CC BY
111
ЛОГИКО-ЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ АВТОМАТОВ
Деев
Владимир Викторович,
д.т.н., профессор, старший преподаватель кафедры технологий и средств комплексной обработки и передачи информации Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского
г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Кудрявцев
Александр Михайлович,
д.т.н., профессор кафедры радиоэлектронной разведки и радиоэлектронной борьбы Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Копичев
Олег Андреевич,
адъюнкт кафедры радиоэлектронной разведки и радиоэлектронной борьбы Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
?
О л л С
Ключевые слова:
электромагнитная обстановка; радиоэлектронное средство; непрерывно-дискретная система; гибридный автомат, гибридная система; сценарий.
Системы производственных и социально-экономических отношений характеризуются активным применением средств радиосвязи различного назначения. Увеличение количества служб радиосвязи, загруженность и ограниченность радиочастотного спектра как природного ресурса вызывают необходимость его эффективного использования. Представлена общая методика имитации электромагнитной обстановки, под которой понимается совокупность электромагнитных излучений, формируемых множеством мобильных объектов, с установленными радиоэлектронными средствами, объединенных в системы: связи, передачи данных, радиотехнического обеспечения, навигации и т.д. Оценка электромагнитной обстановки ведется службами радиомониторинга в интересах распределения радиочастотного спектра, частотно-территориального и территориально-энергетического планирования. Основные параметры электромагнитной обстановки, такие как интенсивность, мощность и плотность излучения, определяются функционированием множества мобильных объектов с установленными радиоэлектронными средствами. Однако, ее динамику в точке приема, выраженную в изменении количества и мощности излучения множества мобильных объектов с установленными радиоэлектронными средствами в полном объеме невозможно выразить количественными характеристиками. Имитация пространственно-временного и частотно-энергетического функционирования мобильных объектов с установленными радиоэлектронными средствами во многом определяется качественными показателями. Предлагаемый авторами подход предполагает разработку моделей мобильных объектов с установленными радиоэлектронными средствами и математическое описание различных режимов их работы и пространственного размещения. Особенности функционирования радиоэлектронного средства рассматриваются с позиции непрерывно-дискретных (гибридных) систем и в формализованном виде представлены гибридным автоматом. Под гибридным автоматом понимается система переходов, в которой каждой вершине соответствует область пространства состояний системы, характеризующая ее непрерывное поведение между событиями, приводящими к их смене. Рассмотренная обобщенная модель радиоэлектронного средства на мобильном объекте, смена режимов и условий работы которого определяются дискретными переходами, имитация применяемых радиосигналов описывается непрерывными процессами. Размещение в пространстве, общее количество радиоэлектронных средств, изменение режимов и параметров их работы предлагается описывать на основе логико-временного сценария, представляющего причинно-следственную сеть, в которой последовательность вершин, трактуется как последовательность действий, которые необходимо реализовать на пути к конечной цели.
Системы производственных и социально-экономических отношений характеризуются активным применением систем радиосвязи различного назначения. Увеличение количества различных служб радиосвязи, загруженность и ограниченность радиочастотного спектра (РЧС) как природного ресурса диктуют необходимость его эффективного использования.
Решение этой задачи предполагает наличие инструмента оценки электромагнитной обстановки (ЭМО). В рамках статьи под ЭМО понимается совокупность электромагнитных излучений, формируемых множеством мобильных объектов, с установленными радиоэлектронными средствами (МО РЭС), объединенных в системы: связи, передачи данных, радиотехнического обеспечения, навигации и т.д., а также источниками помех естественного происхождения.
Оценка ЭМО осуществляется службами радиомониторинга в интересах контроля использования и распределения РЧС, а также различными организациями в сфере радиосвязи для частотно-территориального и территориально-энергетического планирования в условиях высокой абонентской плотности.
ЭМО характеризуется количеством, мощностью, пространственно-территориальной плотностью излучений и интенсивностью естественного фона. В точке приема ЭМО представляет групповой радиосигнал в форме аддитивной смеси электромагнитных полей с высокой спектральной и временной плотностью [1].
Существующие аппаратно-программные средства позволяют формировать модели радиосигналов различных типов и применять их для имитации работы МО РЭС в различных режимах радиоизлучения. Основные параметры ЭМО, такие как интенсивность, мощность и плотность излучения, определяются функционированием множества МО РЭС. Однако, динамику ЭМО в точке приема, выраженную в изменении количества и мощности излучения множества МО РЭС в полном объеме невозможно выразить количественными характеристиками. Имитация пространственно-временного и частотно-энергетического функционирования мобильных объектов с установленными РЭС во многом определяется качественными показателями, связанными с процессами в социально-экономической и производственной сферах деятельности государства [2].
Особенности функционирования и характеристики основных состояний МО РЭС могут быть описаны на основе логико-временного сценария [3]. Сценарий представляет собой причинно-следственную сеть, в которой последовательность вершин, трактуется как последовательность действий, которые необходимо реализовать на пути к конечной цели [4].
Сценарий определяет последовательность изменения параметров функционирования МО РЭС, формирующих единую электромагнитную обстановку, в зависимости от состояния и деятельности объектов экономической и социально-производственной сферы. С позиции математического описания функциональ-
ных свойств объекта исследования, радиоэлектронное средство характеризуется совокупностью дискретных и непрерывных состояний. К дискретным состояниям можно отнести изменение режимов работы, непрерывные процессы включают непосредственную работу радиоэлектронных средств на излучение радиосигналов. Такое непрерывно-дискретное поведение характерно для многих систем автоматического управления, в которых имеются непрерывный объект управления и дискретное устройство управления (контроллер). Системы, имеющие как непрерывные, так и дискретные аспекты поведения называются гибридными (также используются термины «непрерывно-дискретные системы», «системы с переменной структурой», «собы-тийно-управляемые») [5].
К современным методам моделирования непрерывно-дискретных систем относятся математические схемы на основе гибридных автоматов. Часть переменных гибридного автомата и соответствующих им состояний описываются дифференциальными уравнениями или аналитическими функциями. Гибридный автомат представляется ориентированным графом, вершинам которого сопоставляются качественные состояния системы и приписываются непрерывные действия, которые выполняются пока данное состояние является текущим.
Гибридной системой называется следующая конструкция:
H = {5, X, E, F, P, Z, X} (1)
5 - конечное множество состояний (локаций); X = {Хл, Хс} - конечное множество вещественных переменных, где Хй - множество дискретных перемен-ныхХА = {ХАе ^ и Воо1 | I = 1..пД,Хс = {Хс е I = 1..н}, где Хс - множество непрерывных переменных; Е - конечное множество дуг.
е = (5, а, Р Х&,), 5')е Е, где 5, 5' е Б - исходная и целевая локации для дуги е, ае2 , 2 - алфавит меток переходов (алфавит событий);
F - оператор локального поведения внутри каждой локации (система дифф. включений, дифф. уравнений или аналитических функций)
Р - множество логических предикатов над Х, описывающих условия перехода по дугам Е, Р ={р. (£, Хл) е ВооЦ1 = 1..тр};
1 - множество предикатов над Х, описывающих область значений переменных Х в локациях 5 е 5, Z={z (£, Х) е Я|1 = 1..т}
X - множество начальных значений переменных множества X для каждой локации.
Состояние гибридной системы определяется вектором значений переменных х е Х и локацией 5 е 5, к которой этот вектор относится (т.е. Р(х) = Тгие ^5). Поэтому состоянием гибридной системы называется пара (5, х), 5 е 5, х е Х. Моделирование глобального поведения системы переходов заключается в построении множества вычислений цепочек пар (5.,
Представим модель функционирования МО РЭС в виде ориентированного графа переходов состояний ги-
бридного автомата С={Б;Е}, изображенного на рис 1. Множеству вершин графа 5 соответствуют состояния, характеризующиеся непрерывными процессами - режимами радиоизлучения радиоэлектронных средств. Дуги Е графа определяют условия перехода между вершинами и в рамках гибридной схемы являются дискретными мгновенными событиями.
Характеристики современных радиоэлектронных средств позволяют использовать несколько стандартов радиосвязи, в том числе режимы автоматической установки связи. На рис. 1 представлен обобщенный вариант модели функционирования МО РЭС, предполагающий наличие нескольких режимов работы.
1\0 _|_
h
t,+0 —L
So
Si s2
Рис. 2. Модельное время
происходит мгновенная смена t=0 состояний автомата Состоянию 51 соответствует непрерывный процесс на интервале ^+0; Если состоянию не приписано никакого непрерывного отображения, то все переменные сохраняют свои значения. Переменная t изменяется независимо (это принципиальное отличие от обычного конечного автомата) и выполняются непрерывные действия [5].
В состояниях Б1, Б2 и Б3 поведение системы характеризуется непрерывными процессами, каждому из которых соответствует конкретный вид излучения (стандарт радиосвязи), сформированного на основе имеющихся имитаторов радиосигналов. Параметры такого состояния представлены выражением:
= (/('))£(')) е с Щ * wj,/ е/1
(2)
Рис. 1. Модель функционирования МО РЭС
50 - начальное состояние РЭС - выключено.
Каждое из состояний S1, S2 и S3 может быть конечным.
51 - режим автоматической установки связи.
52 - стандарт радиосвязи 1.
53 - стандарт радиосвязи 2.
Множество дуг E = {е01, е12, е21, е13, е31>.
Алфавит меток переходов состояний автомата ^={а, а, а21, а13, а31>, элементы переменныхXd={%kn, Q2>.
Переход из состояния в состояние по дугам определяется истинностью предиката
Po1(t, Xd01, a01) = true: S0^S1;,
P12(t, Xdl2, a12)=true: S1^S2;
P21(t Xd2V a21)=true: S2^S{;
Plз(t, Xdlз, a13) = true: S1^SV
Pзl(t, Xd3l, a31) = true: S3^S1.
Фазовая траектория автомата G в пространстве состояний SxT представляет собой последовательный процесс, в котором дискретные события перехода из одного состояния в другое осуществляются мгновенно. В каждом состоянии время протекает непрерывно. Таким образом, модельное (гибридное) время состоит из отрезков, в которых непрерывное течение времени сменяется дискретными отсчетами. Все отрезки пронумерованы и представляют некоторую упорядоченную последовательность. Локальное дискретное время позволяет упорядочивать мгновенные действия. На рис. 2 графически представлен пример модельного времени.
В момент t система находится в начальном состоянии S0 не содержащем никаких действий. При выполнении условий истинности предиката p01(t, а) = true
Ж(0 е Щ = \Х'—Х-.} е - индекс применяемого режима (вида) радиоизлучения, принимает дискретные значения.
£(/) е т' е X. - вектор непрерывнозначных параметров (ширина частотного спектра, скорость передачи, мощность излучения).
ик - бинарное отношение на множествах значений ткх, ткх определяющее связь х и
Для описания режимов работы МО РЭС, соответствующих состояниям гибридного автомата с непрерывным поведением, составляются дифференциальные уравнения. Индекс х определяет режим излучения и его параметры в уравнениях для в соответствии с которыми реализуется определенная структура уравнений, имеющая общий вид [3]:
то
дI
(3)
Vх (&), ^(£,0 - преобразующие функционалы, определенные режимом радиоизлучения. т(0 - центрированный вектор параметров режима излучения (каждоехе тк определяет подмножество тк,стк
ч г Х £ к
значений т.е. зависимость изменения параметров тк^ радиоизлучения от ткх индекса режима излучения).
В рассмотренном подходе формирования модели МО РЭС, имитация физических характеристик их излучений осуществляется включением существующих моделей радиосигналов в локальные позиции гибридного автомата, по схеме представленной выражением (2,3). В рамках модели задаются основные параметры излучения МО РЭС на основе сценария развития ЭМО. Для объединения отдельных МО РЭС в состав систем связи используются правила композиции гибридных автоматов.
Переход между состояниями определяется двумя правилами:
дискретный переход при фиксированном времени выполняется при условии рп(^ Хп, ап) = ^ие: 5^5п;
(sX) —» (.v,X,)
(4)
(5)
Qj= B(rq, x) л O(rq, l) — M(rq, l, v) л -л - B(r x) — B(r y) л - B(r x)
Qj= B(r , x) л O(r , l) л M(r , l, v)
—>
— B(rq, y) л - M(rq, l, v) л - B(rq, x)
q
q
временной переход - увеличение времени внутри локации с преобразованием непрерывных переменных (время относительное)
Кроме последовательной смены основных режимов функционирования МО РЭС, сценарий предусматривает изменение пространственного положения источника радиоизлучения. Пространственно-временное размещение МО РЭС на картографической основе осуществляется в соответствии с составленной или сформированной по случайному закону распределения схемой их перемещения.
На рис. 3 вершины неориентированного связного графа соответствуют фиксированным пунктам в пространстве, а ребра маршрутам перемещения. МО РЭС ге Я, может выполнять ряд действий: ц1(х) - фиксировать местоположение х; ц2(1) - выбирать маршрут следования ?=(1...6), ц3(1, у) - двигаться по маршруту I со скоростью у. Для определения логики пространственного перемещения МО РЭС задаются предикаты: В(г х) -РЭС находится в пункте х, 0(г, I) - д-ым МО РЭС выбрано направление по маршруту I, М(гд, I) - РЭС движется по маршруту у.
Рис. 3. Вариант схемы перемещения МО РЭС
Истинность предикатов определяется их соответствием рассматриваемым вариантам поведения РЭС:
^ В(гд,х); /и2(1) ^ 0(г, I); Из(1, у) ^М(г, I, У) (6)
Возможные действия МО РЭС по изменению своего местоположения представляются в виде следующих схем:
Исходя из структуры предусловия и следствия, предикатная схема (7) подразумевает имитацию движения МО РЭС с конечным значением скорости, схема (8) целесообразна при мгновенном изменении местоположения.
Выражения (7, 8) тождественны и применяются для описания перемещения модели МО РЭС в пространстве. Время и условия достижения конечного пункта движения закладываются в сценарии развития обстановки и также могут быть выражены в виде предикатных схем.
В рассмотренном подходе формирования модели МО РЭС, установленного на мобильном объекте, имитация физических характеристик излучения радиоэлектронного средства осуществляется включением существующих моделей радиосигналов в локальные позиции гибридного автомата, по схеме представленной выражением (3). В рамках модели задаются основные параметры излучения и пространственно-временного размещения МО РЭС (выражения 4, 5) на основе сценария развития ЭМО. Для объединения отдельных РЭС в состав систем связи используются правила композиции гибридных автоматов.
Данный подход позволит изучить взаимное влияние и электромагнитную совместимость множества радиоэлектронных средств в условиях загруженности РЧС. На основе моделей МО РЭС возможно изучение и определение технических возможностей функционирования систем мобильного радиосервиса при высокой абонентской плотности на ограниченных территориях.
Литература
1. Желнин С.Р., Челышев В.Д. Основы построения цифровых радиоприемных устройств. Научно-практические и методические материалы. СПб.: ВАС, 2011. 184 с.
2. Заика П.В., Копичев О.А. Имитационное моделирование радиоэлектронной обстановки на основе агрегативного подхода // Радиотехника, электроника и связь: сб. докладов III Междунар. науч.-технической конф., Омск, 6-8 октября 2015. Омск: Омский научно-исследовательский институт приборостроения, 2015. С.207-212.
3. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиоэлектронной разведки. М.: Радиотехника, 2004. 432 с.
4. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления. М.: Энергоиздат, 1981. 232 с.
5. Колесов Ю.Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 240 с.
Для цитирования:
Деев В.В., Кудрявцев А.М., Копичев О.А. Логико-лингвистический подход к моделированию электромагнитной обстановки на основе гибридных автоматов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 2. С. 43-47.
LOGIKO-LINGVISTICHESKY THE APPROACH TO MODELLING OF THE ELECTROMAGNETIC SITUATION ON THE BASIS OF HYBRID AUTOMAT
Deev Vladimir Viktorovich,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
Kudryavtsev Alexsandr Mikhailovich,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
Kopichev Oleg Andreevich,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
Abstrart
System of production and socio-economic relations are characterised by active use of radio communications for various purposes. The increase in the number of Radiocommunication services, the workload and the limited radio spectrum as a natural resource causes the need for its effective use. The article presents General methods for simulation of electromagnetic environment, which is understood as the totality of electromagnetic radiation, generated by a large number of mobile objects, with established radio-electronic means, are combined in the system: communication, data communication, electronic security, navigation, etc. Assessment of electromagnetic environment is conducted by the radio monitoring services in the interests of radio spectrum allocation, frequency-territorial and territorial and energy planning. Basic parameters of electromagnetic environment, such as intensity, power and density of radiation are determined by the functioning of multiple mobile objects with the established electronic means. However, its dynamics at the point of reception, expressed as a change in the number and radiated power of a plurality of mobile objects with established radio-electronic means in full it is impossible to Express quantitative characteristics. Simulation of spatio-temporal and frequency-energy performance of a mobile object with mounted radio-electronic means is largely determined by the quality indicators. The offered approach involves the modelling of mobile objects with the established electronic means and the mathematical description of the various modes of their operation and spatial distribution. Features of functioning of radio-electronic means are considered from the perspective of continuous-discrete (hybrid) systems and formalized presents a hybrid machine. Under a hybrid automaton is a system of navigation in which each vertex corresponds to a region of the state space of the system, describing continuous behavior between events, leading to their shift. Considered a generalized model
of radio-electronic means on a mobile object, changing modes and conditions determined by the discrete transitions, the simulation of the applied radio signals is described by continuous processes. Location in space, the total number of radio-electronic means, change modes and parameters of their work are encouraged to describe on the basis of logico-temporal scenario representing a causal network in which a sequence of vertices interpreted as a sequence of actions that must be implemented towards the ultimate goal. Keywords: electromagnetic situation; radio-electronic means; continuous and discrete system; hybrid automat; hybrid system; scenario.
References
1. Zhelnin S.R., Chelyshev V.D. Osnovy postroeniya tsifrovy-kh radiopriemnykh ustroistv. Nauchno-prakticheskie i meto-dicheskie materialy [Bases of creation of digital radio intakes. Scientific and practical and methodical materials]. St. Peterburg, Voennaya akademiya cvyazi, 2011. 184 p. (In Russian).
2. Zaika V.P., Kopichev O.A. Radiotekhnika, elektronika i svyaz': Sbornik dokladov III Mezhdunarodnoi nauch-no-tekhnicheskoi konferentsii [The collection of reports of III International scientific-technical conference "Radio engineering, electronics and communication"], Omsk, October 6-8, 2015. Omsk, Omskiy nauchno-issledovatel'skiy institut priborostroeniya Publ., 2015. Pp. 207-212. (In Russian).
3. Radziyevsky V.G., Sirota A.A. Teoreticheskie osnovy radi-oelektronnoi razvedki [Theoretical bases of radio-electronic intelligence]. Moscow, Radiotekhnika, 2004. 432 p. (In Russian).
4. Pospelov D.A. Logiko-lingvisticheskie modeli v sistemakh upravleniya [Logic and linguistic models in control systems]. Moscow, Energoizdat, 1981. 232 p. (In Russian).
5. Kolesov Y.B. Ob"ektno-orientirovannoe modelirovanie slozhnykh dinamicheskikh sistem [Object-oriented modeling of difficult dynamic systems]. St. Peterburg, Sankt-Peterburgskii Gosudarstvennyi Politekhnicheskii Universitet Publ., 2004. 240 p. (In Russian).
Information about authors:
Deev V.V., Ph.D., professor, senior lecturer of the Military Space Academy;
Kudryavtsev S.M., Ph.D., professor of the Military Academy of Signal Communications;
Kopichev O.A., postgraduate student of the Military Academy of Signal Communications.
For citation:
Deev V.V., Kudryavtsev S.M., Kopichev O.A. Logiko-lingvistichesky the approach to modelling of the electromagnetic situation on the basis of hybrid automat. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 2. Pp. 43-47.
WWW.H-ES.RU
47
