Аналитическая модель контроля технического состояния радиосредств радиолинии в процессе функционирования с предварительной оценкой сигнальной и помеховой обстановки в канале связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317

Аналитическая модель контроля технического состояния радиосредств

радиолинии в процессе функционирования с предварительной оценкой сигнальной и помеховой обстановки в канале связи

Голюнов М.В.

Аннотация: в статье представлена модель контроля технического состояния радиосредств радиолинии в процессе функционирования. Применение представленной модели позволит выявлять постепенные скрытые отказы, возникающие в процессе эксплуатации радиосредств из-за отклонений (дрейфа) параметров за пределы допусков. Для выявления этого типа отказов, устранения разрегулировок в настоящее время проводятся годовые технические обслуживания (планово-предупредительная система технического обслуживания) с привлечением инженерно-технического состава и средств измерений. Как показывает практика, проведение технического обслуживания инженерно-техническим составом с низкой квалификацией зачастую приводит к неработоспособности радиосредств с одной стороны, а также существованию продолжительных периодов, скрытых от служб эксплуатации, с причинами заниженных технологических показателей средств связи, носящих многодневный и даже многомесячный характер, с другой. В этом случае для перехода от планово-предупредительной стратегии технического обслуживания средств и систем связи к техническому обслуживанию по фактическому техническому состоянию необходима разработка надежных автоматизированных средств контроля технического состояния, работающих как в непрерывном, так и дискретном режимах. Цель работы заключается в достоверной идентификации технического состояния радиосредств в процессе функционирования радиолинии. Новизна работы состоит в системном подходе к определению технического состояния радиосредств в процессе их функционирования, учитывающего «техническое состояние окружения», который выражается в оценке качества сформированного сигнала радиопередающим устройством в окружении приемных радиоцентров и учете совместного влияния передающей и приемной сторон на основной целевой показатель -вероятность связи с требуемой достоверностью (вероятность ошибки) в формируемых радиолиниях. Результат: получена аналитическая модель относительной идентификации технического состояния функционирующего радиоприемного устройства, а также выявлены условия для обеспечения требуемой достоверности определения его технического состояния. Практическая значимость заключается в возможности использования полученной аналитической модели для мониторинга технического состояния функционирующих радиосредств, что позволит своевременно выявлять наступление постепенных скрытых отказов.

Ключевые слова: контроль технического состояния, техническое обслуживание, отказ, радиолиния, радиосредства, вероятность ошибки.

Введение

Обмен данными между пунктами управления (ПУ) и удаленными объектами обеспечивается, как правило, по спутниковым и декаметровым (ДКМ) каналам связи. Вместе с тем, несмотря на постоянный рост трафика спутниковой связи, ДКМ связь, в силу ряда причин, остается достаточно востребованной в различных гражданских и военных ведомствах, особенно для взаимодействия с глобально перемещающимися объектами (ГПО) морского базирования, в том числе с надводными кораблями (НК), подводными лодками (ПЛ), морскими робототехническими комплексами (МРТК), а также и в других видах и родах ВС РФ [1].

Эффективным методом обеспечения требуемых вероятностно-временных характеристик (ВВХ) по доведению информации до ГПО в сложных условиях и

устойчивому приему информации от них в случае применения ДКМ каналов связи является территориально-разнесенный прием с использованием нескольких центров связи (ЦС) и совместной обработки копий сообщений в ПУ. С этой целью в настоящее время ведутся работы по развертыванию межведомственной автоматизированной сети радиосвязи (АСРС) на базе территориально-разнесенных ЦС в интересах всех видов и родов ВС РФ [1].

При использовании декаметрового диапазона волн на пути реализации сетевых структур возникает одна из ключевых проблем - это анизотропия радиоканалов как по направлению передачи, так и по задействованному частотному и аппаратурному ресурсам. Она обусловлена тем, что вследствие использования отражения радиоволн от ионосферы, одни и те же рабочие частоты в различных направлениях обеспечивают различные уровни сигнала на приёме. Рабочая частота, пригодная для обмена данными в одном направлении, может быть совершенно непригодной для обмена данными в другом направлении. Также структурно автоматизированные радиоцентры (АРЦ) как узловые элементы сети радиосвязи состоят из аппаратурного ресурса с выделением множества радиопередающих (РПДУ) и радиоприемных (РПУ) устройств, закреплённых за радиоканалами и обладающими своими надежностными характеристиками (параметрическим ресурсом).

На радиоцентрах имеющийся аппаратурный ресурс распределяется между организуемыми радиолиниями таким образом, что средства связи с наилучшими техническими характеристиками закрепляются за приоритетными радиолиниями, а остальные технические средства - между равноправными радиолиниями. При этом всегда должен обеспечиваться необходимый резерв технических средств (в том числе и «горячий»).

Фактически каждый начальник радиоцентра (дежурный по радиосвязи) на экспертном уровне (эвристически) занимается решением задачи управления аппаратурным ресурсом, достигая цель - повышение эффективности связи в радиолинии, опираясь при этом на свои знания о значениях эксплуатационных параметров включаемых в радиолинию радиосредств, исходя из оценки их технического состояния (ТС) в ходе процедур технического обслуживания (ТО) [2].

Физический уровень, согласно эталонной модели взаимодействия открытых систем [3], в АСРС имеет особое значение из-за специфичных свойств среды распространения радиоволн ДКМ диапазона и реализуется в РПДУ, РПУ и антенно-фидерных устройствах (АФУ), что накладывает дополнительные требования на систему контроля их ТС. Радиосредства в ДКМ радиолиниях осуществляют передачу мощных (от десятков Вт, до нескольких кВт) и прием слабых (единицы мкВ) с высоким динамическим диапазоном, подверженных замираниям и воздействию противника, аналоговых сигналов. Основные цепи (от модулятора до демодулятора) передачи и приема таких сигналов остаются аналоговыми, и их техническое состояние в значительной мере определяет качество функционирования РПУ, РПДУ и радиолинии (РЛ) в целом.

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема радиотракта РЛ АРЦ.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема радиотракта РЛ АРЦ

Контроль технического состояния (КТС) средств кодирования и шифрования, а также декодирования и дешифрования (см модули на рис. 1) не требуют особых пояснений, поскольку их правильность функционирования полностью определяется тестовыми методами [4, 5].

Согласно ГОСТ Р 52016-2003 средняя наработка на отказ магистральных РПУ ДКМ диапазона должна быть не менее 7000 ч при круглосуточной работе (1 год - 8760 ч.). Согласно ГОСТ Р 51903-2002 наработка на отказ РПДУ ДКМ диапазона должна составлять для полупроводниковых не менее 5000 ч (5 кВт), 6000 ч (1 кВт), а для РПДУ полупроводниково-лампового исполнения 2600 ч и 3000 ч соответственно. Необходимо отметить, что радиосредства РЛ АРЦ должны работать в непрерывном режиме и их техническое состояние будет в значительной мере определять устойчивость функционирования всей автоматизированной сети радиосвязи. Таким образом контроль (мониторинг) ТС радиосредств (РПДУ, РПУ) РЛ АРЦ является актуальной задачей.

1 Модель контроля технического состояния РПДУ в процессе функционирования

Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 27.002-2015 отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния, и может быть внезапным, постепенным, явным, скрытым и т. д. Особое внимание необходимо обратить на постепенные скрытые отказы, возникающие в процессе эксплуатации радиосредств из-за отклонений (дрейфа) параметров за пределы допусков для выявления которых требуется разработка средств контроля ТС. Для обнаружения этого типа отказов, устранения разрегулировок в настоящее время проводятся годовые технические обслуживания (ТО-2) (планово-предупредительная система ТО) с привлечением инженерно-технического состава и средств измерений. Согласно ГОСТ 27.002-2015 мониторинг ТС: составная часть ТО, заключающаяся в наблюдении за объектом с целью получения информации о его ТС и рабочих параметрах. Мониторинг может проводиться в процессе работы объекта непрерывно или через запланированные интервалы времени. На основе данных мониторинга осуществляется контроль ТС и остаточного ресурса объекта.

Необходимо отметить основные проблемы планово-предупредительной стратегии ТО средств связи:

1) низкая оперативность, трудоемкость, требуется разработка планирующих документов и дополнительный контроль со стороны должностных лиц;

2) существование продолжительных периодов, скрытых от служб эксплуатации, причин заниженных технологических показателей средств связи, носящих многодневный и даже многомесячный характер [6];

3) эпизодическое применение (один раз в год) дорогостоящих средств измерений, кроме того, определяющее значение качества проведения измерений имеет накопленный опыт и профессионализм обслуживающего персонала.

Одним из основных направлений совершенствования методов ТО радиотехнических систем является внедрение гибких стратегий ТО, степень гибкости которых определяется полнотой учета данных о фактическом состоянии обслуживаемых средств [7], что при круглосуточном режиме работы радиосредств невозможно обеспечить без автоматических систем контроля ТС.

Для осуществления комплексного контроля ТС формирователя сигналов (РПДУ) в процессе функционирования предлагается использовать коэффициент подобия сигналов g2 , определяющийся выражением [7-9]:

,т ч2

\(ОСт /4РиРэТ2, (0<¿2 < 1), г = 1.....т, tе[0, Г], (1)

5 or ■

ч -

Sor

J

где (V) - исследуемый искаженный сигнал, содержащий информацию об аппаратурных

искажениях; Б* (V) - эталонный сигнал без аппаратурных искажений; Ри, Рэ - соответственно

мощности искаженного и эталонного сигналов; Т - длительность информационной посылки.

Коэффициент взаимной корреляции (коэффициент подобия сигналов, далее по тексту КПС) glr численно оценивает степень отклонения параметров контролируемого сигнала

от эталонных значений, поэтому вследствие дуализма понятия «сигнал - система» он может быть использован в виде комплексного показателя качества или показателя качества функционирования (ПКФ) системы передачи сигналов [10]. КПС g2or имеет простой

физический смысл: он представляет собой нормированную величину, пропорциональную мощности процесса на выходе фильтра или квадратурного устройства, согласованных с вариантом эталонного сигнала Б* (V), при прохождении через них исследуемого сигнала (V). КПС оценивает относительную величину перекрытия в частотно-временной области (ЧВО) энергетических спектров сигналов (V) и Б*^).

Анализ в ЧВО выходного сигнала позволит выявить медленно (относительно сигнала) меняющийся «аппаратурный след» и наблюдать его эволюцию [10]. Максимальное значение КПС достигается при равенстве параметров сигнала (V) номинальным значениям, т. е. полном отсутствии аппаратурных искажений сигнала. С ростом степени искажения сигнала Б (г) значение КПС уменьшается.

Сигналы можно представить в векторной форме. Из формулы (1) видно, что КПС представляет собой скалярное произведение двух векторов, где в качестве первого вектора выступает искаженный сигнал, а второго - эталонный сигнал, тогда выражение (1) запишем в следующем виде [11]:

где а - угол между векторами эталонного и искаженного сигналов в и-мерном пространстве, который, согласно выражению (1), пропорционален значению искажения сигнала. В этом случае модуль вектора напряжения искаженного сигнала равен произведению модуля вектора напряжения (мощности) эталонного сигнала на соБ(а) (соБ2(а)).

Представление КПС через соБ2(а) удобно тем, что при прохождении сигнала через два последовательно соединенных радиотехнических устройства искажения, вносимые вторым устройством можно определить как дополнительный угол в в сумме улов под знаком косинуса, т. е. искажения обоих устройств представим в виде соБ2(а+Р). В общем виде угол в может быть как положительным (искажения) так и отрицательным (коррекция), но в любом случае будет определять ТС второго устройства (далее в работе будем считать, что в > 0). Например, возбудительное устройство (ВУ) и усилитель мощности (УМ) в РПДУ соединены последовательно. Радиосредства (РПДУ, РПУ) РЛ, относительно направления распространения сигнала, так же можно считать последовательно соединенными.

Оценим значение КПС для случая контроля г-го варианта дискретных узкополосных частотно (ЧТ) либо фазоразностно-манипулированных (ФРМ) сигналов используя их аналитические представления:

где иш, ш и ф - соответственно амплитуда, несущая частота и начальная фаза сигнала.

По формуле (1) определяем КПС gгог контролируемого и эталонного сигналов, например, частотно-манипулированных:

Би (V)=иш ехр у^+фи)] - для чт; Би (V) = ии ехр [](ши* + Фги)] - для ФРМ,

f T-nT

g or

J Um exp [ + фи)] игэ exP ["У'(юга* + Фэ)]dt

V о

/4РРТ2,

где n - относительная величина краевых искажений дискретного сигнала. После преобразований и введения обозначения Af = fm - fr3 выражение для КПС примет окончательный вид [12]:

g02„ = (1 - n)2 sin с2 [nAfT(1 - n)]. (3)

На рис. 2 (а) представлена структурная схема передающей части радиолинии с измерителем коэффициента подобия сигналов (ИКПС), на которой обозначены: УЭВМ -управляющая электронно-вычислительная машина, ВУ - возбудительное устройство (формирователь сигналов), УМ - усилитель мощности, АФУ - антенно-фидерное

устройство, dB - аттенюатор, т > (2nT*AtK* )12 - интервал дискретного контроля [13].

Sи(t)'

АФУ

L

УМ1

i %(t)

ВУ 1

X(t)

0.2

04

n

б)

Рис. 2. Структурная схема передающей части радиолинии с измерителем коэффициента подобия сигналов (а) и график зависимости КПС от параметров РПДУ (б)

Из выражения (3) следует, что КПС зависит от разности частот Af контролируемого и эталонного сигналов, определяемой нестабильностью частоты радиосредства, и краевых искажений п контролируемого сигнала. При этом считаем, что ортогональность сигналов не нарушается. КПС по выражению (2) представляет собой поверхность в трехмерном пространстве (рис. 2 б), характерной особенностью которой является наличие глобального максимума g2or = 1 (п = 0, Af = 0 ) или cos2 (а) = 1 ( а = 0° ), т. е. равенства значений всех

параметров контролируемого сигнала номинальным.

Отклонение значения любого из параметров от номинального значения вызывает уменьшение g°. Таким образом, КПС пригоден для оценки степени искажения

контролируемого сигнала. КПС будет зависеть от сигнально-кодовой конструкции, применения формирующих фильтров с частотной характеристикой (например, в виде «приподнятого косинуса»), нелинейных искажений, но для дальнейшего изложения будем использовать простой сигнал ЧТ (ФРМ) и КПС согласно выражению (3).

Пример расчета. Произведем оценку значения КПС РПДУ. Согласно ГОСТ Р 519032002 краевые искажения, вносимые передатчиками в классах излучения А1А, А1В, F1A, F1B, F1D, F7B составляют не более 5 %. Максимально допустимое относительное отклонение рабочей частоты от номинального значения, в течение 1 месяца не должно

2

превышать значения А//f =± 5х108 Гц. Примем f = 15 МГц, B = 200 бит/с, тогда согласно выражению(З)

g2or = sin2(3,14х 0,75 х 0,005 х 0,95)/(3,14х 0,75 х 0,005)2 - 0,952 = 0,9025 . Для радиотракта возбудителя «Тишина» аппаратной «Антей-У» (Р-176-У) краевые искажения должны быть не более 2 %, тогда g2r - 0,982 = 0,96 04. Из примера видно, что

значение КПС определяется краевыми искажениями (джиттером) при B = 200 бит/с. Степень влияния отклонения частоты опорного генератора от номинального значения А/ будет зависеть от длительности информационной посылки T.

Примем Т = 0,005 с, А/ = 20 Гц, п = 5 %, тогда КПС согласно выражению (3) будет равно g2 = 0,876, а при т = 0,001 с g]r = 0,9014. В перспективных РЛ с параллельной побитной передачей сообщений узкополосными сигналами длительность информационной посылки может достигать несколько десятков секунд в этом случае при T = 10 с, п = 0 %

значение glr = 0,8753, при частотном сдвиге несущей на 0,02 Гц. Следовательно, влияние

отклонений технических параметров аппаратуры от номинального значения на КПС будет зависеть от длительности информационной посылки, вида применяемого сигнала, что может быть недопустимым при формировании одной сигнальной структуры и приемлемой для другой.

Выше было отмечено, что cos2 (а) = g]r, тогда мощность искаженного сигнала представим в виде:

К (0|2 = К (t )|2 cos2(a). (4)

Выражение (4) с учетом дополнительных искажений в РПУ РЛ примет вид:

К(t)|2 = К(0|2 cos2(a + в). (5)

На приемной стороне это эквивалентно снижению мощности сигнала на 10 % (0,9), 4 % (0,96) при сохранении фактической мощности излучения РПДУ неизменной.

2 Модель контроля технического состояния РПУ в процессе функционирования

Рассмотрим процедуру оценки ТС РПУ как системы. ТС РПУ (системы) сложно охарактеризовать одним показателем качества в виде функции от его параметров, поскольку качество функционирования РПУ заключается в адаптации к сложившейся сигнальной и помеховой обстановке, а также своему ТС. В работе [14] представлен регуляризующий алгоритм, назначение которого заключается в оценке искажений сигнала в РПУ прямого преобразования с целью последующей коррекции. Однако несмотря на применение в РПУ различных адаптивных корректирующих алгоритмов, автоматической регулировки усиления, подстройки частоты, блоков компенсации сосредоточенных помех вероятность ошибки на выходе однотипных РПУ, функционирующих в одинаковых условиях, будет отличаться и это отличие можно использовать для относительной идентификации ТС функционирующего РПУ в целом. В работах [15-17] отмечается, что основным параметром эффективности работы цифровой радиочастотной системы передачи является зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум в системе.

Наиболее полная (универсальная) математическая запись для вероятности ошибочного приема элемента широко используемого в ионосферных радиолиниях декаметрового диапазона радиосигнала частотной манипуляции (F1B) при некогерентном способе приема на фоне нормальной станционной помехи определяется из распределения Накагами [18]:

Рош =

1

^ h

-m

01

1

V 2m J

m > 0,5 , (6)

(ис Оф )0

где т = —р-—-=г - отношение квадрата мощности принимаемого радиосигнала

м [(и/ - и4 )0 ]

(ис0эф )0 к дисперсии его мгновенной мощности ис 0; Н02 = (р • Т)/ V0 - отношение энергии

сигнала на бит информации к спектральной плотность шума. Отсюда, считая, что для узкополосного сигнала Т ~ 1/А/С, где А/С - частотная полоса сигнала, следует приближенная оценка для соотношения мощностей сигнал/шум на входе радиоприемника (детектора) в виде к02 = Рс/Рш.

Влияние тС формирователя сигналов на вероятность ошибочного приема при некогерентной обработке замирающих по рэлеевскому закону (т = 1) ортогональных сигналов в канале с белым гауссовским шумом определяется по формуле [9]:

Рош = 1/(Л00g2ог + 0) . (7)

Выражение (7) получено из уравнения (6) при т = 1 и учете влияния ТС формирователя сигналов g 2ог. Тогда обратно можем записать, что вероятность ошибочного

приема элемента радиосигнала частотной манипуляции при некогерентном способе приема на фоне нормальной станционной помехи с учетом искажений вносимых формирователем сигналов определяется из распределения Накагами следующей формулой:

_ 1 Р ош 2

^ S orh0

У 2 m

m > 0,5 , (8)

Необходимо отметить, что из уравнения (6) при различных значениях т параметра можно получать выражения для вероятности ошибочного приема элемента радиосигнала частотной манипуляции (ФРМ) при некогерентном способе приема на фоне нормальной станционной помехи для различных распределений огибающей радиосигнала.

В результате обработки 149 пятиминутных записей на длинных коротковолновых трассах широтного и меридионального направлений распределение огибающей в 86,6 % случаев совпадало с распределением Рэлея (т = 1), в 2 % - с распределением Райса (т > 1), в 6,7 % - с распределением логарифмически-нормальным и только 2,7 % - не классифицировалось [17].

Наиболее простое решение задачи определения искажений приемо-передающей аппаратуры в процессе функционирования следует из выражения (8), но нужно понимать, что основное количество ошибок в процессе приема дискретной информации будет определяться средой распространения радиоволн, законом распределения огибающей радиосигнала, сосредоточенными по спектру помехами, т. е. динамикой различных процессов, которые могут приводить к отклонению реального значения коэффициента ошибок от значения вероятности ошибки определяемого уравнением (8). Для получения качественной оценки ТС функционирующего РПУ, устойчивой к случайным отклонениям значения коэффициента ошибок в канале связи, необходимо сравнение его значения со значением коэффициента ошибок при приеме дискретной информации с однотипным резервным (заведомо исправным, без разрегулировок) РПУ.

Важно отметить, что уравнения (6), (7), (8) применимы в течение небольшого интервала времени At значение которого составляет от десятков секунд до нескольких минут [18]. За это время параметры к02 и т можно считать постоянными (квазистационарное

состояние). КТС функционирующего РПУ необходимо осуществлять в одном из таких квазистационарных состояний канала связи.

На рис. 3 представлена структурная схема приемной части радиолинии с резервным РПУ2. Резервирование РПУ1 осуществляется методом замещения [18] с периодическим (дискретным) контролем его ТС за счет параллельной работы и вычислением разности

вероятностей (коэффициентов) ошибок основного и резервного РПУ с последующим определением вида ТС РПУ1.

Рис. 3. Структурная схема приемной части радиолинии с резервным РПУ 2

Аппаратурная избыточность [19] является ресурсом приемного радиоцентра (ПРЦ) и не вводится только для контроля ТС. Разность вероятностей ошибок функционирующего и резервного РПУ запишем в виде:

Ар°ш 2

1 +

со82(а + 2т

2 Л-

1+

cos2 (а + Р2)Л( 2т

2 Л-

(9)

где в и р2 под знаком косинуса представляют собой номинальную величину искажений

соответственно функционирующего и резервного РПУ (параметры которого соответствуют норме). Выражение (9) получено при условии малости внутренних шумов РПУ по сравнению с внешними шумами [20] и представления искажений вносящей приемо-передающей аппаратурой при формировании и обработки радиосигналов через скалярное произведение эталонного и искаженного сигналов (рис. 3 б).

Из уравнения (9) следует, что разность вероятностей (коэффициентов) ошибок Ар с

выхода однотипных РПУ появляется из-за неравенства значений в и Р2, но величина

разности Ар определяется значениями пяти параметров: а, в, Р2, К2, т. Представим

значение в в виде в = Рг + АР, тогда для контроля ТС функционирующего РПУ интерес

представляет зависимость ар ~ /(Арош). Влияние вышеуказанных параметров на разность

вероятностей ошибок функционирующего и контролирующего (резервного) РПУ согласно выражению (9) представлено на рис. 4 и 5.

Из графиков, представленных на рис. 4 и 5 видна нелинейная зависимость разности вероятностей ошибок от параметров а, в, Р2, И02, т , что предъявляет высокие требования к точности измерения значений отношения сигнал/шум к02, т параметра. Значительное

влияние на разность вероятностей ошибок оказывает КПС РПДУ, так, при повышении значения сигнал/шум на 6 (оЕ) (рис. 5) недостаточно для компенсации уменьшения значения КПС с 1 до 0,95, что ведет к увеличению разности вероятностей ошибок в 2 раза. Таким образом ТС радиосредств (отклонение параметров сигнала от нормы) приводит к значительному возрастанию разности вероятностей ошибок.

V

Aß (рад) ß, (рад)

а)

хЮ

к02 = 27 (dB) а = п /18 (рад)

АРо,

02 0.15

01 0.05

А(3 (рад)

0.05 0, 0.15 0.2

ß2 (рад)

б)

Рис. 4. Графики зависимости разности вероятностей ошибок функционирующего и резервного РПУ от параметров а, Ар, р2, т при Н02 = 00 (ёБ) (а) и к02 = 07 (ёБ) (б)

Выразим значения Р1, Р2 из выражения (9) через рош 15 рош2 и запишем Ар в виде следующего уравнения:

Aß = ßj - ß2 = arccos

^( ^ -1))-arccos^(^-1)]• (10)

Для относительной идентификации ТС функционирующего РПУ согласно выражения (10) необходимо измерение значений Н02, т в канале связи, а так же определения значений

вероятности ошибок функционирующего рош1 и резервного рош2 РПУ. Вероятность ошибки

функционирующего РПУ запишем в виде рош1 = рош2 + Ар, где рош2 определяется правой

частью выражения (9). Резервное РПУ будем считать заведомо исправным с параметрами, соответствующими номинальным значениям и ПКФ ДРпор»Р2. Тогда уравнение (10)

запишем в следующем виде:

( \Ъп-. ~-^

АР = arccos , \2т (-^2(рга, + |Др|)-1)) - а. (11)

\к

Х1°451 4 -

35-

АРош 2.52151 -0.50

Н02 = 27 (ЛВ) а = 0 (рад)

АР (рад)

р2 (рад)

а)

х 10'

и0 2 = зз (лв)

а = 2п /18 (рад)

АРо,

АР (рад)

р2 (рад)

б)

Рис. 5. Графики зависимости разности вероятностей ошибок функционирующего и резервного РПУ от параметров а, Ар, Р2, т при К02 = 27 (ЛВ), а = 0 (рад) (а)

и к,2 = 33 (ЛВ), а = 2п/18 (рад) (б)

Определить значения рош1, рош2 возможно только с некоторой точностью, которая

будет зависеть от выборки - объема принятой дискретной информации и количества ошибок при этой выборке. Следовательно идентификация ТС функционирующего РПУ по уравнению (11) будет тем точнее, чем больше время А^*, в течение которого

осуществляется выборка (измерение) при постоянной средней скорости передачи дискретной информации В.

Например, согласно руководству по эксплуатации на изделие «Тишина - ПВР» для оценки пригодности частоты во время сеанса радиосвязи используются временные интервалы 1 с, 3 с, 8 с, в течение которых накапливается информация о количестве ошибок в канале и по результату этой оценки принимается решение о смене текущей частоты.

Для осуществления функционального контроля всего радиотракта на ПРЦ используют радиосигнал с местного передатчика и с определенной периодичностью проверяют его прохождение по радиотракту по отсутствию ошибок в принятой тестовой последовательности, которая обычно не превышает несколько десятков знаков. Аналогичным образом осуществляют функциональный контроль РПДУ на ПДРЦ, только в этом случае используют «контрольное» РПУ на ПДРЦ.

Данные способы контроля радиотракта в целом дополняют тестовые методы встроенного функционального контроля средств связи. Однако к определению ТС (правильности функционирования) радиосредств данные способы непригодны по следующим причинам:

1) незначительная выборка (несколько десятков знаков);

2) энергия радиосигнала с местного РПДУ превышает минимально необходимую энергию для его безошибочного приема на несколько ёВ, что является важным условием осуществления устойчивого функционального контроля (потери в АФУ);

3) условия, при которых осуществляется тестирование, не соответствуют условиям реальной работы (при тестировании замирания отсутствуют);

4) возникает необходимость в контроле правильности функционирования, используемых для тестирования РПУ (ПДРЦ), РПДУ (ПРЦ) с неизвестной периодичностью.

Таким образом если в процессе тестирования радиотракта будет обнаружена хотя бы одна ошибка, то это будет означать функциональный отказ его элементов (одного или нескольких). Ничего не стоит повысить уровень тестового радиосигнала и ошибок может не быть. Для относительной идентификации ТС Ар РПУ на ПРЦ время А^ должно составлять

несколько минут и выше в процессе функционирования по рабочему радиосигналу с целью достижения требуемой точности. За это время будет принято несколько сотен тысяч бит информации, т. е. необходим набор статистики ошибок РПУ.

Определение значения Ар как функции от параметров РПУ является проблематичным по следующим причинам:

1) даже в случае известной зависимости ПКФ (со8°(а)) (2) как функции от параметров радиосредства, ошибки первого и второго рода [9] не равны нулю;

2) теоретически определить математическую зависимость ПКФ от параметров средств связи удается не всегда.

По этим причинам параметрический контроль более универсален и точен.

Несмотря на это контроль ТС по ПКФ, в отличие от параметрического, обладает большей полнотой поскольку учитывает влияние на целевую функцию сразу всех основных параметров и, соответственно, значение ПКФ должно быть учтено в технической документации на радиосредство, а его определение возможно эмпирически в результате испытаний. В этом случае с одной стороны снимается неопределенность относительно

ошибок первого и второго рода, а с другой значительно сокращается время [8] на идентификацию ТС радиосредств с помощью автоматизированных измерительных комплексов (АИК).

Оценить значение Лрпор возможно по допустимому повышению вероятности ошибки как целевой функции из условия:

Ф = cos2 (а + ЛР) > Фпор. = cos2 (аЮр + ЛРЮр), (12)

где cos2 (а + Лр) - искажения функционирующей приемопередающей аппаратуры, Ф, Фпор - ПКФ, учитывающие влияние ТС радиосредств на вероятность ошибки.

Например, при g2пор = cos2 (апор) = 0,95, Фпор. = cos2 (апор + Лрпор) = 0,9, тогда Лрпор = 0,1 (рад).

Представим условия правильности функционирования радиосредств (РПДУ, РПУ) передающего и приемного радиоцентров в виде системы неравенств:

[(g2C = c0s2(а)) > (g2пор = COs2 (апор )); (13)

|Лр < ЛрПоР. (13)

Первое и второе неравенство в системе неравенств (13) определяет условие правильности функционирования соответственно РПДУ и РПУ, а значение неравенства (12) - радиосредств радиолинии в целом.

Тезисно опишем модель контроля ТС радиосредств РЛ в процессе функционирования: 1) на ПДРЦ с периодичностью т >^2nT"Л* АИК последовательно производит

измерение значений КПС всех функционирующих возбудительных устройств, в том числе резервных и РПДУ в целом согласно выражению (1). Если g\r > g2 (13), то принимается

пор 2

решение о правильном функционировании РПДУ, если g 0r < g пор, то необходимо

проведение инструментального ТО (ВУ, УМ) с целью определения причины снижения качества функционирования (выявить отклоненный от нормы параметр);

2) значения КПС РПДУ передаются на противоположную приемную сторону (ПРЦ) и применяются для определения значения вероятности ошибки согласно уравнению (8).

На ПРЦ с периодичностью т > ^2nTрезервные РПУ выводятся из дежурного режима

(один или несколько) и подключаются параллельно функционирующим РПУ с целью определения значения Лв по уравнению (11) и относительной идентификации их ТС по условию Лр <ЛРпор (13) и своего собственного ТС. Если Лр > Лв , то необходимо проведение инструментального ТО РПУ;

3) из вычисленных значений ПКФ (cos2 (а), Лр) приемо-передающей аппаратуры формируют временные ряды для контроля и прогнозирования их ТС.

Важно отметить, что контроль ТС радиосредств во время функционирования по ПКФ позволит не допустить их функциональные отказы из-за процессов развития параметрических отказов, т. е. является более чувствительным качественно-количественным методом контроля ТС радиосредств, что позволит сократить количество внезапных отказов. Пример применения модели. I. Исходные данные:

1.1 Вид сигнала (ЧТ, ФРМ и. т. д.);

1.2 g2п0р, Лрпор ( g2пор = 0,95, ЛРтах = 0,1 (рад)).

II. Согласно уравнений (1), (11) и пунктов 1, 2 описания модели производим вычисления текущих значений g2r, Лр и, по условию (13), определяем вид ТС радиосредств в процессе функционирования.

На рис. 6 представлен алгоритм процесса КТС средств радиосвязи РЛ в процессе функционирования.

Начало

Ввод

/

/ вид сигн., / Aß

пор ' о пор

; Параметры сигнала в норме

Вкл. резервных

ВУ, УМ. Упр. тех. сост.

(б) Запись значения

2

Е к в БД сервера мониторинга АРЦ

А Ч-

Измерение:

Кош1 ' Кош2

Вычис ление: р (а), АК ,

лг ош У S3 ош '

Aß *

Вкл. резервных

РПУ. Упр. тех. сост.

апись значения АР к в БД сервера мониторинга АРЦ

Передача

2 _

g k на ПРЦ

Конец

Рис. 6. Алгоритм процесса контроля технического состояния средств радиосвязи радиолинии

в процессе функционирования

На рис. 7, 8, 9 представлены графики зависимостей ТС функционирующего РПУ от разности вероятностей ошибок при различных значениях отношения сигнал/шум, параметра т, искажений РПДУ и Р2 = 0 (рад).

На графиках рис. 7 видно снижение разности вероятности ошибок (Ар = 0,1 (рад)) в 5 раз при повышении отношения сигнал/шум на 7 ((В).

Из графиков, представленных на рис. 8, следует, что при изменении т параметра с 0,8 до 1 разность вероятностей ошибок уменьшается в 2 раза.

Из графиков, представленных на рис. 7, 8, 9 следует, что с ростом значений отношения сигнал/шум и, особенно т параметра резко снижается значение разности вероятности ошибок, что на практике потребует увеличения времени набора статистики ошибок в канале.

Таким образом наибольшая точность определения ТС функционирующего РПУ Ар возможна при наихудших условиях приема, но до момента смены текущей частоты. Это означает необходимость оценки сигнальной и помеховой обстановки в канале связи перед началом определения ТС функционирующего РПУ, а поскольку параметры Н02, т

вычисляются непрерывно в процессе ведения радиосвязи, то сложностей в выборе интервала времени для более точной идентификации его ТС нет.

0.6

0.5

ДР (рад)

о.з

0.2

0.1

т = 1 а = 0 (рад)

/г02 = 30 {(¿В)

К2 =27 (йБ)

А 02 = 20 (йБ)

ДРпор = 0,1 (рад)

1.5

АРош

: 10

Рис. 7. Графики зависимостей ТС функционирующего РПУ от разности вероятностей ошибок основного и резервного РПУ при различных значениях отношения сигнал/шум

ДР (рад)

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 О

г02 = 2 .7 (йБ )

а = 0 (рад)

т = 1,

= 1

т = 0,8

ДРпо, = 0,1 (рад )

1/

О 0.2 0.4 0.6 0.3 1

1.2 1.4 1.6 1.3

х 10

Рис. 8. Графики зависимостей ТС функционирующего РПУ от разности вероятностей ошибок основного и резервного РПУ при различных значениях т параметра

0.7

Aß (рад)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 O.B 0.9

х 10"

Рис. 9. Графики зависимости ТС функционирующего РПУ от разности вероятностей ошибок основного и резервного РПУ при различных значениях искажений РПДУ

3 Оценка достоверности КТС средств радиосвязи по ПКФ

3.1 Оценка методической погрешности КТС средств радиосвязи по ПКФ с учетом наличия ошибок первого и второго рода

Оценку методической погрешности КТС радиосредств по ПКФ удобно производить при двух- или трехпараметрической зависимости по причине ее наглядности. Далее будем полагать, что параметры, от которых зависит значение ПКФ независимы.

В работе [21] показана методика расчета эксплуатационных допусков на параметры каналообразующей аппаратуры с учетом свойств канала связи и требований на показатель достоверности системы передачи сообщений. Из представленной в работе [21] методики следует, что для минимизации ошибочного принятия решения о неработоспособности аппаратуры связи необходимо в эллипс, образованный в результате сечения функции ПКФ плоскостью параллельной плоскости ОХУ, вписать прямоугольник максимальной площади. Данный прямоугольник будем называть параметрическим со сторонами равными допускам на параметры, а взаимная перпендикулярность его сторон указывает на их независимость.

Вышеуказанное условие означает необходимость правильного установления значений допусков на параметры средств связи с целью минимизации методической погрешности КТС по ПКФ. Может показаться, что это условие является не необходимым и значения допусков на параметры могут выбираться произвольно, но это не так, поскольку отклонение значений параметров от нормы по-разному влияют на способность аппаратуры связи выполнять требуемые функции, что и определяет при двухпараметрической зависимости функции ПКФ вид сечения в виде эллипса или эллипсоида для трехпараметрической зависимости.

На рис. 10 представлен параметрический прямоугольник со сторонами 2ЪХ, 1Ь2

вписанный в эллипс с осями 2а, 2а . Условие его максимальной площади определяется положением его сторон параллельно осям эллипса и их значением Ъ = а / >/2, Ъ2 = а2 / >/2.

Рис. 10. Определение порогового значения ПКФ радиосредств

Например, согласно уравнению (3) КПС (ПКФ) радиосредства формирующего г-й вариант дискретного узкополосного частотно (ЧТ) либо фазоразностно-манипулированного (ФРМ) сигнала определяется двумя параметрами: —п (—Ь), ( — Ь) .

В работе [8] пороговое значение КПС предлагается выбирать по критерию максимума порогового уровня:

пор

:max g j пу , J = П,

(14)

где g2ny-пороговый уровень КПС при допусковом значении j-го параметра применяемого

сигнала, n - количество параметров.

Минимизация методической погрешности при КТС радиосредства по показателю качества функционирования заключается в правильном выборе его порогового значения, а, значит, осуществляется максимизация достоверности КТС. Далее под методической погрешностью будем понимать достоверность КТС. Максимизация достоверности КТС по ПКФ будет иметь вид:

max D(g2mv) = min [Л(Д©, ),Х(Д© .)], (15)

g^ =max gj2 пу

где ЦД©у), х(Д©7) - ошибки первого и второго рода, обусловленные неправильным

выбором допусков на параметры Д©у.

На рис. 10 эллипс, вписанный в параметрический прямоугольник подобен описанному, т. е. он может быть получен путем преобразования координат умножением осей

описанного эллипса на коэффициент 1/V2. При этом такая возможность появляется только если параметрический прямоугольник имеет максимальную площадь. Тогда критерий (14) примет следующий вид:

glp = gjпу , J Ч1, n) . (16)

На рис. 10 в точках ±ЪХ, ± Ъ2 соответствующие значения ПКФ равны, что следует из

подобия вписанного в параметрический прямоугольник эллипса описанному вокруг него. Следовательно, для минимизации методической погрешности КТС радиосредств по ПКФ необходимо:

1) определить минимальное количество независимых основных параметров радиосредства ©., от которых зависит его целевая функция (условие полноты контроля);

2) установить (по возможности) аналитическую зависимость между ПКФ и техническими параметрами радиосредства;

3) скорректировать значения допусков Д0у на параметры радиосредства согласно

условию (16), при котором все независимые параметры, оказывающие влияние на ПКФ, равнозначно снижают его значение до порогового уровня при достижении своих допусков (парциально).

Важно отметить, что аналитическую зависимость между ПКФ и техническими параметрами радиосредства установить удается не всегда. В этом случае значение ПКФ можно определить эмпирически, изменяя значения параметров при условии, что значения остальных параметров равны номинальным и скорректировать допуски на них по условию (16).

При выполнении вышеуказанных пунктов эллипс ПКФ будет вписан в параметрический прямоугольник и возможно оценить минимальную достоверность контроля по ПКФ:

Dmin 1 Xmax %max 5 (17)

где Xmax -максимальная вероятность ложного отказа, %шах - максимальная вероятность нераспознанного отказа.

Важно исключить пропуск отказа, тогда согласно рис. 9 % =0, а значение Xmax можно определить из выражения:

X max = (^пар - ^эл )/^пар , (18)

где S , S3JI - площади параметрического прямоугольника и эллипса ПКФ соответственно, ^ар = 4Ърг, S3JI = nbb.

Тогда = 1 — п/4 и max= п/4 для двухпараметрической зависимости и max Dmin = п / 6 при трехпараметрической и формально значение достоверности КТС радиосредств по ПКФ находится в диапазоне D е[п/4;1), D е[п/6;1) соответственно. При % = 0 gI принимает максимальное значение (вписанный эллипс), если X = 0, то g2ор имеет

минимальное значение (описанный эллипс).

Фигура у на рис. 10 (ее реальный вид может быть различным) примерно отображает область значений контролируемых параметров, и ее форма указывает на малую вероятность события их одновременного отклонения до границ своих допусков или наступление параметрического отказа в результате выхода одного из контролируемых параметров за пределы допусков значительно более вероятно. В этом случае крайние области параметрического прямоугольника будут как бы «втянуты» (сглажены) в «эллипс качества», что и показано на рис. 10 в виде фигуры у и практическое значение достоверности КТС по ПКФ D ^ 1 независимо от количества контролируемых параметров. Таким образом наиболее приемлемо значение g2op при % = 0.

При трехпараметрической зависимости ПКФ радиосредства примет вид эллипсоида вписанного в параллелепипед максимального объема (вписанный эллипсоид подобен описанному вокруг параллелепипеда эллипсоиду) стороны которого образованы значениями допусков на контролируемые параметры. При этом нахождение одновременно двух или трех параметров у границ своих допусков значительно менее вероятно, чем нахождение у границ допуска одного параметра. Тогда фигура у (рис. 10) из двухмерной преобразуется в трехмерную и будет преимущественно находиться внутри эллипсоида.

Оценка достоверности (методической погрешности) КТС по ПКФ имеет смысл только при выборе в качестве критерия работоспособного состояния совокупности параметров и допусков на них, что приводит к неопределенности выбора его значения. С другой стороны, если пороговый уровень ПКФ задать в качестве критерия работоспособного

состояния, а он им является по определению, то возникает неопределенность значений параметров, определяющих работоспособное состояние средства связи. Для разрешения этого противоречия значение ПКФ должно быть учтено в технической документации на радиосредство, а его определение (уточнение) возможно эмпирически в результате испытаний. В этом случае методическая погрешность равна нулю, а достоверность контроль технического состояния радиосредств по ПКФ будет определяться значениями инструментальной (РПДУ) и случайной (РПУ) погрешностями. Далее в работе инструментальную погрешность учитывать не будем, считая ее малой величиной, а значение случайной погрешности будет основной величиной влияющей на достоверность КТС по ПКФ РПУ.

3.2 Оценка методической погрешности контроля технического состояния функционирующего РПУ по ПКФ с учетом влияния технического состояния

контролирующего РПУ

Методическая погрешность относительной идентификация ТС функционирующего РПУ будет зависеть от ТС контролирующего (резервного) РПУ, поскольку в = АР + Р2 и

только при дрпор » р2, значением Р2 можно пренебречь.

В процессе длительной эксплуатации РПУ в качестве контролирующих могут применяться любые инструментально проверенные на соответствие параметров своим допускам резервные РПУ. При этом может оказаться, что ТС функционирующего РПУ по ПКФ лучше контролирующего. В этом случае Р2 > ^ и значение ДР необходимо учесть

в качестве поправки для ДРпор при условии, что оно его не превышает. Если Др > ДР , то

РПУ для контроля функционирующего РПУ не подходит (требуется его инструментальный контроль, ТО и, возможно, ремонт).

Таким образом корректировку значения ДРпор необходимо осуществлять

апостериорно по результату пробных процедур контроля по ПКФ на величину ДР «Р2 и

скорректированное значение ДР*пор будет иметь следующий вид:

ДР*пор = ДРпор -ДР . (19)

Рассмотрим возможные варианты определения текущего значения ДР :

1) после включения очередного контролирующего РПУ наблюдается неравенство Кош1 > Кош2, тогда производим сравнение ДР с ДР и определяем необходимость проведения

инструментального контроля РПУ по условию ДР > ДР ;

2) в течение нескольких первичных процедур КТС функционирующего РПУ КОШ1 <К0ш2 и ДР < ДРпор, тогда необходимо произвести корректировку значения ДР согласно

выражению (19). Если в процессе эксплуатации второй вариант сменит первый, то текущее значение ДР необходимо сравнивать с ДР* .

Важно отметить, что в процессе дискретного КТС параметры контролирующего РПУ можно считать фиксированными относительно функционирующего РПУ, т. е. Р2 = const по причине многократной разницы в интенсивностях их эксплуатации [19], поэтому дрейфом параметров контролирующего РПУ можно пренебречь.

Таким образом, используя апостериорную оценку значения ДР возможно произвести

корректировку значения ДРпор по выражению (19) на начальном этапе использования РПУ

в качестве контролирующего с различным уровнем выработки его параметрического ресурса.

3.3 Оценка точности относительной идентификации технического состояния

функционирующего РПУ

Техническое состояние функционирующего РПУ определяется выражением (11) и точность идентификации его ТС будет зависеть от погрешностей измерения параметров Н02 и т в канале связи, а так же от качества оценки значений вероятностей ошибок основного и резервного РПУ по известным значениям их коэффициентов ошибок. В дальнейшем в работе будем считать, что измерения параметров к02 и т производятся с высокой точностью и влияние их погрешностей на значение др учитывать не будем.

Тогда оценка относительной погрешности 5др идентификации ТС

функционирующего РПУ сводится к определению значений вероятностей ошибок основного и резервного РПУ с относительной погрешностью 5ош для заданной доверительной вероятности Рд по известным значениям их коэффициентов ошибок, т. е. 5др = /(5ош) .

В общем случае коэффициент ошибок определяется отношением числа элементов дискретного сигнала принятых с ошибками к общему числу элементов N принятых в

течение времени измерения Дг* [22]:

^ош = Noш / N . (20)

Измерение коэффициента ошибок носит статистический характер, так как получаемый за конечное время результат является случайной величиной. Относительную погрешность измерения в случае нормального закона распределения числа ошибок, что допустимо при > 10, можно определить по формуле:

5ош = 'р/^ , (21)

где ¿р - коэффициент Стьюдента (табл. 1), определяемый через интеграл вероятностей для заданной доверительной вероятности Р .

Таблица 1 - Значения коэффициентов Стьюдента при различных объемах выборки

и доверительных вероятностей

n Рд = 0,99 Рд = 0,95 Рд = 0,9 Рд = 0,85 Рд = 0,8 Рд = 0,75 Рд = 0,7

1 63,6567412 12,7062047 6,3137515 4,1652998 3,0776835 2,4142136 1,9626105

10 3,1692727 2,2281389 1,8124611 1,5592359 1,3721836 1,2212554 1,0930581

50 2,6777933 2,0085591 1,6759050 1,4619940 1,2987137 1,1638714 1,0472949

100 2,6258905 1,9839715 1,6602343 1,4506749 1,2900748 1,1570705 1,0418359

200 2,6006344 1,9718962 1,6525081 1,4450814 1,2857988 1,1537000 1,0391276

400 2,5881761 1,9659123 1,6486719 1,4423010 1,2836716 1,1520222 1,0377787

600 2,5840481 1,9639256 1,6473972 1,4413766 1,2829641 1,1514641 1,0373299

800 2,5819888 1,9629337 1,6467606 1,4409149 1,2826107 1,1511852 1,0371056

1000 2,5807547 1,9623391 1,6463788 1,4406380 1,2823987 1,1510179 1,0369711

Из табл. 1 видно, что коэффициент Стьюдента при объеме выборки п > 100 в пределах заданной доверительной вероятности Р = 0,9 меняется незначительно и в большей степени

зависит от значения доверительной вероятности. В нашем случае п = Ыош. Следовательно, при Ыош >100 влиянием неточности значения коэффициента Стьюдента из-за ограниченного времени Дг* сбора статистики ошибок в канале связи на значение относительной погрешности 8ош (20) можно пренебречь.

Согласно уравнению (21) верхнее рвош и нижнее рнош значения вероятностей ошибок будут определяться следующими выражениями:

Рв ош = Кош + (л/^оШ / N = Кош (1 + 8ош ); (22)

Рн ош = Кош - (4Юш / N) = Кош (1 - 5ош ). (23)

В самом деле рвош = Кош(1 + (рвош -Кош)/Кош), что после операции умножения

приведет к тождеству.

Уравнения (22), (23) устанавливают диапазон значений в котором будет находиться оцениваемая вероятность ошибки с относительной погрешностью 5ош для заданной

доверительной вероятности Рд по известному значению ее коэффициента ошибок.

Если же известна вероятность ошибки, тогда выражения (22), (23) запишем в виде

Кв ош * Рош (1 + 8ош) , Кн ош * Рош (1 - 8ош ) . Значения коэффициентов ошибок при многократн^1х

измерениях будут симметрично распределены относительно среднего значения (вероятности ошибки) в интервале от Кн ош до Кв ош с доверительной вероятностью Р .

Произведем вычитание из выражения (22) уравнение (23) и представим N в виде произведения ВДг*, тогда выражение для Дг* примет следующий вид:

At = L / 52 BK .

к ß ош ош

(24)

При заданной относительной погрешности 5ош оценки значения вероятности ошибки и доверительной вероятности Рд максимальный интервал времени At* max в течение которого необходимо осуществлять подсчет ошибок будет определяться формулой (24) при

Кош > Кош min . Соблюдение Условия Atк < Atк max во3можно только при К„ш > Кош min •

Пример расчета: 5ош = 0,05; Кош mn = 0,005; tß = 1,96 (Рд = 0,95);B = 1,2 (Кбит/с). (Рд = 0,95 )•

Тогда согласно уравнению (24) Дt* = 1,962 /(0,052 х 0,005 х 1200) = 256 (с) или 4,3 (мин). На

время At* значительное влияние оказывает относительная погрешность 5ош оценки значения

вероятности ошибки. На рис. 11 представлен график зависимости времени At* (24) в течение

которого производится подсчет ошибок в канале связи от относительной погрешности 5ош

оценки значения вероятности ошибки. Исходные данные для построения графика At* = f (5ош) будут те же, что представлены в примере расчета.

1 50

А t* (мин) 100

0.01 0 02 ООЗ 0.04 0 05 О Об 0 07 П ПН О 09 0.1 0.11

5

ош

Рис. 11. График зависимости времени АТк от относительной погрешности 8 оценки значения вероятности ошибки

Из графика представленного на рис. 11 следует, что при изменении относительной погрешности 5ош (Р = 0,95 ) оценки вероятности ошибки в канале связи от 1 % до 5 % время

Дг* , необходимое для подсчета ошибок, уменьшается с 3,5 часов до 8,5 мин. Так же на

время Дг* значительное влияние будет оказывать шк1, который в вышеуказанном примере

равен 0,005 и его значение обратно пропорционально времени Дг* .

Оценку относительной погрешности 5др идентификации ТС функционирующего РПУ

запишем в следующем виде:

SÄß"

'Aßmin - ÄßA

Äß

x 100% .

У

Учитывая выражения (22), (23) уравнение (11) для ДР^ ( ДРшах ) примет вид:

Äßmin = arCC0S

2m

max •

Л

VÏ К

(-m 2( РоШ2+Äp (i - 5ош )) -1))

- а,

Äßmax = arCC0S

12mm (-m 2( Рош2 +ÄP (1 + §ош )) - 1) )

- а.

(25)

(26) (27)

Уравнение для Др будет соответствовать уравнениям для Др^ (ДРтах ) без множителя (1 -5ош) ((1 + 5ош)) соответственно. После подстановки выражений (26), (27) в уравнение (25) получаем зависимость 5др = /(5ош), в свою очередь 50Ш = /(Дг*), следовательно 8дР = /(Д*).

На рис. 12 представлен график зависимости относительной погрешности 5др идентификации ТС функционирующего РПУ от относительной погрешности 5ош оценки

значения вероятности ошибки.

Из графика, представленного на рис. 12, видна линейная зависимость относительной погрешности 5др идентификации ТС функционирующего РПУ от относительной

погрешности 5ош оценки значения вероятности ошибки в канале связи. Так при изменении

5ош от 1 % до 10 % 5др принимает значения от 1 % до 8 %.

10

3 6

4

§ДР (%)

_ _ _ _ 1

-10

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 О.Ов О.ОЭ 0.1 0.11

5,„

Рис. 12. График зависимости относительной погрешности 8др идентификации ТС функционирующего РПУ от относительной погрешности 5ош оценки значения вероятности ошибки

5ош треб. = ?в / 4ВК0]

Согласно уравнению (24), выражение для 5ош = /(А?*) запишем в следующем виде:

" • (28)

Запишем зависимость 5др = /(А?*) . Для этого подставим уравнение (28) в выражения

(26), (27), а их соответственно в формулу (25).

На рис. 13 представлен график зависимости относительной погрешности 5др

идентификации ТС функционирующего РПУ от времени подсчета количества ошибок

. *

в канале связи А?*.

5дР (%)

25 20 15 10 5 О -5 -10 -15 -20 -25

Коштп ! = 0,0005; Ксшпи12= 0,0025; Кошттз = 0,005;

К0шш1п4 — 0,01;

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

К (с)

Рис. 13. График зависимости относительной погрешности 5др идентификации ТС функционирующего РПУ от времени подсчета количества ошибок в канале связи А?*

Из графиков представленных на рис. 13 следует, что зависимость 5др = /(А?*) имеет нелинейный участок, продолжительность которого зависит от значения Кошшш, и асимптотическое приближение к нулевому значению 5др (А?* §др ^ 0). Если значение относительной погрешности 5др принять ±5 %, то требуемая точность при Коштт= 0,01; 0,005; 0,0025; 0,0005 и средней скорости передачи данных В = 1,2 кбит/с будет достигнута через интервал времени А?*тах =100 (с); 200 (с); 400 (с); 1800 (с) соответственно. Соблюдение условия А?* <Аг**тах возможно только при Кош > Коштт (рош > рошт1П), что означает необходимость оценки сигнальной и помеховой обстановки в канале связи перед началом определения ТС Ав функционирующего РПУ с требуемой точностью 5Др.

Вывод о предварительной оценке сигнальной и помеховой обстановки в канале связи перед началом определения технического состояния функционирующего РПУ прежде всего важен для сокращения времени процедуры КТС а?* с требуемой точностью 5др в условиях

ограниченного времени квазистационарного состояния канала связи А?' и возможности применения моделей (6), (7), (8), (11). Следовательно, важно соблюдение условия А? > А?*,

что предъявляет дополнительные требования к моменту подключения контролирующего РПУ2.

На рис. 14 представлен алгоритм КТС средств радиосвязи РЛ в процессе функционирования с учетом предварительной оценки сигнальной и помеховой обстановки в канале связи.

Рис. 14. Алгоритм КТС средств радиосвязи РЛ в процессе функционирования с учетом предварительной оценки сигнальной и помеховой обстановки в канале связи

Алгоритм, представленный на рис. 14, в отличие от алгоритма на рис. 6, содержит три дополнительных блока: 8, 10, 11. В блоке 8 осуществляется измерение отношения сигнал/шум й02 и т параметра согласно уравнения (модели) (11), в блоке 10 производится предварительная оценка значения вероятности ошибки в канале связи и его сравнение с пороговым значением в блоке 11 с целью обеспечения требуемой точности 5др относительной

идентификации ТС функционирующего РПУ за требуемое время Дг* <Дг*шах, при условии

Заключение

В статье представлена аналитическая модель контроля технического состояния радиосредств радиолинии в процессе функционирования, произведена оценка ее достоверности и выявлены условия, соблюдение которых обеспечивает требуемую точность идентификации технического состояния средств радиосвязи.

Из модели следует:

1)требование по определению и корректировке основных параметров радиосредств, влияющих на ПКФ (сигнал), и оценка его порогового значения с целью минимизации методической погрешности применяемого способа КТС;

2) необходимость учета на приемной стороне значения ПКФ, формирующих сигнал радиосредств на передающей стороне (ТС окружения);

3) важность предварительной оценки сигнальной и помеховой обстановки перед осуществлением процедуры идентификации технического состояния функционирующего радиоприемного устройства с целью сокращения времени процедуры контроля;

4) возможность ее применения на интервалах времени квазистационарного состояния канала, что является ограничением на время осуществления КТС.

Применение представленной модели позволит выявлять постепенные скрытые отказы и будет способствовать внедрению гибких стратегий ТО благодаря полноте учета данных о фактическом состоянии радиосредств.

Новизна модели заключается в достоверном определении ТС функционирующих радиосредств РЛ на аппаратурном и канальном уровнях, а ее периодическое, своевременное применение позволит сократить интервалы неправильного функционирования, возникающих из-за наличия нераспознанных скрытых отказов.

Совместное применение встроенных средств контроля ТС и предложенной модели будет способствовать идентификации как внезапных, так и постепенных отказов, а также возможности прогнозирования остаточного ресурса радиосредств.

Литература

1. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А. Основные направления модернизации декаметровой системы связи // Техника средств связи. 2019. № 1 (145). С. 13-25.

2. Аллакин В.В., Голюнов М.В. Анализ научно-методического аппарата удаленного мониторинга технического состояния информационно-телекоммуникационных сетей и систем // Техника средств связи. 2020. № 4 (152). С. 17-36.

3. Захаров Г.П., Яновский Г. Г. Интегральные цифровые сети связи // Итоги науки и техники. Электросвязь. Т. 1. М.: ВИНИТИ, 1986. С. 3-101.

4. Клюев В.В., Пархоменко П. П., Абрамчук В. Е. Технические средства диагностирования. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

5. Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1988. - 256 с.

6. Исаков Е.Е. Основные принципы построения устойчивой военной связи и возможные способы их реализации. - СПб.: ВАС, 2015. - 447 с.

7. Федоренко В.В. Модель оптимизационных задач технического обслуживания систем передачи сигналов по фактическому состоянию // Электронное моделирование. 1994. Т. 16. № 1. С. 47-51.

8. Сикарев А.А., Федоренко В.В. Способ ускоренного контроля параметров средств связи // Механизация и автоматизация управления. 1987. № 3. С. 54-56.

9. Федоренко В. В. Математическая модель системы передачи сигналов для решения задач контроля // Электронное моделирование. 1991. № 6. С. 85-88.

10. Будко П.А., Федоренко В.В. Управление в сетях связи. Математические модели и методы оптимизации: Монография. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2003. - 539 с.

11. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М.: Издательство физико-математической литературы, 1962. - 870 с.

12. Федоренко В.В. Способ контроля средств радиосвязи по показателю качества // Механизация и автоматизация управления. 1991. № 2. С. 19-22.

13. Голюнов М.В. Своевременность контроля технического состояния средств радиосвязи // Техника средств связи. 2021. № 4 (156). С. 61-68.

14. Поборчая Н.Е. Анализ влияния априорной неопределенности относительно дисперсии аддитивного шума на работу алгоритмов оценивания параметров сигналов // Электросвязь. 2021. №2. С. 39-42.

15. Бакланов И.Г. Тестирование и диагностика систем связи. - М.: Эко-Трендз, 2001. - 264 с.

16. Сикарев А.А., Соболев В.В. Функционально устойчивые демодуляторы сложных сигналов. - М.: Радио и связь, 1988. - 224 с.

17. Сикарев А.А., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. -М., «Связь», 1978. - 328 с.

18. Семисошенко М.А. Помехоустойчивость линий декаметровой радиосвязи, осуществляющих передачу дискретных сообщений ионосферными волнами // Радиотехника, электроника и связь: сборник докладов V Международной научно-технической конференции (Омск, АО «ОНИИП», 07-09 октября 2019 г.). С. 9-16.

19. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 704 с.

20. Мешалкин В.А., Сосунов Б.В. Основы энергетического расчета радиоканалов. - СПб.: ВАС, 1991. - 110 с.

21. Федоренко В.В., Будко П.А. Расчет эксплуатационных допусков на параметры каналообразующей аппаратуры // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2000. № 4. С. 55-60.

22. Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи / Под ред. проф. Головина О.В. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 598 с.

References

1. Nikolashin Y.L., Budko P.A., Zhukov G.A. The Main directions of modernization decameter communication system. Technics of means of communication. 2019. № 1 (145). Pp. 13-25 (in Russian).

2. Allicin V.V., Golunov M.V. Analysis of scientific and methodological apparatus for remote monitoring of the technical condition of information and telecommunication networks and systems. Technics of means of communication. 2020. № 4 (152). Pp. 17-36 (in Russian).

3. Zakharov, G.P., Yanovsky G.G. Integrated digital communication network. Results of science and technology. Telecommunication. T. 1. Moscow: VINITI, 1986. Pp. 3-101 (in Russian).

4. Klyuev V.V., Parkhomenko P.P., Abramchuk V.E. Technical means of diagnostics. Moscow: Mechanical Engineering, 1989. 672 p. (in Russian).

5. Davydov P.S. Technical diagnostics of radio-electronic devices and systems. Moscow: Radio and Communications, 1988. 256 p. (in Russian).

6. Isakov E.E. The basic principles of building a stable military communication and possible ways to implement them. St. Petersburg: VAS, 2015. 447 p. (in Russian).

7. Fedorenko V.V. Model of optimization tasks of maintenance of signal transmission systems according to the actual state. Electronic modeling. 1994. T. 16. № 1. Pp. 47-51 (in Russian).

8. Sikarev A.A., Fedorenko V.V. Method of accelerated control of parameters of means of communication. Mechanization and automation of control. 1987. № 3. Pp. 54-56 (in Russian).

9. Fedorenko V.V. Mathematical model of a signal transmission system for solving control problems. Electronic modeling. 1991. № 6. Pp. 85-88 (in Russian).

10. Budko P.A., Fedorenko V.V. Management in communication networks. Mathematical models and optimization methods: Monograph. Moscow: Publishing House of Physical and Mathematical Literature, 2003. 539 p. (in Russian).

11. Vygodsky M.Ya. Handbook of Higher Mathematics. Moscow: Publishing House of Physical and Mathematical Literature, 1962. 870 p. (in Russian).

12. Fedorenko V.V. Method of control of radio communication facilities by quality indicator. Mechanization and automation of management. 1991. № 2. Pp. 19-22 (in Russian)

13. Golyunov M.V. Timeliness of monitoring the technical condition of radio communications equipment. Technics of means of communication. 2021. № 4 (156). Pp. 61-68 (in Russian).

14. Poborchaya N.E. Analysis of the influence of a priori uncertainty regarding the dispersion of additive noise on the operation of algorithms for estimating signal parameters. Telecommunication. 2021. № 2. Pp. 39-42 (in Russian).

15. Baklanov I.G. Testing and diagnostics of communication systems. Moscow: Eco-Trends, 2001. 264 p. (in Russian).

16. Sikarev A.A., Sobolev V.V. Functionally stable demodulators of complex signals. Moscow: Radio and Communications, 1988. 224 p. (in Russian).

17. Sikarev A.A., Falko A.I. Optimal reception of discrete messages. Moscow, "Svyaz", 1978. 328 p. (in Russian).

18. Semisoshenko M.A. Noise immunity of decameter radio communication lines transmitting discrete messages by ionospheric waves // Radio engineering, electronics and communications: collection of reports of the V International Scientific and Technical Conference. 2019. Pp. 9-16 (in Russian).

19. Polovko A.M., Gurov S.V. Fundamentals of reliability theory. St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2006. 704 p. (in Russian).

20. Meshalkin V.A., Sosunov B.V. Fundamentals of energy calculation of radio channels. St. Petersburg: VAS, 1991. 110 p. (in Russian).

21. Fedorenko V.V., Budko P.A. Calculation of operational tolerances for parameters of channel-forming equipment. Radioelectronics. 2000. № 4. Pp. 55-60 (in Russian).

22. Golovin O.V., Prostov S.P. Systems and devices of short-wave radio communication. Edited by Professor Golovin O.V. Moscow: Hotline - Telecom, 2006. 598 p. (in Russian).

Статья поступила 25 марта 2022 г.

Информация об авторах

Голюнов Михаил Валерьевич - Адъюнкт кафедры Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного. Адрес: г. Санкт-Петербург, Тихорецкий проспект, д. 3. Тел.: +7 (812) 247 - 98 - 42. E-mail: [email protected].

Analytical model for monitoring the technical condition of radio equipment of radio line in the process of functioning with a preliminary assessment of the signal and interference situation in the communication channel

M.V. Golyunov

Annotation: The article presents a model for monitoring the technical condition of radio facilities in the process of operation. Application of the presented model will allow to reveal gradual latent failures, arising in the process of radio facilities operation due to deviations (drift) of parameters beyond tolerance limits. To identify this type offailures, elimination of deviations, annual technical maintenance (preventive maintenance system) with the involvement of engineering and technical personnel and measuring instruments is currently carried out. As practice shows, maintenance by the engineering staff with low qualification often leads to inoperability of radio facilities on the one hand, as well as the existence of long periods, hidden from the operating services, with the causes of reduced technological indicators of communication facilities, which are many days and even many months in nature, on the other hand. In this case, for the transition from the planned preventive maintenance strategy of communication facilities and systems to maintenance according to the actual technical condition, the development of reliable automated means of technical condition monitoring, working both in continuous and discrete modes is necessary. The aim of the work is to reliably identify the technical condition of radio facilities in the process of radio link operation. The novelty of the work consists in the system approach to the definition of the technical state of radio facilities in the process of their functioning, taking into account the "technical state of the environment", which is expressed in the evaluation of the quality of the signal formed by the transmitting device in the environment of the receiving radio centers and the joint influence of the transmitting and receiving parties to the main target indicator - the probability of communication with the required reliability (error probability) in the formed radio links. Result: the analytical model of the relative identification of the technical condition of the functioning radio receiver device was obtained, and the conditions for ensuring the required reliability of determining its technical condition were identified. Practical significance lies in the possibility of using the obtained analytical model for monitoring the technical condition of functioning radio facilities, which will allow to detect the onset of gradual hidden failures in a timely manner.

Keywords: technical condition monitoring, maintenance, failure, radio line, radio facilities, probability of error.

Information on Autor

Mikhail Valeryevich Golyunov - Adjunct of the Department of the Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny. Address: St. Petersburg, Tikhoretsky Prospekt, 3. Tel.: +7 (812) 247 - 98 - 42. E-mail: [email protected].

Для цитирования: Голюнов М.В. Аналитическая модель контроля технического состояния радиосредств радиолинии в процессе функционирования

с предварительной оценкой сигнальной и помеховой обстановки в канале связи // Техника средств связи. 2022. № 1 (157). С. 69-95.

For citation: Golyunov M.V. Analytical model for monitoring the technical condition of radio equipment of radio line in the process of functioning with a preliminary assessment of the signal and interference situation in the communication channel. Means of Communication Equipment. 2022. No. 1 (157). Pp. 69-95 (in Russian).