Рис.1 Внешнетраекторное измерение (анимация: объем — 19,4 КБ; размер — 400x180; количество кадров — 7; задержка между кадрами — 0,5 с; выполнено в Photoshop 6.0)
Факультет радиотехники и специальной подготовки
Специальность: Защита информации с ограниченным доступом и автоматизация ее обработки
Актуальность. Настоящая работа посвящена исследованию методов и алгоритмов обработки данных несинхронизированных данных измерений в защищенных автоматизированных измерительно-информационных комплексах.
История развития. С развитием летательных и космических аппаратов актуальным становится вопрос повышения точности измерений и обработки траекторной информации.
При разработки летательных аппаратов из-за невозможности получения необходимого теоретического описания до 40% возникающих проблем решаются при помощи испытаний. Высокие требования к точности и достоверности обусловлены тем, что по результатам траекторных измерений вырабатываются ответственные решения о качестве и пригодности летательных аппаратов.
Измерения, предназначенные для определения параметров траекторий летательного аппарата (координат, вектора скорости, углового положения в пространстве), называются внешнетраекторными. Для таких измерений используются радиотехнические (радиолокаторы) и оптические (кинотеодолиты) средства контроля траекторий.
Первый авиационный полигон на территории Украины возник после проведения в США испытаний ядерного устройства 16 июля 1945 года. Местом расположения полигона (ему присвоили номер 71) выбрали район поселка Багерова Ленинского района АР Крым (Керченский полуостров, 18 км от г. Керчи). Начальником полигона был назначен генерал-майор авиации, Герой Советского Союза Комаров Георгий Осипович.
Целью создания полигона была совместная с авиационным КБ подготовка испытаний и обработка самолетов разных систем, поступающих на вооружение советских ВВС.
Первоочередной задачей полигона было создание инфраструктуры для обеспечения его функционирования. К ее элементам относились такие объекты, как взлетно-посадочная полоса, стоянки для самолетов, пункт управления полетами, цели для бомбометания, а также пункты внешнетраекторных измерений.
Для обеспечения высокой надежности измерений при наблюдении траектории каждого летательного аппарата участвовали одновременно все радиолокационные и кинотеодолитные станции, расположенные на 4-х измерительных пунктах. В результате много кратного дублирования измерений различными измерительными средствами возникает пространственная избыточность траекторной информации. Вместе все средства обеспечивали измерение 28 первичных координат, из которых в обработку господствующими в то время простыми методами принимались 3-4 первичных координаты. В связи с этим Огороднийчук Николай Дмитриевич задался целью разработать метод, который позволил бы осуществлять совместную обработку всех полученных в результате испытаний данных с целью повышения точности конечных результатов.
В 1959-63 гг. Был разработан обобщенный метод контроля траекторий, позволивший обрабатывать как минимум данных измерений (три координаты), так и всю совокупность пространственно-избыточной траекторной информации. Данный метод лег в основу кандидатской диссертации Н. Д. Огороднийчука.
Таким образом, созданный метод учета пространственной избыточности данных измерений, позволял использовать информацию от всех измерительных пунктов. Но временная избыточность, возникающая при высоком темпе съема информации, оставалась неучтенной. Поэтому дальнейшей задачей Н. Д. Огороднийчук поставил создание метода совместной реализации пространственной и временной избыточности.
Трудности решения задачи состояли в том, что приходилось работать с траекториями произвольной (случайной) формы, для которых необходимо решать задачу адаптации структуры и параметров алгоритма к изменяющейся форме траектории.
В результате, в 1974 году в Киевском высшем военном авиационном инженерном училище Н. Д. Огороднийчук защитил докторскую диссертацию на тему «Обобщенные методы и адаптивные алгоритмы обработки траекторной информации». В ней были разработаны два варианта методов алгоритмов:
- метод и алгоритмы раздельной реализации пространственной и временной избыточности данных измерений;
- метод и алгоритм их совместной реализации.
Первый вариант предназначался для немедленного использования в практике контроля траекторий и был внедрен на всех испытательных полигонах ВВС СССР. Второй вариант рассчитывался на перспективу, поскольку в то время еще не было вычислительной техники, подходящей для его реализации.
В дальнейшем развитие методов обработки внешнетраекторной информации огромный вклад внесли адъюнкты и соискатели Н. Д. Огороднийчука:
П. И. Кушнарев, В. М. Лавраков, В. Г. Глушков, В. В. Паслен, Ю. Н. Парасич. В частности, были разработаны методы оперативного контроля и самоконтроля точности траекторных измерительных средств, детально исследована эффективность адаптивных алгоритмов сглаживания, исследованы алгоритмы обработки сбоев и учет автокорреляции ошибок измерений на точность обработки траекторный информации. Было получено 3 авторских свидетельства на устройства адаптивного оптимального сглаживания данных.
Позже с развитием вычислительной техники, была решена задача оптимизации системы лямбда-ортогональных базисных функций и исследованы возможности алгоритма совместного адаптивного нелинейного оптимального сглаживания параметров положения и движения, обладающих пространственно-временной избыточностью.
В 1972 г. 71-й полигон прекратил свое существование как самостоятельная организация.
Начиная с 1998 года в Донецком национальном техническом университете (ДонНТУ) под руководством кандидата технических наук, доцента В. В. Паслена ведутся работы по совершенствованию и реализации на современных ПЭВМ алгоритмов реализации пространственной и временной избыточности, а также алгоритмов поиска и исключения грубых ошибок измерений. Первыми студентами Дон НТУ, начавшими заниматься проблемами обработки траекторной информации, были В. Ю. Мастепан и А. В. Васильченко.
В 2004 году в нашем университете под руководством В. В. Паслена и В. В. Турупалова создан молодежный творческий коллектив. В состав коллектива вошли студенты К. И. Мотылев, Е. В. Гончаров, О. В. Луханина, М. В. Михайлов, А. С. Бондарь, Д. В. Фесенко.
К. И. Мотылев совместно с М. В. Михайловым занимался реализацией на современных ПЭВМ обобщенного метода обработки данных траекторных измерений, обладающих пространственной избыточностью. В результате исследований получены численные значения выигрыша в точности при использовании метода в зависимости от степени избыточности данных измерений и их типа (радиолокационные или кинотеодолитные). Результаты работ регулярно докладывались на международных конференциях, а также были отмечены дипломами на конкурсах проектов «Украинский молодежный спутник». В 2007 году получен патент на полезную модель электронного устройства, реализующего обобщенный метод обработки траекторной информации.
Е. В. Гончаров исследовал алгоритм адаптивного нелинейного оптимального сглаживания, реализующий временную избыточность.
О. В. Луханина совместно с М. В. Михайловым внесла вклад в развитие методов исключения грубых ошибок измерений (сбоев) и исследовала различные способы их исключения.
М. В. Михайлов и К. И. Мотылев обобщили проведенные исследования, в результате чего был реализован алгоритм последовательной обработки данных измерений. Работа отмечена дипломом в 2007 году на конкурсе проектов УМС-4.
А. С. Бондарь исследовал быстродействие алгоритмов построения ортогональных базисных функций в адаптивных линейных алгоритмах сглаживания траекторных измерений.
Д. В. Фесенко занималась проблемой устранения сбоев с помощью взвешенных приближений в адаптивных алгоритмах сглаживания.
В настоящее время ведутся работы втрех направлениях: получение и реализация пространственной избыточности данных внешнетраекторных измерений при однопунктной системе наблюдения, оптимизация расположения измерительных средств и алгоритмы нелинейного сглаживания. В первом направлении, которое является особенно актуальным для Украины (в Украине используется именно однопунктная система), уже получены некоторые результаты: разработан метод, позволяющий выписать точность определения координат объекта.
Таким образом, Багеровский полигон ВВС, прекративший свое существование еще в 1972 году, дал толчок к совершенствованию и дальнейшему развитию методов обработки данных траекторных измерений, которые на данном этапе развития техники можно использовать при испытании летательных и космических аппаратов.
Целью работы является разработка и исследование методов и алгоритмов обработки несинхронизированных данных измерений в защищенных автоматизированных измерительно-информационных комплексах.
Задачи исследования. В процессе достижения цели работы будут решаться следующие задачи:
- обзор методов обработки информации;
- моделирования несинхронизированных данных разных типов;
- разработка методов и алгоритмов обработки несинхронизированных данных;
- анализ результатов моделирования;
- стойкость алгоритма и апробация алгоритма;
Методы исследования. В работе применяется аппарат теории случайных процессов и их фильтрации, математического анализа и линейной алгебры, теории моделирования, методов вычислительной математики.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается результатами математического моделирования и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты непосредственно ориентированы на решение прикладных проблем, связанных с предварительной обработкой данных и направлены на повышение точности и достоверности результатов обработки внешнетраекторных измерений.
Внешнетраекторные измерения предназначаются для определения параметров траекторий летательного аппарата — координат, вектора скорости, углового положения в пространстве и др. Для внешнетраекторных измерений используются радиотехнические (радиолокаторы, фазовые пеленгаторы, радиодальномеры) и оптические (кинотеодолиты, кинотелескопы, лазерные дальномеры) средства. Оптические средства внешнетраекторных измерений обладают высокой точностью, но применение их ограничено метеоусловиями, радиотехнические средства, уступая оптическим в точности, независимы от метеоусловий, имеют множество модификаций и широко используются.
Современные средства внешнетраекторных измерений характеризуются многопараметричностыо (измеряются не только координаты, но и составляющие вектора скорости, разности координат и др.), многоканальностью (обеспечиваются одним средством измерения параметров одновременно несколько летательных аппаратов), большой дальностью действия, высокими точностью, надёжностью, а также степенью автоматизации, позволяющей обрабатывать данные на ЭВМ и получать параметры траектории летательного аппарата в реальном масштабе времени. Размещение средств внешнетраекторных измерений не на земле, а на специальном самолёте — самолётном командном пункте — обеспечивает существенное расширение зоны их действия, проведение лётных испытаний летательного аппарата с измерением траектории в любых регионах страны (без создания наземной измерительной трассы). Однако это существенно ухудшает синхронизацию данных внешнетраекторных измерений и определение местоположение самолетного командного пункта в пространстве.
Используя косвенные измерительные средства можно определить первичные параметры — составляющие векторов положения и скорости летательного аппарата (углы визирования, дальность, направляющие косинусы углов визирования, производные этих величин) — и по ним в зависимости от метода измерения траектории рассчитываются параметры траектории летательного аппарата. Метод измерения (пеленгационный, дальномерно-угломерный, дальномерный, разностно-дальномерный) выбирается в зависимости от требуемой точности получения параметров траектории и зоны испытаний. Пеленгационный метод внешнетраекторных измерений основан на измерении направления линии визирования летательного аппарат двумя средствами, удалёнными друг от друга на расстояние, называемое базой; реализуется кинотеодолитами или фазовыми пеленгаторами. Дальномерно-угломерный метод состоит в определении с одного измерительного пункта составляющих вектора положения летательного аппарата в полярной системе координат; реализуется радиолокатором или дальномером и элекронно-оптическими средствами измерения углового положения. Дальномерный метод (или его модификация — разностно-дальномерный метод) реализуется тремя или более дальномерами, удалёнными друг от друга.
Если в состав первичных параметров не входят их производные, то скорость летательного аппарата рассчитывается путём дифференцирования координат.
Облучению подвергнутся также все остальные цели и, в частности, те из них, которые расположены на том же расстоянии от радиолокационной станции (назовем эти цели, например, 2 и 3), что и исследуемая цель 1.
Естественно, что радиоволны, отраженные от целей 1, 2 и 3, одновременно достигнут точки 0, где расположена радиолокационная станция. В этом случае сигнал в точке 0 найдется простым сложением трех сигналов. Это значит, что и суммарный сигнал будет также иметь тот же вид, что и представление, независимо от того, присутствует или отсутствует обнаруживаемая цель.
Это значит, что независимо от ситуации наличия или отсутствия цели в общем случае на входе радиолокационного приемника всегда присутствует сигнал одного и того же вида — квазигармоническое колебание.
Перейдем теперь к рассмотрению процессов, имеющих место после прохождения принятым сигналом антенных трактов и поступлением его на вход радиоприемного устройства РЛС.
Поскольку в радиолокации приходится иметь дело с очень малыми сигналами, интенсивность которых соизмерима с интенсивностью собственных шумов самого радиоприемного устройства РЛС (часто полезный сигнал даже много меньше шумового сигнала), необходимо учитывать, что на вход радиолокационного приемника постоянно воздействует шумовой сигнал, который, как это следует из общей теории, также имеет вид квазигармонического колебания. При этом его амплитуда и фаза являются случайными функциями времени.
Таким образом, во всех случаях, связанных с наличием или отсутствием цели, и даже в случаях наблюдения свободного пространства, на вход радиоприемного устройства РЛС всегда воздействует некоторое квазигармоническое колебание со случайными амплитудой и фазой.
Представим сигнал, воздействующий на вход РЛС, в виде двух слагаемых, первое из которых относится к обнаруживаемому сигналу, а второе ко всем остальным, в том числе и шумовому сигналу.
Из сказанного ясно, что строго решить поставленную задачу принципиально невозможно, тем более по результатам какого-либо разового измерения в какой-то фиксированный момент времени.
Прежде всего отметим, что безошибочно ответить на вопрос, есть или нет в разрешаемом элементе обнаруживаемая цель, принципиально невозможно. Этот ответ может носить только характер предположения, количественными оценками которого могут выступать какие-то вероятности достоверности этого предположения. Следовательно, адекватным математическим аппаратом для задач обнаружения, да и большинства радиолокационных задач, могут выступать методы математической статистики и теории вероятностей.
Второй вывод, вытекающий из рассмотрения, состоит в том, что достоверность заключения о значении параметра n можно увеличить, увеличивая время наблюдения, то есть увеличивая отрезок функции Uin(t), подвергающийся анализу.
Наконец еще один вывод, который можно сделать, анализируя с общих позиций уравнение (2), состоит в том, что различие в виде функций Uin(t) при наличии или отсутствии цели заключается в различии статистических законов, которым подчиняются случайные функции Uin(t).
Попытаемся выяснить, какие принципы необходимо заложить в процесс обработки принятого сигнала, чтобы совершаемые при этом ошибки в ответе на вопрос о наличии или отсутствии цели были каким-то образом минимизированы, а для этого попытаемся разобраться в тех типах ошибок, которые неизбежно возникают в процессе принятия решения о наличии или отсутствии цели.
Чтобы разобраться в возникающих типах ошибок, рассмотрим простую ситуацию, когда фоновые отражения отсутствуют или ими просто можно пренебречь.
Пусть радиоприемное устройство РЛС производит какую-то обработку принятого сигнала. В этом случае на выходе этого приемника сформируется сигнал, являющийся некоторой функцией от аддитивной смеси принятого сигнала и собственного шума приемного устройства. Это дает возможность выходное напряжение представить в следующем виде: Uout(t)=f(Un(t)+nUs(t))
В этой формуле Un(t) — собственный шум радиоприемного устройства, всегда присутствующий в смеси и всегда воздействующий на вход этого устройства; Us(t) — сигнал, вызванный отражением от обнаруживаемой цели, который присутствует в названной смеси только при наличии цели (n = 1) в наблюдаемом элементе разрешения.
Какова бы ни была функция f(z), во всех случаях решение о наличии или отсутствии цели будет приниматься в какой-то фиксированный момент време-ни t = t1, то есть в результате некоторого разового измерения. Дать же строгий ответ на вопрос, чему равен коэффициент n, принципиальной возможности нет. Как же быть в этом случае? Каково должно быть решающее правило? Как ни странно, ответ на второй вопрос независимо от способа обработки принимаемого сигнала (вида функции f(z)) достаточно прост и очевиден. Единственным возможным решающим правилом может выступать только пороговое правило. Оно сводится к тому, что если входное напряжение Uin(t) больше некоторого значения (порогового значения) U0, то следует считать, что цель есть; если же имеет место обратная ситуация, то следует признать, что цели нет.
Разобранная ситуация позволяет увидеть, что процедура принятия решения при пороговом правиле, то есть процесс обнаружения, сопровождается ошибками двух типов. Рассмотрим эти ошибки.
При радиолокационном наблюдении возможны две ситуации: первая — в элементе разрешения находится цель (ситуация А), вторая — в элементе разрешения цели нет (ситуация В). В обоих случаях наблюдатель может принять одно из двух решений: либо цель есть (решение 1), либо ее нет (решение 2). Таким образом, возможны четыре варианта, которые условно можно обозначить так: A1, А2, В1, В2. При этом два решения — А1 и В2 — являются истинными, а два других — А2 и В1 — ложными.
Итак, мы имеем дело с двумя типами ошибочных решений: 1) Ложная тревога, когда при отсутствии в элементе разрешения цели принимается решение о ее наличии (вариант В1; соответствующая вероятность называется вероятностью ложной тревоги, она обычно обозначается буквой F). 2) Пропуск цели, когда при наличии цели принимается решение о ее отсутствии (вариант A2; соответствующая вероятность называется вероятностью пропуска цели, она обычно обозначается разностью 1-D).
Два других решения являются истинными. 1) Правильное обнаружение, когда при наличии цели принимается решение о ее наличии (вариант A1; соответствующая вероятность называется вероятностью правильного обнаружения, она обычно обозначается буквой D ). 2) Правильное необнаружение, когда при отсутствии цели принимается решение об ее отсутствии (вариант В2; соответствующая вероятность называется вероятностью правильного необнаружения, она обычно обозначается разностью 1-F).
Какие бы задачи и цели ни стояли перед РЛС, во всех случаях желательно как можно реже принимать ошибочные решения. Однако при пороговом решающем правиле в распоряжении наблюдателя есть только одна возможность "воздействия" на ситуацию: изменять величину порога U0. Рассмотрим, как величина U0 влияет на вероятности ложных решений, перечисленных выше.
Рост порогового значения U0 естественно приводит к уменьшению вероятности ложной тревоги, но влечет за собой рост вероятности пропуска цели. Наоборот, уменьшение порогового значения U0 приводит к уменьшению вероятности пропуска цели, но влечет за собой рост вероятности ложной тревоги.
Следующей важной проблемой, стоящей перед радиолокацией, является обеспечение точности измерения основных параметров и характеристик отра-женных радиосигналов, позволяющих определять пространственные координаты и скорость радиолокационной цели, а также расстояние до этой цели.
Обнаружение радиолокационных целей, как уже говорилось, зависит исключительно от энергии отраженного сигнала и не зависит от его вида и формы. Точность же измерения параметров и характеристик принимаемых сигналов зависит не только от их энергии, но и от формы зондирующего сигнала. Из общей теории следует, что для того чтобы обеспечить высокоточное определение дальности и скорости радиолокационной цели, излучаемый сигнал должен иметь как можно большую длительность во времени и иметь как можно более широкий спектр. Последнее означает требование сложности формы сигнала, его как бы наибольшее отличие от самого простого радиолокационного сигнала, каковым является обычная синусоида. Таким требованиям удовлетворяют так называемые сложные сигналы, к которым относятся линейно-частотно-модулированные сигналы, сигналы с фазовой манипуляцией, шумоподобные сигналы и ряд других. Формированию и применению таких сигналов посвящены специальные разделы радиолокации. Невозможность изложения всех проблем радиолокации в одной статье не позволяет более подробно остановиться на этом вопросе. Следует обратить внимание на парадоксальный вывод, что наилучшим по критерию точности одновременного измерения дальности до цели и ее скорости является идеальный шумовой сигнал.
Увеличение длительности обычного (гладкого) импульса позволяет увеличить дальность действия и однозначность измерения скорости (а также точность измерения угловых координат), но снижает разрешающую способность и точность измерения дальности. Радикальный способ разрешения этого противоречия — переход к сложным сигналам.
Для повышения точности измерения дальности путем использования сложных сигналов применяют импульсы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазоманипулированные импульсы. В результате применения импульсов с ЛЧМ улучшается разрешающая способность и точность измерения дальности; разрешающая же способность и точность измерения скорости при этом не ухудшаются.
При нелинейном отражении от объектов искусственного происхождения спектр сигнала переносится в область второй, третьей, четвертой гармоник. Естественно, что ширина спектра отраженного сигнала, используемого в нелинейной радиолокации, будет больше, чем у зондирующего сигнала на его основной частоте. Очевидно, что при увеличении спектра, увеличивается база сигнала, а следовательно и коэффициент сжатия радиоимпульса с ЛЧМ. Это в свою очередь дает дополнительное улучшение разрешающей способности и точности измерения дальности без ухудшения разрешающей способности и точности по скорости.
В ходе работы было выяснено, что ширина спектра отраженного сигнала в n раз больше, чем ширина спектра зондирующего сигнала (n — номер гармоники); однако, наименьшая СКО оценки дальности достигается при обнаружении объектов на третьей гармонике облучающей волны.
В нелинейной радиолокации отношение сигнал/шум на гармониках, как правило, чрезвычайно мало. Вместе с тем известно, что при прохождении шумоподобного сигнала через нелинейный элемент меняется форма закона распределения огибающей исходного шума. Это свойство можно положить в основу нового способа обнаружения объектов с нелинейными электрическими характеристиками, заключающегося в сравнении степени различия реализаций шума зондирующего сигнала и сигнала отклика.
Преимуществом рассматриваемого способа обнаружения нелинейного объекта является прием на основной частоте зондирующего сигнала. Последнее обстоятельство позволяет значительно упростить процедуру оптимальной обработки сигнала в приемной части обнаружителя и избежать существенного снижения соотношения сигнал/шум.