CC BY
41
УДК 004.8: 004.71: 519.711.3
А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ КОММУНИКАЦИЙ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ
Аннотация. Проводится анализ влияния внешних воздействий на формирование сигнала в интеллектуальной радиолокационной системе. Предложен подход к обеспечению помехоустойчивости информационных коммуникаций в таких системах, основанный на учете результатов априорного анализа результатов этих воздействий на математических моделях в процессе проектирования.
Ключевые слова: помехоустойчивость, информационные коммуникации,
внешние воздействия, интеллект.
Abstract. The article analyzes the influence of external actions on signal formation in the intellectual radar system. The authors suggest an approach providing a noise immunity of information communications in such systems, based on accounting the results of the aprioristic analysis of these influences on mathematical models in the course of designing.
Key words: noise immunity, information communications, external actions, intellect.
Введение
Проблема обеспечения надежности передачи сигналов при наличии помех является одной из важнейших в прикладной теории информации. Надежность передачи сигналов в радиотехнической системе в значительной мере определяется ее помехоустойчивостью - способностью противостоять вредному воздействию помех [1]. Оценка помехоустойчивости производится на основе рассмотрения соотношения между помехой и сигналом, при котором обеспечивается заданное качество функционирования, например, в радиолокации - на основе рассмотрения отношения сигнала к помехе, при котором обеспечивается заданная достоверность обнаружения (вероятность правильного обнаружения объектов при определенной вероятности ложной тревоги).
Электрические характеристики радиолокационной системы в значительной мере определяются характеристиками используемых антенн. По мере повышения рабочей частоты предъявляются все более жесткие требования к сохранению расчетной формы излучающей поверхности антенны. От расчетного действительный профиль антенны обычно отличается из-за неточности изготовления, искажения формы под собственным весом, а также вследствие непосредственного соприкосновения окружающей среды, так как подвергается внешним температурным (сезонным и суточным изменениям температуры, перегреву поверхности солнечным излучением) и механическим, например ветровым, воздействиям. Вследствие указанных воздействий излучающая поверхность антенны деформируется, изменяя пространственные амплитудно-фазовые распределения источников возбуждения, соответствующие диаграммы направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД) и другие характеристики антенны [2]. Таким образом, указанные
внешние воздействия на антенны влияют также на сигнал и помехоустойчивость систем, использующих эти антенны, и возникает необходимость определения путей повышения устойчивости к этим воздействиям.
1. Постановка задачи
Из-за сложности анализа природы возникновения деформации часто считают случайными и результат их влияния оценивают для семейства уже готовых антенн. Весьма перспективным оказывается детерминированный конечно-элементный подход к математическому моделированию влияния внешних воздействий на характеристики антенн [2] на этапе их проектирования, использующий для исследовании механических и тепловых процессов в антенне дискретное представление. Оно позволяет описать векторы электромагнитного поля Е и Н, создаваемого антенной, совокупностью компонент, формируемых ее отдельными элементами. Зная геометрические и электрические характеристики элементов антенны, можно по узловым точкам определить их центры и оценить новое пространственное положение при деформации конструкции антенны в результате внешних воздействий.
2. Обобщенная структура интеллектуальной радиолокационной системы
Интеллектуальные системы используют для решения сложных задач методы искусственного интеллекта, основанные на использовании знаний. Структура таких систем является многокомпонентной и многосвязной. Обязательными компонентами системы должны быть основная база знаний (БЗ) и ряд подсистем, таких как «Извлечение знаний», «Формирование цели», «Вывод на знаниях», «Диалоговое общение», «Обработка внешней и внутренней информации», «Обучение и самообучение», «Контроль и диагностика» [3]. Взаимодействие компонентов системы отображено на рис. 1.
В общем случае система управления получает задание от оператора, однако возможны варианты автономно работающих систем, обеспечивающих управление без вмешательства оператора по заложенному при настройке критерию цели. При работе с оператором задание в естественной форме (речь, текст, графика) в интерактивном режиме вводится и предварительно обрабатывается подсистемой «Диалоговое общение». Интерактивный режим предполагает не только ввод задания, но и обратную выдачу подтверждений о понимании задания или запросов на уточнение непонятных моментов. Оператор, как правило, может также изначально формировать или корректировать основную и вспомогательные БЗ системы (рис. 1, информационный поток ДМд) изменением содержимого БЗ. Подсистема «Диалоговое общение» для своей работы использует собственную БЗ, содержащую правила анализа и синтеза естественно-языковой или графической информации в ограниченной проблемной области, а также интерпретатор, использующий эту БЗ для преобразования неформализованного задания Z в формализованное T в рамках внутреннего языка системы.
Анализ возможности выполнения задания при существующих на данный момент ресурсах системы и состояниях ее компонентов выполняется подсистемой «Формирование цели», имеющей свою БЗ и интерпретатор, обрабатывающий формализованное задание Т и контрольно-диагностическую информацию K для построения на языке представления знаний о проблеме
(среде) некоторого желаемого варианта решения проблемы (изменении среды) О. При решении о невозможности выполнения задания формируется ответ Я с объяснениями отказа и предложением коррекции задания.
Рис. 1. Обобщенная структура интеллектуальной системы
Основная БЗ, позволяющая решать проблему, т.е. некоторый заранее определенный набор задач управления, должна содержать формализованное в рамках метода и языка представления знаний систем описание среды М, которую должна изменить система, чтобы выполнить задание. Знания о среде формируются подсистемой «Извлечение знаний» в виде компоненты Мто, объединяющей корректирующую информацию от оператора АМ0 и интегрированную внешнюю информацию I. Дополнительные знания о проблеме Мь формируются подсистемой «Обучение и самообучение». Подсистемы имеют собственные БЗ и интерпретаторы для организации процесса формирования знаний и обучения (самообучения) соответственно. Для работы подсистемы «Обучение и самообучение» требуются знания о среде Мю и информация I, содержащая примеры решения отдельных задач управления, если система находится в режиме обучения. Таким образом, в основной БЗ формируется полная модель среды М=Мю + АМЬ.
Обработка цели О и знаний о среде и проблеме М ведется подсистемой «Вывод на знаниях» для прогнозирования и формирования управлений. Эта подсистема, называемая также «Машина вывода», проводит унификацию (сопоставление) О и М и поиск действий для решения проблемы, для чего
использует собственную БЗ, содержащую правила интерпретаций знаний, т.е. унификации и поиска. Получаемая на каждом шаге интерпретации компонента прогнозирования управлений Рр7, приводящая к изменению среды АМП, используется для коррекции модели среды М с целью проверки правильности управлений по критерию сближения Е = О — М. При уменьшении Е за счет такой обратной связи шаг фиксируется как правильный и формируется соответствующий компонент плана проведения на 7-м шаге Рс7. Если же Е увеличивается, коррекция модели М на этом шаге отменяется и ищется новый вариант решения. Полный план поведения, приводящий к нулевому Е, составляется из пошаговых компонент Рс = ЕРс7. Далее он используется для формирования программы действия Р, которая должна обрабатываться исполнительными системами, воздействующими на объекты взаимодействия.
Подсистемы «Обработка внешней информации» и «Обработка внутренней информации» выявляют текущие изменения видов информации с помощью собственных БЗ и интерпретаторов. Получаемая интегрированная информация I используется в подсистеме «Извлечение знаний», а - в подсистеме «Контроль и диагностика». Для получения внешней (С) и внутренней (П) информации могут быть использованы различные устройства, связывающие систему со средой (внешние источники информации), а также определяющие ее состояние (датчики состояний). Их набор определяется проблемной ориентацией системы.
3. Модель управления параметрами системы
Исследование влияния внешних воздействий на параметры ДН микроволновых антенн с различными геометрическими и физическими характеристиками при различных условиях эксплуатации указывает на возможность оптимизации конструкторских решений, однако полностью исключить влияние внешних воздействий не представляется возможным [2]. В связи с этим эффективной оказывается предлагаемая теоретическая модель управления параметрами радиолокационной системы в процессе эксплуатации микроволновых антенн с учетом реальных воздействий окружающей среды и результатов априорного анализа этих воздействий на математических моделях в процессе проектирования. Для реализации такой модели необходимо в процессе эксплуатации микроволновых антенн в радиолокационной системе контролировать климатические параметры окружающей среды: температуру и интенсивность потока солнечного излучения, скорость и направление ветра. Для обеспечения такого контроля, например зеркальной параболической антенны, следует контролировать реальные воздействия окружающей среды на антенну и ее характеристики в соответствии со структурной схемой [2, 4], приведенной на рис. 2.
В соответствии с этой схемой предлагается скорость и направление ветра измерять с помощью анемометра и румба соответственно, которые могут быть объединены в едином метеорологическом приборе анеморумбомет-ре (рис. 2). Эти приборы имеют достаточно высокую точность. Так, например, манометрический анемометр позволяет определить мгновенную скорость ветра с точностью 0,05-0,1 м/с.
Температурные датчики несут информацию о температуре окружающей среды и температуре поверхности отражателя в его характерных точках, например, в вершине параболического отражателя (1 датчик) и в точках на
его кромке в местах ее пересечения (см. рис. 2) с сечениями в главных плоскостях хОг и уОг (т.е. 4 датчика). Полученные данные о скорости и направлении ветра, а также о температуре окружающей среды и отражателя в контрольных точках позволяют получить из базы данных информацию о поведении этого отражателя в конкретных условиях и соответствующих характеристиках излучения антенны. Это дает возможность скорректировать характеристики антенны и сигналы на ее выходе, приблизив их к тем, которые были у антенны без внешних воздействий на нее.
Рис. 2. Схема контроля параметров антенны с учетом воздействий окружающей среды
Таким образом, с учетом данных о состоянии окружающей среды и результатов априорного анализа поведения конструкции антенны в текущих условиях эксплуатации появляется возможность вносить поправки в реальные характеристики антенны и решения, принимаемые радиолокационной системой, в составе которой она используется.
Например, высокие требования к устойчивости параметров радиолокационных систем обнаружения в условиях внешних воздействий требуют решения задач по анализу влияния этих воздействий на характеристики обнаружения.
К наиболее важным параметрам двухпозиционных систем обнаружения относятся геометрические размеры зоны обнаружения (ЗО), появление в которой объекта обнаружения вызывает возникновение полезного сигнала с уровнем, превышающим уровень шума или помехи. При этом система должна обеспечивать заданную вероятность обнаружения Роб в этой зоне.
Другим важными параметром системы является вероятность ложной тревоги рлт . Часто используют не вероятность ложной тревоги, а средний период наработки на ложное срабатывание. При этом период ложной тревоги принимается как среднее время между двумя ложными срабатываниями. Используя этот параметр, можно вычислить среднее число ложных тревог, происходящих за определенный период.
Вероятность ложной тревоги может быть определена по формуле [5]
/*ЛТ - м-1 / ?ЛТ,
(1)
где Т - длительность импульса; г^Т - средний период наработки на ложную тревогу; М - число принятых за время наблюдения импульсов.
Для расчета характеристик обнаружения, устанавливающих связь между вероятностью правильного обнаружения Роб и отношением сигнал/шум q = ^ / N при заданной вероятности ложной тревоги Р^т , может быть использована приближенная формула, справедливая для значений Роб , превышающих 0,5 [5]:
Р = 1
Роб -Т
(
1 + erf
(
1
\
v РЛТ J
(2)
где erf (x) - интеграл вероятности ошибки, который определяется соотношением
erf(x) [
vn *
-t
(3)
Таким образом, значение вероятности правильного обнаружения Роб можно непосредственно найти по известному значению q и требуемому значению вероятности ложной тревоги рлт . Чтобы оценить изменение характеристик обнаружения в реальных условиях эксплуатации, а также их зависимость от параметров антенны, необходимо определить влияние изменений окружающей среды на соотношение сигнал/шум, зависящее от мощности полезного сигнала и мощности шумов и помех, действующих на входе приемника. Мощность принимаемого сигнала Р2 рассчитывается по формуле уравнения мощности для двухпозиционной радиолокационной системы [5]:
Р2 - Р -
G1G2X2 F (4п)2 R '
(4)
где р - мощность сигнала, излучаемого антенной передатчика; 0\, 02 - коэффициенты усиления (КУ) передающей и приемной антенн соответственно; X - длина волны излучения; Рн - наземная дальность между передатчиком и приемником; Е - интерференционный множитель, учитывающий отражение от подстилающей поверхности.
4. Анализ результатов
Для анализа влияния условий эксплуатации и параметров антенны на характеристики обнаружения предположим, что уровень шумов и помех является постоянным, а мощность принимаемого сигнала изменяется. В соответствии с формулой (4) коэффициенты усиления антенн влияют на уровень мощности принимаемого сигнала. Интерференционный множитель Е также влияет на уровень мощности принимаемого сигнала и изменяется под действием окружающей среды не только с изменением состояния подстилающей поверхности, но и при изменении диаграммы направленности антенн.
Коэффициент усиления антенны при воздействии ветровых нагрузок или под тяжестью собственного веса может уменьшаться из-за деформации излучающей поверхности. Для деформаций, обусловленных температурными воздействиями, уменьшение усиления становится еще более значительным [2], а значит, и сильнее изменяются параметры системы. В реальных условиях эксплуатации ветер может влиять как на саму антенну и узлы ее крепления, так и на подстилающую поверхность.
Расчет по вышеприведенным формулам при исходном КУ О^ = О2 = = 34,657 дБ позволил получить следующие зависимости вероятности правильного обнаружения Роб от коэффициента усиления антенн О (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость вероятности правильного обнаружения Роб от коэффициента
—12
усиления антенн О при заданном значении Рлт = 2,381 10 (кривая 1),
10-10 (кривая 2), 10-8 (кривая 3) и 10-6 (кривая 4)
При очень сильных порывах ветра со скоростью до 45 м/с КУ антенны уменьшается на 0,045 дБ [5] и понижает соотношение сигнал/шум с 23,2 до 22,258 . Это соответствует небольшому снижению вероятности обнаружения с 0,98 до 0,977 . Потери КУ при тепловых воздействиях могут составлять более 0,4 дБ и вероятность обнаружения становится менее 0,93 при посто—12
янной вероятности ложной тревоги Рлт = 2,381 10 (рис. 3, кривая 1). Но
при худших заданных значениях вероятности ложной тревоги (рис. 3, кривые 2-4), соответствующих меньшему среднему периоду наработки на ложную тревогу, изменения вероятности правильного обнаружения Роб при снижении КУ антенн менее значительны.
Чтобы обеспечить надежность работы радиолокационной системы обнаружения в условиях высоких требований к ее параметрам, необходимо разрабатывать антенны, устойчивые к внешним воздействиям или же выбирать мощность передатчика с запасом и проектировать антенны с большим КУ так, чтобы влияние неблагоприятных воздействий окружающей среды, даже при максимальной допустимой длине ЗО, не снизило характеристики обнаружения до неприемлемого уровня.
Проведенный анализ влияния внешних воздействий на формирование сигнала в интеллектуальной радиолокационной системе подтверждает перспективность использования результатов априорного анализа этих воздействий на микроволновые антенны на этапе проектирования и учета последствий этого влияния в процессе эксплуатации для обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций в таких системах.
1. Харкевич, А. А. Борьба с помехами / А. А. Харкевич. - М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 280 с.
2. Якимов, А. Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий : моногр. / А. Н. Якимов. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. -
3. Системный анализ и принятие решений : словарь-справочник / под ред.
В. Н. Волковой и В. Н. Козлова. - М. : Высш. шк., 2004. - 614 с.
4. Якимов, А. Н. Информационное обеспечение интеллектуальной радиолокационной системы / А. Н. Якимов, О. Н. Балуков, Д. А. Куликов // Алгоритмы, методы и системы обработки данных : сб. науч. ст. - М. : Горячая линия - Телеком, 2006. - С. 106-112.
5. Горбалысов, М. С. Оценка влияния параметров антенны на характеристики радиолокационной системы обнаружения / М. С. Горбалысов, А. Н. Якимов // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - Вып. 16. -
Заключение
Список литературы
260 с.
С. 148-152.
Якимов Александр Николаевич
доктор технических наук, профессор, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет
Yakimov Alexander Nikolaevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of radio equipment design and production, Penza State University
E-mail: [email protected]
Лебедев Виктор Борисович
доктор технических наук, профессор, кафедра информационного обеспечения управления и производства, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
УДК 004.8: 004.71: 519.711.3 Якимов, А. Н.
Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов,
В. Б. Лебедев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 124-132.
Lebedev Viktor Borisovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of information support for management and production,
Penza State University
