gototopgototop

Имитатор внешних воздействий для стенда аттестации алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации

Михно Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой математической статистики и системного анализа Тверского государственного университета. (г.Тверь)

Василенко Станислав Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий Тверского государственного университета. (г.Тверь)

Шахпаронян Артем Павлович - кандидат технических наук, доцент, ведущий специалист отдела проектов Тверского государственного университета. (г.Тверь)

Шестов Александр Михайлович - ведущий специалист отдела проектов Тверского государственного университета. (г.Тверь)

Аннотация: В статье обосновываются унифицированная структура и принципы построения стенда для аттестации алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации. Дается описание блока имитации входных внешних воздействий для аттестуемых алгоритмов, приводятся  характеристики программного обеспечения данного блока.

Ключевые слова: радиолокационные системы, методы аттестации алгоритмов, морфологический анализ, фрактальность, имитационное моделирование

Введение

Превалирующий вклад в эффективность выполнения функций, возлагаемых на радиолокационные системы, вносят алгоритмы цифровой обработки радиолокационной информации. Поэтому развитие математического и программного инструментария аттестации (оценки характеристик качества) последних, соответствующего современному уровню развития радиолокационных систем, является актуальной научно-технической задачей.  Используемые в настоящее время  методы аттестации алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации [1, 2] можно условно разбить на три группы: аналитические (расчетные), натурных испытаний, опытно-теоретические. Методы первой группы основаны, как правило, на жестких допущениях относительно свойств исходных данных аттестуемых алгоритмов, что позволяет  получить важные, но  далеко не всегда адекватные реальности оценки характеристик алгоритмов. Методы натурных испытаний основаны на анализе результатов работы алгоритмов в условиях реального функционирования конкретной  радиолокационной системы, составной компонентой которой должен быть аттестуемый алгоритм. Данные методы обеспечивают реализацию реальных условий функционирования  алгоритмов для их аттестации.  Однако ограничения на допустимые издержки и большие сложности организационного характера позволяют провести аттестацию методами  натурных испытаний только в очень ограниченном диапазоне возможных условий функционирования радиолокационных систем, что явно недостаточно.

В силу отмеченных обстоятельств основным подходом к аттестации алгоритмов обработки радиолокационной информации в настоящее время является использование опытно-теоретических методов. Данные методы основаны на использовании ограниченных натурных испытаний и математического (цифрового) моделирования. Реализация опытно-теоретических методов осуществляется путем создания  специализированных стендов. Анализ предложенных к настоящему времени стендов указанного типа показывает, что большинство из них ориентированы на интегральную оценку эффективности соответствующих информационных систем сбора и обработки информации в  целом, либо их составных частей, либо отдельных образцов радиолокационных систем [3-5].  К оценке же отдельных алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации (РЛИ) существующие стенды  приспособлены в недостаточной степени. В частности, они не соответствуют требованиям оперативной смены алгоритмов цифровой обработки РЛИ, имеют ряд ограничений по протоколам обмена данными, не имеют развитой системы оценки качества работы алгоритмов, не позволяют совмещать натурное и полунатурное моделирование.  Изложенные обстоятельства обуславливают актуальность развития специализированных стендов, предназначенных для поддержки процессов разработки, отладки и оценки характеристик алгоритмов цифровой обработки РЛИ.

В статье проводится обоснование структуры и принципов построения стенда и его компонент, обеспечивающих устранение перечисленных недостатков. Дается подробное описание структуры и принципов построения основной компоненты стенда: модуля имитации внешних воздействий для аттестуемых алгоритмов. Приводятся характеристики программного обеспечения стенда.

1. Обоснование структуры стенда и его компонент.

Обоснование структуры стенда аттестации алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации проведено с использованием методов морфологического анализа [6]. Данные методы включают следующие основные этапы, соответствующие рассматриваемой цели:
- определение полного перечня функций, возлагаемых на разрабатываемый стенд;
- определение способов реализации каждой функции стенда и построение на этой основе возможных морфологических вариантов, каждый из которых – это вариант построения стенда, содержащий ровно по одному способу реализации каждой его функции;
- задание множества «базовых вариантов» стенда и формирование вариантов с требуемыми структурными свойствами. В качестве последних выбирались медианы множества базовых морфологических вариантов. Здесь под медианой понимается вариант, суммарное (в метризованном морфологическом пространстве) расстояние от которого до множества базовых вариантов минимально (см. [6]).

Обоснование структуры составных компонент стенда проводилось с учетом требований фрактальности (здесь структурного самоподобия) [7] стенда и его компонент, что обусловило реализацию при построении компонент тех же этапов, что и для всего стенда.

В качестве базового варианта стенда была выбрана  модель системы сбора и обработки радиолокационной информации о воздушной обстановке [Кузьмин]. Выделение медиан такого одноэлементного базового множества проводилось при запрете выбора морфологических вариантов, содержащих аппаратную реализацию каких-либо функций стенда. В результате решения задачи определения вариантов стенда, с требуемыми структурными свойствами, выбран стенд, схема которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стенда аттестации алгоритмов.

Стенд содержит инвариантную (постоянную) составляющую, включающую в себя блок имитации внешних воздействий, блок регистрации информации и блок оценок, а также вариативную (переменную) составляющую, включающую модули алгоритмов цифровой обработки радиолокационной информации, представляемых для аттестации.

Реализация этапов морфологического анализа для блока имитации внешних воздействий приводит к структуре данной компоненты стенда, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2. Блок имитации внешних воздействий.

2. Описание блока имитации внешних воздействий

Блок имитации внешних воздействий разработанного стенда обеспечивает выполнение следующих основных функций:
- создание и сохранение сценариев воздушной обстановки в специальном редакторе;
- имитацию движения воздушных объектов (ВО) в соответствии с выбранным - - сценарием воздушной обстановки (протяжка ВО);
- пересчет местоположения каждого ВО из географической системы координат в местную топоцентрическую систему координат каждого источника РЛИ;
- имитацию ошибок оценок координат местоположения ВО;
- имитацию работы процессов обнаружения ВО разнесенными разнотипными источниками РЛИ с учетом конфигурации зон их обнаружения;
- упаковку радиолокационной информации в кодограммы обмена данными;
- имитацию ошибок в каналах обмена информации;
- выдачу потока радиолокационной информации на тестируемые алгоритмы в соответствии с протоколами функционального взаимодействия имитируемых средств;
- считывание и выдачу на тестируемые алгоритмы ранее записанной в натурных экспериментах реальной радиолокационной информации.

Создание сценария воздушной обстановки выполняется путем задания последовательности опорных точек маршрутов движения всех ВО сценария. Координаты опорных точек задаются в географической системе координат. В ходе протяжки выбранного сценария воздушной обстановки осуществляется динамический расчет местоположения каждого ВО в фиксированные кванты времени. Мгновенные положения каждого ВО пересчитываются в местную полярную систему координат каждого источника РЛИ и далее имитируется процесс обнаружения отраженного сигнала от ВО и оценки координат и параметров  его движения. Глубина имитации выбирается оператором стенда. В простейшем случае обнаружение ВО осуществляется с учетом дальности прямой видимости и инструментальных ограничений по дальности, азимуту и углу места. В качестве оценки координат ВО берется эталонное значение, зашумленное нормально распределенной случайной величиной с параметрами, определяемыми тактико-техническими характеристиками (ТТХ) радиолокационных станций (РЛС). При более детальном моделировании учитываются ТТХ антенных систем, передатчиков и приемников РЛС, систем защиты от помех. В этом случае обнаружение и оценка координат  объекта, порождающего принимаемый сигнал, базируется на расчете отношения сигнал/(помеха + шум) и прямого моделирования алгоритмов первичной обработки РЛИ. Полученные оценки координат и параметров движения в совокупности с другой признаковой информацией упаковываются в кодограммы обмена и подаются на вход аттестуемых алгоритмов обработки. Погрешности передачи данных подыгрываются искажением отдельных битов в кодограммах и периодическим случайным разрывом в передаче данных. Параметры генераторов случайных чисел подбираются в соответствии со статистическими характеристиками реальных каналов связи

Кроме того в блоке имитации внешних воздействий реализована возможность использования предварительно зарегистрированных данных от реальных источников радиолокационной информации для генерации потока РЛ отметок.

В соответствии с задачами блока имитации внешних воздействий его основными компонентами являются (см. рисунок 1):
- ядро блока;
- база данных сценариев воздушной обстановки;
- база данных о дислокации источников информации;
- база данных зарегистрированной информации;
- модуль протяжки выбранного сценария воздушной обстановки;
- модуль имитации работы ИРЛИ;
- модуль воспроизведения зарегистрированной информации;
- модуль отображения информации;
- модуль выдачи информации.

Ядро блока осуществляет управление работой входящих в него модулей и диспетчеризацию всех процессов.

База данных сценариев воздушной обстановки предназначена для хранения информации о параметрах и траекториях движения всех ВО.

База данных о дислокации источников информации предназначена для хранения информации о расположении на местности и типах моделируемых источников РЛИ (о группировке  источников РЛИ).

База данных зарегистрированной информации предназначена для хранения записанных в натурных экспериментах выходных данных реальных  источников РЛИ.

Модуль протяжки выбранного сценария воздушной обстановки предназначен для выбора из базы данных нужного сценария, загрузки его в блок имитации внешних воздействий и протяжки во времени и пространстве каждого ВО выбранного сценария.

Модуль имитации работы источников РЛИ предназначен для выбора из базы данных нужной группировки источников, загрузки ее в блок имитации внешних воздействий и имитации процессов обнаружения ВО всеми источниками РЛИ, синхронно с протяжкой сценария воздушной обстановки. При этом погрешности работы источников РЛИ подыгрываются путем зашумления выдаваемой информации, имитирующего ошибки измерения координат и сбои в канале передачи данных.

Модуль воспроизведения зарегистрированной информации предназначен для считывания и повторного воспроизведения записанной ранее информации. Реализуемые алгоритмы позволяют осуществлять чтение зарегистрированной в ходе натурных экспериментов информации и ее воспроизведение, синхронно со временем регистрации, что позволяет имитировать пропуски, нарушения периодов обмена и другие сбои во входном потоке информации.

Модуль отображения информации предназначен для визуализации на модели индикатора выходных данных блока имитатора внешних воздействий.

Модуль выдачи информации реализует упаковку в кодограммы и выдачу в соответствии с протоколами функционального взаимодействия радиолокационной информации. Одновременно информация выдается на регистрацию и визуализацию.

Ограничивающими факторами блока имитации внешних воздействий являются:
- количество и тип имитируемых источников информации, в том числе подключаемых одновременно;
- максимальное число сопровождаемых воздушных объектов, предельные значения (минимальная и максимальная) скорости сопровождения воздушных объектов.

Кроме того, при разработке блока имитации  внешних воздействий были учтены:
- ограничения со стороны общего программного обеспечения (операционной системы, применяемых средств разработки и отладки программного обеспечения, систем управления базами данных, реализуемыми методами обмена информацией);
- ограничения вычислительных ресурсов (производительность, объемы оперативной памяти, объемы памяти на жестких магнитных дисках, отказоустойчивость, объемы памяти видео, возможностями работы с несколькими мониторами);
- необходимость реализации режимов работы в реальном времени;
- требования к наличию стандартных интерфейсов (Ethernet).

В качестве основы для разработки программного обеспечения блока имитации (и всего стенда в целом) использована единая аппаратно-программная платформа на базе библиотеки Qt, позволяющей создавать платформонезависимые приложения, функционирующие в различных операционных системах (Linux, Windows).

В настоящее время блок имитации внешних воздействий включает в себя свыше 50 модулей, 6 форм, исполняемый модуль объемом  400 Кб, 3 заполненные базы данных.

Заключение.

Экспериментальная апробация рассмотренного в статье стенда проводилась путем его непосредственного использования для оценки характеристик алгоритмов вторичной и третичной цифровой обработки радиолокационной информации. Результаты апробации стенда подтверждают возможности выполнения возлагаемых на него функций. Получение количественных оценок экономической эффективности использования стенда, и достоверности результатов аттестации алгоритмов требует дополнительных экспериментальных исследований.

Список литературы:

1. Испытания РЛС (оценка характеристик) / А. И. Леонов, С. А. Леонов, Ф. В. Нагулинко и др.: Под ред. А. И. Леонова.—М.: Радио и связь, 1990.-208 с.
2. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд. — СПб.: Питер; Киев:Издательская группа BHV, 2004.-847 с.
3. Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. – Киев: Издательство КИИЦ, 2000.-428 с.
4. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп./ Под ред. Я.Д. Ширмана. – М.:Радиотехника, 2007.-512 с.
5. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. – М.: Сов. радио, 1974. – 432 с.
6. Эйрес Р. Научно-техническое прогнозирование и долгосрочное планирование. – М.: Мир, 1971. – 296 с.
7. Новейшие методы обработки изображений. //Под. ред. А.А. Потапова. – М.: Физматлит, 2008. – 496 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его печать и доставку, составляет 350 рублей для России и 420 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость свидетельства о публикации составляет 120 рублей

Реквизиты для оплаты через банк