РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2017, том 4, выпуск 1, c. 53–60
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ,
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ
УДК 629.783 : 621.396.98
Построение прототипа экспертно-диагностической системы
анализа траекторной измерительной информации КА
В. К.Ларин
к. т. н, АО «Российские космические системы»
e-mail: larin_vk@risde.ru
Аннотация. В статье представлена технология построения прототипа экспертно-диагностической системы (ЭДС) анализа
траекторной измерительной информации. Основной функцией ЭДС является выявление и последующее удаление аномальных
измерений и формирование массива корректной информации для дальнейшего использования в цикле расчетов баллистиконавигационного
обеспечения (БНО). В качестве основного инструмента анализа принята фильтрация — последовательное
сравнение каждого измерения с системой критериев (фильтров), значения которых определяются на основе технических
характеристик КА данного типа и параметров среды, в которой проводились измерения. Предлагаемый проект ЭДС позволяет
производить достаточно качественную выборку аномальных измерений из информационных массивов для большинства видов
траекторной информации и может использоваться в цикле расчетов БНО управления КА.
Ключевые слова: экспертно-диагностическая система, фильтрация, траекторная измерительная информация
Building of a Prototype of Expert-Diagnostic System
for the Analysis of Spacecraft Flight Path
Measurement Information
V. K.Larin
candidate of engineering science, Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: larin_vk@risde.ru
Abstract. The article presents the technology of building of a prototype expert-diagnostic system (EDS) for analysis of flight path
measurement information. The main function of the EDS is the identification and subsequent removal of abnormal measurements
and the formation of a collection of correct information for further use in the cycle of ballistic and navigational support (BNO)
calculations. The main analysis tool is filtering — a sequential comparison of each measurement with the system of criteria
(filters), the values of which are determined based on the technical characteristics of the spacecraft of this type and the parameters
of the medium in which the measurements were made. The proposed EDS project allows producing of a high-quality sample
of abnormal measurements from the data collections for most types of flight path information and can be used in the BNO
calculation cycle for spacecraft control.
Keywords: expert-diagnostic system, filtration, flight path measurement information
Стр.1
54
В. К.ЛАРИН
Введение
Основной задачей БНО является определение
элементов орбиты КА по траекторным измерениям
(ТИЗ). В зависимости от функционального назначения
КА выбирается определенный вид ТИЗ (дальность,
радиальная скорость, углы и т.д.), что реализуется
в настройках программных комплексах БНО.
В этом случае использование данного ПК для обеспечения
КА другого типа потребует перенастройки
соответствующей программы обработки ТИЗ.
Предлагаемый вариант прототипа ЭДС позволяет
производить предварительную обработку ТИЗ
для КА различных типов, не изменяя схемы решения.
Для практического использования ЭДС необходимо
ввести в архив ИД (блок ЭДС, рис. 1)
количественные значения фильтров (документация
Главного конструктора изделия).
Основополагающие принципы проектируемой
системы сводятся к следующему.
Под функцией анализа траекторной измерительной
информации будем понимать отбор аномальных
измерений (АИ), не удовлетворяющих
по своим значениям заданным критериям.
Процедуру выбора АИ будем называть фильтрацией.
Полный
цикл выбора состоит из последовательного
проведения измерений через систему
фильтров, значения которых определяются техническими
характеристиками КА и физическими
условиями проведения измерений.
Измерительная информация, полученная по одному
КА в зоне одного измерительного пункта, называется
сеансом.
В окончательную обработку траекторных измерений
для определения параметров орбиты КА
поступает информация в виде нескольких сеансов,
называемых циклом радиоконтроля орбиты
(РКО).
«Сырые» (не обработанные) измерения одного
цикла РКО несут в себе различного рода погрешности,
возникающие вследствие неточной работы
бортовойиназемнойаппаратуры, атакже погрешностей
в параметрах среды прохождения сигнала.
С некоторыми допущениями можно принять,
что условия, порождающие эти погрешности, для
временных и пространственных рамок одного цикла
РКО одинаковы. Это позволяет построить диагностическую
систему анализа в виде последовательности
фильтров для одного сеанса, используя тот
же алгоритм и для других сеансов.
Поскольку физическая природа погрешностей
в измерениях не дает возможности описания их
аналитическими зависимостями, то в качестве инструмента
анализа выбрана ЭДС, которая, используя
систему фильтров, позволяет достаточно корректно
получить решение по сути неформальной
задачи выбора аномальных измерений.
Постановка задачи
Предварительные замечания
1. ЭДС строится для анализа одного сеанса
измерений.
2. Количество фильтров и их числовые значения
приведены в символьном виде, поскольку они
не привязаны к конкретному типу КА.
3. Обязательным условием сохранения сеанса
измерений для дальнейшего использования определения
орбиты КА является следующее утверждение:
количество оставшихся после каждого этапа
фильтрации нормальных измерений в сеансе
не должно быть меньше заданного числа.
4. В качестве вида представления знаний в базе
знаний проектируемой ЭДС выбрана продукционная
модель.
5. Последовательность использования фильтров
определяется их индексом.
6. Погрешности измерений носят систематический
и случайный характер. Систематическая составляющая
определяется аналитическими зависимостями,
случайная — с помощью фильтров.
7. Последовательность построения ЭДС соответствует
структурной схеме, приведенной на рис. 1.
8. Условия проведения измерений для всех сеансов
исходного цикла РКО равные.
Исходные данные
фаза, угол и т. д.);
P1 ...PNk — измеряемый параметр (дальность,
Nk — начальное число измерений в сеансе;
F1,F2,.. . ,Fn — фильтры измерений;
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.2
ПОСТРОЕНИЕ ПРОТОТИПА ЭКСПЕРТНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА
55
Рис. 1. Структурная схема построения ЭДС
Q1,Q2, ... ,Qm — фильтры условий измерений;
n — допустимое минимальное число измерений
в сеансе.
Mj — число сеансов в цикле РКО.
Поставим задачу разработать прототип ЭДС,
позволяющий производить определение и отбор
аномальных измерений из массива измерений одного
сеанса.
На рис. 1 представлена технологическая схема
построения ЭДС в виде последовательно расположенных
блоков с названиями этапов разработки
системы. Справа от схемы приведены определения
основных понятий, используемых в работе [1].
Описание блоков
1. Предметная область (ПО)
Предметную область задачи фильтрации измерительной
информации составляют следующие
данные:
измерений;
– Mj — число сеансов в цикле РКО;
– Nk — начальное число измерений в сеансе;
– Pk —измеряемыйпараметр;
– qk — измеренные характеристики условий
– F1,F2,. . . ,Fn — фильтры измерений;
– Q1,Q2,. . . ,Qm —фильтры условий измерений;
– S = 0,6 ·Nk — условие отбора сеанса.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.3
56
В. К.ЛАРИН
Рис. 2. Онтологическая модель
2. Выделение концептов ПО
В качестве концептов ПО можно выделить
... ,Fk) — в зависимости от физического смысла
фильтра;
вий измерений — определяются по характеристикам
условий проведения измерений (среда, аппаратура).
Условия отбора аномальных измерений:
Pk (F1,F2,. . . ,Fk) или Pk (F1,F2, ...
ний — определяются в зависимости от функциональных
характеристик КА;
Q1,Q2, ... ,Qm — значения фильтров усло...
,Qm) — в зависимости от физического смысла
фильтра;
qk (Q1,Q2, ... ,Qm) или qk (Q1,Q2, ...
S — условие отбора сеансов.
3. Онтологическая модель ПО
В соответствии с указанным выше определением
представим онтологию предметной области в виде
схемы (рис. 2).
4. Выбор информационных параметров
Для формирования информационных параметров
представим измерение (для случая дальности)
вследующем виде:
Pk = D+∆Pсис+∆Pсл,
где D = τрc — геометрическая дальность до KA;
следующие данные:
F1,F2,. . . ,Fn — значения фильтров измере∆Pсис
— систематическая составляющая погрешности
измерения;
∆Pсл — случайная составляющая погрешности
измерения.
∆Pсис = I1+∆Dtrop+∆Drot −∆Dpcsat−
−∆Dpcrec1 −∆Dmarker+∆Dgrav,
где I1 — задержки, обусловленные влиянием ионосферы;
∆Dtrop
— поправка на задержку распространения
сигнала в тропосфере;
∆Drot — поправка на вращение Земли за время
распространения сигнала;
∆Dpcsat — поправка на смещение фазового ценние
фазового центра приемника относительно
ARP-точки антенны;
∆Dmarker — поправка, вызванная смещенитра
антенны НКА относительно центра масс НКА;
∆Dpcrec1, ∆Dpcrec2 —поправканасмещеем
ARP-точки антенны относительно координат
станции;
∆Dgrav — релятивистская поправка.
∆Pсл = F(δ1+δ2+.. .+δn),
где δ1, δ2, ... δn — значения фильтров для выявления
аномальных измерений, обусловленных
случайными факторами (ошибками в параметрах
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.4
ПОСТРОЕНИЕ ПРОТОТИПА ЭКСПЕРТНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА
57
Рис. 3. Информационный образ
Та б лица 1. Информационные параметры
Концепт Информационный
параметр (ИП)
F1
F2
F3
..
..
Fn
Q1
Q2
..
Qm
S
∆Pсис
δ1
δ2
..
..
δn
δ11
δ22
..
δmm
δN = 1−
nаном
nизм
1−
Примечание
Систематическая
составляющая
Значение фильтра
–« –
–« –
–« –
–« –
–« –
–« –
..
–« –
nаном
nизм
< 0,6
аппаратуры, в среде прохождения сигнала, в условиях
приема сигнала, его характеристиках и т. д.).
5. Построение информационного образа
(ИО)
Процедура создания ИО каждой неисправности
(в частности, аномальных измерений) может
быть определена на основе составления диагностических
правил (ДП), определяющих схему отбора
аномальных измерений [2].
ДП представляют собой последовательное применение
фильтров к каждому измерению сеанса
с проверкой на достаточность количества оставшихся
измерений после исключения аномальных,
как необходимого условия продолжения дальнейшей
фильтрации измерений данного сеанса или перехода
к анализу измерений другого сеанса.
Информационный образ анализа измерительбой
процедуру отбора аномальных измерений.
В случае если измерение является аномальной
информации на примере одного измерения
представлен на рис. 3.
Информационный образ (Ik)представляетсоным
(соответствие одному из фильтров), вырабатывается
комментарий «Нет» и измерение заносится
в архив аномальных измерений, в противном случае
вырабатывается комментарий «Да» и измерение
заносится в архив нормальных измерений.
6. Продукционная модель (ПМ)
Продукционная модель (ПМ) — модель, основанная
на правилах, представляющих знания в виде
предложений типа «Если (условие), то (действие)»
[3]. В данном случае основным элементом
продукционной модели является информационный
образ, построенный на указанных выше правилах
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.5
58
В. К.ЛАРИН
Блок 1 — Исходные данные.
верки характеристик условий измерений;
– δ1, δ2, . . . , δn,δN — значения информационки
измерений;
– Q1,Q2,. . . ,Qm — набор фильтров для проных
параметров;
Рис. 4. Продукционная модель
(рис.3).Сучетомэтого ПМ представим ввиде
схемы (рис. 4).
После проверки всех измерений сеанса
(см. рис. 3) проверяется условие: соответствие S
(число отфильтрованных измерений) минимуму
нормальных измерений в сеансе. В случае выполнении
условия сеанс заносится в «Архив сеансов
после фильтрации» при соответствующем комментарии
«Да». В противном случае вырабатывается
комментарий «Нет», при этом сеанс исключается
из дальнейшей обработки и функции передаются
в блок сеансов (при том же комментарии «Нет»)
длявыбора следующегосеансаизмерений ипередаче
его в Ik. Действия повторяются, пока не будут
проверены все сеансы.
7. База знаний (БЗ)
При использовании продукционной модели база
знаний состоит из набора правил типа:
«Если (условие), то (действие)» — (A).
C учетом сказанного БЗ может быть представлена
совокупностью отношений концептов в виде
правил — условий (A), используемых в информационном
образе, и продукционной модели [4].
Структурно представим БЗ состоящей из трех
блоков:
Блок 1 — Исходные данные.
Блок 2 — Правила.
Блок 3 — Результат.
– S = 0,6 ·Nk — условие отбора сеанса.
Архивы:
– сеансов измерений цикла РКО,
– измерений одного сеанса,
– аномальных измерений,
– нормальных измерений,
– сеансов измерений после фильтрации.
Блок 2 — Правила.
Представим правила в виде последовательносравнения
соответствующего информационного пасти
использования фильтров для отбора аномальных
измерений, а также действий, связанных с вводом
и выбором из архивов необходимых данных.
Под фильтром Fi следует понимать действие
раметра δn с измеренным параметром (Pi)либо
характеристикой условий qi.Тогда запись вида
Pi >Fn соответствует использованию фильтра
для данного измерения или условий измерений —
qi>Qm.
Пошаговый алгоритм фильтрации отнесен
... ,Pki}.
Шаг 2. Выбор первого измерения сеанса —
Шаг 3. Проверка условия P1i >F1(P1i <
F2, ...
...P1i >Fk, если «Да», то переход к шагу 5
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
кизмерениямодногосеансаРКО.Обработка измерений
других сеансов производится в цикле, выходом
из которого является фильтрация измерений
последнего сеанс в «Архиве сеансов измерений»
цикла РКО.
Шаг 1. Выбор сеанса измерений Mi{P1i, ...
измерений (сигнал/шум, угол места, . . .);
– F1,F2, ... ,Fn — набор фильтров для провер–
Mj — число сеансов в цикле РКО;
– Nk — начальное число измерений в сеансе;
– Pk —измеряемыйпараметр;
– qk — фактические характеристики условий
Стр.6
ПОСТРОЕНИЕ ПРОТОТИПА ЭКСПЕРТНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА
(для всех значений Fi), если «Нет», то занесение
P1i в «Архив аномальных измерений» и возврат
кшагу 2.
Шаг 5. Выбор параметров условий измерений
— q1i и их сравнение с соответствующими
значениями фильтров условий Qi,если«Да»,
то переход к шагу 6, если «Нет», то занесение
P1i в «Архив аномальных измерений» и возврат
кшагу 2.
Шаг 6. После проведения последовательности
действий, описанных в шагах 2–5 и соответствующего
заполнения блока «Архив аномальных измерений»,
проверяется условие: S> 0,6. Если оно выполняется
(комментарий «Да»), то сеанс заносится
в «Архив сеансов после фильтрации» и команда передается
в блок «Архив сеансов измерений» для
выбора очередного сеанса и проведения действий
по шагам 2–5.
Если условие не выполняется, то текущий сеанс
исключается и действие передается в блок «Архив
сеансов измерений» для выбора очередного сеанса
и фильтрации его измерений.
Цикл обработки заканчивается после фильтрации
измерений последнего сеанса Mj.
Блок 3 — Результат.
Результатами выполнения действий по шагам
1–6 являются:
– набор сеансов нормальных измерений в «Архиве
сеансов после фильтрации», готовых к использованию
для решения краевой задачи;
– номера удаленных сеансов аномальных измерений
в блоке «Удаление сеанса Mi»;
– количество аномальных измерений в каждом
сеансе в «Архиве аномальных измерений»;
– количество нормальных измерений в каждом
сеансе в «Архиве нормальных измерений».
8. Прототип ЭДС фильтрации траекторных
измерений
Ниже представлена принципиальная схема построения
ЭДС. По сравнению со стандартной схемой
[3, 5] в ней не отражены такие элементы, как
объяснительный компонент и компонент приобретения
знаний, так как отсутствие этих частей
не влияет на суть предлагаемого варианта решения
поставленной задачи.
Рис. 5. Принципиальная схема прототипа ЭДС
Назначение блоков схемы прототипа ЭДС
(рис. 5).
Архив ИД содержит данные, приведенные
в Блоке 1, с числовыми значениями фильтров измерений
и условий их проведения (информационных
операторов), для различных типов КА.
Архив результатов содержит следующие
данные:
– сеансы с отфильтрованными измерениями;
– сеансы с «сырыми» измерениями (до фильтрации);
–
номера удаленных сеансов после фильтрации;
– число аномальных измерений в каждом сеансе.
Указанные
данные результатов и исходные
данные приводятся в форме выдачи результатов
расчетов (табл. 2).
Интерфейс ввода ИД —осуществляет выбор
ИД из архива ИД для заданного тип КА.
Рабочая память — предназначена для хранения
исходных и промежуточных данных решаемой
в текущий момент задачи.
Решатель — формирует последовательность
правил, применение которых к исходным данным
рабочей памяти и знаниям из БЗ, приводят к решению
задачи.
Заключение
По материалам, приведенным в данной статье,
можно сделать следующие выводы.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
59
Стр.7
60
В. К.ЛАРИН
Та б лица 2. Форма выдачи результатов расчетов
Форма №
Тип КА
№КА
Исходные данные
Обозначение
δ1
δ2
.. .
δn
δN
q1
q2
.. .
qk
Архивы
А1
А2
Сеансы измерений
Измерения сеанса
А3
А4
А5
1. Разработан прототип ЭДС, позволяющий производить
отбор аномальных измерений в цикле
РКО на основе фильтрации измерительной
информации.
2. Прототип ЭДС является унифицированным изделием
с точки зрения возможности применения
для анализа большинства используемых
видов траекторной информации.
3. Количественные значения фильтров и их число
определяются в зависимости от технических
характеристик КА и условий измерений.
4. Данный прототип ЭДС может входить в состав
математического обеспечения по расчету
баллистико-навигационной информации
для управления КА.
Отфильтрованные сеансы
Аномальные измерения в сеансах
Нормальные измерения в сеансах
Примечание. (*) — сеанс аномальный — «−»; сеанс нормальный — «+».
Список литературы
1. Гаврилова Т.А. Использование онтологий в системах
управления знаниями. URL: http://big.spb.ru/
publications/bigspb/km/ontol_podhod_to_uz.shtml
2. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний
интеллектуальных систем / Учебник для вузов.
СПб.: Питер, 2000.
3. Осипов Г.С. Лекции по искусственному интеллекту.
М.: КРАСАНД, 2009.
4. Бетанов В.В., Ларин В.К., Позяева З.А.База
знаний для программного модуля определения местоположения
приемника. В сб. статей ИТМиВТ
им. С.А.Лебедева, 2015.
5. Бетанов В.В., Ларин В.К.,Позяева З.А.Квопросу
анализа причин возникновения сбоев в АКП //
Ракетно-космическое приборостроение и информационные
системы, 2014, т. 1, вып. 1.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Значение
Номер
сеанса Nc
Число
измерений
nн
Дата измерений
Дата расчета
Время измерений
Результаты
Число
анормальных
измерений nан
nан/nн
Вид измерительной
информации
Признак
анормальности
сеанса (−/+)*
Стр.8