Программный модуль формирования радиоэлектронной обстановки в технических средствах обучения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Е.В. Кравцов,

кандидат технических наук, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Г.А. Сенюков,

в/ч 77111 (г. Москва)

М.Д. Стадников,

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

программный модуль формирования

радиоэлектронной обстановки в технических

средствах обучения

the software module of formation of radio-electronic conditions in the technical

means of training

Рассматривается подход к разработке программного обеспечения для имитации признаков действия радиоэлектронных объектов в радиочастотном спектре для автоматизации решения задач радиомониторинга и подготовки специалистов, эксплуатирующих сложные технические системы.

Considers an approach to the development of software to simulate the characteristics of operation of radio electronic facilities in the RF spectrum to automate the tasks of radio monitoring and training operators of complex technical systems.

Анализ вооруженных конфликтов последнего десятилетия и информационного противодействия в республике Крым показывает, что радиомониторинг (РМ) становится одним из ключевых элементов современных войн. Комплексы и средства РМ применяются для решения широкого круга задач: от контроля использования радиочастотного

спектра и выявления источников преднамеренных и непреднамеренных помех до выявления специальных электронных устройств перехвата информации, передающих информацию по радиоканалу [1]. Служебная деятельность военного специалиста, решающего задачи РМ, заключается в приобретении и переработке информации, формировании новых знаний и их обновлении. Проблемы качественной подготовки военных специалистов РМ могут быть решены внедрением в процесс подготовки современных образовательных технологий.

В современных условиях дидактическая эффективность образовательной деятельности может быть достигнута за счет применения технических средств обучения (ТСО), использующих современные информационные технологии. Применение в учебном процессе различных автоматизированных обучающих систем (АОС) позволяет повысить уровень подготовки за предусмотренное образовательными программами время [2]. Однако для реализации единого методического подхода подготовки специалистов РМ и эффективного использования существующих и разрабатываемых АОС необходимо обосновать информационное содержание моделирующих подсистем, применяемых в ТСО.

Таким образом, целью статьи является описание процесса разработки программного модуля формирования радиоэлектронной обстановки (РЭО), входящего в состав ТСО.

Определяя требования к сопряжению разноуровневых ТСО, необходимо учитывать содержание учебно-тренировочных заданий и условия их технической реализации. При этом должны быть заданы требования:

- по информационно-техническому сопряжению моделируемой информации, отображаемой на пространственно-разнесенных элементах комплексов и средств технической защиты информации (ТЗИ);

- передачи параметров информационно-обучающих воздействий, представляющих разнородную взаимосвязанную информацию;

- передачи информации о процессуальных и результативных характеристиках действий обучающихся и данных об их уровне обученности (данные о текущей модели обучающегося) и передачи информации для управления ходом подготовки.

Для реализации этих требований должны быть решены следующие задачи:

- синтез последовательности заданий заданной сложности, применительно к комплексу формируемых компетенций;

- формирование эталонных решений (соответствующих идеальной подготовке обучающихся) или области допустимых решений для оценки действий обучающихся;

- синтез алгоритмов управления изменением сложности формируемых заданий в условиях неидеальной оценки уровня обученности;

- синтез алгоритмов генерации дополнительной информации при выполнении заданий обучающимися.

Перед разработкой модуля формирования РЭО необходимо понять, что из себя представляют структурные элементы модуля. В общем виде структуру модели модуля формирования РЭО можно представить в виде математической формулы:

E = f( X,, Y ), (1)

где E — результат действия системы; Xi — переменные и параметры, которыми можно управлять; Y — переменные и параметры, которыми нельзя управлять;

I — функциональная зависимость между Xi и ^ , которая определяет величину Е. Разработанная динамическая система моделирования представлена рис. 1.

Рис. 1. Динамическая система моделирования

Динамическая модель содержит:

описание множества возможных состояний системы;

описание закона, в соответствии с которым система переходит из одного состояния в другое:

хк+1 = Р (хк, ик,2 к )> (2)

где Р — вектор функция.

Основой информационной среды ТСО является информационно-моделирующий комплекс, обеспечивающий моделирование взаимосвязанных динамических оперативной и радиоэлектронной обстановок, которые отображают процессы функционирования объектов информатизации и специальных электронных устройств перехвата информации.

Неотъемлемой частью при формировании базы данных программного модуля моделирования радиосигналов являются наличие в ней параметров оптимального функционирования радиоэлектронных средств (РЭС), а также описание специальных атрибутов, которые содержат значения типовых изменений контролируемых параметров РЭС и используются для выявления факта их отклонений за допустимые пределы.

Для описания режимов работы РЭС целесообразно использовать следующие группы параметров [3]:

- частотные (¥К): I — рабочая частота, Л/ — радиочастотный диапазон, ЛР — полоса пропускания;

- временные ( Тк ): I — момент времени возникновения действия, т — длительность действия, Т — периодичность действия;

- энергетические (Ек ): Ж — энергия, затрачиваемая на формирование действия, р — радиоэлектронная средняя мощность действия, т — коэффициент полезного действия;

- пространственные (Рк ): % — ширина распространения (проникновения) действия, у — пространственная поляризация действия.

Анализ баз данных комплексов радио- и радиотехнического контроля показал, что они обеспечивают хранение следующей информации:

- имя поста, географические координаты расположения изделия;

- описание сеансов работы РЭС: рабочая частота, полоса сигнала, время начала сеанса, время окончания сеанса, уровень сигнала, пеленг на РЭС, координаты РЭС, звукозапись радиопередачи, спектр радиосигнала, данные технического анализа;

- описание источников радиоизлучений (ИРИ): координаты или район расположения ИРИ, частотное назначение для ИРИ (к частотному назначению могут быть привязаны сеансы работы).

На основе анализа регистрируемых средствами РМ параметров функционирования РЭС можно выделить из них группу, подлежащую имитации в программном модуле.

В общем случае радиоресурс РЭС Я можно представить в виде вектора Я = (Я, Я }, где индекс г — принадлежность величины к приемному устройству (комплекс РМ), а ' — к передающему устройству.

Радиоресурс каждого устройства представляет собой совокупность множеств частотных (р }, пространственно-энергетических (V}, сигнальных (Б } и временных (Т} параметров функционирования РЭС.

На каждом указанном множестве введем соответствующие функции для передающего р V, Б, Т и приемного р , V, Б, Т устройств. Меру соответствующего множества параметров определим как объем, ограниченный этой функцией. Таким образом,

Яг V, ^г, Тг}, я, V, Б,, Т }. (3)

Главным компонентом множества частотных параметров является радиочастотный канал. На основе вышеописанных контролируемых средствами РМ параметров можно сформировать полную группу демаскирующих признаков.

Полная группа частотных параметров включает в себя: число радиоканалов, номиналы рабочих частот РЭС, ширину одного радиоканала, спектр излучения передатчика, амплитудно-частотную характеристику приемника.

Пространственно-энергетические параметры передающего устройства определяют зависимость мощности излучения от направления излучения, а приемного устройства — пространственную избирательность излучения.

Полная группа пространственно-энергетических параметров включает в себя: мощность излучения, чувствительность приемника, коэффициент усиления антенны, диаграмму направленности антенны, зависимость поляризационных свойств излучения от направления, затухание в антенно-фидерном тракте.

Сигнальные параметры определяют способность выделения полезного сигнала при его обработке в условиях шумов или радиопомех. В общем случае можно выделить параметры модуляции сигнала в передатчике и обработки сигнала в приемнике. Функцию на множестве сигнальных параметров можно определить следующим образом:

Б' с\К1 д} и Бг с\кгобр(Кжд)}, (4)

где Кжд — множество функций, описывающих временной образ используемых сигналов; Кгобр{к*Жд) — функция ослабления сигнала Кжд в приемном тракте, заданная на множестве возможных видов сигналов.

Множество временных параметров РЭС отражает только макровременное использование ресурса — время суток. Поэтому соответствующие функции на множестве Т} могут быть представлены в виде:

Г1, г е Т, ТГ1 ] т = \ъ < е[т/, ТГ ] ' |о,г¿[т/Т+ ]' г "[о,г¿ТТ+1]'

где \т{ , Т/+1 ] интервалы работы передающего устройства на излучение сигнала;

[т/ Т/+1 ] — интервалы работы приемного устройства на прием сигнала.

Однако следует также учитывать временные параметры, характеризующие особенности формирования сигналов в микровременной области Тк : г — момент времени возникновения действия, т — длительность действия, Т — периодичность действия.

В качестве функции среды распространения радиоволн по радиолинии обычно рассматривают показатель ослабления радиоволн на трассе распространения по мощности. Определение величины Ь ослабления сигнала за счет распространения радиоволн по трассе длиной Э между двумя РЭС может проводиться в соответствии с расчетным выражением для свободного пространства:

Ь =Я21{16ж2 Э2). (6)

Также следует учитывать дополнительное ослабление радиоволн, вызванное рельефом местности и другими условиями [4].

Для реализации объектно-ориентированного подхода при проектировании программного модуля для моделирования радиосигналов по формализованному описанию РЭС необходимо провести спецификацию объектов структуры проблемно-ориентированного программного обеспечения и выделить множество классов, интерфейсов, коопераций и отношений между ними. Для создания диаграмм целесообразно использовать унифицированный язык моделирования ЦМЬ.

Классы функционируют совместно и реализуют семантику, выходящую за границы каждого отдельного объекта. Поэтому диаграмма классов раскрывает сущности объектов и их отношения с точки зрения проектирования. Процесс её создания включает следующие этапы:

1. Идентификация классов, используемых для описания параметров оптимального функционирования РЭС.

2. Идентификация механизмов моделирования сигнальных признаков в виде функций.

3. Идентификация механизмов и структурных особенностей классов по формированию навыков работы специалиста РМ.

Выполнение данных этапов позволило разработать диаграмму классов, показанную на рис. 2.

Для моделирования динамических аспектов программного модуля была разработана диаграмма состояний (рис. 3), которая позволила учесть все возможные переходы объекта из одного состояния в другое.

Данная диаграмма разработана с учетом диаграммы классов. Она дает возможность перейти к проектированию алгоритмов моделирования радиосигналов.

На основании известных аналитических моделей сигналов [5], описанной выше полной группы демаскирующих признаков объектов РМ и диаграмм, описывающих ста-

тическое и динамическое представление программного модуля, были созданы алгоритмы (алгоритмические модели), формирующие временное и спектральное представления сигналов в виде массивов значений.

ЛЧМ

ГО_1сЬ| ит 1с df_lch dt:rea п:геа1; птл^едег; п:геа1;

ВР^) Шс!|а ();

ФКМ

f0_fkm:real;

Kc_fkm:integer;

NN:real;

per_fkm:integer; ^ fkm:real;

BPF(); fillchar();

РЭО

Ind_shum:integer; index_mnogo:real mas_mnogo:real;

BPF();

ШсЬ|аг();

shumO;

Модуль управления

подраздел_задания:integer;

флаг_промеж_обуч:Ьоо!еап;

флаг_конечное_обуч:boolean;

флаг_начал_обуч:boolean;

одноканал_пеленг:boolean;

поиск_радиосигналов:boolean;

isxodnoe_sostoyanie();

ч!/

Модуль Одноканал_пеленг

сумм_выполн_зад:^едег;

частота:real;

пеленг:real;

качество:геа1;

уровень:real;

угол_места:геа!;

killapp();

Модуль Поиск_рад_сигналов

сумм_выполн_зад:Иедег;

изм_полоса:геа1;

изм_частота:геа1;

уровни:геа1;

частота:геа!;

Рис. 2. Диаграмма классов программного модуля моделирования радиосигналов

Начало обучения

Рис. 3. Диаграмма состояний программного модуля моделирования радиосигналов

По разработанным алгоритмам создан программный модуль моделирования радиосигналов, состоящий из АОС по комплексу РМ (рис. 4).

Данный модуль состоит из нескольких блоков. В секции имитации работы РЭС имеется возможность выбора вида модуляции (цифровая, аналоговая, импульсная), настройки параметров излучаемого сигнала, просмотра спектрального и временного представления. После моделирования РЭС происходит запись его формализованного описания, отражающего демаскирующие признаки, в базу данных модуля. При запуске

на основной форме модуля моделирования радиосигналов по описанной ранее группе демаскирующих признаков формируется спектральное представление использования радиочастотного спектра. На этой же форме отражаются виды сигналов, которые присутствуют в эфире, и можно произвести их настройку.

Рис. 4. Программный модуль моделирования радиосигналов в составе АОС

Применение программного модуля для моделирования радиосигналов по формализованному описанию РЭС в ТСО позволит моделировать типовые ситуации применения объектов РМ в сложных условиях РЭО, повысить качество подготовки специалистов в области РМ. Такая возможность позволит на основе анализа частотных, временных, пространственных и энергетических характеристик РЭС разработать структуру радиочастотного паспорта для РЭС различных типов, что создает предпосылки для автоматизации процессов обнаружения и идентификации нарушений в использовании радиочастотного спектра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шелухин О. И., Тенякшев А. М., Осин А. В. Моделирование информационных систем : учебное пособие / под ред. О.И. Шелухина. — М.: Радиотехника, 2005. — 368 с.

2. Стадников М. Д. Педагогические условия формирования профессионально-коммуникативной компетентности специалистов по технической защите информации // Балтийский гуманитарный журнал. — 2016. — №1 (14). — С. 150—154.

3. Меньшаков Ю. К. Основы защиты от технических разведок : учебное пособие. — М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. — 478.

4. Занозин А. В., Буцев С. В. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и радиоконтроль. Методы оценки и эффективности : монография / под ред. П. А. Сая. — М.: Радиотехника, 2015. — 400 с.

5. Антипенский Р. В., Змий Б. Ф. Моделирование сигналов и их преобразование в линейных цепях. — Воронеж: ВАИУ, 2008. — 361 с.

REFERENCES

1. Sheluhin O. I., Tenjаkshev A. M., Osin A. V. Modelirovanie informacionnyh sistem : uchebnoe posobie / pod red. O.I. SHeluhina. — M.: Radiotehnika, 2005. — 368 s.

2. Stadnikov M. D. Pedagogicheskie uslovija formirovanija professional'no-kommu-nikativnoi kompetentnosti specialistov po tehnicheskoi zashite informacii // Baltiiskii gumani-tarnyi zhurnal. — 2016. — №1 (14). — S. 150—154.

3. Men'shakov YU. K. Osnovy zashity ot tehnicheskih razvedok : uchebnoe posobie. — M. : Izd-vo MGTU im. N.Ye. Baumana, 2011. — 478.

4. Zanozin A. V., Bucev S. V. Yelektromagnitnaja sovmestimost' radioyelektronnyh sredstv i radiokontrol'. Metody ocenki i yeffektivnosti : monografija / pod red. P. A. Saja. — M.: Radiotehnika, 2015. — 400 s.

5. Antipenskii R. V., Zmii B. F. Modelirovanie signalov i ih preobrazovanie v lineinyh cepjah. — Voronezh: VAIU, 2008. — 361 s.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Кравцов Евгений Владимирович. Заместитель начальника кафедры информационной безопасности. Кандидат технических наук.

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).

E-mail: EvgenijKravtsov@mail.ru.

Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а.

Сенюков Геннадий Александрович. Заместитель командира в/ч 77111 (г. Москва).

В/ч 77111 (г. Москва).

E-mail: senga1977@mail.ru.

Россия, 119160, г. Москва, ул. Знаменка, д. 19.

Стадников Максим Дмитриевич. Командир взвода (научного) — младший научный сотрудник роты (научной).

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).

E-mail: maxstad@rambler.ru

Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а.

Kravtsov Evgeny Vladimirovich. The deputy head of the chair of Information Security. Candidate of Technical Sciences.

Military Training-Scientific Center of Military Aviation Forces "Military Aviation Academy named by prof. N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin" (Voronezh).

E-mail: EvgenijKravtsov@mail.ru.

Work address: Russia, 394064, Voronezh, Staryh Bolshevikov Str., 64 a. Tel. 8-908-137-83-31.

Senyukov Gennady Alexandrovich. The deputy head.

Military division 77111 (Moscow).

E-mail: senga1977@mail.ru.

Work address: Russia, 119160, Moscow, Znamenka Str., 19.

Stadnikov Maxim Dmitrievich. Junior scientific officials.

Military Training-Scientific Center of Military Aviation Forces "Military Aviation Academy named by prof. N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin" (Voronezh).

Work address: Russia, 394064, Voronezh, Staryh Bolshevikov Str., 64 a. Tel. 8-908-137-83-31.

Ключевые слова: радиомониторинг; радиоэлектронная обстановка; техническое средство обучения; программный модуль.

Key words: radio monitoring; radio-electronic condition; technical means of training; software module.

УДК 621.396.96