voprosyradioel32020 by leshabarad

АО «ЦНИИ «Электроника» ISSN 2218-5453 (Print) ISSN 2686-7680 (Online)

НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ

Серия «Общетехническая» (ОТ) ВЫПУСК 3

ТОМ 49, № 3. 2020

Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77-31114 от 15 февраля 2008 года). Журнал включен в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для опубликования результатов диссертационных исследований (Перечень ВАК). Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Г. В. Анцев, к. т. н., доц. (АО «НПП «Радар ммс») В. М. Балашов, д. т. н., проф. (АО «НПП «Радар ммс») Я. В. Безель, д. т. н., проф. (АО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей») А. И. Белоус, чл.-корр. НАН Беларуси, д. т. н., проф. (ОАО «ИНТЕГРАЛ») А. Б. Бляхман, д. т. н., проф. (АО «ФНПЦ «ННИИРТ») М. М. Бутаев, д. т. н., проф. (АО «НПП «Рубин») Н. Ю. Жибуртович, д. т. н., проф. (АО «Корпорация Фазотрон-НИИР») Н. Н. Иванов, д. т. н. (ОАО «Авангард») А. В. Киселев, д. т. н., проф. (ФГБОУ ВО НГТУ) В. Е. Красовский, к. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») С. Ф. Боев, д. т. н., д. э. н. (ПАО «МАК «Вымпел») В. В. Мартынов, д. т. н., проф. (ФБГНУ «Аналитический центр») Н. А. Махутов, чл.-корр. РАН, д. т. н., проф. (ИМАШ РАН) Н. Л. Прохоров, д. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») С. А. Прохоров, д. т. н., проф. (Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева) В. И. Сергеев, д. т. н., доц. (ВКБ АФУ (ОАО)) П. И. Смирнов, к. т. н. (АО «НИИ «Масштаб») С. А. Сорокин, д. т. н. (АО «НИИВК им. М. А. Карцева») А. Ф. Страхов, д. т. н., проф. (АО «ГПТП «Гранит») В. Ф. Хватов, д. т. н. (Гостехнадзор Ленинградской области) С. В. Хохлов (ФГУП «ГосНИИАС») В. И. Штейнберг, к. т. н. (АО «НИИ «Аргон»)

Генеральный директор, главный редактор Алена Фомина instel@instel.ru +7 (495) 940-65-00

Выпускающий редактор Дмитрий Гудилин gudilin@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Реклама Полина Корсунская korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Распространение и подписка Вероника Филиппова filippova_v@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Корректор Лариса Ильина Компьютерная верстка Григорий Арифулин

Полное или частичное воспроизведение материалов допускается только с письменного разрешения АО «ЦНИИ «Электроника». При перепечатке материалов ссылка на журнал «Вопросы радиоэлектроники» обязательна. Ответственность за содержание рекламных материалов несут рекламодатели. Ответственность за достоверность приведенных сведений, за наличие данных, не подлежащих открытой публикации, и точность информации по цитируемой литературе несут авторы. Позиция редакции может не совпадать с мнением автора. Все поступившие в редакцию материалы подлежат рецензированию. Редакция не вступает в переписку с авторами статей, получившими мотивированный отказ в опубликовании.

Требования к оформлению статей размещены на сайте vre.instel.ru.

Издатель АО «ЦНИИ «Электроника»

Руководитель издательского отдела Полина Корсунская korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24

А. В. Фомина, д. э.н., доц., чл.-корр. Академии военных наук

Материалы, переданные в редакцию, не возвращаются.

Учредитель АО «ЦНИИ «Электроника»

Адрес редакции 127299, г. Москва, ул. Космонавта Волкова, д. 12 +7 (495) 940-65-00 www.instel.ru instel@instel.ru Подписка В редакции publish@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Агентство «Роспечать» Индекс 84529 (каталог «Газеты. Журналы») Индекс 59981 (каталог «Научно-технические издания») Агентство «Урал-Пресс» www.ural-press.ru +7 (495) 961-23-62 Подписано в печать 23.03.2020.

CRI Electronics ISSN 2218-5453 (Print) ISSN 2686-7680 (Online)

(Issues of radio electronics)

Vol. 49, no. 3. 2020

General technical series VOLUME 3

The journal is registered at the Federal Service for Compliance with the Law in Mass Communications and Cultural Heritage Protection (Certificate PI № FS77-31114 of February 15th, 2008).

Founder Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics»

SCIENTIFIC JOURNAL

The journal is included into the List of periodicals recommended by the State commission for academic degrees and titles for publishing of dissertation research results. This journal is included in Russian Index of Scientific Citations. EDITOR-IN-CHIEF A. V. Fomina, Doctor of Economics, Associate Professor, Corresponding Member of Russian Academy of Military Sciences EDITORIAL COUNCIL G. V. Antsev, Candidate of Engineering, Associate Professor (Radar mms) V. M. Balashov, Doctor of Engineering, Professor (Radar mms) Y. V. Besel, Doctor of Engineering, Professor (Concern PVO Almaz-Antei) A. I. Belous, Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, Doctor of Engineering, Professor (Joint Stock Company INTEGRAL) A. B. Blyakhman, Doctor of Engineering, Professor (NNIIRT) M. M. Butaev, Doctor of Engineering, Professor (NPP Rubin) N. Y. Zhiburtovich, Doctor of Engineering, Professor (PHAZOTRON-NIIR) N. N. Ivanov, Doctor of Engineering (Public Joint Stock Company Avangard) A. V. Kiselev, Doctor of Engineering, Professor (Novosibirsk State Technical University) V. E. Krasovskiy, Candidate of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Control Computers named after I. S. Bruk) S. F. Boev, Doctor of Engineering, Doctor of Economics (MAK Vympel) V. P. Martynov, Doctor of Engineering, Professor (Analytical Center at the Ministry of Education and Science of the Russian Federation) N. A. Makhutov, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Doctor of Engineering, Professor (Russian Academy of Sciences) N. L. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Control Computers named after I. S. Bruk) S. А. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (Samara University) V. I. Sergeev, Doctor of Engineering, Associate Professor (Voronezh Design Bureau Antenna Feeders) P. I. Smirnov, Candidate of Engineering (Scientific Research Institute Mashtab) S. А. Sorokin, Doctor of Engineering (Scientific Research Institute of Computer Science named after M. A. Karzev) A. F. Strakhov, Doctor of Engineering, Professor (Head center maintenance and repair Granite) V. F. Khvatov, Doctor of Engineering (State Technical Supervision Body of Leningrad Region) S. V. Khokhlov (GosNIIAS) V. I. Shteinberg, Candidate of Engineering (Research Institute «Argon») Full or partial reproduction of materials is allowed only with the written permission of the Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics». At a reprint of materials the link on journal «Issues of radio electronics» is mandatory. Advertisers are responsible for the content of advertisements. Authors are responsible for reliable information, for the availability of data are not subject to open publication, and accuracy of information on the cited literature. The editorial standpoint may not correspond with authors’ opinions. All incoming manuscripts are subject to review. Editors do not correspond with authors, whose articles are considered unsuitable for the publication. Materials sent to the editor will not be returned.

Publisher Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics» General director, Editor-in-Chief Alena Fomina instel@instel.ru +7 (495) 940-65-00 Head of publish department Polina Korsunskaya korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Managing editor Dmitry Gudilin gudilin@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Advertise Polina Korsunskaya korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Distribution and subscribe Veronika Filippova filippova_v@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Proofreader Larisa Ilyina Design Grigoriy Arifulin Editorial office Kosmonavta Volkova st., 12, Moscow, Russian Federation, 127299 +7 (495) 940-65-00 www.instel.ru instel@instel.ru Subscribe publish@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Signed to print 23.03.2020.

АО «ЦНИИ «Электроника»

СОДЕРЖАНИЕ Развитие общества будущего с опорой на науку............................. 5

НАДЕЖНОСТЬ

ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Соколова Ю. С. Повышение надежности бортовой радиолокационной системы с помощью системы обнаружения отказов и реконфигурации ...... 6

Витомский Е. В., Сомов Д. Н. Методы защиты локальной беспроводной сети, направленные на обеспечение временной скрытности сигналов и структуры информационного взаимодействия .............................................. 35

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Уренцев А. В., Назаревич С. А. Разработка элементов управляющей системы превентивного прогнозирования потенциала сложных технических систем ....... 11 Быков В. А., Парненков А. Е. Формирование облика беспилотного воздушного судна вертолетного типа с учетом посадки на сложнодвижущуюся платформу ........................................................................................ 16

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА В МЕДИЦИНЕ Старченкова К. С., Манило Л. А. Использование старшего показателя Ляпунова для распознавания биомедицинских сигналов ............................ 23

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Назаревич С. А., Балашов В. М., Стовпец Ю. В. Информационно-управляющая модель системотехническими процессами...................................................................................... 30

Шовкалюк А. П. Пространственно-временная обработка случайных полей сигналов в радиолокационных системах, использующих адаптивную архитектуру унифицированных алгоритмов и элементов ...................................................................................... 41

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ Вовасов В. Е., Сухарев Д. А. Исследование способа устранения влияния помеховой обстановки на работу навигационного приемника сигналов GPS с помощью сглаживания измерений псевдодальности приращением псевдофаз ................................................................46 Кучеров Ю. С., Допира Р. В., Ягольников Д. В. Метод компонентного подхода к проектированию устойчивых радиотехнических средств .........................................54

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ..............59

CRI Electronics (Issues of radio electronics)

CONTENTS Development of society of the future based on science ....................... 5

RELIABILITY

APPLIED PROBLEMS OF INFORMATION TECHNOLOGY

Sokolova Ju. S. Increasing of on-board radar system reliability with use of failure detection and reconfiguration system .................................................. 6

Vitomsky E. V., Somov D. N. Methods for protecting local wireless network aimed at providing temporary silency of signals and information interaction structure ......................................................................... 35

SYSTEM MODELING

SIGNAL PROCESSING

Urentsev A. V., Nazarevich S. A. Development of elements of a management system of preventive forecasting potential of complex technical systems .......................... 11

Shovkalyuk A. P. Space-time processing of random fields of signals in radar-tracking systems using adaptive stricture of unified algorithms and elements ................................................................... 41

Bykov V. A., Parnenkov A. E. Formation of appearance of helicopter-type unmanned airvehicle with consideration of landing on complex-moving platform .............. 16

ELECTRONICS IN MEDICINE Starchenkova K. S., Manilo L. A. Using a senior Lyapunov exponent to recognize biomedical signals .............................................................................................. 23

AUTOMATED CONTROL SYSTEMS Nazarevich S. A., Balashov V. M., Stovpets Yu. V. Information management model for systems engineering processes ......................................................................................... 30

ÂŠ CRI Electronics, 2020

RADAR AND RADIO NAVIGATION Vovasov V. Y., Sukharev D. A. Investigation of method of elimination of interference situation effect on GPS navigation receiver operation by smoothing of pseudorange measurements by pseudophase increment ................................................................46 Kucherov Y. S., Dopira R. V., Yagolnikov D. V. Method of component approach to design of sustainable radio equipment ..........................................................................................54

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES ..................61

Развитие общества будущего с опорой на науку Скорость, с которой «мир будущего», описываемый фантастами, претворяется в реальность, постоянно растет. Пришло время признать: будущее уже здесь и триггером его наступления отчасти послужила вспышка коронавирусной инфекции. Оценивать последствия эпидемии для развития технологий и уклада жизни пока рано, но она уже придала импульс для ускоренного развития ряда направлений, а также оставит след в законодательстве и общественных привычках. Например, установка комплексов для обнаружения симптомов лихорадки в аэропортах, школах, гостиницах, торговых центрах по всему миру уже кажется чем-то обыденным. А ведь такие комплексы раньше были редкостью в связи с технической сложностью реализации – они должны справляться с потоком людей, сканируя ИК-излучение на расстоянии до 10 метров. Стремительно распространяется применение систем умного видеонаблюдения для контроля соблюдения карантина, в которые интегрировано большое число ранее слабо связанных баз данных. Отдельного внимания заслуживают системы оперативного выделения кругов общения инфицированных людей. Уже не первый год ученые разрабатывают алгоритмы на базе искусственного интеллекта. Легко представить пользу таких алгоритмов, например, для определения риска распространения инфекций vre.instel.ru

на планете. Так, искусственный интеллект может анализировать новостные сообщения о болезнях в различных точках мира и сопоставлять их с транспортными потоками, ведущими в зоны эпидемии, погодными условиями, миграцией животных и иными факторами дальнейшего распространения заболевания. Выдающийся физик Сергей Иванович Вавилов сказал: «В самые трудные минуты жизни – спасение в науке». Следуя этому принципу, ЦНИИ «Электроника» считает необходимым предоставить полный бесплатный доступ к своей базе знаний – аналитическим исследованиям, образовательным программам, научным журналам и другим материалам, необходимым для специалистов радиоэлектронной отрасли. База знаний сформирована на основе разработок ведущих отраслевых ученых и экспертов для различных групп аудиторий: учащихся старших классов, студентов вузов, молодых ученых, специалистов предприятий. Студенты вузов и молодые ученые могут повысить профессиональные компетенции с помощью видео-лекций по различным тематикам, где спикеры – представители бизнессообщества – делятся секретами мастерства. Для молодых ученых и научных сотрудников открыт доступ к последним и архивным выпускам научных рецензируемых журналов «Радиопромышленность» и «Вопросы радиоэлектроники», в которых публикуются результаты исследований ведущих специалистов предприятий радиоэлектронного кластера. Создавая условия для ознакомления с работой ученых, обогащения знаниями и интенсивного обмена исследовательской информацией, мы верим в будущее отечественной науки и ее высокую миссию, неразрывно связанную с интересами современного человека и общества в целом. И конечно, мы не забываем о тех, кто будет внедрять прорывные научно-технические решения и разработки. Формирование кадрового резерва является одной из важнейших стратегических задач для обеспечения высокой конкурентоспособности отрасли на долгосрочный период. Для ее решения ЦНИИ «Электроника» реализует комплекс мер: от проведения аналитических исследований в целях определения текущей кадровой ситуации в отрасли до организации ежегодного международного конкурса «Инновационная радиоэлектроника», призванного раскрыть выдающиеся молодые таланты при поддержке и участии организаций отрасли. А. В. Фомина, доктор экономических наук, главный редактор журнала «Вопросы радиоэлектроники» 5

Надежность Для цитирования: Соколова Ю. С. Повышение надежности бортовой радиолокационной системы с помощью системы обнаружения отказов и реконфигурации // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 6–10. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-6-10 УДК 621.3.019

Ю. С. Соколова1 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ БОРТОВОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТКАЗОВ И РЕКОНФИГУРАЦИИ В работе рассматриваются проблемы повышения надежности современных бортовых радиолокационных систем с помощью внедрения системы обнаружения отказов и реконфигурации, которая обеспечит прогнозирование и поиск мест отказов с точностью до задаваемой глубины в реальном времени, прогнозирование отказов путем введения в систему предотказных состояний нормируемых параметров составных частей бортовой радиолокационной системы. Рассмотрены методы реконфигурации или частичного восстановления антенной фазированной решетки путем сформированных и загруженных в систему обнаружения отказов и реконфигурации амплитудно-фазовых распределений излучателей или матрицы нового амплитудно-фазового распределения в режиме реального времени. Приведены структурная схема и описание принципа работы системы обнаружения отказов и реконфигурации. Представлен алгоритм работы системы обнаружения отказов и реконфигурации. Ключевые слова: работоспособность, восстановление, диагностика, активная фазированная антенная решетка

Введение В настоящее время частью всех современных бортовых радиолокационных систем (БРЛС) является активная фазированная антенная решетка (АФАР), которая представляет собой сложный аппаратно-программный комплекс с множеством приемо-передающих модулей и с точки зрения надежности относится к восстанавливаемым системам. Любой отказ в составе БРЛС ведет к ухудшению заданных параметров и существенному снижению показателей надежности, как и отказ одного или нескольких приемо-передающих модулей в АФАР, который по сути уже является критичным, так как происходит не только снижение заданных характеристик, но и искажение диаграммы направленности. В связи с этим актуальной задачей является разработка комплекса мер, направленных на обеспечение работоспособности системы при возникновении отказов, повышение надежности, контролепригодности и введение методов прогнозирования и диагностики БРЛС и ее составных частей как на стадии жизненного цикла, так и в режиме реального времени с возможностью частичного восстановления параметров АФАР. Целью настоящей работы является повышение надежности БРЛС, прогнозирование и поиск мест отказов, а также частичное восстановление параметров АФАР с помощью системы обнаружения 6

отказов и реконфигурации в режиме реального времени. Существующие немногочисленные методы диагностики БРЛС с целью поиска и обнаружения неисправностей не могут выполнять поиск скрытых отказов. А диагностирование неисправностей в АФАР дает информацию лишь о реализуемом в апертуре антенны амплитудно-фазовом распределении [1], и, таким образом, становится возможным определение отказов. Однако такие методы не позволяют идентифицировать отказ на уровне конкретного узла, что усложняет ремонт и обслуживание БРЛС, а также ведет к увеличению затрат времени на поиск, обнаружение и устранение отказов. Структура системы обнаружения отказов и реконфигурации Предлагаемая система обнаружения отказов и реконфигурации лишена указанного выше недостатка и позволяет обнаруживать отказы с точностью до задаваемой глубины поиска в режиме реального времени, существенно сокращать время поиска и обнаружения отказов, а также обеспечивает возможность реконфигурации. Помимо обнаружения отказов система имеет возможность прогнозировать отказы на любой стадии жизненного цикла изделия, осуществлять контроль работоспособности системы и ее составных частей в целом

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

vre.instel.ru

RS485

ЛСООР

UART

UART ФСООР

Eth/opt

RS485

ФСООР

RS485

Eth/opt ЛСООР

RS485

ЛСООР

RS485

Eth/opt

ФСООР

Eth/opt

и в случае неисправностей проводить реконфигурацию изделия [2] или его составных частей для приведения характеристик БРЛС к частичному восстановлению. Прогнозирование отказов выполняется путем регистрации предотказных состояний, которые контролируются соответствующими датчиками, реагирующими на малейшие изменения параметров системы, позволяя тем самым прогнозировать выход из строя той или иной составной части изделия. Так как в каждой составной части изделия устанавливается набор датчиков для контроля нормируемых показателей и обнаружения предотказных состояний, то обеспечивается контролепригодность изделия [3] до заданного уровня контроля с целью определения полноты и глубины отказов. Структурная схема системы приведена на рис. 1. Система представляет собой совокупность программных и аппаратных элементов. Физический слой системы обнаружения отказов и реконфигурации решает задачи сбора первичных телеметрических данных, описывающих текущее состояние составных частей изделия и принятие экстренных решений об обесточивании изделия в целом или его составных частей. Логический слой системы обнаружения отказов и реконфигурации решает задачи обработки и анализа первичных данных, в том числе выполняет сравнение с нормативными значениями для формирования комплексных оценок состояния изделия или его составных частей, осуществляет принятие решений о перезагрузке, перенастройке (реконфигурации) или перераспределении функциональной нагрузки изделия или его составных частей, в том числе под контролем оператора, обеспечивает журналирование событий и истории изменения состояния изделия, оповещает оператора станции о зарегистрированных системой событиях и предпринятых в связи с этим действиях. Физический слой реализуется на базе процессоров семейства ARM Cortex M4 или других микропроцессоров, достаточных для решения поставленных задач и укомплектованных соответствующим программным обеспечением. Элемент физического слоя передает все собранные показатели по запросу элемента логического слоя того же уровня посредством интерфейса UART или PCIe, а также показатель работоспособности соответствующей части станции по запросу элемента физического слоя иерархически более высокого порядка посредством интерфейса RS485. Логический слой представлен программными компонентами, выполняющимися на 64-разрядных процессорных ядрах общего назначения. Элемент логического слоя передает все собранные

Eth/opt

Надежность

Рисунок 1. Структурная схема системы обнаружения отказов и реконфигурации: ЛСООР – логический слой системы обнаружения отказов и реконфигурации; ФСООР – физический слой системы обнаружения отказов и реконфигурации

показатели и информацию о принятых решениях по запросу элемента логического слоя иерархически более высокого порядка посредством интерфейса Ethernet. На функциональном уровне система обнаружения отказов и реконфигурации состоит из четырех уровней: 1. Уровень узлов и модулей. Включает только элемент физического слоя и осуществляет первичную телеметрию. 2. Уровень блоков. Включает по одному элементу физического и логического слоя, осуществляет сборку, обработку и анализ первичных данных с уровня узлов и модулей, сравнение с нормативными значениями, принятие решений о реконфигурации, перераспределении функциональной нагрузки изделия или его составных частей автоматически или под контролем оператора, обесточивание изделия в целом или его составных частей, журналирование событий и истории изменения состояния. 3. Уровень станции. Включает только элемент логического слоя, осуществляет комплексную оценку состояния изделия или его составных частей, сравнение с нормативными значениями, принятие решений о реконфигурации, перераспределении функциональной нагрузки изделия или его составных частей автоматически или под контролем оператора, обесточивание изделия в целом или его составных частей, журналирование событий и истории изменения состояния, обработку и анализ первичных данных с уровня блоков, 7

Надежность оповещение оператора о зарегистрированных системой отказах. 4. Уровень оператора. Включает оператора, который осуществляет наблюдение за состоянием системы, проводит анализ и принимает решения о выключении отказавших узлов или включении системы реконфигурации. Принцип работы системы обнаружения отказов и реконфигурации Система обнаружения отказов и реконфигурации работает следующим образом. Элементы физического слоя с заданной периодичностью считывают физические показатели и сверяют их с нормативными значениями. Отклонения от нормативных значений фиксируются в журнале событий. Для формирования текущего состояния элемент логического слоя с заданной периодичностью опрашивает следующие зарегистрированные показатели: •

показатель физического состояния модуля, блока или системы у элемента физического

Нажата кнопка «Контроль»

ФСООР Опрос М/Б/И

ЛСООР Сбор данных от М/Б/И

Нет

Отказ М/Б/И? Да Да Реконфигурация?

Реконфигурация

Нет Отключение М/Б/И

Индикация работоспособности

Проверка завершена

Рисунок 2. Алгоритм работы системы обнаружения отказов и реконфигурации

•

слоя, с которым имеет непосредственную связь; текущее состояние и содержимое вторичного журнала у элементов логического слоя иерархически более низкого уровня, с которыми имеет непосредственную связь; все произошедшие с последнего опроса события на всех уровнях системы у журнала событий.

Алгоритм работы системы обнаружения отказов и реконфигурации представлен на рис. 2. Элементы логического слоя проверяют наступление зарегистрированных событий о соответствующих отказах и при получении подтверждения осуществляют выбор соответствующего вида реконфигурации. Вид реконфигурации системы определяется следующим образом. При возникновении отказов сбойного характера происходит перезапуск отказавшего блока. В случае повторного отказа этого блока происходит переключение системы на резервный блок при его наличии либо перевод в режим программно-аппаратного отказа с формированием сообщения оператору о полном отказе соответствующего узла. Если отказавший блок подлежит реконфигурации путем перераспределения, происходит запуск заранее сформированных матриц перераспределения. Для рабочих каналов (приемо-передатчик – излучатель) радиолокационной системы с АФАР формируется новое амплитудно-фазовое распределение излучателей антенной решетки для того, чтобы привести диаграмму направленности радиолокационной системы и мощность излучения к уровню частичного восстановления. При невозможности формирования такого амплитудно-фазового распределения оператор получит информацию о том, что радиолокационная система не удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям и далее будет работать с худшими показателями. Получение матрицы нового амплитудно-фазового распределения может осуществляться либо в режиме реального времени с помощью алгоритмов, рассмотренных в [4] и [5], либо путем загрузки заранее записанных в память системы амплитудно-фазовых распределений излучателей, вычисленных для восстановления работы БРЛС при соответствующем отказе. На рис. 3 представлена диаграмма направленности в следующих состояниях боковых подрешеток АФАР: со всеми работающими модулями; при отказе, рабочем состоянии без отказов; после реконфигурации. В случае реконфигурации с загрузкой заранее сформированных матриц амплитудно-фазового перераспределения показано восстановление характеристик АФАР БРЛС

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Надежность 0

Без отказов С отказом Реконфигурация

–20

–40

–60

–80

–100 –60

–40

–20

Рисунок 3. Диаграмма направленности фазированной антенной решетки

с применением системы обнаружения отказов и реконфигурации. Отказ одного приемо-передающего модуля не рассматривается, так как не приводит к отказу всей системы в целом и является незначительным. Заключение Система обнаружения отказов и реконфигурации может быть спроектирована и интегрирована в любую радиолокационную систему в соответствии

с предъявляемыми требованиями на любой стадии проектирования заданной БРЛС. Внедрение системы обнаружения отказов и реконфигурации необходимо для повышения отказоустойчивости, надежности БРЛС в целом и ее составных частей, повышения достоверности информации, полученной от БРЛС, существенного сокращения затрат на поиск и определение мест отказов и реконфигурацию с частичным восстановлением параметров АФАР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Карлов В. Д. и др. Метод диагностики фазированной антенной решетки в полевых условиях // Системы обработки информации. 2013. № 8 (115). С. 50–53. 2. Гостюхин А. В. Восстановление характеристик направленности активных фазированных антенных решеток при отказах активных модулей: дисс. канд. техн. наук. М.: 2004. С. 122. 3. ГОСТ 26656–85. Техническая диагностика. Контролепригодность. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2009. 10 с. 4. Активные фазированные антенные решетки / под ред. Д. И. Воскресенского и А. И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. 488 с. 5. Cheston T. C., Horton D. A., Levitas M. Practical failure compensation in active phased arrays // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47. No. 3. P. 524–535.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Соколова Юлия Сергеевна, инженер, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (931) 202-39-54, e-mail: sokolova_jus@radar-mms.com.

For citation: Sokolova Ju. S. Increasing of on-board radar system reliability with use of failure detection and reconfiguration system. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 6–10. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-6-10 Ju. S. Sokolova

INCREASING OF ON-BOARD RADAR SYSTEM RELIABILITY WITH USE OF FAILURE DETECTION AND RECONFIGURATION SYSTEM The paper considers the possibility of improving the reliability of the on-board radar system by implementation of failures detection and reconfiguration system, as well as predicting and searching of failure locations up to the specified depth of failure search in real time, failures prediction by introducing into the system of pre-failure states of normalized parameters of on-board radar system components. The reconfiguration methods or partially restoring of the antenna phased array by failures generation and loading them into the detection system and reconfiguration of amplitude-phase distributions of emitters or the matrix of a new amplitude-phase distribution in real time are considered. The block diagram, description and operating principle

vre.instel.ru

Надежность of the fault detection and reconfiguration system are presented. The algorithm of the failure detection and reconfiguration system is given. Keywords: operability, recovery, diagnostics, onboard radar system, active phased array antenna

REFERENCES 1. Karlov V. D. et al. Method for diagnosing a phased antenna array in the field. Sistemy obrabotki informatsii, 2013, no. 8 (115), pp. 50–53. (In Russian). 2. Gostyukhin A. V. Vosstanovlenie kharakteristik napravlennosti aktivnykh fazirovannykh antennykh reshetok pri otkazakh aktivnykh modulei [Restoration of directivity characteristics of active phased antenna arrays in case of failures of active modules]. Dis. kand. tekhn. nauk [dissertation]. Moscow, 2004, 122 p. (In Russian). 3. GOST 26656–85. Technical diagnostics. Testability. General requirements. Moscow, Standartinform Publ., 2009, 10 p. (In Russian). 4. Voskresensky D. I., Kanaschenkov A. I., editors. Aktivnye fazirovannye antennye reshetki [Active phased antenna arrays]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2004, 488 p. (In Russian). 5. Cheston T. C., Horton D. A., Levitas M. Practical failure compensation in active phased arrays. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 1999, vol. 47, no. 3, pp. 524–535.

AUTHOR Sokolova Julia, engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (931) 202-39-54, e-mail: sokolova_jus@radar-mms.com.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Моделирование систем Для цитирования: Уренцев А. В., Назаревич С. А. Разработка элементов управляющей системы превентивного прогнозирования потенциала сложных технических систем // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 11–15. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-11-15 УДК 007.3

А. В. Уренцев1, С. А. Назаревич2 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», университет аэрокосмического приборостроения

Санкт-Петербургский государственный

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРЕВЕНТИВНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В статье рассмотрены проблемы прогнозирования технических и потребительских характеристик при проектировании или модернизации сложных технических систем (СТС). Предложена модель методики мониторинга потенциала СТС, состоящая из двух последовательных этапов: анализа технического уровня объекта исследования относительно его конкурента и прогнозирования изменений потребительских характеристик ведущего аналога для исследуемого объекта с использованием метода скользящей средней. Разработан алгоритм методики мониторинга потенциала СТС, обозначены особенности ее применения, заключающиеся в получении аналитических данных, на основании которых предприятие может управлять трендами модернизации СТС. Также обновление информационного банка знаний будет способствовать развитию гибкости технологических процессов мелкосерийного производства и адаптации к быстро изменяющимся условиям внешней конкурентной среды без лишних затрат человеческих и финансовых ресурсов, подстраиваясь под нужды текущего потребителя. Ключевые слова: качество, анализ, модель, технический потенциал

Введение Одним из ключевых направлений современной промышленности и основой высокотехнологичных изделий во многих отраслях является радиоэлектронная промышленность. Ее главная цель – разработка СТС, отличительные черты которых можно определить как многоэлементность, иерархичность строения, множественность связей между элементами, способность выполнения не менее одной функции. Проблемы в прогнозировании потенциала СТС опираются на изменчивость как требований рынка, так и отдельных клиентов. Поэтому необходим аппарат превентивного управления техническим потенциалом производимой системы. Чаше всего системы мониторинга направлены на анализ общей востребованности существующих изделий на рынке, а не востребованности их отдельных технических характеристик, что значительно усложняет прогнозирование тенденций развития модернизации СТС на предприятии. По результатам мониторинга предприятие получает возможность периодически наращивать технологическую базу знаний путем аккумуляции конструкторской документации, включающей разработки, которые созданы с помощью существующей vre.instel.ru

базовой структуры изделия, а также принципиально новые конструкторско-технологические решения, обладающие высокой наукоемкостью. Подобные решения достаточно эффективны для достижения целей диверсификации основной производственной линейки предприятия. Поэтому задачи управления трендами в процессах модернизации СТС имеют большое практико-эффективное значение. Построение методики мониторинга потенциала СТС Первоначально следует определиться, на каких этапах жизненного цикла продукции необходимо и возможно провести прогнозирование изменения технических характеристик СТС. Исследования системотехнических процессов, которые описывают изменение статуса и состояния продукции с течением времени, начиная с фундаментальных исследований, касающихся будущего объекта разработки, заканчивая его уходом с рынка и последующей ликвидацией, должны опираться на постоянный мониторинговый аппарат. Такой аппарат учитывает целевые показатели качества, заявленные потребителем и, возможно, с течением времени приобретающие более вариативный характер. 11

Моделирование систем Поэтому с точки зрения системотехнических процессов, согласно ГОСТ 15.000-2016, жизненный цикл продукта (ЖЦП) включает в себя следующие стадии, подлежащие мониторингу (рис. 1): • • • • • •

На втором этапе проводится прогнозирование изменения потребительских характеристик главного аналога исследуемого объекта с использованием метода скользящей средней [3, 4]: ⎧P = 1 n P , ⎪ i2 2 ∑ i=1 i ⎪ n ⎪ (P − Pi2 )2 ⎪σ 2 = ∑ i=1 i , 2 ⎪ ⎨ ⎪ Pi3 = 1 ∑ n Pi , ⎪ 3 i=1 ⎪ n ⎪ (P − Pi3 )2 ∑ i=1 i , ⎪σ 3 = 3 ⎩

исследование и проектирование; разработка; изготовление (производство); поставка; эксплуатация (потребление, хранение); ликвидация [1].

Методика мониторинга потенциала СТС состоит из двух этапов. На первом этапе производится анализ технического уровня объекта исследования относительно его главного конкурента (базового образца) согласно следующим выражениям: ⎧ ⎛ Pн ⎞ ⎪Qоткл = ⎜ 1 − ⎟ 100, ⎝ Pк ⎠ ⎪ ⎪ ⎪Qоткл = ⎛ 1 − Pк ⎞ 100, ⎜⎝ P ⎟⎠ ⎪ н ⎨ Pус. тех. хар. ⎪Q , ⎪ тех. хар. = P общ. тех. хар. ⎪ ⎪ Pус. потр. хар. , ⎪Qпотр. хар. = Pобщ. потр. хар. ⎩

(1)

Инвестиции

Результаты

где Pн – показатель качества новшества; Pк – показатель качества конкурента; Qоткл – отклонение показателей, %; Qтех. хар. – показатель усовершенствованных технических характеристик, %; Qпотр. хар. – показатель усовершенствованных потребительских характеристик, %; Pус. тех. хар. – количество усовершенствованных технических характеристик; Pобщ. тех. хар. – общее количество технических характеристик; Pус. потр. хар. – количество усовершенствованных потребительских характеристик; Pобщ. потр. хар. – общее количество потребительских характеристик [3–5].

Исследования и разработки Фундаментальные исследования

Концепция

где Pi – значение i-го потребительского показателя оцениваемой продукции исходного временного ряда; Pi2 – значение i-го потребительского показателя оцениваемой продукции сглаженного временного ряда по данным за предыдущие два периода (месяца, года, квартала и т. д.); Pi3 – значение i-го потребительского показателя оцениваемой продукции сглаженного временного ряда по данным за предыдущие три периода; σ2 – средняя погрешность со сглаживанием временного ряда по данным за предыдущие два периода; σ3 – средняя погрешность со сглаживанием временного ряда по данным за предыдущие три периода. По значениям исходного временного ряда (значениям потребительских показателей оцениваемой продукции) строим сглаженный временной ряд методом скользящего среднего по данным за два предыдущих периода по формуле Pi2 =

Выход на рынок

Рост

Стабиль- Сокраще- Уход ние сбыта с рынность ка

Доход Прибыль

Разработка

Точка безубыточности ФАЗЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОЕКТА Реализация Завершение

Рисунок 1. Фазы жизненного цикла продукта [2]

1 n ∑ Pi , 2 i=1

(3)

где Pi2 – значение i-го потребительского показателя оцениваемой продукции сглаженного временного ряда по данным за предыдущие два периода; Pi – значение i-го потребительского показателя оцениваемой продукции исходного временного ряда.

Прикладные исследования

Инвестиции

(2)

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Моделирование систем σ3 – средняя погрешность со сглаживанием временного ряда по данным за предыдущие три периода. Для получения комплексного и систематизированного представления о перспективах развития и текущем состоянии СТС путем мониторинга главных показателей, составляющих потребительскую значимость всей системы в целом [5], разработан алгоритм, представленный на рис. 2. Алгоритм представляет собой последовательность действий для сравнения разрабатываемой на предприятии СТС с ее главным конкурентом (аналогом), выявления сильных и слабых сторон конкурента и принятия решения о необходимости разработки программ модернизации СТС в рамках стратегии опережающей стандартизации с целью повышения ее конкурентоспособности и востребованности на рынке.

Для определения точности произведенного прогноза по двум периодам необходимо рассчитать стандартную погрешность по формуле

∑ i=1(Pi − Pi2 )2 , n

σ2 =

(4)

где σ2 – средняя погрешность со сглаживанием временного ряда по данным за предыдущие два периода. Чем меньше данный показатель, тем выше вероятная точность полученного результата. Аналогичные вычисления необходимо произвести для данных за три предыдущих периода: Pi3 =

1 n ∑ Pi , 3 i=1

(5)

∑ i=1(Pi − Pi3 )2 , n

σ3 =

(6) Заключение Задачи управления трендами модернизации СТС требуют от функционального менеджмента предприятия понимания вопросов кадровых

где Pi3 – значение i-го потребительского показателя оцениваемой продукции сглаженного временного ряда по данным за предыдущие три периода;

Выбор потребителя Определение значимых потребительских характеристик Поиск аналога (главного конкурента) Проведение анализа технического потенциала исследуемого объекта

Да

Показания потребительских характеристик исследуемого объекта равны показателям конкурента

Нет

Показания потребительских характеристик исследуемого объекта выше, чем у конкурента

Да

Нет Прогнозирование потенциала развития СТС конкурента Разработка методики улучшения объекта исследования

Изменение научнотехнической политики предприятия

Рисунок 2. Алгоритм методики мониторинга потенциала сложной технической системы

vre.instel.ru

Моделирование систем изменений. Необходимы организационно-технические решения по рационализации технологических процессов, функционала и ответственности сотрудников тех структурных подразделений, в сферу работы которых входит научно-техническое прогнозирование результатов деятельности организации, учет и сопоставление технического уровня производимых изделий с головными изделиями отечественных предприятий и конкурирующих аналогов международных организаций. Создание системы управления трендами модернизации СТС должно начинаться со следующих шагов: • •

выбор конкретного потребителя; поиск объекта для сравнения (главного конкурента), имеющего преимущество по потребительским характеристикам; анализ технического потенциала исследуемого объекта относительно аналога (главного конкурента);

•

сравнение потребительских характеристик объекта исследования с аналогом (главным конкурентом); прогнозирование изменения потребительских характеристик аналога (главного конкурента).

Перечисленные шаги позволят определить уровень востребованности существующих изделий на рынке, востребованность их отдельных характеристик, которые являются наиболее значимыми для потребителя, и оценить возможности продукта занять более высокое положение на рынке. Повышение качества результатов планирования перспективных изменений технического потенциала СТС за счет прогнозирования и предсказания тенденций развития конкурирующей продукции, в свою очередь, позволит своевременно вносить необходимые изменения в производственный процесс или конструкцию самого объекта исследования на ранних стадиях, тем самым повышая его общую конкурентоспособность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГОСТ Р 15.000-2016. Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Основные положения. М.: Стандартинформ, 2016. 15 с. 2. Берг Д. Б., Ульянова Е. А., Добряк П. В. Модели жизненного цикла. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 74 с. 3. Модель оценки технического уровня бытовой техники / М. В. Шанта, Е. Г. Семенова, В. М. Милова, М. С. Смирнова // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 10. С. 30–38. 4. Повышение потребительской ценности продукции за счет оптимизации процесса туманных вычислений / А. Г. Варжапетян, Е. Г. Семенова, В. А. Тушавин, М. С. Смирнова // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 10. С. 130–136. 5. Назаревич С. А., Уренцев А. В. Разработка базовой структуры системы управления качеством трендового развития потенциала сложной технической системы беспилотного летательного аппарата // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 7. С. 46–52.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Уренцев Александр Викторович, аспирант, инженер по качеству, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (812) 777-50-51, e-mail: urentsev@mail.ru. Назаревич Станислав Анатольевич, к. т. н., доцент, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: 8 (812) 494-70-69, e-mail: albus87@inbox.ru.

For citation: Urentsev A. V., Nazarevich S. A. Development of elements of a management system of preventive forecasting potential of complex technical systems. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 11–15. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-11-15 A. V. Urentsev, S. A. Nazarevich

DEVELOPMENT OF ELEMENTS OF A MANAGEMENT SYSTEM OF PREVENTIVE FORECASTING POTENTIAL OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS The article discusses the problems of forecasting technical and consumer characteristics at designing or modernization of complex technical systems. The model of the technique of complex technical system potential monitoring is proposed, it consists of two successive stages: analysis of technical level of the researched object relatively to its competitor and forecasting changes of consumer characteristics of the leading analogue for studied object using the moving average method. The methodology algorithm for monitoring of potential of a complex technical systems has been developed. The features of the developed methodology connected with obtaining of analytical data basing on which the enterprise becomes able to control the trends of complex technical systems modernization are indicated. Also the renewal of knowledge information bank will promote development of flexibility of small-scale production technological processes and adaptation to the factors of external competitive environment, adjusting itself to the needs of the current customer without extra human and financial resources. Keywords: quality, analysis, model, technical potential

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Моделирование систем REFERENCES 1. GOST R15.000-2016. System of product development and launching into manufacture. Basic provisions. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 15 p. (In Russian). 2. Berg D. B., Ulyanova E. A., Dobryak P. V. Modeli zhiznennogo tsikla [Life cycle models]. Yekaterinburg, Ural University Publ., 2014, 74 p. (In Russian). 3. Shanta M. V., Semenova E. G., Milova V. M., Smirnova M. S. Model of evaluation of technical level for household appliances. Issues of radio electronics, 2018, no. 10, pp. 30–38. (In Russian). 4. Varzhapetyan A. G., Semenova E. G., Tushavin V. A., Smirnova M. S. Increasing the consumer product value for account of optimization of fog computing. Issues of radio electronics, 2018, no. 10, pp. 130–136. (In Russian). 5. Balashov V. M., Nazarevich S. A., Urentsev A. V. Development of basic structure for quality management system of trend potential of complex technical system of unmanned aerial vehicles. Issues of radio electronics, 2019, no. 7, pp. 46–52. (In Russian).

AUTHORS Urentsev Alexander, graduate student, quality engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (812) 777-50-51, e-mail: urentsev@mail.ru. Nazarevich Stanislav, Ph. D., associate professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (812) 494-70-69, e-mail: albus87@inbox.ru.

vre.instel.ru

Моделирование систем Для цитирования: Быков В. А., Парненков А. Е. Формирование облика беспилотного воздушного судна вертолетного типа с учетом посадки на сложнодвижущуюся платформу // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 16–22. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-16-22 УДК 623.746

В. А. Быков1, А. Е. Парненков1 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА БЕСПИЛОТНОГО ВОЗДУШНОГО СУДНА ВЕРТОЛЕТНОГО ТИПА С УЧЕТОМ ПОСАДКИ НА СЛОЖНОДВИЖУЩУЮСЯ ПЛАТФОРМУ В статье рассмотрен подход к формированию облика беспилотного воздушного судна с учетом посадки на движущуюся по сложной траектории (сложнодвижущуюся) платформу. Растущее использование беспилотных воздушных судов в гражданской и военной технике определяет актуальность рассматриваемой проблематики. Проанализированы основные параметры, характеризующие облик беспилотного летательного аппарата вертолетного типа, и сформулирована задача формирования его облика. Определены и сформулированы два необходимых условия для базирования на судне – статическая и динамическая совместимости. Формирование технического облика судового беспилотного вертолета основывается на взаимосвязанных процессах определения следующих параметров: объемно-массовых, конструктивно-силовых, аэродинамических, силовой установки и взлетно-посадочных устройств. Рассмотрена формулировка исходных параметров движения посадочной площадки на судне, и сформулированы основные зависимости качки. На основе проведенного исследования и с учетом принятых ограничений авторами предложены технические пути решения поставленной задачи. Ключевые слова: качка, облик летательного аппарата, базирование

Введение Облик беспилотного воздушного судна вертолетного типа (БВС ВТ) [1] характеризуется конструктивно-компоновочной схемой и набором тактических, технических, эксплуатационных и экономических параметров. К тактическим параметрам относят предельную дальность и продолжительность полета, статический и динамический потолок, крейсерскую скорость полета, скороподъемность. К техническим параметрам – взлетную массу, массу полезной нагрузки, габаритно-массовые и энергетические характеристики БВС ВТ. К эксплуатационным – время выполнения предполетных и послеполетных технических мероприятий, трудозатраты на час полета, ресурс систем и др. К экономическим параметрам относят стоимость изготовления серийного образца, стоимость обслуживания и ремонта. Формирование облика беспилотного воздушного судна вертолетного типа Формирование облика при проектировании БВС ВТ является сложной математической задачей, связанной с определением конфигурации параметров (множества решений), которая характеризует 16

форму, структуру, а также особенности БВС ВТ и обеспечивает удовлетворение предъявляемых к нему требований и ограничений. Количество параметров, характеризующих структуру, архитектуру и размеры БВС ВТ и подлежащих определению в процессе формирования облика, достаточно велико. В настоящей работе важнейшей особенностью при формировании облика являются параметры, характеризующие взлет и посадку на сложнодвижущуюся платформу, в качестве которой рассматривается посадочная площадка (ПП) на борту судна. При оценке возможности эксплуатации БВС ВТ на борту судна необходимо учитывать их статическую и динамическую совместимость [2]. Такая совместимость достигается при применении специальных средств технического обеспечения, к которым относятся ПП, место хранения БВС ВТ, средств обслуживания, радиотехнических средств управления и обеспечения полетов. Первый этап – определение статической совместимости, включая оптимизацию габаритно-массовых характеристик, повышение экономичности силовой установки, снижение номенклатуры средств облуживания и других эксплуатационных параметров, так как статическая совместимость впрямую

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Моделирование систем определяет площади и объемы, занимаемые БВС ВТ при его размещении на борту судна. Второй этап – определение динамической совместимости, от которой зависят устойчивость и управляемость БВС ВТ, раскрутка и остановка несущего винта (НВ), взлет и посадка, транспортировка БВС ВТ по ПП в условиях качки и сильного турбулентного потока, вызванного архитектурой корпуса и надстройками судна. Для более детального анализа применения БВС ВТ на борту судна предлагается рассмотреть методику формирования облика [3] с учетом ограничивающих параметров, которые обеспечивают посадку БВС ВТ на ПП на судне. Блок-схема методики формирования облика БВС ВТ, обеспечивающего посадку на ПП, представлена на рис. 1. На начальном этапе, исходя из назначения, задач и условий применения БВС ВТ, определяются его возможные схемы построения и варьируемые параметры. Из множества схематичных решений формируется облик первого приближения. Облик включает совокупность количественно-качественных показателей (характеристик, параметров, свойств), определяющих компоновочно-аэродинамическую схему, конструктивно-силовую схему, силовую установку, вид и количество топлива, бортовое оборудование, целевую нагрузку, которая обеспечивает выполнение полученных тактико-технических характеристик, а также определяются взлетно-посадочные устройства (ВПУ), влияющие на устойчивость, управляемость и безопасность взлета и посадки. Параметры движения ПП на борту судна [2] можно представить как линейную динамическую систему, преобразующую случайный или детерминированный процесс волнения морской поверхности в соответствующий процесс качки. Кинематика движения центра ПП на судне – ее пространственных сложных положений – необходима для решения задач, связанных с динамической совместимостью БВС ВТ и судна. К таким задачам относятся взлет и посадка БВС ВТ с подвижной в пространстве и ограниченной по размерам площадки, подвеска и снятие сменной полезной нагрузки, заправка БВС ВТ. Центр ПП отнесен от центра судна на величины: HПП – по вертикали к поверхности палубы; lПП – по поверхности палубы. Движение центра ПП описывается следующей группой уравнений в системе координат, представленной на рис. 2: + 2 yRx g ϕ − 2 yzRϕ ψ; Dx m = Dx g + z 2 Dψ + y 2 Dϕ − 2zRx g ψ + 2xR ψ Dy m = Dy g + z 2 Dθ + x 2 Dϕ − 2zRy g θ ϕ; y g − 2xzRθ − 2xyR ψ. + 2 yRz g θ Dz m = Dz g + x 2 Dψ + y 2 Dθ − 2zRz g ψ θ

vre.instel.ru

(1)

В общем случае в инерционной системе координат 0xgygzg движение корабля определяется поступательным движением центра масс судна М со скоростью VМ(t) и вращением судна относительно центра масс с угловой скоростью ωk(t). Запишем уравнения для общего случая качки судна, характеризующегося наличием регулярной бортовой, килевой, вертикальной и курсовой качки: θk = θko sin ω xk t; υ k = υ k0 sin(ω zk t + ϕV θ ); ψ k = ψ k0 sin(ω yk t + ϕV θ − ϕV ψ );

(2)

Η Ц k = Η Ц k sin(ωVy t + ϕ H θ − ϕ HV ), 0

где θko , υ k0 , ψ k0 , Η Ц k – амплитуды бортовой, ки0 левой, курсовой и вертикальной качки судна; ϕθV , ϕV ψ , ϕ H θ , ϕ HV – сдвиги фаз между видами качки. Полученные уравнения движения ПП и качки судна применяются для определения динамической совместимости БВС ВТ и судна. БВС ВТ, базирующиеся на борту судна, должны иметь объемно-массовые характеристики, оптимизированные в сторону уменьшения размеров полетной и транспортировочной конфигурации. Уменьшение размеров осуществляется за счет складывания лопастей НВ вдоль фюзеляжа и снятия выступающих элементов конструкции БВС ВТ. Конструктивно-силовая схема [4–6] определяется, исходя из принятой общей компоновки изделия и нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации. Выбираются минимальные сечения силовой конструкции, обеспечивающие требуемые показатели прочности, жесткости и точности. Расчет конструктивно-силовой схемы позволяет определить наиболее подходящее построение конструкции, воспринимающей все нагрузки и моменты, которые действуют на БВС ВТ в процессе эксплуатации. Аэродинамические параметры [4–6] включают в себя расчеты характеристик несущей системы, аэродинамической компоновки БВС ВТ. Под аэродинамической компоновкой летательного аппарата понимают внешние формы и способы сочетания его частей, создающих в полете основные аэродинамические силы и моменты. При формировании аэродинамической компоновки определяют количество и расположение НВ, формы фюзеляжа, тип и расположение силовой установки, параметры горизонтального и вертикального оперения, а также количество и формы выступающих в поток элементов конструкции. Параметры силовой установки [4, 5] включают в себя расчеты дроссельных характеристик, удельной мощности, мощности при различных расчетных случаях, часовой расход топлива на выполнение типового полета. 17

Моделирование систем

Блок исходных данных

Определение начальной конфигурации БВС ВТ (множество схематичных решений)

Параметры сложнодвижущейся платформы

Определение параметров первого приближения облика БВС ВТ с учетом характеристик движения сложнодвижущейся платформы

Методика формирования технического облика первого приближения Формирование геометрических и массовых характеристик с учетом эксплуатационных ограничений Расчет объемно-массовых характеристик Расчет конструктивно-силовой схемы Расчет аэродинамических характеристик Расчет силовой установки

Расчет взлетно-посадочных устройств Расчет шасси Расчет системы принудительной посадки Расчет опрокидывания и устойчивости БВС ВТ

Формирование параметров судовой части системы принудительной посадки Расчет ЛТХ

Решение уравнения существования БВС ВТ m0 =

mпн 1

Соответствие исходным требованиям Оптимизация параметров Оценка эффективности показателей K=

C Э

Облик БВС ВТ сформирован

Рисунок 1. Блок-схема формирования облика беспилотного воздушного судна вертолетного типа

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Моделирование систем

LПП Yk

θk

T Средний мидель

HПП

ПП wz Zk

Vk k

Zg Xk

Рисунок 2. Система координат для расчета движения посадочной площадки: HПП – расстояние от центра масс корабля до центра БВС ВТ по вертикали к поверхности палубы; LПП – расстояние от центра масс судна до центра БВС ВТ по поверхности палубы; 0xgygzg – инерционная система координат, плоскость 0xgyg которой совпадает с невозмущенной поверхностью воды (тихая вода), а положительная ось 0yg направлена вверх; Мxgygzg – связанная корабельная система координат (начало координат расположено в центре масс судна М, оси координат совпадают с главными осями координат); Bxyz – связанная система координат БВС ВТ. Начало координат расположено в центре масс БВС ВТ, точке В (оси координат совпадают с главными осями координат); Di – дисперсия величины; θ – угол крена судна, характеризующий бортовую качку; ϕ – угол тангажа судна, характеризующий килевую качку; ψ – угол рысканья, характеризующий разворот судна

Параметры взлетно-посадочных устройств (ВПУ) определяют исходя из параметров шасси и системы принудительной посадки. Расчет шасси включает в себя [4, 5] определение количества опор, их конструктивного оформления с учетом специфики работы и расположения относительно центра масс БВС ВТ. В ходе расчета определяют углы выноса и опрокидывания, стояночный угол, колею шасси, высоту НВ над землей, базу шасси, вынос вертолета, угол выноса основных опор шасси. Система принудительной посадки [2] повышает устойчивость при взлете и посадке БВС ВТ на ПП в условиях качки судна. Конструктивное направление систем автоматической швартовки связано с созданием различных устройств, выполняющих роль дополнительной механической связи БВС ВТ с судном, что позволяет уменьшить опрокидывание и соскальзывание БВС ВТ с ПП за борт судна. Правильность построения ВПУ проверяется расчетом опрокидывания и устойчивости БВС ВТ на ПП в условиях качки, исходя из его массы, колеи шасси, когда НВ не создает тяги. Устойчивость БВС ВТ определяется исходя из условий – опрокидывания вокруг оси n-n и при соскальзывании, когда vre.instel.ru

равновесие сил, направленных параллельно поверхности ПП, нарушено. Условие равновесия сил и моментов относительно осей координат, связанных с БВС ВТ, состоит из следующих уравнений: δ δ z ± Fe ± FПН = 0; ∑ X = − f1(R1 + R2 + R3 ) + X HB + X HB ∑Y = (R1 + R2 + R3 ) +TB +TH − G cosθ ± Fe ± FПН = 0; δ δx + ∑ Z = − f1(R1 + R2 + R3 ) + Z HB + Z HB z

+G cosθ ± Fez ± FПН z = 0;

∑Mx =

B(R3 − R2 ) + (R2 + R3 ) fhЦМ + 2

(3)

+M X HB + M xδ x δ x ± M ПН x = 0; HY

∑ M y = f1R1(L − e) − (R2 − R3 ) fe + (X 3 + X 2 ) f 2 + MY

HBHY

+MYΔϕ Δϕ ДВ ± M ПН y = 0;

∑ M z = −(R3 + R2 )e + R1(L − e) −Tx

+ M Z HB + M zδ z δ z + HY

+M ПЛ z ± M ПН z = 0, где f и f1 – коэффициенты трения колес шасси о поверхность палубы в поперечном и продольном 19

Моделирование систем направлениях; R1, R2, R3 – силы реакции палубы; T T X HBHY = b10B − b10H = 0 – проекция боковых сил НВ 2 2 T от бокового завала его конуса; TH = TB = – тяга 2 НВ; Z HBHY = −TB a10B −TH a10H = 0 – проекция продольных сил НВ от продольного завала его конуса; δz δx X HB = Z HB – производные продольной и боковой сил НВ; XT – плечо тяги НВ относительно центра масс БВС ВТ; Fex , Fey , Fez – проекции инерционной силы от бортовой и курсовой качки судна, приложенной к неподвижному БВС ВТ; FПН x , FПН y , FПН z – проекции инерционной силы системы принудительной посадки (рис. 3).

Y Fe

HB HH

ry ⎞ 1⎛ − ⎜ Fez − Fey . G⎝ hцм ⎟⎠

G n

FПН FПН N 2

B n

X2 ry

O1 L

FПН

Z1 n

Рисунок 3. Схема сил, действующих на беспилотное воздушное судно вертолетного типа при нахождении его на качающейся палубе

Анализ результатов формирования облика БВС ВТ (табл.) показывает следующее: •

Полученные данные о ВПУ определяют облик судовой части системы автоматизированной швартовки, ее присоединительные размеры, а также габариты ПП. Для каждого сформированного первичного технического облика БВС ВТ определяются летно-технические характеристики, целью расчета которых является проверка соответствия значений расчетных параметров БВС ВТ величинам, указанным в исходных данных, и оценка комплексного критерия эффективности [7]. Критерий эффективности определяется для каждого рассматриваемого облика БВС ВТ. При необходимости производится оптимизация варьируемых параметров для достижения приемлемого результата – требуемого соотношения стоимости и качества.

(5)

θk

ry ⎡ T ⎤ T ⎡ b10B ΔhB h ⎤ 1− ⎥ − ⎢ − (D1η) T ⎥ − ⎢ hцм ⎣ G ⎦ G ⎢⎣ hцм hцм ⎥⎦

hЦМ

ry G cosθ − hцм G sin θ − Fez hцм −Try − Fey ry +

θкр =

Устойчивость БВС ВТ на качающейся ПП определяется условием R3 = 0 и креном судна, при котором оно находится в неустойчивом положении равновесия, без учета применения системы принудительной посадки. Критический угол крена площадки определяется из уравнения моментов относительно линии n-n (4) T b10B ΔhB +T (D1η)hT = 0, 2 где η – поперечное отклонение автомата перекоса; D1 – передаточное число управления циклическим шагом; ∆hB – расстояние между винтами соосного БВС ВТ; hT – расстояние от поверхности палубы до точки, лежащей посередине между несущими винтами. Отсюда критический угол крена определяется как

•

для судов с LПП ≅ 30 м рациональным обликом является БВС ВТ с показателем эффективности К = 0,57, взлетной массой m0 = 520 кг, способное осуществлять посадку при углах крена судна θk0 = 10° и доставлять целевую нагрузку массой mЦН = 72 кг; для судов с LПП ≅ 50 м рациональным обликом является БВС ВТ с показателем эффективности К = 0,73, взлетной массой m0 = 570 кг, способное осуществлять посадку при углах крена судна θk0 = 10° и доставлять целевую нагрузку массой mЦН = 72 кг.

Заключение Анализ принятых допущений и наложенных ограничений при формирования облика позволяет выделить два необходимых условия для базирования

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Моделирование систем Таблица. Параметры облика БВС ВТ

LПП ≅ 30 м Параметры

LПП ≅ 50 м

θk0 = 5°

θk0 = 10°

θk0 = 15°

θk0 = 5°

θk0 = 10°

θk0 = 15°

Взлетная масса m0, кг

480

520

610

510

570

650

Масса целевой нагрузки mЦН, кг

Масса двигателя mдв, кг

104

112

103

115

185

Масса ВПУ mВПУ, кг

Диаметр НВ ДНВ, м

6,1

6,5

7,0

6,2

6,8

7,3

Длина фюзеляжа Lф, м

5,8

6,1

6,3

6,4

Крейсерская скорость Vкр, км/ч

140

Статический потолок Нст, м

2500

Дальность полета Lпол, км

300

Коэффициент эффективности К

0,66

0,57

0,59

0,78

0,73

0,74

на судне – статическую и динамическую совместимость. Таким образом, представленный подход к задаче формирования облика БВС ВТ с учетом

посадки на сложнодвижущуюся платформу продемонстрировал возможность и технические пути обеспечения посадки БВС ВТ на посадочную площадку на борту судна в условиях качки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. 2. 3. 4.

Мышкин Л. В. Прогнозирование развития авиационной техники. М.: Наука, 2017. 480 с. Соковиков Ю. Г. Применение вертолетов с авианесущих кораблей. М.: Военное издательство, 1989. 180 с. Егер С. М., Мишин В. Ф. и др. Проектирование самолетов. 4-е изд. (репр. воспр. текста). М.: Логос, 2005. 648 с. Проскурин В. Д. Расчет параметров вертолета на этапе предварительного проектирования. Оренбург: ОГУ, 2014. 199 с. 5. Кривцов В. С., Карпов Я. С., Лосев Л. И. Проектирование вертолетов. Харьков: Харьковский авиационный институт, 2003. 344 с. 6. Конструкция летательных аппаратов / под ред. К. Д. Туркина. М.: ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1985. Ч. 1 – 280 с., Ч. 2 – 246 с. 7. Анцев В. Г., Быков В. А., Парненков А. Е. Обоснование критерия эффективности при формировании технического облика беспилотного воздушного судна вертолетного типа // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 9. С. 63–67.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Быков Владимир Александрович, начальник бюро, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (921) 762-90-18, e-mail: bykov_va@radar-mms.com. Парненков Алексей Евгеньевич, к. т. н., начальник бюро, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, e-mail: parnenkov_ae@radar-mms.com.

For citation: Bykov V. A., Parnenkov A. E. Formation of appearance of helicopter-type unmanned airvehicle with consideration of landing on complex-moving platform. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 16–22. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-16-22 V. A. Bykov, A. E. Parnenkov

FORMATION OF APPEARANCE OF HELICOPTER-TYPE UNMANNED AIRVEHICLE WITH CONSIDERATION OF LANDING ON COMPLEX–MOVING PLATFORM The article considers an approach to the formation of the image of an unmanned aircraft, taking into account the landing on a complex-moving platform. The main parameters characterizing the appearance of a helicopter-type unmanned air vehicle are analyzed and the task of appearance forming is formulated. Two necessary conditions for landing on a ship, such as static and dynamic compatibility are defined and formulated. The formation of the technical appearance of the ship unmanned helicopter is based on the interrelated processes of determination of the following parameters: volume-mass, structural-power, aerodynamic,

vre.instel.ru

Моделирование систем power plant and take-off and landing devices. The formulation of the initial parameters of the landing pad movement on the ship is considered and the main dependencies of pitching are formulated. On the basis of the conducted researches and taking into account the accepted restrictions, the authors propose technical ways to solve the problem. Keywords: pitching, appearance of the aircraft, basing

REFERENCES 1. Myshkin L. V. Prognozirovanie razvitiya aviatsionnoi tekhniki [Forecasting the development of aviation technology]. Moscow, Nauka Publ., 2017, 480 p. (In Russian). 2. Sokovikov Yu. G. Primenenie vertoletov s avianesushchikh korablei [The use of helicopters from aircraft carriers]. Moscow, Voennoe izdatelstvo Publ., 1989, 180 p. (In Russian). 3. Eger S. M., Mishin V. F., et al. Proektirovanie samoletov [Design of aircraft]. 4th ed. (reprint). Moscow, Logos Publ., 2005, 648 p. (In Russian). 4. Proskurin V. D. Raschet parametrov vertoleta na etape predvaritelnogo proektirovaniya [Calculation of the parameters of the helicopter at the stage of preliminary design]. Orenburg, OGU Publ., 2014, 199 p. (In Russian). 5. Krivtsov V. S., Karpov Ya. S., Losev L. I. Proektirovanie vertoletov [Design of helicopters]. Kharkov: Kharkov Aviation Institute Publ., 2003, 344 p. (In Russian). 6. Turkin K. D., editor. Konstruktsiya letatelnykh apparatov [The design of aircraft]. Moscow, VVIA Publ., 1985, vol. 1 – 280 p., vol. 2 – 246 p. (In Russian). 7. Ancev V. G., Bykov V. A., Parnenkov A. E. Justification of efficiency criterion in formation of technical appearance of a helicopter-type unmanned aircraft. Issues of radio electronics, 2019, no. 1, pp. 63–67. (In Russian).

AUTHORS Bykov Vladimir, head of the department, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (921) 762-90-18, e-mail: bykov_va@radar-mms.com. Parnenkov Alexey, Ph. D., head of the department, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, e-mail: parnenkov_ae@radar-mms.com.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиоэлектроника в медицине Для цитирования: Старченкова К. С., Манило Л. А. Использование старшего показателя Ляпунова для распознавания биомедицинских сигналов // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 23–29. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-23-29 УДК 004.383.3

К. С. Старченкова1, Л. А. Манило1 1

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТАРШЕГО ПОКАЗАТЕЛЯ ЛЯПУНОВА ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ* В статье рассмотрена актуальная проблема анализа биосигналов с хаотическими свойствами. Ее решение важно для распознавания различных сигналов, связанных с изменением функционального состояния пациента в ходе непрерывного наблюдения. Рассматривается возможность распознавания мерцательной аритмии по сигналам ритмограмм и уровней наркоза по сигналам электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью показателей Ляпунова. Исходными данными для расчетов служат сигналы сердечного ритма длительностью 300 кардиоциклов и пятисекундные сигналы ЭЭГ. В работе показано, что старший показатель Ляпунова позволяет распознавать мерцательную аритмию на фоне сигналов нормального ритма и частой экстрасистолии, а также стадии наркоза по сигналу ЭЭГ. Разработанный алгоритм предназначен для медицинских компьютерных систем и реализован в программной среде MATLAB. Ключевые слова: сердечный ритм, наркоз, метод ложных ближайших соседей, корреляционная размерность

Введение Задачи распознавания биомедицинских сигналов требуют разработки новых методов анализа данных, основанных на современных подходах к исследованию свойств сигналов в различных состояниях биообъекта. Организм человека представляет собой сложную динамическую систему, параметры которой меняются в зависимости от времени и целого ряда внутренних и внешних факторов. С одной стороны, развитие системы описывается устойчивыми закономерностями, повторяющимися с определенной цикличностью, а с другой стороны, динамика системы достаточно хаотична, что и определяет сложность анализируемых сигналов. Современные представления об особенностях сигналов электрокардиографии (ЭКГ) и ЭЭГ указывают на необходимость исследования выраженности их хаотических компонент с применением методов нелинейной динамики [1–8]. Оценка степени их нерегулярности может стать важным признаком для классификации некоторых функциональных состояний организма, а также распознавания ряда патологий. Одним из наиболее надежных способов детектирования хаоса является определение скорости разбегания фазовых траекторий сигнала, которую можно оценить на основе расчета показателей

Ляпунова. Геометрический смысл этих показателей заключается в том, что две точки, начальные значения которых расположены в некоторой окрестности радиуса ε, за время T разойдутся в n-мерный эллипсоид по n главным полуосям и в момент времени t радиусы будут определяться значениями εe λ i t , i = 1,...,n. Знак старшего показателя Ляпунова полностью характеризует тип колебаний динамической системы. Положительный показатель является признаком хаотичности динамической системы. Старший показатель Ляпунова позволяет идентифицировать тип динамической системы с точки зрения присутствия хаотического поведения, а также способен отражать уровень хаотичности сигнала. Для расчета показателей Ляпунова необходимо определить параметры вложения системы: временную задержку и размерность пространства вложения. В данной работе временная задержка определяется методом автокорреляционной функции, а размерность пространства вложения методом ложных ближайших соседей и на основе оценки корреляционной размерности. Исследование показателя Ляпунова выполнено для двух задач: распознавание аритмий по ритмограмме и оценка глубины наркоза по ЭЭГ.

* Работа поддержана грантами РФФИ №№ 19-07-00475, 18-29-02036 и 19-29-01009.

vre.instel.ru

Радиоэлектроника в медицине

R(τ) 1

0,5

0 0

Рисунок 1. Автокорреляционная функция нормального ритма

R(τ)1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 –0,2 –0,4

Рисунок 2. Автокорреляционная функция частой экстрасистолии

R(τ) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 –0,2 0

Рисунок 3. Автокорреляционная функция мерцательной аритмии

Распознавание аритмии по ритмограмме Мерцательная аритмия является одним из самых распространенных и опасных видов нарушений сердечно-сосудистой системы. Первые симптомы этого нарушения проявляются незаметно для пациента, поэтому разработка системы обнаружения мерцательной аритмии на фоне других сердечных заболеваний является в настоящее время актуальной задачей. С этой целью в работе исследуется возможность распознавания мерцательной аритмии 24

с использованием нелинейного анализа ритмограммы. В качестве экспериментальных данных используются сигналы ЭКГ нормального ритма (НР), частой экстрасистолии (ЧЭ) и мерцательной аритмии (МА), полученные из баз данных: MIT-BIH Atrial Fibrillation Database, MIT-BIH Arrhythmia Database [9] и Normal Sinus Rhythm RR Interval Database. Для каждой группы ритма обработано по пятьдесят реализаций, представляющих собой последовательности длительностей кардиоциклов в 300 отсчетов. Определение временной задержки Наиболее распространенным способом определения временной задержки является метод автокорреляционной функции (АКФ). На рис. 1–3 представлены примеры АКФ R(τ) для сигналов ритмограмм трех видов сердечного ритма. Временная задержка выбирается в соответствии с первым нулем АКФ. На основе анализа данных АКФ выбрано значение временной задержки τ = 1 (соответствует первому нулевому значению АКФ). По виду графиков АКФ можно судить о структуре временного ряда, а именно о наличии нелинейности в сигнале. В работе [10] сделан вывод, что у временного ряда, имеющего сильную нелинейную составляющую, первые значения функции автокорреляции находятся около нуля, а в случае регулярного ряда первые значения АКФ имеют более высокие значения (от 0,5 до 0,9). Проанализировав полученные графики, можно сделать вывод о том, что первые значения АКФ для нормального ритма значительно выше, чем значения для двух других видов ритма. В то же время первые значения мерцательной аритмии находятся вблизи нуля, что является показателем наличия сильной нелинейной составляющей в сигнале. Определение размерности пространства вложения Размерность пространства вложения определяется с помощью двух методов: оценки корреляционной размерности и метода ложных ближайших соседей. Для нахождения корреляционной размерности был использован алгоритм Грассбергера – Прокаччиа [11], который является одним из самых эффективных способов нелинейного анализа временных рядов. Суть алгоритма заключена в вычислении корреляционного интеграла Cm для разных значений размерности m, построении полученной зависимости в системе координат с двойным логарифмическим масштабом, поиске на ней линейного участка и нахождении углового коэффициент d (рис. 4). Полученная величина d является оценкой корреляционной размерности регулярной выборки отсчетов. Для нахождения корреляционной размерности сигналов необходимо построить график зависимости значений корреляционной размерности от размерностей пространства вложения. Уровень насыщения графика зависимости Dc от m соответствует

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиоэлектроника в медицине значению корреляционной размерности аттрактора, а значение m, с которого наступает насыщение полученной кривой, является оптимальной размерностью пространства вложения. С помощью метода ложных ближайших соседей наименьшее значение размерности пространства вложения m может быть определено так, что при переходе от размерности m к размерности (m + 1) количество ложных соседей (точек аттрактора, близких друг к другу в пространстве Rm и отстоящих далеко в Rm + 1) будет относительно мало. Полученное таким образом значение m определяет наименьшую размерность пространства вложения, в котором возможна реконструкция аттрактора без самопересечений [12]. Результаты статистической обработки полученных значений размерности пространства вложения для сигналов сердечного ритма представлены в табл. 1. Для каждой группы ритма обработано по пятьдесят реализаций, статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью пакета MSExcel. Из данных табл. 1 следует, что значения m для сигналов сердечного ритма, полученные с помощью метода ближайших соседей, соответствуют значениям, рассчитанным методом Грассбергера – Прокаччиа. Это свидетельствует об устойчивости получаемых оценок. Для дальнейшего анализа будем использовать следующие значения размерности пространства вложения: для нормального ритма m = 8, частой экстрасистолии m = 13 и мерцательной аритмии m = 15. Расчет старшего показателя Ляпунова Существует два метода вычисления старшего показателя Ляпунова. Для данных, порожденных известной системой дифференциальных уравнений, – это алгоритм Бенеттина [13]. В случае если неизвестен закон эволюции динамической системы и получить информацию о режиме его поведения невозможно, используется алгоритм, предложенный Вольфом [14]. Алгоритм следит за парой точек на аттракторе для оценки δ1 на каждом шаге по времени, по которому старший показатель Ляпунова может быть вычислен, используя формулу

lnC(r) 100 10–1 10–2 10–3 10–4

d = tgα

α 10–5 –4 10 10–3 10–2 10–1

100

lnr

Рисунок 4. Оценка корреляционной размерности методом Грассбергера – Прокаччиа

λm =

1 k ∑ ln δ(i) m, k i=1

где δm – длина m-го вектора после ортогонализации, но перед нормализацией. Схематическая иллюстрация алгоритма приведена на рис. 5. Работа алгоритма начинается с первой точки данных y(t0) и ее ближайшего соседа z0(t0), которые отдалены на расстояние r0. Эти две точки эволюционируют во времени с шагом ∆t, пока расстояние r'0 между ними не превысит некоторую величину ε. Эволюционирующая первая точка данных y(t1) сохраняется, а новый ближайший сосед z1(t1) ищется таким образом, что расстояние r1 = ||y(t1) – z1(t1)|| остается меньше, чем ε. При этом точка z1(t1) лежит наиболее близко к y(t1) в том же направлении, что и z0(t1) по отношению к y(t1). Вычислительная процедура продолжается до тех пор, пока принятая за основу сравнения траектория y не дойдет до конца временного ряда. Старший показатель Ляпунова аттрактора оценивается как λ1 =

1 L−1 rk' ∑ ln , mΔt k=0 rk

где L – число итераций и m – общее число шагов по интервалу времени, в течение которого анализируется траектория y. Единицей измерения

Таблица 1. Результаты статистической обработки полученных значений размерности пространства вложения для сигналов сердечного ритма

Размерность пространства вложения, m Сердечный ритм Метод Грассбергера – Прокаччиа

Метод ложных ближайших соседей

Нормальный ритм

8,60 ± 0,89

8,20 ± 0,42

Частая экстрасистолия

13,40 ± 0,55

13,40 ± 0,70

Мерцательная аритмия

15,20 ± 0,84

15,00

vre.instel.ru

Радиоэлектроника в медицине для процессов детерминированного хаоса, причем в сигналах с мерцательной аритмией они наиболее выражены. Кроме того, с помощью старшего показателя Ляпунова, вычисленного при τ = 1 и τ = 2, можно распознать мерцательную аритмию на фоне сигналов НР и ЧЭ.

z0(t1) z1(t2) z1(t1) z0(t0)

y(t1)

y(t0)

z2(t2) y(t2)

Рисунок 5. Геометрический смысл показателя Ляпунова

показателей Ляпунова служит число бит на одну итерацию. Для сердечного ритма оптимальная временная задержка равна 1, поэтому старший показатель Ляпунова определяется при значении τ = 1. Однако для повышения достоверности выявления хаотических свойств сигнала дополнительно проведен расчет показателя при нескольких значениях временной задержки. Результаты статистической обработки полученных данных для сигналов сердечного ритма представлены в табл. 2. Для каждой группы ритма обработано по пятьдесят реализаций, статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью пакета MSExcel. Из полученных данных видно, что старший показатель Ляпунова при разных временных задержках принимает положительное значение, что означает наличие хаотической составляющей в системе регуляции сердечного ритма. Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что данные сигналы обнаруживают свойства, характерные

Оценка глубины наркоза по ЭЭГ Контроль глубины анестезии необходим при проведении хирургических вмешательств, так как требуется поддерживать у пациента состояние глубокого наркоза на протяжении всей операции, а также недопускать раннего выхода из наркоза и введения лишней дозы анестетика. В качестве второй группы данных используются сигналы ЭЭГ для трех стадий: глубокий наркоз, неглубокий наркоз (начало выхода из наркоза) и состояние после выхода из наркоза. Съем ЭЭГ осуществлялся по одному каналу с помощью электродов, наложенных на лоб пациента. В качестве анестетика использовался препарат пропофол. Для каждой группы сигналов выбрано по 50 реализаций длительностью 5 секунд и частотой дискретизации 250 Гц. С помощью ранее представленных алгоритмов были определены временная задержка и размерность пространства вложения. Временная задержка, как и размерность пространства вложения, была рассчитана для всей выборки данных. Результаты статистической обработки полученных данных представлены в табл. 3. Для каждой группы ритма обработано по пятьдесят реализаций, статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью пакета MSExcel. По результатам статистической обработки сигналов для расчета старшего показателя Ляпунова

Таблица 2. Результаты статистической обработки значений старшего показателя Ляпунова для сигналов сердечного ритма

τ=1

τ=2

τ=3

τ=4

τ=5

Нормальный ритм

0,04 ± 0,01

0,12 ± 0,01

0,12 ± 0,04

0,10 ± 0,03

0,12 ± 0,03

Частая экстрасистолия

0,20 ± 0,01

0,20 ± 0,04

0,23 ± 0,04

0,22 ± 0,02

Мерцательная аритмия

0,25 ± 0,02

0,25 ± 0,01

0,25 ± 0,02

0,25 ± 0,05

0,26 ± 0,02

Сигнал

Таблица 3. Результаты статистической обработки значений временной задержки и размерности пространства вложения

Размерность пространства вложения m Стадия наркоза

Временная задержка τ

Метод Грассбергера – Прокаччиа

Метод ложных ближайших соседей

Глубокий наркоз

3,00 ± 0,03

5,10 ± 0,32

5,47 ± 0,64

Неглубокий наркоз

3,00 ± 0,05

8,90 ± 0,32

9,20 ± 0,41

После наркоза

3,00 ± 0,20

10,40 ± 0,70

10,07 ± 0,59

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиоэлектроника в медицине ЭЭГ-сигналов было выбрано значение временной задержки τ = 3. Значение размерности пространства вложения при глубоком и неглубоком наркозе равно m = 5 и m = 9 соответственно, а для состояния после выхода из наркоза m = 10. С целью повышения надежности оценки хаотических свойств сигнала старший показатель Ляпунова рассчитан для нескольких последующих значений временной задержки τ. Результаты расчета показателей Ляпунова для трех стадий наркоза представлены в табл. 4. Для каждой группы ритма обработано по пятьдесят реализаций, статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью пакета MSExcel. По результатам анализа данных таблицы можно сделать вывод о том, что для всех записей ЭЭГсигналов показатели Ляпунова принимают положительное значение, что говорит о присутствии хаотической составляющей в системе. Значения старшего показателя Ляпунова в состоянии бодрствования значительно больше, чем в стадиях наркоза, что позволяет распознать состояние выхода из наркоза в ходе проведения хирургических операций. В то же время значения старшего показателя Ляпунова при двух стадиях наркоза (глубокий и неглубокий наркоз) трудно различимы. Очевидно, для распознавания начала выхода из стадии глубокого наркоза необходимо привлечение дополнительных параметров, отражающих другие различительные свойства этих сигналов. Анализ дисперсионного критерия F Для подтверждения возможности применения старшего показателя Ляпунова для рассмотренных в работе задач был рассчитан дисперсионный критерий F. Этот критерий основан на разделении общей изменчивости данных на межгрупповую изменчивость, которая описывает степень различия между экспериментальными группами, и внутригрупповую изменчивость, характеризующую величину случайных различий между индивидуальными образцами в пределах каждой группы. При условии

истинности нулевой гипотезы для k групп и N измерений F-критерий имеет распределение Фишера с k – 1 и N – k степенями свободы. Нулевая гипотеза принимается, если F ≤ Fкр для требуемого уровня значимости α. Fкр = 3,07 для используемого в задаче уровня значимости α = 0,05 (k = 3, N = 150). Расчетные значения критерия F приведены в табл. 5. Полученные значения F удовлетворяют неравенству F ≥ Fкр, поэтому можно сделать вывод о возможности использования старшего показателя Ляпунова для распознавания мерцательной аритмии на фоне частой экстрасистолии и нормального ритма, а также для распознаваний стадий наркоза по ЭЭГ. Заключение В работе был использован метод Вольфа для расчета старшего показателя Ляпунова. Рассмотрены две медицинские задачи: распознавание сердечного ритма по сигналам ритмограмм и глубины наркоза по ЭЭГ-сигналу. Найдены оптимальные временные задержки, а также размерности пространства вложения этих сигналов. Для анализа нелинейных свойств сигнала было предложено рассчитывать показатель Ляпунова при разных временных задержках. В двух задачах показатели имели положительные значения при нескольких временных задержках, что говорит о присутствии нелинейной составляющей в анализируемых сигналах. Таким образом, в работе показана возможность использования старшего показателя Ляпунова для распознавания трех видов сердечного ритма. В задаче анализа уровня анестезии по предложенному показателю можно эффективно распознать состояния глубокого наркоза и выход из наркоза. Результаты проведенных экспериментальных исследований могут быть полезны при разработке алгоритмов распознавания фрагментов мерцательной аритмии по ритмограмме, а также анализа глубины анестезии по ЭЭГ.

Таблица 4. Результаты расчета показателей Ляпунова для трех стадий наркоза

τ=3

τ=4

τ=5

τ=6

τ=7

Глубокий наркоз

0,02 ± 0,01

0,04 ± 0,01

Неглубокий наркоз

0,04 ± 0,01

0,05 ± 0,02

0,05 ± 0,01

0,05 ± 0,02

После выхода из наркоза

0,27 ± 0,02

0,28 ± 0,03

0,27 ± 0,01

0,27 ± 0,02

Стадия наркоза

Таблица 5. Расчетные значения критерия F

Дисперсионный критерий

Распознавание мерцательной аритмии по ритмограмме

Распознавание стадий наркоза по ЭЭГ

4,59

4,57

vre.instel.ru

Радиоэлектроника в медицине СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Роникс Системс. Вариабельность сердечного ритма [Электронный ресурс]. URL: http://www.kardi.ru/ru/index/ Article?&ViewType=view&Id=37 (дата обращения: 21.12.2019). 2. VitalScan. Физиологические основы вариабельности сердечного ритма (ВСР) [Электронный ресурс]. URL: http://http:// www.vitalscan.ru/dt_hrv1_ru.htm (дата обращения: 21.12.2019). 3. Бабунц И. В., Мираджанян Э. М., Машаех Ю. А. Азбука анализа вариабельности сердечного ритма. Ставрополь, 2002. 112 с. 4. Аль-Хулейди Н. А. Система обработки и нейросетевого анализа биоэлектрических сигналов для решения задач медицинской диагностики: дисс. канд. техн. наук. Владимир: 2014. 150 с. 5. Антипов О. И., Захаров В. А., Неганов В. А. Особенности применения фрактальных мер детерминированного хаоса к автоматизированному распознанию стадий сна при полисомнографии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2012. Т. 15. № 3. С. 101–109. 6. Антипов О. И., Нагорная М. Ю. Показатель Херста биоэлектрических сигналов // Инфокоммуникационные технологии. 2011. № 1 (9). С. 75–77. 7. Хачатрян К. С., Манило Л. А. Метод анализа псевдофазового портрета в задаче распознавания биомедицинских сигналов // Биотехносфера. 2016. № 5 (47). С. 14–18. 8. Старченкова К. С., Манило Л. А. Оценка энтропии ритмограмм для разных видов сердечных аритмий. БИОМЕДСИСТЕМЫ-2019, сборн. тр. конф. Рязань: РГРТУ, 2019. С. 206–209. 9. MIT-BIH Database Distribution [Электронный ресурс]. URL: http://ecg.mit.edu (дата обращения: 21.12.2019). 10. Эконометрика. Учебник / под ред. И. И. Елисеевой. М: Финансы и статистика, 2002. 344 с. 11. GrassbergerP., ProcacciaI. Characterization of strange attractors // Phys. Rev. Lett. 1983.Vol. 50. P. 346–349. 12. Старченкова К. С., Манило Л. А. Оценка размерности вложения аттракторов ритмограмм для разных видов сердечных аритмий. 74-я Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио, сборник трудов. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 13. Benettin G., Galgani L., et al. Lyapunov characteristic exponents for smooth dynamical systems and for Hamiltonian systems: a method for computing all of them // Meccanica. 1980. V. 15. P. 9–30. 14. Wolf A., Swift J. B., et al. Determining Lyapunov exponents from a time series // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1985. No. 16 (3). P. 285–317.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Старченкова Карина Смбатовна, аспирант, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5, e-mail: karinasmbatovna@gmail.com. Манило Людмила Алексеевна, д. т. н., профессор, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5, e-mail: lmanilo@yandex.ru.

For citation: Starchenkova K. S., Manilo L. A. Using a senior Lyapunov exponent to recognize biomedical signals. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 23–29. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-23-29 K. S. Starchenkova, L. A. Manilo

USING A SENIOR LYAPUNOV EXPONENT TO RECOGNIZE BIOMEDICAL SIGNALS The article considers the actual problem of analysis of biosignals with chaotic properties. Its solution is important for the recognition of various signals associated with a change in the functional state of the patient during continuous observation. The paper considers the possibility of recognizing atrial fibrillation of rhythmogram signals and anesthesia levels by EEG signals using Lyapunov indicators. The initial data are heart rhythm signals with a duration of 300 cardiocycles and five-second EEG signals. The work shows that the senior Lyapunov indicator allows one to recognize atrial fibrillation against the background of normal rhythm signals and frequent extrasystole, as well as the stage of anesthesia by the EEG signal. The developed algorithm is intended for medical computer systems and is implemented in the MATLAB software environment. Keywords: heart rhythm, anesthesia, false nearest neighbors method, correlation dimension

REFERENCES 1. Ronix Systems. Heart rate variability. Available at: http://www.kardi.ru/en/index/Article?&ViewType=view&Id=37 (accessed 21.12.2019). 2. VitalScan. The physiological basis of heart rate variability (HRV). Available at: http: // http://www.vitalscan.ru/dt_hrv1_ru.htm (accessed 21.12.2019). 3. Babunts I. V., Mirajanyan E. M., Mashaekh Yu. A. Azbuka analiza variabelnosti serdechnogo ritma [Alphabet of heart rate variability analysis]. Stavropol, 2002, 112 p. (In Russian).

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиоэлектроника в медицине 4. Al-Khuleidi N. A. Sistema obrabotki i neirosetevogo analiza bioelektricheskikh signalov dlya resheniya zadach meditsinskoi diagnostiki [A system for processing and neural network analysis of bioelectric signals for solving problems of medical diagnostics]. Dis. kand. tekhn. nauk [dissertation]. Vladimir, 2014, 150 p. (In Russian). 5. Antipov O. I., Zakharov V. A., Neganov V. A. Features of the application of fractal measures of determinate chaos to automated recognition of sleep stages during polysomnography. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy, 2012, vol. 15, no. 3, pp. 101–109. (In Russian). 6. Antipov O. I., Nagornaya M. Yu. Hurst indicator of bioelectric signals. Infokommunikatsionnye tekhnologii, 2011, no. 1 (9), pp. 75–77. (In Russian). 7. Khachatryan K. S., Manilo L. A. The method of analysis of a pseudophase portrait in the problem of recognition of biomedical signals. Biotekhnosfera, 2016, no. 5 (47), pp. 14–18. (In Russian). 8. Starchenkova K. S., Manilo L. A. Evaluation of the entropy of rhythmograms for different types of cardiac arrhythmias. (Conference proceedings) BIOMEDIS SYSTEMS-2019. Ryazan, RGRTU, 2019, pp. 206–209. (In Russian). 9. MIT-BIH Database Distribution. Available at: http://ecg.mit.edu(accessed 21.12.2019). 10. Eliseeva I. I., editor. Ekonometrika. Uchebnik [Econometrics. Textbook]. Moscow, Finansy i statistika Publ., 2002, 344 p. (In Russian). 11. Grassberger P., Procaccia I. Characterization of strange attractors. Phys. Rev. Lett., 1983, vol. 50, pp. 346–349. 12. Starchenkova K. S., Manilo L. A. Estimation of the dimension of the attachment of attractors of rhythmograms for different types of cardiac arrhythmias. (Conference proceedings) 74-ya Vserossiiskaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya, posvyashchennaya Dnyu radio. Saint-Petersburg, ETU «LETI», 2019. (In Russian). 13. Benettin G., Galgani L., et al. Lyapunov characteristic exponents for smooth dynamical systems and for Hamiltonian systems: a method for computing all of them. Meccanica, 1980, vol. 15, pp. 9–30. 14. Wolf A., Swift J. B., et al. Determining Lyapunov exponents from a time series. Physica D: Nonlinear Phenomena, 1985, no. 16 (3), pp. 285–317.

AUTHORS Starchenkova Karina, post-graduate student, Saint-Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof. Popov St., SaintPetersburg, 197376, Russian Federation, e-mail: karinasmbatovna@gmail.com. Manilo Lyudmila, D. Sc., professor, Saint-Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof. Popov St., Saint-Petersburg, 197376, Russian Federation, e-mail: lmanilo@yandex.ru.

vre.instel.ru

Автоматизированные системы управления Для цитирования: Назаревич С. А., Балашов В. М., Стовпец Ю. В. Информационно-управляющая модель системотехническими процессами // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 30–34. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-30-34 УДК 65.011

С. А. Назаревич1, В. М. Балашов2, Ю. В. Стовпец2 1 2

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ Создание синхронизированного производства возможно путем достижения пропорционального состояния обязательных составляющих технологии. Оперативная визуализация деятельности структурных подразделений и процессов позволит перейти от стационарных показателей результативности к ключевым показателям эффективности. Подобного рода переход характерен для предприятий, принимающих концепцию TQM, которая включает ориентацию как на внешнего, так и на внутреннего потребителя. Поэтому процессы визуализации оперативной деятельности должны иметь не только вертикальный характер для всей иерархической структуры управления современным предприятием, но и включать в себя реперы для контроллинга в непрерывных горизонтальных структурах. Результатом стремления к подобным решениям будет переход на систему запаздывающих и опережающих показателей, который позволит сформировать идеологическую основу для технологического рывка к созданию синхронизированного производства. Ключевые слова: синхронизированное производство, технология, инновационные технологии, качество, оценка качества

Введение Современный научно-технический уровень предприятия характеризуется степенью сложности применяемой технологии для производства основного продукта и складывается из потенциала традиционных составляющих: персонала, материалов, оборудования, факторов окружающей среды. Системотехнические процессы, формирующие научно-технический уровень предприятия, охватывают весь жизненный цикл продукции и должны соответствовать современному международному или межгосударственному уровню. Несомненно, изменения в нормативно-правовых и нормативно-технических базах, происходящие под влиянием Федерального закона «О техническом регулировании», обострили противоречия в существующей научно-технической парадигме. В частности, актуален вопрос: придерживаться ли новых требований к системотехническим процессам, включающим разработку, проектирование, производство, испытания и эксплуатацию производственных изделий, или политики согласования и актуализации требований международных и региональных партнеров, тем самым создавая нормативно-правовую коллизию. Следовательно, необходим адаптивный модуль оценки потенциала персонала [1], включающий контроль и мониторинг ключевых показателей эффективности 30

деятельности и способности восприятия и исполнения дрейфующих [2] требований национальных и международных рынков. Информационно-управляющая модель для синхронизированного производства Проблемы оценки персонала, а именно учета потенциала кадрового обеспечения, складываются из постоянной необходимости вести оперативный мониторинг деловой, интеллектуальной и технической активности специалистов и актуализации иерархической системы показателей оценки деятельности. Целью процессов оценки персонала является понимание степени вклада кадров в себестоимость производимой продукции, что составляет целый модуль для создания информационно-управляющей модели системотехническими процессами организации в радиоэлектронной отрасли. Оценка зависимости предприятий от поставок импортных комплектующих – от деталей и узлов до всей элементной базы в целом – формирует второй модуль, включающий обоснование необходимости приобретения импортной радиоэлектронной продукции. Модуль должен подкрепляться результатами анализа технического уровня [3, 4] и оценкой перспективности отечественной радиоэлектронной продукции на основе индексных показателей комплексного уровня качества [2].

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Автоматизированные системы управления С целью предотвращения завышения себестоимости производимого изделия следует обратиться к инструментам бережливого производства и создать на базе известного методического инструментария набор технико-технологических показателей, отражающих уровень технологической подготовки производства и готовности технологической линии к изменениям технических требований для производимых изделий. Известный инструментарий: карта потока создания ценности, SMED-методика, методика OEE [5]. Данный обобщающий оценку потенциала оборудования модуль включает набор показателей, характеризующих гибридный потенциал трудоемкости выполняемых персоналом работ и технологических возможностей оборудования. Для оценки факторов окружающей среды следует использовать методологию FMEA-анализа, а именно показатели приоритетного числа риска для технологических процессов, создающих ценность [6]. Таким образом, информационно-управляющая модель системотехническими процессами состоит из четырех модулей для оценок потенциала

персонала, импортозамещающего потенциала, загруженности оборудования и факторов внешней среды. Модули обеспечены весовыми коэффициентами, отражающими степень значимости компонента модели (рис.). В качестве основной методической платформы для учета динамики показателей можно использовать следующее выражение: 4

Qиум = ∑ qi n=1

Fфакт Fцель

где Qиум – обобщенный показатель информационно-управляющей модели; Fцель – планируемые целевые количественные значения параметров процесса; Fфакт – фактически достигнутые количественные значения в процессе. Важным аспектом синхронизации производственных структур является определенная применимость тех показателей качества, которые были выбраны для отражения оперативной деятельности исследуемого подразделения (табл.). Задачи выбора показателей качества или оперативных индикаторов требуют знания и опыта,

Информационно-управляющая модель

Персонал

Материалы

Оборудование

Среда

Показатели деятельности отделов

Показатели уровня импортозамещения

Показатели уровня технологичности процессов

Показатели риска

Визуализация оперативных индикаторов и показателей Рабочее место на линии

Участок, цех

Вертикальные структуры

Горизонтальные структуры

Рисунок. Структурная схема информационно-управляющей модели системотехническими процессами

Таблица. Пример применения показателей качества для отражения оперативной деятельности исследуемого подразделения

Процесс Управление несоответствующей продукцией

Показатель Максимально допустимое время на решение критических несоответствий

Ед. изм. 12 ч

Результат/критерий Устранение/неустранение негативного эффекта за 12 ч

Показатели KPI «Опережающие» показатели: • доля несоответствий, не взятых в работу в течение 2 часов, %; • доля непринятых решений по несоответствиям старше 1 дня, %; • доля несоответствий, перенаправленных на другого специалиста более трех раз, %; • среднее количество несоответствий на одного специалиста. vre.instel.ru

Автоматизированные системы управления а также навыков управления исследуемым процессом. Однако при наличии опытного управленца вполне возможно провести анализ нормативнотехнической документации, а именно локальных нормативных документов организации, представленных в виде положений отделов, для которых разрабатывается система показателей. В подобных документах должны отражаться цели и задачи отделов, ответственные процессы и весь функционал, который присутствует в структурном подразделении. Это основные регламентирующие требования системы менеджмента качества организации, поэтому главными элементами информационноуправляющей системы являются в первую очередь индикаторы и показатели всех модулей этой системы, отслеживающие достижимость целей и выполняемость задач в режиме реального времени. Однако существует и мнение, что система показателей имеет архаичный вид и все мониторинговые процессы отслеживающего характера учитывают только потенциал прошедших периодов, за которые были достигнуты соответствующие результаты. Однако на подобные показатели результативности очень сложно воздействовать, так как время той деятельности, результаты которой они отражают именно на текущий момент, уже прошло, следовательно, показатели результативности являются показателями проведенной многодневной работы. Конечно, такие показатели тоже нужны для адекватной оценки производительности процессов, вопрос только в их количестве. В источниках, описывающих методологию системы сбалансированных показателей, представлен ряд концепций. Например, Нортон и Каплан считают, что двадцати ключевых показателей эффективности достаточно для отслеживания процессов; Дэвид Парментер предлагает соотношение 10/80/10 для ключевых показателей результативности, производственных показателей и ключевых показателей эффективности; мнение современных экспертов тоже близко к этому диапазону – 15/70/15. Конечно, решение о внедрении подобной системы – это определенный репер на пути к созданию синхронизированного производства, результатом которого будет снижение брака во всех подразделениях и отсутствие поводов к переделкам. Так как большинство дефектов, возникающих при создании продукции, нарушает ритм производственных процессов и служит причиной потерь при производстве, планировании, регулировании производственных процессов, в рамках достижения состояния синхронизированного производства абсолютно недопустим процент брака, который считается приемлемым на многих предприятиях: количество переделок или повторной обработки нужно сокращать, а также серьезно уменьшать действительный 32

процент брака. При внедрении идеологии синхронизированного производства можно достичь таких показателей, как 1% брака от общего числа в партии и до 10 дефектных изделий на партию в миллион штук. И таких показателей можно добиться за год-полтора. Однако приступать к внедрению системы синхронизированного производства нужно через достижение четко определенных целей: сокращение производственного цикла на порядок; снижение процента брака и повторной обработки; увеличение производительности труда на 100%. Конечно, это более чем амбициозные цели, и для их достижения необходимо четкое и технологичное основание в виде отработанных производственных мощностей, стабильных технологических процессов и компетентного персонала. Первым этапом на пути создания синхронизированного производства должно стать внедрение информационно-управляющей модели системотехническими процессами, включающей адаптивные модули контроля ключевых видов деятельности в режиме реального времени. Каждый из модулей содержит иерархические показатели в виде количественных значений, отражающих текущую оперативную деятельность подразделения или процесса. Однако особенностью данной модели является не только оперативная визуализация текущих индикаторов и показателей деятельности подразделений или процессов [7], а также переход ответственности по процессной цепочке, соблюдая регламентированный формат для успешной передачи объекта преобразования в рамках всей производственной системы. Следовательно, локальной новизной обладает следующее организационно-техническое решение – создание оперативных реперных визуализаций на рабочих местах, участках в цехах, включающих как горизонтальные структуры, так и вертикальные департаменты. Под горизонтальными структурами понимается основная линейная деятельность производственной системы, создающей ценность в виде производственного продукта или услуги. С точки зрения понятий TQM (Total Quality Management) [8] упрощенный формат взаимодействия между структурами, регламентирующий передачу ответственности за объект преобразования по цепочке процессов, является непрерывной линейной горизонтальной структурой со сломанными межпроцессными барьерами. Данный формат позволяет оптимизировать технологические процессы создания продукта и свести к минимуму издержки, связанные с избыточным документооборотом. Заключение Представленная информационно-управляющая модель для процессов жизненного цикла продукции

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Автоматизированные системы управления позволит принять обоснованное решение о формировании комплексной информационной платформы для визуализации оперативных данных, получаемых от структурных подразделений. Следующим этапом должно быть внедрение системы запаздывающих и опережающих показателей как результат

процессной реструктуризации на базе информационно-управляющей модели интеграции, которое и позволит произвести технологический рывок к системе синхронизированного производства, создавая предпосылки для совершенствования менеджмента функциональных уровней.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Оценка уровня требований к ключевым компетенциям предприятий в условиях цифровой экономики / А. М. Батьковский, П. А. Калачихин, Ю. Ф. Тельнов, А. В. Фомина // Радиопромышленность. 2019. Т. 29. № 3. С. 91–99. 2. Оценка качества дрейфующих моделей базовых структур инновационных технологий / С. А. Назаревич, В. М. Балашов, А. Ю. Гулевитский, А. В. Чабаненко // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 10. С. 109–114. 3. ГОСТ 2.116–84. ЕСКД. Карта технического уровня и качества продукции. М.: Стандартинформ, 2007. 17 c. 4. Батьковский А. М. Параметры функционирования высокотехнологичного предприятия // Теоретические и прикладные аспекты современной науки. 2015. № 7–8. С. 23–25. 5. Абрамова И. Г. Анализ показателя общей эффективности технологического оборудования «OEE» на основе показателей оценки рабочего времени, используемых в российской практике // Инновационные технологии в машиностроении. Сборник трудов X Международной научно-практической конференции. 2019. С. 279–284. 6. Artjuhova M. A., Balashov V. M., Semenova E. G., Nazarevich S. A. Quality of aerospace equipment production analysis // IOP Conference Series: Materials science and engineering international workshop «Advanced technologies in material science, mechanical and automation engineering – MIP: Engineering – 2019». Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations, 2019. P. 32023. 7. Батьковский М. А., Батьковский А. М. Моделирование номенклатуры инновационной продукции, создаваемой предприятиями ОПК // Новая наука: Современное состояние и пути развития. 2016. № 8. С. 180–183. 8. Деминг У. Э. Выход из кризиса: новая парадигма управления людьми, системами и процессами. М.: Альпина Бизнес Букс, 2007. 417 c.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Назаревич Станислав Анатольевич, к. т. н., доцент, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: (812) 494-70-69, e-mail: albus87@inbox.ru. Балашов Виктор Михайлович, д. т. н., профессор, зам. генерального конструктора, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (812) 600-04-49, e-mail: balashov_vm@radar-mms.com. Стовпец Юлия Валерьевна, главный специалист, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, e-mail: stovpec_juv@radar-mms.com.

For citation: Nazarevich S. A., Balashov V. M., Stovpets Yu. V. Information management model for systems engineering processes. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 30–34. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-30-34 S. A. Nazarevich, V. M. Balashov, Yu. V. Stovpets

INFORMATION MANAGEMENT MODEL FOR SYSTEMS ENGINEERING PROCESSES The goal of synchronized production is achieved through a proportional state of the mandatory components of the technology. Operational visualization of the activities of structural units and processes will allow us to move from stationary performance indicators to key performance indexes. Such transition is typical for enterprises accepting the TQM concept that includes orientation either on external or on internal customer. That is why the processes of operational activity should have not only vertical character for the whole hierarchic management structure for modern enterprise but also include reference points for controlling of continuous horizontal structures. As a result will be transition to the system of delayed and leading indicators that allows to create an ideological basis for the technological breakthrough to create of synchronized production. Keywords: synchronized production, technology, innovative technologies, quality, model, quality assessment

REFERENCES 1. Batkovsky A. M., Kalachikhin P. A., Telnov Yu. F., Fomina A. V. Assessment of the level of requirements for key competencies of enterprises in the digital economy. Radio industry (Russia), 2019, vol. 29, no. 3, pp. 91–99. (In Russian). 2. Nazarevich S. A., Balashov V. M., Gulevitsky A. Yu., Chabanenko A. V. Quality assessment of drifting models of the basic structures of innovative technologies. Issues of radio electronics, 2018, no. 10, pp. 109–114. (In Russian). 3. GOST 2.116–84. Product technical level and quality map. Moscow, Standartinform Publ., 2007, 17 p. (In Russian). 4. Batkovsky A. M. The functioning parameters of a high-tech enterprise. Teoreticheskie i prikladnye aspekty sovremennoi nauki, 2015, no. 7–8, pp. 23–25. (In Russian).

vre.instel.ru

Автоматизированные системы управления 5. Abramova I. G. The analysis of the indicator of the overall efficiency of the OEE technological equipment on the basis of the working time assessment indicators used in Russian practice. (Conference proceedings) Innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii, 2019, pp. 279–284. (In Russian). 6. Artjuhova M. A., Balashov V. M., Semenova E. G., Nazarevich S. A. Quality of aerospace equipment production analysis. IOP Conference Series: Materials science and engineering international workshop «Advanced technologies in material science, mechanical and automation engineering – MIP: Engineering – 2019». Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations, 2019, p. 32023. 7. Batkovsky M. A., Batkovsky A. M. Modeling the range of innovative products created by the enterprises of the defense industry. Novaya nauka: Sovremennoe sostoyanie i puti razvitiya, 2016, no. 8, pp. 180–183. (In Russian). 8. Deming W. E. Out of the crisis. MIT Press, 2000, 524 p.

AUTHORS Nazarevich Stanislav, Ph. D., associate professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (812) 494-70-69, e-mail: albus87@inbox.ru. Balashov Victor, D. Sc., professor, deputy general designer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., SaintPetersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (812) 600-04-49, e-mail: balashov_vm@radar-mms.com. Stovpets Yulia, principal specialist, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, e-mail: stovpec_juv@radar-mms.com.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Прикладные проблемы информационных технологий Для цитирования: Витомский Е. В., Сомов Д. Н. Методы защиты локальной беспроводной сети, направленные на обеспечение временной скрытности сигналов и структуры информационного взаимодействия // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 35–40. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-35-40 УДК 004:056

Е. В. Витомский1, Д. Н. Сомов1 1

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ЛОКАЛЬНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ СКРЫТНОСТИ СИГНАЛОВ И СТРУКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Работа посвящена проблеме безопасности беспроводных локальных сетей. Известно, что против ряда типовых атак самые распространенные сети стандарта IEEE 802.11 плохо защищены. Разрешить эту проблему с помощью штатного программного обеспечения беспроводных устройств получается недостаточно эффективно, а против некоторых атак не представляется возможным. Одной из причин, затрудняющих решение данной проблемы, является низкий уровень временной и пространственной скрытности работы стандартной беспроводной сети. На основе анализа распространенных атак на Wi-Fi-сети разработаны оригинальные методы защиты, учитывающие данный аспект. Разработанные методы воплощены в реальном устройстве. Методы защиты реализованы путем незначительной модификации штатного программного обеспечения устройства, имеющего открытую аппаратную платформу. С участием этого устройства был проведен эксперимент, подтвердивший возможность развертывания локальной беспроводной сети, защищенной с использованием методов, предлагающихся в данной работе. Ключевые слова: беспроводные сети, инфокоммуникации, информационная безопасность, протоколы, методы защиты

Введение В настоящее время локальные беспроводные сети используются как в домах, так и в торговых центрах, промышленности, офисных зданиях и государственных организациях [1, 2]. Реализуются как публичные, открытые сети, так и закрытые, приватные сети для ограниченного круга пользователей (клиентов). Однако существующих методов защиты локальных беспроводных сетей стандарта Wi-Fi, которые описаны в серии стандартов IEEE 802.11 [3], бывает недостаточно. В организациях, работающих с конфиденциальной информацией, утечка данных из сети – недопустимое событие. Локальные беспроводные сети, развернутые внутри таких организаций, должны быть хорошо защищенными от несанкционированного доступа и отказоустойчивыми. Таким образом, актуальны потребности в анализе уровня защищенности сетей, построенных согласно существующим стандартам, а также в анализе основных уязвимостей таких сетей и типичных атак, проводимых против них. Некоторые производители беспроводных устройств реализуют в своих продуктах варианты защиты от ряда известных атак. Однако в открытых источниках нет vre.instel.ru

достоверной информации о методах, способах реализации и оценках эффективности таких устройств. Анализ атак, обусловленных недостаточными уровнями пространственной и временной скрытности работы беспроводной локальной сети Типичная локальная беспроводная сеть состоит из клиентов, оснащенных радиомодулем Wi-Fi, и беспроводной точки доступа. Точка доступа, согласно существующим стандартам, постоянно показывает свое присутствие в сети отсылкой так называемых beacon-пакетов. Эти служебные пакеты содержат данные о режимах и качестве обслуживания в сети точки доступа, уровне сигнала, а также информируют клиента, что рядом имеется такая точка доступа, передают ее название и МАС-адрес. Согласно стандарту 802.11, считается, что наличие beacon-пакетов в радиоэфире позволяет клиентам и другим устройствам, работающим в одном радиоканале, обнаружить корректно работающие точки доступа. При этом не соблюдается временная скрытность точки доступа [4] – ее можно обнаружить в любое время с момента включения и до выключения излучения. 35

Прикладные проблемы информационных технологий Также по умолчанию беспроводная точка доступа не делает различий между клиентами по уровню их сигнала, и вещание происходит на одинаковой мощности, зачастую избыточной. Частично данная ситуация исправляется ручной корректировкой мощности, но невозможно учесть нужды всех клиентов беспроводной сети, тем более, что клиенты могут перемещаться относительно точки доступа, и в некоторый момент времени мощности отрегулированной точки доступа будет не хватать для поддержания соединения с ними. Динамическое ограничение по сигналу вещания для каждого из клиентов было бы необходимым и достаточным для обеспечения пространственной скрытности точки доступа, но такой функционал, согласно стандарту, не реализован в протоколах 802.11. Постоянство уровня сигнала работающей точки доступа позволяет злоумышленнику иметь больше возможностей по размещению устройств для обнаружения и атаки беспроводных сетей [4]. Авторами был проведен анализ атак, направленных на беспроводные локальные сети, требующих для успешной реализации предварительного получения информации о клиентах и точках доступа в составе сети. Рассмотрим атаки, которые могут быть осуществлены в локальных беспроводных сетях при отсутствии достаточной пространственной и временной скрытности сигналов. Первый тип – атака типа «отказ в обслуживании». Перехваченные в радиоэфире beacon-пакеты могут дать злоумышленнику достаточно информации о беспроводной точке доступа поблизости и качестве ее сигнала. Тем более, что beacon-пакеты передаются всегда, когда беспроводная точка доступа активна – данное поведение четко регламентировано спецификацией IEEE 802.11. Этот факт делает beacon-пакеты самым опасным фактором нарушения временной и – косвенно – пространственной скрытности устройства в радиоэфире. С использованием специализированных средств, таких как Wi-Fi-адаптеры с более качественными антеннами и высокими параметрами чувствительности приемника (мощности передатчика), способные производить прослушивание эфира, а также специальных утилит для работы с подобными беспроводными адаптерами, достаточно перехватить несколько beacon-пакетов, после чего атака типа «отказ в обслуживании» становится возможной, поскольку хорошо известны параметры точки доступа. При воздействии данной атаки точка доступа становится не способна обслуживать легитимных клиентов или ее пропускная способность значительно снижается [5]. Второй тип – атака типа «спуфинг»: подмена легитимной точки доступа с использованием специализированных средств. Перехват beacon-пакетов 36

или пакетов probe response позволяет узнать подробную информацию о перспективах взаимодействия беспроводной точки доступа с клиентами сети по радиоканалу. Клиенты сканируют сеть, используя пакеты probe request, запрашивая подтверждение на подключение у активных точек доступа в радиусе радиовидимости. Точки доступа должны всегда отвечать пакетами probe response, даже если адрес назначения пакета probe request был широковещательным, т. е. пакет не предназначался именно данной точке доступа. Такое поведение также предустановлено спецификацией. К сожалению, при этом злоумышленнику довольно легко узнать данные точки доступа, с которой пытается общаться клиент, а именно ее идентификатор SSID и MAC-адрес, и с помощью особых утилит сделать так, чтобы его Wi-Fi-адаптер, с точки зрения клиентов сети, стал той беспроводной точкой доступа, пакеты которой были перехвачены. Активность точки доступа подавляется направленной атакой типа «отказ в обслуживании». Таким образом, происходит «подмена» легитимной точки доступа на устройство злоумышленника [6]. Третий тип – несанкционированный доступ в беспроводную сеть. Данная атака может быть следствием перехвата вышеупомянутых beaconпакетов, слежением за диалогами точек доступа и клиентов и, наконец, перехватом так называемого 4-way handshake – особой последовательности пакетов, которая пересылается в радиоканале при аутентификации клиента в беспроводной сети. Данная последовательность содержит пароль от беспроводной сети в виде hash-кода. Успешная расшифровка возможна только в том случае, если вся последовательность из четырех пакетов будет перехвачена корректно и желательно несколько раз [7]. Это условие для атаки на хешфункцию парольной фразы обычно легко выполнимо, поскольку зона с высоким уровнем сигналов сети жертвы обладает достаточным постоянством во времени и пространстве, чтобы злоумышленник мог надежно захватить пакеты аутентификации при каждой попытке подключения клиента к точке доступа, находясь достаточно далеко от устройств. Выявление факторов недостаточной пространственной и временной скрытности работы беспроводной сети Представленные выше результаты анализа атак, обусловленных легкостью перехвата в радиоэфире пакетов клиентов и точки доступа, указывают на недостаточную скрытность этих устройств и заставляют задуматься о нескольких факторах передачи пакетов. Необходимо учитывать, как минимум, три нижеприведенных аспекта для обеспечения скрытности локальной беспроводной сети.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Прикладные проблемы информационных технологий Во-первых, в беспроводной локальной сети не должно быть избыточных пакетов, однозначно демаскирующих присутствие беспроводной точки доступа. К ним относятся в первую очередь beaconпакеты точки доступа, а также пакеты probe response, которые точка доступа отправляет как ответы на пакеты probe request от любых клиентов [8, 9]. Во-вторых, в беспроводной локальной сети необходимо иметь возможность защищаться от атак, которые являются достаточно простыми по своей организации, но разрушительными по воздействию на процесс передачи данных в сети. К ним относится, например, атака типа «отказ в обслуживании» с помощью отправки пакетов деаутентификации. Сложно представить себе ситуацию, при которой требуется отключить клиентов от точки доступа ничем не защищенной командой, передаваемой именно по беспроводному каналу. В-третьих, в беспроводной локальной сети необходимо ограничивать мощность радиоизлучения, которая используется при отправке пакетов, чтобы наличие сети не было заметно за пределами некоторого пространства, внутри которого гарантированно не может быть злоумышленника, который бы смог подслушать трафик и провести на его основе атаку. Пакеты аутентификации и ассоциации не должны передаваться сигналами с избыточной мощностью, так как они содержат важную информацию, такую как хеш-функции парольной фразы. Метод повышения временной скрытности работы беспроводной точки доступа. Ограниченная отправка широковещательных пакетов Пусть имеется точка доступа в беспроводной локальной сети и несколько клиентов. Клиентам заранее известно, что данная точка доступа существует. Список адресов клиентов – так называемый «список доверенных клиентов» – известен точке доступа (со временем может изменяться). Метод защиты заключается в том, чтобы после включения работающая точка доступа не отправляла beacon-пакеты в радиоэфир ни в одном из каналов. При этом входящий поток managementпакетов просматривается точкой доступа. Режим работы клиентов может не отличаться от определенного стандартной спецификацией 802.11. В частности, клиенты имеют право производить активное сканирование сети на различных каналах. Точка доступа постоянно фильтрует пакеты probe request во входящем потоке, которые являются следствием активного сканирования, запускаемого клиентами. У данных пакетов точка доступа проверяет адрес отправителя. Если адрес совпадает с одним из представленных в списке доверенных клиентов, точка доступа начинает vre.instel.ru

отправку beacon-пакетов. Сеанс отправки beaconпакетов ограничен по времени, достаточному для того, чтобы доверенный клиент смог обнаружить присутствие точки доступа. Таким образом, клиент способен увидеть точку доступа после того, как произвел активное сканирование сети, и выполнить подключение к ней. Спустя короткий промежуток времени точка доступа отключает отправку beacon-пакетов. Непрекращающаяся отправка beacon-пакетов – это главный демаскирующий фактор для точки доступа в локальной беспроводной сети [4]. При этом, чтобы обнаружить стандартную Wi-Fi-точку доступа по beacon-пакетам, злоумышленнику необязательно осуществлять какую-либо активность в данной сети. Рассмотренный же метод защиты может обеспечить практически идеальную временную скрытность точки доступа в периоды отсутствия клиентов. Метод ограничения доступа недоверенных клиентов к ресурсам точки доступа. Фильтрация входящих пакетов по списку разрешенных адресов Стандартная точка доступа всегда отвечает пакетом probe response каждому клиенту, который выполняет активное сканирование сети, то есть отправляет пакеты probe request. Метод защиты заключается в том, что на точке доступа так же, как и в предыдущем варианте защиты, имеется список адресов доверенных клиентов сети и производится сканирование входящего потока managementпакетов. При обнаружении во входящем потоке пакета probe request точка доступа обязана проверить его отправителя. Если это не клиент из списка доверенных клиентов, то ответная отправка пакета probe response не производится. Данный вариант метода защиты является отличным дополнением к способу повышения скрытности с помощью ограничения отправки beacon-пакетов. Был проведен анализ, результаты которого показали, что некоторые продвинутые клиенты (не говоря о специализированном программном обеспечении, которое используют сканеры сети Wi-Fi) отображают точку доступа в списке доступных даже в том случае, когда она не отправляет beaconпакеты в радиоэфир беспроводной локальной сети. Конечно, это означает, что злоумышленнику придется проявить некоторую активность в сети, иными словами, осуществить активное сканирование, что выдаст его присутствие поблизости, однако раскрытия точки доступа в таком случае можно избежать, применив предлагаемый метод защиты. Также стоит упомянуть, что фильтрацию входящих пакетов probe request можно реализовать на уровне драйвера устройства, так как 37

Прикладные проблемы информационных технологий фильтруемые пакеты принадлежат канальному уровню семиуровневой модели OSI [10], в то время как большинство утилит, которые обеспечивают в современных беспроводных точках доступа встроенную функциональность фильтрации по МАСадресам клиентов, функционируют на седьмом уровне модели OSI – уровне приложений, что делает их гораздо менее эффективными на фоне фильтра канального уровня. Таким образом, экономится значительное количество процессорного времени точки доступа, что косвенно повышает качество обслуживания и снижает энергозатраты. Метод защиты от DoS-атак Как указывалось выше, самый простой способ вывести локальную беспроводную сеть из строя – начать продолжительную атаку типа «отказ в обслуживании», основанную на отправке бесконечного потока пакетов деаутентификации и/или деавторизации. Результатом является, во-первых, обрыв сеансов связи между легитимными клиентами и точками доступа, во-вторых – засорение радиоэфира и снижение качества обслуживания. Метод защиты заключается в том, что все стандартные пакеты деаутентификации и деавторизации игнорируются, не признаются легитимными. Команды на прекращение сеанса между точкой доступа и клиентом, если это необходимо, могут передаваться в data-пакетах только после установленного сеанса связи, вследствие чего они будут защищены шифрованием с помощью стандартных механизмов (например, парольной фразы, которую используют клиент и точка доступа Wi-Fi во время ассоциации и аутентификации). Следовательно, атака типа «отказ в обслуживании» с помощью отправки пакетов деаутентификации и деавторизации становится полностью невозможной. Результаты экспериментов Эксперимент по подтверждению эффективности и достоверности вышеприведенных методов заключался в построении макета беспроводной локальной сети с использованием беспроводной точки доступа, в прошивке которой были реализованы вышеупомянутые модификации. За основу была взята прошивка (программный продукт) с открытым исходным кодом и платформа – сетевое устройство, на которую возможно устанавливать подобные программные продукты. После внедрения модификаций и установки прошивки на платформу (точку доступа) она была протестирована путем включения в макет локальной беспроводной сети, состоящий, помимо точки доступа, из двух клиентских терминалов. Одно из двух устройств играло роль доверенного клиента, второе – недоверенного, т. е. 38

злоумышленника. Следует заметить, что модификация ПО или платформы клиентов не проводилась. Ниже приведены результаты тестирования точки доступа с модифицированной прошивкой. Тестирование метода «Ограниченная отправка широковещательных пакетов» проведено для двух состояний: доверенный клиент отсутствует в радиусе видимости точки доступа; доверенный клиент присутствует в ее радиусе видимости. В первом варианте было замечено, что, хотя отправка широковещательных пакетов и ограничена, недоверенное устройство могло обнаружить точку доступа только путем активного сканирования. Во второй фазе точка доступа успешно обнаружила доверенного клиента, как только он провел активное сканирование сети, и сопряжение доверенного устройства и точки доступа прошло успешно. Тестирование метода «Фильтрация входящих пакетов по списку разрешенных адресов» проводилось для тех же двух вариантов состояний совместно с ограниченной отправкой широковещательных пакетов. При отсутствии доверенного клиента в сети недоверенному клиенту не удалось обнаружить точку доступа даже путем активного сканирования сети. К тому же точка доступа оставалась невидимой даже для специализированной аппаратуры (Wi-Fi-адаптеров, способных переходить в режим мониторинга сети). При появлении доверенного клиента обнаружение и сопряжение проходили успешно, однако, после истечения времени отправки широковещательных пакетов на точке доступа недоверенный клиент снова не мог обнаружить точку доступа, так как доверенный клиент больше не запрашивал активное сканирование сети. Это доказывает эффективность совместного использования первых двух методов повышения защищенности. При тестировании метода защиты от DoS-атак для проведения атаки использовались наиболее распространенные инструменты, такие как утилита aireplay-ng с флагом «-0» (режим деаутентификации). В ходе проведения эксперимента было отмечено, что данная утилита воздействует как на саму точку доступа, так и на ее клиентов. Поэтому хотя на точке доступа и было включено игнорирование фреймов деаутентификации, атака на устройство вызвала отключение всех клиентов, так как им были также отправлены пакеты деаутентификации. На основании данного результата можно сделать вывод, что данный метод способен защитить точку доступа от атак DoS, осуществляемых путем отправки пакетов деаутентификации и деавторизации. Заключение Представленные методы защиты беспроводных устройств разработаны против основных

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Прикладные проблемы информационных технологий уязвимостей и типичных атак в сетях, построенных согласно спецификациям IEEE 802.11. Они достаточно просто реализуемы на базе открытых аппаратных платформ [11], имеющих в своем составе стандартные адаптеры Wi-Fi, путем небольших модификаций программного обеспечения этих устройств, что подтверждается экспериментально. Еще одним достоинством представленных методов является то, что они могут быть реализованы только на точке доступа, т. е. не нарушают совместимость со штатным оборудованием и программным

обеспечением клиентских устройств. На данный момент реализованы первые два метода и частично третий (ограниченная отправка широковещательных пакетов, фильтрация входящих пакетов по списку разрешенных адресов, игнорирование пакетов деаутентификации и деавторизации). Эксперимент с устройством с модифицированным программным обеспечением показал, что производительность беспроводной сети и скорость подключения клиентов в условиях вышеописанных трех типов атак практически не изменялась.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Беспроводные локальные сети в системах промышленной автоматизации [Электронный ресурс]. URL: https://www. bookasutp.ru/Chapter2_11_1.aspx (дата обращения: 06.02.2020). 2. Беспроводные локальные сети Wi-Fi: предназначение и виды [Электронный ресурс]. URL: https://www.sviaz-expo.ru/ ru/articles/besprovodnye-lokalnye-seti-wifi (дата обращения: 22.01.2020). 3. IEEE802.11–1999. IEEE Standard for Information technology [Электронный ресурс]. URL: https://standards.ieee.org/ standard/802_11–1999.html (дата обращения: 21.01.2020). 4. Смирнова Е. В., Пролетарский А. В. и др. Технологии современных беспроводных сетей Wi-Fi. Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. 448 c. 5. Mohit R. Python penetration testing essentials. 2nd ed. Birmingham, Packt Publishing, 2018. 230 p. 6. Schultz C. P., Perciaccante B. Kali Linux cookbook. 2nd ed. Birmingham, Packt Publishing, 2017. 440 p. 7. How to crack WPA/WPA2 [Электронный ресурс]. URL: https://www.aircrack-ng.org/doku.php?id=cracking_wpa (дата обращения: 21.01.2020). 8. WLAN probe request frame | Probe response frame [Электронный ресурс]. URL: https://www.rfwireless-world.com/ Terminology/WLAN-probe-request-and-response-frame.html (дата обращения: 21.01.2020). 9. Gast M. S. 802.11 wireless networks: the definitive guide. 2nd ed. Sebastopol, U.S., O’Reilly Media, 2009. 464 p. 10. Тхи Л. Л., Минь Д. Б. и др. Сетевая модель OSI // Научные исследования. 2017. № 1. С. 15–18. 11. OpenWRT | Wireless freedom [Электронный ресурс]. URL: https://openwrt.org (дата обращения: 21.01.2020).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Витомский Евгений Владиславович, старший преподаватель, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, тел.: 8 (916) 950-28-31, e-mail: euvit@ya.ru. Сомов Дмитрий Николаевич, студент магистратуры, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, тел.: 8 (905) 521-49-80, e-mail: 1000lop@gmail.com.

For citation: Vitomsky E. V., Somov D. N. Methods for protecting local wireless network aimed at providing temporary silency of signals and information interaction structure. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 35–40. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-35-40 E. V. Vitomsky, D. N. Somov

METHODS FOR PROTECTING LOCAL WIRELESS NETWORK AIMED AT PROVIDING TEMPORARY SILENCY OF SIGNALS AND INFORMATION INTERACTION STRUCTURE This work is devoted to the security problem of wireless local area networks. It is known that against a number of typical attacks, the most common IEEE802.11 networks are poorly protected. Existing ways of solving this problem with the help of regular wireless device software are not effective enough, and against some attacks, it is even not possible. One of the reasons, which complicates the solution of this problem, is low level of temporal and spatial security of modern wireless network. Based on the analysis of common attacks on Wi-Fi networks, original protection methods have been developed to consider this aspect. These methods were embodied in a real device. Protection methods are implemented by slightly modifying the standard software of the device having an open hardware platform. An experiment was carried out using this device, which confirmed the possibility of deploying a local wireless network which security was enhanced using the methods proposed in this paper. Keywords: wireless networks, info-communications, information security, protocols, protection methods

REFERENCES 1. Wireless LANs in industrial automation systems. Available at: https://www.bookasutp.ru/Chapter2_11_1.aspx (accessed 06.02.2020).

vre.instel.ru

Прикладные проблемы информационных технологий 2. Wireless Wi-Fi local networks: purpose and types. Available at: https://www.sviaz-expo.ru/ru/articles/besprovodnye-lokalnyeseti-wifi (accessed 22.01.2020). 3. IEEE802.11–1999. IEEE Standard for Information technology. Available at: https://standards.ieee.org/standard/802_11–1999. html (accessed 21.01.2020). 4. Smirnova E. V., Proletarsky A. V., et al. Tekhnologii sovremennykh besprovodnykh setei Wi-Fi [Technologies of modern wireless Wi-Fi networks]. Moscow, BMSTU Publ., 2017, 448 p. (In Russian). 5. Mohit R. Python penetration testing essentials. 2nd ed. Mohit. Birmingham, UK: Packt Publishing, 2018, 230 p. 6. Schultz C. P., Perciaccante B. Kali Linux cookbook. 2nd ed. Birmingham, Packt Publ., 2017, 440 p. 7. How to crack WPA/WPA2. Available at: https://www.aircrack-ng.org/doku.php?id=cracking_wpa (accessed 21.01.2020). 8. WLAN probe request frame | Probe response frame. Available at: https://www.rfwireless-world.com/Terminology/WLANprobe-request-and-response-frame.html (accessed 21.01.2020). 9. Gast M. S. 802.11 wireless networks: the definitive guide. 2nd ed. Sebastopol, U.S., O’Reilly Media, 2009, 464 p. 10. Thi L. L., Min D. B. et al. OSI network model. Nauchnye issledovaniya, 2017, no. 1, pp. 15–18. (In Russian). 11. OpenWRT | Wireless freedom. Available at: https://openwrt.org (accessed 21.01.2020).

AUTHORS Vitomsky Evgeny, senior lecturer, Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, tel.: +7 (916) 950-28-31, e-mail: euvit@ya.ru. Somov Dmitriy, graduate student, Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, tel.: +7 (905) 521-49-80, e-mail: 1000lop@gmail.com.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Обработка сигналов Для цитирования: Шовкалюк А. П. Пространственно-временная обработка случайных полей сигналов в радиолокационных системах, использующих адаптивную архитектуру унифицированных алгоритмов и элементов // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 41–45. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-41-45 УДК 621.396.96

А. П. Шовкалюк1 1

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ОБРАБОТКА СЛУЧАЙНЫХ ПОЛЕЙ СИГНАЛОВ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ АДАПТИВНУЮ АРХИТЕКТУРУ УНИФИЦИРОВАННЫХ АЛГОРИТМОВ И ЭЛЕМЕНТОВ Эффективность синтезируемых оптимальных алгоритмов обработки базируется на адекватности математической модели реальным явлениям, которые закладываются в математические модели полезного и мешающего сигналов. Основное и принципиальное отличие предлагаемого в статье подхода к разработке научно-методического аппарата пространственно-временной обработки случайных полей сигналов от известного заключается в статистической пространственной и временной оптимизации с исключением взаимного негативного влияния факторов друг на друга. Преимущество предлагаемого подхода состоит в том, что впервые становится возможным синтез с помощью решения статистических задач оптимизации на пространственном и временном этапах обработки. Использование кронекеро-тензорного произведения позволит заменить устаревшие алгоритмы обработки многомерных случайных принимаемых сигналов на более качественные и эффективные, учитывающие реально существующую случайность пространственных структур и удовлетворяющие современным требованиям практики. Ключевые слова: многоканальные радиотехнические системы, факторизация пространственно-временной обработки сигналов, повышение помехозащищенности, адаптивная обработка принятых сигналов

Введение Разнообразие способов постановки непреднамеренных и преднамеренных помех вызвало необходимость создания устройств защиты. Это привело к тому, что помехозащищенное радиооборудование усложнилось наличием большого количества устройств подавления помех, настроенных на компенсацию отдельных типов помеховых сигналов [1–5]. Появилась необходимость оптимизации группы устройств защиты. Но опыт эксплуатации существующего оборудования защиты от активных и пассивных радиопомех показал, что в некоторых случаях устранить воздействие помех с заданными требованиями качества эксплуатации радиооборудования невозможно [2, 6–10]. Принципы и алгоритмы обработки полезных сигналов на фоне помех в устройствах защиты от помех и их эффективность определяются достижениями современной теории пространственно-временной обработки сигналов [2–5, 11, 12]. Устройства vre.instel.ru

защиты от помех реализуются в рамках положений этой теории, в которой имеется ряд недостатков: •

•

• •

•

использование временного усреднения для получения статистических временных и пространственных характеристик, необходимых для реализации алгоритмов обработки в устройствах защиты от помех; отсутствие методов борьбы с мультипликативными помехами, модулирующими полезный сигнал; неслучайность пространственных параметров полей помех и антенных систем; пространственная статичность диаграммы направленности антенной системы и источников помех; отсутствие доказательности эргодичности случайных процессов, что соответствует адекватности статистического усреднения (по реализациям) временному; 41

Обработка сигналов •

•

бездоказательность предположения о нулевом среднем случайной помехи, из чего следует адекватность статистических функций – корреляции и ковариации; ошибочность при выводе отношения правдоподобия и, соответственно, алгоритмов пространственно-временной обработки полезных сигналов на фоне помех.

Эти недостатки теории пространственно-временной обработки повлекли за собой следующие последствия:

полезный сигнал, формируемый из пространственно-временного поля, дискретизируют по пространству и времени [2–7, 12]. При этом предполагается, что антенна согласована по поляризации с полем и можно не рассматривать поляризационные явления. Совокупность пространственных отсчетов образует векторную функцию времени, компоненты которой удобно пронумеровать и расположить в виде вектор-столбца [2–4]: Y T (t j ) = [Yi (t j )]T = [Y1 (t j ), Y2 (t j ),...,YM (t j )], i = 1, M , j = 1, L,

(1)

многообразие устройств защиты от помех, алгоритмы и принципы которых определяются временной структурой помехи; низкая эффективность устройств защиты от помех, использующих пространственную обработку в предположении детерминированности (неслучайности) пространственных параметров полей помехи антенных систем; отсутствие теоретических положений и практических методов борьбы с мультипликативными помехами; отсутствие теоретических положений и практических методов борьбы с комбинированными помехами, образованными переотражениями от пассивных помех излучений источников активных помех; низкая эффективность устройств помехозащиты в условиях сканирования диаграммы направленности антенной системы и движения источников помех; неоптимальность алгоритмов обработки в устройствах временной помехозащиты; неоптимальность пространственной обработки в условиях воздействия случайных полей помех.

где М – количество каналов пространственной дискретизации, которое зависит от соотношения шага дискретизации и размеров области дискретизации; j – временной отсчет (j-й момент времени); L – максимальная длина временных отсчетов. В результате пространственной дискретизации непрерывное поле аппроксимируется векторной функцией, что существенно облегчает решение различных математических задач, в том числе и задачи математического синтеза. В результате временной дискретизации пространственно-временного поля совокупность пространственных отсчетов образует вектор-столбец [2–6]:

Исходя из изложенного и как показывают результаты эксплуатации и экспериментальных исследований, полученные теоретические и практические результаты эффективности подавления помех существенно различаются, иногда в тысячи раз [11, 13]. Одним из путей устранения недостатков теории пространственно-временной обработки и дальнейшего ее развития является использование новых моделей пространственно-временного поля сигналов в факторизованном виде, что адекватно применительно к многоканальным радиотехническим системам с фазированными антенными решетками (ФАР) [11, 14–18].

где первый индекс – номер пространственного канала, а второй – размерность временной дискретизации. Этот результат хорошо известен и применяется с теми или иными предположениями. Достигнутое упрощение аналитических выражений, представляющее неразделяемые этапы пространственной и временной обработок в виде одной общей структуры, в настоящее время нельзя реализовать в многоканальных радиотехнических системах с ФАР, а попытки решить данную проблему методами линейной алгебры успеха не принесли [5–7]. Тогда начался поиск способов уменьшения объема вычислений, осуществляемых при обработке. Основной путь, который наметился в последнее время, – это переход к двухэтапной совместной пространственно-временной обработке, сохраняющей как ее физический смысл, так и снижающей объем

•

• •

Новая модель пространственно-временной обработки случайных полей сигналов В настоящее время в многоканальных радиотехнических системах с ФАР обрабатываемый 42

Yi T = [Yi (t j )]T = [Yi (t1 ), Yi (t2 ),...,Yi (t L )], i = 1, M , j = 1, L,

(2)

где i – пространственный отсчет (i-й номер пространственного канала). При пространственной (2) и временной дискретизациях принятый сигнал представляется блочным вектором [2–6]: Y T = [Yij ]T = [Y1L ,Y2L ,...,YML ], i = 1, M , j = 1, L,

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

(3)

Обработка сигналов вычислительных операций вследствие уменьшения размерности обрабатываемых величин [2]. Эта возможность реализуется в процессе двухэтапной совместной пространственно-временной обработки при факторизуемости пространственно-временных структур обрабатываемых процессов. Однако и это успеха не принесло. Математический аппарат линейной алгебры при решении задач разделения пространственной и временной обработок позволил рассматривать дискретизацию одного этапа при сохранении непрерывности на другом этапе или рассматривать отдельно дискретизацию принимаемого сигнала только на одном этапе: пространственном или временном [2]. В результате невыполнения реальной факторизации обрабатываемых полей сигналов в существующей теории пространственно-временной обработки при синтезе обнаружителей не учитываются флуктуации пространственных параметров антенных систем, принимаются детерминированными пространственные параметры сигналов, хотя в статистической теории антенн амплитудно-фазовые флуктуации пространственной структуры принимаемых сигналов связывают с условием распространения радиоволн [1]. Такой подход не дает уверенности в оптимальности синтезируемой обработки в целом. Однако применение математического аппарата кронекеро-тензорных произведений позволяет рассматривать временную и пространственную структуры обрабатываемых полей как вероятностные, что становится возможным при выполнении условий факторизации их пространственной и временной структур [11]. Такая факторизация возможна для сигналов, узкополосных в пространственно-временном смысле. Сигнал называется узкополосным в пространственно-временном смысле, если интервал корреляции (для детерминированных – длительность τс) существенно превышает интервал между моментами прихода между наиболее удаленными точками антенной системы [11]. Это условие можно записать в следующем виде τk >> ∆tmax.

(4)

Переходя к спектральному представлению, получим следующее условие пространственно-временной узкополосности ∆fk << 1/∆tmax = ∆fa,

(5)

где ∆fa – полоса пропускания антенны. Однако это условие при использовании известных моделей сигналов не позволило учесть флуктуации пространственных структур сигналов и заставило ограничиться случаем априорной неопределенности неслучайных пространственных структур. vre.instel.ru

Напротив, применение аппарата кронекеротензорного матричного произведения обусловило возможности учета всего спектра причин пространственно-временной априорной стохастической неопределенности. Итак, в зависимости от удовлетворения условиям (4) или (5) скалярное поле от точечного источника (аддитивной смеси полезного сигнала и помехи Y, только полезного сигнала S или только помехи N) в произвольной точке раскрыва антенной системы может быть факторизовано (разделено) на пространственную и временную структуры: T T Yανt = Yαν ⊗ YtT = [Yαν1 YtT ,Yαν2 YtT ,...,YανM YtT ];

YαT = [Yανi ], i = 1,M ; T Sαt = SαT ⊗StT = [Sα1StT , Sα2StT ,...,SαM StT ];

SαT = [Sαi ], i = 1,M ;

(6)

N Tνt = N Tν ⊗ N tT = [N ν1N tT , N ν2 N tT ,...,N νM N tT ]; N Tν = [N νi ], i = 1,M , где α – вектор известных параметров ожидаемого сигнала; ν – вектор параметров помехи; Yανi, Sαi, Nνi – пространственные дискреты на выходе i-го элемента антенной решетки, т. е. результат пространственной дискретизации скалярного поля; T Yαν , SαT , N Tν – вектор-столбцы пространственной структуры процессов при их пространственной дискретизации в антенных решетках с учетом пространственных параметров α и ν полезного сигнала, помехи и принимаемого сигнала соответственно; YtT , StT , N tT – вектор-столбцы временных структур полезного сигнала, помехи и принимаемого сигнала соответственно, описывающие соответствующие законы амплитудно-фазовой модуляции: YtT = [Yt1,Yt 2 ,...,YtL ]; StT = [St1,St 2 ,...,StL ]; N tT

(7)

= [N t1,N t 2 ,...,N tL ].

Здесь Yti, Sti, Nti – соответствующие временные дискреты. Заключение Представленные в виде кронекеро-тензорного произведения факторизованные обрабатываемые в многоканальных радиотехнических системах с ФАР поля позволят учитывать случайные пространственные составляющие и использовать в расчетах современный математический аппарат прямых матричных произведений, что значительно сократит объем выполняемых вычислений по сравнению с применяемым матричным аппаратом линейной алгебры и функционального анализа. Главное преимущество предлагаемого подхода состоит 43

Обработка сигналов в том, что впервые становится возможным синтез с помощью решения статистических задач оптимизации на пространственном и временном этапах обработки. Это позволит заменить устаревшие алгоритмы обработки многомерных случайных

принимаемых сигналов на более качественные и эффективные, учитывающие реально существующую случайность пространственных структур и удовлетворяющие современным требованиям военной науки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. М.: Советское радио, 1972. 464 с. 2. Радиолокационные системы: основы построения и теория. Справочник / под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007. 510 с. 3. Ширман Я. Д. Теоретические основы радиолокации. Харьков: ВИРТА, 1984. 410 с. 4. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с. 5. Алмазов В. Б., Манжос В. Н. Получение и обработка радиолокационной информации. Харьков: ВИРТА, 1985. 426 с. 6. Теория обнаружения сигналов / под ред. П. А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984. 440 с. 7. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М: Советское радио, 1976. 8. Проблемы антенной техники / под ред. Л. Д. Бахраха, Д. М. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. 368 с. 9. Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Советское радио, 1970. 384 с. 10. Шифрин Я. С., Должиков В. В. Статистический синтез линейной непрерывной антенны по заданной диаграмме направленности // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39. № 8–9. С. 1329–1335. 11. Гелесев А. И. Радиолокационные и радионавигационные системы. Введение в современную теорию. М.: ФВА РВСН, 2000. 12. Справочник по радиолокации / под ред. М. М. Сколника. М.: Техносфера, 2014. 13. Гелесев А. И., Гурский С. М., и др. Радиолокационные и радионавигационные системы. Способы борьбы с помехами. М.: ФВА РВСН, 1998. 14. Бахрах Л. Д. и др. Справочник по антенной технике. М.: ИПРЖР, 1997. Т 1. 256 c. 15. Гостюхин В. Л., Трусов В. Н., Гостюхин А. В. Активные фазированные антенные решетки. М.: Радиотехника, 2011. 304 с. 16. Великанов В. Д. и др. Радиотехнические системы в ракетной технике. М.: Воениздат, 1974. 340 с. 17. Нахмансон Г. С. Пространственно-временная обработка широкополосных сигналов. М.: Радиотехника, 2015 г. 255 с. 18. Ермолаев В. Т., Флаксман А. Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи. Нижний Новгород: ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2011. 368 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Шовкалюк Алексей Петрович, к. т. н., доцент, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, тел.: 8 (916) 449-42-74, e-mail: shovalex@yandex.ru.

For citation: Shovkalyuk A. P. Space-time processing of random fields of signals in radar-tracking systems using adaptive stricture of unified algorithms and elements. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 41–45. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-41-45 A. P. Shovkalyuk

SPACE-TIME PROCESSING OF RANDOM FIELDS OF SIGNALS IN RADAR-TRACKING SYSTEMS USING ADAPTIVE STRICTURE OF UNIFIED ALGORITHMS AND ELEMENTS The efficiency of synthesized optimum algorithms of processing of random fields of signals is based on adequacy of mathematical model to the real phenomena which lay the foundation in mathematical models of useful and hindered signals. The basic and principal difference of the prospective approach to the development of new theoretical positions of the scientific – methodical means of space-time processing of random fields of signals from the known one is statistical space and time optimization with exception of mutual negative influence to each other. The advantage of the proposed approach is that synthesis becomes possible for the first time by solving statistical optimization problems at the spatial and temporal stages of processing. The use of kronecker-tensor product will make it possible to replace obsolete algorithms for processing multidimensional random received signals with better and more efficient ones, taking into account the real randomness of spatial structures and satisfying modern requirements of military science. Keywords: multichannel radio engineering systems, factorization of spatio-temporal signal processing, increased noise immunity, adaptive processing of received signals

REFERENCES 1. Chernyi F. B. Rasprostranenie radiovoln [Propagation of radio waves]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1972, 464 p. (In Russian).

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Обработка сигналов 2. Shirman Ya. D., editor. Radiolokatsionnye sistemy: osnovy postroeniya i teoriya. Spravochnik [Radar systems: the basics of construction and theory. Handbook]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2007, 510 p. (In Russian). 3. Shirman Ya. D. Teoreticheskie osnovy radiolokatsii [Theoretical foundations of radar]. Kharkov, VIRTA Publ., 1984, 410 p. (In Russian). 4. Shirman Ya. D., Manzhos V. N. Teoriya i tekhnika obrabotki radiolokatsionnoi informatsii na fone pomekh [Theory and technique of processing radar information against a background of interference]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1981, 416 p. (In Russian). 5. Almazov V. B., Manzhos V. N. Poluchenie i obrabotka radiolokatsionnoi informatsii [Receiving and processing of radar information]. Kharkov, VIRTA Publ., 1985, 426 p. (In Russian). 6. Bakuta P. A., editor. Teoriya obnaruzheniya signalov [Theory of signal detection]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1984, 440 p. (In Russian). 7. Levin B. R. Teoreticheskie osnovy statisticheskoi radiotekhniki [Theoretical foundations of statistical radio engineering]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1976. (In Russian). 8. Bakhrakh L. D., Voskresensky D. M., editors. Problemy antennoi tekhniki [Problems of antenna technology]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1989, 368 p. (In Russian). 9. Shifrin Ya. S. Voprosy statisticheskoi teorii antenn [Questions of the statistical theory of antennas]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1970, 384 p. (In Russian). 10. Shifrin Ya. S., Dolzhikov V. V. Statistical synthesis of a continuous linear antenna according to a given radiation pattern. Radiotekhnika i elektronika, 1994, vol. 39, no. 8–9, pp. 1329–1335. (In Russian). 11. Gelesev A. I. Radiolokatsionnye i radionavigatsionnye sistemy. Vvedenie v sovremennuyu teoriyu [Radar and radio navigation systems. Introduction to modern theory]. Moscow, FVA RVSN Publ., 2000. (In Russian). 12. Skolnik M. Radar handbook. McGraw-Hill, 2008, 1328 p. 13. Gelesev A. I., Gurskii S. M., et al. Radiolokatsionnye i radionavigatsionnye sistemy. Sposoby borby s pomekhami [Radar and radio navigation systems. Ways to deal with interference]. Moscow, FVA RVSN Publ., 1998. (In Russian). 14. Bakhrakh L. D, et al. Spravochnik po antennoi tekhnike [Handbook of antenna technology]. Moscow, IPRZhR Publ., 1997, vol. 1, 256 p. (In Russian). 15. Gostyukhin V. L., Trusov V. N., Gostyukhin A. V. Aktivnye fazirovannye antennye reshetki [Active phased antenna arrays]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2011, 304 p. (In Russian). 16. Velikanov V. D., et al. Radiotekhnicheskie sistemy v raketnoi tekhnike [Radio engineering systems in rocket technology]. Moscow, Voenizdat Publ., 1974, 340 p. (In Russian). 17. Nachmanson G. S. Prostranstvenno-vremennaya obrabotka shirokopolosnykh signalov [Spatial-temporal processing of broadband signals]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2015, 255 p. (In Russian). 18. Ermolaev V. T., Flaksman A. G. Teoreticheskie osnovy obrabotki signalov v besprovodnykh sistemakh svyazi [Theoretical foundations of signal processing in wireless communication systems]. Nizhny Novgorod, Lobachevsky NNSU Publ., 2011, 368 p. (In Russian).

AUTHOR Shovkalyuk Aleksey, Ph. D., assistant professor, Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, tel.: +7 (916) 449-42-74, e-mail: shovalex@yandex.ru.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Вовасов В. Е., Сухарев Д. А. Исследование способа устранения влияния помеховой обстановки на работу навигационного приемника сигналов GPS с помощью сглаживания измерений псевдодальности приращением псевдофаз // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. С. 46–53. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-46-53 УДК 629.783:527

В. Е. Вовасов1, Д. А. Сухарев1 1

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА УСТРАНЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКИ НА РАБОТУ НАВИГАЦИОННОГО ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ GPS С ПОМОЩЬЮ СГЛАЖИВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПСЕВДОДАЛЬНОСТИ ПРИРАЩЕНИЕМ ПСЕВДОФАЗ Широкое применение технологий управления беспилотными подвижными объектами на основе высокоточного позиционирования с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) требует получения решений с субдециметровой точностью и сокращения периода сходимости к такой точности от начала измерений до 20–25 минут. Однако на точность получаемых навигационных решений и время сходимости к высокоточным решениям влияют переотражения сигналов ГНСС от земли, зданий и сооружений, а также помехи от разных источников радиоизлучений городской среды. Поэтому актуальной является задача реализации способов устранения влияния помеховой обстановки на работу навигационного приемника сигналов ГНСС и исследования их эффективности. В статье рассматриваются результаты исследования способа устранения влияния помеховой обстановки на работу навигационного приемника сигналов GPS с помощью сглаживания сырых измерений псевдодальности приращением псевдофаз. Приведено обоснование показателя разницы измерения псевдодальности по фазе несущей и псевдодальности по коду в качестве критерия эффективности оценки влияния помеховой обстановки в районе приема навигационных сигналов. В результате анализа экспериментальных исследований показано, что при использовании описанного способа, начиная с 900-й секунды, значения сглаженного параметра не отклоняются от усредненных измерений на большом интервале времени на величину более 0,1 метра, что указывает на эффективность сглаживания приращениями фаз и потенциально перспективно для высокоточных измерений, например методом РРР. Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система, фильтр Калмана, оцениваемый вектор состояния, вектор измерений, ошибка переотражений

Введение Для оценки влияния помеховой обстановки в районе приема навигационных сигналов наиболее желательным является обработка и визуализация результатов сырых измерений приемника ГНСС в виде графика, где по оси ординат откладывается медленно меняющийся параметр или константа с наложенной на них шумом и помехой, а по оси абсцисс – время. В качестве такого параметра очень удобно выбрать разности мгновенных значений псевдодальности по фазе несущей и псевдодальности по коду. Теоретически этот параметр должен быть константой, которую обозначим DСDF. Критерием качества служит соответствие параметров принимаемых сырых измерений параметрам 46

принятой модели сигналов и шумов. Под шумом подразумевается белый шум с нормальным распределением плотности вероятности. Такой подход для оценки влияния помеховой обстановки является оригинальным, и аналогов в литературе авторы не нашли. Очень важным для его реализации является устранение возможных фазовых перескоков за время наблюдения. Интенсивность шума задается соотношением сигнал/шум и влияет на среднеквадратическое отклонение (СКО) определяемых приемником параметров. Для уменьшения влияния интенсивности шума возможно применение сглаживания измерений псевдодальностей приращениями псевдофаз [1].

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиолокация и радионавигация В статье показаны возможности получения указанных оценок влияния помеховой обстановки и результаты реализации применения сглаживания измерений псевдодальностей приращениями псевдофаз. Теоретическое обоснование критерия и реализация сглаживания измерений псевдодальностей приращениями псевдофаз Выражения для измеряемых в приемнике GPS псевдодальностей по коду стандартной точности L1 C/A, L2 C по j-му навигационному космическому аппарату (НКА) можно представить в виде [2–4]: j j D L1 j,C / A (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS −

−c(ΔT

j,GPS

j −TGD

j + ISCL1C /A)+

ΔDw + sin α j

с относительной задержкой сигналов L1 P(Y) зада1 j j j ется в виде TGD = τ , где τ L2 – задержка изγ −1 L2 лучаемого сигнала L2 P(Y) j-м спутником в радиочастотной части передатчика относительно сигнала fj j j j L1 P(Y) [6, 7]; Tion,L2 = γTion,L1 = ( L1j )2Tion,L1 , где f L1j , f L2 f L2j – частота несущего колебания j-го НКА в диапазонах L1 и L2 соответственно [2]; ∆Dw – вертикальная (зенитная) составляющая тропосферной 77 задержки. Величина γ = ( )2 . 60 Для упрощения записи введем следующие обозначения: ВЧ АН j j A L1 j,C = c(τ j,L1C / A + τ j,L1C / A ) + c(TGD − ISC L1C / A ),

(1)

ВЧ АН j j A L2 j,C = c(τ j,L2C + τ j,L2C ) + c(TGD − ISC L2C ), L2 L1 B L1,2 j,C = A j,C − A j,C .

АН j ВЧ j +c(Tion,L1 + τ j,L1C / A + τ j,L1C / A ) − ξ L1C / A , j = 1, J ,

Так как сигнал проходит один антенно-фидерный тракт, можно записать

j j D L2 j,C (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS −

−c(ΔT

j,GPS

j j j − γTGD + τ L2 + ISCL2C )+

ΔDw + sin α j

АН j j + τВЧ +c(Tion,L2 j,L2C + τ j,L2C ) − ξ L2C = j = ΔRORBIT + R j (t M ) + cΔTGPS −

−c(ΔT

j,GPS

j j −TGD + ISCL2C )+

АН АН τ АН j,L1C ≈ τ j,L2C ≈ τ C .

(2)

ΔDw + sin α j

АН j j + τВЧ +c(Tion,L2 j,L2C + τ j,L2C ) − ξ L2C , j = 1, J ,

где J – количество видимых НКА GPS; Rj(tM) – истинная дальность между фазовым центром антенны j-го НКА и фазовым центром антенны навигационj ного приемника; ΔRORBIT – ошибка эфемерид j-го приемника; ∆TGPS – смещение шкалы времени приемника относительно системной шкалы времени GPS (так называемая ионосферосвободная шкала времени) [5, 6]; ∆T j, GPS – смещение шкалы времени j-го НКА относительно шкалы времени GPS; j j , Tion,L2 αj – угол возвышения j-го НКА; Tion,L1 – задержка кодового сигнала диапазона L1 и L2 j-го j НКА в ионосфере; ISCL1C / A – смещение шкалы времени сигнала L1 P(Y) относительно L1 C/A j-го j НКА (передается в эфемеридах); ISCL2C – смещение шкалы времени сигнала L1 P(Y) относительно L2 C j-го НКА (передается в эфемеридах); τ АН j,L1C / A , τ АН – задержка сигнала L1 C/A и L2 C j-го НКА j,L2C ВЧ в антенно-фидерной части приемника [6]; τ j,L1C / A , τВЧ j,L2C – задержка сигнала L1 C/A и L2 C j-го НКА j j в радиочастотной части приемника; ξ L1C / A , ξ L2C – шумовая составляющая измерения ПД приемниj – передаком сигнала L1 C/A и L2 C j-го НКА; TGD ется в эфемеридах для j-го приемника, ее связь vre.instel.ru

ВЧ Величины τВЧ j,L1C / A и τ j,L2C практически одинаковы для всех принимаемых сигналов, так как сигналы GPS имеют одинаковые полосы и несущие в диапазонах L1 и L2, а значит – одинаковую (с точностью 1/30 нс) задержку в радиочастотной части приемника GPS, то можно записать [7]: ВЧ ВЧ ВЧ τВЧ j,L1C / A ≈ τ L1C / A , τ j,L2C ≈ τ L2C .

Перепишем выражения в виде ВЧ АН j j A L1 j,C = c(τ L1C / A + τ C ) + c(TGD − ISC L1C / A ), L2 L1 ВЧ ВЧ B L1,2 j,C = A j,C − A j,C = c(τ L2C − τ L1C / A ) − j j −c(ISCL2C − ISCL1C / A ).

Тогда j j D L1 j,C / A (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS +

+ A L1 j,C − c(ΔT

j,GPS

(3) ΔDw j j + c(Tion,L1 ) − ξ L1C / A , j = 1, J , sin α j

j L1 j D L2 j,C (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS + A j,C −

−c(ΔT

j,GPS

(4) ΔDw j j + cγ(Tion,L1 ) + B L1,2 j,C − ξ L2C , j = 1, J . sin α j

Для устранения погрешностей, вызванных ионосферой, запишем выражение взвешенной псевдодальности по коду стандартной точности, соответствующее [2–4, 6]: 47

Радиолокация и радионавигация

D j,C (t M ) =

L1 D L2 j,C (t M ) − γD j,C / A (t M )

1− γ

псевдодальности по фазе несущей, соответствующее [2–4, 7]

j = ΔRORBIT + R j (t M ) + cΔTGPS + A L1 j,C − c(ΔT

j,GPS

) + (5)

G j,C (tM ) =

j j L1,2 ξ L2C − γξ L1C ΔDw B j,C /A + + − . sin α j 1 − γ 1− γ

Запишем уравнения по фазе несущей [1, 3, 4] G L1 j,C / A (t M ) =

j ΔRORBIT

для

=Kj +

(8)

j j ) − λ L1 (ϕ h,L1 ) − M L1 −c(Tion,L1 j λ L1,

j,GPS

ΔDw j + λ L2 (ϕ0,L2 + ϕ0,L2 + ς ψL2j ) − sin α j

1− γ

(9)

j j L1,2 −cγ(Tion,L1 ) − λ L2 (ϕ h,L2 ) − M L2 j λ L2 + B j,C .

j j ξ L2C − γξ L1C /A

1− γ

−

j λ L2 (ϕ0,L2 + ϕ0,L2 ) − M L2 j λ L2

1− γ

j ) − M L1 γ[λ L1 (ϕ0,L1 + ϕ0,L1 j λ L1 ]

1− γ −

j j λ L2 (ϕ h,L2 ) − γλ L1 (ϕ h,L1 )

1− γ

−

Это выражение должно быть постоянной величиной, если предусмотрено применение специального алгоритма, позволяющего устранять целочисленные перескоки фаз. Таким образом, полученная величина должна характеризовать помеховую обстановку в момент получения сырых измерений. Очевидно, что СКО получаемого параметра лежит в районе трех СКО измерений псевдодальности по коду, т. е. параметр весьма зашумлен. Введем исследуемый параметр в вектор состояния. Оценивание вектора состояния линейной системы на основании наблюдения ее выхода с учетом случайных возмущений системы и ошибок измерения приводит к задаче фильтрации. Одним из наиболее эффективных и распространенных методов решения задачи фильтрации является алгоритм Калмана. Его уравнения приведены в [5, 6]. Запишем вектор измерений в виде D j,C (t M ) [G j,C (t M + Δt) − G j,C (t M − Δt)]/ (2Δt)

а вектор оцениваемых параметров D j,C (t M ) x = V j,C (t M ) ,

Для устранения погрешностей, вызванных ионосферой, запишем выражение взвешенной 48

где

j L1 j G L2 j,C (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS + A j,C −

−c(ΔT

λ L2 (ς ψL2j ) − γλ L1 (ς ψL1j )

Kj =

j L1 j G L1 j,C / A (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS + A j,C −

ΔDw j + λ L1 (ϕ0,L1 + ϕ0,L1 + ς ψL1j ) − sin α j

−

Вычитая выражение (5) из (10), получим параметр, характеристики которого подлежат исследованию

ΔDw − sin α j

где ϕ0,L1, ϕ0,L2 – начальная фаза приемника в диаj j , ϕ0,L2 пазонах L1 и L2 соответственно; ϕ0,L1 – неопределенная начальная фаза излучения k-го j , НКА в диапазонах L1 и L2 соответственно; ϕ h,L1 j ϕ h,L2 – фазовые аппаратурные искажения в ФАП приемника сигнала k-го НКА в диапазонах L1 и L2 L2 соответственно; M L1 – неопределенное цеj , Mj лое число, отображающее собой неоднозначность фазовых измерений в k-м канале приемника в диапазонах L1 и L2 соответственно; ς ψL1j , ς ψL2j – шумовая составляющая измерения псевдофазы сигнала k-го НКА в приемнике в диапазонах L1 и L2 соответственно [6]; λ L1, λ L2 – длина волны несущей сигнала в диапазонах L1 и L2 соответственно. Перепишем выражения с учетом введенных обозначений

1− γ

(10)

G j,C (t M ) − D j,C (t M ) =

j j j −TGD + ISCL2C ) + λ L2 (ϕ0,L2 + ϕ0,L2 + ς ψL2j ) − (7)

j,GPS

L1,2 ΔDw B j,C + + sinα j 1− γ

L2 L1 j j λ L2 (ϕ h,L2 ) − γλ L1 (ϕ h,L1 ) λ L2 (ς ψ j ) − γλ L1 (ς ψ j ) − + . 1− γ 1− γ

ВЧ АН j j ) − λ L2 (ϕ h,L2 ) − M L2 −cγ(Tion,L1 j λ L2 + c(τ j,L2C + τ j,L2C ),

−c(ΔT

ΔDw + R (t M ) + cΔTGPS + − sin α j

ВЧ АН j j −c(Tion,L1 ) − λ L1 (ϕ h,L1 ) − M L1 j λ L1 + c(τ j,L1C / A + τ j,L1C / A ),

j,GPS

j = ΔRORBIT +

L1 j j λ L2 (ϕ0,L2 + ϕ0,L2 ) − M L2 j λ L2 − γ[λ L1 (ϕ 0,L1 + ϕ 0,L1 ) − M j λ L1 ]

L1 j j j −c(ΔT j,GPS −TGD + ISCL1C / A ) + λ L1 (ϕ 0,L1 + ϕ 0,L1 + ς ψ j ) − (6)

−c(ΔT

1− γ

j,GPS )+ +R j (tM ) + cΔTGPS + A L1 j,C − c(ΔT

псевдодальностей

j j G L2 j,C (t M ) = ΔRORBIT + R (t M ) + cΔTGPS +

L1 G L2 j,C (t M ) − γG j,C / A (t M )

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиолокация и радионавигация

4,5

DСDF, м

4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 1 56 111 166 221 276 331 386 441 496 551 606 661 716 771 826 881 936 991 1046 1101 1156 1211 1266 1321 1376 1431 1486 1541 1596 1651 1706

а) 2,5

DСDF, м

2 1,5 1 0,5

1 54 107 160 213 266 319 372 425 478 531 584 637 690 743 796 849 902 955 1008 1061 1114 1167 1220 1273 1326 1379 1432 1485 1538 1591 1644 1697

б) 0,7 0,6

DСDF, м

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 1 56 111 166 221 276 331 386 441 496 551 606 661 716 771 826 881 936 991 1046 1101 1156 1211 1266 1321 1376 1431 1486 1541 1596 1651 1706 1761

0,2

в) Рисунок 1. Параметр DCDF для навигационного космического аппарата № 1: а – на основе сырых измерений; б – результат усреднения; в – результат сглаживания

где Vj, C(tM) – псевдоскорость j-го НКА, а aj – псевдоускорение. Связь вектора измеряемых параметров и векторов оцениваемых параметров можно записать в виде [7] Hi =

1 0 0 0 1 0

Так как V j,C (tM ) = [G j,C (tM + Δt) − G j,C (tM − Δt)]/ (2Δt), переходная матрица Φi, определяющая динамику оцениваемого вектора будет равна [6, 7]:

vre.instel.ru

1 Δt Φi = 0 0

1 0

(Δt)2 2 Δt . 1

Матрица интенсивности шума измерений имеет следующий вид: σ 2D j Ni =

0 σ 2G

, j

2 49

Радиолокация и радионавигация 2,5 2

DСDF, м

1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 1 53 105 157 209 261 313 365 417 469 521 573 625 677 729 781 833 885 937 989 1041 1093 1145 1197 1249 1301 1353 1405 1457 1509 1561 1613 1665 1717

а)

0,06

DСDF, м

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

1 54 107 160 213 266 319 372 425 478 531 584 637 690 743 796 849 902 955 1008 1061 1114 1167 1220 1273 1326 1379 1432 1485 1538 1591 1644 1697

б) 0,9 0,8 0,7

DСDF, м

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 1 53 105 157 209 261 313 365 417 469 521 573 625 677 729 781 833 885 937 989 1041 1093 1145 1197 1249 1301 1353 1405 1457 1509 1561 1613 1665 1717

0,2

в) Рисунок 2. Параметр DCDF для навигационного космического аппарата № 3: а – на основе сырых измерений; б – результат усреднения; в – результат сглаживания

σ 2d (1 + γ 2 ) – дисперсия измерений взве(1 − γ )2 шенной псевдодальности по коду, σd – СКО изj j мерений псевдодальностей по коду ξ L2C ≈ ξ L1C / A; 2 2 σ (1 + γ ) – дисперсия измерений взвешенной σ 2G = L j (1 − γ )2 псевдодальности по фазе несущей, σL1 – СКО измерений λ L1 (ς ψL1j ) ≈ λ L2 (ς ψL2j ). где σ 2D = j

Результаты исследований на основе реальных сырых измерений сигналов ГНСС Исследования проведены с использованием антенны ChokeRing и приемника Delta на крыше здания корпуса 24Б МАИ 6 декабря 2019 года в первой половине дня. На рис. 1–4 представлен исследуемый параметр, G j,C (t M ) − D j,C (t M ), обозначенный далее DСDF, в метрах для НКА GPS №№ 1, 3, 11 и 12.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801 851 901 951 1001 1051 1101 1151 1201 1251 1301 1351 1401 1451 1501 1551 1601 1651 1701

Радиолокация и радионавигация

DСDF, м

1 2 3 4 5 6 7 8

а) 0 0,5

DСDF, м

1 1,5 2 2,5 3 3,5

1 56 111 166 221 276 331 386 441 496 551 606 661 716 771 826 881 936 991 1046 1101 1156 1211 1266 1321 1376 1431 1486 1541 1596 1651 1706

4 4,5

1 54 107 160 213 266 319 372 425 478 531 584 637 690 743 796 849 902 955 1008 1061 1114 1167 1220 1273 1326 1379 1432 1485 1538 1591 1644 1697

б)

DСDF, м

1 2 3 4 5 6

в) Рисунок 3. Параметр DCDF для навигационного космического аппарата № 11: а – на основе сырых измерений; б – результат усреднения; в – результат сглаживания

На рис. 1а, 2а, 3а и 4а представлены значения исследуемого параметра без обработки, т. е. по сырым измерениям. На рис. 1б, 2б, 3б и 4б представлены усредненные значения исследуемого параметра по всей выборке (1750 с). На рис. 1в, 2в, 3в и 4в – сглаженные значения исследуемого параметра способом сглаживания приращениями фаз, реализованным фильтром Калмана. Заключение Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы: •

графики реальных сырых измерений на рис. 1–4 показывают весьма значительные отклонения vre.instel.ru

•

исследуемого параметра от постоянной величины, что указывает на плохую помеховую обстановку в районе приема сигналов НКА GPS; графики результатов сглаживания исследуемого параметра приращениями фаз фильтром Калмана (рис. 1в, 2в, 3в и 4в) показывают, что уже начиная с 900-й секунды от начала измерений наибольшее отклонение сглаженного исследуемого параметра отличается от усредненного за весь период наблюдений на величину ±10 см. Это указывает на возможность использования этого параметра для высокоточных оценок координат антенны навигационного приемника и оперативного получения высокоточных измерений методом РРР. 51

1 54 107 160 213 266 319 372 425 478 531 584 637 690 743 796 849 902 955 1008 1061 1114 1167 1220 1273 1326 1379 1432 1485 1538 1591 1644 1697

Радиолокация и радионавигация

2 0 2

DСDF, м

4 6 8 10 12 14 16

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801 851 901 951 1001 1051 1101 1151 1201 1251 1301 1351 1401 1451 1501 1551 1601 1651 1701

а)

0 1

DСDF, м

2 3 4 5 6 7

1 53 105 157 209 261 313 365 417 469 521 573 625 677 729 781 833 885 937 989 1041 1093 1145 1197 1249 1301 1353 1405 1457 1509 1561 1613 1665 1717

б)

DСDF, м

2 3 4 5 6 7 8

в) Рисунок 4. Параметр DCDF для навигационного космического аппарата № 12: а – на основе сырых измерений; б – результат усреднения; в – результат сглаживания

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова и В. Н. Харисова. 4-е изд. М: Радиотехника, 2010. 800 с. 2. ARINC Research Corporation. IS-GPS-200F, Global positioning system directorate systems engineering and integration interface specification. El Segundo, USA, 2011. 3. Поваляев А. А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координат. М.: Радиотехника, 2008. 328 с. 4. Поваляев А. А., Вейцель В. А., Мазепа Р. Б. Глобальные спутниковые системы синхронизации и управления в околоземном пространстве. М.: Вузовская книга, 2012. 188 с. 5. Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. М.: Связь, 1976. 496 с. 6. Вовасов В. Е. Алгоритм оценки полной псевдофазы сигнала в диапазонах L1 и L2 для двухчастотного приемника СРНС ГЛОНАСС // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2014. Т. 1. № 4. С. 11–16. 7. Молоканов А. В., Вовасов В. Е. Оценка среднеквадратических погрешностей измерений радионавигационных параметров // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018. Т. 5. № 2. С. 3–10.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиолокация и радионавигация ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Вовасов Валерий Егорович, к. т. н., доцент, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, тел.: 8 (962) 968-55-31; e-mail: vovasov@list.ru. Сухарев Дмитрий Александрович, старший преподаватель, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, тел.: 8 (903) 662-02-42, e-mail: cyxapeb51@mail.ru.

For citation: Vovasov V. Y., Sukharev D. A. Investigation of method of elimination of interference situation effect on GPS navigation receiver operation by smoothing of pseudorange measurements by pseudophase increment. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 46–53. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-46-53 V. Y. Vovasov, D. A. Sukharev

INVESTIGATION OF METHOD OF ELIMINATION OF INTERFERENCE SITUATION EFFECT ON GPS NAVIGATION RECEIVER OPERATION BY SMOOTHING OF PSEUDORANGE MEASUREMENTS BY PSEUDOPHASE INCREMENT The wide application of high-precision GNSS (global navigation satellite system) positioning technologies for unmanned mobile object management requires the acquisition of solutions with subdecimeter accuracy and the reduction of the convergence period to such accuracy from the beginning of measurements to 20–25 minutes. Unfortunately, the accuracy of the obtained navigation solutions and the time of convergence to high-precision solutions are influenced by re-reflection of GNSS signals from the ground, buildings and structures, as well as interference from different sources of radio emissions of the urban environment. Therefore, it is an urgent task to implement methods of eliminating the influence of the interference situation on the operation of the navigation receiver of GNSS signals and investigating their effectiveness. The paper considers the results of investigation of the method of elimination of interference situation effect on GPS signal navigation receiver operation using smoothing of raw pseudorange measurements by pseudophase increment. Justification of the difference of measurement of pseudo-range by carrier phase and pseudo-range by code is given as a criterion of efficiency of estimation of interference situation influence in the area of navigation signals reception. As a result of the analysis of experimental studies, it has been shown that using the described method, starting from 900 seconds, the values of the smoothed parameter do not deviate from the averaged measurements over a long time interval by more than 0.1 meters, which indicates the efficiency of the method of smoothing by phase increments and is potentially promising for highly accurate measurements. Keywords: global navigation satellite system, Kalman filter, estimated state vector, measurement vector, rereflection error

REFERENCES 1. Perov A. I., Kharisov V. N. GLONASS. Printsipy postroeniya i funktsionirovaniya [GLONASS. The principles of construction and operation]. 4th ed. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2010, 800 p. (In Russian). 2. ARINC Research Corporation. IS-GPS-200F, Global positioning system directorate systems engineering and integration interface specification. El Segundo, USA, 2011. 3. Povalyaev A. A. Sputnikovye radionavigatsionnye sistemy: vremya, pokazaniya chasov, formirovanie izmerenii i opredelenie otnositelnykh koordinat [Satellite radio navigation systems: time, clock readings, formation of measurements and determination of relative coordinates]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2008, 328 p. (In Russian). 4. Povalyaev A. A., Weitzel V. A., Mazepa R. B. Globalnye sputnikovye sistemy sinkhronizatsii i upravleniya v okolozemnom prostranstve [Global satellite systems for synchronization and control in near-Earth space]. Moscow, Vuzovskaya kniga Publ., 2012, 188 p. (In Russian). 5. Sage A., Melsa J. Estimation theory with applications to communications and control. McGraw-Hill, 1970, 529 p. 6. Vovasov V. E. Algorithm for estimating the total pseudophase of a signal in the L1 and L2 ranges for a two-frequency receiver of the GLONASS SRNS. Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informatsionnye sistemy, 2014, vol. 1, no. 4, pp. 11–16. (In Russian). 7. Molokanov A. V., Vovasov V. E. Estimation of standard errors of measurement of radio navigation parameters. Raketnokosmicheskoe priborostroenie i informatsionnye sistemy, 2018, vol. 5, no. 2, pp. 3–10. (In Russian).

AUTHORS Vovasov Valery, Ph. D., associate professor, Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, tel.: +7 (962) 968-55-31, e-mail: vovasov@list.ru. Sukharev Dmitry, senior lecturer, Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, tel.: +7 (903) 662-02-42, e-mail: cyxapeb51@mail.ru.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Кучеров Ю. С., Допира Р. В., Ягольников Д. В. Метод компонентного подхода к проектированию устойчивых радиотехнических средств // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 3. C. 54–58. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-54-58 УДК 621.37

Ю. С. Кучеров1, Р. В. Допира1, Д. В. Ягольников2 1

АО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», академия воздушно-космической обороны им. Г. К. Жукова

Военная

МЕТОД КОМПОНЕНТНОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ УСТОЙЧИВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В статье рассмотрена актуальная задача проектирования перспективных радиотехнических средств. Приводится классификация компонентов (элементов) разрабатываемых образцов по их новизне (инновационности). Они подразделяются на компоненты повторного использования, которые характеризуются минимальными рисками проектирования, стоимостными и временными затратами, инновационные компоненты, которые обладают максимальным риском создания, большими стоимостными и временными затратами, но при этом определяют прогрессивность создаваемого радиотехнического средства, и на комбинированные компоненты. Решается задача оптимизации компоновки образца радиотехнического средства при проектировании по критерию «эффективность – стоимость». Обосновывается обобщенный показатель оценки эффективности радиотехнических средств устойчивого функционирования, включающий в себя частные показатели надежности, помехозащищенности, а также стоимостные показатели. Для решения данной задачи предлагается метод последовательного анализа вариантов. Ключевые слова: устойчивое функционирование, модернизация, минимизация рисков, инновации

Введение При проектировании перспективных радиотехнических средств (РТС) разработчик использует опыт прошлых проектов и может переносить некоторые конструкторские решения на новые образцы. Такой подход минимизирует риски, связанные с проектированием новых компонентов (элементов) перспективного образца РТС. С другой стороны, инновационность и качество образца зависят от внедрения новых принципов функционирования и технических решений, т. е. инновационных компонентов. Новые решения характеризуются большими рисками, связанными с необходимостью создания новых компонентов, требуют проведения исследовательских и опытно-конструкторских работ, что обуславливает некоторые неопределенности в достижении конечного результата [1]. В этих условиях актуальна задача определения оптимального состава компонентов повторного использования (КПИ). Использование КПИ позволит повысить реализуемость проектов по созданию перспективных образцов РТС и снизить риски, связанные с использованием новых проектных решений. Известные методические подходы не учитывают такие аспекты, как совместимость компонентов в образце РТС, обеспечение длительной эксплуатации при возможности снятия с производства некоторых компонентов, а также стоимостные характеристики жизненного цикла (ЖЦ) образца 54

РТС. Этим обусловлена актуальность научной задачи, которая состоит в разработке метода оптимизации затрат на проектирование перспективных образцов РТС с требуемой эффективностью устойчивого функционирования на основе компонентного подхода и новой интегрированной модели управления проектом. Основные этапы жизненного цикла РТС Современные образцы РТС являются структурно-сложными системами. Задачей первоначального этапа создания перспективного образца РТС является определение соответствия поставленных целей и его характеристик, т. е. определение типа каждого элемента и облика образца в целом. Результат – формирование технических требований на разработку элементов образца. Научную основу исследований на этом этапе составляют методы анализа систем. Основной задачей этапа проектирования является определение технических характеристик каждого проектируемого компонента РТС, конкретные параметры которого выбираются в зависимости от тактических характеристик. Результат – создание соответствующих проектов и в конечном счете рабочих чертежей. На следующем этапе идет изготовление каждого элемента спроектированного образца РТС при обеспечении заданных проектных характеристик.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиолокация и радионавигация Задача этапа эксплуатации – обеспечение высокой надежности и готовности образца к применению. Используются методы теории надежности, методы обслуживания сложных систем и др. Задача этапа непосредственного применения заключается в определении условий и вариантов наилучшего использования образца РТС. Методы исследования эффективности непосредственного применения систем и планирования операций контроля и обслуживания – основа для решения практических задач. Обеспечение высокого качества современных РТС связано с исследованием их эффективности на всех этапах функционирования систем. При этом особое место в таких исследованиях занимают этапы проектирования и эксплуатации систем. Принятые проектные технические решения во многом определяют эффективность системы на весь период ее существования, а рациональные программы обслуживания и обеспечения высокой надежности на этапе эксплуатации – готовность ее к непосредственному применению. Этап эксплуатации включает техническое обслуживание систем, восстановление работоспособности после отказа, обеспечение запасными элементами и другие мероприятия, обеспечивающие поддержание РТС в рабочем состоянии. Основная задача теории эксплуатации заключается в научном прогнозировании состояний РТС и выработке с помощью специальных моделей и математических методов анализа и синтеза рекомендаций по обеспечению их функционирования. Решение задач проектной эффективности РТС обуславливает необходимость учета данных всех этапов создания и использования РТС при выборе наилучшего варианта проектируемого элемента, а также выдачу исходных данных и рекомендаций для коррекции моделей, алгоритмов эксплуатации и т. д. При исследовании эффективности на этапе проектирования учет взаимосвязи и взаимной зависимости всех этапов ЖЦ РТС является весьма важным. Очевидно, что если на этапе проектирования будет выбран параметр, который не позволит эффективно использовать изделие, вызовет сложности в эксплуатации, затруднит или исключит возможность изготовления или приведет к изготовлению отдельного элемента, не увязанного с образцом РТС, то становится ясно, что для правильного выбора параметров необходимо учитывать полный ЖЦ РТС. Теоретико-множественное представление РТС Проектируемый образец РТС в теоретико-множественной трактовке можно представить упорядоченной четверкой объектов: vre.instel.ru

S = U ,F ,Q,E ,

(1)

где U – цели, под которые разрабатывается образец РТС; F – функции (задачи), решаемые образцом РТС; Q = Ω,T ( Ω ), σ ( Ω × Ω ) – структура образца РТС; Ω = {ω i }i=1,I – состав компонентов образца РТС; T(Ω) – тактико-технические характеристики компонентов ω ∈ Ω образца РТС; σ(Ω×Ω) – взаимосвязи между компонентами образца РТС: ⎧1 − если i-й компонент является ⎪ σ(ω i , ω j ) = ⎨входом j-го компонента; ⎪0 − в противном случае; ⎩ E ⊆ F × Ω – распределение функций по компонентам образца РТС (эмерджентность). Структуру проектируемого образца РТС можно детализировать по уровням иерархии, где верхний уровень представления – новый образец РТС, средний уровень – сложные компоненты, содержащие простые компоненты нижних уровней, а нижний уровень – отдельные элементы системы (простые компоненты). Классы инновационности компонент РТС По степени новизны компоненты делятся на следующие классы: •

•

класс 1 – компоненты повторного использования. Характеризуются минимальными рисками проектирования, стоимостными и временными затратами; класс 2 – инновационные (новые) компоненты (ИК). Они характеризуются максимальным риском создания, большими стоимостными и временными затратами. Но при этом определяют прогрессивность создаваемого образца РТС; класс 3 – комбинированные компоненты (КК). Представляют собой сложные компоненты, которые состоят из простых – как КПИ, так и новых ИК. Риск при этом определяется соотношением КПИ и ИК и сложностью процесса комплексирования простых компонентов в сложные.

Иерархическая структура модели образца, включающая КПИ, ИК и КК, обуславливает необходимость создания соответствующей модели ЖЦ и интегрированной модели процесса проектирования. Требования к разработке перспективных образцов РТС делятся на три группы: организационные, экономические и технологические. Организационные требования связаны с необходимостью организации управления проектом для анализа и выбора структуры и компонентного состава перспективного образца РТС с учетом простых и сложных компонентов (КПИ, ИК, КК). 55

Радиолокация и радионавигация Экономические требования состоят в решении задачи оптимизации затрат на создание образца РТС с учетом применения компонентного подхода. Технологические требования связаны с необходимостью создания новой технологии проектирования, использующей компонентный подход и интеграционную модель ЖЦ перспективного образца РТС, включающую и этап разработки, с помощью которой оптимизируется ЖЦ разрабатываемого образца. Интеграционная модель синтезирует в себе сетевую модель проектирования и модель эксплуатации образца РТС. Сетевая модель предназначена для оценки технологических решений при компонентном подходе, а модель эксплуатации – для оценки экономических требований. Постановка задачи оптимизации компоновки образца РТС в выборе компонент различной степени новизны Задача оптимизации компоновки состоит в выборе компонент различной степени новизны таким образом, чтобы в заданных ресурсных ограничениях С0 достичь максимальной эффективности W проектируемого образца РТС устойчивого функционирования. В данной статье под устойчивостью РТС будет пониматься способность образца сохранять свои основные характеристики в сложной воздушной и помеховой обстановке, а также особых режимах эксплуатации за счет надежности и помехозащищенности. В формализованном виде задачу можно представить следующим образом [2, 3]: W [S(Ω(x))]→ max,

(2)

C(s) ≤ C0 .

(3)

Эффективность образца РТС определяется по качеству решения его функциональных задач при выборе компонентов в соответствии с приведенной классификацией. Стоимость проектируемого образца РТС определяется стоимостью выбранных компонентов: I

C(s) = ∑ ∑cij xij + A,

(4)

i=1 j=1

где xij = xi=1,I , j=1,3 – принадлежность к классу; ⎧1 − если i-й компонент соответствует ⎪ xij = ⎨ j-му варианту по классификации; ⎪0 − в противном случае; ⎩ A – расходы, не связанные со стоимостью компоновки образца РТС. При этом необходимо учитывать, что каждый компонент должен выбираться только по одному 56

из вариантов и все компоненты должны быть выбраны: 3

∑xij = 1∀i = 1,I .

(5)

j=1

Задача (2–5) по своей постановке наиболее подходит к проектируемым образцам, на которых осуществляется модернизация. Задачу для вновь создаваемых образцов можно сформулировать следующим образом: необходимо спроектировать образец РТС S(xij) с тактико-техническими характеристиками не ниже заданных заказчиком T0, при минимальных затратах на его реализацию T[S(xij )] ≥T0 , I

(6)

C(s) = ∑ ∑cij xij + A→ min. i=1 j=1

(7)

Выбор метода решения поставленной задачи Зависимости (2–4, 6–7) являются задачами булевого программирования и могут быть решены методом последовательного анализа вариантов [4], который основан на пошаговом конструировании решений (последовательном уточнении значений компонент) и отсеве в процессе такого конструирования тех решений, которые не могут быть достроены до оптимальных. С точки зрения методологии, последовательный анализ вариантов (ПАВ) является естественным обобщением идей последовательного принятия решений. Метод ПАВ также тесно связан с динамическим программированием. В методах ПАВ условие задачи представляется в виде описания множества вариантов и совокупности «контрольных опытов», с исходами которых связаны правила выбора вариантов. Схема решения представляется в виде многоуровневой структуры, напоминающей структуру сложного опыта. Каждый уровень связан с выявлением наличия у исследуемого множества вариантов тех или иных свойств и ведет к непосредственному сокращению исходного множества вариантов. Обоснование обобщенного показателя оценки эффективности устойчивого функционирования РТС Сложность анализа вариантов построения перспективных РТС по обнаружению воздушных объектов (ВО), а также направления модернизации существующих РТС, состоит в неизбежности учета огромного количества разнотипных тактико-технических характеристик (ТТХ), на основании которых производится оценка различных типов и классов РТС. Известные подходы к решению данной задачи в основном основываются на использовании экспертных методов, которые обладают значительной

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

Радиолокация и радионавигация долей субъективизма, привносимой группой экспертов. Сложность оценки качества функционирования РТС сводит данную задачу к многокритериальной, математические методы решения которой разработаны недостаточно. Для того чтобы свести множество критериев, характеризуемых разнообразием ТТХ, в обобщенный показатель эффективности, необходимо отталкиваться от наиболее важной характеристики РТС. Такой может являться зона обнаружения (ЗО) DO РТС, которая в полной мере показывает энергетические свойства образца. ЗО – это область пространства, в пределах которой РТС способен обнаружить ВО с заданной эффективной площадью рассеивания (ЭПР) с требуемой вероятностью правильного и ложного обнаружения. Оценить ЗО можно площадью ее горизонтального сечения Sн на заданной высоте Н. Основным показателем при оценке помехозащищенности РТС от активных шумовых помех является коэффициент сжатия Kсж. Он характеризуется отношением ЗО ВО в сложной помеховой обстановки к безпомеховой. Коэффициент сжатия ЗО РТС определяется по формуле K сж

D = п, DO

(8)

где Dп – зона обнаружения в помеховой обстановке. Вместе с ЗО как основной энергетической характеристикой РТС при формировании обобщенного показателя устойчивого функционирования образца необходимо учитывать и эксплуатационнотехнические характеристики (ЭТХ). К наиболее важным ЭТХ принято относить показатели надежности, такие как ремонтопригодность, безотказность и долговечность. Вероятность сохранения ЗО в конкретный момент времени можно оценить коэффициентом готовности РТС:

Kг =

TО , TО +TB

(9)

где TО – средняя наработка РТС на отказ; TВ – среднее время восстановления. Назначенный ресурс R РТС показывает, какое время образец может находиться в эксплуатации до списания с учетом ресурсовостанавливающего капитального ремонта [5]. Также необходимо учитывать суммарные затраты СΣ на разработку, закупку и эксплуатацию РТС [2]: M=

C∑ − C р

(1 + α ) Cсп + Cэ

(10)

где Ср – затраты на разработку РТС; α – коэффициент, учитывающий прибыль от производства образца на предприятии-изготовителе; Cсп – затраты на покупку серийного образца РТС; Сэ – затраты на эксплуатацию РТС до списания. Таким образом, обобщенный показатель эффективности устойчивого функционирования РТС (2) выглядит следующим образом: W = K сж S н R

TО M. TО +TB

(11)

Данный обобщенный показатель W устойчивого функционирования РТС обеспечивает взаимосвязь энергетических характеристик (ЗО и помехозащищенность), надежности (ремонтопригодность, безотказность и долговечность), а также суммарных затрат на разработки, производство и эксплуатацию. Заключение Таким образом, внедрение в разработку и модернизацию современных образцов РТС компонентного подхода поможет повысить эффективность создаваемых РТС устойчивого функционирования, а также позволит минимизировать риски, связанные с проектированием новых инновационных компонентов (элементов).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Андреев Г. И., Созинов П. А., Тихомиров В. А. Управленческие решения при проектировании радиотехнических систем. М.: Радиотехника, 2018. 560 с. 2. Допира Р. В., Смолкин М. А. и др. Показатель технико-экономического анализа и выбора вариантов построения наземных радиолокационных станций // Программные продукты и системы. 2013. № 2. С. 63–70. 3. Афанасьев В. Г., Верхотуров В. И., Заславский В. А. Проектирование надежных спутников связи. Томск: РАСКО, 1993. 221 с. 4. Михалевич В. С., Кукса А. И. Методы последовательной оптимизации в дискретных сетевых задачах оптимального распределения ресурсов. М.: Наука, 1983. 206 с. 5. Тяпкин В. Н., Фомин А. Н., Гагарин Е. Н. Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск. Красноярск: Сиб. фед. ун-т, 2011. 536 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Кучеров Юрий Сергеевич, к. т. н., генеральный директор, АО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», Российская Федерация, 117437, Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, тел.: 8 (495) 330-09-29, е-mail: postoffice@niivk.ru.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Допира Роман Викторович, д. т. н., профессор, ведущий научный сотрудник, АО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», Российская Федерация, 117437, Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, тел.: 8 (495) 330-09-29, е-mail: rvdopira@yandex.ru. Ягольников Дмитрий Владимирович, к. т. н., докторант, Военная академия воздушно-космической обороны им. Г. К. Жукова, Российская Федерация, 170100, Тверь, ул. Жигарева, д. 50, тел.: 8 (4822) 34-71-97, е-mail: yagolnikov_dv@mail.ru.

For citation: Kucherov Y. S., Dopira R. V., Yagolnikov D. V. Method of component approach to design of sustainable radio equipment. Issues of radio electronics, 2020, no. 3, pp. 54–58. DOI 10.21778/2218-5453-2020-3-54-58 Y. S. Kucherov, R. V. Dopira, D. V. Yagolnikov

METHOD OF COMPONENT APPROACH TO DESIGN OF SUSTAINABLE RADIO EQUIPMENT The article considers the task of designing promising radio equipment. The classification of the components (elements) of the developed samples by their novelty (innovativeness) is given. They are divided into reuse components, which are characterized by minimal design risks, cost and time costs, into innovative (new) components, which have the highest risk of creation, high cost and time costs, but at the same time determine the progressiveness of the created radio engineering Means and on the combined components. The following is the statement of the problem of optimizing the layout of a sample of radio equipment during design by the criterion of «efficiency-cost». The generalized indicator for evaluating the effectiveness of radio equipment of stable functioning is substantiated, including private indicators of reliability, noise immunity, and also cost indicators. To solve this problem, a method of sequential analysis of options is proposed. Keywords: sustainable operation, modernization, risk minimization, innovation

REFERENCES 1. Andreev G. I., Sozinov P. A., Tikhomirov V. A. Upravlencheskie resheniya pri proektirovanii radiotekhnicheskikh system [Management decisions in the design of radio systems]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2018, 560 p. (In Russian). 2. Dopira R. V., Smolkin M. A., et al. The indicator of technical and economic analysis and the choice of options for building ground-based radar stations. Programmnye produkty i sistemy, 2013, no. 2, pp. 63–70. (In Russian). 3. Afanasyev V. G., Verkhoturov V. I., Zaslavsky V. A. Proektirovanie nadezhnykh sputnikov svyazi [Designing reliable communication satellites]. Tomsk, RASCO Publ., 1993, 221 p. (In Russian). 4. Mikhalevich V. S., Kuksa A. I. Metody posledovatelnoi optimizatsii v diskretnykh setevykh zadachakh optimalnogo raspredeleniya resursov [Methods of sequential optimization in discrete network problems of optimal resource allocation]. Moscow, Nauka Publ., 1983, 206 p. (In Russian). 5. Tyapkin V. N., Fomin A. N., Gagarin E. N. Osnovy postroeniya radiolokatsionnykh stantsii radiotekhnicheskikh voisk [Fundamentals of building radar stations of the radio engineering troops]. Krasnoyarsk, Sib. Fed. Univ. Publ., 2011, 536 p. (In Russian).

AUTHORS Kucherov Yuri, Ph. D., general director, M. A. Kartsev Computing System Research and Development Institute (NIIVK, JSC), 108, Profsoyuznaya St., Moscow, 117437, Russian Federation, tel.: +7 (495) 330-09-29, e-mail: postoffice@niivk.ru. Dopira Roman, D. Sc., professor, leading researcher, M. A. Kartsev Computing System Research and Development Institute (NIIVK, JSC), 108, Profsoyuznaya St., Moscow, 117437, Russian Federation, tel.: +7 (495) 330-09-29, e-mail: rvdopira@yandex.ru. Yagolnikov Dmitry, Ph. D., doctoral candidate, G. K. Zhukov Military Academy of Aerospace Defense, 50, Zhigareva St., Tver, 170100, Russian Federation, tel.: +7 (4822) 34-71-97, e-mail: yagolnikov_dv@mail.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ К рассмотрению принимаются нигде не опубликованные ранее рукописи статей с оригинальными результатами теоретических и экспериментальных исследований в области радиоэлектроники. Максимальный объем статьи – 23 000 печатных знаков (с пробелами), включая формулы, иллюстрации, таблицы. Обязательными являются следующие элементы статьи: • • • • •

•

Тематическая рубрика журнала, к которой должна быть отнесена статья. Индекс УДК. Название статьи, максимально конкретное и информативное, на русском и английском языках. Ф.И.О. всех авторов (полностью) на русском и английском языках. Информация об авторах на русском и английском языках: регалии; место работы (полное и сокращенное название организации, почтовый адрес с указанием города и почтового индекса), должность; электронный адрес; телефон. Если авторов несколько, то информация должна быть представлена по каждому из них. Аннотация статьи на русском и английском языках. В аннотации подчеркивается новизна и актуальность темы (без повтора заглавия статьи в тексте аннотации). Аннотация статьи должна быть информативной и подробной, описывать методы и главные результаты исследования. Из аннотации должно быть ясно, какие вопросы поставлены для исследования и какие ответы на них получены. Предпочтительна структура аннотации, повторяющая структуру статьи и включающая введение, цели и задачи, методы, результаты/обсуждение, заключение/выводы. Объем аннотации составляет 100–200 слов. Ключевые слова на русском и английском языках. Должны отражать основное содержание статьи, но, по возможности, не повторять ее название. Рекомендуемый объем – 3–6 слов или коротких словосочетаний. Основной текст статьи. Следует соблюдать единообразие терминов, а также единообразие в обозначениях, системах единиц измерения, номенклатуре. Следует избегать излишних сокращений, кроме общеупотребительных. Если сокращения все-таки используются, то они должны быть расшифрованы в тексте при первом упоминании. Список литературы, на русском и английском языках. Должен в достаточной мере отражать современное состояние исследуемой области и не быть избыточным. Должен содержать ссылки на доступные источники. Не цитируются тезисы, учебники, учебные пособия, диссертации без депонирования. Допустимый объем самоцитирования автора не более 20% от источников в списке литературы. Список иллюстраций должен располагаться в конце статьи и содержать названия статей и подписи, размещенные на рисунке. vre.instel.ru

Правила оформления статей Материалы статьи представляются для публикации в электронном виде. В состав электронной версии статьи должны входить текстовая часть в формате MS Word (формулы в MathType), а также иллюстрации в виде отдельных графических файлов (каждый файл должен содержать один рисунок). Статья представляется в итоговом варианте, т. е. не предполагает существенных авторских изменений и дополнений, а также не содержит исправлений, отображаемых на полях или в тексте работы. Английский блок должен включать (в указанном порядке): заголовок статьи, Ф. И. О. всех авторов, аннотацию, ключевые слова, список литературы в романском алфавите. Графический материал Все иллюстрации должны быть черно-белыми. Иллюстрации для каждой статьи должны находиться в отдельной папке с названием статьи; название файла должно включать номер рисунка. Каждый файл должен содержать только один рисунок. Параметры иллюстраций: • • • • •

• •

•

форматы *.tif или *.eps; цветовая модель Grayscale (Black 95%), разрешение 300 dpi при 100%-ной величине; цветовая модель Bitmap, разрешение не ниже 600 dpi; толщины линий не менее 0,5 point; не следует использовать точечные закраски в программах работы с векторной графикой, таких как Noise, Black&white noise, Top noise; не следует добавлять сетку или серый фон на задний план графиков и схем; желательно иллюстрации предоставлять в двух вариантах (первый – со всеми надписями и обозначениями, второй – без текста и обозначений); все надписи на рисунках и названия рисунков обязательно (!) должны быть набраны текстом и располагаться на отдельной странице в текстовой части статьи.

Текст статьи Текст должен быть в формате MS Word; набран через двойной интервал; шрифтом Times New Roman, размер шрифта – 12 пунктов. Не следует вводить больше одного пробела подряд (в том числе при нумерации формул). Используйте абзацный отступ и табуляцию. Подзаголовки должны быть без нумерации. Таблицы представляются в формате MS Word. Их следует располагать в тексте непосредственно после ссылки на таблицу. В тексте статьи должны быть ссылки на все рисунки и таблицы. Если в статье один рисунок и/или таблица, номер не ставится. Рисунки с цифро-буквенной нумерацией обозначаются в тексте без запятой и пробела (например, рис. 1а). В шапке таблицы пустых ячеек быть не должно. 59

Правила представления статей В таблице не должно быть графы с порядковым номером. Если нумерация строк необходима, то порядковый номер указывается непосредственно перед текстом. При отсутствии данных в ячейках должны быть прочерки (т. е. пустых ячеек быть не должно). Подписи к рисункам должны содержать расшифровку всех обозначений, использованных на рисунке. На отдельном листе в конце статьи должны быть набраны названия рисунков с подписями, а также текст, размещенный на рисунках. Формулы и буквенные обозначения Все формулы должны быть набраны только (!) в математическом редакторе MathType с настройками строго (!) по умолчанию. Не допускается набор из составных элементов (часть – текст, часть – математический редактор). Не допускается также вставка формул в виде изображений. Формулы располагают по месту в тексте статьи. По возможности следует избегать «многоэтажных» формул. В частности, в сложных формулах экспоненту рекомендуется представлять как «exp». Дроби предпочтительно располагать отдельной строкой, числитель от знаменателя отделять горизонтальной чертой. В десятичных дробях для отделения целой части используется запятая (например, 10,5). В качестве знака умножения используется символ точка (·), при переносе формулы в качестве знака умножения следует использовать символ крест (×). Знак умножения в формулах ставится только (!) перед цифрой и между дробями. В формулах и тексте скалярные величины, обозначаемые латинскими буквами, набираются курсивом, обозначаемые греческими буквами – прямым шрифтом. Для обозначения векторных величин используется прямой полужирный шрифт, стрелка вверху не ставится. Одиночные буквы или символы, одиночные переменные или обозначения, у которых есть только верхний или только нижний индекс, единицы измерения и цифры в тексте, а также простые математические и химические формулы следует набирать в текстовом режиме без использования внедренных рамок (т. е. без использования математических редакторов). Слова «минус» и «плюс» перед цифрами обозначаются знаками (например, +4; –6). Размерности Размерности отделяются от числа пробелом, кроме градусов, процентов, промилле. Для сложных размерностей допускается использование как отрицательных степеней, так и скобок. Главное условие – соблюдение единообразия написания одинаковых размерностей по всему тексту и в иллюстрациях. При перечислении, а также в числовых интервалах размерность приводится только после последнего числа (например, 18–20 кг), за исключением угловых градусов. 60

Числовой диапазон оформляется коротким тире без пробелов (например, 18–20). Размерности переменных пишутся после их обозначений через запятую, а не в скобках. Список литературы В журналах принимается Ванкуверская система цитирования – последовательный численный стиль: ссылки нумеруются по ходу их упоминания в тексте, таблицах и рисунках. Единый список литературы оформляется также в порядке упоминания в тексте. На все работы, включенные в список литературы, должна быть ссылка в тексте. Допустимый объем самоцитирования автора не более 20% от источников в списке литературы. Не цитируются: • •

тезисы, учебники, учебные пособия; диссертации без депонирования.

Единый список литературы на русском языке размещают в конце текста статьи и озаглавливают «Список литературы». Единый список литературы в романском алфавите (латинице) размещают в англоязычном блоке после ключевых слов (Keywords) и озаглавливают References. В тексте статьи ссылки приводят квадратных скобках: [1–5] или [1, 3, 5]. Источники приводят на языке оригинала. Русские – на русском, англоязычные – на английском. Пример оформления статьи из периодического издания: Таран П. П., Иванов А. А. Глобализация и трудовая миграция: необходимость политики, основанной на правах человека // Век глобализации. 2010. № 1. С. 66–88. Пример оформления книги: Костылева Л. В. Неравенство населения России: тенденции, факторы, регулирование. М.: ИСЭРТ РАН, 2011. 200 с. Пример оформления электронного источника: Костылева Л. В. Неравенство населения России: тенденции, факторы, регулирование [Электронный ресурс]. М., 2011. 30 с. Адрес доступа: http://elsevierscience.ru/ Подписи к рисункам На отдельном листе должны быть набраны (в порядке упоминания в тексте) порядковый номер рисунка, его название, а также все надписи, расположенные на рисунке. Подписи к рисункам должны содержать расшифровку всех обозначений, использованных на рисунке. Комплект предоставляемых материалов Комплект материалов рукописи статьи должен включать электронную версию статьи; иллюстрации в виде отдельных графических файлов; экспертное заключение о разрешении публикации материалов в открытом доступе. Материалы следует загружать через электронную форму на сайте vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES Accepted for consideration manuscript with original results of theoretical and experimental research in the field of electronics with no publishing record. The maximum amount of 23000 articles printed characters (with spaces), including formulas, illustrations, tables. The mandatory elements of the articles are the following: • • • •

•

Thematic heading of magazine to which article should be carried Index of the universal decimal classification. The name of article, at the most specific and informative, in Russian and English languages. The information on authors, in Russian and English languages: regalia; place of job (the full and shorthand name of the organization, the post address with the indication of city and the postal index), a position; the electronic address; phone. If there’re few authors then the information should be presented on each of them. The summary of article in Russian and English languages. Novelty and a urgency of subject matter (without repetition of the title of article in the text of the summary) should be emphasized in the summary. The summary of article have to be informative and detailed, describe methods and the main results of research. The summary has to cover what questions are put for research and the answers to them are received. The structure of the summary has to repeat structure of article and including introduction, objectives and problems, methods, results/discussions, the conclusion/conclusions is preferential. The volume of the summary makes 100–200 words. Key words in Russian and English languages. Should reflect the main content of the article, but if possible not to repeat its name. The recommended amount – 3–6 words or short phrases. The main text of the article. The uniformity of terms should be observed as well as uniformity in the notation, systems of units, nomenclature. Avoid unnecessary abbreviations commonly used in addition. If the abridgement is still used then it must be transcribed in the text at the first mention. References in English and Russian languages. Must adequately reflect the current state of the study area and not be excessive. Must contain references to available sources. Not quoted theses, textbooks, manuals, thesis without deposit. The allowable amount of self-citation of the author should not exceed 20% of the sources in the bibliography. The list of illustrations should be placed down in the end of article and contain names of articles and the signatures placed in picture. vre.instel.ru

Formalized rules for articles Materials of the Articles are submitted for publication in electronic form. The electronic version of the paper should include the text portion in MS Word format (formulas in MathType), as well as illustrations as separate image files (each file should contain one figure). The article appears in the final version and copyright does not involve significant changes and additions, as well as does not include patches that are displayed in the fields or in the text of the work. English unit should include (in indicated order): title of the article, name all authors, abstract, keywords, references in the Roman alphabet. Graphical material All illustrations should be in black and white. Illustrations for each article must be in a separate folder with the title of the article; File name should include the figure number. Each file must contain only one drawing. illustrations parameters: • • • • •

• •

•

formats *.tif or *.eps; color model Grayscale (Black 95%), the resolution of 300 dpi at 100% value; color model Bitmap, resolution of at least 600 dpi; Lines’s thickness of not less than 0,5 point; It is not necessary to use dot shadings in programs of work with vector graphics, such as Noise, Black*white noise, Top noise It is not necessary to add a grid or a grey background on a background of charts and diagrams; it is desirable to provide the illustrations in two versions (the first – with all the inscriptions and symbols, the second – without text and symbols); All signs in the figures and the names of figures is obligatory (!) Should be typed in the text and placed on a separate page in the text of the article.

The text of article The text should be in MS Word format; typed double-spaced; font Times New Roman, font size – 12 points. Do not enter more than one space in a row (including the numbering of formulas). Use indentation and tabs. Subtitles should be without numbering. Tables submitted in MS Word format. They should be placed in the text immediately following the reference to the table. The text of the article should be a reference for all figures and tables. If an article of one figure and / or table number is not assigned. Figures alphanumeric numbering are indicated in the text without a comma and a space (for example, Fig. 1a). 61

Rules for submitting articles In the header of the table empty cells should not be. The table should not have graphs with a serial number. If line numbering is needed, the serial number is indicated immediately before the text. In the absence of data in the cells must be dashes (empty cells should not be). Captions should include decoding of symbols used in the figure. On a separate sheet at the end of the article should be typed in the names of images with captions, and also the text that appears in the figures. Formulas and letter designations All formulas should be typed only (!) In MathType mathematical editor. Not allowed set of constituents (Part – text part – mathematical editor). There can be no insert formulas in the form of images. Formula for a place in the text. If possible, avoid «multi-storey» formulas. In particular, complex formulas recommended exponent of as «exp». Fractions are preferably arranged separately, the numerator by the denominator separated by a horizontal line. In decimal fractions to separate the integer part of a comma (eg 10,5). As a sign of multiplication using the dot (·), when transferring the formula should use the cross symbol (×) as a multiplication sign. The multiplication sign in the formulas is put only (!) before a figure between fractions. In the formulas and text scalar quantities, denoted by Latin letters, italicized, denoted by Greek letters – font. To indicate vector quantities used straight bold, arrow at the top is not put. Single letters or symbols, single variables or symbols that have only the upper or only the lower the index, units, and figures in the text, as well as simple mathematical and chemical formulas should be typed in text mode without the use of embedded frames (ie, without the use of Mathematical editors). The words «minus» and «plus» to the numbers indicated by signs (eg 4, –6). Dimensions Dimensions are separated from the number by a space, except degrees, percent, per mille. For complex dimensions allowed as the negative powers, and parentheses. The main condition – that the consistency of writing the same dimensions throughout the text and illustrations. In the listing, as well as the dimension of the numerical ranges given only after the last day (e. g. 18–20 kg) except angular degrees. A numeric range is made short dash without spaces (for example, 18–20). 62

The dimensions of the variables are written after the notation, separated by commas, but not in parentheses. Bibliography The magazines use the Vancouver citation system – consistent numerical style: links are numbered in the course of their appearance in the text, tables and figures. A single list of references is also executed in the order mentioned in the text. All work included in the list of references should be referenced in the text. The allowable amount of self-citation is not the author of more than 20% of the sources in the bibliography. Do not quoted: • •

theses, textbooks, teaching aids; dissertation without deposit.

A unified list of literature in Russian is placed at the end of the text and the headline «References». A unified list of references in the Roman alphabet (Roman alphabet) are placed in an English-speaking unit after keywords (CET Keywords) and headline References. The text of the article links lead brackets: [1–5] or [1, 3, 5]. Sources of lead in the original language. Russian – Russian, English language – English. A sample of articles from periodicals: Taran P. P., Ivanov A. A. Globalization and labor migration: the need for a policy based on human rights // Century of Globalization. 2010. № 1. pages 66–88. Formalizing example for the book Kostyleva L. V. Inequality of the Russian population: trends, factors that regulation. M.: ISERT RAS, 2011. 200 p. Example of electronic sources: Kostyleva L. V. Inequality population of Russia: tendencies, factors, regulation [electronic resource]. M., 2011. 30 p. Access Location: http://elsevierscience.ru/ Signatures to pictures On a separate sheet should be typed (in order of appearance in the text) the serial number of the picture, its name, as well as all the inscriptions located in the picture. Captions should include decoding of symbols used in the figure. The complete set of provided materials The complete set of materials of the manuscript of article should include the electronic version of article; illustrations in the form of separate graphic files; expert opinion on the permission of the materials publication in open access. Materials should be submit online vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 3/2020