автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов отождествления многомерных сигналов в вычислительных системах сопровождения

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОБРАБОТКИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ПАССИВНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

1.1. Физические особенности формирования, распространения и приема гидроакустических сигналов.

1.2. Применение многоканальной техники

1.3. Основные этапы обработки информации

1.3.1. Установление корреляционных связей между отметками и траекториями

1.3.2. Фильтрация и экстраполяция траектории

1.3.3. Сброс траектории и принятие; решения об обнаружении новой траектории.

1.4. Постановка задачи и определение метода решения . 32 1.4.1. Статистические характеристики анализируемой

- информации.

1.5. Основные задачи диссертационной работы и пути их решения.

2. АЛГОРИТМ ИДЕНТИФИКАЦИИ СИГНАЛОВ ПРИ МНОГОКАНАЛЬНОМ ПЕЛЕНГОВАНИИ.

2.1. Анализ исходной информации, подвергающейся идентификации.

2.2. Выбор подходящей статистики и критерия

2.2.1. Неизвестный параметр имеет равномерное распределение.

2.2.2. Неизвестный параметр имеет а - распределение

2.3. Вычисление ошибки идентификации

2.4. Нахождение значения порога, минимизирующего суммарную ошибку идентификации

2.4.1. Нахождение значения порога, если неизвестный параметр имеет равномерное распределение.

2.4.2. Нахождение значения порога, если неизвестный параметр имеет X - распределение.

2.5. Алгоритм идентификации сигналов

2.6. Внутридиапазонная идентификация

2.7. Междиапазонная идентификация

2.8. Межцикловая идентификация

2.9. Основные результаты по второй главе

3. АДАПТИВНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПОРОГА В АЛГОРИТМЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТРАСС

3.1. Описание макета.

3.2. Модификация алгоритма для идентификации створящихся целей.

3.3. Выводы.

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

4.1. Аппаратные средства ЦБК.

4.2. Программное обеспечение ЦБК.

4.3. Структура ЦБК.

Задача отождествления (идентификации) сигналов, поступающих от нескольких источников, возникает во многих приложениях, например: радио и гидролокации, радиоастрономии, гидроакустике.

Стремительное развитие электронных средств и рост их возможностей позволяют рассматривать все более сложные модели сигналов и помех на входе приемных устройств. Для точного определения параметров источника, из-за отсутствия информации о времени излучения, о форме исследуемого сигнала и его местонахождении, в реальных вычислительных системах сопровождения приходится использовать несколько результатов измерений - это позволяет повысить точность за счет избыточной информации, но обработка при этом усложняется. Ситуация усложняется еще больше, если имеется много источников. В этом случае необходимая информация может быть получена за счет увеличения числа пунктов приема.

Сопровождение и идентификация (отождествление) сигналов принадлежащих одному источнику, выполняемая экспертом в этих условиях является весьма трудоемкой процедурой, недостаточно производительной и оперативной. В то же время машинные методы идентификации пока еще недостаточно надежны и требуют развития и совершенствования, что обусловливает актуальность исследований и разработок в этой области.

Решение задачи идентификации, как правило, сводится к проверке статистических гипотез, которая возможна по различным критериям - Байеса, Неймана-Пирсона и т.д. Однако, несмотря на очевидные достоинства, эти методы не всегда применимы, т.к. требуют знания либо значительного количества априорной информации, либо порога или уровня значимости.

Кроме того, в течение всего времени сопровождения характеристики источников могут меняться. В результате алгоритм обработки, оптимальный при одной ситуации, дает существенный проигрыш при ее изменении. Это приводит к необходимости постоянно корректировать алгоритм, чтобы он оставался оптимальным при любых изменениях помехосигнальной ситуации, что не всегда приемлемо.

Разработка и анализ алгоритмов идентификации выполняются на примере информации, принимаемой гидроакустическим комплексом (ГАК), основной задачей которого является обнаружение и пеленгование надводных кораблей и подводных лодок, оценка их параметров движения, классификация и сопровождение.

В связи с криволинейным распространением звука в водной среде для решения задач оптимального приема пространственно-временных сигналов, определения и разрешения источников полезных сигналов, а также измерения их параметров в ГАК применяется многоканальная техника, т.е. прием гидроакустических сигналов осуществляется одновременно в нескольких ярусах (группа каналов), имеющих различные углы наклона характеристики направленности (ХН) антенны и в нескольких частотных диапазонах.

В диссертационной работе для определения принадлежности многомерных сигналов к одному источнику предлагается подход, основанный на критерии максимального правдоподобия, который приводит к сравнению статистики Хоттелинга с некоторым порогом. В рассматриваемой задаче нельзя предпочесть лучшие результаты идентификации одного источника за счет увеличения ошибок идентификации другого, т.е. для процесса идентификации ошибки первого а и второго - Д рода являются равноценными. Тогда, чтобы получить наилучший результат, необходимо чтобы суммарная ошибка была наименьшей, т.е. необходимо найти такое значение порога, при котором # + имеет минимальное значение. Нахождению значения искомого порога посвящена вторая глава.

Практический интерес представляет задача идентификации сигналов, имеющих близкие значения некоторых компонентов вектора параметров (например, пеленга, при пересечении траекторий движения источников). В этом случае предлагается использовать, разработанный алгоритм гибкого изменения размерности вектора параметров и порога для повышения качества идентификации.

Целью работы является исследование и разработка алгоритмов отождествления многомерных сигналов в вычислительных системах сопровождения.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: ~ разработки алгоритма идентификации сигналов, принадлежащих одному источнику и принимаемых одновременно в нескольких углах наклона ХН в одном частотном диапазоне, а также алгоритма идентификации сигналов, полученных в различных частотных диапазонах; разработки алгоритма межцикловой идентификации траекторий, полученных в двух последовательных циклах кругового обзора; разработки программных средств для моделирования разработанных алгоритмов; создания программного макета системы вторичной обработки сигналов, проверки его работоспособности для различных тактических ситуаций;

- исследования вопросов технической реализации алгоритма с использованием многопроцессорной ЭВМ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.

3.3. Выводы

Таким образом, результаты статистического моделирования, аналитические исследования предлагаемого алгоритма идентификации, изложенные в главе 2, его натурные испытания свидетельствуют о следующих его преимуществах:

Предлагаемый метод работоспособен в широком диапазоне помехо-сигнальных ситуаций.

В большинстве случаев метод более эффективен по сравнению с традиционными методами для идентификации трасс створящихся целей.

Метод дает возможность уточнить параметры целей за счет совместной обработки информации, получаемой в нескольких ярусах в различных частотных диапазонах.

Вычислительная сложность метода невысока, что позволяет осуществлять идентификацию сигналов в течение малого промежутка времени.

Следует отметить, что высокая эффективность алгоритма отождествления может обеспечиваться повышением точности оценивания параметров источников датчиками, а также расширением вектора параметров источника, используемым для отождествления.

К недостаткам метода следует отнести необходимость итерационного уточнения параметров источника.

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

В данной главе изложено описание основных технических решений цифрового вычислительного комплекса (ЦБК), реализующего разработанные алгоритмы. Комплекс построен с использованием технических средств, разрабатываемых НИИСИ РАН в рамках программы создания средств вычислительной техники для специальных приложений «Багет».

4.1. Аппаратные средства ЦБК

Современный этап разработки сложных систем с многокритериальной целевой функцией характеризуется использованием высокопроизводительной элементной базы. Развитие современных аппаратных средств цифровой обработки, в известном смысле, снижает традиционные проблемы по таким характеристикам цифровых средств как объемы оперативной памяти процессоров, объемы памяти на внешних запоминающих устройствах и проблемы, связанные с пропускной способностью вычислительной системы. Это практически сняло требования по жесткой оптимизации объемов кода программ и необходимости тщательного проектирования программного обеспечения по возможности размещения программ в памяти ЭВМ [99, 100] .

Критическими характеристиками, по которым необходим детальный процесс проектирования программного обеспечения, являются: для систем пространственной и частотно временной обработки - временная диаграмма цифровых процессоров сигнальной обработки; для систем вторичной и комплексной обработки -обеспечение требуемой номенклатуры необходимых связей с приборами комплекса и внешними системами.

При разработке комплекса на первый план выходят также необходимость обеспечения надежности функционирования ЦБК с учетом его защиты от аппаратных или программных сбоев. При этом основным фактором, влияющим на надежность комплекса, является надежность программного обеспечения.

Это прямо относится к системам вторичной, комплексной (третичной) обработки, а также системе отображения, регистрации и документирования, где сосредоточен основной объем кода разработанных программ и где реализованы объемные, логически сложные задачи, учитывающие тонкие физические эффекты.

При реализации систем с большим объемом разрабатываемого программного обеспечения предпочтение целесообразно отдавать универсальным вычислительным средствам, имеющим развитые системные средства как для организации вычислительного процесса в системе, так и для обеспечения технологического процесса отладки программного обеспечения системы реального времени.

Одними из самых общих и самых серьезных условий при выборе аппаратно - программных средств для ЦБК являются: "обеспечение современного уровня разработки; ~выполнение требований обеспечения технологической независимости и информационной безопасности разработки.

В настоящее время этим требованиям удовлетворяют серийно выпускаемые ЭВМ, созданные в рамках программы «Багет», в частности, многопроцессорная ЭВМ «Багет-25» и ЭВМ общего назначения «Багет-23», предназначенные для цифровой обработки радиолокационных, оптических и акустических сигналов, а также решения задач управления в реальном масштабе времени, и приспособленных к жестким условиям эксплуатации.

Многопроцессорные ЭВМ «Багет» построены с использованием следующих микропроцессорных архитектур: в универсальной части ЭВМ - на процессоре общего назначения 1В578; в части средств цифровой обработки сигналов - на сигнальном процессоре 1В577.

Характеристики ЭВМ «Багет-25» (тактовая частота МП 1В577 50МГц): 4

1) Производительность ЭВМ - до 9000 Mflops;

2) Пропускная способность входных/выходных интерфейсов - до 300 МВ/с;

3) Пропускная способность внутриприборных шин I-bus и HS-bus -до N*100 МВ/с; N - количество независимых сегментов на шинах;

4) Межприборные интерфейсы: Ethernet (10/100 Мбит/с);

RS 232, RS 422; Манчестер (1 Мбит/с).

5) Общее количество модулей в приборе - до 21 штук, в том числе модуль БД (буфер данных) - Зшт., модуль МОС (модуль обработки сигналов) - 15 шт., модуль ПД (процессор данных) - 1 шт.;

6) Потребление энергии- до 450 Вт;

7) Конструктив - одноэтажный шкаф, размер модуля 160*23 Змм.

В составе ЦБК в качестве прибора, обеспечивающего пространственную и частотно-временную обработку, используется

ЭВМ «Багет-25», а для построения систем вторичной обработки и отображения информации - ЭВМ «Багет-23».

4.2. Программное обеспечение ЦВК

При разработке программного обеспечения ЦВК используется системное программное обеспечение, разрабатываемое в программе «Багет». В рамках программы ведутся работы по разработке отечественных версий следующих операционных систем:

- ОС UNIX;

- ОС РВ;

- ОС MS DOS.

Для ЭВМ цифровой обработки сигналов «Багет-25» разработано оригинальное отечественное системное программное обеспечение.

При разработке функционального программного обеспечения для универсальных ЭВМ на процессорах 1В578 в качестве исполнительной операционной системы используется ОС РВ. Это быстрая и компактная исполнительная система реального времени, обеспечивающая многозадачность с динамическим планированием по приоритетам, синхронизацию задач и средства связи между ними, обслуживание прерываний, таймеров и управление памятью.

В многозадачном ядре ОС РВ применен алгоритм планирования задач с учетом приоритетов, включающийся по прерываниям. Он характеризуется исключительно быстрым переключением контекстов задач. Базовые средства ОС позволяют приостанавливать, запускать, возобновлять, уничтожать задачи и изменять их приоритет.

Основным средством синхронизации задач и доступа к ресурсам являются семафоры. Семафоры всех типов срабатывают очень быстро и их удобно применять при реализации прикладной системы. Кроме семафоров в ОС РВ имеются такие средства, как очереди сообщений и межзадачные каналы. Сетевые средства обеспечивают "прозрачный" доступ к другим системам ОС РВ через программные разъемы (сокеты) для межзадачной и межпроцессорной связи.

ОС РВ, как ОС реального времени, построена по технологии микроядра, т.е. на нижнем непрерываемом уровне ядра выполняются только базовые функции планирования задач и управления и синхронизации задач. Все остальные функции ОС, а именно: управление памятью, вводом/выводом, сетевые средства, базируются на простых функциях нижнего уровня. Такая иерархическая организация функций позволяет обеспечить быстродействие и минимизировать прикладную систему.

Сетевые средства обеспечивают обмен данными между задачами ОС РВ через, так называемые сокеты. Сокет - конечная точка маршрута, которая ассоциируется с портом внутри узла. Преимущество такой формы коммуникации состоит в том, что взаимодействие процессов через сокеты не зависит ни от местоположения процессоров в сети, ни от операционной системы, в которой он запущен. Взаимодействие процессов осуществляется посредством сообщений, с предварительным запросом и установкой соединения.

ОС РВ является системой с кросс-средствами разработки прикладного программного обеспечения, т.е. разработка ведется на инструментальном компьютере (Host-ЭВМ) для последующего исполнения на целевой машине. Интегрированной средой разработки прикладного программного обеспечения для ОС РВ является аналог системы «Tornado Development Enviorenment», предложенной фирмой Wind River в 1995 году. На Host-ЭВМ аналог системы «Tornado», в настоящее время, функционирует в составе ОС "Windows (95 или NT).

Инструментальная система включает в себя:

- высокопроизводительное ядро ОС РВ;

- С-компилятор с библиотеками и его утилиты;

- высокоуровневый дистанционный отладчик;

- конфигуратор настройки параметров прикладной системы;

- графический визуализатор состояния системы.

Компилятор, используемый в инструментальной системе, это компилятор GNU-C с утилитами. В настоящее время разработан отечественный компилятор, который впоследствии должен заменить GNU-C. Библиотеки компилятора обеспечивают пользователю возможность обращения к системным функциям ядра на языке высокого уровня.

Дистанционный отладчик поддерживает отладку С-программ в терминах исходного языка и имеет графический интерфейс.

Конфигуратор позволяет пользователю настраивать системные параметры с помощью графического интерфейса. При этом обеспечивается возможность динамической загрузки (подгруздки) модулей прикладной системы (при изменении фрагмента программы прикладной системы) без перекомпиляции и перезагрузки всей прикладной системы. Динамическая компоновка позволяет создавать разделяемые библиотеки, когда единственной копией набора подпрограмм могут пользоваться несколько задач.

Графический визуализатор состояния прикладной системы выдает с заданной периодичностью информацию об использовании задачами времени процессора, памяти, стека, состояние задач, семафоров, очередей сообщений и т.д. технологической операционной системе. Прикладные модули редактируются, компилируются, объединяются с библиотеками и динамически загружаются (подгружаются) в целевую машину. ОС РВ, работающая на целевой машине, запускает задачи и сообщает об ошибках прикладной системы. В результате отладки ОС РВ может быть промасштабирована, отладочные средства могут быть исключены из прикладной системы, прикладная программа скомпанована с ОС РВ и, при необходимости, помещена в ПЗУ.

Кроме стандартных кросс-средств отладки с системой «Tornado» поставляются и дополнительные программные продукты, такие, например, как WindView - анализатор динамического поведения системного и прикладного программного обеспечения. WindView облегчает поиск наиболее трудоемких ошибок, возникающих именно в системах реального времени при взаимодействии параллельно протекающих процессов (задач).

Сетевые средства обеспечивают «прозрачный» доступ к другим системам ОС РВ и ТОС, дистанционное выполнение команд, дистанционный вход в систему, дистанционную отладку, начальную загрузку системы, доступ к удаленным файлам. ОС РВ может поставляться с исходными текстами, как ядра ОС, так и ее приложений.

Структура ЦВК, предназначенная для отладки программного обеспечения показана на рис. 4.1.

Данные от аппаратуры первичного обнаружения (АПО) поступают через параллельный 32-х разрядный порт. На инструментальном компьютере IBM PC Host Б25 прикладные модули ЭВМ «Багет-25» (соответсвенно Host Б23 для ЭВМ «Багет-23») редактируются, компилируются, объединяются с библиотеками и динамически загружаются (подгружаются) в целевую машину.

ЭВМ «Багет-25» выполняет обработку данных от аппаратуры первичного обнаружения (АПО).

Рис. 4.1. Структура ЦБК для отладки программного обеспечения.

ЭВМ «Багет-23» осуществляет прием данных от системы внешних связей и осуществляет вторичную обработку информации.

Для обеспечения передачи оперативной информации между ЭВМ «Багет-23» и ЭВМ «Багет-25» используется интерфейс Манчестер.

Рассмотренные программные средства позволяют разрабатывать и отлаживать программное обеспечение ЦБК. ОС РВ в сочетании с ТОС Windows (NT или 95) и дополнительными инструментальными средствами предоставляют программисту удобный интерфейс для разработки, запуска и слежения за прикладной системой приборов вторичной обработки.

Инструментальные средства обеспечивают загрузку, исполнение и слежение за исполнением задач прикладной системы, а многооконный интерфейс позволяет следить за прохождением информации в интерфейсном модуле.

4.3. Структура ЦБК

Рассмотренные аппаратные и программные средства определяют следующую структуру ЦБК, основанную на использовании ЭВМ «Багет-25» и «Багет-23» и представленную на рис.4.2.

Ввод данных в ЭВМ «Багет-25» осуществляется через параллельный 32-х разрядный порт.

Обработка данных от антенны осуществляется параллельно в трех сегментах на МОС, содержащих по 4 сигнальных процессора 1В577 каждый.

ЭВМ «Багет-25» предназначена для выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ) , формирования характеристики направленности (ФХН) и т.д.

Рис.4.2. Структура ЦБК

ЭВМ «Багет-23» осуществляет прием данных от внешних систем, а именно: данные от навигационного комплекса, системы единого времени и т.д, а также осуществляет обнаружение и сопровождение морских целей раздельно по ярусам и частотным диапазонам, трассовый анализ, оценку параметров движения целей, внутридиапазонную идентификацию и межъярусное комплексирование формуляров обнаруженных трасс, межцикловую идентификацию трасс, принадлежащих одной цели и принимаемых в различных пространственных каналах и в различных частотных диапазонах. Обеспечивает выдачу результатов вторичной обработки для графического отображения и для системы комплексной оценки (СКО).

Вторичная обработка данных в составе ЭВМ «Багет-25» осуществляется на двух универсальных процессорах 1В578.

Данные первичной и вторичной обработки через два резервированных интерфейса Ethernet передаются в ЭВМ «Багет-23» для последующего отображения на цветных графических видеомониторах ВМЦ-42.

Для обеспечения передачи оперативной информации (относительно небольшого объема) между ЭВМ «Багет-23» и ЭВМ «Багет-25» (в частности параметров пространственного положения и параметров собственного движения носителя системы обработки) используется интерфейс Манчестер.

Все процессоры 1В578 в составе ЭВМ «Багет-25» и ЭВМ «Багет-23» функционируют под управлением операционной системы ОС РВ.

Следует отметить, что в данной конфигурации ЦВК функционирует в реальном масштабе времени