Многофункциональный наземный комплекс управления, приема и обработки информации Российский патент 2024 года по МПК G06F15/16 H04B7/00 G06Q10/631 

Изобретение относится к области космической техники, многофункциональным наземным комплексам управления, приема и обработки информации путем проведения расчетов по формированию рабочих программ для космических аппаратов средствами наземного аппаратно-программного комплекса с установленным на них специальным программным обеспечением, управляющим системами дистанционного зондирования Земли из космоса и проведением инспекции космических объектов.

Из уровня техники известен «Мобильный наземный специальный комплекс приема и обработки изображений», раскрытый в патентном документе (патент РФ № 2460136, опубл. 27.08.2012 [1]).

Известное решение включает в составе комплекса космический аппарат, наземный комплекс приема и обработки изображений, совмещенный с комплексом управления. Наземный комплекс управления в известном из [1] решении использует антенно-поворотный роботизированный комплекс, функционирующий в S-, и X-диапазонах. Наземный комплекс приема и обработки изображений (и управления) построен на базе автоматизированных рабочих мест, высокоскоростной демодулятор позволяет осуществлять демодуляцию сигналов с произвольным видом модуляции.

В составе комплекса реализованы функции: планирование объектов съемки и закладки программы на борт КА, формирование, отображение и анализ отчетов о проведенных сеансах связи с полной телеметрией оборудования, отображение в реальном времени полной телеметрии антенно-приемных комплексов и демодуляторов, сбор и анализ диагностических данных о состоянии составных частей, отображение критически важной информации, работу в автоматическом и ручном режимах.

К недостаткам известного решения можно отнести затрачиваемые временные ресурсы на заблаговременную подготовку приемо-передающих средств к сеансу связи, с учетом необходимости выполнения работ по планированию, подготовке и проведению сеанса связи персоналом, а также отсутствие территориального распределения приемо-передающих средств, в то время как данные средства являются ключевыми при достижении оперативности получения информации съемки и устойчивости работы комплекса в целом.

Наиболее близким к заявленному изобретению, выбранным в качестве прототипа является «Многофункциональный наземный комплекс приема, обработки и распространения информации дистанционного зондирования Земли» (МНКПОР ДЗЗ) (патент РФ № 2552109 опубл. 10.06.2015 [2]).

В МНКПОР ДЗЗ реализуются комплексные подходы обеспечения космической информацией конечных потребителей. Технический результат состоит в возможности создания информационных моделей, структур и технологий, полностью отражающих процессы выполнения заявок потребителя на информацию ДЗЗ с учетом разнотипных космических средств, а также возможность единого подхода в проектировании и создании наземных средств разнотипных космических систем ДЗЗ, обеспечивающих планирование, прием, обработку и распространение информации ДЗЗ. Для этого комплекс содержит совокупность взаимосвязанных между собой автоматизированных систем управления целевым применением орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, систему связи и передачи данных, территориально разнесенные объединенные земные станции, командно-информационный центр, включающий аппаратно-программный комплекс на котором развернуто функционирование специального программного обеспечения, выполненного в виде отдельных программных комплексов состоящих из программных модулей.

Первым недостатком технического решения, принятого за прототип, является невозможность оперативного перепланирования новых заявок на проведение съемок или внесение изменений в план задействования наземных средств, например, при решении задач орбитальной инспекции космическими аппаратами.

Вторым недостатком является отсутствие возможности ранжирования сеансов связи при их распределении между конкретными типами космических аппаратов с учетом их приоритетов при выполнении различных целевых задач (дистанционное зондирование Земли, связь, орбитальная инспекция). Таким образом, прототип, а именно сложная техническая система построена на основе комплексного подхода с централизованным управлением и в случае выхода из строя одного из её элементов потребуется полное перепланирование ресурсов МНКПОР ДЗЗ, что потребует значительных временных ресурсов и повлияет на выполнение заявок потребителей на информацию ДЗЗ.

Третьим недостатком является необходимость задействования персонала объединенных наземных станций для закладки командно-программной информации, получения телеметрической информации и обеспечения условий для проведения сеанса связи с космическим аппаратом.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении перечисленных недостатков, а также в обеспечении адаптивного планирования управлением разнотипных космических систем различного назначения с использованием территориально распределенных, удаленно управляемых объединенных земных станций S-, X- диапазонов для выполнения задач дистанционного зондирования Земли и инспекции космических объектов, таких как, например, космический мусор, отработанные ступени разгонных блоков ракетоносителей, фрагменты космических аппаратов и космические аппараты в целом и т.д.

Техническим результатом является совершенствование подходов в проектировании и создании наземных средств многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации для разнотипных космических систем, обеспечивающих адаптивное планирование, прием, обработку информации дистанционного зондирования Земли, инспекции (съемки) космических объектов и управлении космическими аппаратами, повышение оперативности и сокращение времени выполнения заявок на получение информации дистанционного зондирования Земли и съемки космических объектов за счет реализации средствами специального программного обеспечения удаленного управления объединенными земными станциями.

Технический результат достигается многофункциональным наземным комплексом управления, приема и обработки информации, выполненным в виде совокупности взаимосвязанных между собой автоматизированных систем управления целевым применением орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, содержащим систему связи и передачи данных, территориально разнесенные объединенные земные станции, командно-информационный центр, включающим аппаратно-программный комплекс на котором развернуто функционирование специального программного обеспечения, выполненного в виде отдельных программных комплексов состоящих из программных модулей, при этом объединенные земные станции выполнены удаленно управляемыми специальным программным обеспечением из командно-информационного центра без присутствия на земных станциях персонала, аппаратно-программный комплекс из состава командно-информационного центра выполнен на базе кластерной отказоустойчивой архитектуры, при этом специальное программное обеспечение выполнено с применением мультиагентных технологий, позволяющее управлять вращением/поворотом космического аппарата вокруг точки движения по орбите, осуществлять планирование работы целевой аппаратуры космических аппаратов для съемки космических объектов, осуществлять планирование работы целевой аппаратуры космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли, обрабатывать целевую информацию съемки, проводить при планировании в автоматизированном режиме переработку расписания сеансов связи с космическими аппаратами с учетом важности решаемых задач на проведение съемки космических объектов или дистанционного зондирования Земли, проводить оперативное перепланирование ресурсов орбитальной группировки космических аппаратов и объединенных земных станций в случае изменения их технического состояния. Многофункциональный наземный комплекс управления, приема и обработки информации средствами специального программного обеспечения из состава командно-информационного центра осуществляет адаптивное планирование и управление космическим аппаратами различных космических комплексов, формирование командно-программной информации, съём и обработку телеметрической информации, сверку наземной и бортовой шкал времени, проведение измерения текущих навигационных параметров, планирование работы целевой аппаратуры для задач дистанционного зондирования Земли и съёмки космических объектов, осуществляет доставку и обработку целевой информации съемок зондирования Земли и космических объектов, координацию и централизованное планирование задействования удаленно управляемых объединенных земных станций с учетом обработки поступающих заявок и степени их значимости. Применение мультиагентных технологий при создании специального программного обеспечения за счет возможности настройки целевой функции агентов по набору параметров позволяет проводить оперативное планирование управления многоспутниковой орбитальной группировкой при постоянно поступающих заявках на съемку и изменениях исходных данных, например, таких как смена приоритетов заявок, изменения состояния и количества космических аппаратов в орбитальной группировке, состава наземных средств управления (НСУ), связей и т.д.

Средства специального программного обеспечения обеспечивают эффективное взаимодействие между агентами и выполнение поставленных задач, в том числе по оперативности получения целевой информации. Прежде всего оперативность достигается за счет применения оптимизированных алгоритмов и структурированных данных системы, проводящих быструю обработку информации, оптимизации вычислительных процессов и масштабируемой архитектуры, равномерной загрузке вычислительных мощностей (распределенная система вычислений с использованием ресурсов многоядерных процессоров), развитой гибкой реализацией сетевой инфраструктуры. В случае выхода из строя одной из объединенных земных станций или космического аппарата система автоматически проводит перераспределение заявок с учетом их важности и возможностей других агентов, а полное перепланирование ресурсов системы не требуется.

Заявляемый многофункциональный наземный комплекс управления, приема и обработки информации состоит из взаимосвязанных между собой командно-информационного центра, объединенных удаленно управляемых земных станций, системы связи и передачи данных. При этом командно-информационный центр выполнен содержащим аппаратно-программный комплекс с установленным специальным программным обеспечением, позволяющим проводить оперативное планирование управления многоспутниковой орбитальной группировкой при постоянно поступающих заявках на съемку и изменениях исходных данных, а также решать комплексы таких задач как, например, формирование командно-программной информации, обработка телеметрической информации, планирование работы целевой аппаратуры, обработка целевой информации дистанционного зондирования Земли, съемки космических объектов, и задач навигационно-баллистического обеспечения: расчёт начальных условий и целеуказаний, обработка баллистической информации «Каталога космических объектов. Искусственных спутников Земли», планирование манёвров, комплекс задач моделирования относительного движения космических аппаратов и космических объектов, задач обеспечения безопасности информации, задач отображения информации.

Объединенные земные станции выполнены содержащими приемо-передающие комплексы S-, Х- диапазонов, блоки модуляции, демодуляции и обработки полезного сигнала, коммуникационного оборудования, программно-технического комплекса и специального программного обеспечения управления работой механизмов и оборудования станции и специального программного обеспечения удаленного управления станциями, позволяя проводить сеансы связи с космическими аппаратами без присутствия на объединенных земных станциях персонала обеспечивающего условия для проведения сеанса связи с космическими аппаратами.

Система связи и передачи данных выполнена с возможностью обеспечения информационной связи между интегрированными на одной территории элементами многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации и удаленными элементами многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации, и функционально привлекаемыми абонентами. Циркуляция информации многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации осуществляется средствами системы связи и передачи данных, построенной по топологии «звезда». Функционирование системы связи и передачи данных не требует наличия оператора и работает в автоматическом режиме, а мониторинг её информационного трафика и диагностика неисправностей осуществляется удаленно средствами Zabbix из состава операционной системы AstraLinux SE.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображена схема основных функциональных связей многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации.

Заявляемый комплекс работает следующим образом.

Управление космическими аппаратами осуществляется комплексом аппаратно-программных средств из состава командно-информационного центра с использованием специального программного обеспечения, созданного на основе мультиагентных технологий, приемо-передающей аппаратурой из состава удаленно управляемых объединенных земных станций по радиолинии S- диапазона в порядке ОЗС-КА-ОЗС с использованием системы связи и передачи данных.

Принцип работы многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации представлен на фиг. 1.

Специфика выполнения задач в многофункциональном наземном комплексе управления, приема и обработки информации (МНК ПОИ) по управлению космическими аппаратами организована с использованием аппаратно-программного комплекса, с установленным на него специальным программным обеспечением из состава командно-информационного центра (КИЦ), позволяющим выполнять управление космическими аппаратами текущих и перспективных космических комплексов. Специальное программное обеспечение из состава командно-информационного центра осуществляет адаптивное планирование выполнения текущих задач дистанционного зондирования Земли и съемки космических объектов с учетом наличия ресурсов и приоритетности решаемых задач как удаленно управляемых объединенных земных станций, так и возможностей космических аппаратов их выполнить с учетом орбитального положения и баллистических характеристик движения, адаптивное планирование задействования наземных средств управления (НСУ) и расчет орбитальных параметров космических аппаратов с помощью навигационно-баллистического обеспечения (НБО). При управлении космическими аппаратами средствами специального программного обеспечения из состава командно-информационного центра формируется рабочая программа выполнения полета космическими аппаратами в составе командно-программной информации (КПИ), учитывающей результаты адаптивного планирования работы целевой аппаратуры космических аппаратов, обработки и анализа телеметрической информации (ТМИ) получаемой с борта космических аппаратов по радиолинии S- диапазона, навигационно-баллистических расчетов орбитальных параметров космических аппаратов с помощью навигационно-баллистического обеспечения (НБО), задействования объединенных земных станций, посредством системы связи и передачи данных (ССПД), через удаленно управляемые объединенные земные станции по радиолинии S- диапазона закладывается на борт космических аппаратов. При этом объединенные земные станции (ОЗС) осуществляют одновременную прием/передачу информации по радиолинии S-, Х- диапазонов частот и выполнены с удаленным управлением специальным программным обеспечением из командно-информационного центра (КИЦ), позволяя проводить сеансы связи с космическими аппаратами без присутствия на земных станциях персонала обеспечивающего условия для проведения сеанса связи с космическими аппаратами. Каждая земная станция имеет значение фазового центра антенны, которое географически привязано к месту размещения объединённых земных станций на поверхности Земли и соответствующую зону приема/излучения радиосигнала (зону радиовидимости) антенной, измеряемой углом места и дальностью радиообмена. Космические аппараты, имеют координаты фазовых центров объединенных земных станций и с помощью специального программного обеспечения проводится адаптивное планирование задействования объединенных земных станций (наземных средств управления - НСУ) с учетом их зон радиовидимости и орбит космических аппаратов, для вхождения в связь и последующего приема/передачи информации между объединенными земными станциями и космическими аппаратами. С борта космических аппаратов, по радиолинии Х- диапазона в объединенные земные станции передается целевая информация (ЦИ) результатов дистанционного зондирования Земли или съемки космических объектов, а по радиолинии S- диапазона измерение текущих навигационных параметров (ИТНП) движения и положения космических аппаратов, телеметрическая информация (ТМИ). При планировании работы целевой аппаратуры (ЦА) космических аппаратов для съемок космических объектов из «Каталога космических объектов. Искусственных спутников Земли» учитываются параметры орбиты космического объекта интереса и средствами специального программного обеспечения проводится моделирование движения интересующего космического объекта с учетом элементов его орбиты и выполняются расчеты оптимальной точки съемки, привязанной ко времени для движущихся по орбите космических аппаратов, и их положения в пространстве вращения/поворота космического аппарата вокруг точки движения по орбите с учетом допустимых для съемки угловых скоростей движения космического аппарата и космического объекта и их взаимного положения. При осуществлении планирования работы целевой аппаратуры (ЦА) космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли выполняются расчеты специальным программным обеспечением необходимых кренов космических аппаратов и их вращение по ходу движения привязанное ко времени, при одновременной съемке земных объектов спереди, сверху и сзади. Полученная информация по системе связи и передачи данных поступает в командно-информационный центр (КИЦ), в котором обрабатывается специальным программным обеспечением с применением мультиагентных технологий на средствах аппаратно-программного комплекса из состава командно-информационного центра. Надежность командно-информационного центра обеспечивается аппаратно-программным комплексом, выполненным на базе кластерной отказоустойчивой архитектуры, а также предусмотрена система хранения данных, которая осуществляет хранение информации необходимой для функционирования космических аппаратов, также промежуточной информации, получаемой в ходе работы специального программного обеспечения командно-информационного центра и целевой информации с результатами её обработки.

Осуществление изобретения

Многофункциональный наземный комплекс управления, приема и обработки информации представляет собой стационарно размещенную автоматизированную систему, предназначенную для управления и контроля космическими аппаратами на различных этапах их применения. Он включает в себя различное оборудование для связи, навигации, мониторинга и управления космическими аппаратами, использует каналы системы связи и передачи данных, как наземные, так и радиоканалы, обладающие высокими эксплуатационными и техническими параметрами и её элементы, сопрягаемые с территориально распределенными антенно-поворотными комплексами объединенных земных станций на базе роботизированных механизмов, построенных по схеме гексапод с диаметром зеркала 6 м и малыми массогабаритными характеристиками, функционирующими в S-, Х- диапазонах длин волн. Командно-информационный центр, построенный на базе аппаратно-программных средств, одними из которых являются автоматизированные рабочие места, функционирующие с использованием специального программного обеспечения, созданного на основе мультиагентных технологий. В комплексе специального программного обеспечения командно-информационного центра многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации реализованы следующие функции:

- адаптивное планирование и управление космическими аппаратами, формирование командно-программной информации, съём и обработка телеметрической информации, сверка наземной и бортовой шкал времени, проведение измерения текущих навигационных параметров;

- адаптивное планирование работы целевой аппаратуры для задачи дистанционного зондирования Земли, съёмки космических объектов, обработка целевой информации дистанционного зондирования Земли и съёмки космических объектов;

- удаленное управление объединенными земными станциями;

- моделирование относительного движения космического аппарата и космического объекта наблюдения.

Специальное программное обеспечение командно-информационного центра многофункционального наземного комплекса управления, приема и обработки информации реализует адаптивную (гибкую систему) планирования сеансов связи с космическими аппаратами и позволяет проводить оперативное планирование управления многоспутниковой орбитальной группировкой при постоянно поступающих заявках на съемку и изменениях исходных данных, изменение приоритетов заявок, состояние орбитальной группировки, состава наземных средств, связей и ресурсов.

Такой многофункциональный наземный комплекс управления, приема и обработки информации обеспечивает операторам возможность наблюдать за полетом космических аппаратов и оперативно контролировать его, передавать команды на борт космических аппаратов, получать обратную связь и анализировать данные получаемые в результате дистанционного зондирования Земли и/или съемки космических объектов, необходимые для успешного выполнения задач.

Многофункциональный наземный комплекс управления приема и обработки информации играет ключевую роль в контроле функционирования и управлении космическими аппаратами. Основные принципы и последовательность работы многофункционального наземного комплекса приема и обработки информации:

1. Адаптивное планирование управления космическими аппаратами: средствами специального программного обеспечения из состава командно-информационного центра разрабатывается план задействования наземных средств управления, определяются приоритеты целей и задач, которые необходимо решить космическим аппаратам с учетом их спрогнозированного орбитального положения, возможностей и технического состояния. В случае изменения приоритетов выполнения задач или изменения технического состояния объединенных земных станций либо космических аппаратов происходит автоматическое перераспределение заявок на решение задач с учетом их важности и возможностей других объединенных земных станций или космических аппаратов, а полное перепланирование ресурсов космической системы не требуется.

2. Подготовка к запуску: многофункциональный наземный комплекс управления приема и обработки информации обеспечивает подготовку к запуску космических аппаратов путем проведения проверок сквозного информационного тракта циркуляции команд управления между элементами многофункционального наземного комплекса приема и обработки информации и бортовой аппаратурой космических аппаратов, а также подготовку к управлению космическими аппаратами средствами специального программного обеспечения.

3. Навигация и управление: объединенными земными станциями из состава многофункционального наземного комплекса управления приема и обработки информации отслеживается положение и движение космических аппаратов, осуществляется навигация и коррекция их траекторий движения по орбите.

4. Передача данных: многофункциональный наземный комплекс управления приема и обработки информации по радиоканалу обеспечивает передачу данных между космическими аппаратами и объединенными земными станциями для обмена информацией и выполнения команд.

5. Контроль и управление: многофункциональный наземный комплекс управления приема и обработки информации осуществляет контроль и управление работой космических аппаратов, включая выполнение задач дистанционного зондирования Земли и съемки космических объектов, коррекцию траектории, управление системами и приборами.

6. Планирование работы целевой аппаратуры и обработка целевой информации: многофункциональный наземный комплекс управления приема и обработки информации осуществляет планирование работы целевой аппаратуры и обработку поступающей целевой информации, реализована возможность хранения информации.

7. Мониторинг и анализ: многофункциональный наземный комплекс управления приема и обработки информации проводит мониторинг работы систем и космических аппаратов в целом, анализирует данные и отчеты для принятия решений.

Заявленное конструктивное и технологическое исполнение многофункционального наземного комплекса управления приема и обработки информации позволяет в полной мере реализовать заявки потребителей на получение информации дистанционного зондирования Земли и инспекции космических объектов с достаточной степенью оперативности, достоверности и качества, а использованные подходы к построению многофункционального наземного комплекса управления приема и обработки информации, базирующиеся на мультиагентных технологиях, подтвердили устойчивость и гибкость его функционирования, достаточность технического оснащения, позволяющие многофункциональному наземному комплексу управления приема и обработки информации адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации и оперативно решать разнообразные задачи.

Список цитированных источников:

Патент РФ № 2460136, МПК G06Т 1/00, H04B 7/26. Мобильный наземный специальный комплекс приема и обработки изображений: № 2010144146/08: заявл. 29.10.2010: опубл. 27.08.2012 / С.М. Басков, Р.С. Басков, В.В. Лабутин, В.М. Лабутин, А.Г. Нефедов, Д.В. Шиханов, А.Г. Рачинский, А.Д. Вальяно, Д.О. Чулков; заявитель Закрытое акционерное общество Научно-Производственный Концерн «БАРЛ».

Патент РФ № 2552109, МПК H04Н 60/68. Многофункциональный наземный комплекс приема, обработки и распространения информации дистанционного зондирования земли (МНКПОР ДЗЗ): № 2014111338/07: заявл. 26.03.2014: опубл. 10.06.2015 / А.В. Шишанов, В.А. Заичко, В.В. Ромашкин, П.А. Лошкарев, А.И. Макеров, О.О. Тохиян, М.Е. Синкевич; заявитель Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт точных приборов».

Изобретение относится к многофункциональному наземному комплексу управления, приема и обработки информации. Техническим результатом является повышение оперативности и сокращение времени выполнения заявок на получение информации дистанционного зондирования Земли и съемки космических объектов за счет реализации удаленного управления объединенными земными станциями. Комплекс выполнен в виде совокупности взаимосвязанных между собой автоматизированных систем управления целевым применением орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и содержит систему связи и передачи данных, территориально разнесенные объединенные земные станции, командно-информационный центр, включающий аппаратно-программный комплекс, при этом объединенные земные станции выполнены удаленно управляемыми из командно-информационного центра без присутствия на объединенных земных станциях персонала, аппаратно-программный комплекс из состава командно-информационного центра выполнен на базе кластерной отказоустойчивой архитектуры и обеспечивает управление вращением/поворотом космического аппарата вокруг точки движения по орбите, моделирование движения космических объектов, определение необходимых кренов космических аппаратов и их вращения по ходу движения, обработку целевой информации съемки, выявление изменений технического состояния орбитальной группировки космических аппаратов и объединенных земных станций, определение приоритетов задач на проведение съемки космических объектов или дистанционного зондирования Земли с учетом технического состояния орбитальной группировки космических аппаратов и объединенных земных станций. 1 ил.

Многофункциональный наземный комплекс управления, приема и обработки информации, выполненный в виде совокупности взаимосвязанных между собой автоматизированных систем управления целевым применением орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, содержащий:

систему связи и передачи данных, территориально разнесенные объединенные земные станции, командно-информационный центр, включающий аппаратно-программный комплекс,

отличающийся тем, что

объединенные земные станции выполнены удаленно управляемыми из командно-информационного центра без присутствия на объединенных земных станциях персонала,

аппаратно-программный комплекс из состава командно-информационного центра выполнен на базе кластерной отказоустойчивой архитектуры и при этом обеспечивает:

управление вращением/поворотом космического аппарата вокруг точки движения по орбите,

выполнение моделирования движения космических объектов с учетом их орбиты и определение оптимальной точки съемки, привязанной ко времени, для движущихся по орбите космических аппаратов и их положения в пространстве для последующего формирования планов работы целевой аппаратуры космических аппаратов для съемки космических объектов,

определение необходимых кренов космических аппаратов и их вращения по ходу движения, привязанного ко времени, при одновременной съемке земных объектов спереди, сверху и сзади для последующего формирования планов работы целевой аппаратуры космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли,

обработку целевой информации съемки,

выявление изменений технического состояния орбитальной группировки космических аппаратов и объединенных земных станций, в частности выхода из строя одной из объединенных земных станций или космического аппарата, для последующего перераспределения задач на проведение съемки космических объектов или дистанционного зондирования Земли с учетом возможностей других объединенных земных станций или космических аппаратов,

определение приоритетов задач на проведение съемки космических объектов или дистанционного зондирования Земли с учетом технического состояния орбитальной группировки космических аппаратов и объединенных земных станций для последующего формирования расписания сеансов связи с космическими аппаратами.