РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 4, c. 3–8
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ,
ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОИСКА И СПАСАНИЯ
УДК 550.3
Космическая группировка прогнозного мониторинга
как основа создания интегрированных систем
предупреждения об угрозах стихийных бедствий
О. А.Алексеев1, Н.В.Разумова2, Е.И.Цадиковский, А.Д.Линьков
1д. т. н., проф., 2к. г. н.,
АО «Российские космические системы»
e-mail: igmass@mail.ru
Аннотация. Рассмотрены научно-методические и технико-экономические аспекты создания космической группировки
прогнозного мониторинга чрезвычайных ситуаций природного и техногенного происхождения, в которой
интегрируются информационные ресурсы развивающихся средств наблюдений широкого спектра действий и специализированных
средств.
Ключевые слова: космическая группировка прогнозного мониторинга, чрезвычайные ситуации природного и техногенного
происхождения
Space Forecast’s Monitoring Constellation
as a Basis for Integrated Natural
Disasters Warning Systems Creation
О. A. Alexeev1,N.V.Razumova2, Е. I.Tsadikovsky, А.D. Linkov
1doctor of engineering science, professor, 2candidate of geographical science
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: igmass@mail.ru
Abstract. In the paper presented both methodological and technical-economic aspects of creation space constellation
for forecast’s monitoring of natural and manmade emergencies, which integrates informational resources of developing
wide range space observation facilities and specialized infrastructure.
Key words: space constellation for forecast’s monitoring, natural and man-caused emergencies
Стр.1
4
О.А.АЛЕКСЕЕВ, Н.В.РАЗУМОВА, Е.И.ЦАДИКОВСКИЙ, А.Д.ЛИНЬКОВ
Введение
Важным фактором снижения отрицательного
влияния чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного
и техногенного характера на здоровье людейи
окружающую средуявляется своевременное
и точное прогнозирование этих ситуаций.
Возникновению ЧС природного и техногенного
характера предшествуют определенные процессы,
происходящие в земной коре, на поверхности, в атмосфере
(ионосфере) Земли, околоземном космическом
пространстве, на критически важных технических
объектах, — предвестники ЧС.
Параметры предвестников ЧС природного и техногенного
характера доступны наблюдению различными
средствами наземного, воздушного и космического
базирования. Состав и характеристики
средств определяют полноту, своевременность
и точность наблюдения параметров предвестников
ЧС.
Особая роль в наблюдении предвестников ЧС
принадлежит космическим системам. Производительность
отдельного космического средства при
высоте круговой орбиты 400–900 км (отношение
площади наблюдаемой поверхности Земли на заданном
временн´
ом интервале к площади элемента
разрешения) приблизительно в тридцать раз выше
производительности воздушного средства с аналогичными
характеристиками и режимами работы
целевой аппаратуры. Для тех же условий наблюдаемая
космическим средством площадь поверхности
Земли на четыре–пять порядков превосходит площадь
поверхности, наблюдаемую воздушным средством.
Поэтому космическая группировка прогнозного
мониторинга (КГПМ) является основным элементом
при решении задач глобального и оперативного
мониторинга ЧС.
Следует отметить, что разрешающая способность
при наблюдении воздушного средства (без
учета турбулентности атмосферы Земли) на один–
два порядка выше, чем при наблюдении космического
средства, при одинаковых характеристиках
целевой аппаратуры. Наземные средства способны
наблюдать предвестники ЧС, не доступные космическим
и воздушным средствам.
Вместе с тем повышение эффективности предупреждения
об угрозах стихийных бедствий
(сильные землетрясения, лесные пожары и наводнения)
и техногенных катастроф возможно только
на пути рационального интегрирования информационных
ресурсов средств различного базирования
для наблюдения предвестников ЧС при определяющей
роли космической группировки прогнозного
мониторинга (КГПМ).
В статье рассматриваются научно-методические
и технико-экономические аспекты создания
КГПМ.
Научно-методические аспекты
создания КГПМ
Методология разработки КГПМ представляется
в виде системы подходов, принципов, методов,
правил и норм, обеспечивающих определение
внешних и внутренних характеристик КГПМ в соответствии
с выбранными критериями.
К внешним характеристикам КГПМ относятся
цели КГПМ — Ц =(цi), i ∈ 1,mц,решаемые
ею задачи — З =(зi), i ∈ 1,mз,ипоказатели эффективности
решения задач КГПМ — Экг =(экгi),
i ∈ 1,mэкг.
К внутренним характеристикам КГПМ относятсяеесоставиструктура—
S =(si), i ∈ 1,ms,
параметры — P =(pi), i ∈ 1,mp, и состояния —
ристики КГПМ кортежами Dвнеш = Ц,З,Э,
Dвнутр = S,P,X.
Выбор внутренних характеристик КГПМ для
определенных границ значений показателей ее эффективности
производится в соответствии с заданными
правилами сравнения вариантов КГПМ —
критериями эффективности решения задач
КГПМ — Kd =(кdj(Экг)), j ∈ 1,nkd,
Kd : Dвнеш →Dвнутр.
(1)
Исходные данные для решения задачи (1) формируются,
опираясь на требуемые значения показателей
эффективности прогнозов ЧС — Эптр =
=(dпiтр), i ∈ 1,mэп, в результате информационного
преобразования
Эптр →Dвнеш,(2)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
X =(xi), i ∈ 1,mx.
Обозначим внешние и внутренние характе
Стр.2
КОСМИЧЕСКАЯ ГРУППИРОВКА ПРОГНОЗНОГО МОНИТОРИНГА
5
Рисунок. Методологическая схема разработки КГПМ
внутренних характеристиках КГПМ.
Решение прямой задачи отражает информациЭп
=(
эпi), i ∈ 1,mэп,при известных
онное преобразование
Dвнутр →
Эп.
Сущность методологии разработки КГПМ состоит
в итерационном подходе, заключающемся
(в рамках отдельной итерации) в синтезе структуры
и оптимизации параметров КГПМ по заданным
показателям эффективности прогнозов ЧС природного
и техногенного происхождения, с последующим
уточнением получаемых значений показателей
эффективности прогнозов для выбранного варианта
КГПМ в ходе его анализа. Условием окончания
итерационного процесса является достижение
заданной близости
зателей эффективности прогнозов для выбранного
варианта КГПМ требуемым значениям при выполнении
ограничений по времени, организационнотехническим
и финансовым ресурсам решения заЭп
− Эптр оценок покадачи
(рис. 1), где · —определенная норма разности
Эп −Эптр.
отражающего решение обратной по отношению
к прямой задачи: оценку показателей эффективности
прогнозов ЧС природного и техногенного происхождения
Решения обратной (2) и прямой (3) задач
в рамках методологической схемы выбора проектного
облика КГПМ сводятся к решению следующих
частных (обратных и прямых) задач.
Частные обратные задачи:
а) выбор состава и определение граничных
(3)
значений параметров ЧС — П =(пi), i ∈ 1,mп,выбор
состава и определение требуемых значений показателей
эффективности прогнозов ЧС — Эптр(
− П),где
П−
П —оценкипараметров ЧС(прогнозы
чрезвычайных ситуаций);
б) выбор состава и определение граничных
значений параметров предвестников ЧС — В =
=(вi), i ∈ 1,mв, выбор состава и определение требуемых
значений показателей эффективности наблюдения
предвестников ЧС Эвтр(
ки параметров предвестников ЧС), обеспечивающих
требуемые значения показателей эффективности
прогнозов ЧС Эптр;
в) формирование целей Ц,задач З,выбор состава
и определение требований к показателям эфВ−В),(
фективности
решения задач КГПМ Экгтр,обеспечивающих
требуемые значения показателей эффективности
наблюдения предвестников ЧС Эвтр,формирование
критериев эффективности КГПМ Kd;
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
В —оцен
Стр.3
6
О.А.АЛЕКСЕЕВ, Н.В.РАЗУМОВА, Е.И.ЦАДИКОВСКИЙ, А.Д.ЛИНЬКОВ
г) синтез структуры S и оптимизация параметров
P КГПМ, обеспечивающих требуемые значения
показателей эффективности решения задач
КГПМ Экгтр, с использованием критериев Kd.
Частные прямые задачи:
а) оценивание показателей эффективности рему
варианту структуры S(j) и рассчитанным значениям
параметров P(j) КГПМ в результате решения
частной обратной задачи (г);
шения задач КГПМ кг , j ∈ 1,mвар,повыбранноЭ(j)
щих
показателям эффективности кг (для j-го ваблюдения
предвестников ЧС в , соответствуюЭ(j)
рианта
КГПМ), полученным в ходе решения частной
обратной задачи (в);
в) оценивание показателей эффективности пролученным
в ходе решения частной обратной задачи
(б);
г) сравнение оценок показателей эффективности
прогнозов ЧС п с требуемыми значениями
Эптр в соответствии с нормой
Э(j)
тие решения о соответствии j-го варианта КГПМ
требованиям по прогнозированию ЧС.
Эп −Эптр и приняИсходя
из перечисленных частных задач информационные
преобразования (2) и (1), а также
информационное преобразование (3) представим
в следующем развернутом виде:
Эптр →Эвтр →Экгтр →S,P;(4)
S,P→
Экг →
КГПМ. В основе информационных преобразований
S,P→
Основу информационных преобразований
Экг, Экгтр →S,P составляет модель
Эптр → Эвтр необходимы моделипроцессов,
описывающих возникновение ЧС. В частности,
Эв →
измерений и оценивания параметров предвестников
ЧС средствами КГПМ. Для получения
информационных преобразований
Экг →
Эв, Эвтр → Экгтр лежат модели
Эп,
для землетрясений весьма продуктивна имеющая
междисциплинарный характер, развивающаяся
и достигшая относительно недавно определенного
Эв →
Эп.
(5)
фективности в (для j-го варианта КГПМ), погнозов
ЧС п , соответствующих показателям эфЭ(j)
Э(j)
б)
оценивание показателей эффективности наЭ(j)
уровня
полноты комплексная модель взаимосвязей
геоэффективных явлений в литосфере, атмосфере
иионосфере Земли [1].
Технико-экономические аспекты
создания КГПМ
Экгтр →S,P) представляет собой совокупность
четырех видов задач, обусловленных четырьмя виЗадача
выбора проектного облика КГПМ
(информационные преобразования S,P→
дами прогнозируемых с использованием КГПМ
чрезвычайных ситуаций: сильные землетрясения,
наводнения, лесные пожары и ЧС техногенного
происхождения.
Результаты решения задач выбора проектного
облика КГПМ по каждому из четырех видов ЧС
интегрируются для получения общего результата.
Решение частных задач определения и оценки
внутренних характеристик КГПМ предполагает решение
и интегрирование результатов решений таких
составных частей этих задач, как определение
и оценка орбитальной и наземной составляющих
КГПМ, включая:
– распределение задач КГПМ между ее орбитальной
и наземной составляющими;
– выбор состава КА группировки, распределениезадач
по каждомуизчетырех видовЧСпо КА;
– синтез орбитальной структуры КГПМ [2];
– выбор состава и определение характеристик
бортовой целевой аппаратуры КА группировки
(аппаратура мониторинга и передачи данных)
ибортовойслужебнойаппаратурысучетом характеристик
платформ КА;
– распределение бортовой целевой аппаратуры
по КА группировки;
– выбор состава и характеристик наземного
комплекса приема, обработки и распространения
(НКПОР) данных космического прогнозного мониторинга
и наземного комплекса управления (НКУ)
орбитальной группировкой КА;
– интеграцию информационных ресурсов орбитальных
и наземных средств КГПМ при решении
четырех видов задач прогнозного мониторинга.
Выбор проектного облика КГПМ должен учитывать
следующее.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Экг,
Стр.4
КОСМИЧЕСКАЯ ГРУППИРОВКА ПРОГНОЗНОГО МОНИТОРИНГА
На КА орбитальной составляющей КГПМ
предполагается размещать разнообразные типы
целевой мониторинговой аппаратуры, предназначенной
для сбора многочисленных информационных
параметров. В частности, для решения только
задачи краткосрочного сейсмопрогнозирования
необходимо обеспечить комплексное использование
целого ряда геофизических инструментов [1]:
– для измерения вертикального профиля концентрации
электронного компонента ионосферы
и его неоднородностей;
– для определения состава и измерения интенсивности
потоков радиации различного происхождения;
–
для измерения вариаций электрических
и магнитных полей;
– для измерения параметров электромагнитных
излучений (особенно в диапазонах УНЧ, ОНЧ
и КНЧ).
Кроме того, целесообразно фиксировать свечения
верхней атмосферы, аномальные повышения
температуры подстилающей поверхности сейсмоопасных
районов, концентрации радона и некоторых
специфических металлизированных аэрозолей
в нижней атмосфере, наблюдать выстраивание цепочек
облаков вдоль известных разломов земной коры.
Для прогнозного мониторинга природных (лесных)
пожаров и речных наводнений потребуются
различные виды съемочной аппаратуры (оптикоэлектронной,
радиометрической, микроволновой,
радиолокационной, лидарной).
Контрольный мониторинг критически важных
и потенциально опасных технических объектов
для прогнозирования ЧС техногенного характера
возможно обеспечить путем размещения на
КА КГПМ радиотехнической аппаратуры, предназначенной
для сбора (по радиоканалам) данных,
поступающих с наземных датчиков, расположенных
на этих объектах. Полученная таким образом
контрольная информация оперативно передается
на наземные информационно-аналитические
центры заинтересованных ведомств.
Столь разнообразный и разнотипный состав
бортовых целевых приборов затруднительно разместить
на одном КА. Следовательно, в состав
орбитальной составляющей КГПМ должен войти
ряд КА, объединяемых в несколько отдельных ор7
битальных
группировок (КА-кластеров). При этом
каждая из таких группировок (хотя и в различной
степени) может привлекаться к решению
всех четырех прогнозно-контрольных задач КГПМ.
Например, относительно маломассогабаритную аппаратуру
сбора данных от сети измерительных
средств критически важных технических объектов
возможно разместить на большинстве КА КГПМ.
Ориентировочно число КА N в орбитальной
группировке для заданных значений высот круговых
орбит h снаклонением i,углаобзора α, нижнего
значения широты наблюдаемой области поверхности
Земли φн и периодичности обзора Tобз
определим следующим образом:
N = (4π2Rз cosφн×
×sin i(Rз +h)3/µ)/2hTобз tg(α/2),(6)
где Rз и µ — радиус сферической модели Земли
и ее геоцентрическая гравитационная постоянная;
]·[—операция округления вверх до целого числа.
Определение параметров ряда предвестников
ЧС, например, предвестников землетрясений в виде
различных тепловых аномалий, приемлемо при периодичности
обзора Tобз = 6ч.Тогда сучетом (6)
наблюдение этих процессов на восходящей ветви орбиты
начиная с широты φн = 41◦ при угле обзора
α = 60◦ потребует от 17 до 9 КА на солнечно-синхронных
орбитах с высотами 400–900 км. Уменьшение
периодичности обзора до одного часа потребует
для решения той же задачи от 100 до 50 КА. Наблюдения
на восходящей и нисходящей ветвях орбиты
позволяют уменьшить число КА в два раза.
Периодичность обзора Tобз =1чименьше
необходима для наблюдения предвестников землетрясений
в виде вариаций полного электронного содержания
ионосферы над эпицентрами землетрясений.
Один из основных методов оперативного построения
зависимости плотности электронной концентрации
в ионосфере от пространственных координат
и времени состоит в ее радиозондировании
с использованием космических средств. Применение
только низкоорбитальных КА для решения этой задачи
может привести к не приемлемому по экономическим
соображениям числу КА. В этом случае
целесообразно комбинированное использование низкоорбитальных
и наземных средств КГПМ, а также
привлечение систем ГЛОНАСС и GPS.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.5
8
О.А.АЛЕКСЕЕВ, Н.В.РАЗУМОВА, Е.И.ЦАДИКОВСКИЙ, А.Д.ЛИНЬКОВ
Таким образом, орбитальный сегмент КГПМ
должен состоять из КА следующих типов:
– перспективных специализированных КА для
решения отдельных задач прогнозирования ЧС, например,
мониторинга ионосферы с целью формирования
краткосрочных прогнозов землетрясений;
– существующих и разрабатываемых КА гидрометеорологического
и природно-ресурсного назначения,
привлекаемых функционально для решения
широкого круга задач прогнозирования ЧС.
Выбор видов космических платформ необходимо
производить с учетом усиливающейся тенденции
использования малых и сверхмалых КА для
решения задач прогнозного мониторинга, а также
нелинейного характера увеличения стоимости
разработки КА при увеличении его массовогабаритных
характеристик.
Наземный сегмент КГПМ в части НКПОР целесообразно
разрабатывать на трех иерархических
уровнях:
– верхний уровень — федеральный центр прогнозного
мониторинга в структуре центрального
аппарата Роскосмоса с функцией координации деятельности
центров нижних уровней и ведения главного
каталога продукции и услуг прогнозного мониторинга;
–
средний уровень — региональные центры
прогнозного мониторинга, категорированные либо
по территориально-административному критерию
(с учетом степени риска ЧС природного и техногенного
характера), либо исходя из отдельных
задач прогнозного мониторинга;
– нижний уровень — пользовательские центры
прогнозного мониторинга, обеспечивающие обслуживание
ведомственных (МЧС, РАН, Минприроды
и др.) и коммерческих категорий потребителей
продуктов (сервисов) прогнозного мониторинга.
Окупаемость создания КГПМ с учетом дисконтирования
может быть поэтапно обеспечена на основе
гибкой инвестиционной политики, а также путем
рационального использования технологического задела
в области прогнозного мониторинга [3].
Заключение
Создание перспективной космической группировки
прогнозного мониторинга (КГПМ) чрезвычайных
ситуаций (ЧС) природного и техногенного
происхождения как основы создания интегрированных
систем предупреждения об угрозах стихийных
бедствий состоит в комплексном решении
широкого круга научно-методических, техникоэкономических
и других задач междисциплинарного
характера. Конечной целью решения этих задач
является выбор и реализация таких состава, структуры
и параметров КГПМ, которые обеспечивают
требуемые значения полноты, точности, достоверности
и своевременности прогнозирования ЧС при
фиксированных затратах на создание КГПМ.
Научно-методическая составляющая разработки
КГПМопределяется установлением связей между
характеристиками КГПМ и показателями эффективности
прогнозирования ЧС.
Технико-экономическая составляющая разработки
КГПМ основывается на установлении связей
между ее внутренними и внешними характеристиками.
Перспективный
орбитальный сегмент КГПМ
представляется в виде кластеров специализированных
КА для решения частных задач мониторинга
отдельных предвестников ЧС и функционально
привлекаемых группировок КА широкого назначения
для решения большинства задач прогнозирования
ЧС природного и техногенного характера.
Разработку наземного сегмента КГПМ в части
НКПОР целесообразно вести на трех иерархических
уровнях: федеральном, региональном и местном.
Списоклитературы
1. Пулинец С.А., Узунов Д.П., Давиденко Д.В.
идр. Прогноз землетрясений возможен?! Под ред.
С. А.Пулинца. М.: Тровант, 2014. 144 с.
2. Меньшиков В.А., Перминов А.Н., Рембеза А.И.,
Урличич Ю.М. Основы анализа и проектирования
космических систем мониторинга и прогнозирования
природных и техногенных катастроф. М.: Машиностроение,
2014. 736 с.
3. Жодзишский А.И., Разумов В.В., Дудкин С.А.
идр. Перспективы создания пилотной версии
проекта «Международная аэрокосмическая система
глобального мониторинга» в России. Под ред.
О. А.Алексеева. М.: Тровант, 2014. 200 с.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.6