Программный комплекс моделирования функционирования многоспутниковой орбитальной группировки

Авторы

Привалов А. Е.^*, Калюжный А. В.^*, Факхро Ф.

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, 197198, г. Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13

*e-mail: vka@mil.ru

Аннотация

В статье рассматриваются ключевые аспекты разработки программного комплекса для моделирования функционирования многоспутниковой орбитальной группировки. Современные космические группировки, состоящие из множества спутников на различных орбитах, играют важную роль в обеспечении глобальных и региональных коммуникаций, навигации, мониторинга Земли, а также других прикладных задач. Разработка комплексного программного обеспечения для моделирования многоспутниковой орбитальной группировки позволяет изучать вопросы, связанные с управлением, координацией и обеспечением надежности таких систем.
Основной задачей работы является создание программного комплекса с поддержкой многоагентного подхода, позволяющего моделировать взаимодействие отдельных спутников в составе группировки, анализировать их поведение, а также оценивать эффективность выполнения различных сценариев. Данный подход позволяет учитывать многоуровневую структуру системных взаимодействий, начиная от модели отдельных спутников как независимых агентов до их комплексного взаимодействия в составе группы.
Архитектура программного комплекса построена на основе объектно-ориентированного подхода, что позволяет структурировать модель на логически разделенные компоненты. Многоагентная модель, определяет логику взаимодействия спутников в составе группировки, которая учитывает их возможные состояния, обмен информацией и различные действия в зависимости от текущих задач.
Программная реализация комплекса использует возможности языка Python и связанных с ним библиотек для создания интерфейсов моделирования и обработки данных. В частности, для визуализации результатов моделирования была использована библиотека PyOpenGL, обеспечивающая поддержку трехмерной графики на языке Python.
Ключевая особенность предлагаемого программного комплекса заключается в возможности детального анализа сценариев на основе динамического моделирования и анализа данных, получаемых от агентов спутниковой системы. Кроме того, комплекс поддерживает интеграцию с другими инструментами и форматами данных, позволяя пользователю импортировать реальные орбитальные параметры и другие внешние данные, необходимые для построения более точных моделей.
Таким образом, разработанный программный комплекс является многофункциональным инструментом, который может использоваться как в научных исследованиях, так и в промышленности. Внедрение объекта и многоагентной модели, поддержка 3D-визуализации и удобного интерфейса для настройки и анализа результатов моделирования делает его мощным инструментом для изучения и оптимизации орбитальных группировок спутников.

Ключевые слова:

программный комплекс моделирования, многоагентная модель, многоспутниковая орбитальная группировка, эффективность функционирования

Библиографический список

1. Васильев В.Н. Системы ориентации космических аппаратов. - М.: НПП ВНИИЭМ, 2009. - 310 с.
2. Волгин Д.А. Перспективы развития малых космических аппаратов // Молодой ученый. 2023. № 40 (487). С. 11-15. 
3. Завьялова Н.А., Негодяев С.С., Кузнецов А.А. и др. Программный комплекс «Интеграл» для моделирования космических группировок и космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2023. Т. 7, № 2 (44). С. 162-170. DOI: 10.26732/j.st.2023.2.09 
4. Городецкий В.И., Скобелев П.О. Многоагентные технологии для индустриальных приложений: реальность и перспектива // Труды СПИИРАН. 2017. № 6 (55). С. 11-45.
5. Городецкий В.И., Бухвалов О.Л., Скобелев П.О. Современное состояние и перспективы индустриальных применений многоагентных систем // Управление большими системами: сборник трудов. 2017. № 66. С. 94-157.
6. ГОСТ Р 57700.37–2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения. - М.: Российский институт стандартизации, 2021. – 16 с.
7. Гриценко А.А. Опыт применения САПР «Альбатрос» в задачах анализа, расчета и моделирования спутниковых систем различного // XI Международная конференция «Satellite Russia & CIS: Цифровые услуги на всех орбитах». 2019. URL: http://www.spacecenter.ru/Resurses/2019/5_andrey_gritsenko_sc_information_space_center_severnaya_cor... 
8. Гусев П.Ю. Автоматизация планирования производственных процессов авиастроительного предприятия с использованием цифрового двойника // Труды МАИ. 2018. № 103. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=101190
9. Карсаев О.В., Соколов Б.В. Имитационное моделирование многоспутниковых орбитальных группировок дистанционного зондирования Земли // 11- Всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» ИММОД-2023 (Казань, 18–20 октября 2023): сборник трудов. – Казань: Изд-во АН РТ, 2023. С. 357-366.
10. Клюшников В.Ю. Мини-спутники собираются в стаи. URL: https:// www.ng.ru/science/2020-01-21/9_7773_satellites.html 
11. Кузнецова С.В., Семенов А.С. Цифровые двойники в аэрокосмической промышленности: объектно-ориентированный подход // Труды МАИ. 2023. № 131. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=175930. DOI: 10.34759/trd-2023-131-24
12. Потюпкин А.Ю. Моделирование функционирования многоспутниковых орбитальных группировок // VIII Международная конференция и молодежная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2022) (23–27 мая 2022). URL: https://itnt-conf.org/images/docs/2022/plenary/25(09-30)Potyupkin.pdf 
13. Потюпкин А.Ю., Пантелеймонов И.Н., Тимофеев Ю.А., Волков С.А. Управление многоспутниковыми орбитальными группировками // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2020. Т. 7, № 3. С. 61–70. DOI: 10.30894/issn2409-0239.2020.7.3.61.70
14. Привалов А.Е. Унифицированная программная платформа для разработки многоагентных моделей орбитальных группировок космических аппаратов // Труды МАИ. 2022. № 123. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=165498. DOI: 10.34759/trd-2022-123-22
15. Привалов А.Е., Смирнов А.В., Токарев М.С. Концепция управления многоспутниковыми системами с применением цифровых двойников // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 11. С. 245-250. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-245-246. 
16. Привалов А.Е., Федяев В.В., Бугайченко П.Ю. Применение многоагентных технологий для построения имитационных моделей многоспутниковых орбитальных группировок дистанционного зондирования Земли // Имитационное моделирование систем военного назначения, действий войск и процессов их обеспечения «ИМСВН-2020» (Санкт-Петербург, 25 ноября 2020): труды конференции. – Санкт-Петербург: Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева, 2020. С. 219-228.
17. Скобелев П.О., Скирмунт В.К., Симонова Е.В. и др. Планирование целевого применения группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с использованием мультиагентных технологий // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 10 (171). С. 60-70.
18. Щекочихин О.В. Современные тенденции управления киберфизическими системами на основе цифровых двойников // Информационно-экономические аспекты стандартизации и технического регулирования. 2021. № 5 (63). С. 33–37.
19. Cai Y., Starly B., Cohen P., Lee Y-S. Sensor data and information fusion to construct digital-twins virtual machine tools for cyber-physical manufacturing // Procedia Manufacturing. 2017. No 2. P. 1031–1042. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.094
20. Christofi N., Pucel X. A Novel Methodology to Construct Digital Twin Models for Spacecraft Operations Using Fault and Behaviour Trees // 25th International Conference on Model Driven Engineering Languages and Systems (MODELS ’22 Companion), October 23–28, 2022, Montreal, QC, Canada. ACM, New York, NY, USA, 8 p. DOI: 10.1145/3550356.3561550
21. Glaessgen E.H., Stargel D.S. The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles // Paper for the 53rd Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference: Special Session on the Digital Twin. 2012. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20120008178
22. Tao F., Qi Q., Wang L., Nee A.Y.C. Digital Twins and Cyber–Physical Systems toward Smart Manufacturing and Industry 4.0: Correlation and Comparison // Engineering. 2019. V. 5, Issue 4. P. 653–661.

Скачать статью