Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор систем местоопределения гроз - 16
1.1 Типы молниевых разрядов и их АЧХ - 17
1.2 Ра зностно-далъ но мерный способ - 20
1.3 Пеленгационный способ - 24
1.4 Система IMPACT -28
1.5 Трехмерное УКВ картирование - 30
1.6 ОднопунктоБос местоопределение - 32
1.7 Пеленгационно-далъномерный метод -36
1.8 Регулярные размещения пунктов наблюдения - 38
1.9 Задачи диссертации -40
ГЛАВА 2 Пеленгационно-дальномерныи метод - 41
2.1 Описание їадачи - 41
2.2 Аналитическое решение - 42
2.3 Определение псевдопеленга -44
2.4 Погрешность оценки псевдопеленга - 48
2.5 Верхняя оценка погрешности - 52
2.6 Определение отношения действующих высот -56
2.7 Определение точностных характеристик - 63
2.8 Выводы - 71
ГЛАВА 3 Дальномерный метод - 73
3.1 Описание задачи -73
3.2 Определение координат - 75
3.3 Аналитическое решение - 75
3.4 Число обусловленности решения системы - 77
3.5 Масштабирование системы - 81
3.6 Верхняя оценка погрешности - 88
3.7 Выводы - 91
ГЛАВА 4 Программное обеспечение системы - 92
4.1 Описание задачи - 91
4.2 Технология разработки ГИС - 94
4.3 Анализ функциональных требований - 96
4.4 Анализ предметной области - 106
4.5 Диаграммы взаимодействия системы - 115
4.6 Разработка вычисляющего сервера - 123
4.7 Программа визуализации - 138
4.8 Выводы - 145
Заключение -146
Литература -149
Список используемых сокращений - 162
Приложения -164
- ОднопунктоБос местоопределение
- Погрешность оценки псевдопеленга
- Число обусловленности решения системы
- Диаграммы взаимодействия системы
Введение к работе
В данной работе рассмотрен круг вопросов, связанный с отысканием конкретных способов обработки регистрируемых атмосфериков с целью извлечения информации о координатах источника излучения и созданием программно-аппаратных комплексов, обладающих достаточной для практических и исследовательских целей точностью, надежностью, быстродействием, удобством представления информации.
Вопросы определения местоположения молниевых разрядов радиотехническими методами представляют интерес, как для фундаментальной науки, так и для практики. Оперативная и достоверная информация о грозовых явлениях позволит решать многие проблемы геологии, метеорологии, физики атмосферы, изучения флуктуации электромагнитного поля Земли.
Торнадо и ураганы обыкновенно сопровождаются значительным числом грозовых разрядов, что позволяет определять координаты таких атмосферных явлений с помощью систем местоопределения молниевых разрядов [102]. Так же перманентные очаги грозовой активности могут указывать на залежи полезных ископаемых или наличие скоплений подземных вод.
Поражения грозовыми разрядами наносят ощутимый ущерб многим практическим отраслям человеческой деятельности. Важнейшим практическим применением метеоданных о молниевой активности является раннее обнаружение лесных пожаров [102; 125; 24]. При этом более чем в половине случаев виновником пожара является молния [46]. Кроме того, подавляющее количество аварий и отключений ЛЭП обусловлено прорывом молний сквозь тросовую защиту и поражением фаз. Считается, что своевременное обнаружение молниевой активности и слежение за ее развитием в пространстве и во времени позволяет во многих случаях избежать ущерба или существенно снизить его.
Оперативное определение местоположения грозовых очагов особенно важно для метеорологического обеспечения авиации, так как приближение воздушных судов к грозовому облаку может создать аварийную ситуацию [25; 35]. Еще более чувствительными к поражениям молниями являются различные ракеты-носители [46; 83].
Для строительных и страховых компаний, наличие многолетнего банка данных по грозовой активности в конкретном географическом районе позволяет проектировать системы грозозащиты зданий и определять страховые суммы для имеющихся и строящихся объектов с учетом их возможной поражаемости молнией.
Решение задачи определения местоположения грозовых очагов требует комплексного рассмотрения целого ряда вопросов. Во-первых, необходимо иметь достаточно четкое представление о характере молниевых разрядов как источников электромагнитного излучения. Во-вторых, необходимо знать основные особенности трансформации электромагнитного излучения при распространении над земной поверхностью. Большой круг вопросов связан с отысканием конкретных способов обработки регистрируемых сигналов с целью извлечения информации о координатах источника излучения и созданием автономных устройств, обладающих достаточной для практических и исследовательских целей точностью, надежностью, быстродействием, удобством представления информации в виде, пригодном для последующей обработки и хранения.
В настоящее время в системах предупреждения грозоопасности наряду с радиолокационными методами широко используются пассивные методы даль-нометрии и пеленгации, из которых наилучшие показатели имеют многопунк-товые системы местоопределения молниевых разрядов. Ведущими странами в этой области являются США (система NLDN), Япония (LDAR) и страны Западной Европы (SAFIR) [99; 103; 125; 63], которые покрыли такими системами свои территории практически полностью [46]. В последнее время для организации непрерывных наблюдений все более активно используются спутники, область наблюдения которых охватывает в основном тропическую зону Земли [41].
Данные метеорологических радиолокаторов и спутников, позволяющие с определенной вероятностью только предположить молниевую активность, оказываются недостаточными, когда требуется информация о координатах молний в реальном времени [3; 32; 46]. Указанная информация может быть получена с помощью пассивных однопунктовых или многопунктовых радиотехнических систем местоопределения молний, основанными на использовании особенностей изменения пространственно-временных характеристик электрической и магнитной компонент поля источника электромагнитного излучения.
Практически все, развернутые в настоящее время многопунктовые системы по своей сути являются высокоточными и дорогостоящими, требуют развитой инфраструктуры связи и имеют малый радиус действия сенсоров [95; 83]. Внедрить на территории России зарубежные аналоги, представляется затруднительным, так как наша страна обладает огромной площадью и для ее мониторинга потребуется значительное количество сенсоров, протяженные и высокопроизводительные каналы связи, что сильно увеличит стоимость внедрения.
При использовании многопунктового разностно-дальномерного метода, в каждом пункте наблюдения измеряется время регистрации сигнала от молниевого разряда. Разность между временами прихода сигнала на два пункта определяет гиперболу, а пересечение нескольких гипербол указывает на источник излучения. В пеленгационном способе местоположение молниевого разряда определяется как пересечение азимутов источника электромагнитного излучения из каждого пункта наблюдения.
К недостаткам таких систем можно отнести: возможность работы системы только в пределах прямой видимости (из-за использования диапазона УКВ), необходимость высокоточной синхронизации системных часов па пунктах регистрации, уменьшение точности при увеличении базовых размеров системы и наличие зон с возрастающей ошибкой местоопределения. В случае использования для определения азимутов рамочных СДВ пеленгаторов снимается условие прямой видимости разряда, но сильно возрастают методические погрешности определения пеленга.
В России, где недостаток в повсеместно развитых и доступных системах связи мешал развитию традиционных многопунктовых систем, разрабатывались в основном однопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры. Такими разработками занимались в ГГО им. А.И. Воейкова, СПбГУ (г.Санкт-Петербург), в институте радиотехники РАН (г.Москва), ЗАО НИИИТ-РК, ЮУрГУ (г.Челябинск), в институте космофизических исследований и аэрономии республики Саха (г.Якутск). К основным достоинствам однопунктовых систем можно отнести: их относительную простоту, невысокую стоимость внедрения и эксплуатации, автономность и мобильность, необязательность наличия развитой инфраструктуры связи.
Однако разработанные к настоящему времени серийные однопунктовые системы не показали достаточной точности определения координат молниевых разрядов, из-за физических условий распространения сигнала и принятых моделей молниевого разряда. Так одночастотный Н-метод, использованный в грозодальномере ФАГ-1, обеспечивает лишь интервальную оценку дальности [5].
На расстояниях до 100км в качестве математической модели молниевого разряда используется произвольно ориентированный электрический дипольный источник излучения. Адекватность использования такой модели была подтверждена теоретическими исследованиями [25] и экспериментами, проведенными в ГГО им. А.И. Воейкова.
Другой серийно выпускавшийся грозопеленгатор-дальномер «Очаг-2П» использует для нахождения координат молниевого разряда амплитудный ЕН-метод, однако из-за невысоких точностных и вероятностных характеристик эта система широкого применения не получила. Основной причиной возникновения погрешностей определения координат, является использование упрощенной модели молниевого разряда в виде вертикального эквивалентного диполя.
Рамочная магнитная антенна, применяемая в данном приборе для измерения магнитной составляющей поля диполя, реагирует как на продольную нормальную, так и на поперечную аномальную составляющие магнитной компоненты электромагнитного поля. Эта горизонтальная составляющая, возникающая из-за изначального отклонения эквивалентного диполя от вертикали [24] или не равномерного перемещения фронта радиоволны [3], порождает так называемые поляризационные ошибки [31] определения пеленга. Фактически в подобных однопунктовых системах определяется не значение пеленга на источник излучения ф, а приближенная к ней величина (р, часто называемая псевдопеленгом, значение которой совпадает с истинным пеленгом только в случае вертикального молниевого разряда.
Более адекватная модель, учитывающая возможную невертикальность эквивалентного диполя, была использована при создании пилотного образца автономного грозопеленгатора-дальномера разработанного в соответствии с проектом МНТЦ №1822.
Многопунктовый пеленгационно-дальномерный метод, предложенный Панюковым А.В., в отличие от классического пеленгационного, использует для расчетов значение псевдопеленга на источник излучения и позволяет исключить неопределенность в оценке координат молниевого разряда, что делает актуальной задачу повышения точности оценки самого псевдопеленга на каждом пункте наблюдения.
Кроме того, использование пеленгационно-дальномерного метода предполагает знание соотношения действующих высот магнитных и электрической антенн. Определение данного соотношения является сложной технической проблемой, требующей наличия эталонного измерителя или длительного времени для сбора и обработки статистических данных. Поэтому представляет интерес разработка других методов определения местоположения молниевого разряда, не требующих знания этого соотношения.
В последнее время, бурное развитие вычислительной техники и систем связи дало возможность объединить однопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры в единую систему. Совместная обработка сигналов отдельных гро-зопеленгаторов-дальномеров, применяемая в многопунктовых системах, позво
ляет исключить ранее существовавшие методические погрешности определения координат молниевых разрядов, что делает актуальной задачу повышения точности определения псевдопеленга на пунктах наблюдения. Автоматизации сбора информации с пунктов наблюдения поможет различным службам более оперативно реагировать на изменение грозовой обстановки.
Целью диссертации является разработка и исследование методов интеграции автономных грозопеленгаторов-дальномеров в единую систему, создание программно-аппаратного комплекса местоопределения грозовых очагов по результатам пассивного мониторинга электромагнитного поля в диапазоне СДВ. В связи с поставленной целью решаются следующие задачи:
1) разработка и исследование оптимальных методов определения псевдопеленга на источник излучения;
2) исследование и разработка методов многопунктового местоопределения источника излучения с помощью сети автономных грозопеленгаторов-дальномеров;
3) разработка архитектуры многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов и создание ее программного обеспечения.
Научная новизна теоретических и экспериментальных результатов полученных в данной диссертации заключается в следующем.
1. На основе дальномерного метода разработана архитектура многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов и ее программное обеспечение. В рамках используемой математической модели молниевого разряда (дипольный источник электромагнитного излучения над бесконечно проводящей землей) разработан метод оценки псевдопеленга на молниевый разряд по наблюдаемым СДВ сигналам. Показана практическая несмещенность данной оценки и найдена зависимость дисперсии оценки от значения псевдопеленга и отношения сигнал/шум. Предложен метод снижения дисперсии оценки псевдопеленга за счет увеличения числа каналов пеленгатора.
2. Предложен метод статистического определения отношения действующих высот антенн АГПД, модифицирован многопунктовый пеленгационно дальномерный метод и предложена методика оценки точностных характеристик автономного грозопеленгатора-дальномера.
3. Предложен дальномерныи метод определения местоположения молниевых разрядов, не чувствительный к наличию аномальной составляющей магнитного поля, который в отличие от известных методов, не требует высокоточной синхронизации системных часов на пунктах наблюдения и знания соотношения действующих высот антенн. Проведено аналитическое исследование данного метода и даны рекомендации по оптимизации его точности.
4. На основе предложенных методов разработана архитектура многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов и ее программное обеспечение.
Практическая значимость. Информация о молниевой активности, предоставляемая разработанной системой, позволит решать некоторые проблемы геологии, гидрологии, метеорологии, экологии. Примерами практического использования данной информации, в частности, являются: обеспечение безопасности авиационных и морских перевозок; быстрое обнаружение и устранение вызванных грозой аварий в крупномасштабных распределенных системах.
Разработанный метод определения оценки псевдопеленга и программное обеспечение многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов (свид. РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002610234) внедрены в пилотный образец автономного грозопеленгатора-дальномера разработанный в ЗАО НИИИТ-РК (Челябинск) и ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ им.акад. Е.И. Забабахина (г. Снежинск), в соответствии с проектом МНТЦ№1822.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных мероприятиях
• Международная конференция «International Conference on Lightning Protection 2004», Хельсинки, сентябрь 2004 г.
• 5-ая национальная конференция по атмосферному электричеству, Владимир, сентябрь 2003 г.
• Международная конференция «International Conference on Lightning Protection - 2002», Краков, сентябрь 2002 г.
• Всероссийская научная конференция "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках", Тамбов, май 2002 г.
• Международный конгресс «Молодежь и Наука - третье тысячелетие», Москва, апрель 2002 г.
• Третий всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, Ростов, апрель 2002г.
• Международная конференция «Computer Science and Information Technologies», Уфа, сентябрь 2001 г.
• Международная конференция «Методы оптимизации и их приложения», Иркутск, июнь 2001 г.
• Конференция Ассоциации математического программирования, Екатеринбург, февраль 2001г.
• Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, Йошкар-Ола, декабрь 2001 г.
• Ежегодных научно-технических конференциях ЮУрГУ.
Основание для выполнения работы. Тематика диссертационной работы была поддержана конкурсным центром по грантам в области энергетики и электротехники Минобразования РФ (грант 45Гр-98), грантами РФФИ (проекты 01-07-90161, 02-07-060090-мас, 03-07-06052-мас - «Сетевое инструментальное программное обеспечение для многопунктовой системы пассивного мониторинга грозовой деятельности») и МНТЦ (проект 1822 - «Разработка одно-пунктового грозопеленгатора-дальномера»).
Работа награждена дипломами Комитета общественных и межрегиональных связей Правительства Москвы, Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации, дипломами лауреата Второго Международного Конгресса молодых ученых, выставки «Политехника», компьютерной
-12 выставки «Молодежь и информационные технологии», победила в профессиональной номинации «Лучшая работа по радиоэлектронике и лазерной технике».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, получено свидетельство РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610234 «Комплекс программ для сети автономных грозопеленгаторов-дальномеров».
В первой главе выполнен обзор литературы, посвященной исследованиям и разработке методов пассивного определения местоположения молниевых разрядов, а также рассмотрены существующие типы эксплуатируемых систем определения местоположения гроз.
Обзор существующих систем пассивного местоопределения гроз показал, что, наиболее распространенные системы, используют либо пеленгационный, либо разн остно-дал ьномерный методы, либо их комбинацию, и предполагают наличие 3-х и более пунктов наблюдения. В диссертационной работе отмечено, что к основным недостаткам данных методов следует отнести работу сенсоров только в пределах прямой видимости (вследствие использования диапазона УКВ), фиксацию только разрядов облако-земля, необходимость высокоточной синхронизации системных часов на пунктах регистрации, и наличие зон с возрастающей ошибкой местоопределения.
Также отмечено, что разработанный ранее отечественный автономный грозопеленгатор-дальномер «Очаг-2П», при создании которого было принята гипотеза о вертикальности молниевого разряда, широкого применения не получил из-за невысоких точностных и вероятностных характеристик.
В первой главе указано, что в нашей стране, по ряду причин наибольшее внимание уделялось развитию одноиунктовых методов, основанных на представлении молниевого разряда в качестве эквивалентного, произвольно ориентированного, электрического диполя, размещенного над бесконечно проводящей поверхностью. Такая модель вполне адекватно описывает молниевый разряд и подстилающую поверхность на расстоянии до 100 км при использовании для измерений диапазона СДВ. По результатам измерений электромагнитного поля из одной точки на земной поверхности можно определить дальность и оценить значение пеленга до эквивалентного диполя.
В работе [108] указано, что неопределенность в оценке местоположения диполя, характерную для однопунктового метода, можно устранить, определяя параметры молниевого разряда в двух или более точках. Таким образом, за счет интеграции однопунктовых систем пассивного мониторинга грозовой деятельности в единую вычислительную сеть можно повысить вероятность обнаружения молниевого разряда и точность определения его координат.
На основании выполненного обзора литературных источников и существующих систем, были сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассматривается многопунктовый пеленгационно-дальномерный метод, предложенный ГТанюковым А.В. в 1996г. Исследовано использование метода наименьших квадратов для определения координат в этом методе, найдены аналитические зависимости относительной погрешности определения местоположения источника излучения от результатов измерений и их погрешностей,
Пеленгационно-дальномерный метод, в отличие от пеленгационного, использует для расчетов значения псевдопеленгов, измеренные автономными гро-зопел енгаторами-д ал ьном ерами. Вычислительный эксперимент показал, что неопределенность оценки координат разряда обусловленная отклонением эквивалентного диполя от вертикали в данном методе практически исключается. В работе указано, что метод дает возможность определения трех координат молниевого разряда, для него не требуется высокоточная синхронизация, и существует возможность идентификации соответствия зарегистрированных сигналов конкретным молниевым разрядам.
Для принятой в работе математической модели представления молниевого разряда, в виде произвольно ориентированного диполя, предлагается способ определения оптимальной оценки псевдопеленга с помощью метода наименьших квадратов и доказывается ее несмещенность, находится зависимость дисперсии от значения псевдопеленга и отношения сигнал/шум и предлагается метод снижения дисперсии.
В работе выведены формулы для определения значения псевдопеленга р по отсчетам мгновенных значений двух горизонтальных ортогональных магнитных и вертикальной электрической составляющих поля, наводимого молниевым разрядом в точке наблюдения. Полученный алгоритм определения псевдопеленга (р был исследован к наличию аддитивного шума в каналах рамочных антенн. По результатам исследования сделан вывод о несмещенности данной оценки псевдопеленга и устойчивости предложенного алгоритма к погрешностям моделирования. По виду графика дисперсии в работе предложено использовать дополнительно три пары рамочных антенн, что позволяет снизить дисперсию более чем в три раза.
В работе отмечено, что пеленгационно-дальномерный метод основан на определении местоположения молниевого разряда, как точки пересечения множеств возможного положения, относящиеся к одному молниевому разряду и полученных с нескольких станций наблюдения. Однако, вследствие аппаратных и методических погрешностей, возможно, что пересечение множеств окажется пустым. В этом случае, предлагается в качестве оценки положения разряда брать середину отрезка соединяющего ближайшие точки данных множеств, что позволяет улучшить точность местоопределения молниевого разряда.
Для определения координат молниевого разряда необходимо знать отношение действующих высот магнитных и электрической антенн в каждом пункте наблюдения. В работе предложена методика статистического определения отношения действующих высот антенн. Несмотря на это процесс определения вертикальных и дальних является технически сложной задачей и требует длительного времени для сбора данных. Поэтому в работе сделан вывод об актуальности задачи определения трехмерного местоположения молниевого разряда иным методом, не требующим знания действующих высот.
В третьей главе предложен дальномерный метод местоопределения молниевых разрядов, найдены аналитические зависимости относительной погрешности определения координат источника излучения от результатов измерений и их погрешностей. Предложенный дальномерный метод не требует предварительного знания действующих высот и позволяет еще на этапе проектирования системы построить оптимальный по точности алгоритм.
Были получены гарантированные оценки погрешности определения координат в дальномерном методе при регулярном размещении трех и •четырех пунктов наблюдения. Предложен алгоритм снижения числа обусловленности до приемлемых величин с помощью масштабирования системы. На основании проведенных исследований в четвертой главе рекомендовано при создании системы использовать четырсхпунктовый метод, размещая пункты наблюдения в вершинах квадратов со сторонами 90км.
В четвертой главе предложена архитектура программного обеспечения многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов на основе сети автономных грозопеленгаторов-дальномерОв. В работе приведено описание и функции отдельных блоков, рассмотрены связи между ними. Показана возможность синхронизации системных часов на пунктах наблюдении по принимаемым атмосферикам без использования сигналов точного времени и идентификации принадлежности сигналов, принятых на разных станциях, одному источнику излучения. Очерчены перспективы развития системы и возможности интеграции с существующими аналогами.
В состав системы входят несколько СДВ автономных грозопеленгаторов-дальномерОв, расположенных в различных пунктах наблюдения, вычисляющий сервер с базой данных о наблюдаемых явлениях, блок управления, и сеть передачи данных, используемая для связи между компонентами системы.
Вычисляющий сервер и блок управления реализованы на одном или нескольких компьютерах стандартной архитектуры с использованием программного обеспечения, разработанного в рамках проектов РФФИ 01-07-90161, 02-07-060090-мас, 03-07-06052-мас.
ОднопунктоБос местоопределение
Вследствие таких различий между частотой импульсов, амплитудой и диапазоном частот у разных компонент разряда, применяются множество разных технологий для определения различных процессов во внутриоблачных разрядах и разрядах типа «облако-земля». ДВ и СДВ сигналы, распространяющиеся вдоль поверхности земли, уже много лет используются для детектирования и местоопределения обратных ударов в разрядах «облако-земля» [99; 19; 25; 46]. Кроме того, ДВ сенсоры, могут также использоваться для местоопределения внутриоблачных разрядов, несмотря на то, что, как сказано выше, эти сигналы обычно много слабее, чем у разрядов «облако-земля» [99].Существует технология местоопределения, использующая отраженное от ионосферы и земли СДВ излучение разрядов «облако-земля», распространяющееся на тысячи километров [91; 48]. Такая технология позволяет определять местоположение разрядов в отдаленных, труднодоступных районах, например - над океаном. Системы местоопределения, работающие в УКВ, в состоянии наблюдать за обоими типами разрядов [83; 99; 100]. Рассмотрим более подробно некоторые типы используемых в настоящее время методов местоопределения и системы, реализующие их на практике.
В разностно-дальномерном способе предполагается, что в каждом пункте наблюдения измеряется время регистрации сигнала от источника электромагнитного излучения. Разность между временами прихода сигнала на два пункта определяет гиперболу, и несколько пунктов определяют несколько гипербол, пересечение которых указывает на источник излучения. Пусть в пункте неизвестными координатами (x yj, измерено время /, появления сигнала от источника электромагнитного излучения, с - скорость света, тогда:
Таким образом, разностно-дальномерный способ заключается в построении и решении этой системы нелинейных алгебраических уравнений с неизвестными tfx,y. Эта техника проиллюстрирована на рис. 1.2а - здесь, за SI,S2 и S3 обозначены станции наблюдения. При некоторых геометрических условиях, кривые, полученные только с трех сенсоров, могут иметь два пересечения, указывая на два сомнительных местоположения, как показано на рис, 1,26. Этой проблемы можно избежать, применив четыре сенсора для обнаружения разряда. Детальный теоретический анализ этой методологии, обычно именуемой как местоопредсление методом пресечения гипербол, был представлен в [91], Разностно-дальномерный метод может обеспечивать достаточно точное местооп-ределение на больших расстояниях, если антенны правильно расположены и минимизированы систематические ошибки. В работе [63] приведено описание разработанного широкополосный разностно-дальномерного сенсора, названного «Lightning Position and Tracking System» или LP ATS, и применяемого для местоопределеиия, с использованием разностно-дальномерного метода, молниевых разрядов на средней и дальней дистанции [68]
На разностно-/дальномрйом способе м стоопредедания основана работа широко распространенной системы National LigfaUimg Detection Network (NLDN) [103] фирмы Global Atmospherics (США) теперь являющейся тгодр&і-делением Vaisulla Dimensions работающей в УКВ диапазоне. Пракшчески все службы США пользуются данными о грозовой активности предоставляемыми сетью NLDN: коммунальное хозяйство, электроэнергетика, авиация, связисты и военные. Данные о молниевых разрядах, собранные NT.DN доступны для использований в режиме реального времени и в виде архивов, которые содержат ;шхиен боте чем о 160 миллионов вспышек, начиная с 3989 года. На ряс. 13 проиллюстрирована работа сети MLDN, где в порядке нумерации обозначены: молниевый разряд и сенсоры наблюдения, спутник сшт н& йриїто-передающая станция, расчетный сервер, каналы передани дшшых? кешпшмф пользователя.
Следует заметить что при преобразованиях подобия (увеличения размеров системы без и тттт топологии р& сенсоров) шлрешноеіь ме-сгоодределения разно сто о дал ьномермого меюда не меняется, что является од -23 ним из ее существенных преимуществ перед описанным ниже пеленгационным методом, в котором погрешность возрастает пропорционально размерам базовых расстояний в системе. Однако требования к синхронизации разнесенных пунктов в системе единого времени для разностно-дальномерного метода оказываются на несколько порядков выше, чем для пеленгационного. Так, для пе-ленгационного метода синхронизация временных шкал должна обеспечивать лишь надежную идентификацию сигналов в пунктах наблюдения по их принадлежности к одному молниевому разряду, для чего достаточна точность синхронизации в пределах единиц миллисекунд. Для обеспечения километровой точности местоопределения в разностно-дальномерном методе точность временной привязки должна быть не хуже микросекунды.
Погрешность оценки псевдопеленга
Из изложенного выше следует, что особенностью пеленгационно-дальномерного метода является использование параметра w, значение которого можно определить зная соотношение действующих высот магнитных и элек трической антенн в каждом пункте наблюдения.
Данное отношение зависит от рихтовки антенн и может быть найдено экспериментально с помощью эталонного измерителя, В случае отсутствия эталонного измерителя, возможна оценка отношения действующих высот основанная на статистических измерениях. Метод такой оценки был разработан, с участием автора, при анализе результатов полевых испытаний двух пилотных образцов автономного грозопеленгатора-дальномера, проведенных в рамках
Содержание полевых испытаний Проект МНТЦ №1822, проходивший в 2002-2004гг., был посвящен разработке и исследованию однопунктовой системы местоопределения гроз в диапазоне сверхдлинных волн, те созданию пилотного образца однопунктового АГПД. В работе над проектом участвовали: 1. Федеральное Государственное Унитарное предприятие «Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина» (ФГУГТ РФЯЦ-ВНИИТФ им.акад. Е.И. Забабахина), Министерство Российской Федерации по атомной энергии, г.Снежинск. 2. ЗАО Научно-исследовательский институт по Измерительной Технике -Радиотехнические Комплексы (ЗАО НИИИТ-РК), г.Челябинск, 3. Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) 5 г.Челябинск. Были изготовлены два комплекта аппаратуры, размещенные в селе Воскресенском и на полигоне НИИИТРК в Шаголе (Челябинская область). В АГПД, размещенном в Воскресенском, было использовано два канала усиления и оцифровки сигналов с антенн, для расширения динамического диапазона аппаратуры. В АГПД, расположенном в Шаголе, была применена схема с одним каналом. Под атмосфериком будем понимать отдельные тройки сигналов в каналах антенн (ethx9hA, зарегистрированные хотя бы в одном пункте наблюдения и относящиеся к одному молниевому разряду. Под парными атмосфериками -пары атмосфериков зарегистрированные на обоих пунктах наблюдения одновременно. Для каждого атмосферика, принятого на АГПД без переполнения АЦП рассчитывались координаты соответствующего молниевого разряда с помощью методов однопунктового местоопределения. Для пар атмосфериков вычислялись координаты соответствующего молниевого разряда с помощью методов многопунктового местоопределения, определялось соответствие атмосфериков одному молниевому разряду и оценивалась вертикальность эквивалентных диполей. Мониторинг электромагнитного поля Земли велся с 5 мая 2004г. по 17 июля. При этом было зарегистрировано около 600 тысяч атмосфериков от 462 тысяч молниевых разрядов, найдено около 138 тысяч парных атмосфериков. Результаты мониторинга по каждому АГПД приведены в табл. 2.2. Результаты совместной обработки сигналов с обоих АГПД приведены в табл. 2.3. Хотя в целом проект МНТЦ №1822 был посвящен разработке и исследованию однопунктовой системы местоопределения гроз, но для оценки точностных характеристик созданной аппаратуры предполагалось использовать результаты с двух АГПД, в том числе и многопунктовые методы определения координат молниевого разряда. В связи с этим, в ходе работы над проектом, было решено несколько задач. В частности, был предложен метод статистического определения отношения действующих высот антенн АГПД, модифицирован многопунктовый пе-ленгационно-дальномерный метод и предложена методика оценки точностных характеристик разработанной аппаратуры. Данные методы были успешно апробированы в внедрены в созданную систему- Также было разработано программное обеспечение для реализации предложенных методов. Примеры результатов мониторинга приведены на рис. 2.12. высот Как отмечено выше, выходные сигналы антенн АГПД описываются следующими формулами: где к - -ке/є0кт , и ki кт - соответствующие коэффициенты усиления каналов электрической и магнитной антенн. Из данных соотношений видно, что на значения сигналов в каналах антенн существенное влияние оказывают случайные величины u,v,a. Влияние этих случайных величин можно устранить, принимая к рассмотрению, только разряды с подобными сигналами в канале электрической и канале магнитной антенны. Высокое подобие сигналов в каналах антенн будет только у вертикальных дальних атмосфериков, а для таких случаев характерно; а2 »0, и&\ vа 1.
Таким образом, для атмосфериков с подобными сигналами в каналах электрической и магнитных антенн, оценить значение к можно из отношения сигналов в канале e(t) и каналах Предлагаемая методика определения отношения коэффициентов усиления антенн к состоит в следующем: 1. На множестве 5 атмосфериков (ethx9hyJ вводится квазиметрика
На основе данной методики была проведена статистическая обработка накопленного массива данных с целью селекции подобных сигналов. Для каждой станции и каждого набора АЦП были проведены исследования квазиметрики &(e,hx,hyV построены гистограммы и эмпирические законы распределения. Некоторые результаты исследований приведены на рис, 2.6. Для отбора разрядов с большим подобием сигналов (е9Ья9ку] было получено граничное значение для квазиметрики Дтаї - 0.1 (рис. 2.6). При этом число сигналов было достаточно большим для получения статистической оценки величины к . Отфильтрованные по преложенной методике разряды будут дальними и практически вертикальными, что позволяет использовать их для определения отношения действующих высот антенн і Цґ) /й(/) . Построены гистограммы и эмпирические законы распределения отношения действующих высот антенн, примеры которых приведены на рис. 2.7.
Число обусловленности решения системы
Для реализации данных возможностей необходимо объединить отдельные АГПД в единую сеть местоопределения молниевых разрядов. В 2001 г. РФФИ поддержал проект Лгй01 -07 90161 "Сетевое инструментальное программное обеспечение для многопунктовой системы пассивного мониторинга грозовой деятельности", а также гранты диссертанта по проектам №02-07-060090-мае и №03-07-06052-мас, посвященные той же тематике. Основной целью проекта являлось развитие инструментальных программно-аппаратных средств для однопунктовых и многопунктовых систем местоопределения грозовых очагов по результатам пассивного мониторинга электромагнитного поля в диапазоне СДВ. В качестве цели проекта была поставлены задача разработки программно-аппаратного обеспечения, позволяющего; 1) в режиме реального времени вырабатывать согласованное решение о месте, времени и других параметрах молниевого разряда на основе данных сети ЛГПД и делать прогноз развития грозовой обстановки на будущее время; 2) вести базу данных о грозовых явлениях и предоставлять пользователям доступ через сеть Интернет к информации о грозовой обстановке; 3) автоматически тестировать работоспособность отдельных АГПД и проводить диагностику всей системы в целом, своевременно сообщать обслуживающему персоналу о возникающих неполадках. Для реализации поставленных задач была разработана многопунктовая распределенная вычислительная система реального времени (географическая информационная система - ГИС), предназначенная для интеграции географически разнесенных АГПД в единую сеть определения координат молниевых разрядов. Процесс разработки программного обеспечения представляет собой метод организации видов деятельности, связанных с созданием, поставкой и поддержкой программных систем [13; 21; 52], Любая система в реальном мире или в области создания программного обеспечения обычно является чрезвычайно сложной. Так что для получения возможности ее анализа и управления ею необходимо выполнить ее декомпозицию на более мелкие, и, следовательно, более доступные для понимания составные части (модели) [12], Таким образом, при проектировании программной системы очень полезно сначала создать модели, отражающие важные детали проблемы из реальной жизни, для решения которой и конструируется система. Объектно-ориентированный подход Создание крупных программных систем ставит перед разработчиками много проблем, часть из которых не может быть эффективно решена классическими средствами структурного подхода. Окружающий мир состоит из объектов, поэтому вполне логичным выглядит стремление перенести подобный метод представления информации о предметной области в программирование. Основное преимущество объектно-ориентированного подхода (ООП) состоит в том, что задача решается новым способом. Вместо формирования набора процедур, предназначенных для решения конкретной задачи, формируется набор объектов свойственных данной предметной области [12]. Разрабатываемая модель объекта предметной области содержит не все признаки и свойства представляемого ею предмета, а только те, которые существенны для разрабатываемой программной системы [13]. Тем самым модель "беднее4, а, следовательно, проще представляемого ею предмета, а формальный характер моделей позволяет определить формальные зависимости между ними и формальные операции над ними. Это упрощает как разработку и анализ моделей, так и их реализацию на компьютере. Таким образом, объектно-ориентированный подход помогает справиться с такими сложными проблемами, как 1) уменьшение сложности программного обеспечения; 2) повышение надежности программного обеспечения; 3) обеспечение возможности модификации отдельных компонентов программного обеспечения без изменения остальных его компонентов; 4) обеспечение возможности повторного использования отдельных компонентов программного обеспечения. Систематическое применение объектно-ориентированного подхода позволяет разрабатывать хорошо структурированные, надежные в эксплуатации, достаточно просто модифицируемые программные системы. Поэтому было принято решение разрабатывать программное обеспечение ГИС на основе именно объектно-ориентированного подхода, для чего сначала необходимо провести объектную декомпозицию рассматриваемой задачи с помощью методологии объектно-ориентированного анализа и проектирования (ООАП). Системы реального времени Кроме сложности структуры, важнейшим свойством разработанной системы является асинхронность внешних событий (молниевых разрядов) по отношению к событиям внутри самой системы- Таким образом, разработанная ГИС являет собой систему реального времени [62; 67; 44], для которой критически важно успеть обработать сигналы данного молниевого разряда до появления следующего. Системы реального времени являются одним из самых важных классов программного обеспечения, имеющим жесткие временные ограничения- Системой реального времени обычно называют программно-аппаратную систему, управляющую каким-либо оборудованием, либо принимающую с него какие-либо данные, и имеющую внешний интерфейс для ручного управления или мониторинга, при этом правильность ее работы зависит не только от логических результатов вычислений, но и от времени, затраченного на получение этих результатов [52]. При этом выделяются следующие аспекты характеристик и поведенческих особенностей систем реального времени: J) длина временных ограничений и неточностей — например, системы с короткими временными интервалами; 4) уровни временных ограничений - строгие и нестрогие; 5) степень требуемой надежность систем - например, при создании системы управления атомным реактором требуются особые усилия по обеспечению безотказной работы; в работе [52] отмечается, что системы со строгими временными ограничениями не всегда являются надежными в этом смысле; 6) размер системы и "плотность" взаимодействия между ее компонентами; 7) характеристики окружения, в котором система должна работать - например, неизведанное и непредсказуемое космическое пространство для космических кораблей, запускаемых за пределы солнечной системы, или погодные показания для метеорологической системы, масштабы, изменения которых известны,
Диаграммы взаимодействия системы
Вычисляющий сервер по полученным с АГПД результатам наблюдений идентифицирует наблюдаемые сигналы по отношению конкретному грозовому разряду, производит отбор АГПД, данные, которых будуі участвовать в раене-7 ах, и в итоге находит по зтим цттыы декартовы координаты разряда. Полуденные координаты соотнося гея с земной поверхностью для получения географических координат молнисіюш разряда, гситорые вместе с полученными ИСХОДНЫМИ данными вписываются в базу данных. Помимо этого вычисляющий сервер выраб&гывает сшиты для коррекции системных часов всех АГПД и формирует команды к АГПД, на выполнение іестовшх заданий в фоновом режиме или но указанию блока управления. Результаты тестирования всей системы и ее отдельных элементов передаются т блок управления для: анализа их администратором системы.
При работе с клиентами, вычисляющий сервер регистрирует компьютеры пользовавши и обееионишіет доступ к информации в соответствии с установленными правами и правилами, предоставляет по іребоваишо пользователей либо оперативную информацию о грозовой обстановке, либо обеспечивает работу с архивом наблюдений. Для обеспечения взаимодействия компьютером пользователей с вычисляющим сервером на них должно быть установлена клиентская часть программного обеспечения [42], В качестве сети передачи данных между компонентами системы может быть использована любая стандартная компьютерная сеть, в том числе и сеть Интернет,
В приложении II описаны условия применения, требования к аппаратному и программному обеспечению разработанной системы.
Дальнейший анализ составленных требований к системе проводится с помощью построения диаграммы вариантов использования [58; 106], которая иллюстрирует набор исполнителей и вариантов использования системы, а также взаимосвязи между ними. Назначение диаграммы - представить некоторую контекстную диаграмму, позволяющую быстро определить набор внешних исполнителей и ключевые методы их использования.
Исполнитель (Актер) системы является внешним по отношению к системе понятием, которой каким-либо образом взаимодействует с системой. Обычно с помощью каких-то действий исполнитель стимулирует систему к выполнению определенной работы и получает от нее некоторую информацию. В разрабатываемой системе многопунктового местоопределения молниевых разрядов имеются следующие исполнители:
Это пользователь, получающий от системы информацию о текущей грозовой обстановке, основная его обязанность - мониторинг грозовой деятельности. Обладает основными навыками работы в ОС Windows и анализа текущей грозовой обстановки. Получает оперативную информацию и прогнозы развития грозовой обстановки в реальном масштабе времени. Пользователями оперативной информации могут быть, например: метеослужбы, службы обеспечения безопасности полетов и МЧС,
Пользователь архивной информации Это пользователь, получающий координаты молниевых разрядов из архива наблюдений в соответствии с заданными им критериями (диапазонами времени и координат). Основная его обязаттность - долгосрочный анализ грозовой деятельности и планирование размещения неподвижных объектов (например, зданий и сооружений) на поверхности земли. Обладает основными навыками работы в ОС Windows и анализа зависимостей плотности распределения молниевых разрядов от условий атмосферы и подстилающей поверхности. Получает и архива наблюдений информацию о координатах молниевых разрядов в необходимом районе за определенный промежуток времени. Пользователями архивной информации могут быть: метеослужбы, строительные, страховые и энергетические компании, метеорологические, геологические и другие научные организации.
Это лицо, имеющее полномочия на конфигурирование, старт-останов, и проверку работоспособности системы. Обладает знаниями в области администрирования операционных и профаммных систем- Администратор осуществляет начальное и текущее конфигурирование системы; плановые и внеплановые мероприятия по проверке работы, как отдельных частей, так и всей системы в целом; запускает и останавливает работу системы или отдельных ее частей.
АГПД - это программно аппаратный комплекс, разработанный в соответствии с проектом МНТЦ №1822, и позволяющий по результатам наблюдений электромагнитного поля земли из одной точки осуществлять определения расстояния до источника излучения и значения псевдопеленга до него. В разрабатываемую многопунктовую систему, АГПД входит как неотемлимая составная часть, однако его разработка не включается в процесс создания многопункто-вой системы. Разрабатываемая система лишь объединяет отдельные АГПД в единую сеть, для обеспечения совместной обработки сигналов с различных точек наблюдения.
Вариант использования (Use Case или прецедент) это - описание последовательности действий, которые может осуществлять система в ответ на внешние воздействия пользователей или других программных систем, т.е. внешних исполнителей [12]. Варианты использования отражают функциональность системы с точки зрения получения значимого результата для пользователя, поэтому они точнее позволяют ранжировать функции по значимости получаемого результата.
Во время анализа и проектирования варианты использования позволяют понять как результаты, которые хочет получить пользователь, влияют на архитектуру системы и как должны себя вести компоненты системы, для того чтобы реализовать нужную для пользователя функциональность. Каждый вариант использования показывает, как конкретный актер использует систему и в дальнейшем расширяется диаграммами состояний и последовательности действий. Цель варианта использования заключается в том, чтобы определить законченный аспект или фрагмент поведения некоторой сущности без раскрытия внутренней структуры этой сущности.
