CC BY
83
Научно-исследовательское отделение.
Начальник.
Zolotovsky Victor Evdokimovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-428.
Department of Computer Engineering.
Professor.
Gilvanov Marat Faritovich
FRPC OJSC "RPA “Mars”.
E-mail: [email protected].
20, Solnechnaya street, Ulyanovsk, 432022, Russia.
Phone: 8(8422)262-772.
Chief of research branch.
УДК 519.6: 621.37
А.Ф. Кононов О ПРОБЛЕМЕ СИНТЕЗА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ХАОТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ: СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД
В работе рассмотрены проблемы, возникающие при осуществлении управляемой хаотической синхронизации. Выполнение процедуры конструирования систем передачи данных осложняется появлением ряда новых задач,
,
.
Динамический хаос; передача информации; управляемая хаотическая .
A.F. Kononov
ABOUT THE PROBLEM OF DATA COMMUNICATION SYSTEM SYNTHESIS WITH CHAOTIC CARRIER: SYNERGETICS APPROACH
This paper is an attempt to explore some new problem concerning controlled chaotic synchronization. This procedure maked difficult by systems significant nonlinearity as well as appearing of some new problems, e.g. control law synthesis in reconstructed state space.
Dynamics chaos; data communication; controlled chaotic synchronization
Использование хаотических колебаний в качестве носителей информации имеет как ряд достоинств, так и недостатков [1]. Известно несколько способов организации ввода информационного сигнала в хаотическую несущую.
В самом простом случае информационный сигнал перемножается с сигналом . -
,
восстановлен при условии существования идентичного синхронного хаотиче-. -щей стороне может выполняться внешним сигналом, например, от системы GPS .
Для хаотических генераторов введено следующее определение фазы: это переменная, соответствующая нулевому ляпуновскому показателю, или координата вдоль траектории в фазовом пространстве [2]. В случае цифровой реализа-, -корения на некоторое время темпа численного решения уравнений системы. Эквивалентный способ допустим как для дискретного, так и непрерывного способа реализации и состоит в пропорциональном изменении на некоторый промежуток времени всех постоянных времени системы (или правых частей дифферен-, ). за относительно короткое время переместиться вдоль фазовой траектории, лежащей на аттракторе системы, что требует дополнительных энергетических затрат. Этот процесс можно рассматривать как задание новых значений в интеграторах системы; вся сложность в том, что невозможно определить будущие значения координат ИТ, лежащей на аттракторе, не проследив полностью эволю-. -
,
качестве параметра и не существует статического уравнения, связывающего между собой ПС на хаотическом аттракторе.
Необходимость знания будущих значений переменных состояний либо приводит к физической нереализуемое™, либо требует дополнительных затрат (аппаратных или энергетических) при их вычислении. Для систем с периодическим поведением нет разницы, куда смещаться вперед или назад по .
назад во времени путем подачи на выход задержанной временной последовательности. В этом случае цифровая реализация задержки, как в приемнике, так и в передатчике имеет простейший вид очереди или кольцевого буфера.
Аналогом частотной модуляции будет случай, когда темп интегрирования уравнений генератора (или скорость движения ИТ по аттрактору) меняется в соответствии с информационным сигналом. В этом случае спектр мощности выходного колебания будет смещаться в частотной области в соответствии с информационным сигналом.
Для случаев частотной и фазовой модуляции на приемной стороне демодуляция может быть выполнена по упомянутой выше схеме, когда имеется синхронный генератор опорных колебаний.
При цифровой реализации периодических колебаний известен метод прямого цифрового синтеза (direct digital synthesis- DDS), в котором фазе колебаний соответствует значение цифрового интегратора, а частоте - величина приращения интегратора за шаг. Изменение частоты колебаний выходной переменой состояния (ПС) достигается изменением величины приращения инте,
некоторой постоянной к значению интегратора. Отсчеты выходной величины за период колебаний записаны в таблице. Текущее значение интегратора соответствует адресу в таблице значений выходной переменной, а фазовый сдвиг -смещению в адресном пространстве таблицы или перескоку изображающей точки (ИТ) из одной точки в другую точку фазового пространства (ФП).
Достоинствами метода прямого цифрового синтеза (ПЦС) являются:
♦ высокое разрешение по частоте и фазе генерируемого сигнала в результате большого разноса частот выходного сигнала и опорного генератора;
♦
;
♦ изменение частоты без разрывов и изменения формы выходного сиг-
, ;
♦
со старением элементов;
♦ полная идентичность характеристик при реализации нескольких ге, .
Для хаотической динамической системы, непрерывной во времени и пространстве состояний, невозможно построить таблицу значений её ПС, из-за
. -бежно превращение хаотического аттрактора в предельный цикл, возможно, с очень большим периодом. Вследствие конечной разрядности ПС все фазовое пространство разбивается на ячейки фиксированного размера. Поскольку система хаотическая и обладает аттрактором, то существует ненулевая вероят-, -го из предыдущих состояний. В результате округлений отличия между состояниями могут обратиться в ноль и вследствие детерминированности уравнений фазовая траектория замкнется. Описанное свойство, видимо, впервые было обнаружено при исследовании алгоритмических генераторов шума [3]. Из вышеизложенного следует вывод, что при цифровой реализации хаотического генератора множество его значений счетное и более того, имеет конечное чис-. , -ний цифрового хаотического генератора, пусть и достаточно большую, и использовать технологию ПЦС. Применительно к хаотическим системам передачи данных с фазовой модуляцией, можно заметить, что если период предельного цикла близок к величине фазового сдвига, то существует опасность, что факт модуляции приемник может не различить.
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что к системам передачи информации с хаотической несущей могут быть применены классические способы модуляции, но с учетом ряда рассмотренных выше особенно.
Кроме трех рассмотренных выше способов введения информационного сигнала в хаотическую несущую, существует еще целый ряд методов, как основанных на модуляции параметров передатчика, так и не сводящихся к ней [1]. Способы ввода информационной составляющей в хаотическую несущую можно разделить на два основных типа: перенос ИТ в разные области (вдоль
) ; -ка или структуры его аттрактора.
Для извлечения информационного сигнала в некоторых ситуациях может оказаться ненужным знание уравнений и параметров передатчика, поскольку изменение вида аттрактора приедет к изменению его структуры и, следовательно, различных видов фрактальных размерностей, показателей Ляпунова, энтропии. Эти характеристики могут быть определены на основе анализа временной реализации наблюдаемого сигнала передатчика. Также для демодуляции могут использоваться факт изменения спектрального состава колебаний и . -тельных исследований. Кроме того, вычисление характеристик аттрактора в реальном времени требует очень больших вычислительных затрат и разработки специальных алгоритмов.
В литературе описан ряд способов демодуляции информационной после, -ции всех ПС по одной наблюдаемой [1, 4]. Первым недостатком при использовании описанных схем является необходимость высокой идентичности структуры и параметров приемника и передатчика. В тех же работах приводятся требования к степени идентичности, которые необходимы для успешной демодуляции информационного сигнала. В качестве альтернативы предложен синергетический синтез динамического наблюдателя модулируемого параметра на приемной стороне, который максимально смягчает требования идентичности всех параметров передатчика и приемника [5].
Во всех указанных подходах для определения величины модулируемого параметра в приемнике необходимо восстановить ненаблюдаемые ПС передатчика. Для этого уравнения передатчика и приемника приводятся к канони. -, , -вания требуется выполнить такое количество раз, сколько ненаблюдаемых .
помех широкого класса: импульсных, шумоподобных, периодических и т.д. После многократного длительного интегрирования входного сигнала с шумом наблюдается неограниченное накопление погрешности, вызванное шумовой компонентой с отличными от нуля нечетными статистическими моментами. Если выбрать схему восстановления ПС с многократным дифференцированием наблюдаемой переменной, то с каждой операцией дифференцирования существенно возрастает шумовая компонента. В результате при добавлении шума в канале связи демодуляция передаваемого сигнала становится невозможной как при реконструкции интегрированием, так и дифференцированием, что является вторым существенным недостатком указанных подходов.
Третьим недостатком является необходимость установки одинаковых начальных условий интеграторов на передающей и приемной сторонах. Поскольку при симплексном типе передачи отсутствует подготовительная часть (handshaking), -
исходить в разное время. Как следствие начальные состояния интеграторов в
приемнике и передатчике будут разными, что при существующих схемах реконструкции ПС воспринимается как полезный сигнал и приводит к ошибке
.
В качестве альтернативы существующим методам реконструкции фазового пространства передатчика предлагается использовать метод задержек, предложенный Ф. Такенсом [6]. Состояние передатчика на приемной стороне реконструируется в псевдофазовом пространстве (ПФП) из входной последовательности методом задержек. В этом же ПФП по выходному сигналу генератора приемника тем же методом задержек строится ИТ приемника. На основе евклидова расстояния между ИТ передатчика и приемника синергетическим методом вырабатываются управляющее воздействие на переменные со, , -пали в ПФП. В установившемся режиме выходной сигнал устройства управления в приемнике будет содержать информационный сигнал.
В результате предложенного подхода: не требуется операции многократного интегрирования или дифференцирования при реконструкции ненаблюдаемых переменных и имеется низкая чувствительность к аддитивному шуму в канале связи.
После рассмотрения вариантов реализации систем связи с использованием хаотической несущей информационного сигнала возникает вопрос их практической реализуемости. В качестве аргумента «за» можно привести тот факт, что уже сейчас происходит кардинальная смена структуры приемников радиосигналов: на входе приемника имеется широкополосный входной усилитель, на частоте несущей производится аналого-цифровое преобразование, а все операции выделения полезного сигнала выполняются в цифровом виде. Таким образом, практическая реализуемость систем данного типа будет зависеть от успешности построения быстрых алгоритмов, реализующих описанные выше идеи.
Выводы:
1. -
тической несущей могут быть применены классические способы модуляции.
2. Организация предающей стороны и канала связи полностью определяется структурой приемника, который осуществляет восстановление информа-
.
3. , -
чальных состояний передающей и приемной стороны требует разработки новых методов синтеза приемников сигналов с хаотической несущей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дмитриев А.С., Пан ас А.И. Динамич еский хаос: новые носители информации для систем связи. - М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2002. - 252 с.
2. ., ., . . -нейное явление. - М.: Техносфера, 2003. - 496 с.
3. ., ., . .
- М.: Мир, 2001. - 575 с.
4. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах // B.C. Анищенко, В.В. Астахов, Т.Е. Вадивасова, А.Б. Нейман, ГЛ. Стрелкова, Л. Шиманский-Гайер.
- М.,-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. - 544 с.
5. . ., . .
и защиты информации // Межвузовский научный сборник «Управление и информационные технологии - 2007». - Пятигорск: Изд-во ПГТУ, 2007. - С. 23-31.
6. Николае Г., Пригожин И. Познание сложного: Введение. - М.: Изд-во ЛКИ, 2008.
- 352 .
Кононов Антон Федорович
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, . , . , 44.
Тел.: 8(8634)318-090.
Кафедра синергетики и процессов управления.
.
Kononov Anton Fedorovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)318-090.
Department of Synergetics and Control.
Associate professor.
УДК 629.7.072.1
..
ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА БОРТОВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО
АППАРАТА
Рассматриваются вопросы создания информационно-тгоритмического обеспечения для системы радионавигации, основанной на использовании наземной радиомаяковой схемы для коррекции координат летательных аппаратов на завершающем участке траектории. Основное внимание уделено вопросам проектирования схема взаимодействия подсистем навигации и управления в рамках единой бортовой интегрированной системы.
Система ближней радионавигации; бортовая интегрированная система навигации и управления; определение местоположения; коррекция координат.
