Ными аппаратами
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
A, фаза φ, частота F , разность частот ∆F , разность задержек ∆τ и др. [2]. Цель статьи состоит в описании модели функционирования комплекса РК ССС VSAT с применением подвижного ретранслятора на лётно-подъёмном сред- стве (ЛПС), что позволит обеспечить энергетическую доступность и требуемую оперативность для формирования пространственной базы измерений КИП. В ССС VSAT ЗС передают пакеты в строго отведённые им временные ин- тервалы для обеспечения устойчивого функционирования в режиме с МДВР или МЧ-МДВР. В силу неточности выведения КА на геостационарную орбиту, влияния Луны и других небесных объектов КА дрейфует относительно определённой под- спутниковой точки, что приводит к временным задержкам распространения сигна- лов, которые могут составлять до 120 мкс [3]. Для обеспечения приёма пакета ЗС в заданном интервале, который отобра- жен на рисунке 2 выноской 3, ЦЗС осуществляет корректировку временных задер- жек с помощью пакетов синхронизации в прямом канале, показанных выноской 1. При первичном приёме пакета синхронизации ЗС через некоторое время T 0 отправ- 198 ляет в обратном канале пакет, обозначенный выноской 2. ЦЗС принимает данный пакет и вычисляет T ОШ – ошибку времени получения пакета от ЗС. Совмест- но со следующим пакетом синхронизации ЦЗС передает на ЗС данные о величине T ОШ для корректировки временной задержки T 0 – для того, чтобы пакеты от ЗС по- ступали на ЦЗС в заданном временном интервале, отмеченном выноской 3. Таким образом, из приведенного описания следует, что величина временной задержки между приёмом пакета синхронизации от ЦЗС и отправкой пакета ЗС на протяже- нии сеанса передачи данных постоянна и может быть приближенно вычислена с учетом протяженности трассы ЗС–КА–ЦЗС. Рисунок 2 – Схема временной синхронизации в VSAT сетях с МЧ-МДВР Основываясь на этом утверждении, можно ввести следующее допущение: на интервале передачи данных координаты КА и ЗС остаются постоянными. С учётом этого время распространения сигналов по трассе ЦЗС–КА–ЗС также не изменится. На рисунке 3 иллюстрируется модель функционирования комплекса РК ССС VSAT. Пакет синхронизации от ЦЗС в прямом канале, изображенный на ри- сунке 3 выноской 1, поступает на вход ЗС. Далее через интервал времени T 0 ЗС из- лучает пакет в обратном канале, который обозначен выноской 2. В свою очередь, комплекс РК принимает пакет синхронизации от ЦЗС в момент времени t ПК , а ре- транслированный ЛПС пакет от ЗС – в момент времени t ОК Очевидно, что моменты времени t ПК и t ОК не могут быть определены абсо- лютно точно. Ошибки их измерения eˆ ПК и eˆ ОК можно считать независимыми нор- мальными случайными величинами с нулевым математическим ожиданием и дис- персиями σ 2 . Согласно рисунку 3, разность моментов времени приёма пакетов син- хронизации может быть вычислена по формуле (1) ∆tˆ = tˆ ОК − tˆ ПК = t ОК + eˆ ОК − (t ПК + eˆ ПК ) = t ПК + T 3 + T 1 + T 2 + +eˆ ОК − (t ПК + eˆ ПК ) = T 3 + T 1 + T 2 + eˆ Σ , (1) где T 3 – интервал времени между приёмом пакета синхронизации ЦЗС ком- плексом РК и излучением пакета синхронизации в обратном канале ЗС; T 1 – время распространения сигнала в обратном канале от ЗС до ретрансля- тора на ЛПС; 199 T 2 – время распространения сигнала от ретранслятора на ЛПС до комплекса РК; eˆ Σ = eˆ ОК − eˆ ПК – результирующая ошибка измерения времени поступления пакетов синхронизации. Рисунок 3 — Схема функционирования комплекса РК при измерении КИП ЗС систем VSAT От разности моментов времени приёма пакетов ∆tˆ в прямом и обратном ка- налах можно перейти к разности расстояний ∆Rˆ ∆ Rˆ = tˆ · C = R ЗС + R ЛПС_ЗС + R ЛПС_РК + eˆ R , (2) где C – скорость распространения радиоволн; R ЗС – постоянная на всём интервале измерения величина, прямо пропорцио- нальная неизвестному интервалу времени T 3 ; R ЛПС_ЗС – расстояние от ЗС до ретранслятора на ЛПС; R ЛПС_РК – расстояние от ретранслятора на ЛПС до комплекса РК; e ˆ R – случайная величина, равная e ˆ Σ · C. В формуле (2) разность ∆R ˆ содержит слагаемое R ЛПС_ЗС , равное расстоя- нию трассы ЛПС–ЗС, постоянную составляющую R ЗС , величину R ЛПС_РК , значение которой может быть вычислено (по известным координатам ЛПС и комплекса РК) и некоторую погрешность измерений e ˆ R , распределённую по нормальному закону. Таким образом, можно применить псевдодальномерный метод определения коор- динат источника радиоизлучения (ИРИ) [4], позволяющий однозначно определить местоположение ЗС путем формирования пространственной базы измерений КИП подвижным ретранслятором на ЛПС. В качестве ЛПС целесообразно использовать беспилотный летательный аппа- рат (БЛА) как одно из наиболее эффективных средств РК. Характеристики БЛА «Орлан-10» приведены в таблице 1. 200 Таблица 1- Характеристики БЛА «Орлан-10» № п/п Наименование параметра Единица измерения параметра 1 Масса полезной нагрузки, кг 2,5 2 Скорость полёта, км/час 70..150 3 Максимальная продолжительность полёта, ч. 10 4 Максимальная высота полёта, км 5 5 Максимальный радиус применения, км 300 Для достижения максимально возможной точности при оценивании коорди- нат ИРИ необходимо выбирать траекторию движения измерителя таким образом, чтобы она описывала окружность относительно предполагаемого места располо- жения ИРИ [4]. Маршрут движения ретранслятора на ЛПС иллюстрируется рисунком 4, на котором расположение наземного пункта управления (НПУ) БЛА совмещено с комплексом РК. ЛПС осуществляет взлёт в районе НПУ, производит набор высоты h ЛПС и выдвижение к предполагаемому району местоположения ЗС ССС VSAT. Далее ЛПС делает облёт указанного района по окружности с радиусом R ЛПС , ре- транслируя сигнал ЗС на комплекс РК, где производится оценивание КИП. Рисунок 4 — Схема формирования базы измерении КИП с применением ре- транслятора на ЛПС при ведении РК ССС VSAT. Оценивание энергетической доступности было проведено на основе методик расчёта радиорелейных линий [5, 6]. В качестве параметров аппаратуры комплекса РК и ЗС ССС VSAT были приняты типовые значения. Результаты свидетельствуют о том, что при расстояниях ЗС-ЛПС < 30 км и ЛПС-РК< 50 км мощность сигнала на входе комплекса РК превышает значение минус 120 дБм, что соответствует рабочей чувствительности приёмника. 201 На тех же расстояниях ЗС-ЛПС и ЛПС-РК минимальное значение, которое принимает величина ОСШ составит минус 3 дБ. Такая оценка была получена для единичной базы при ширине полосы 100 кГц и длительности сигнала 10 мкс. По- лученное ОСШ может быть повышено до требуемого путём накопление сигнала при корреляционной обработке. Таким образом, можно сделать вывод о перспективности использования Мо- дели функционирования комплекса РК ССС VSAT с применением подвижного ре- транслятора на ЛПС для оценивания КИП ЗС с требуемой оперативностью по сиг- налам прямого и обратного каналов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Рембовский А. М., Ашихмин А. В., Козьмин В. А. Радиомониторинг: задачи, методы,средства / Под ред. А. М. Рембовского. — М.: Горячая линия - Телеком, 2008. —492 с. 2. Обнаружение и анализ сигналов сложной структуры / А. В. Андреев, О. Н. Воронин,А. И. Замарин, В. М. Медведев; Под ред. А. И. Замарина. — СПб.: МО РФ, 1996. —522 с. 3. Воронин А.В., Иванов В.Н.Способ определения местоположения VSAT-станций в спутниковой сети. — пат. 2450284 РФ: МПК G01S5/02 № 2010121505/07; заявл.26.05.2010; опубл. 10.12.2011. — 4 с. 4. Овчаренко К.Л. Алгоритм расчета координат источника радиоизлучения дальномерным методом при однопозиционных измерениях с систематической ошибкой //Телекоммуникации. — 2014. — № 6. — С. 6–13. 5. ГОСТ Р 53363-2009. Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета.; Введ. 13.07.2009. — М.: Стандартинформ, 2010. — 39 с. 6. Мордухович Л. Г., Степанов А. П. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1987. — 192 с. 202 В.Б. ВАСИЛЬЕВ, старший научный сотрудник СПб Ф АО «Концерн «Вега» И.Н. ОКОВ, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник СПб Ф АО «Концерн «Вега» Ю.Н. СТРЕЖИК, ведущий программист А.А. УСТИНОВ, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник СПб Ф АО «Концерн «Вега» Н.В. ШВЕЦОВ, программист СПб Ф АО «Концерн «Вега» СЖАТИЕ И ЗАЩИТА ВИДЕОДАННЫХ В РАДИОКАНАЛАХ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ БЛА В докладе приводятся результаты разработки алгоритмов сжатия цифровых изображений и видео информации с одновременным обеспечением защиты конфи- денциальности и подлинности их передачи по радиоканалам обмена информации комплексов БЛА. Для потребителей видовых данных с борта БЛА актуальным стало получе- ние цветных и полутоновых черно-белых изображений размером кадра 25 Мпиксе- лей и более с разрядностью до 12 бит на пиксель, а также видеоданных с качеством Full HD 1080p. Сжатые видовые данные могут записываться в бортовой регистра- тор, что требует их сжатия со значениями коэффициента сжатия не менее десятков раз при условии сохранения высокого качества сжатых данных. Для обеспечения оперативности доставки сжатые видовые данные должны передаваться по радио- каналам, для которых характерно значительное изменение условий радиосвязи и воздействие случайных и преднамеренных ошибок передачи с различными закона- ми их распределения. Это обуславливает необходимость адаптации параметров сжатых видовых данных по скорости передачи и режимам помехозащиты. В силу низкой разведзащищенности радиоканалов обмена информации комплексов БЛА также требуется обеспечивать защиту конфиденциальности передаваемых и хра- нимых данных и их подлинности. Последняя задача традиционно обеспечивается использованием криптографических методов защиты, у которых, однако, есть определенный эксплуатационный недостаток: они существенно понижают помехо- устойчивость передачи заверенной с их помощью информации. В части реализации также существенные трудности вызывает разработка малогабаритных бортовых средств обработки и передачи высокоскоростных потоков сжатых данных при условии минимизации энергопотребления. В СПб Филиале АО «Концерн «Вега» разработана технология защищенного сжатия и передачи видео и аэрофото данных с борта БЛА. Для построения алгоритмов сжатия были проанализированы принципы по- строения существующих стандартов сжатия цифровых изображений и видео дан- 203 ных JPEG2000, H.264 и H.265. В силу их основного предназначения они обладают недостатками, затрудняющими их использование в мобильных системах военного назначения. Они характеризуются низкой помехоустойчивостью: например, при вероятности ошибки на бит в канале передачи, начиная с 6 10 , качество видео дан- ных H.264 и H.265 во всех их режимах становится недопустимо низким. Для мак- симального расширения области применения перечисленных стандартов в них предусмотрена существенная избыточность, что не вполне эффективно для постро- ения достаточно узко специализированных видео кодеков комплексов БЛА. Из- вестные стандарты построены по принципу: высокопроизводительная передающая часть, как правило, стационарная и работающая в широковещательном режиме, и существенно менее сложные видео декодеры, характерные для множества мобиль- ных получателей. Однако в комплексах БЛА ситуация диаметрально противопо- ложная: на передающей части сложность и энергопотребление бортовых видео ко- деров целесообразно уменьшить, и это допустимо компенсировать использованием более высокопроизводительных и энерго затратных видео декодеров на наземных станциях приема. В силу перечисленных причин был разработан адаптированный под мобиль- ные объекты алгоритм сжатия и защиты видео данных в режиме трехмерной обра- ботки. На первом этапе выполняется одномерное дискретное косинусное преобра- зование (ДКП) одноименных пикселей восьми последовательных кадров видео. На этом этапе преимущественно устраняется временная избыточность последователь- ных кадров видео. Затем над коэффициентами ДКП выполняется двухмерное дис- кретное вейвлет преобразование (ДВП) первых трех уровней, устраняющее про- странственную избыточность видео данных. Затем коэффициенты ДВП разделяют- ся на битовые плоскости, каждую из которых разбивают на кодовые блоки требуе- мого размера. Считанная из кодового блока по заданному правилу двоичная после- довательность в один проход сжимается модифицированным двоичным арифмети- ческим кодером, в котором устраняется статистическая избыточность. В арифметический кодер дополнительно встроена защита конфиденциально- сти и подлинности сжатых данных. Защита от несанкционированного просмотра построена на кодовом преобразовании с использованием конфиденциального клю- ча очередных сжатых байтов в зависимости от предыдущего состояния арифмети- ческого кодека. Это позволяет существенно повысить неопределенность наруши- теля о защищаемых видовых данных. Защита от навязывания ложной информации обеспечивается формированием короткого аутентификатора от арифметически ко- дированной последовательностью и его встраиванием в саму кодированную после- довательность без использования дополнительных бит. В результате каждая коди- рованная последовательность является элементарной структурной единицей с наложенной на нее защитой, из которых в соответствии с выделенным лимитом битовой скорости с большой гибкостью может быть сформирован выходной поток для записи в бортовой накопитель и/или для выдачи в канал с переменными пара- метрами с возможностью адаптации по скорости передачи. На приемной стороне 204 получатель формирует оценку подлинности каждого фрагмента изображения с до- пустимой вероятностью необнаружения навязывания ложной информации в воз- можном диапазоне значений 12 5 10 10 , при этом обеспечивается различение атаки нарушителя от ситуации воздействия ошибок канала передачи. В алгоритме сжатия и защиты цифровых изображений по сравнению с видео отсутствует этап дискретного косинусного преобразования, а также для получения изображений повышенного качества видимого и ИК диапазонов число уровней двухмерного дискретного вейвлет преобразования может быть увеличено. За счет использованных технических решений удалось повысить помехо- устойчивость передачи сжатых видовых данных: при вероятности ошибки на бит в канале передачи порядка 4 10 качество принятых видео данных и цифровых изоб- ражений остается приемлемым, причем ошибки передачи не приводят к отказу от декодирования оставшейся части кадра. Для повышения устойчивости к ошибкам передачи вплоть до 2 2 10 10 5 предусмотрен режим встроенного помехоустойчивого кодирования с возможно- стью адаптивного изменения скорости кода. Особенностью является реализация совместного арифметического и помехоустойчивого кодирования на передающей стороне и совместного арифметического и помехоустойчивого декодирования на приеме, позволяющих встроить помехозащиту за счет рационального использова- ния избыточности кодируемых данных без существенной потери коэффициента сжатия, причем подавляющая часть вычислительной сложности обработки прихо- дится на приемную сторону. Бортовая часть аппаратно реализована на ПЛИС Kintex 7, приемная часть - программно на типовых 4(8)-ядерных процессорах общего применения с возмож- ностью ускорения на графических вычислителях CUDA. Использованные техни- ческие решения позволяют наращивать число одновременно обрабатываемых по- токов (до 4 видео с параметрами не менее Full HD 1080p и до 4 фото с размером кадра не менее 25 Мпикселей каждый), c возможностью модернизации и добавле- ния операций обработки и защиты. 205 А.Г. ДЕМИДЕНКО, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научной работе ЗАО КБ «Панорама» (г. Москва) Д.А. ОСИПОВ, инженер-программист ЗАО КБ «Панорама» (г. Москва) ПРИМЕНЕНИЕ ГИС «ОПЕРАТОР» В КОМПЛЕКСАХ С БЛА ДЛЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ДАННЫХ Геоинформационное обеспечение включает сбор, обработку, хранение и до- ведение до потребителей изображений и описаний местности, геодезических и гид- рометеорологических данных в виде графических, текстовых, цифровых и фотодо- кументов. Объемы и разнообразие таких документов, содержащих информацию о местности, состоянии атмосферы и космического пространства, зависят от масшта- ба использования военной силы и территории вооруженного конфликта. В США обеспечивают создание и использование более 300 видов геоинформационных до- кументов. Цифровая информация о местности используется штабами и личным соста- вом вооруженных сил в автоматизированных системах управления войсками, си- стемах навигации, средствах боевого поражения при наведении на цель и в трена- жерах, включая: точные геодезические данные для определения координат целей и навига- ции; цифровые данные о высотах местности для планирования наземных и воз- душных операций; информация о местности для анализа местоположения целей; гравиметрические данные для планирования пуска ракет и расчета траекто- рий полета, цифровые базы данных для анализа местности в тактическом звене управле- ния; детальная цифровая информация с опорными данными для систем планиро- вания и управления, моделирования боевых действий и обучения; копии цифровых документов на твердой основе (фотодокументов, топогра- фических и специальных карт); метеорологические данные. Все эти сведения должны интегрироваться на базе единой картографической основы. Единая картографическая основа Единая картографическая основа (ЕКО) предназначена для формирования в войсках, штабах, управлениях единого информационного пространства для визуа- 206 лизации информации о местности и текущей обстановке. ЕКО может быть сфор- мирована на основе снимков местности, цифровых топографических карт или их комбинации. Цифровая ЕКО должна включать разномасштабную информацию о местности, соответствовать всем требованиям по точности и составу отображения объектов. ЕКО должна охватывать весь земной шар. Очевидно, что цифровые данные о местности всего масштабного ряда, охватывающие большую территорию будут за- нимать значительные объемы дисковой и оперативной памяти компьютера. В тоже время на экране одновременно можно просматривать довольно ограниченную тер- риторию, или сильно генерализированную информацию. Для удобства использова- ния больших объемов цифровой информации о местности применяется технология тайловых геопокрытий. Мультимасштабная ЕКО КБ "Панорама" реализована технология автоматизированного формирования и актуализации мультимасштабной единой картографической основы. Для форми- рования цифровой ЕКО используются обзорно-географические и цифровые топо- графические карты различных масштабов. Карты каждого масштаба объединяются в единое геопокрытие, а геопокрытия в электронный мультимасштабный атлас. Специальные программные средства обеспечивают заблаговременное либо оперативное формирование тайлов для различных уровней отображения ЕКО, При этом используются цифровые карты наиболее подходящего масштаба. Варианты геопокрытий По аналогичной технологии сформированы тайловые геопокрытия популяр- ных сервисов Yandex, Google, Open Street Maps и прочие. Для хранения больших объемов данных компании разворачивают мощные сервера, обеспечивающие вы- дачу данных большому количеству клиентов. Такие сервера принято называть об- лаком данных. Применение единых протоколов предоставления данных позволяет формировать запросы на получение сведений из облака любому приложению, под- держивающему такие протоколы. В ГИС «Оператор» встроены средства подключения к удаленным информа- ционным ресурсам в различных облаках данных. Автономное использование геопокрытий При наличии доступа к сети Интернет, ГИС "Оператор" обеспечивает кэши- рование данных из внешних геопорталов на компьютер пользователя, для ускоре- ния отображения карты при повторных обращениях к одним и тем же участкам местности. Эта возможность может быть использована для заблаговременного со- хранения изображений на компьютер пользователя с целью автономного использо- вания сведений из облака данных при отсутствии доступа к сети Интернет. 207 ЕКО ВС РФ На основе обзорно-географических и топографических карт, созданных ВТС ВС РФ в НЦУО ВС РФ сформирована единая картографическая основа для НЦУО РФ. ЕКО представлено мультимасштабным тайловым геопокрытием и может быть использована в комплексах БЛА для обзорного ориентирования на местности, формирования маршрутов перемещения комплексов и маршрутов полетов БЛА. Граф дорог Для построения маршрутов следования в ГИС "Оператор" встроены средства анализа специальной цифровой карты – граф дорог. Модель граф дорог создается заблаговременно на основе цифровых топографических или навигационных карт. Граф дорог учитывает класс дороги, ширину дорожного покрытия, скорость дви- жения, односторонние участки и запреты (проезд, поворот, разворот и пр.). На ос- нове графа дорог обеспечивается построение маршрутов следования от пункта к пункту или маршрут объезда нескольких пунктов – задача коммивояжёра. Использование ГНСС для маршрутизации В ГИС "Оператор" встроены средства отображения текущего местоположе- ния на основании сведений поступающих от подключенного к компьютеру ГЛО- НАСС приемника. Программа получает данные по протоколу NMEA и отображает местоположение на неподвижной карте (движется объект) или на подвижной карте (аналог автомобильного навигатора). Текущее местоположение может быть сохра- нено в виде путевых точек или треков движения для последующего анализа. Использование ГНСС для оперативной обработки снимков с БЛА Фотоматериалы, поступающие с БЛА, имеют пространственную привязку, на основе аппаратуры ГНСС, установленной на летательном аппарате. Сведения о координатах центра фотографирования, скорости и курсе используются в ГИС "Оператор" для "грубой" пространственной привязки снимков и формирования так называемого "накидного монтажа". В рамках единого окна карты изображения от- дельных снимков с БЛА накладываются на изображение ЕКО и позволяют опера- тивно оценивать местности, получать и обрабатывать разведывательные данные. Анализ разновременных данных Для анализа изменений местности, путем сравнения архивных данных и опе- ративно, получаемых с БЛА в ГИС "Оператор" встроен режим "Шторка растра". Данный режим позволят визуально оценивать изменения местности на двух разно- временных снимках. Изображение карты на экране компьютера разбивается на две области, разделенных вертикальной линией. Слева выводится изображение одного снимка, а справа другого. При перемещении манипулятора мышь, можно изменять размеры отображаемой области левого или правого снимков, для того чтобы оце- нить состояние местности до и после съемки. 208 Умные знаки При выявлении изменений пользователь может оперативно оцифровать вы- явленные изменения. Для векторизации объектов оперативно-тактической обста- новки в ГИС "Оператор" включена библиотека условных знаков, соответствующая КЭУЗ 2012 – цифровой классификатор карты operator.rsc. КЭУЗ 2012 включает бо- лее 20 000 условных обозначений. Реализованная в ГИС "Оператор" технология «Умные знаки» позволяет управлять внешним видом объекта при смене значений семантики (атрибутов). За счет этого сокращено количество объектов в классифи- каторе. Так в ГИС «Интеграция» требуется около 20 000 знаков, а в ГИС «Опера- тор» – около 2 000. Использование ортофотопланов в ГИС «Оператор» Для векторизации объектов может быть использовано изображение "накид- ного монтажа", или данные из внешнего геопортала. Однако точность таких дан- ных недостаточна для решения расчетных и информационно-аналитических задач. Для этих целей должны применяться ортофотопланы. Существующие фотограм- метрические комплексы ФОТОМОД и ФОТОСКАН позволяют оперативно созда- вать цифровые ортофотопланы и матрицы высот рельефа по снимкам с БЛА. ГИС "Оператор" интегрирован с этими комплексами в части комплексного использова- ния ортофотопланов и матрицы высот рельефа. Ортофотопланы в формате GeoTIFF открываются в среде ГИС «Оператор» с автоматической привязкой к местности. При этом программа «на лету» перепро- ецирует ортофотоплан при добавлении внешних геопорталов. При укрупнении масштаба экранного изображения хорошо видна разница в детальности изображений с БЛА и с космических снимков. Использование ортофотопланов и матриц в ГИС «Оператор» Комплексное использование ортофотопланов и матрицы высот рельефа поз- воляет синтезировать в среде ГИС "Оператор" изображение местности отобража- ющее формы рельефа совместно с изображением местности. Синтезированное изображение в ГИС «Оператор» Синтезированное изображение в ГИС Оператор позволяет более наглядно оценивать местность. По нему проще выполнять операции векторизации и дешиф- рирование элементов местности. Прикладные задачи на основе 3D-изображения Комплексная модель (ортофотоплан + матрица высот рельефа) может быть использована для решения расчетных и информационно-аналитических задач. По- пулярный режим «Построение зон видимости» обеспечивает формирование в ука- занном пользователем секторе расчет видимости точки местности относительно 209 точки наблюдения и графическое отображение на фоне ортофотоплана невидимых участков. Способность привязывать операционные районы в трехмерном пространстве обеспечивает моделирование с целью учета виртуальной реальности и является не- обходимым условием для эффективной подготовки огневых средств к выполнению сложных задач. ГИС «Оператор» обеспечивает вариативное построение зон видимости, например для выбора наилучшей позиции огневой точки. Так незначительная кор- ректировка местоположения наблюдателя позволяет получить максимальную зону обзора. Прикладные задачи с использованием МВР На основе матрицы высот рельефа в ГИС "Оператор" выполняется построе- ние профилей, расчет уклонов мерности и построение зон проходимости вне дорог с учетом рельефа. Точное цифровое моделирование высот позволяет летать на малых высотах над полем боя, использовать маскирующие и демаскирующие свойства местности в своих интересах и решать инженерные задачи. Обработка видеофайлов с БЛА На БЛА кроме фотоаппаратуры может быть установлена видео аппаратура. ГИС «Оператор» обеспечивает оперативную обработку видеофайлов, включая: формирование трека движения БЛА; просмотр видеоизображения синхронно с отображением местоположения БЛА на карте; просмотр кадра изображения для точки на треке. Оперативные отчеты Для гарантированной победы необходимо достичь над противником так называемого информационного превосходства, что позволяет упредить его в оцен- ке быстро меняющейся обстановки на поле боя, принятии правильного решения и планировании хода боевых действий. Для описания текущей боевой обстановки с применением БЛА в ГИС «Оператор» встроены режимы оперативного дешифриро- вания выявленных позиций противники или иных зон интереса и формирования по этим данным отчетных документов. При выявлении на аэрофотоснимках, полученных с БЛА или иных источни- ков, объектов интереса, оператор указывает на карте ограничивающий данный объ- ект прямоугольник. Метрическое описание объекта интереса сопровождается тек- стовым комментарием. Затем, по выделенным на карте объектам – зонам интереса, формируется текстовый отчет. Для заполнения титульной части документа в диа- логе вводятся сведения о воинской части, районе боевых действий, ФИО долж- ностного лица и сведениях о снимке на котором выявлены объекты. Формирование 210 отчета производится в автоматическом режиме, на основе существующего шабло- на. Заключение Процесс геоинформационного обеспечения является непрерывным, что обу- словлено постоянным изменением погодных условий и местности из-за воздей- ствия на них как человека, так и природных явлений. Кроме того, на объемы и ка- чественные характеристики этого обеспечения влияет развитие техники, а также совершенствование военного искусства. На данном этапе развития необходимо ввести новые типы геоинформацион- ного обеспечения, включая: тайловое геопокрытие на основе цифровых карт; тайловое геопокрытие на основе космических снимков; цифровая матрица высот рельефа; цифровая модель граф дорог; база данных о местности на основе данных из открытых источников На основании всей полноты цифровой информации о местности должна формироваться библиотека информации министерства обороны. Такая библиотека обеспечивает доступ к военным и невоенным сведениям о местности, атмосфере, Мировом океане и ближнем космическом пространстве через многочисленные уз- лы компьютерной сети, что крайне необходимо для принятия государственных и оборонных решений. Она может использоваться также для учебных целей, озна- комления с обстановкой и ее анализа на основе полученной информации путем мо- делирования ситуаций. 211 Ю.Н. ОСИПОВ, кандидат военных наук, профессор, вед. научный сотрудник НИЦ Р ФГБУ ВНИИПО МЧС России В.И. ЕРШОВ, кандидат военных наук, доцент, ст. научный сотрудник НИЦ Р ФГБУ ВНИИПО МЧС России А.В. ИВАНОВ, начальник НИО разработки авиационно-спасательных технологий НИЦ Р ФГБУ ВНИИПО МЧС России ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОГО ТИПА И ОСНАЩЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ С БЛА В практической деятельности лиц, участвующих в выработке решений по внедрению робототехнических средств (РТС), возникает естественный вопрос о том, насколько рациональным является применение того или иного типа комплек- сов с БЛА при выполнении стоящих задач. Обычно об этом судят по результатам оценки некоторого его свойства, называемого эффективностью. Однако, эффектив- ность, являясь одним из общепринятых понятий, не имеет пока единого общепри- знанного определения. В соответствии с сутью изложенной постановки вопроса под эффективно- стью комплексов с БЛА будем понимать некоторое их свойство, которое характе- ризует то, на сколькорациональным является ихприменение в той или иной ситу- ации. В изложенных ниже положениях по рассматриваемой проблематике учиты- вались результаты анализа подходов к оценке эффективности, представленных в ряде научных разработок [1, 2, 3, 4 и других]. Рациональность применения комплексов с БЛА, как и любого робототехни- ческого средства, определяется двумя основными факторами: результативностью – возможностями по достижению результатов примене- ния комплекса, определяющих сам факт выполнения стоящей задачи; затратностью ресурсов – свойством, характеризующим то, насколько эконо- мично использованы ресурсы при выполнении этой задачи. Для оценки эффективности, естественно, используются соответствующие величины, называемые показателями эффективности комплексов с БЛА. Следует отметить, что эффективность комплексов с БЛА в общем случае оценивается не одиночной величиной, а множеством показателей, так как и факт выполнения по- жаротушения или аварийно-спасательной работы, а также затраты имеющихся ре- сурсов характеризуются множеством показателей и условий. Набор этих показате- лей формируется для каждого случая применения комплексов путем отбора тако- вых из всего множества характеристик комплексов и их возможностей по выпол- нению стоящей задачи в соответствии с характером доминирующих факторов. 212 Следует так же иметь ввиду, что оценка эффективности комплексов с БЛА, в первую очередь, направлена на поиск наилучшей альтернативы из их определённо- го множества, в качестве элементов которого выступают разные типы или вариан- ты исполнения комплекса. Целью же оценки является их ранжирование по рацио- нальности использования в конкретной ситуации. Таким образом, методический аппарат оценки эффективности комплексов с БЛА включает: аппарат формирования системы показателей эффективности комплексов с БЛА и определения их значений для конкретного случая; аппарат ранжирования комплексов с БЛА по их эффективности. Формирование системы показателей эффективности является основным эле- ментом многих подходов к решению вопроса по оценке эффективности любого объекта (технического, экономического, социального и др.). Далее приводится подход к формулированию системы показателей, который сформирован с исполь- зованием положений упомянутых разработок и, по мнению авторов, является раци- ональным для оценки эффективности противопожарных и аварийно-спасательных комплексов. При этом некоторые данные ранее названия, которые авторы сочти неудачными, переименованы. Все показатели эффективности по виду (цели) оценки комплексов разделя- ются: на показатели качества выполнения задачи (пожаротушения или аварийно- спасательных работ; показатели технического уровня комплекса. Показатели качества выполнения задачи характеризуют возможности ком- плекса и рациональность его применения в конкретной ситуации. Показатели технического уровня характеризуют техническое совершенство комплекса. Они являются относительными характеристиками, несущими информа- цию о сравнении комплекса с наилучшими образцами. Все показатели качества выполнения задач бывают частными и интеграль- ными. Частные показатели позволяют оценить свойство одной характерной сторо- ны применения комплекса: функционирование одного вида оборудования или от- дельной части комплекса, проведение отдельной операции в рамках аварийно- спасательной работы и т.д. В качестве частных показателей эффективности ком- плексов с БЛА выступают величины некоторых их возможностей и технических характеристик, имеющие отношение к оценке рациональности применения ком- плексов в конкретных условиях. Частные показатели определяются по результатам соответствующих испытаний или вычислений соответствующих возможностей. Каждый частный показатель классифицируется по двум признакам: по основным факторам рациональности применения комплексов с БЛА, от- нося его: к показателям результативности 213 либо показателям затратности ресурсов; по предметной стороне показателя, относя его: к показателям результата; показателям функциональности или показателям компетентности специалистов. Показатели результативности определяют степень реализации запланиро- ванной деятельности и достижения ожидаемых результатов. Показатели результа- тивности являются базовыми показателями, как отдельных процессов, так и всей системы, определяющими целенаправленность, смысл функционирования ком- плекса, его основную задачу. Показатели затратности отражают связь между достигнутым результатом и использованными ресурсами, позволяют оценить различные пути достижения ре- зультата с учетом экономии ресурсов. Показатели результата дают оценку деятельности, но не содержат данных о способах достижения цели и не позволяют судить о тенденции развития. Обычно к ним относятся величины, характеризующие: объем выполняемых работ, время вы- полнения задач, материальные потери, предотвращенный ущерб и другие результа- ты функционирования. Показатели функциональности комплексов являются индикаторами тенден- ции развития результатов (например, производительность объекта), они обычно связаны с ключевыми факторами успеха. Показатели функциональности, в основ- ном, имеют оперативный характер, позволяют диагностировать положительные и негативные тенденции развития, отражают влияние на будущие результаты. К ним относятся характеристики производительности комплексов с БЛА (скорость поле- та, скорость передачи данных, …) , надежности их работы, технологичности в от- ношении проведения оперативного ремонта при возможном повреждении от пора- жающих факторов, а также величины расхода ресурсов в единицу времени, затра- ченных на выполнение отдельных технологических операций или осуществление оперативного ремонта. Показатели компетентности специалистов отражают способность руководя- щего состава и операторов комплексов к внедрению и реализации рациональных авиационных робототехнических технологий. Они могут быть представлены в виде вероятностей безошибочных действий специалистов и/или решений руководящего состава, выраженных посредством соответствующих коэффициентов и балльных величин при наличии правил (аппарата) их учета. Интегральный – это показатель, объединяющий несколько частных посред- ством реализации различных математических методов. При формулировании инте- гральных показателей следует учитывать, что каждый из них должен иметь: определенный, обоснованный физический или экономический смысл; отношение к оценке рациональности комплексов с БЛА в исследуемой ситу- ации, при этом либо отражая отдельную вновь выявленную обобщенную сторону этого свойства, либо сокращая количество используемых частных показателей. 214 Примером распространенного интегрального показателя результативности является вероятность выполнения задачи. Этот показатель занимает особое место в оценке эффективности комплексов с БЛА, – во многих случаях он может быть единственным показателем результативности, объединяя все частные показатели, относящиеся к различным предметным сторонам. Зачастую вероятность выполне- ния задачи определяется с помощью усредненного аналитического выражения, например: I i i i i t P t P k P k k k P 1 св б рем бр ор г такт вз ), ( ) ( где k такт , k г , k ор , k рем – коэффициенты, учитывающие, соответственно, уро- вень тактической подготовки руководящего состава, готовности к выполнению за- дачи, оперативности работы, технологичности осуществления оперативного ре- монта; P бр , P б , P св – вероятности, соответственно, безотказной работы комплекса, безошибочного и своевременного выполнения оператором i-той операции за время t i (i = 1, …, I). Наиболее правдоподобное значение этого показателя может быть получено при использовании имитационной стохастической математической модели функ- ционирования комплекса. Имитационное моделирование – это исследование с ис- пользованием численных методов, проводимое на вычислительных машинах с ма- тематическим аналогом комплекса (математической моделью) – математическим описанием функционирования комплекса при детализации поведения всех основ- ных его элементов. Отдельному математическому описанию подлежат все основ- ные технологические операции, оказывающие, по мнению исследователя, какое либо влияние на конечный результат. При стохастическом исследовании осу- ществляется моделирование случайных явлений путем генерирования случайных величин, характеризующих стохастические процессы, с параметрами их фактиче- ских распределений. Результаты моделирования определяются посредством стати- стической обработки результатов множества реализаций процесса моделирования. С помощью этой же модели могут определяться и другие, имеющие отноше- ние к оценке эффективности ППК и АСК величины, например, такие, как матема- тическое ожидание материальных потерь или максимальные материальные потери, которые не будут превышены с заданной гарантийной вероятностью, и другие им подобные. Показатели технического уровня комплексов с БЛА представляют собой си- стему показателей, являющихся характеристиками технического совершенства. Эти показатели являются относительной характеристикой, несут информацию о сравнении комплекса с другими, в некотором смысле, наилучшими образцами. По глубине внедрения технических достижений их условно можно разделить на две группы: показатели, являющиеся мерой использования достижений технического прогресса и характеризующие соответствие исследуемого комплекса лучшим ми- ровым образцам; 215 показатели, являющиеся мерой использования передовых технических ре- шений, доступных в сложившихся условиях и применяемых для улучшения свойств комплексов. Обычно эти показатели отражают результаты сравнительной оценки модер- низированных комплексов с базовыми образцами. Показатели обеих групп классифицируются в соответствии с тем же призна- ками, что и показатели качества выполнения задач. При этом они являются относи- тельными, чаще всего, представленными в виде отношений величин характеристик оцениваемого и базового комплексов. Однако не исключается и другие виды срав- нительной информации, например, предлагаемые в работе [4] для сравнения робо- тотехнических систем с экипажными. Обычное стремление лиц, принимающих решение на разработку, внедрение или непосредственное применение комплексов с БЛА, заключается в попытке формулирования одного глобального показателя эффективности, в соответствии с величиной которого и осуществляется ранжирование альтернатив. Однако следует отметить, что это сделать можно лишь в тех редких случаях, когда для конкретных условий в качестве такового можно использовать один из частных или обоснован- ных интегральных показателей с ранее описанными свойствами. В общем же слу- чае сформулировать глобальный показатель не удается. В таких случаях применяются математические методы многокритериальной оценки, поддерживаемые использованием методов экспертного оценивания и об- работки экспертной информации. ВЫВОДЫ Под эффективностью комплексов с БЛА будем понимать некоторое его свойство, которое характеризует то, насколькорациональным является егоприме- нение при выполнении аварийно-спасательных работ в той или иной ситуации. Оценка эффективности комплексов с БЛА включает следующие основные операции: формирование системы показателей эффективности комплекса из множества его характеристик и нахождение значений этих показателей; представления аппарата ранжирования альтернатив (вариантов исполнения комплексов с БЛА ) и его реализация. Система показателей эффективности включает ряд частных и интегральных показателей, последние из которых объединяют несколько частных и имеют опре- деленный физический смысл. Каждый частный показатель относится к одной из групп, каждая из которых характеризуется тремя признаками: видом оценки комплексов; фактором, опреде- ляющим рациональность применения комплекса; предметной стороной показателя. Решение вопроса о том, какие именно характеристики комплексов с БЛА це- лесообразно представлять в качестве показателей его эффективности, зависит от сути принимаемого решения, в интересах которого осуществляется оценка эффек- тивности комплекса, и складывающихся условий. 216 Ранжирование типов комплексов или вариантов исполнения комплекса про- изводится на основе сравнения значений глобального показателя, если таковой обоснованно выбран из множества сформированных показателей, а в противном случае (что на практике обычно имеет место) – на основе применения математиче- ских методов многокритериальной оценки, поддерживаемых использованием ме- тодов экспертного оценивания и обработки экспертной информации. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Октябрьский П.Я. Статистика эффективности промышленного производства / П.Я. Октябрьский. – М.: Статистика, 1985. – 223 с. 2. Песьякова Т. Н. Классификация показателей эффективности промышленных комплексов [Текст] / Т. Н. Песьякова // Молодой ученый. – 2012. – №1. Т.1. – С. 139–141. 3. Андерсен, Б. Бизнес-процессы. Инструменты совершенствования / Б. Андерсен. – М.: РИА «Стандарты и качество», 2003. – 340 с. 4. Северов Н.В. Развитие, технология и эффективность робототехники в чрезвычайных ситуациях. Часть 1: Монография / Северов Н.В. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. – 311 с. 217 Р.А.ПАВЛОВ, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова МАЛЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ (ПЛАТФОРМА) С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ Предлагается разработать летающую платформу – программно-аппаратный комплекс, для свободного перемещения полезной нагрузки в воздушном пространстве с высокой точностью и стабильностью в любом направлении полета в режиме управления оператором или автономно. Появившаяся относительно недавно возможность, создания электрических силовых установок, позволяет строить управляемые аппараты с параметрами близкими к аппаратам с ДВС, а применение электронных систем и алгоритмов управления по некоторым параметрам -превосходить их. Рисунок 1 – Примерная компоновка аппарата пропеллер р ама контроллеры двигателей плата гироскопов плата GPS плата GPS основная плата ИК-приёмник видеокамера полезный груз аккумулятор электродвигатель вид с боку вид сверху 218 Отличительной особенностью предлагаемого к разработке образца от уже существующих является применение электрической силовой установки (аккумуля- тор бесколлекторные электродвигатели) и так же автоматических электронных си- стем и алгоритмов управления с использованием GPS. Что обеспечит высокую точность позиционирования, практически полную бесшумность и отсутствие вы- хлопных газов, как следствие малую заметность. Аппарата построен по вертолёт- ной схеме, электродвигатели приводят в действие воздушные винты - пропеллеры и обладает свойством совершать взлёт и посадку по вертикали, зависать в воздухе и перемещаться в любом направлении. Электрические вертолёты значительно проще по конструкции (нет деталей трансмиссии), значительно легче в управлении (оператор управляет алгоритмами, а не двигателями непосредственно) и что не ма- ло важно, дешевле по себестоимости и в эксплуатации чем вертолёты с ДВС. Таблица 1 – Основные технические характеристики |