Введение к работе
Актуальность проблемы :
Траекторный обзор пространства с целью получения информации о расположенных в нем объектах и происходящих событиях представляет существенный интерес для самых разнообразных сфер человеческой деятельности. Во многих областях возникают задачи поиска и обнаружения, измерения и контроля объектов (или параметров, характеризующих протекание различных процессов ), распределенных каким-либо образом в пространстве. Перечисленные задачи в большинстве своем решаются обзорно-поисковыми системами, эффективность работы которых определяется методами осмотра исследуемой поверхности или пространства. Информационные возможности этих систем, а, следовательно, эффективность их работы можно значительно увеличить за счет использования оптимальных методов сканирования. Особенно остро вопрос об эффективности работы обзорно-поисковых систем стоит при создании новых средств космической связи, высокоточных систем траекторных измерений движущихся объектов ( ракет, самолетов, ИСЗ и т. д. ), конвеерных линий, робототехнических интеллектуальных комплексов, используемых в труднодоступных или опасных для человека местах. Возможности использования в этих системах узких пучков излучения в оптическом и мм- диапазонах волн приводят к необходимости разработки качественно новых обзорно-поисковых систем, средств наведения и сопровождения. При переходе к новым диапазонам волн это качественное отличие подчеркивается, например, резким изменением размеров и инерционностей антенных устройств, применением новых методов управления направленностью излучения, использованием совершенно новых датчиков углового смещения, а, самое главное, неизмеримо возрастающими требованиями к точности работы систем наведения.
В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию макетных образцов обзорно-поисковых систем, средств наведения и сопровождения оптического и мм-диапазонов, которые могли бы быть использованы в устройствах связи, передачи энергии и траекторных измерениях. Разработка подобных систем поставила целый ряд задач, большинство из которых для своего решения требуют принципиально нового подхода. Это прежде всего построение оптимальных обзорно-поисковых систем, позволяющих осуществить быстрое одностороннее или двухстороннее нацеливание лучей приемно-передающих устройств. Необходимость решения подобной задачи оптимизации связана с наличием зоны неопределенности в местонахождении искомых объектов, величина которой много больше используемых узких диаграмм направленности (в десять и более раз ), а также ограниченностью энергетических и временных ресурсов, которыми располагает обзорно-поисковая система. При таких узких диафаммах направленности пространственный поиск зачастую уже является двухсторонним. Большую роль играют и точностные характеристики завершения поиска, т. к., если система многорежимная, то, как правило, за
работой системы в режиме " Поиск ", следует режим " Автосопровождения ", а для него требуемая точность работы значительно меньше, чем размеры диаграммы направленности. Такую точность нельзя обеспечить традиционными методами, не ухудшая другие показатели качества работы системы ( например, запас по фазе или быстродействие ). Поэтому обзорно-поисковые системы необходимо выполнять по двухканальному варианту -каналы грубого и точного наведения. Здесь добавляются задачи связанные с оптимальным распределением ограниченных ресурсов между каналами и взаимосвязь их работы. Нельзя пренебрегать и ошиГками в воспроизведении программных траекторий сканирования, т.к. неучет их при небольших диаграммах направленности снижает эффективность работы обзорно-поисковой системы, что также требует своих методов расчета. Указанные задачи относятся к задачам пространствен ного поиска
Способы поиска объектов, связанные с вопросами выбора целесообразных секторов обзора, ряд вопросов по наилучшему распределению ограниченных поисковых средств при одностороннем поиске точечных объектов и т. д. исследованы во многих работах. Вместе с тем, исследования по определению наивыгоднейших характеристик работы систем сканирования при ограниченных возможностях технических средств, наилучшие способы траєкторного обследования и техническая их реализация, вопросы эффективного распределения поисковых средств при двухстороннем поиске, при просмотре областей для движущихся искомых объектах, при двухканальном варианте построения обзорно-поисковых систем и учета неидеального воспроизведения траекторий сканирования либо недостаточно освещены, либо полностью отсутствуют.
Целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование проблемы пространственного поиска для систем, использующих узкие диаграммы направленности, разработка методов оптимизации траєкторного обследования и расчета его эффективности в реальных условиях функционирования обзорно-поисковых систем.
В соответствии с указанной целью определены следующие задачи исследований:
определение условий оптимального траєкторного сканирования при достоверном и вероятностном характере обнаружения искомого объекта.
обоснование и математическая формулировка задачи оптимального поиска в виде задачи двухэтапной последовательной оптимизации.
формулировка и решение задачи поиска движущегося объекта, разработка формальной процедуры поиска, экспериментальная проверка ее эффективности.
математическая постановка прямой и обратной задачи двухстороннего поиска, получение ее решения в аналитическом в иде.
математическая постановка задачи оптимального поиска при использовании двухканальных систем, разработка способов траєкторного обследования областей поиска и организации функциональной связи между каналами.
разработка методики расчета влияния ошибок в воспроизведении траекторий сканирования на вероятность пропуска искомого объекта и на ее основе способов повышения эффективности траєкторного обследования.
разработка аппаратурной реализации устройств для управления сканированием при траекторном обследовании для различных вариантов организации пространственного поиска.
Методы исследования базируются на теории вероятностей и математической статистике, дифференциальном и интегральном исчислении, комбинаторном анализе, теории оптимизации, численных методах решения задач оптимизации.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации базируется на комплексном применении теоретических и экспериментальных методов исследований. Проверка теоретических положений, разработанных в диссертационной работе, осуществлялась с помощью компьютерного моделирования на ПЭВМ и экспериментальных исследованиях на макетных образцах разрабатываемых систем и промышленном оборудовании.
Научная новизна:
-
Решена комплексная научная задача, позволяющая реализовать эффективное, в смысле полной вероятности обнаружения, траекторное обследование с использованием узких диаграмм направленности при пространственном поиске объекта, обладающего динамическими свойст вами.
-
Впервые применен принцип максимума для нахождения экстремального значения критерия эффективности при одностороннем поиске неподвижных объектов, что позволило повысить точность работы обзорно-поисковой системы за счет расширения класса траекторий сканирования.
-
Разработана методика организации траєкторного обследования нестационарных параметрических полей, с учетом вероятностных характеристик движения искомых объектов, получены аналитические выражения для расчета качественных показателей поиска.
-
Впервые обоснованы и разработаны математические модели организации двухстороннего поиска и способы его осуществления, что позволило предложить новые формулировки задач оптимизации поиска и их решение.
-
Предложены, обоснованы и разработаны алгоритмы функционирования двухканатьных обзорно-поисковых систем, позволяющих получить требуемую точность и качество процессов управления.
-
Впервые получены аналитические выражения, определяющие эффективность поиска (в смысле полной вероятности обнаружения), при наличии ошибок в воспроизведении траекторий сканирования, разработаны методы ее повышения и сформулированы задачи оптимизации параметров траектории сканирования.
Практическая важность результатов : На основе полученных теоретических результатах разработаны:
-
алгоритмы осуществления просмотра областей вероятного положения искомых объектов при организации одностороннего и двухстороннего пространственного поиска с использованием одноканальних и двухканальных обзорно-поисковых систем и программные комплексы, позволяющие оценить эффективность сканирования и выбрать оптимальные параметры траекторий просмотра;
-
методики определения вероятности пропуска, возникающей из-за неидеальности воспроизведения траекторий сканирования, способы повышения эффективности пространственного поиска и программный комплекс по её расчету;
-
способы организации поиска и технические реализации структурных и схемотехнических методов повышения эффективности обзорно-поисковых систем, защищенные авторскими свидетельствами .
Реализация результатов:
Разработанные алгоритмы, программные комплексы и цифровые блоки устройств программного управления сканированием и функциональной связи между грубым и точным каналами в двухканальной системе использованы при построении обзорно-поисковых систем с узкими диаграммами направленности для работы как в импульсных, так и непрерывных систем наведения и сопровождения оптического и мм- диапазонов волн; при решении задачи поиска дефектов, образующихся при изготовлении печатных плат на «Томилинском электронном заводе».
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции "Современные проблемы энергетики и электротехники", 1977; Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы радиотехники в народном хозяйстве", 1977; конференции молодых ученых и специалистов "Повышение надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования", 1978; 9-ой Всесоюзного научно--ехнического совещания "Создание и внедрение систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами",1986; 9-ой Всесоюзного научно-технического совещания "Создание и внедрение систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами",1986; 2-ой Всесоюзной конференции " Системы автоматического управления летательными аппаратами", 1988; 1 - 3-ий Всесоюзной конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов", 1988; 2 - 4-ой Всесоюзной конференции " Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП ", 1990; 9 - 10-ой научной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях "; юбилейной научно-технической конференции " Новые информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании "1990г.; международного научно-технического семинара " Современные технологии в задачах управления, автоматики и
обработки информации" Алушта, 1996-1997г; международных конференциях «Информационные средства и технологии» МФИ-1992 - МФИ-2000;
Публикации:
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 61 печатных работах, написано 14 отчетов по научно-исследовательским работам.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения,
списка литературы и приложения. Объем диссертации 413 страниц текста, включает 124 рисунка, 5 таблиц, 21 страницы библиографии, содержащей 279 наименований.