ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВАМАЛОГАБАРИТНОГО ПРИЕМНОГО КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ СВЯЗИ ПОДВИЖНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.35

Ю. Л. Николашин

кандидат технических наук, генеральный директор

В. В. Давыдчик

кандидат технических наук, заместитель начальника отдела

Г. А. Жуков

кандидат технических наук, доцент, ученый секретарь Научно-технического совета ПАО «Информационные телекоммуникационные технологии»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА

МАЛОГАБАРИТНОГО ПРИЕМНОГО КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ СВЯЗИ ПОДВИЖНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА

АННОТАЦИЯ. В статье поставлена задача определения целесообразного состава бортового малогабаритного приемного комплекса средств связи подвижного управляемого объекта, действующего в разнообразных условиях.

Предложена математическая модель функционирования средств связи подвижного управляемого объекта, учитывающая условия обстановки, пространственно-временные особенности движения объекта и требования к использованию средств связи. На основе модели введены показатели эффективности и предложен логико-аналитический метод определения их значений при принятых допущениях.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: подвижный управляемый объект, малогабаритные средства связи, функционирование объекта, математическая модель функционирования средств связи объекта, пространственно-временные особенности движения объекта, требования к средствам связи, показатель эффективности, целесообразный состав, логико-аналитический метод.

Введение

В настоящее время интенсивно развивается направление по созданию маломерных плавучих подвижных объекты двойного назначения, предназначенных для использования в ближних и удаленных районах мирового океана. К классу таких объектов относятся роботизированные комплексы морского базирования (РТК МБ), включая автономные необитаемые катера и автономные необитаемые подводные аппараты.

Для обеспечения эффективного функционирования РТК МБ на них устанавливаются бортовые средства управления и связи, обладающие определенными функциональными возможностями, в том числе по обеспечению приема сообщений от передающих радиосредств пункта управления [1,2,3]. Технический облик бортовых средств связи определяется, как правило, на этапе проектирования и создания таких

объектов, причем к этим средствам предъявляются высокие требования по массогабаритным характеристикам, электропотреблению, условиям и режимам использования, а также к стоимости их создания и срокам изготовления.

Для обеспечения выполнения всей совокупности функциональных требований формируется состав комплекса управления и связи РТК МБ на базе существующих или вновь разрабатываемых технических средств, обеспечивающих достижение требований, предъявляемых к управлению объектом.

Постановка задачи

При создании управляемого объекта (РТК МБ), предназначенного для использования в определенных акваториях (зонах, районах) и средах пространства (поверхность и глубины акваторий), часть площадей объекта, ресурс

электроэнергии и лимит финансирования выделяется для средств управления и связи.

В общей постановке задача состоит в формировании состава комплекса средств управления и связи, обеспечивающего выполнение всей совокупности требований. Решение этой задачи предполагает задание целевой функции и определение показателей эффективности, в качестве которых предлагается использовать вероятностно-временные и пространственные характеристики, обусловленные ожидаемыми состояниями РТК МБ и условиями использования бортового комплекса управления и связи.

Описание модели

Роботизированный комплекс морского базирования может находиться в заданных районах акватории и, двигаясь на различных глубинах, принимать на свои средства связи сообщения от береговых передающих центров. Из числа возможных приемных средств с заданными характеристиками требуется составить (сформировать) бортовой комплекс связи объекта, отвечающий функциональным требованиям, а также массогабаритным и ресурсным ограничениям. Дадим формализованное описание модели.

Имеется Ытипов средств связи, которые могут быть использованы для создания бортового комплекса средств связи объекта. Каждое п-е средство (п = 1, ..., Ы) описывается функциональными и ресурсными характеристиками.

К функциональным могут быть отнесены вероятностно-временные (Рп, Тп) и пространственные (Dn, Нп) характеристики п-го средства, содержание которых будет описано ниже.

К ресурсным относятся массогабаритные (Мп, Уп), энергетические (¡п); и стоимостные (Сп) характеристики п-го средства, где:

Уп — объем (с учетом конфигурации и размеров: длины, ширины, высоты);

Мп — масса;

¡п — потребляемая мощность;

Сп — стоимость разработки и изготовления.

Задача формирования состава бортового комплекса средств связи состоит в нахождении по меньшей мере одного набора средств

К = (пь п2, ..., п, ..., пк), (1)

из числа Ыимеемых средств (1 < i < N, 1 < п < N, 1 < к < N), обеспечивающего достижение требуемых значений функциональных характеристик

(вероятностных (Ртр) , временных (Ттр) и пространственных: дальности (й^р) и глубины связи

(V):

Р > Ртр, Т < Ттр, й > йтр, Н > ктр > к > 0, (2)

(где Н и к — предельная и текущая глубины погружения объекта) при выполнении ограничений к совокупным ресурсным характеристикам

(Mmax, Wmax, Сзад) комплекса средств.

Ограничение по суммарному объему (раз-мерениям) средств бортового комплекса состоит в выполнении условия:

Ук V < V

¿-¡п=1 п - доп-

(3)

Условия выполнения ограничений по массе, потребляемой мощности и по стоимости комплекса имеют вид:

Ук м < м • Ук V < V •

/-1п=1 п-А ЫдоИ> /_1п=г п-г 'дои' У п=1Сп < Сзад.

(3.1)

При этом, если для использования п-го средства на к-й глубине потребуется дополнительное дооборудование РТК МБ, то это может быть учтено в общей стоимости п-го средства (Сп) добавлением к стоимости основной части средства стоимости дооборудования носителя для обеспечения связи на к-й глубине:

С = С(1)+У Н С(2)

п оп =1^ опк'

(4)

где сОп — стоимость основной части п-го средства (учитывающая, при необходимости, стоимость выполнения НИОКР и создания опытных образцов, стоимость изготовления серийного образца и стоимости его эксплуатации);

С(2к — стоимость дооборудования объекта для использования (дополнительной части) средства для к-й глубины.

Решение данной задачи предполагает определение показателя эффективности. С этой целью подробнее рассмотрим структуру вышеназванных характеристик и установим взаимосвязь между ними с помощью математической модели функционирования комплекса, условно состоящей из двух связанных между собой логико-аналитических моделей: вероятностно-временной модели функционирования отдельных средств связи и пространственно-временной модели функционирования комплекса средств связи.

Вероятностно-временная модель функционирования средств связи

Функционирование п-го средства по приему сообщений заданной длины (объема) может осуществляться после приведения средства в готовность (техническую и оперативную, [4]) путем выполнения ряда подготовительных действий, например, посредством включения, проверки и приведения в готовность основных технических и программных элементов средства, развертывания и подключения антенных устройств, обеспечивающих его использования на заданной глубине, а также, возможно, выполнения ряда других подготовительных действий, к основным из которых можно отнести установление энергетического контакта передающих и приемных средств и синхронизацию процессов приема-передачи. Синхронизации может предшествовать проверка связи и, возможно, запрос пароля. Введем соответствующие обозначения: ^от пк _ время необходимое для приведения п-го средства в готовность к использованию на к-й глубине;

Р эпк — вероятность (наличия, установления) энергетического контакта п-го средства на к-й глубине с передающим береговым объектом за время не более t, задаваемая формулой:

Р Эпк 0 ) =

1, если t > 1Г

энерг' конт

0, если t < tr

(5)

энерг конт

Р синхрпк ^ ) = •

11, если t > I

синхр'

0, если t < I

(7)

синхр

где tсинхр = (n, к) — время, необходимое для синхронизации действий приемных и передающих средств в процессе приема-передачи сообщения п-м средством на к-й глубине.

В совокупности перечисленные действия определяют время, необходимое для установле-

ния связи:

^стан пк ^нерг + ^ров + ^инх.

(8)

Если пк0 — момент наступления готовности п-го средства к началу приема, то момент времени завершения однократного приема сообщения будет равен

= ^к0 + tустан пк + t1nк = ^к0 + ^t1пк,

(9)

где tэнерг = ( к) — время, необходимое для

конт

установления энергетического контакта п-м средством на к-й глубине; (здесь и ниже f — обозначение функциональной зависимости;

Р пспк (t) — вероятность проверки связи п-го средства на к-й глубине с передающим береговым объектом за время не более t, задаваемая формулой:

IX если t > tпров; рпровпк (t)=\ , ;ров (6)

I0, если t < tпров,

где tпров = f (п, к) — время, необходимое для проверки связи п-м средством на к-й глубине;

Р синхрпк — вероятность синхронизации процессов приема-передачи сообщения (между ПРД и ПРМ) п-го средства на к-й глубине за время не более t, определяемая по формуле:

где йпк — время однократного приема сообщения заданной длины п-м средством на к-й глубине с заданной достоверностью;

^■^пк = ^стан пк + ^пк

Введем также вероятностные характеристики этих временных величин:

Р1пк — вероятность приема сообщения п-м средством за время ^пк на к-й глубине;

Р 0пк — вероятность готовности п-го средства к приему сообщения на к-й глубине;

Р1пк — вероятность приема сообщения п-м средством за время .

(При этом величины ^пк и Р1пк , как известно, [5, 6], зависят, от таких характеристик как расстояние между передатчиком и приемником, мощность передатчика, чувствительность приемника, направленность антенны и состояние радиотрассы).

Связь между этими вероятностями имеет вид:

Р1 = р 0 . р + Р1

пк пк устан пк пк'

(10)

Если п-е средство находится в состоянии готовности и в формулах (5) — (7) выполнены

условия t > ^нерг, t > tпров, t > ^иш^ то Рустан пк = 1 конт

и вероятность приема сообщения п-м средством за время ^пк на к-й глубине с учетом подготовительных действий в (10) составит: Р1 = Р ■ Р1 = Р1

пк устан пк пк пк

Вероятность приема (доведения) сообщения одним п—ым средством на глубине h за время не более t определим формулой:

„ ( ^-(1 -Р1*), если г>гы; /11Ч Рдовпл (г4 ' н (11)

[0, если г < гм,

где количество (кратность) циклов приема за время г определяется как шп* = целое (г / г1п*).

За показатель возможностей п-го средства примем вероятность приема сообщения п-м средством хотя бы на одной глубине, определяемую формулой:

Р довп (г) = 1 - ПГ=х(1 - Р довпн (г)), (12)

где п-е средство на глубине h (h = 1, ..., Н) за время г выполняет шп* циклов приема.

Для комплекса из N средств вероятность приема (доведения) на глубине h хотя бы одним средством определяется формулой:

Р дов* (г) = 1 -ПГ=х(1 - Р довп* (г)), (13)

где каждое средство на глубине * (* = 1, ..., Н) за время г выполняет шп1г циклов приема.

(Отметим, что в (12) и (13), для простоты записи, Р дов* (г) и Р довп (г) обозначают разные величины соответственно буквам индексов).

За показатель возможностей комплекса из N средств примем вероятность приема сообщения комплексом (доведения до комплекса) хотя бы одним средством хотя бы на одной глубине, определяемую формулой:

Р дов (г ) = 1 -ПН=1(1 - Р дов* (г)). (14)

С другой стороны, очевидно:

Р дов (г ) = 1 -ПН=1(1 - Р довп (г)).

Рассмотрим модель и формулы для определения показателей дальности связи комплекса из N средств.

При этом дальность приема сообщения п-м средством связи в условиях конкретного района на заданной *-й глубине зависит, [5, 6], от множества факторов ..., хг, влияющих на соотношение сигнал/помеха /Жп в точке приема (при заданных чувствительности приемника, направленности антенны, скорости объекта и других заданных характеристиках):

dnh = /тЖп, V*, X!, ..., Xg) , (15)

Дальность приема сообщения n-м средством на h-й глубине в заданных условиях за один цикл приема (с одной передачи) обозначим через d1nh.

Если не учитывать вероятностно-временных характеристик доведения (приема) сообщений и полагать, что дальность связи зависит только от глубины связи (и не зависит от количества передач), то d1nh = dnh = const для каждого средства для каждой глубины), то на глубине h предельная дальность связи будет определяться наибольшим значением дальности средств:

dh = dnh = maxndlnh,

(16)

где для каждой глубины * = 1, ., Н тах берется по п = 1, ..., N п* — номер средства, для которого выполнено (16).

Из(16)следует,что > при 0 < * < *2 < Н.

Примерный характер влияния глубины приема на дальность связи показан на рис. 1.

Л

tk

do i

do

о hi hi

/ln-i Ни

J с- Е-'-3 —f-*

/ /

У

■7 г У ' Обозначение вида зависимости:

- кусочно-линейная аппроксимация

Рис. 1. Пример возможной зависимости дальности связи от глубины погружения платформы-носителя

Приведенные на рис. 1 ориентировочные (кусочно-постоянная и кусочно-линейная аппроксимация) зависимости являются монотонными и характеризуют предельно достижимые дальности связи («лучшими») средствами комплекса данного состава, но не учитывают возможности остальных средств комплекса, то есть не вполне отражают осуществимость (вероятность достижения) этих значений дальности.

Рассмотрим метод оценки дальности приема комплекса средств связи фиксированного состава с учетом вероятностно-временных характеристик средств, составляющих комплекс.

Метод оценки ожидаемых значений дальности связи

Для каждого значения h упорядочим средства по возрастанию дальности приема:

пыИ ■

(17)

И примем, что для п-го средства и конкретного значения дальности 4 величина вероятности доведения РдовпН (7) зависит от 7 и 4 следующим образом (для каждого п и Н):

Р д°впЛ (7 .4) = рдовпл(7), если 4(п-1).л < 4 <;

пН

1°. если 4щН < 4

(18)

Аналогичный показатель для комплекса из N средств для конкретного значения 4 вероятность Р довН (7) доведения на глубине Н хотя бы одним средством из п имеемых в комплексе определим по формуле:

РдовН ((.4) =

Р довН ((.4 ) =

= 1 -П (1 - Р довпн (.4)).

(21)

п=1

Для Н1 < Н2 имеем 0 < Р дов^ (7) < Р дов^ (7) < < 1. что отражено на рис. 2.

Совокупность Р (.4 ) = {Рд овН=1 (7.4). .... РдовН=Н (7.4)} характеризует возможности комплекса связи на различных глубинах для удаления 4.

Предпочтительным из двух комплексов К(1)

= (п(1). й21). .... й(1). ... 41}). к(2) = (п(2). п

(2)

.... п(2) . .... п^ ). может считаться тот. у которого каждая компонента РдовН (.4) в (21) принимает большее значение:

Р(1) (.4) > Р(2) (7. 4) для всех 7 > 0 . (22)

В качестве менее строгого признака предпочтительности комплекса можно принять превышения суммы его компонент РдовН ((.4) :

Р(1) (Н )> Р(2) (Н).

= 1 -П (1 - Р довпн (4 ))

п=1

при 4 < dn=NlН и Н = 1. .... Н.

При этом в Р довпН (7.4) могут быть учтены перечисленные выше в (7). (8) характеристики готовности средств связи:

Р готпн () = Р развАфу пн )*

Х Р ЭпН (72 ) •Р пров пН (73 ) •Р синхрпН ). (20)

где 7 = 71 + 72 + 73 + 74.

Для частного случая. когда эти сомножители не зависят от 7. т. е. являются постоянными коэффициентами. РготпН (7) также не зависит от 7. (В противном случае можно использовать функцию «свертки» или допускать. что закон распределения вероятности позволяет суммировать математическое ожидание и дисперсию случайных величин от времени. [7. 8]. Если при этом надо учесть задержку времени. то можно строить модель с суперпозицией (наложением) временных величин. [8]).

Таким образом. вероятность приема сообщения комплексом на заданном удалении 4 на Н-й глубине равна:

(2) I

(23)

(19) где

Н

Р()(Н ) = ЕРдов((' )(.4). I = 1; 2.

При этом среди комплексов К(1). удовлетворяющих последнему признаку. лучшим можно

считать тот К(1 ). у которого неравенство (23) выполнено для заданной части интервалов глубин АН = {./¡2....}:

РV '(АН) = тахР()(АН).

4 ' 1<г< I

(24)

где I — возможное количество комплексов.

Наконец. обобщающим показателем эффективности комплекса может служить итоговая вероятность приема сообщения комплексом на заданном удалении 4 хотя бы на одной глубине Н): Н

Рдов ((.4 ) = 1 -П(1 - РдовН ((.4). (25)

Н=1

На рис. 2 для фиксированной глубины погружения проиллюстрировано возможное уменьшение вероятности доведения с увеличением длины трасс связи. вследствие сокращения числа используемых при этом средств связи. а также приращение вероятности при увеличении времени связи.

Н

Рис. 2 — Пример возможной зависимости вероятности связи Рцовк (?) на заданной глубине (к) погружения платформы-носителя от длины трассы (дальности связи) (ф

Варианты конкретизации постановки задачи и метод ее решения

В зависимости от целей исследования возможны различные варианты постановки рассматриваемой задачи, в том числе:

А) по показателю вероятность доведения (приема) сообщения за время не более требуемого (заданного):

1) найти состав комплекса, обеспечивающего наибольшую вероятность доведения сообщения за время не более требуемого (заданного) в заданной географической точке акватории (на заданной глубине и заданной дальности);

2) найти состав комплекса, обеспечивающего наибольшую вероятность доведения сообщения за время не более требуемого (заданного) на глубине, не менее заданной, на заданную дальность;

3) найти состав комплекса, обеспечивающего наибольшую вероятность доведения сообщения за время не более требуемого (заданного) на дальность, не менее заданной, на заданной глубине;

Б) по показателю дальность приема (доведения) сообщения:

1) найти состав комплекса, обеспечивающего наибольшую дальность (расстояние) связи на заданной глубине, при удовлетворении требований к значениям ВВХ доведения сообщения и ресурсным характеристикам.

2) найти состав комплекса, обеспечивающего наибольшую глубину связи на заданном расстоянии, при удовлетворении требований к значениям ВВХ доведения сообщения и ресурсным характеристикам.

Общая схема решения задачи предполагает выполнение следующих операций:

1. Из имеющегося перечня средств (каналов) связи формируются возможные варианты состава комплекса.

2. Убираются из дальнейшего рассмотрения варианты, не удовлетворяющие требованиям по МГХ и электропитанию (при этом ограниченность количества вариантов упрощает процедуру выбора).

3. В зависимости от располагаемой исследователем информацией, в соответствии с принятой постановкой задачи выбирается (формируется) показатель эффективности и конкретизируются критерии выбора вариантов.

4. Например, выбираются варианты состава, обеспечивающие наибольшую (требуемую) дальность (или глубину) связи, или варианты состава, обеспечивающие наибольшую вероятность доведения сообщения для заданной (фиксированной) дальности.

Оценивается стоимость вариантов комплекса и в дальнейшем не рассматриваются

варианты, не удовлетворяющие требованиям по стоимости.

По вышеприведенным формулам оценивается эффективность вариантов состава и выбираются варианты, удовлетворяющие требованиям использования по назначению в возможных условиях обстановки и ситуациях использования.

При этом, однако, возможны конкретные требования Заказчика по значениям исходных данных и некоторым ограничениям, при которых задача может иметь несколько решений или не иметь ни одного. В этом случае целесообраз-

но проведение повторных расчетов с итерационным уточнением значений исходных данных.

Выводы

Предложенный подход к моделированию процесса доведения сообщения является достаточно общим и может быть использован для широкой номенклатуры средств связи, а метод решения задачи доступен для практической реализации. В результате выполнения предложенных действий может быть найдено оптимальное или целесообразное решение задачи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Катанович А. А., Тамодин Н. В. Системы связи ВМФ. — СПб.: Судостроение, 2012, 256 с.

2. Агеев М. Д. Автономные подводные роботы. М.: Наука, 2005. — 398 с.

3. Николашин Ю. Л., Мирошников В. И., Буд-ко П. А., Жуков Г. А. Обеспечение устойчивого обмена данными с автономными необитаемыми подводными аппаратами. //Морская радиоэлектроника. 2016, № 1. — С. 44-49.

4. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основ-

ные понятия. Термины и определения.

5. Черенкова Е. Л., Чернышев О. В. Распространение радиоволн. — М.: Радио и связь, 1984. — 272 с.

6. Сомов А. М. Распространение радиоволн / А. М. Сомов, В. В. Старостин. — М.: Гелиос АРВ, 2010. — 264 с.

7. Вентцель Е. С. Исследование операций. М., Советское радио, 1972, — 552 с.

8. Абезгауз Г. Г. и др. Справочник по вероятностным расчетам. М., Воениздат, 1970.