REVIEW OF ACCIDENT RECONSTRUCTION METHODS AND THEIR LIMITATIONS FROM THE POINT OF VIEW OF
THE NATIONAL LEGAL FRAMEWORK
V.A. Zhulai, E.A. Tarasov, E.V. Tarasova, A.V.Ulyanov
Road traffic accidents are a major problem from the point of view of public safety in Russia and in many other countries of the world. Reconstruction specialists strive to simplify their work and offer the most accurate results using various reconstruction methods, from numerical modeling to software simulation of collisions involving vehicles. Depending on the conditions of a traffic accident, several techniques can be used with proper validation. However, national legal frameworks can be seen as obstacles to the use of a wide variety of reconstruction methods. Consequently, this area of research should be further developed in order to expand the choice of experts, especially in the context of the rapid development of the automotive industry.
Key words: traffic accident, investigation of traffic accidents, the mechanism of an accident, the reconstruction of an accident.
Zhulai Vladimir Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Tarasov Evgeny Alexandrovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Tarasova Elena Vladimirovna, teacher, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Ulyanov Alexey Vasilyevich, senior lecturer, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical
University
УДК 621.3.09
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-25-26
СОЗДАНИЕ ДАТАСЕТА ПО ЭМПИРИЧЕСКИМ МОДЕЛЯМ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В ИОНОСФЕРЕ
А.О. Щирый
Представлены результаты обработки более 5500 ионограмм наклонного зондированию среднеширотных ионосферных радиолиний непрерывными сигналами с линейно-частотной модуляцией, в ходе которой выявлялись эмпирические модели многолучевости - комбинации определенных типов мод ионосферного распространения дека-метровых радиоволн: выявленные эмпирические модели многолучевости, а для наиболее вероятных моделей - статистика вариаций относительных частотных границ и межмодовых задержек. Полученные данные могут быть использованы в качестве обучающего датасета для тренировки статистических моделей методами теории обучения машин.
Ключевые слова: ионосфера, распространение коротких радиоволн, многолучевость, наклонное радиозондирование, ионограмма.
Длина волн декаметрового (ДКМ) диапазона заметно меньше характерных масштабов регулярных ионосферных образований, что позволяет использовать для рассмотрения распространения волны приближение геометрической оптики, т. е. рассматривать волну в виде луча или набора лучей. Важно также, что этот подход позволяет затем перейти от лучевой трактовки распространения радиосигналов в ионосфере к радиотехническому описанию их распространения в линейных цепях [1, 2].
Короткие волны (КВ) могут распространяться на многие тысячи километров путем многократных последовательных отражений от ионосферы и земной поверхности. КВ радиолиниям большой протяженности (тысячи километров) присуща многолучевость распространения радиосигнала, когда в точку приема одновременно приходит несколько лучей (мод). Если при приеме лучи не разделяются системой связи, то имеет место их интерференция, приводящая к биениям и замираниям сигнала. Разные лучи при этом проходят в ионосфере различные расстояния, отражаются от различных уровней (высот) ионосферы, испытывают разное поглощение. Условия многолучевого распространения КВ радиоволн зависят от множества суточных, сезонных, гео- и гелиофизических факторов, протяженности и географического положения радиолинии и др.
Для систематизации результатов исследования эффектов многолучевого распространения КВ в [3] был предложен подход классификации по т.н. эмпирическим моделям многолучевости (ЭММЛ), когда диапазон распространения разбивается на интервалы по числу и типам мод распространения сигнала, а ось частот нормирована относительно максимальной наблюдаемой частоты (МНЧ). Однако в работе [3] не был затронут ряд важных характеристик многолучевости, в том числе из-за ограничений измерительной аппаратуры.
Современным методом исследования модовой структуры распространения КВ является наклонное зондирование ионосферы (НЗИ) непрерывными сигналами с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ). Результатом работы ионозонда является ионограмма, характеризующая зависимость амплитуды сигнала от частоты и времени группового запаздывания [2,4-7]. При непосредственном участии автора были созданы и развиты соответствующие методики измерений и аппаратно-программные измерительные комплексы [4-10].
Целью данной работы является разметка массива экспериментальных данных - ионограмм НЗИ, посредством выявления ЭММЛ и классификации характеристик радиолиний по выявленным ЭММЛ. Размеченные таким
25
образом данные могут быть использованы в качестве обучающего датасета для тренировки статистических моделей методами теории обучения машин [11,12]. Ранее классификация данных НЗИ по ЭММЛ использовалась нами при исследовании свойств амплитудно-частотных характеристик КВ радиоканалов [13-15].
1. Условия проведения экспериментов. В данной работе были использованы данные НЗИ на трех радиотрассах: Хабаровск - Йошкар-Ола, Великобритания - Йошкар-Ола, Кипр - Йошкар-Ола.
Таблица 1
Координаты приемного и передающих пунктов__
Номер пункта Название пункта Широта Долгота
1 Йошкар-Ола 056.6 сев. ш. 047.8 вост. д.
2 Хабаровск (пос. Вяземский) 047.5 сев. ш. 134.7 вост. д.
3 Великобритания (ГпзИр) 054.0 сев. ш. 003.0 зап. д.
4 Кипр 035.0 сев. ш. 034.0 вост. д.
Таблица 2
Некоторые параметры радиотрасс__
Номер трассы Пункты передачи - приема Длина трассы, км Начальная - конечная частоты излучения, МГц
2-1 Хабаровск - Йошкар-Ола 5700 4 - 30
3-1 Великобритания - Йошкар-Ола 3100 4.2 - 30 (32)
4-1 Кипр - Йошкар-Ола 2600 5 - 30 (32)
Координаты приемного и передающих пунктов приведены в таблице 1; длина трасс и диапазон излучаемых частот - в таблице 2; далее в тексте будем называть трассы по их номеру. Все три трассы относятся к средне-широтным, однако, имеют разную географическую ориентацию: восток-запад, запад-восток и юг-север для трасс 2-1, 3-1, 4-1 соответственно. Трассы покрывают различные часовые пояса. На трассе 2-1 вследствие ее протяженности отсутствует прохождение односкачковых мод (в отличие от трасс 3-1, 4-1). Широта приемного пункта 1 близка к широте передающего пункта 3, а долгота приемного пункта 1 близка к долготе передающего пункта 4, так что трассы 3-1 и 4-1 образуют угол близкий к прямому. Все это обуславливает разные условия прохождения радиоволн на радиотрассах 2-1, 3-1, 4-1. Скорость перестройки частоты зондирующего ЛЧМ-сигнала для всех трасс была равна 100 кГц/с. Верхний частотный предел диапазона зондирования (см. табл.2) на трассах 3-1, 4-1 в экспериментах конца 2002 - 2003 гг. был равен 32 МГц, в других - 30 МГц. Тип приемной антенны в пункте 1 - широкополосный горизонтальный диполь; тип передающей антенны в пункте 2 - горизонтальный ромб, а в пунктах 3 и 4 - антенны типа ЛПА. Выборка ионограмм охватывает все сезоны года; ионограммы снимались, как правило, круглосуточно с периодом 15 минут. Всего было обработано около 5560 ионограмм. Обычно оцифрованный сигнал разностной частоты разбивается на элементы длительностью 0.4 секунды с перекрытием 50 %, так, что б база элемента составляла 0.4-105; а разрешающая способность по задержке равна 25 мкс, разрешающая способность по частоте - 100 кГц. Перед применением процедуры БПФ, элементы сигнала умножаются на весовую функцию Хемминга. В данной работе для увеличения разрешения по рабочей частоте, было увеличено перекрытие выборок сигнала разностной частоты, т.о. разрешение по рабочей частоте составило 20 кГц.
2. Выявленные эмпирические модели многолучевости. ЭММЛ выявлялись и получали свои номера по мере увеличения выборки ионограмм. Поэтому порядок следования ЭММЛ на "классической" "хорошей" ионо-грамме (сигнал сильный, для основных мод КВ радиосигнала наблюдается прохождение и нижних и верхних лучей) не всегда совпадает с порядком нумерации. На рисунке показан порядок следования ЭММЛ на такой "классической" ионограмме. Все выявленные ЭММЛ представлены в таблице 3, обозначения мод на рисунках в таблице даны для односкачковых радиолиний. Далее в тексте, для краткости, так же обозначения мод будем приводить для односкачковых радиолиний, подразумевая для двухскачковых соответствие согласно табл.3, если нет особых оговорок.
Таблица 3
Выявленные эмпирические модели многолучевости_
М N Моды для односкачковых Моды для двухскачковых Расположение (схематично) треков мод на ионограмме НЗИ
I 1 1Е 2Е 1Е ;
II 2 т, №п 2F2, 2F2п
III 1 Щ 2F2 :::!
IV 2 №2, 2F2 2F2, 3F2 __^ --!-—
V 3 №2, 2F2, 2F2п 2F2, 3F2, 3F2п _ 2Р2пГ^ 2р2____4--- ! 1Р2
VI 3-8 Ш, 2F2, 3F2, 4F2, 4F2п, 1Е, и др. 2F2, 3F2, 4F2, 5F2, 5F2п, 2Е, и др.
Окончание табл. 3
м N Моды для односкачковых Моды для двухскачковых Расположение (схематично) треков мод на ионограмме НЗИ
VII 3 Ш, ШпО, 1F2пX 2F2, 2F2пo, 2F2пх 1Р2пО, 1Р2ПХЧ 1Ра 3
VIII 3 т, 2F2o, 2F2х 2F2, 3F2o, 3F2х \ , , , ■
IX 3 Щ, комб., 2F2 2F2, комб., 3F2 __- ^ N
X 3 №2, 2F2, 3F2 2F2, 3F2, 4F2 зк__. 1Р-, ■
XI 1 2F2 3F2 21'^—\--г У"
XII 1 №2п 2F2п ГЬ-
XIII 2 2F2, 2F2п 3F2, 3F2п Г\2Р2п 2Р-, ! >> \1Р?„
XIV 2 2F2, 3F2 3F2, 4F2 2Р2 ;
XV 4 Щ, 2F2, 3F2, 3F2п 2F2, 3F2, 4F2, 4F2п —-----—
К ЭММЛ VI были отнесены случаи с любыми сочетаниями мод, если мод три и более, и находящиеся по частоте до X модели. Частость каждого отдельного случая невелика, поэтому они объединены в одну ЭММЛ. Чаще всего, в VI модели было 4 или 5 мод. На одной ионограмме могло быть несколько диапазонов многолучевости, отнесенных к VI модели, и отличавшихся числом мод. На рисунке VI модели пунктирными линиями показаны комбинированные моды.
Во всех моделях, кроме VII и VIII, обыкновенный и необыкновенный магнитоионные компоненты луча не разделяются (не разрешаются). Поэтому, например, запись Щ подразумевает оба магнитоионных компонента О и X.
Для ЭММЛ VII и VIII, образованных в результате магнитоионного расщепления мод Щп и 2F2 соответственно, магнитоионные компоненты луча обозначены нижними индексами: №по, №пх и 2F2o, 2F2X.
ЭММЛ IX образована при участии комбинированной моды.
ЭММЛ XI, XII, XIII, XIV возникают при отсутствии нижнего луча Щ (или он очень короткий), но при условии наличия верхнего луча №п.
3. Частости моделей многолучевости. Была исследована частость ЭММЛ, причем двумя способами. Сначала для всех выявленных ЭММЛ был подсчитан процент ионограмм, на которых присутствует эта модель, на основе результатов сделан вывод о наиболее вероятных ЭММЛ - встречающиеся на более чем 20 % ионограмм для всех трех трасс. Это ЭММЛ II, III, IV, VI, X. Для трассы 4-1 этому условию удовлетворяют также ЭММЛ V и XV.
Для наиболее частых ЭММЛ II, III, IV, VI, X частость была подсчитана также следующим способов: если ЭММЛ существует на обеих соседних ионограммах (при условии, что между этими соседними ионограммами не больше 1 часа), то считается, что ЭММЛ существует все время от начала первой ионограммы до конца второй. Подчеркнем, что это не процент ионограмм, а процент времени. Так подсчитывать частость ЭММЛ точнее, так как в различных экспериментах НЗИ была разная периодичность съема ионограмм из-за разницы в наборе принимаемых
радиолиний. В большинстве случаев, однако, снималась 1 ионограмма одной радиолинии раз в 15 минут. Поэтому, и частости для ЭММЛ II, III, IV, VI, X подсчитанные двумя указанными способами получились близкими. Итак, наиболее вероятными (частыми) моделями являются II, III, IV, VI, X.
4. Частотные границы моделей многолучевости. В табл.4 приведены статистические данные (математические ожидания M и СКО о) о частотных границах ЭММЛ в относительных частотах (т.е. частотах, нормированных относительно максимальной наблюдаемой). На рис.2 показаны вариации частотных границ ЭММЛ в течение одних суток для радиолинии 2-1. В последней колонке таблицы 4 приведены диапазоны, занимаемые моделями в относительных частотах. Заметим, что прохождение КВ-радиоволн обычно начинается с 0.3-0.4, и весь диапазон прохождения составляет 0.6-0.7.
Таблица 4
Частотные границы ЭММЛ в относительных частотах__
Радиолиния Модель f0 / МНЧ fi / МНЧ M( fx / МНЧ) - M( f / МНЧ)
M a M a
2-1 II 0.94 0.11 1.00 0.01 0.06
III 0.78 0.16 0.94 0.11 0.16
IV 0.62 0.09 0.78 0.16 0.16
VI 0.36 0.06 0.53 0.08 0.17
X 0.54 0.08 0.62 0.09 0.08
3-1 II 0.89 0.09 0.95 0.02 0.06
III 0.74 0.12 0.89 0.09 0.15
IV 0.51 0.07 0.74 0.12 0.23
VI 0.31 0.07 0.38 0.05 0.07
X 0.38 0.05 0.51 0.07 0.13
4-1 II 0.76 0.10 0.97 0.04 0.21
III 0.69 0.09 0.76 0.10 0.07
IV 0.54 0.13 0.66 0.08 0.12
VI 0.24 0.04 0.43 0.04 0.19
X 0.43 0.04 0.52 0.09 0.09
Сравнительно высокое СКО (0.13-0.16) характерно для границы между III и IV моделями на р/л 2-1, 3-1; это объясняется тем, что между этими моделями иногда может существовать модель V.
Для границы между II и III моделями характерно также сравнительно высокое СКО (0.09-0.11), что обусловлено сильными вариациями диапазона прохождения верхнего луча 1F2n, который более чувствителен к ионосферным возмущениям, чем нижний луч 1F2.
10 11 12 13 14 15 16 17 13
Рис. 2. Частотные границы ЭММЛ, 01.03.2001, радиолиния 2-1
Частотные границы (в относительных частотах) основных моделей достаточно устойчивы, о чем говорят малые значения СКО частотных границ для ЭММЛ II, III, IV, VI, X. Устойчивость их иллюстрирует и пример суточного хода границ (рис.2).
5. Межмодовые задержки. Для моделей II, IV, X были исследованы межмодовые задержки (ММЗ). ЭММЛ III и VI из этого исследования исключены потому что модель III - однолучевая, а модель VI непригодна для детального анализа, так как введена для учета случаев с числом мод три и более и для различных редких комбинаций более чем трех мод.
ММЗ вычислялись относительно минимальной на текущей частоте задержки. Статистика ММЗ собиралась отдельно для каждой радиолинии и ЭММЛ. Математические ожидания межмодовых задержек Ат и их СКО представлены в табл.5. На рис.3 приведены суточные вариации межмодовых задержек для моделей II, IV, X на каждой из радиолиний 2-1, 3-1, 4-1. На рисунках буквой N обозначено число ионограмм, по которому получен данный суточный ход. Для двухмодовых моделей II, IV на рисунках приведено по одному графику, а в таблице 5 по одной межмодовой задержке Ат1; для трехмодовой модели X приведено по два графика и по две межмодовые задержки Ат и Ат2 (это задержки второй и третей мод относительно первой).
В таблице 5 приведены как данные для дня и ночи, так интегральные данные. Дневным временем для радиолиний 2-1, 3-1, 4-1 считалось, соответственно 6-18 ч, 10-21 ч, 9-19 ч по московскому времени (в приемном пункте), ночным - все остальное время суток. Интегральные данные в таблице 5 ближе к дневным т.к. число ионограмм, на которых наблюдается каждая ЭММЛ днем в несколько раз больше, чем ночью (см. число N на соответствующих диаграммах).
Таблица 5
Статистика межмодовых задержек_
р/л M Межмодовые задержки, мс
День Ночь Общ.
Axi o(Ax0 Ax2 o(AX2) Axi o(Ax0 Ax2 o(AX2) Ax1 o(Ax0 Ax2 o(AX2)
21 II 0.57 0.20 - - 0.62 0.22 - - 0.58 0.21 - -
IV 0.51 0.12 - - 0.55 0.19 - - 0.51 0.13 - -
X 0.41 0.11 1.07 0.22 0.39 0.15 1.04 0.27 0.41 0.12 1.06 0.23
31 II 0.52 0.15 - - 0.57 0.16 - - 0.54 0.16 - -
IV 0.48 0.13 - - 0.62 0.16 - - 0.52 0.15 - -
X 0.42 0.09 1.21 0.22 0.49 0.11 1.34 0.22 0.43 0.10 1.26 0.23
41 II 0.53 0.16 - - 0.55 0.15 - - 0.54 0.16 - -
IV 0.51 0.12 - - 0.60 0.16 - - 0.54 0.14 - -
X 0.40 0.08 1.19 0.17 0.42 0.10 1.12 0.18 0.40 0.08 1.19 0.18
ÍÍ
13
1 0.75 0.5 0.25 1 0.75 0.5 0.25
г T 11 T * [l^i
T IHTT ■ilíí fíí 1' ¡ilí I [III! íííll IÍ [h i fTÍÍÍ [ÍÍP
.1, mil til'i L11 j il ЦШ Hllí il- í i í ЩИ [П1
ÍV=1005 iy =996 iV=871
Щ1
ц
'T
TÍ'
f<"
itlT ■ 11'
-Ilí ii iiii Ш til-
JV=800
Til" I-©H »
lií' fíftl I««!1
ti
E i i I± ¡lili i
JV=46S
Время, часы Время, часы
2-1 3-1 4-1
Рис. 3. Суточные вариации межмодовых задержек (по часам)
Время, часы
Заключение. Представлены результаты исследования трех среднеширотных ионосферных радиолиний: выявленные ЭММЛ, а для наиболее вероятных ЭММЛ - статистика вариаций относительных частотных границ и межмодовых задержек. Результаты по сути являются размеченным датасетом что позволяет применять их для тренировки статистических моделей методами теории обучения машин, с целью построения эмпирических моделей ионосферы, а также для синтеза искусственных ионограмм.
Задачей дальнейших исследований также является внедрение построенных ионосферных моделей в систему комплексного имитационного моделирования загоризонтных радиолокационных станций для отработки алгоритмов их адаптации к геофизической обстановке [11,12].
Список литературы
1. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 304 с.
2. Филипп Н.Д., Блаунштейн Н.Ш., Ерухимов Л.М., Иванов В.А., Урядов В.П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. Кишинев: Штиинца, 1991. 286 с.
3. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975. 232 с.
4. Щирый А.О. Разработка и моделирование алгоритмов автоматического измерения характеристик ионосферных коротковолновых радиолиний: Дис. на соиск. учен. степ. кандидата технических наук: Спец. 05.12.04; [Место защиты: Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича]. Защищена 24.05.2007; Утв. 14.12.2007; 04200722350; Шифр РГБ 61:07-5/2691. Йошкар-Ола, 2007. 199 с.
5. Щирый А.О. Гибкая перестройка ионограмм наклонного радиозондирования ионосферы в процессе вторичной обработки // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2011, № 14. С. 138140.
6. Щирый А.О. Развитие средств автоматизации наземного радиозондирования ионосферы // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2014. Т.14. №5. С. 170-173.
7. Щирый А.О. Архитектура программной части аппаратно-программного комплекса дистанционного наземного радиозондирования ионосферы // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2015. №18. С.144-152.
8. Щирый А.О. Алгоритмы и программное обеспечение автоматизации процессов измерений и обработки данных оперативной диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний // Журнал радиоэлектроники. 2022. №10. DOI: 10.30898/1684-1719.2022.10.4.
9. Щирый А.О. Проблемно-ориентированный аппаратно-программный комплекс оперативной диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2023. Вып.1. С. 297-315.
10. Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2008, Т.51, № 12. С. 73-78.
11. Щирый А.О. Совместное использование машинного обучения и комплексного имитационного моделирования в интересах адаптации загоризонтных РЛС к геофизической обстановке // Математические методы и модели в высокотехнологичном производстве - 2021: Междунар. форум: сб. докл. СПб.: ГУАП, 2021. С. 284-285.
12. Щирый А.О. Перспективы применения методов теории обучения машин для оперативного измерения характеристик многолучевости при ионосферном распространения коротких радиоволн в интересах адаптации заго-ризонтных РЛС к геофизической обстановке // Труды VIII Всеросс. научно-технической конф. «Дальняя радиолокация на службе Отечеству». М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2022. С. 133-144.
13. Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Наиболее вероятные модели многолучевости при распространении коротких волн на магистральных среднеширотных радиолиниях // Информационные технологии моделирования и управления. 2007, № 1 (35). С. 70-76.
14. Shiriy A.O. HF channel transmit function module measurement // Proceedings of the 5th International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE 2002. 5. 2002. P.365-369.
15. Колчев А.А., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2013. 147 с.
Щирый Андрей Олегович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, [email protected]. Россия, Москва, ФГБУН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН) им. Н.В. Пушкова, Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт" (НИУ МЭИ)
CREATING A DATASET BASED ON EMPIRICAL MODELS OF MULTIPATH PROPAGATION OF DECAMETER RADIO
WAVES IN THE IONOSPHERE
A.O. Schiriy
The results ofprocessing more than 5,500 ionograms of oblique sounding of mid-latitude ionospheric radio lines with Frequency-Modulated Continuous Wave signals are presented, during which empirical multipath models were identified - combinations of certain types of ionospheric propagation modes of decameter radio waves: identified empirical multipath models, and for the most probable models - statistics of variations in relative frequency boundaries and intermode delays. The obtained data can be used as a training datasetfor training statistical models by machine learning algorithms.
Key words: ionosphere, multipath propagation of short radio waves, oblique radiosonding, ionogram.
Schiriy Andrey Olegovich, candidate of technical sciences, docent, senior scientist, [email protected], Moscow, Russia, Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences (IZMIRAN), National Research University "Moscow Power Engineering Institute" (NRU MEI)