экспертную систему (ЭС), создана в Центре Годдарда уже в середине 1980-х гг. Эта ЭС контролировала 67 проблем при обмене данными с К А СОВЕ через спутник-ретранслятор TDRS.

Известны ЭС,используемые в Центре Годдарда для работы с КА-обсерваторией GRO, научными КА EUVE. Лаборатория реактивного движения (НАСА США) создала ЭС SHARP (Spacecraft Health Automated Reasoning Prototype) для автоматизированного контроля бортовых систем КА Voyager-1,-2. Эта ЭС следит за потоками данных, которые переполняют экран, обеспечивает сопряжение с высокоскоростной системой отображения цветной графической информации, генерирует, легко интерпретирует изображения, обнаруживает изменения в потоке данных и т.д. Подобные ЭС создаются и другими центрами НАСА,а также ВВС США для комплекса АФСЦН, например ЭС MAGIC.

Одним из современных примеров является программное обеспечение (ПО) Remote Agent ("удаленный агент") для дальних КА,которое НАСА разработало для первой автоматической межпланетной станции Deep Space-1 (DS-1) в рамках программы New Millenium ("Новое тысячелетие"). Задачей ПО, созданного на основе искусственного интеллекта, будет управление КА (не только дальними) при минимальном участии человека.

ПО разработано совместно НИЦ Эймса и Лабораторией реактивного движения НАСА для снижения стоимости и пространственного расширения космических исследований путем достижения "компьютерной автономии". На основе данного ПО можно будет разрабатывать ПО также и для других КА. Одним из перспективных путей радикального снижения стоймости полета КА является уменьшение численности персонала, участвующего в управлении КА, с сотен человек до одного десятка. По оценкам стоимость полета К А (например, АМС) может быть снижена на 60 % за счет использования ПО типа Remote Agent.

ПО Remote Agent строится на моделях. В программу вводятся модели компонентов КА,и она самостоятельно подсчитывает детали управления для достижения заданной цели. Для нового КА требуется только уточнение моделей.

ПО Remote Agent состоит из трех компонентов,работающих совместно:

блок планирования и составления расписания высокого уровня (High Level Planning and Scheduling);
защита от неисправностей, основанная на моделях (Model-Based Fault Protection);
"умный исполнитель" (Smart Executive).

Планирующий блок, как командир корабля, просматривает график работы на несколько недель вперед, планируя деятельность и распределяя ресурсы, такие как энергопитание. Небольшая группа управленцев на Земле направляет ему задачи (задания), а не подробные инструкции (команды), как делается сейчас. Блок защиты от неисправностей (с названием Livingstone) работает как виртуальный главный инженер КА. Используя компьютерную модель правильного поведения, блок должен найти неисправность и предложить пути ее устранения.

Исполнительный блок реализует планы, составленные планирующим блоком и блоком защиты,доводя их до детального уровня. Он может получать план работы непосредственно от операторов на Земле, но если план окажется неприемлемым, то откажется его выполнять. Это важно для управления,тратящего большие усилия на двойную проверку каждой команды и все же иногда ошибающегося. Если в каких-то условиях ПО Remote Agent отказывается взаимодействовать с Землей,то предусмотрен путь прямого вмешательства в управление КА.

Считается, что программа New Millenium ускорила развитие автоматизации КА примерно на 10 лет. После КА DS-1 планируются еще более автономные КА, которые смогут изменять свою конфигурацию. Если какая-то часть КА работает в полете не так, как ожидал ось, аппарат сможет обнаружить и изменить модели в ПО и алгоритмы, т.е. самоадаптироваться.

Специалистами ESA и его Центра ESOC, имеющими большой опыт управления многими К А разных типов, был сделан прогноз развития этого центра на 30 лет (до 2023 г.), в том числе ожидаемых изменений в технологии управления КА. Предполагается, что около 2020 г. КА будут высокоавтономными и смогут выполнять робототехнические функции с эпизодическим вмешательством наземных служб. С Центра ESOC при штатной эксплуатации КА будет снята задача непрерывного слежения и управления КА и останутся только функции составления планов и графиков полета. Безопасность будет достигаться за счет повышения отказоустойчивости вычислительных и экспертных систем, а также нейронных сетей.

Структура КСА Центра ESOC будет целиком базироваться на распределенных системах,основанных на автоматизированных рабочих станциях (АРС). Будет применяться объединение экспертных систем с нейронными сетями при использовании "нечетких логических схем" с перспективой создания полностью автоматизированных систем управления КА.

Центр ESOC будет подключаться к управлению КА при возникновении проблем на борту, для устранения которых будут выполняться процедуры, записанные в память АРС. Все действия по управлению КА будут связаны с перепрограммированием бортового программного обеспечения. В предстоящие 30 лет прогнозируется 100-кратное увеличение вычислительного ресурса Центра ESOC (такое же увеличение ожидается и на борту КА). Указывается, что ограничивающим фактором может оказаться не вычислительный ресурс, а техника ИИ и ее реализация.

В прогнозе ESA указывается, что к 2023 г. на борту также возможны нейронные сети. В БКУ может быть до четырех компьютеров — три рабочих и один резервный. Перспективный путь полной автоматизации ЦУПа определяется принципом: "виртуальный компьютер" + экспертная система + нейронная сеть.

Соединение техники ЭС с нейросетями взаимно дополняет их возможности. ЭС могут работать в диалоговом режиме, иметь систему объяснения, использовать и пополнять правила вывода решений и т.д. Нейросети, организованные на основе самообучения, обладают наибольшей скоростью обработки информации, опознавания и классификации ситуаций и образов даже при неполной или нечеткой информации. Особенно высокое быстродействие будет характерно для оптических нейросетей, в которых выдача решений может приближаться ко времени прохождения светового потока через многослойные оптические нейромаски.

Работы по применению нейрокомпьютеров в военной технике США начались по программе DARPA Neural network Atud в 1987-1988 гг. Начиная с 1992 г. в США проводилась финансируемая правительством пятилетняя работа по разработке и применению нейрокомпьютеров в военной технике. В конце 1992 г. мировой рынок нейрокомпьютерной техники оценивался в 120 млн дол. (Hardware) и 50 млн дол. (Software). К 2000 г. согласно прогнозу рынок должен был вырасти до 790 млн дол. (Hardware) и 260 млн дол. (Software). Число фирм, занимающихся нейрокомпьютерами, достигает 150.

Основными центрами исследований в области нейрокомпьютеров в США являются университет Карнеги-Меллона, Калифорнийский технологический институт, исследовательский центр НАС А им. Годдарда, Массачусетский технологический институт, фирмы TRW, Nestor и HNC. В финансировании работ участвует Управление перспективного планирования НИР военного применения Министерства обороны США (DARPA). Цели,которые ставит DARPA, состоят в том, чтобы построить за 3 — 5 лет машины с производительностью 109 — 1011 нейропереключений в 1 с, а за 6 лет — машины производительностью 1012 нейропереключений в 1 с, приближаясь к производительности мозга человека. Подготовлена программа создания нейрокомпьютеров, рассчитанная на 7 лет с объемом финансирования 400 млн дол. Ожидается, что и другие агентства также внесут свой вклад в общие затраты федерального правительства на этот проект и они составят 1 млрд. дол.

В перспективе нейрокомпьютеры найдут широкое применение в космической технике: управление роботами и манипуляторами; стыковка КА; обработка изображений, полученных с КА, при этом время обработки может сократиться на 2 порядка; оценка состояния и предсказание повреждений в космических станциях; навигация по звездам; решение проблемы виртуальной реальности,требующее супервычислений, необходимых для трехмерной графики, системы глаз — рука, создания анимационных пакетов; задачи кодирования — декодирования; обработка текстов, автоматический перевод, обработка речевой информации, коммутация в сложных системах связи и т.п.

В центрах управления КА в будущем будет достигнут качественно новый уровень автоматизации, полностью исключающий рутинную работу персонала по обработке различных потоков информации и не требующий от них длительного предварительного изучения множества инструкций по управлению КА. Управление КА будет осуществляться в режиме сквозного автоматического обмена ЦУПа с КА без участия операторов наземных пунктов, сами средства информационного обмена с К А будут, как правило, необслуживаемыми.

Реализация описанных и других интеллектуальных информационных технологий в управлении космическими системами будущего требует качественно новых по производительности (10¹¹...10¹² и более операций в секунду) и скорости передачи данных (десятки и сотни Гбит/с) средств автоматизации и связи при снижении на несколько порядков массогабаритных показателей и увеличении времени безотказной работы до нескольких десятков лет.

В 1999 г. процессоры Pentium-III изготавливались по 0,18-мкм технологии, к 2002 — 2003 гг. предполагается переход к 0,13-мкм технологии. Ожидается, что к 2017 г. кремниевая технология производства микропроцессоров подойдет к физическому пределу, хотя могут появиться многопроцессорные кристаллы.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность компьютеров, относятся молекулярные или атомные технологии, ДНК и другие биологические материалы,трехмерные технологии, технологии, основанные на фотонах вместо электронов квантовые технологии, использующие элементарные частицы.

Пока эти технологии существуют лишь в научных лабораториях. Однако недавно компания Hewlet-Packard объявила о первых успехах в создании компонентов будущих молекулярных компьютеров, которые по оценкам компании будут в 100 млрд раз экономичнее современных микропроцессоров. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. Производство молекулярных компьютеров может начаться к 2015 г. Применение биологических материалов позволит уменьшить размеры компьютеров до размеров живой клетки. Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия намерен использовать биологические компьютеры из нейроподобных элементов для создания "мозга" роботов, решающих задачи методом самопрограммирования.

Оптические компьютеры появятся через несколько десятилетий, но уже сейчас оптические элементы, в том числе оптическое вол окно, становятся доминирующими в скоростных системах связи. Так,если в электрических кабелях достигнута скорость передачи информации порядка 140 Мбит/с, то в оптических кабелях получены скорости до 10 Гбит/с. Применение техники оптических солитонов — световых импульсов, способных распространяться в дисперсных оптических средах на большие расстояния без изменения формы,- может в перспективе увеличить скорость передачи до 320...400 Гбит/с на канал при длине регенерационного участка до 1 тыс. км и более.

Приведенные данные показывают, что прогресс в системах управления космическими средствами, по-видимому,не будет сдерживаться техническими характеристиками компьютеров и систем связи, которые по некоторым оценкам уже к 2020 г. достигнут, а затем и превзойдут мощность человеческого мозга (20 000 000 млрд. операций в секунду). Возможности этих систем управления будут определяться экономическими ресурсами, выделенными для их развития, потребностями космонавтики и математическими методами решения перспективных задач.