К вопросу выбора критериев качества алгоритмов планирования наблюдений за космическими аппаратами

Цели. Одна из важнейших задач мониторинга космического пространства – это планирование наблюдений за космическими аппаратами. От того, насколько хорошо составлен план наблюдений, зависят качество и объем получаемой информации. В настоящее время существует множество различных методов планирования наблюдений за космическими аппаратами, однако единые критерии, которые позволяют сравнить различные алгоритмы планирования, отсутствуют. Цель работы – на основе физических принципов наблюдения радиолокационными, радиотехническими и оптическими средствами мониторинга разработать критерии качества планирования, определить их основные параметры аналитически и проверить численно.
Методы. Предложенные критерии качества – детерминированные, ограниченные по энергии мощностью сигнала и временем наблюдения. Аналитически определены предельные значения критериев качества для фиксированного времени наблюдения. В вычислительном эксперименте для 4 алгоритмов планирования получены значения критериев качества.
Результаты. Для сравнения различных алгоритмов планирования наблюдений, учитывающих приоритет космического аппарата и общее времени его наблюдения, предложен критерий качества «вес – время наблюдения». Для учета структуры общего времени наблюдения введен критерий «вес – структура наблюдения». Аналитически показано, что значения критериев ограничены, а также различаются для разных методов планирования. Выполнен численный эксперимент, который подтвердил характер изменения критериев для различных методов планирования и параметров, входящих в критерии.
Выводы. Предложенные критерии качества планирования наблюдений основаны на физических принципах наблюдения радиотехническими и оптическими средствами и позволяют численно сравнить результаты планирования наблюдений за космическими аппаратами с учетом приоритетности наблюдения, времени наблюдения и его структуры. Вычислительный эксперимент подтвердил возможность применения предложенных критериев «вес – время наблюдения» и «вес – структура наблюдения» для сравнения различных алгоритмов планирования. Предложенные критерии целесообразно использовать для оптимизации алгоритмов планирования или их численного сравнения для различных условий наблюдения за космическими аппаратами. 

1. Liu J., Yang X., Cheng H., et al. Progress of China’s Space Debris Research. Chinese J. Space Sci. 2022;42(4):824–829. https://doi.org/10.11728/cjss2022.04.yg26

2. Cowles K. Site selection criteria for the optical atmospheric visibility monitoring telescopes. The Telecommunications and Data Acquisition Report (TDA Progress Rep.). 1989;42–99:235–239.

3. Еленин Л.В., Молотов И.Е., Боровин Г.К. Эффективное планирование наблюдений космических объектов на орбитах различных типов. Препринты Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. 2018;72. 18 c. https://doi.org/10.20948/prepr-2018-72

4. Fedeler S.J., Holzinger M.J., Whitacre W. Optimality and Application of Tree Search Methods for POMDP-based Sensor Tasking. In: Proceedings of the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference (AMOS). Maui, Hawaii, USA. 2020. 24 p. URL: https://amostech.com/TechnicalPapers/2020/Poster/Fedeler.pdf

5. Schubert M., Kebschull C., Gelhaus J., et al. Evaluating sensor tasking strategies for object cataloging in GEO. Acta Astronautica. 2024;228:7–16. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.11.026

6. Dhingra N.K., DeJac C., Herz A., et al. Space domain awareness sensor scheduling with optimality certificates. In: Proceedings of the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference. 2023. 15 p. URL: https://amostech.com/TechnicalPapers/2023/SDA/Dhingra.pdf

7. Ksendzuk A., Grigorev V. Satellite Radio Monitoring Stations Observation Planning: Time Alignment Observation Algorithm. In: 2021 International Conference Engineering and Telecommunication (En&T). IEEE; 2021. P. 2–6. https://doi.org/10.1109/EnT50460.2021.9681763

8. Tian M., Ma G., Huang P., et al. Optimizing satellite ground station facilities scheduling for RSGS: a novel model and algorithm. Int. J. Digital Earth. 2023;16(1):3949–3972. https://doi.org/10.1080/17538947.2023.2259870

9. Garcia-Piquer A., Morales J.C., Ribas I., et al. Efficient scheduling of astronomical observations –Application to the CARMENES radial-velocity survey. Astronomy & Astrophysics. 2017;604:A87. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201628577

10. Johnston M.D. Scheduling tools for astronomical observations. In: Boroson T.A., Davies J.K., Robson I. (Eds.). New Observing Modes for the Next Century. Astronomical Society of the Pacific Conference Series (ASP), 1996;87:62–71. URL: https://ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/1996ASPC...87...62J/ADS_PDF

11. Григорьев В.С., Ксендзук А.В. Оптимизационные методы составления расписания наблюдений за космическими аппаратами в околоземном пространстве наземными радиотехническими измерительными средствами. Журнал радиоэлектроники. 2023;7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.7.1

12. Теоретические основы радиолокации; под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио; 1978. 607 с.

13. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь; 1981. 965 c.

14. Fürbacher A., Fruth T., Weibigke A., et al. Concept for generic agile, reactive optical link planning. CEAS Space J. 2025. 10 p. https://doi.org/10.1007/s12567-025-00592-0

15. García A. Greedy algorithms: a review and open problems. ArXiv Prepr. arXiv:2408.08935 (2024). https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.08935

16. Сигов А.С., Андрианова Е.Г., Жуков Д.О., Зыков С.В., Тарасов И.Е. Квантовая информатика: обзор основных достижений. Russian Technological Journal. 2019;7(1):5–37. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-1-5-37

17. Ксендзук А.В., Замуруев С.Н. Перспективы создания радиотехнического комплекса мониторинга космического пространства на базе космоцентра МИРЭА. В сб.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем («РАДИОИНФОКОМ-2022»): Сб. научных статей по материалам VI Международной научно-практической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2022. С. 72–75. https://www.elibrary.ru/knywzk