Способ оценки надежности связи на маршрутах БПЛА в условиях воздействия внешних деструктивных факторов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

«c@yl@qyiym-j©yrmal»#3îii),2©2© / technical science

13

УДК 621.391

Якушенко Сергей Алексеевич

профессор, кандидат технических наук, доцент Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

Егрушев Владимир Евгеньевич преподаватель, кандидат технических наук Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

Кузнецов Сергей Сергеевич Аспирант

Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

Орлов Евгений Васильевич Доцент кафедры, кандидат технических наук, доцент Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11289 СПОСОБ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СВЯЗИ НА МАРШРУТАХ БПЛА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ДЕСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ

Yakushenko Sergey Alekseevich Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Military Academy of Communications Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny

Egrushev V.E. Lecturer, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny

Kuznetsov Sergey Sergeevich graduate student

Military Academy of Communications Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny

Orlov E.V.

Associate Professor, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny, (Saint Petersburg)

METHOD FOR ASSESSING COMMUNICATION RELIABILITY ON UAV ROUTES UNDER THE CONDITIONS OF EXPOSURE TO EXTERNAL DESTRUCTIVE FACTORS

Аннотация

В статье описывается метод оценки надёжности связи в радиолиниях прямой видимости, на маршрутах полета БПЛА, в условиях многофакторных негативных воздействий на основе цепей Маркова. Abstract

The article describes a method for assessing the reliability of communications in direct-visibility radio lines, on UAV flight routes, under conditions of multi-factor negative impacts based on Markov chains.

Ключевые слова: распространение радиоволн, замирания сигнала, многоканальная радиосвязь, устойчивость связи, цепи Маркова

Keywords: radio wave propagation, signal fading, multi-channel radio communication, communication stability, Markov chains

В настоящее время для решения различных задач широко используются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) с дистанционным управлением с наземных пунктов управления (НПУ) по радиолиниям прямой видимости. Важными направлениями развития БПЛА является повышение дальности их действия, повышения качества предаваемой информации в реальном масштабе времени, а также обеспечение устойчивости управления на больших расстояниях.

Образуемые линии радиосвязи на интервале «НПУ - БПЛА» должны обеспечивать высокоскоростную передачу информации на большие расстояния между БПЛА и НПУ (до сотен км). В этом случае, особенно при небольших высотах полета БПЛА (3-5 км), наклон линии прямой видимости интервала радиосвязи по отношению к касательной в точке размещения НПУ, может уменьшаться до несколько градусов, что вызывает существенное

влияние подстилающей поверхности местности на устойчивость и качество связи. В частности, возникают замирания интерференционного характера, причем изменяющие во времени, обусловленные движением БПЛА.

Кроме всего, на образуемые каналы связи на интервале «НПУ - БПЛА» оказывают влияние климатические факторы и внешние деструктивные радиоэлектронные воздействия. Это приводит к дополнительным затуханиям радиосигнала детерминированного и случайного характера [1].

Поэтому задача оценки надежности и прогнозирование пригодности интервалов связи «НПУ -БПЛА» в условиях воздействия внешних деструктивных факторов является важным этапом при составлении рабочего маршрута полета БПЛА так, чтобы на протяжении всего полета обеспечивалась требуемая надежность и качество связи.

Очевидно, что описанные выше дестабилизи- БПЛА по маршруту как последовательно, так и сов-рующие факторы будут проявляться в полете местно.

Рисунок 1 Физическая модель радиорелейной линии «НПУ-БПЛА»

Рассмотрим, случай многофакторного (комплексного) воздействия на радиолинию в точке приема НПУ. В точке приема можно выделить следующие состояния:

1. Наличие интерференционных динамических замираний радиосигнала на входе приемника НПУ;

2. Наличие замираний на входе приемника НПУ, вызванных полетом БПЛА в сложных физико-географических условиях (лес, дома, горы и т.п.);

3. Наличие интерференционных динамических замираний радиосигнала и внешнего деструктивного радиоэлектронного воздействия на входе приемника НПУ;

4. Наличие замираний на входе приемника НПУ, вызванных полетом БПЛА в сложных физико-географических условиях и внешнего деструктивного радиоэлектронного воздействия на входе приемника НПУ;

Погодно-климатические факторы будут проявляться во всех состояниях. Поэтому при проведении прогнозирования пригодности интервала радиолинии «НПУ - БПЛА» в наихудшем случае их нужно учитывать.

Необходимо отметить, что существующие методики расчета пригодности интервала радиолинии (РЛ) не учитывают приведенные многофакторные

негативные воздействия, а описывают только статические интерференционные замирания и не многофакторного воздействия. Они не позволяют проводить точный расчет трассы для интервала «НПУ

- БПЛА», из-за отсутствия учета динамики замираний. Для точной оценки качества связи и эффективного применения методов повышения устойчивости к замираниям необходимо знать не только характер замираний, но и случайность изменения глубины замираний, т.е. необходимо знать состояния устойчивости РЛ и ее изменение под воздействие замираний. Для этого необходимо разработать динамическую модель состояния РЛ высокоскоростной радиосвязи «НПУ - БПЛА».

В соответствии с этим состояние РЛ может быть представлено цепью Маркова. В общем случае могут быть решены следующие задачи: определение значения устойчивости линии (надежности линии) в каждом периоде времени; определение значения устойчивости линии на каждом шаге управления. Понятие шага в модели имеет следующие смысл: с точки зрения воздействия замираний

- это временные периоды воздействия на этапах полета; с точки зрения управления линией - это промежутки времени, которые соответствуют последовательным действиям восстановления устойчивости РЛ после изменения ее состояния. Состояния и уровни устойчивости РЛ приведены в таблице 1.

Таблица 1

Состояния и уровни устойчивости радиолинии

Степень обеспечения управления 1 сост-е (S1) 2 сост-е (S2) 3 сост-е (S3) 4 сост-е (S4)

Устойчивость линии связи (%) более 95 не менее 80 не менее 75 не менее 50

Таким образом, процесс управления линией многоканальной радиосвязи (МКРС) заключается в повышении значения устойчивости, которое харак-

теризуется степенью воздействия и (или) процессом восстановления линии, путем применения защищенных мер (способов приема радиосигналов) для четырех описанных состояний.

Предположим, что переход РЛ из одного состояния в другое происходит в дискретные моменты времени. Тогда динамический процесс изменения ее состояния хорошо описывается цепью Маркова с дискретными состояниями и дискретным временем [2]:

где Pj^j - вероятность перехода изyi-го состо-

яния в /1-е состояние;

р ( k) = P ( ) - вероят-

при/j =1, n, k = 1, m,

(1)

ность пребывания линии в состоянии Sj на к-ом шаге.

На каждом шаге сеть характеризуется математическое ожидание вероятности устойчивости:

где к = 1, т-номер шага; ^ = 1, щ - номер возможных состояний; - состояние сети МКРС,

ч

характеризующее событие того, что после к шагов

сеть находится в состоянии £ .

\

Вероятности пребывания РЛ в /1-ом состоянии на к-ом шаге определяются формулой [3]:

Р (к )=! Р (к -1) РМ , (2)

Л =1

«1

Pk = 1P ( k )Pyn (k )

ч =1

(3)

где Р^у - математическое ожидание вероятности устойчивости линии на к-ом шаге; РУа (к) вероятность устойчивости линии в /^-м состоянии на ком шаге.

Представим граф состояний РЛ «НПУ-БПЛА» с учетом воздействия дестабилизирующих факторов (ДСФ) рельефа местности и внешнего радиоэлектронного воздействия (ВРЭ) и управления сетью (рис. 2).

Pn(k)

P44(k)

Рисунок 2 Граф состояний РЛ «НПУ-БПЛА»

Анализ моделей цепей Маркова показывает, что для определения вероятности пребывания в состоянии в различные периоды времени необходимо кроме перечня состояний определить и их вероятности перехода. Для их обоснования воспользуемся теорией приятия решения на основе метода анализа иерархии (МАИ) [4]. Суть метода заключается в декомпозиции проблемы на простые составляющие части с использованием иерархий и синтеза состояний, путем обработки последовательности попарных суждений. В результате этого определяется относительная степень взаимодействия элементов в иерархии. Изменение состояния радиолинии «НПУ-БПЛА» характеризуется инертностью и может находиться в неизменном состоянии достаточно долго, поэтому переход в другое состояние происходит в дискретные моменты времени, что обосновывает применение МАИ.

Для нахождения вероятности пребывания в состоянии необходимо определить матрицу сравнений приоритета вероятностей переходов, элементом которой является экспертная оценка важности вероятностей перехода. Для формализации оценок

экспертов в МАИ применяется шкала относительной важности [4].

Тогда задачей является - нахождение вероятности пребывания в состоянии. При этом необходимо определить матрицу сравнений приоритета вероятностей переходов, элементом которой является их оцениваемая важность.

Принцип декомпозиции предусматривает структурирование проблемы в виде иерархий. В наиболее простом виде проблема декомпозируется на три уровня иерархии: вершина (уровень 1); промежуточные уровни (уровень 2); низкий уровень (уровень 3).

На основе сравнения показателей составлена матрица попарных сравнений для второго уровня декомпозиции задачи (табл. 2). Элементы матрицы получены путем сравнения относительной важности левых элементов матрицы с элементами наверху. При сравнении элемента с самим собой отношение равно единице. Если первый элемент важнее, чем второй, то используется целое число от 1 до 9 из шкалы вышеуказанных, в противном случае используется обратная величина

Таблица 2

Мат ища парных сравнений показателей

Пребывание в состоянии i1 P4 p 2i1 p 14

P1 w1,i w w <

Р"А wm>a w»2 n1,2 w» «1,«1

В работе [5] предлагается способ расчета собственного вектора матрицы:

1. Разделим элементы (показатели) каждого столбца на сумму столбца (произведем нормирование столбца):

i i,i

w

,<1

1,2

И'

Ы

n1 , ч n1

iwi ъ

w

У ,2

У=1

У=1

«1

Е

у=1

w

' У ,n1

w

.(i) n ,1

w

.(h) n ,2

W,

{ч)

.(h)

'Ч

Z-

Z S w ,2

V y=1 у=1

2. Суммируем значения элементов матрицы по горизонтальным рядам:

(h)

У ,n1

У=1 У

г

nL ^ц A. w.^

V—V 2'z у "1'

^^ ' ^^ Щ ' * * * ' ^^

~ " " I

V У=1 У=1

3. Элементы вектора нормируем числом элементов (делим на n1):

( \

У ,n1

У=1 У

1 ^ wg 1A wg 2 V w^^z

* г 1 ТА * ТУй * **

У=1 У=1 У=1 У

(4)

(5)

(6)

С учетом этого элементы собственного вектора матрицы для оценки вероятности пребывания в /-ом состоянии определяются формулой:

/ Л

К> с=

I ^ WZ j_ А Wz j_ f w^z

/ J Пл ' / V И, ' * * ' ' / j Пл

п, ,=1 ^ Wj Z=1 у ^ Wj Z=1

y=1 , 1

<■ , = ъ w«1 n - ъ

w

У,2

У=1

У=1

(7)

где Щ г — 1Щ у Щуу — г — 1; у, г, ^ = 1, ^ ; - ^-й элемент собственного вектора,

соответствующего событию пребывания в /1-ом состоянии

Элементы вектора нормируем числом, которое в формуле (7) выражает весомость влияния соот-

у{ч) у{ч) 1"1 = Г P P 1"

(8)

ветствующих вероятностей перехода состояния на г> г>

^ ^ 7. где Г, ...г . - вероятности перехода из раз-

вероятности события пребывания. Это значит, что п\1\

элементы собственного вектора - есть значения ве- личных состояний в /1-ое состояние.

роятностей перехода из различных состояний в /-ое На основе формулы (7) матрица вероятностей

состояние: перехода определяется:

1

hh

V{11 V® ... VW'

y( 1

2

V< 2 V 2

7/("l)

2

Vw V(2 ... VW

(9)

Точность полученных значений вероятностей пребывания зависит от согласованного суждения эксперта при проведении парных сравнений. Проверка на согласованность осуществляется по индексу согласованности (ИС), который определяется формулой [5]:

(Хшах - П1)

ИС = ■

« -1

(10)

[ъ (к), Р2 (к),...,рП1 (к)] = (0), Р2 (0),...,рП1 Щрлчрпъ

где П1 - число сравниваемых элементов; X шах

- максимальное собственное значение матрицы. Максимальное собственное значение матрицы

Хшах определяется следующим образом [2, 5]:

1. Умножаем матрицу парных сравнений направо на полученный собственный вектор.

2. Делим элементы полученного в п.1 вектора на соответствующие элементы собственного вектора.

3. Суммируем компоненты полученного в п.2 вектора и делим на число элементов. Полученное число приблизительно равно максимальному собственному значению матрицы.

В соответствии с формулой (2) на начальном шаге определяется формулой:

к

2 )■>• ••'-'в, V.") I"1 .М"1 Щ,пх (11)

где Р;(0), Р2(0),...,РП1 (0) - вероятности пребывания на начальном шаге.

Таким образом, в соответствии с формулой (9) определяются вероятности пребывания линии в состоянии, а с формулой (3) - математическое ожидание вероятности устойчивости на каждом шаге. Модель оценки устойчивости сети по формулам (3) и (5), позволяет получить оценку устойчивости при отсутствии необходимых данных о воздействии и процессе управления сетью.

Полученный способ оценки надежности связи позволяет:

1. Более подробно и точно оценить устойчивость высокоскоростной радиорелейной линии «НПУ-БПЛА» в условиях многофакторного дестабилизирующего воздействия (динамических замираний интерференционного и мигающего характера, радиоэлектронного воздействия).

2. Увеличить устойчивость высокоскоростной радиолинии на всю глубину барражирования БПЛА, за счет выбора рационального способа приема сигналов в зависимости от состояния радиолинии.

3. Позволяет выбрать маршрут полета с лучшими параметрами надежности связи.

4. Результаты исследования могут использоваться для управления параметрами и режимами

работы РЛ (повышение/уменьшение мощности передатчиков, изменение скорости передачи информации, выбор рабочих частот, метода разнесенного приема, изменение структуры сигнально-кодовой конструкции, рациональный выбор местоположения НПУ, определение способов помехозащиты и т.п.) с целью повышения надежности связи в условиях многофакторного воздействия деструктивных факторов.

Список литературы:

1. Е.Е. Исаков. Устойчивость военной связи в условиях информационного противоборства/ Е.Е. Исаков - СПБ. Изд-во Политехн. Ун-та, 2009. -400с.

2. Вентцель Е. С. Исследование операций. М., «Советское радио», 1972, 552 с.

3. Волков И.К., Зуев С.М., Цветкова Г.М. Случайные процессы: Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 448 с.

4. Саати Т. Принятие решений: метод анализа иерархий. - М.: Радио и связь, 1993. - 278с.

5. Семенов С.С. и др. Методы принятия решений в задачах оценки качества и технического уровня сложных технических систем/ Под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Рубиновича. - М.: ЛЕНАНД, 2016. - 520с.