Введение к работе
При проектировании бортовых систем обработки информации и управле-ая одной из сложнейших проблем является проблема создания специальной гендово-имитационной среды (СИС), которая используется для проектирова-яя и испытаний базового комплекса бортового оборудования (БКБО) на про-іжении всего жизненного цикла проектируемой аппаратуры. Проблема созда-ля СИС по своей сложности сравнима с проблемой создания БКБО, при этом гоимость разработки и создания СИС может достигать 30-40% от стоимости ізработки и производства собственно БКБО.
При проектировании СИС одной из сложнейших задач является задача ізработки концепции и основных принципов построения СИС для математи-:ского и полунатурного моделирования (ПНМ) БКБО. на первых этапах его эоектирования. В частности - задача разработки математических моделей и [горитмов функционирования БКБО, математических моделей и алгоритмов эделирования внешней среды, разработки имитаторов входных сигналов СБО для стендов ПНМ, создания программного обеспечения для моделирова-ія работы БКБО на стендах ПНМ и на универсальных ЭВМ.
Диссертационная работа посвящена разработке математических моделей синтезу алгоритмов моделирования входных сигналов бортовых систем обранки информации и управления, то есть решению одной из сложнейших задач, зникающих при проектировании БКБО и СИС. Этим и обусловлена актуаль-сть темы диссертации.
Методы математического моделирования в настоящее время широко ис-льзуются для исследования сложных динамических систем. В том случае, ко-а системы содержат нелинейные преобразования сигналов, эти методы фак-чески являются единственными, строго обоснованными математическими ітодами анализа систем.
При использовании методов математического моделирования, одной из-иболее сложных как в теоретическом, так и в практическом плане задач явля-:я задача разработки математических моделей сигналов, присутствующих на одах исследуемых систем. Модели, основанные на модификациях нормаль-го распределения, оказываются неадекватными реально наблюдаемым сигна-м. Особенно это стало заметно для радиолокационных систем при переходе в ллиметровый диапазон волн, сужении ширины диаграммы направленности и еньшении длительности зондирующего сигнала.
Указанные недостатки традиционных моделей привели к отказу от них и эеходу к моделям входных сигналов систем, построенным по эксперимен-іьньш данным. При этом новые модели, адекватно описывающие входные нналы (со статистической точки зрения) оказались негауссовскими, что еще теє усложнило, а зачастую и сделало вообще невозможным, аналитический шиз сложных динамических систем. При этом возникают до сих пор не ре-нные проблемы и задачи имитаций негауссовых процессов и полей (в том :ле и векторных) с заданными статистическими характеристиками.
Задачи моделирования случайных полей относятся к мало изученной о ласти, хотя практическая потребность в алгоритмах имитационного моделирс вания полей интенсивно возрастает.
Диссертация выполнена по программе «ИНТЕГРАЦИЯ» - "Программ создания БКБО для летательных аппаратов 5-го поколения", утвержденной з; местителем МО РФ А. А. Кокошиным в 1995 г. и по программе «КОНВЕРСИ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ», утвержденной начальником Управления разві тия научных исследований М.М. Стрихаиовым в 1997 г., по разделу -1.6 "Сиі темы математического моделирования."
Цель работы и направление исследований. Целью диссертационнс работы является разработка математических моделей и алгоритмов моделир< вания входных сигналов БКБО, используемых для машинного и полунатурної моделирования БКБО в СИС на всех его этапах жизненного цикла.
Объектом исследования являются математические модели и алгоритм моделирования сигналов бортовых систем обработки информации и управл* ния, включаемые в банк данных СИС - банк моделей и алгоритмов моделирі вания. Предметом исследования являются математические модели и метод синтеза алгоритмов моделирования мешающих сигналов БКБО, обусловленнь внешней средой его функционирования.
В соответствии с поставленной целью, в диссертации проведены исслед вания в следующих направлениях:
проанализированы основные принципы создания СИС, этапы ее поел довательного развития в процессе проектирования БКБО, проанализирован требования к математическим моделям входных сигналов БКБО, используемы для синтеза алгоритмов моделирования БКБО на основных этапах его жизне ного цикла;
исследованы основные теоретические и практические методы разрабо ки математических моделей входных сигналов БКБО., проанализированы мет ды проверки адекватности математических моделей'сигналов реальным сигн лам;
проанализированы методы синтеза алгоритмов моделирования скаля ных и векторных стохастических процессов и полей с нормальным законе распределения и заданными пространственно-временными корреляционн спектральными характеристиками элементов;
проанализированы методы синтеза алгоритмов моделирования скаля ных и векторных стохастических негауссовых процессов и полей с заданны! пространственно-временными корреляционно-спектральными характеристик ми элементов;
исследованы математические модели конкретных видов помех: пасек ных естественных помех (от моря, земли, от метеообразований), активных есі ственных помех (индустриальные, помехи от работающей аппаратуры), иск) ственно организованных активных и пассивных помех (шумовые, хаотическ импульсные, от облаков дйпольных отражателей);
проанализированы с единых системных позиций эмпирические завис мости, полученные при обработке результатов натурных испытаний, позі
яющие рассчитывать статистические характеристики помех на входе БКБО, с четом его параметров, условий наблюдения помех и динамики полета лета-ельного аппарата;
- исследована возможность автоматизации процесса синтеза алгоритмов
годелирования помех, перечисленных выше, с учетом эмпирических зависимо-
тей, связывающих параметры математических моделей помех с условиями их
аблюдения и параметрами исследуемого БКБО.
Методы исследования. Теоретические основы исследований, проведених в диссертации, базируются на математических методах: теории систем ав-оматического управления; теории дифференциальных и разностных уравне-ий; теории дискретных случайных процессов; теории проверки гипотез; тео-ии многомерного оценивания; многомерном статистическом анализе времен-ых рядов; теории имитационного моделирования.
Достоверность основных научных положений,.- результатов и реко-ендаций подтверждается", строгостью математических доказательств; перехо-ом математических выражений, полученных автором, в известные математи-еские выражения, полученные другими авторами для частных случаев; ис-ользованием математических моделей, основанных на большом эксперимен-нльном материале; использованием полученных результатов для проектирова-ия реальной аппаратуры бортовых систем управления; результатами внедре-ия алгоритмов моделирования на промышленных предприятиях.
Научная новизна работы состоит в:
формулировании требований к математическим моделям входных сиг-алов БКБО, используемым в СИС для математического и полунатурного мо-елирования БКБО, на разных этапах его жизненного цикла, что позволило ми-имизироватъ количество данных, необходимой для синтеза моделей;
новом решении задачи синтеза линейных дискретных формирующих іильтров произвольного порядка, реализующих общий алгоритм авторегрес-ии-скользящего среднего, позволившего получить выражения для коэффици-еггов фильтра в замкнутом аналитическом виде и автоматизировать процесс интеза фильтра;
решении задачи синтеза дискретных многоканальных нелинейных фор-ирующих фильтров, используемых для имитации векторных негауссовых роцессов и полей с заданными маргинальными законами распределения и ространственно-временными корреляционно-спектральными характеристика-и;
- систематизации эмпирических зависимостей, полученных при проведе-
яи натурных экспериментов по исследованию статистических характеристик
эмех от морской поверхности, облаков дипольных отражателей и метеообра-
)ваний, что позволило унифицировать процесс синтеза имитационных моде
ли этих видов помех.
Положения, выносимые на защиту:
1. Основные принципы создания стендово-имитационной среды, приме-ательно к математическим и имитационным моделям внешних сигналов, и
предложения по их последовательной реализации при проектировании новы* перспективных бортовых систем обработки информации и управления.
-
Метод синтеза дискретных линейных формирующих фильтров произ вольной размерности, используемых для имитации векторных нормальны) процессов и полей с заданными пространственными и временными корреляци онно-спектральными характеристиками.
-
Метод синтеза дискретных многоканальных нелинейных формирую щих фильтров, используемых для имитации векторных негауссовых процессо и полей с заданными маргинальными законами распределения и пространст венно-временными корреляционно-спектральными характеристиками.
-
Математические модели пассивных и активных мешающих воздейсз вий и их имитационные модели, а также структуры соответствующих им лис кретных формирующих фильтров, представляющих собой имитаторы этих ви дов помех, используемые в стендово-имитационной среде при проектировани бортовой аппаратуры.
Практическая ценность полученных результатов состоит в разработк алгоритмов моделирования: пассивных естественных помех - помех от моря, о земли, от метеообразований; активных естественных помех - индустриальны? помех от работающей аппаратуры; искусственно организованных активных пассивных помех - шумовых, хаотических импульсных, помех от облаков д} польных отражателей.
Алгоритмы могут быть реализованы как в виде программного продукті так и в виде устройств-имитаторов помех, и использованы при исследовани работоспособности проектируемых бортовых систем в СИС, что позволяет С( кратить время проектирования аппаратуры и повысить достоверность результ; тов машинных и полунатурных экспериментов, за счет сокращения числа ле ных испытаний и использования эмпирического материала.
Реализация результатов. Исследования, выполненные в диссертаци входят в координационные планы научных исследований промышленнь предприятий Санкт-Петербурга: "ВНИІІРА-КОМШШКС"; ОАО НИИ В "СПЕКТР" и ОАО НИИРЭК ХК "ЛЕНИНЕЦ"; ЦНИИ "ГРАНИТ".
Основные результаты внедрены на двух промышленных предприяти: ("ВНИИРА-КОМПЛЕКС" и ОАО НИИ ВС "СПЕКТР"), о чем имеются сое ветствующие акты внедрения. Кроме того, результаты диссертационной рабої были использованы в трех НИР, выполненных в интересах промышленш предприятий Санкт-Петербурга, в двух отчетах по госбюджетным НИР и учебном процессе на кафедре 41 ГУАП, вошли в отчеты по 4-м грантам, в т( числе одном международном.
Апробация диссертации. Публикации.
Основные научные результаты, полученные в диссертации, обсуждали на 10 научно-технических конференциях (в Санкт-Петербурге, Москве, Суда (Крым), Казани и Самаре), в том числе 3-х отраслевых, 5-ти Всероссийских, 2 международных, опубликованы в 4-х статьях. Шесть конкурсных работ и дс ладов, сделанных автором по теме диссертационной работы на молодежи конкурсах Всероссийского уровня для аспирантов и молодых ученых, натра
дены двумя золотыми медалями и 4-мя дипломами лауреатов в областях: приборостроение, системный анализ, прикладная математика, теория математического моделирования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложения. Общий объем работы - 170 страниц, которые включают 18 рисунков, 2 таблицы и 133 страницы основного текста.