АНАЛИЗ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНОГО МАРШРУТА ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ГРУППЫ ПОИСКА ОТДЕЛЯЕМЫХ ЧАСТЕЙ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ИХ ФРАГМЕНТОВ

Проведение запусков космических аппаратов (КА) с российских космодромов требует отведения по трассе полета ракет космического назначения (РКН) специальных территорий, предназначенных для падения на Землю отработавших элементов конструкций РКН – ступеней, головных обтекателей, соединительных и хвостовых отсеков, спускаемых аппаратов и капсул со специнформацией [1]. Такие территории называются районом падения (РП) отделяющихся частей (ОЧ) [4].

Поиском ОЧ РКН занимается наземная поисковая группа (НПГ). Для быстрого поиска и идентификации фрагментов ОЧ, ликвидации экологического ущерба, а также для сокращения времени работы поисковых групп необходимо как можно быстрее добраться до ОЧ РКН [5].

В данной статье рассматривается разработка программного обеспечения расчета оптимального маршрута для наземной группы поиска отделяемых частей ракет космического назначения и их фрагментов. Разработанный программный продукт преобразовывает оцифрованные схемы дорог в виде ориентированного графа, производит расчет оптимального маршрута алгоритмами Дейкстры и Ли, выводит полученные результаты, а также время, требуемое для проведения расчетов в тактах, и выводит расстояние полученного маршрута в метрах. Метод поиска ОЧ РКН пользователь выбирает на основании скорости и качества вычисления. Метод Дейкстры производит качественное вычисление, но из-за подробного расчета, а именно учета фактора коэффициента проходимости дорог, требуется некоторое время для вычисления. Метод Ли – быстрое, но в нем данный фактор не учитывается.

Актуальность разработки обусловлена потребностью эффективного решения задачи поиска фрагментов РКН.

Предварительным этапом является процедура построения оцифрованной схемы дорог и РП, которая выполняется с помощью свободно распространяемого программного продукта Google Earth, который дает возможность просматривать трехмерную модель Земли, выполненную при помощи спутниковых фотографий в высоком разрешении. Пользователям этой программы предоставляется возможность исследовать земной шар, вводя адреса и координаты или с помощью управления клавишами стрелок и мыши. Программа также дает возможность добавлять свои собственные данные при помощи Keyhole Markup Language (KML) и загружать эти данные при помощи различных источников, такие как блоги и форумы [2]. Если пользователь добавляет собственные данные, необходимо сообщить о корректности и проверки этих данных, иначе у разработчиков навигационных алгоритмов могут возникнуть предположения о некорректных построениях в силу человеческого фактора.

Схема дорог преобразовывается в ориентированный граф.

Граф G – это упорядоченная пара непустых множеств вершин или узлов V и множество пар вершин, которые называются ребрами E. Данное определение можно записать в виде формулы [3]:

                                               (1)

Затем для работы с графом производится пересчет геодезических координат в местную систему координат [6].

Геодезические координаты  (геодезическая широта, долгота и высота), заданные на некотором эллипсоиде, и прямоугольные координаты   в геодезической системе координат, заданные на том же эллипсоиде, связаны соотношениями

                                             (2)

где:

;

A=6378136 м – большая полуось рассматриваемого земного эллипсоида;

е²=0,006694366 – квадрат первого эксцентриситета рассматриваемого земного эллипсоида;

B, L, H – геодезическая широта, долгота, высота координат, заданные на эллипсоиде.

Широта – угол j между местным направлением зенита и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0 до 90 градусов в обе стороны от экватора.

Долгота – двугранный угол λ между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального нулевого меридиана, отсчитываемый от 0 до 180 градусов.

Высота – расстояние от земной поверхности, которое используется для полного определения положения точки трехмерного пространства.

На рисунке 1 представлены географические координаты.

Рисунок 1. Географические координаты

Далее пользователь указывает значения широты и долготы НПГ и ОЧ РКН, выбирает метод поиска, и программа производит вычисления.

Пример результата работы программы представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Результат работы программы методом Дейкстра

Полученный маршрут сохраняется в файлах формата KLM и GPX.

Файл формата GPX можно загрузить в любом навигаторе, который поддерживает данный формат файла.

Файл формата KML можно загрузить в программу Google Earth.

Существует множество программ, которые вычисляют кратчайшие пути. Каждые из них имеют свои достоинства и недостатки.

Из популярных можно отметить:

1) iGO Navigation – это программа, которая производит расчет кратчайшего пути и включает в себя большой выбор карт для поиска.

2) OsmAnd – программа, созданная на базе автономных карт и позволяющая ориентироваться на местности и находить интересующие объекты на карте.

Все эти программы являются платными и в них постоянно всплывает реклама, которая мешает в работе. При этом районы поиска не имеют цифрового описания дорог. Также некоторые РП являются секретными, что целесообразно для разработки собственного программного продукта.

Для оптимизации программного продукта, разработанного в рамках бакалаврской работы, предлагается дополнить его рядом задач, которые помогут повысить качество работы программы, сократить время на вычисления, а также расширить объем использования данного программного обеспечения:

1) возможность формирование  количества поисковых подгрупп  в соответствие с требованием организации;

2) построение возможных маршрутов и выбор оптимального маршрута с учетом критериев:

- времени - определение длительности маршрута с учетом времени года, погодных условий, светового дня, состояние почвы дорожного покрытия;

- типом транспортного средства;

- количеством отделяемых частей.

3) построение оптимального маршрута на основании методов Дейкстры и волнового алгоритма с учетом требования пункта 2.

4) выбор технического средства для поиска и обнаружения в соответствии с категорией отделяемых частей;

5) выбор технического средства в случае возникновения нештатной ситуации (фрагмент космического назначения падает за пределы района падения или невозможности поиска фрагмента на наземном транспортном средстве из-за плохой погоды, или если объект является секретным и необходимо как можно быстрее добраться до него). В такой ситуации поисковые группы будут заниматься поиском фрагментов на вертолетах.

Внедрение данного продукта позволит организации эффективнее решать задачи поиска элементов РКН.

Список литературы:

1. Авдошкин В.В. Проблемные вопросы использования трасс запусков космических аппаратов и районов падения отделяющихся частей ракет космического назначения. – СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2016. – 372с.
2. Google Earth. URL: https://ru.qwe.wiki/wiki/Google_Earth (дата обращения: 29.11.2020)
3. Граф..URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Граф (дата обращения: 29.11.2020).
4. Район падения. URL:http://russian.space/298/ (дата обращения: 29.11.2020).
5. Космический центр "Южный". URL:http://russian.space/129/ (дата обращения: 25.05.2020).
6. Колодяжный А. Н. Методы и алгоритмы обработки траекторных измерений: Учебное пособие. – М.: Изд – во МАИ, 2012. – 84 с.: ил.