В ЦНИИмаше разработана новая платформа для имитационного моделирования космических систем

– Алексей Николаевич, поясните для непосвященных: что такое автоматические космические системы и комплексы (АКСК)?

– АКСК – это космические системы и комплексы, в которых используются беспилотные космические аппараты (без космонавтов на борту): спутники наблюдения, связи, космического интернета, навигации; космические аппараты, используемые в научных экспедициях к Луне, планетам Солнечной системы и другим космическим объектам, а также в космических миссиях по изучению дальнего космического пространства.

В их создании задействованы большие коллективы конструкторов, инженеров, ученых. Важный вопрос – насколько эффективны АКСК, что необходимо учитывать при их создании и, в конечном счете, каким техническим требованиям они должны удовлетворять, чтобы с достаточной степенью эффективности решались возлагаемые на них задачи. На практике сложно создать точные математические модели процессов функционирования АКСК в виду их высокой сложности. Поэтому для их исследования применяют имитационные компьютерные модели, так называемые цифровые двойники.

Особенно важно использовать эти модели сейчас, когда активно создаются и развиваются многоспутниковые космические системы различного назначения. Это требует новых подходов к построению и управлению такими системами: к каждому спутнику не «приставишь» отдельного сотрудника Центра управления полетами. Необходима предварительная отработка таких подходов с использованием соответствующих компьютерных имитационных моделей. Для решения этой задачи и была создана платформа «ИМДИС-КН».

– Расскажите, пожалуйста, о ней подробнее.

– «ИМДИС-КН» — это новое поколение программ для имитационного моделирования космических систем. По технологиям она ближе к российской платформе iWebsim и некоторым зарубежным программам, но полных ее аналогов на данный момент нет ни в России, ни за рубежом. В первую очередь, платформа ориентирована на ее применение в качестве инструмента для эффективной информационной поддержки принятия решений в сфере обоснования перспектив развития автоматических космических систем и комплексов и основных требований к ним.

– Какие принципы положены в основу создания платформы?

– Их несколько. Это реализация технологии визуального графического конструирования модели из отдельных библиотечных компонентов (блоков), комплексное использование различных современных видов (технологий) компьютерного имитационного моделирования, включая дискретно-событийное моделирование (когда функционирование системы представляется как хронологическая последовательность событий, связанных с переходом системы из одного состояния в другое), а также моделирование непрерывных процессов, основанное на методологии системной динамики (позволяет исследовать поведение сложных систем); агентное моделирование (в поле зрения – элементы системы, обладающие определенной степенью автономности и взаимодействующие между собой в интересах эффективного решения задач, возлагаемых на систему в целом) и т.д.

В «ИМДИС-КН» пользователям предоставляется возможность создания современных моделей машинного обучения различного назначения с использованием открытой библиотеки Tensorflow и применения их, в частности, в составе имитационных моделей АКСК.

Отмечу также, что пользователи могут расширять функциональные возможности «ИМДИС-КН» под свои конкретные задачи без ее перепрограммирования, не выходя из самой среды программной платформы. Программа обеспечивает возможность проведения имитационных экспериментов различных типов, использования в проектах 3D-модели Земли; возможность создания пользователями своей оригинальной аналитической компоненты конкретной модели в графическом виде.

– Моделирование каких классов автоматических космических систем и комплексов возможно в текущей версии «ИМДИС-КН»?

– Космических систем дистанционного зондирования Земли, включая системы оптико-электронного и радиолокационного наблюдения; системы ретрансляции данных и мониторинга техногенных космических объектов. В последующих версиях «ИМДИС-КН» библиотеку типовых блочных компонентов, предназначенных для моделирования АКСК, планируется существенно расширить.

Сейчас экспериментальный вариант программной платформы «ИМДИС-КН» размещен в корпоративной сети ЦНИИмаша.

– Приведите, пожалуйста, конкретные примеры использования программы.

– Имитационная модель одного из вариантов космической системы дистанционного зондирования Земли «Грифон». В этом варианте орбитальная группировка состояла из 132 космических аппаратов, размещенных на солнечно-синхронных орбитах высотой 500 км. Баллистическая структура ОГ с помощью «ИМДИС-КН» была выбрана таким образом, чтобы не было пробелов между соседними полосами захвата при съемке территории России.

В ходе моделирования решались разные задачи, в частности, проводилась оценка периодичности обновления данных по всей территории РФ. Результаты показали, что рассмотренный вариант системы потенциально способен обеспечивать ежесуточное обновление данных наблюдения практически всей территории страны.

«ИМДИС-КН» позволяет весьма оперативно создавать модели космических систем ДЗЗ, подобные модели системы «Грифон», и проводить на их основе необходимые численные исследования.

Другой пример связан с созданием имитационной модели космической системы мониторинга техногенных (искусственно созданных) космических объектов – действующих космических аппаратов, а также объектов космического мусора – совокупности всех находящиеся в околоземном космическом пространстве космических объектов искусственного происхождения, включая фрагменты или части таких объектов, которые закончили свое активное функционирование. Результаты исследований, полученные с ее помощью, показали, что многоспутниковая система мониторинга техногенных космических объектов при правильном выборе баллистической структуры орбитальной группировки и параметров бортовой целевой аппаратуры, способна эффективно решать возлагаемые на нее задачи, связанные с обеспечением безопасности космических полетов. В этой связи уместно отметить, в настоящее время в околоземном космическом пространстве находятся, как минимум, миллионы техногенных космических объектов, представляющих потенциальную опасность для действующих космических аппаратов.

Отмечу, что число различных тестовых экспериментов, проведенных в ходе разработки платформы, исчисляется многими сотнями. И работа в этом направлении продолжается.

– Алексей Николаевич, на сегодняшний день какие основные направления технологий машинного обучения в АКСК Вы можете выделить?

– Обработка спутниковых данных, в том числе больших массивов разнородной информации. Управление целевым применением космических аппаратов и их группировок, проектирование и управление жизненным циклом космических систем, комплексов и их компонентов. Решение проблем, связанных с созданием систем технического зрения и технологий управления, позволяющих роботизированной системе космического назначения в условиях существенной априорной неопределенности относительно условий их функционирования (то есть невозможностью предвидеть изменение условий, параметров, поведения объекта и т.д.) с высокой степенью автономности принимать решения по возложенным на них миссиям. Речь идет о таких системах, как напланетные роверы, уборщики космического мусора, орбитальные средства заправки и технического обслуживания КА, орбитальные средства сборки больших космических конструкций и т.д.

– Как бы Вы сформулировали главную цель создания новой платформы?

– «ИМДИС-КН» — это современный программный инструмент, который поможет ученым и инженерам изучать и развивать автоматические космические системы и комплексы различного назначения.

Справочно:

А.Н. Балухто занимается компьютерным имитационным моделированием сложных динамических систем, в том числе космических систем различного назначения, нейросетевыми системами обработки информации и машинным обучением с конца 90-х годов XX века. Он автор и соавтор нескольких монографий и книг, в числе которых – «Нейросетевые системы обработки информации и их применение в космической технике» (2000), «Искусственный интеллект в космической технике: состояние, перспективы применения» (2021), «Основы исследования эффективности космических систем дистанционного зондирования Земли» (2023), «Безопасность космических полетов. Многоспутниковые системы мониторинга техногенных космических объектов» (в соавторстве с Е.М. Твердохлебовой, 2025 г.), «Автоматический космос. Многоспутниковые системы» (в соавторстве с В.В. Хартовым, Е.М. Твердохлебовой и др., 2025 г.).

А.Н. Балухто

На обложке иллюстрация АО «ЦНИИмаш»