Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих моделей учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы ...
1.1. Основные методические подходы к учету влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы 45
1.2. Анализ моделей учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы в условиях детерминированной радиоэлектронной обстановки 44
1.3. Анализ моделей учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы в условиях неопределенности данных о радиоэлектронной обстановке 46
1.4. Выбор показателей эффективности учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы. Постановка научной задачи
1.5. Общая схема решения задачи. Частные задачи исследований
Выводы
ГЛАВА 2. Разработка модели радиоэлектронной обстановки для получения информации о позициях радиоэлектронных средств 27
2.1. Анализ существующих методов моделирования радиоэлектронной обстановки
2.2. Существо предлагаемого подхода к моделированию радиоэлектронной обстановки 23
2.3. Синтез структуры модели радиоэлектронной обстановки и ее элементов в интересах выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы 31
2.4. Формализованное описание радиоэлектронной обстановки 35
2.4.1. Формализмы описания знаний при моделировании радиоэлектронной обстановки
2.4.2. Формализованное описание подсистем
2.5. Закон функционирования модели и ее элементов
2.6. Алгоритм функционирования модели радиоэлектронной обстановки...
Выводы 50
ГЛАВА 3. Разработка системы моделей и алгоритмов учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы 52
3.1. Модель представления данных о рельефе местности 54
3.2. Модель детерминированного учета влияния неоднородностей рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн 56
3.3. Алгоритм анализа профилей радиотрасс
3.4. Имитационная модель выбора классифицирующих признаков рельефа местности
3.5. Алгоритм статистической классификации рельефа местности
3.6. Алгоритм определения зависимостей квантилей множителей дополнительного ослабления радиоволн от протяженностей трасс для различных классов рельефа местности 84
3.7. Алгоритм расчета множителя дополнительного ослабления радиоволн между позициями радиоэлектронных средств 88
Выводы 90
ГЛАВА 4. Разработка автоматизированного рабочего места выбора средств радиоэлектронной борьбы с учетом влияния рельефа местности на распространение радиоволн
4.1. Основные результаты разработки математического обеспечения автоматизированного рабочего места
4.2. Логическая структура и особенности функционирования автоматизированного рабочего места 95
4.3. Характеристика используемого общего программного обеспечения...
4.4. Характеристика технических и программных средств автоматизированного рабочего места 101
4.5. Порядок работы оператора на автоматизированном рабочем месте
4.6. Алгоритм проведения численных исследований основных характеристик автоматизированного рабочего места 110
4.7. Результаты апробации автоматизированного рабочего места
Выводы
Заключение
Литература
- Анализ моделей учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы в условиях детерминированной радиоэлектронной обстановки
- Синтез структуры модели радиоэлектронной обстановки и ее элементов в интересах выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы
- Модель детерминированного учета влияния неоднородностей рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн
- Логическая структура и особенности функционирования автоматизированного рабочего места
Введение к работе
Актуальность темы. Влияние неоднородностей рельефа местности (РМ) на радиотрассах, в ультракоротковолновом диапазоне, по сравнению с гладкой земной поверхностью, приводит, как правило, к более сильному ослаблению радиоволн, в среднем в 2...3 раза, а в отдельных случаях в 5...7 раз. В случае необоснованного размещения средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на позициях экранированных неоднородностями рельефа местности в направлениях воздействия, их энергопотенциалов может быть недостаточно для решения поставленных задач. В тоже время, при размещении на открытой местности их энергопотенциалы могут быть избыточны, что может приводить к возникновению непреднамеренных радиопомех другим радиоэлектронным средствам. Поэтому своевременный учет данного фактора при выборе позиций средств РЭБ, является актуальной практической задачей.
Опыт показывает, что время, выделяемое на учет данного фактора должно составлять несколько минут. За это время нужно обработать тысячи радиотрасс: построить профили, определить их характеристики, рассчитать множество промежуточных переменных и, в конечном счете, значения множителей дополнительного ослабления (МДО) радиоволн. Возникает необходимость автоматизации данного процесса, для реализации которой требуются соответствующие модели и алгоритмы. Условно они разделены на детерминированные и статистические. Последние недостаточно развиты (большая погрешность определения множителя дополнительного ослабления). Однако именно они приемлемы для решения данной задачи, поскольку не требуют анализа радиотрасс для всех возможных точек размещения радиоэлектронных средств внутри позиций, что необходимо при реализации детерминированных моделей, приводящего к возрастанию более чем на порядок времени проводимых расчетов.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы продиктована, с одной стороны, необходимостью учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн (РРВ) при выборе позиций для средств РЭБ и, с
другой стороны, отсутствием в настоящее время моделей и алгоритмов, позволяющих этот учет реализовать в пределах заданного времени с приемлемой точностью.
Диссертационная работа выполнена в рамках научной программы "Создание базовых технологий перспективных средств радиоэлектронной борьбы" (шифр "Программа РЭБ") Министерства обороны РФ.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн в интересах повышения достоверности и оперативности выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Проанализировать существующие модели учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн и выбрать среди них наиболее эффективные по точности и оперативности определения значений множителей дополнительного ослабления.
2. Разработать модель радиоэлектронной обстановки для получения информации о позициях радиоэлектронных средств.
3. Разработать систему моделей и алгоритмов учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн при выборе позиций для средств радиоэлектронной борьбы.
4. Разработать автоматизированное рабочее место выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы с учетом влияния рельефа местности на распространение радиоволн.
Методы исследования в данной работе основаны на теории математического моделирования, теории системного анализа, геометрической теории дифракции, методах имитационного моделирования, численных методах математической статистики, объектно-ориентированном программировании.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
- логико-лингвистическая модель радиоэлектронной обстановки, осно ванная на многоуровневой иерархической структуре, позволяющая реализовать параллельный способ выборки информации о позициях радиоэлектронных средств с использованием оперирования как объектами, так и подсистемами;
- механизм логического вывода нового знания из имеющихся данных, отличающийся модифицированной стратегией поиска решения, обеспечивающий моделирование радиоэлектронной обстановки в реальном масштабе времени;
- статистическая модель учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн, основанная на расширенном перечне классифицирующих признаков, учитывающих параметры радиотрасс и модифицированной технологии моделирования, обеспечивающая более точноеопределение значений множителей дополнительного ослабления радиоволн;
- комплекс взаимосвязанных моделей и алгоритмов учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн, позволяющий повысить достоверность выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы;
- элементы специального программного обеспечения, реализующего процедуры моделирования1 радиоэлектронной обстановки и комплекс моделей и алгоритмов учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн, обеспечивающие повышение оперативности выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы.
Практическая ценность работы. Предложенные в работе модель радиоэлектронной обстановки, а также модели и алгоритмы учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн могут быть включены в состав специального математического и программного обеспечения некоторых АСУ военного назначения.
Разработанное автоматизированное рабочее место, на примерах конкретных территорий, показало высокую эффективность выбора позиций для средств радиоэлектронной борьбы, что подтверждено результатами численного исследования и актами внедрения.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных исследований были использованы при выполнении плановых научно-исследовательских работ в 5ЦНИИИ МО РФ, а также в ходе учебного процесса при изучении дисциплин "Автоматизированные системы управления" в Воронежском военном институте радиоэлектроники и "Электродинамика и распространение радиоволн" в Ярославском зенитном ракетном институте ПВО.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Всесоюзной научно-технической конференции в КВВАИУ (Киев, 1990);
Международном симпозиуме и выставке по электромагнитной совместимости (Вроцлав, 1994) г.;
II Международной научно-технической конференции "Кибернетика и технологии XXI века" (Воронеж, 2001);
Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы развития и совершенствования техники РЭБ" (Воронеж, 2001); на научно-технических конференциях адъюнктов, аспирантов и соискателей 5ЦНИИИ МО РФ (в/ч 33872) в 1989 - 2000 г.г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 4 работы без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [84,129] - логико-лингвистический подход к моделированию радиоэлектронной обстановки; в [81]- способ ввода в ПЭВМ информации об изовысотных линиях рельефа местности; в [80,83] - методика статистической классификации рельефа местности; в [82] - алгоритм учета рельефа местности; в [78] - функционально -структурная схема программного комплекса статистической оценки влияния рельефа местности на ослабление радиоволн и ее описание; в [79] - программные модули, реализующие расчет значений коэффициента рельефности земной поверхности и множителей дополнительного ослабления между позициями радиоэлектронных средств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и трех приложений. Работа изложена на 137 страницах, включая 35 рисунков и 5 таблиц.
В первой главе дан обзор и проведен анализ существующих моделей учета влияния РМ на РРВ при выборе позиций средств РЭБ, показавший, что они могут быть двух типов: детерминированные, когда учитываются конкретные особенности РМ на радиотрассе и статистические, когда высота, форма и взаимное расположение неровностей считаются величинами случайными. Их выбор зависит от характера решаемых практических задач и степени неопределенности исходных данных о радиоэлектронной обстановке (РЭО). Детерминированные модели в настоящее время в достаточной степени проработаны и реализованы на практике. Наиболее перспективной из них, по причинам наименьшей погрешности (2...3дБ) определения МДО и наибольшей подготовленности к реализации в ПЭВМ, является эмпирическая модель, разработанная научно-исследовательским институтом Радио (НИИР) в 1996 году. Статистические модели не находят широкого применения из-за большой погрешности и неподготовленности к реализации на ПЭВМ. Однако, именно они приемлемы в условиях неопределенности исходных данных радиоэлектронной обстановки.
На основе проведенного анализа сделан вывод о целесообразности использования в качестве эталонной - детерминированной модели, разработанной НИИР, исходя из ее высокой точности и статистической модели учета влияния РМ на РРВ, в виду оперативности, при условии повышения ее точности. Сформулирована математическая постановка основной задачи. Предложена схема ее решения и перечень частных задач исследований.
Вторая глава посвящена разработке модели радиоэлектронной обстановки в интересах получения информации о позициях радиоэлектронных средств. Для моделирования РЭО предложен подход, заключающийся в решении трех основных задач: разработки ограниченного множества характеристик, включающего перечень минимально необходимых сведений о РЭО, достаточных для ее адекватного описания; создания системы правил, обеспечивающих дедуктивный ввод нового знания; разработки версии языка формального представления понятийной информации о РЭО и правилах. Синтезирована структура модели РЭО и ее элементов, предусматривающая выбор оптимального числа уровней иерархии, числа подсистем на каждом уровне и связей между подсистемами. Предложено формализованное описание радиоэлектронной обстановки, включающее формализмы описания знаний при моделировании РЭО и подсистем. Представлено описание закона функционирования модели, основанного на процедуре унификации, правиле резолюции и управляющей структуре выбора предложений. Приведен алгоритм функционирования модели РЭО и структурно - функциональная схема модели РЭО.
В третьей главе представлено описание системы взаимосвязанных моделей и алгоритмов учета влияния рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы, включающей: модель представления данных о рельефе местности; модель детерминированного учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн; алгоритм анализа профилей радиотрасс; имитационную модель выбора классифицирующих признаков рельефа местности; алгоритм статистической классификации РМ; алгоритм определения зависимостей квантилей МДО от протяженностей радиотрасс для различных классов РМ; алгоритм расчёта МДО радиоволн между позициями. Приведено аналитическое выражение зависимости коэффициента рельефности земной поверхности - признака, используемого для классификации РМ от факторов, наиболее значимо влияющих на МДО, таких как: протяженность радиотрассы; число препятствий и их протяженность; средний перепад высот. Представлены результаты сравнительной оценки степени корреляции МДО от используемых ранее и предложенных классифицирующих признаков, полученные на основе вычислительного эксперимента.
В четвертой главе приведено описание результатов разработки автоматизированного рабочего места выбора позиций средств РЭБ с учетом влияния РМ на РРВ (далее для сокращения - автоматизированное рабочее место (АРМ), специальное математическое и программное обеспечение которого базируется на системе моделей и алгоритмов, предложенных в главе 3. Приведена логическая структура и особенности функционирования АРМ. Представлены характеристики используемого общего программного обеспечения, а также технических и программных средств АРМ. Описан порядок работы оператора на АРМ. Приведено описание алгоритма проведения численных исследований, разработанного в интересах оценки эффективности АРМ. Представлены результаты практической апробации АРМ при выборе позиций средств РЭБ в территориальных районах Воронежской и Ленинградской областей.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе решения задач поставленных в диссертационной работе.
Анализ моделей учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн при выборе позиций средств радиоэлектронной борьбы в условиях детерминированной радиоэлектронной обстановки
Модель представления данных о рельефе местности необходима в интересах подготовки исходных данных для проведения расчетов. Входной информацией для нее служит топографическая карта территориального района проведения исследований, а выходным результатом является массив относительных значений высот множества фиксированных точек местности. Результирующий массив используется в качестве входных данных в модели детерминированного учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн и в алгоритме анализа профилей радиотрасс.
Модель детерминированного учета влияния рельефа местности раскрывает механизм воздействия неоднородностей рельефа местности на распространение радиоволн и обосновывает расчет значений множителя дополнительного ослабления на радиотрассах. Она базируется на положениях теории геометрической дифракции и физическом представлении механизма распространения радиоволн. Выходные результаты (аналитические выражения) являются исходными данными для имитационной модели выбора классифицирующих признаков и алгоритмов: статистической классификации РМ; определения зависимостей квантилей множителей дополнительного ослабления радиоволн от протяженности радиотрасс для различных классов РМ; расчета МДО между позициями.
Алгоритм анализа профилей радиотрасс обеспечивает определение параметров, требуемых для расчета множителя дополнительного ослабления, таких как: протяженность трассы, количество препятствий, их высота и протяженность, средний перепад высот. Формализованные параметры радиотрасс используются в качестве входных данных в модели и алгоритмах 4...7 (рис. 3.1).
Имитационная модель выбора классифицирующих признаков используется для формирования признакового пространства в интересах последующего проведения классификации рельефа местности. Исходными данными для нее являются результаты (выходные данные) алгоритма анализа профилей радиотрасс (массивы высот на радиотрассах) и модели детерминированного учета влияния рельефа местности (аналитические выражения, используемые при расчете МДО). Выходные данные (множество признаков, наиболее значимо влияющих на МДО радиоволн) поступают на вход алгоритма статистической классификации РМ.
Алгоритм статистической классификации РМ обеспечивает выявление множества разнородных классов рельефа местности и определение соответствующих им (классам) типовых представителей. Входная информация для данного алгоритма описана выше. Выходная информация (перечень выявленных классов РМ и ячеек (районов) РМ - типовых их представителей) поступает на вход алгоритма определения зависимостей квантилей МДО радиоволн от про-тяженностей трасс. Алгоритм определения зависимостей квантилей МДО радиоволн от про-тяженностей трасс для различных классов РМ обеспечивает формирование соответствующих зависимостей в виде массивов. Последние (выходная информация), в качестве исходных данных используются в алгоритме расчета МДО между позициями. Алгоритм расчета МДО радиоволн между позициями позволяет количественно оценить эффект экранирующего влияния неоднородностей РМ на РРВ между позициями. Выходная информация (значения МДО радиоволн между позициями) используется для сравнительной оценки в интересах выбора наиболее качественных позиций. Она предоставляется лицу, принимающему решение о выборе позиций. Детальное описание вышеприведенных алгоритмов приводится в последующих подразделах данной главы диссертационной работы. Результатом разработки модели представления данных о рельефе местности является сформированная цифровая карта рельефа местности (ЦКРМ) - совокупность точек местности с известными пространственными координатами и условными цифровыми обозначениями, аппроксимирующими фактическую поверхность Земли с ее предметами, объектами и т.д. [7, 22]. С целью совершенствования технологии разработки ЦКРМ, разработан алгоритм получения информации о изовысотных линиях РМ с использованием для этих целей специализированного устройство ввода графической информации типа сканера [81]. На первом этапе осуществляется предварительная подготовка топокарты к снятию рельефа местности, включающая контрастное выделение изовысотных линий на фоне других элементов карты и устранение из снятого сканером графического изображения всех объектов, кроме изовысотных линий. Этот этап может быть исключен при наличии цветного сканера с высокой разрешающей способностью и пакета программ, автоматически выделяющих из полученного изображения изовысотные линии по их характерным признакам. На втором этапе информация о рельефе местности заданного района, снятая с топокарты с использованием сканера, представляется в виде массива S(i, j) (число строк и столбцов которого зависит от ширины захвата сканера и его разрешающей способности). На третьем этапе производится кодирование высот каждой из областей местности, ограниченных соседними изовысотными линиями. С этой целью одному, произвольно выбранному, элементу соответствующей области присваивается определенный код высоты, соответствующей минимальной из высот изолиний-границ данной области, который в последующем автоматизирован ным способом распространяется на остальные элементы выбранной области. Цифровая модель рельефа при этом отображается в виде двумерного массива S"OJ). Поскольку ширина захвата сканера и область памяти ЭВМ, отводимая под массив с информацией о рельефе, ограничены, для использования в расчетных задачах предусмотрено наличие нескольких файлов, содержащих цифровые карты рельефа, которые покрывают собой весь интересующий район. Эти файлы в совокупности с дополнительной информацией о географических координатах углов введенных участков, коэффициентах пересчета географических координат в индексы элементов массива и обратно, высотах сечения и минимальных высотах рельефа местности заданных районов вводятся в базу данных. Дальнейшее использование полученной ЦКРМ предполагает выбор модели детерминированного учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн.
Синтез структуры модели радиоэлектронной обстановки и ее элементов в интересах выбора позиций средств радиоэлектронной борьбы
С помощью блока 8 стоится гистограмма распределения значений классифицирующих признаков ячеек исследуемого района. Последняя представляет собой графическое представление исследуемых данных (значений классифицирующих признаков). На оси абсцисс отмечаются через равные промежутки значения которые может принимать классифицирующий признак, с учетом характера исследуемого района (диапазона изменений). На оси ординат строятся прямоугольники с площадями, пропорциональными числу наблюдений, в которых измеряемая величийа попала в соответствующий интервал. В блоке 9 проводится анализ гистограммы распределения значений классифицирующих признаков на предмет уточнения внутрикластерных и межкластерных расстояний. По мере их уточнения осуществляется повторная классификация и типизация РМ (реализация блоков 5 и 6). Блок 10 обеспечивает вывод полученных результатов, таких как: количество выявленных классов; массив принадлежности ячеек соответствующим классом; значения номеров ячеек - типовых представителей классов. Данный алгоритм характеризуется следующими особенностями: высокой скоростью классификации, что обусловлено меньшими временными затратами при выполнении однопроходного алгоритма по сравнению с итеративными и агломеративными; минимальным участием лица принимающего решение. Классификация может проводиться автоматически. Но в том случае, если ее результаты не удовлетворяют эксперта, он может скорректировать значение порога R0; отсутствием ограничений на вид распределения ячеек в признаковом пространстве. Форма кластеров может быть произвольной. В ходе проведенных экспериментов установлено, что данный алгоритм классификации наиболее эффективен в том случае , если кластеры расположе ны достаточно компактно, т.е. расстояние между двумя ближайшими ячейками, принадлежащими одному кластеру меньше среднего расстояния между ячейка ми по всей выборке. В этом случае размеры кластеров в среднем оказываются меньше, чем расстояния между ними. Если результаты типизации оказываются неудовлетворительными, то осуществляется корректировка значения порога классификации с помощью гистограммы распределения значений классифици рующих признаков. При достаточной компактности кластеров, когда размеры кластеров много меньше расстояния между ними, гистограмма распределения значений классифицирующих признаков имеет, по крайней мере, две моды (рис. 3.16). Разделим гистограмму на две области, расположив границу облас тей Rj в локальном минимуме между этими модами. Область гистограммы вблизи первой моды объединяет те парные расстояния между значениями при знаков ячеек sv. t, которые входят в один и тот же кластер 0.к{к- число кла стеров): Вторая область соответствует расстояниям между объектами, входящими в разные кластеры: При коррекции порога классификации с учетом гистограммы распределения значений классифицирующих признаков расстояний между ячейками целесообразно выбирать новое значение порога в соответствии с локальным минимумом, разделяющим области внутрикластерных и межкластерных расстояний.
В соответствии с вышеизложенным была проведена классификация всех ячеек исследуемого района. Классификация проводилась с использованием трех алгоритмов, различающихся друг от друга классифицирующими признаками, лежащими в их основе [80, 83]. В первом алгоритме, в качестве классифицирующего признака, использовался средний перепад высот А/г, во втором -распределение суммарных углов закрытия между средними линиями диаграмм направленности антенн РЭС, ориентированными на вершины препятствий, находящихся на радиотрассе и линией визирования /? , в третьем - коэффициент рельефности земной поверхности Krzp.
Для проведения сравнительной оценки точности определения МДО радиоволн с использованием различных алгоритмов был выбран район Воронежской области размером 144 км х 152 км. Исследуемый район был разделен на ряд ячеек, общее количество которых составило 64 (8 градаций по вертикали и 8 градаций по горизонтали). Размер ячейки составил 18 км х 19 км. В результате проведенной классификации получены следующие результаты (число выявленных классов рельефа местности): 1 класс при классификации с использованием первого алгоритма; 2 класса при использовании второго; 4 класса при использовании третьего.
На рис.3.17 представлены зависимости усредненной погрешности определения множителя дополнительного ослабления радиоволн av , дБ от протяженности радиотрасс /,, км, для различных алгоритмов классификации РМ (кривая 1- классификация на основе среднего перепада высот Ah; кривая 2-классификация с учетом распределения суммарных углов закрытия кривая 3- классификация с учётом коэффициента рельефности земной поверхности К ). При построении данных кривых в качестве опорных использовались результаты определения МДО радиоволн для детерминированных радиотрасс [69], а содержание самой процедуры заключалось в следующем.
Генерировалось множество "пачек" радиотрасс фиксированной длины в различных точках заданного района. Для каждой "пачки" рассчитывалось математическое ожидание разности значений МДО радиоволн, определенных для детерминированного случая (в дальнейшем детерминированной модели) и одной из статистических моделей. Число радиотрасс, генерируемых в "пачке", составляло 1146. Шаг дискретизации при выборе фиксированных протяженно-стей радиотрасс составлял 7,5 км. Количество генерируемых "пачек" составило 20.
На рис. 3.18 представлены зависимости временных затрат Tz, мин при определении средних значений МДО радиоволн, от количества обрабатываемых радиотрасс Nt, шт для трех статистических и детерминированной моделей (прямая 1- статистическая классификация на основе среднего перепада высот Ah; прямая 2- статистическая классификация с учетом распределения суммарных углов закрытия /?,; прямая 3- статистическая классификация с учетом коэффициента рельефности земной поверхности К ; прямая 4 - для детерминированной модели).
Модель детерминированного учета влияния неоднородностей рельефа местности на распространение ультракоротких радиоволн
Варьируемыми параметрами являются межкластерные расстояния и расстояния между ячейками внутри классов (между классифицирующими признаками), а также размеры ячеек и число генерируемых радиотрасс, достаточное для статистического описания процесса. Необходимость изменения вышеперечисленных параметров проверяется на точности определения МДО радиоволн в контрольных точках. Полученные результаты расчета МДО сравниваются с эталонными [69]. Кроме того, в данном режиме имеется возможность анализа полученных графиков зависимостей МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс путем их визуального просмотра. Анализ позволяет выявить "аномальные" участки зависимостей и принять соответствующие меры для их устранения (например, увеличить число генерируемых радиотрасс и др.)
В режиме "Предварительный" решаются следующие задачи: ввод исходных данных, требуемых для проведения расчетов (частот и высот антенн РЭС для определения семейства зависимостей МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс), разделение территориального района проведения операции на множество ячеек; определение для каждой ячейки значения классифицирующего признака; определение для ячеек - типовых представителей классов зависимостей квантилей МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс.
В режиме "Исполнительный" между предполагаемыми позиционными районами размещения средств РЭБ рассчитываются МДО радиоволн и среди них выбираются рациональные. Блок 1 обеспечивает реализацию программного управления АРМ в различных режимах работы. В блоке 2 реализован выбор режима работы АРМ и сервисных функций, к которым относятся очистка управляющей базы данных (БД), просмотр зависимостей МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс и другие. Блок 13 обеспечивает последовательную загрузку введенных пользователем данных (дискрет частот и высот антенн), для которых требуется определение зависимостей значений МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс. Подсистема ввода исходных данных (блоки 3,4,5,6,7) обеспечивает ввод информации, требуемой для проведения расчетов. В блоке 3 реализован шаблон для ввода пользователем требуемых наборов исходных данных, таких как [79]: значения квантилей; значения дискрет высот антенн передатчика; значения дискрет высот антенн приемника; значения дискрет частот сигнала; число генерируемых радиотрасс; число дискрет. Блок 4 обеспечивает моделирование радиоэлектронной обстановки складывающейся в районе проведения операции. При этом моделируется размещение сил и средств противника - объектов подавления и средств РЭБ (станций помех) своих войск. Текущее состояние РЭО сохраняется в блоке 7. Блок 5 является информационной основой для определения МДО радиоволн на радиотрассах. Блок 6 формирует из отдельных номенклатурных листов цифровых карт различных видов и масштабов интегральную электронную карту района проведения операции и цифровую карту рельефа местности. Подсистема расчета (блоки 8... 16) реализует весь вычислительный процесс в АРМ. В блоке 8 с использованием модели [69] определяются значения параметров радиотрассы ( ее протяженность, количество и протяженности препятствий, высоты и взаимное размещение препятствий) и МДО радиоволн. Блок 9 формирует множество пар точек, координаты каждой из которых, задаются случайным образом (по равномерному закону распределения). Блок 10 обеспечивает разбиение района проведения операции на множестве ячеек заданных размеров и их классификацию в соответствии со значением классифицирующего признака - коэффициента рельефности земной поверхности [78-80,83]. В блоке 11 в табличной форме содержатся значения коэффициентов [4,16], подстановка которых в выражение интерполяционного многочлена, обеспечивает восстановление соответствующих зависимостей [3] МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс. В блоке 12 осуществляется обработка значений МДО радиоволн с последующим определением их обобщенных значений в контрольных точках. Блок 14 обеспечивает отображение зависимостей МДО радиоволн от протяженностей радиотрасс для различных исходных данных (если последние определены) на экране дисплея. В блоке 15 осуществляется расчет соответствующих значений интерпо ляционных коэффициентов найденных зависимостей МДО от протяженностей радиотрасс для различных исходных данных и расчет МДО между позициями РЭС [82,83]. " В блоке 16 проводятся расчеты, связанные с выбором позиций средств РЭБ, которые затем предлагаются лицу, принимающему решение в виде соответствующих рекомендаций. С целью обеспечения наглядности схемы логической структуры АРМ, на последней не представлены блоки с общим программным обеспечением - основы реализации разработанного математического обеспечения АРМ. Тем не менее его характеристика также заслуживает внимания.
АРМ реализовано на IBM - PC совместимой ПЭВМ класса Pentium-II (тактовая частота процессора 633 МГц) с установленной операционной системой Microsoft Windows-NT [58]. Выбор данной операционной системы ОС обусловлен рядом причин : во - первых, среди современных ОС она занимает наименьший объем оперативной памяти и жесткого диска; во - вторых, эффективно обеспечивает аппаратную независимость, многопроцессорную поддержку, многозадачность и многопоточность; в - третьих, обеспечивает безопасность работы СМПО АРМ (безопасность данных пользователя как при отказах оборудования, так и при сбоях программного обеспечения); в - четвертых, реализует разграничение доступа пользователей к различным задачам; в - пятых, организует работу АРМ в составе сети.
В качестве интегрированной среды разработчика для большей части программ АРМ (блоков) использована система визуального объектно-ориентированного программирования Delphi 5 [6]. При ее выборе учитывались: быстрота и простота разработки программ и оконного интерфейса; возможность создания динамически присоединяемых библиотек (DLL) которые можно использовать из других языков программирования; возможность работы с локальными и удаленными базами данных с получением быстрого прямого доступа к ним; наличие средств автономной отладки приложений с последующим выходом в сеть; возможность формирования и печати отчетов, включающих таблицы, графики и т.п.; возможность оперативной разработки справочной системы и программ установки для приложений, учитывающих всю специфику и все требования Windows.
В качестве комплекса программ и языковых средств, предназначенных для создания и ведения баз данных [92] использована система управления базами данных Paradox. Для программной реализации универсального интерфейса между приложениями, созданными в среде Delphi и базами данных применена программа Borland Database Engine (BDE) - процессор баз данных фирмы Borland.
Логическая структура и особенности функционирования автоматизированного рабочего места
Основными характеристиками АРМ являются погрешность определения значения коэффициента качества / -й позиции по условиям влияния рельефа местности на распространение радиоволн - qi и время затраченное на выявление наиболее приемлемых позиций . Коэффициент качества позиции qt - является безразмерной величиной , принимающей значения от 0 до 1. Он характеризует степень экранирования неоднородностями РМ требуемых направлений воздействия для РЭС, размещаемого на данной позиции и рассчитывается в соответствии с выражением (4.1) где Um[n - наименьшее значение МДО, полученное при оценке всей совокупности позиций; U І - среднее значение МДО, полученное при оценке всех позиций противника относительно /-й позиции; п- количество позиций стороны А наименее экранированных неоднородностями рельефа местности (наилучшим образом просматриваемых) относительно /-й позиции; N - общее количество позиций противника.
Значение qt=0 соответствует случаю, когда для і-й позиции стороны А значение U І- максимально и п— 0 (нет просматривающихся" позиций стороны В). Значение qt = 1 соответствует противоположному случаю, а именно, все позиции стороны В "просматриваются" и значение /, минимально. Порядок определения значений q; рассмотрим на следующем численном примере. Известны 5 позиций стороны В в которых размещены объекты подавления и 5 позиций в которых планируется размещение станций помех стороны А. Требуется для позиций стороны В определить коэффициенты качества и выбрать среди них наилучшую (по максимальному значению qt =1). С этой целью рассчитываются значения МДО на радиотрассах между всеми позициями сторон А и В. Полученные результаты представляются в виде матрицы \\U\\, номера столбцов которой соответствуют номерам позиций стороны Bj =1 ...TV, а номера строк - номерам позиций стороны / =1...М. В данном случае матрица \\U\\ имеет размерность 5x5 (4.2) После заполнения матрицы (4.2) , среди всех значений ее элементов находится минимальное - C/min. Затем определяются значения построчных средних UІ, а также находятся и запоминаются минимальные значения МДО в столбцах. Последующий подсчет числа этих минимумов приходящихся на / -ю строку, позволяет определить значение переменной nt. Очередным действиемявляется расчет значений qi и ранжирование позиций по мере убывания qt . После чего проводится оценка остальных свойств позиций из проранжирован-ного перечня и выбор среди них приемлемых. Весь процесс, начиная от расчета значений МДО и заканчивая выбором приемлемых позиций, хронометрируется. Вышеизложенная последовательность действий положена в основу алгоритма проведения численных исследований основных характеристик АРМ. Данный алгоритм должен обеспечить: 1) проведение сравнительной оценки погрешности определения коэффициентов качества позиций при использовании различных моделей определения значений МДО; 2) сравнение временных затрат на проведение расчетов при использовании различных моделей определения значений МДО; 3) сравнение временных затрат на комплексный анализ качества позиций с учетом применения различных моделей определения значений МДО. Вышеизложенные требования предъявленные к данному алгоритму, определили его структурную схему, представленную на рис.4.8. Характеризуя структурную схему, необходимо отметить ряд моментов. Информационное обеспечение проведения численных исследований базируется на геоинформационной системе и ее составной части - цифровой карте рельефа местности. Генератор исходных данных обеспечивает формирование по случайному (равномерному) закону последовательностей прямоугольных координат точек-центров позиций сторон А и В. Из данных точек, с учетом конфигурации линий соприкосновения войск строятся прямоугольные области имитирующие позиции. Для определения значений МДО между позициями использованы следующие модели: анализа детерминированных радиотрасс [69]; предложенная в диссертации [78,79]; известная статистическая модель, основанная на классификации РМ с использованием среднего перепада высот [124, 126]. Технологический аспект реализации первой модели заключался в следующем. Позиции, между которыми требовалось определить значения МДО, разделялись на множество элементарных площадок размером 10 хЮ м2 каждая. После чего, для каждой из радиотрасс, образованных центрами элементарных площадок исследуемых позиций определялось значение МДО и находилось его среднее по всему их множеству (взаимных элементарных площадок). Применительно ко второй и третьей моделям, ,МДО определялся для радиотрассы соответствовавшей наикратчайшему расстоянию между позициями. Для расчета значений коэффициентов качества позиций qi использовалось выражение (4.1).
Оценка других свойств позиций [106] проводилась с использованием ГИС. Исследуемая позиция отображалась в основном диалоговом окне-меню АРМ, после чего визуально оценивались ее свойства. Временные затраты выполнения различных этапов, при проведения численных исследований фиксировались с использованием набора таймеров, управляемых программным путем.
При проведении сравнительной оценки погрешности определения значений коэффициентов качества позиций, за эталонные принимались результаты рассчитанные в соответствии с моделью анализа детерминированных радиотрасс. С использованием вышеизложенного алгоритма проведения численных исследований были получены следующие результаты.
