| 19. |
Аннотация |
Существующие в настоящее время космические группировки не позволяют обеспечить постоянный высокопериодичный обзор местности с пространственным и временным разрешениями, достаточными для исследования и эффективного освоения геосферы Земли, включая Мировой океан, Арктику и Антарктику, а также для мониторинга динамичных объектов и быстропротекающих процессов и явлений. Необходимость своевременного обнаружения и контроля быстропротекающих природных и техногенных процессов с их высокой пространственной детализацией, например, стихийных гидрометеорологических явлений и техногенных аварий, требует достижения периодичности обзора на уровне 1 часа и менее, с пространственным разрешением 0,5–10 метров. Стратегия создания космических систем, включающих небольшое число космических аппаратов (КА) с идентичной (Канопус-В, RapidEye, TerraSARX/TanDEM-X и др.) или разноплановой бортовой аппаратурой (спутники системы Copernicus, Santinel 1, 2, 3 др.), не позволяет обеспечить требуемую высокую периодичность съемки. В связи с этим возникает потребность в создании многоспутниковых космических систем из 50-250 малых спутников массой от 5 до 200 кг. Вопросы создания и эксплуатации таких многоспутниковых систем дистанционного обзора, позволяющих обнаруживать и контролировать быстропротекающие процессы на поверхности Земли, в Российской Федерации проработаны недостаточно. Не разработаны подходы и методы функционирования многоспутниковых группировок на различных орбитах и наземной инфраструктуры для сбора, первичной обработки, хранения и оперативной передачи больших потоков космической информации при оперативном мониторинге геосферы Земли, включая Мировой океан, Арктику и Антарктику. В то же время, в ряде ведущих стран имеются такие аналоги. Например, в США уже создана и функционирует многоспутниковая система PlanetScope, включающая свыше ста малых КА класса CubeSat.
Актуальность решаемых задач связана с потребностью в получении информации о состоянии, краткосрочных и долгосрочных изменениях состояния регионов и объектов различного класса для обеспечения связанности территории Российской Федерации. Обеспечение рационального природопользования территории России возможно лишь с учетом научно обоснованных прогнозов и оценок последствий изменений состояния окружающей среды в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Исходными данными таких прогнозов являются результаты мониторинга состояния территорий, в том числе полученные космическими средствами.
Важной проблемой создания и функционирования многоспутниковых систем является разработка комплекса методов и технологий оптимального проектирования таких систем, их формирования на орбитах, поддержания структурной устойчивости, маневрирования отдельных спутников и групп спутников на орбитах в процессе выполнения различных задач, восполнения орбитальных группировок, уклонения от столкновения с другими спутниками и элементами космического мусора, технического обслуживания спутников на орбитах. Актуальной задачей является также снижение стоимости выведения космических аппаратов на околоземные орбиты, которое может быть достигнуто, например, за счет применения электроракетных двигательных установок (ЭРДУ). Высокий удельный импульс ЭРДУ позволяет снизить требуемые затраты топлива на орбитальное маневрирование, увеличить массу КА, доставляемую на целевые орбиты средствами выведения, осуществлять групповые пуски КА вместо одиночных, использовать для решения задач средства выведения более легкого класса.
Создание и функционирование перспективных информационных спутниковых систем с элементами интеллектуального управления, обеспечиваемого наземными и бортовыми средствами, невозможно без разработки методов и научных основ технологий оптимального проектирования орбитальных сегментов таких систем, их формирования на орбитах, поддержания структурной устойчивости, маневрирования отдельных спутников и групп спутников на орбитах в процессе выполнения различных задач, в том числе при восполнения орбитальных группировок, уклонении от столкновения с другими спутниками и элементами космического мусора, техническом обслуживании спутников на орбитах и др. Такой комплекс исследований мирового уровня, направленных на разработку универсальных методов и технологий, обеспечивающих решения перечисленных задач будет выполнен в настоящем исследовании.
При разработке новых методов проектирования орбитальных структур спутниковых систем будет обеспечена возможность оптимизации по различным характеристикам космических систем (необходимое число спутников в системе, периодичность наблюдения, пространственное разрешение). Для целей оптимизации процессов маневрирования на орбитах будут созданы передовые методы решения задач формирования заданной конфигурации и поддержания структурной устойчивости спутниковых систем на основе многоимпульсного маневрирования с использованием двигателей большой, малой и комбинированной тяги, в том числе для случаев интеллектуального управления в автономном режиме одним и несколькими спутниками в составе группы («роя») спутников (известные методы позволяют обеспечить такое управление только с помощью наземных средств). Разрабатываемые методы позволят рассчитывать параметры маневров перевода космических аппаратов в рабочую плоскость, долгота восходящего узла которой отличается на несколько десятков градусов от долготы восходящего узла начальной орбиты (в настоящее время возможность решения подобных задач отсутствует).
При расчете маневров перевода космического аппарата в рабочую точку будет обеспечиваться возможность уклонения от столкновения с космическим мусором на фазирующей орбите (существующие в мире средства управления космическими аппаратами такую опасность игнорируют). Разрабатываемые методы управления спутниковой группой («роем») будут учитывать возможность столкновения с другими спутниками в автономном режиме при обеспечении высокой точности выполнения терминальных условий.
Будут предложены методы формирования и управления спутниковыми группировками при решении различных специальных задач в околоземном пространстве, в том числе связанных с обеспечением безопасности функционирования орбитальных группировок в условиях загрязненности космического пространства и наличия других рисков и ограничений, с прогнозом так называемых «медленных» столкновений на длительных интервалах времени (не принимаемых в настоящее время во внимание), идентификацией типа маневра маневрирующего космического аппарата, переводом на орбиты захоронения и др.
Для обеспечения выведения космических аппаратов на высокие орбиты будут разработаны методы оптимизации многовитковых траекторий межорбитальных перелетов с конечной тягой с учетом возмущающих ускорений от нецентральности гравитационного поля Земли, притяжения Луны и Солнца, аэродинамического сопротивления и светового давления. Для решения этой задачи будут разработаны также методы и алгоритмы автономного управления при выведении космических аппаратов, методы анализа энергетических возможностей для выведения космических аппаратов с электроракетными двигательными установками на высокие орбиты с использованием современных и перспективных средств выведения.
В ходе исследования будут рассмотрены различные практические задачи проектирования многоспутниковых систем дистанционного зондирования Земли, а также типовые задачи управления космическими аппаратами на этапах их выведения, формирования орбитальной многоспутниковой структуры, поддержания ее структурной устойчивости на длительных этапах функционирования, проведения различных динамических операций на орбите в ходе функционирования, перевода космических аппаратов на орбиты захоронения после окончания срока активного функционирования.
Следует заметить, что к настоящему времени не только не в полной мере разработаны принципы и методы проектирования орбитального сегмента многоспутниковых систем дистанционного зондирования Земли, их формирования и управления, но также недостаточно проработаны вопросы создания и применения соответствующей наземной инфраструктуры для сбора, первичной обработки, хранения и оперативной передачи больших потоков космической информации при оперативном мониторинге геосферы Земли, включая Мировой океан, Арктику и Антарктику, воздушной и геологической среды.
По оценкам экспертов, в ближайшем будущем данные дистанционного зондирования и создаваемые на их основе геоинформационные системы станут основным источником информации для решения задач развития территорий, в том числе арктических, поиска, разведки, добычи и транспортировки нефти и газа, обеспечения рационального недропользования и экологической безопасности и др. В этой связи актуальные являются планируемая в исследовании разработка методов структурированного облачного хранения и тематической обработки актуализируемых баз больших геопространственных данных на основе их оперативного интеллектуального анализа с применением нейротехнологий и машинного обучения.
В последние годы прогресс в области облачных вычислений и накопление значительного объёма структурированных данных дистанционного зондирования и прочих геоданных позволил осуществить создание первых систем для облачной обработки больших объёмов геоданных. Появление новых технологий для обработки больших геоданных позволяет анализировать данные на принципиально новом уровне, что требует создания принципиально новых математических алгоритмов. Современные измерительные системы представляют огромный поток геопространственных данных, который необходим для получения высокой точности и пространственно-временного разрешения. Несмотря на очевидные плюсы избыточности (высокое разрешение, возможность получения более точных характеристик объекта и его динамики, и др.), возникают сложности с оперативной обработкой и одновременным доступом к таким данным различных пользователей. В исследовании планируется разработать специальные методы структурированного облачного хранения актуализируемых баз геоданных и их интеллектуального анализа в интересах различных потребителей на основе совмещения нейронных сетей с геоинформационными системами как мощнейшего инструмента решения широкого круга практических задач. Применяемая нейросетевая обработка данных дистанционного зондирования Земли основана на концепции распознавания образов и прогнозировании (решение задачи аппроксимации, классификации и кластеризации).
Выполнение указанных работ позволит ликвидировать отставание России в области создания и применения многоспутниковых систем дистанционного зондирования Земли на базе малых космических аппаратов и вывести данное направление на мировой уровень. |