Зачатейский
Дмитрий Евгеньевич
Канд. физ.-мат. наук, СНС лаборатории МСС
«О некоторых задачах радиоинформатики…»
Уважаемые коллеги! Полное название моего доклада можно было бы сформулировать так: «О некоторых задачах радиофизики, которые можно было бы решать в ОФИМ СО РАН с моим непосредственным участием». Целью своего выступления я считаю предоставление вам информации об этих задачах и приглашение к участию в этих работах. Я специально сформулировал несколько задач, чтобы у вас был выбор, а у меня более полное понимание того, что больше интересует сотрудников нашей лаборатории – лаборатории моделирования сложных систем.
Прежде всего, позвольте сказать несколько слов о том, чем приходилось заниматься мне ранее. С 1986 г. по сентябрь этого я работал в Институте ионосферы министерства науки и высшего образования Республики Казахстан в Алма-Ате. Год тому назад там я защитил кандидатскую диссертацию по специальности 01.04.03 – радиофизика. Институт ионосферы ведет достаточно широкий круг экспериментальных работ по исследованию ионосферы, магнитного поля Земли, космических лучей. На Алма-Атинской ионосферной станции ведутся непрерывные измерения ионосферы Земли методом вертикального зондирования, начатые в конце 40-х годов. Работает магнитная обсерватория, высокогорная станция космических лучей и радиополигон «Орбита», на котором ведется регистрация сигналов ИСЗ. Недавно начаты оптические измерения свечения ночного неба. Ученые института занимаются разработкой новых способов обработки экспериментальных данных, экспериментальными исследованиями и математическим моделированием процессов, происходящих в околоземном космическом пространстве.
Я работал в лаборатории космической радиофизики и круг моих научных интересов заключался в организации и проведении экспериментов на исследовательском ионозонде (станции вертикального зондирования), обработке результатов измерений, математическом моделировании процессов, происходящих в ионосфере, разработке новых способов и методик экспериментальных исследований. Именно поэтому, после переезда в Омск я пришел в ОФИМ, так как между Институтом ионосферы и ОФИМ уже были установлены научные контакты, и с работами и я был знаком. Первая из задач, которые я хотел бы предложить сегодня вашему вниманию непосредственно связана с этими работами по повышению точности радиозондирования ионосферного слоя плазмы.
1. Повышение точности радиозондирования
Напомню вам, что предложенный в ОФИМ и метод адаптивного зондирования ионосферы основан на определении на каждом шаге вертикального зондирования (ВЗ) полосы частот, называемой самосогласованной по следующей формуле:
где
df*(f) – самосогласованная полоса частот (СПЧ);
fi – частоты зондирования;
t(f) – времена задержек;
a - параметр, числовое значение которого определяется задаваемой формой огибающей радиоимпульса;
m(f) - соотношение сигнал/шум.
(, . Повышение точности радиозондирования ионосферы.// Новосибирск, Издательство СО РАН, 1997, с. 60)
Как видно из этого выражения расчет СПЧ требует автоматического определения на каждом шаге зондирования времени задержки t(f). Между тем эту задачу - задачу автоматического распознавания отраженного от ионосферы сигнала на фоне помех вряд ли можно считать к настоящему времени решенной. Ниже приведены два рисунка, отображающие процесс определения t(f), или группового пути, действующей высоты по ионограммам.
Рис.1
 |
На этом рисунке представлена ионограмма ВЗ (отражение от слоя F2), зарегистрированная цифровым ионозондом.
Оператор может изменяя уровни обнаружения сигнала добиться наиболее удобного на его взгляд представления графической информации, после чего производит процесс оцифровки (первичной обработки) данных, расставляя на кадре высотно-частотной характеристики (ВЧХ) точки, соответствующие той или иной магнито-ионной компоненте ВЧХ (см. рис. 2). Эта информация (оцифрованная ионограмма) в виде пар координат выбранных оператором точек ионограммы хранится и используется для дальнейшей работы.
Существующие алгоритмы автоматизации этой работы дают достаточно большое количество «ложных» точек ионограммы и направлены, прежде всего, не на автоматическое определение ионосферного параметра (в нашем случае действующей высоты отражения на каждой частоте), а на уменьшение количества информации, которая будет храниться до последующей обработки.
Вместе с тем, объединение всех существующих методик, алгоритмов и идей в одну программу первичной обработки ионограмм ВЗ может значительно уменьшить количество «ложных» точек. На сегодняшний день в нашем распоряжении есть все необходимое для проведения такой работы – компьютеры, полученные из Алма-Аты ионограммы ВЗ, программа их первичной обработки, применяемая в настоящее время, понимание того, что нужно сделать для решения поставленной задачи.
Повторю еще раз, что без решения задачи по автоматическому определению t(f), на мой взгляд, невозможно построение работоспособного алгоритма адаптивного радиозондирования для проверки теоретических разработок в натурном эксперименте.
 |
Рис. 2
Вторая из задач, которую я хотел бы предложить сегодня вашему вниманию, связана с моими прежними научными интересами в области экспериментальной радиофизики. Не питая никаких иллюзий о том, что в ОФИМ СО РАН может быть в настоящее время создана крупная экспериментальная база – радиополигон или ионосферная станция, я постарался найти возможность постановки радиофизического эксперимента на имеющихся средствах.
Читая доклад , , «Состояние и возможности развития региональной компьютерной сети образования, культуры и науки Омского региона» на с.2 я прочел фразу: «… На средства РФФИ приобретены … 4 радиомоста Arlan-640…». Вместе с этим известно, что в ОФИМ ведутся исследования по экологии, имеется возможность получения от гидрометслужбы данных о загрязнении атмосферы города. Это подтолкнуло на формулировку второй задачи:
2. Исследования влияния состава атмосферы на характеристики УКВ радиоканала.
Известно, что распространение сигналов УКВ диапазона зависит от «погоды» – влажности воздуха, осадков, наличия а приземном слое атмосферы выбросов промышленных предприятий, автотранспорта и т. п. При этом чем выше частота радиосигнала, тем больше проявляется такое влияние. Существующая тенденция по увеличению рабочей частоты радиосистем (в том числе и радиоканалов компьютерных сетей) ставит задачи учета состава атмосферы на характеристики распространения радиоволн УКВ диапазона в ряд актуальных задач радиофизики и радиоинформатики. Если организовать в процессе эксплуатации радиоканалов КС ОКНО учет пропускной способности канала (общее количество информационных пакетов, успешно принятых пакетов, пакетов, принятых с ошибками и т. п.), то можно получить интересные для дальнейших исследовательских работ ряды экспериментальных данных. Анализ этих данных, их сопоставление с рядами данных гидрометслужбы позволит, на мой взгляд, решать не только фундаментальные и прикладные задачи радиоинформатики, но и организовать контроль за экологической обстановкой в г. Омске радиофизическими способами.
Следующая, из представляемых сегодня вашему вниманию, задача появилась в результате услышанного на семинарах нашей лаборатории и того, что я узнал на целевом семинаре-совещании «Программа СибВПКнефтегаз – 2000»: средства связи для ТЭК» (г. Омск, 2-3 декабря 1999 г.)
ОФИМ СО РАН участвует в работах по этой программе, и было бы неплохо решить одну из прикладных задач, стоящих перед связистами нефтегазовой отрасли, путем создания современной информационной системы, или системы поддержки принятия решений.
Проблема состоит в том, что сейчас на получение разрешения на работу в определенном диапазоне частот, «получение рабочих частот» у служб связи уходит до полугода. Работа радиосистем должна быть надежной в течении всего нормативного срока службы приобретаемой для организации радиоканала аппаратуры (~10 лет). В связи с чем, для принятия верного решения на этапе планирования каналов КВ радиосвязи (а как известно работа радиоканалов именно этого диапазона радиочастот наиболее сильно зависит от состояния ионосферы Земли, суточных, сезонных и др. вариаций уровня солнечной активности) необходимо (или желательно) выполнить следующие действия:
 |
1. Учесть требования Регламента радиосвязи.
Т. е. определить разрешенные Международными соглашениями для работы радиосистем той группы, к которой относится пользователь, диапазоны радиочастот (соответствующие области отметим зелеными прямоугольниками)
 |
2. Учесть выданные Госсвязьнадзором разрешения на работу.
Обозначим уже «занятые» частоты черными линиями.
3. По известным координатам пунктов связи, с использованием модели ионосферы (радиоканала) определить возможный диапазон частот.
Красный прямоугольник в нижней части диапазона – область радиочастот, где связь не может быть надежной из-за большого поглощения радиоволн, прямоугольник в верхней части диапазона – область частот, в которой электронной концентрации в ионосфере недостаточно для отражения радиоволны и она «уходит напросвет».
 |
4. Уточнить границы диапазона с учетом изменения уровня солнечной активности, сезонных и суточных вариаций ионосферных параметров.
Т. е. выполнить те же расчеты, что и по п.3, но для других условий, определяемых возможными вариациями ионосферных параметров.
 |
5. Определить (измерить) уровень шумов в пунктах приема и учесть суммарный уровень шумов в требуемом диапазоне.
Не обо всех источниках помех можно получить информацию, выполнив п.2, поэтому принято с помощью анализаторов спектра, селективных нановольтметров, панарамных радиоприемников или других радиотехнических средств проводить такие измерения до принятия решения о размещении радиостанции.
6. Выбрать желаемые частоты и (или) диапазоны частот.
7. Выбрать технические средства (радиостанции, антенны и т. п.) позволяющие работать в данном диапазоне их производителей (поставщиков).
8. Повторить процедуру выбора с п. 3.
9. В случае правильности определения желаемых частот получать разрешение в Госсвязьнадзоре.
Сформулируем задачу как:
2. «Разработка системы поддержки принятия решений при проектировании радитрасс
КВ связи»
и проанализируем изложенные выше этапы работ с учетом их наукоемкости:
1. Учесть требования Регламента радиосвязи.
Регламент изложен в виде книги с дополнительно публикуемыми добавлениями и исправлениями. Для ускорения работы с ним предпочтительнее вариант изложения этого документа в виде базы данных, гипертекста и. т. п. – задачи информатики (здесь и далее будем записывать их черным шрифтом).
2. Учесть выданные Госсвязьнадзором разрешения на работу.
Также задача информатики, которая может быть решена путем создания соответствующей информационной системы или базы данных.
3. По известным координатам пунктов связи, с использованием модели ионосферы (радиоканала) определить возможный диапазон частот.
Радиофизическая задача расчета радиотрасс. (Задачи радиофизики будем выделять синим цветом)
4. Уточнить границы диапазона с учетом изменения уровня солнечной активности, сезонных и суточных вариаций ионосферных параметров.
Также радиофизическая задача прогнозирования условий распространения радиоволн. Однако, прогноз уровня солнечной активности – задача физики солнечно-земных связей, ставшая «полигоном для проверки различных математических способов экстраполяции радов экспериментальных данных.
5. Определить (измерить) уровень шумов в пунктах приема и учесть суммарный уровень шумов в требуемом диапазоне.
Зеленым цветом обозначим задачи технические, по которым возможно было бы сотрудничество с электротехническими предприятиями Омска, как в рамах программы «СибВПКнефтегаз-2000», так и по созданию новых приборов для радиофизических исследований. Задача учета уровня шумов перекликается с первой из предложенных вашему вниманию сегодня задач, то есть, стоит в ряду требующих решения в ходе уже проводимых работ.
6. Выбрать желаемые частоты и (или) диапазоны частот.
Задача информатики, решаемая в настоящее время «волевым решением», т. к. нет однозначных критериев выбора.
7. Выбрать технические средства (радиостанции, антенны и т. п.) позволяющие работать в данном диапазоне их производителей (поставщиков).
Здесь целый набор как задач информатики по организации процесса поиска нужных радиостанций, антенн и пр., задач экономических – анализа рынка, организационных – доставки, размещения и т. д., для решения которых также могут быть применены современные информационные технологии.
8. Повторить процедуру выбора с п. 3.
9. В случае правильности определения желаемых частот получать разрешение в Госсвязьнадзоре.
Таковы задачи радиоинформатики, которые я считаю возможным принять к рассмотрению для формирования научных программ ОФИМ. Мне было бы приятно услышать, что они вызвали интерес у коллектива нашей лаборатории, прежде всего у его молодой части – аспирантов и соискателей. Обсуждать эти задачи я готов сегодня на нашем семинаре и в любое другое время.
Благодарю за внимание.
