Актуальность работы. 12 ноября 1974 года была подписана конвенция о регистрации объектов, запускаемых в космическое пространство. Еще до соз-дания конвенции разрабатывались системы мониторинга околоземного косми-ческого пространства (ОКП), которые строились на основе средств вычисли-тельной техники, основанной на универсальных и специализированных вычис-лительных устройствах, в том числе и многопроцессорных вычислительных системах.
Среди отслеживаемых системами контроля космического пространства (СККП) объектов в настоящее время на околоземных орбитах обращаются бо-лее 13 тыс. искусственных орбитальных объектов (ИОО). Количество не отсле-живаемых ИОО оценивается в 3,5∙106. Таким образом, наибольшее количество объектов, находящихся в ОКП, — это не отслеживаемые ИОО (космический «мусор»).
Имеющиеся средства мониторинга ОКП преимущественно относятся к наземным средствам наблюдения (высокопроизводительным вычислительным системам/комплексам), входящим в состав СККП разных стран. Данные ком-плексы постоянно получают информацию об ОКП, из которой они отбирают информацию о ИОО для дальнейшей его каталогизации. Наличие средств мо-ниторинга ОКП, находящихся непосредственно на орбите или на борту сверх-высотных самолетов-разведчиков, позволило бы с меньшими затратами пози-ционировать внимание комплексов СККП только на ИОО, находящиеся в ОКП, и не сканировать всю небесную сферу. Анализ существующих технических средств показал, что целесообразна аппаратная реализация бортовых средств мониторинга, не использующих ресурсы центрального бортового процессора и позволяющих реализовывать алгоритмы параллельной обработки данных, в связи с тем, что данные средства будут работать в режиме реального времени, на их вход будут поступать однотипные данные и центральный процессор лета-тельного аппарата-наблюдателя (ЛАН) предельно загружен задачами его собст-венного функционирования.
Над проблемами создания средств обнаружения объектов в процессе мо-ниторинга работали известные отечественные и зарубежные авторы Келдыш М.В., Арнольд В.И., Журавлев Ю.И., Бонгард М.М., Гонзалес Р., Розоноэр Л. И., Загоруйко Н. Г., Фомин В.Н., Барский А.Б., Джон фон Нейман, Колинз А., Валиев К.А., Евтихиев Н.Н., Каляев А.В. и многие другие.
Между тем полученные результаты не имеют приложений в специфиче-ской области мониторинга, формирования и обработки данных для обнаруже-ния ИОО на фоне звездного неба.
Основное противоречие заключается в том, что известные методы и алго-ритмы не позволяют при заданных ограничениях времени формировать треки (орбитальные портреты), необходимые для обнаружения ИОО с предваритель-ной аннуляцией данных о естественных небесных телах. Решение задачи фор-мирования треков осложняется динамическими микроперемещениями фотока-меры, установленной на ЛАН, которые имеют явно выраженные признаки де-терминированно-хаотического поведения, что на основании тезиса А. Пуанкаре влечет за собой невозможность осуществления экстраполяции траекторий на динамическом изображении небосклона.
Основная решаемая задача данной диссертационной работы заключается в создании способа, алгоритмов и аппаратных средств формирования и обра-ботки данных для обнаружения ИОО по их трекам.
Теоретическая часть диссертационной работы включает в себя разработку способа и алгоритмов формирования и обработки данных для обнаружения ИОО, регистрируемых фотокамерами ЛАН, и структурно-функциональной ор-ганизации специализированного бортового устройства (СБУ) для их своевре-менного обнаружения. Практическая часть содержит разработку и исследова-ние аппаратных и программных средств, пригодных для практического исполь-зования в системах мониторинга ОКП.
Изложенное позволяет заключить, что тема диссертации является акту-альной и перспективной.
Работа выполнялась в рамках тематического плана 2009 года Министер-ства образования и науки РФ №1.5.09: «Создание продукционной алгоритмиче-ской системы быстрых символьных вычислений и языка программирования для реконфигурируемых многоядерных вычислительных систем», проекта 6147 ме-роприятие 2 «Архитектура инфокоммуникационной среды информационно-аналитического обеспечения научных исследований технического ВУЗа» по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потен-циала высшей школы (2009-2010 годы).
Объект исследования – вычислительные бортовые устройства.
Предмет исследования – специализированные устройства для обнару-жения движущихся объектов.
Цель работы заключается в повышении скорости обработки данных о ИОО путем разработки способа, алгоритмов и СБУ формирования и обработки треков.
Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:
1) осуществить сопоставительный анализ методов, алгоритмов и уст-ройств обнаружения ИОО;
2) создать модель формирования кадров звездного неба с учетом условий микроперемещений ЛАН и его орбитальных характеристик;
3) разработать способ, алгоритм и архитектуру (структурно-функциональную организацию) СБУ формирования и обработки данных для обнаружения ИОО;
4) осуществить экспериментальные исследования характеристик СБУ и программных средств, обеспечивающих его функционирование.
Методы исследования основываются на положениях теории алгоритмов, дискретной математики, распознавания образов и компьютерной лингвистики, методах теоретического программирования и компьютерного моделирования, а также теории проектирования элементов и устройств вычислительной техники.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтвер-ждается: согласованностью теоретических и экспериментальных результатов; корректным использованием существующих теоретических положений, а также рецензированием печатных работ, их обсуждением на научно-технических конференциях, выставках и семинарах кафедры программного обеспечения вы-числительной техники ЮЗГУ.
Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Способ формирования и обработки данных для обнаружения ИОО (свидетельство о гос. рег. программы для ЭВМ №2009615042), отличающийся тем, что используется позитивно-негативная обработка пар кадров для форми-рования треков ИОО, заключающийся в том, что при объединении текущей па-ры кадров происходит аннуляция отображений естественных объектов, что по-зволяет обнаруживать как искусственные объекты, ранее зарегистрированные в базе данных, так и вновь появившиеся объекты в процессе мониторинга.
2. Алгоритмы формирования и обработки данных для обнаружения ИОО, позволяющие осуществлять параллельную обработку данных в условиях не прогнозируемых микроперемещений оптических следов объектов на фото-матрице с целью разграничения классов естественных и искусственных косми-ческих объектов, и отличающиеся тем, что формируются треки только для ИОО.
3. Структурно-функциональная организация (архитектура) СБУ форми-рования и обработки треков ИОО (решение о выдачи патента №2010118030/08 от 21.06.2010), отличающаяся от аналога тем, что в ней используются специ-альные цифровые сигнальные процессоры, реализуются алгоритмы параллель-ной обработки координат объектов, что позволяет увеличить скорость обнару-жения ИОО.
4. Результаты экспериментальных исследований для определения скоростных характеристик разработанного СБУ формирования и обработки данных.