CC BY
48
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Том XXIV 1993
№4
УДК 629.735.33.018.7:53.087
КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ СБОРА ДАННЫХ В ЛЕТНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
О. В. Наконечный
Описывается простой субоптимальный код сжатия данных, получаемых в ходе летного эксперимента.
Использование в летном эксперименте автоматизированных систем сбора и обработки информации связано с накоплением на борту больших массивов информации и как следствие приводит к значительным аппаратным затратам на ее передачу и хранение. Для их уменьшения стремятся максимально сократить поток информации, обычно ограничивая частоту выборок наиболее информативной частью спектра, минимизируя число регистрируемых параметров и точность регистрации (число уровней квантования). Как правило, затем происходит восполнение качества измерения методами идентификации на основании априорно принятых моделей [1, 2, 3, 8]. Однако есть и другой путь—сокращение избыточности передаваемой информации, используя известные статистические характеристики сигнала, как это принято в других областях техники—системах связи, передачи видеоизображений, специализированных базах данных и т. д. [4, 5, 6, 7]. Спектр основных параметров движения летательного аппарата (высота, скорость, углы атаки и скольжения, координатные углы, перегрузки, угловые скорости и т. д.), как показывают исследования в этой области [2, 8, 9], а также спектр воздействия атмосферной турбулентности на малых скоростях полета, М < 0,3 0,4 [10, Щрезко спадают на частотах 0,5 -г 0,8 Гц для подав-
ляющего большинства типов летательных аппаратов. Для примера на рисунке приведен типовой спектр сигналов V, а, полученный по результатам испытаний в Отделе летных исследований ЦАГИ на планерной летающей лаборатории ПЛЛД. Как следствие, следует ожидать сильных автокорреляционных связей по каждому из параметров, поэтому естест-
1,0 0,8 0,6 О,*
0,2
0 0,1 £ Гц
Типичные спектры скорости, углов атаки и тангажа по результатам летных исследований ГОЩЦ
венно принять в качестве простейшей модели сигнала марковский источник первого порядка. Матрица условных вероятностей р(х/ |* /), характеризующая такой сигнал, была найдена по результатам упомянутых испытаний. Здесь и далее х{, X] — сигналы, соответствующие / и у уровням квантования, 0 < /,у < ; при равномерной шкале с шагом квантования
Д х х,- = / • А х, Xj=j■Ax; записывающая аппаратура на ПЛЛД имела N = 63, Д х = 0,1 В, время междувыборками Д / = 0,1 с. Полученная матрица была использована для построения распределения вероятностей всевозможных я-шаговых переходов р*(п) = У />(х,- |х,-), это распределение
»-/=и
приведено в таблице. Фактически это распределение вероятностей
А х
скоростей нарастания сигнала $ = п-——. Энтропия такого источника
Н(х) = 1,26. Наиболее оптимальный для систем без памяти код Хаффмена дал бы для такого распределения стоимость кодирования
N
С(И,х) = У^ р*(п)\Ип \ = 1,52 и соответственно избыточность
л=-ЛГ
7?(А,дс) = С(И,х) - Н(х) = 0,26 (здесь |Л„| — длина соответствующего кодового слова). Но встраивать громоздкий кодировщик Хаффмена в алгоритм сбора информации в реальном времени вряд ли возможно в не обладающих резервами мощности бортовых ЭВМ, поэтому был использован метод субоптимальных кодов (интересные примеры подобных кодов приведены в [12,13]). В таких кодах ценой незначительного увеличения избыточности радикально упрощается алгоритм кодирования. Фактически это эквивалентно построению кода Хаффмена для модифицированного распределения, близкого к исходному и обладающего наиболее простым по какому-
п - N ■¥-6 -5 -4 -3 -2 -1
Р*(п) <0,001 0,0015 0,005 0,01 0,025 0,115
0 1 2 3 4 5 6 N
0,68 0,115 0,025 0,01 0,005 0,0015 <0,001
либо параметру оптимальным кодом. Для описанного выше распределения был выбран и реализован следующий код: при п - 0,+1,-1 вместо самого числа *(/) в память заносится 00, 01, 11 (двоичное) соответственно, при |и| > 1 в память заносится x(t) с префиксом 10. При декодйровании при обнаружении префикса 10 x(t) присваивается значение 6 последующих бит, при обнаружении 00, 01 и 11 x(t) получается сложением по модулю 4 этих двух бит с предыдущим числом x{t - At). Данный код является префиксным и имеет стоимость кодирования N
C(f,x) = ^P*(n)\f„\ = 2,24 (здесь |/„| — длина соответствующего п кодо-n=-N
вого слова). Избыточность R(f,x) = 0,72, что, естественно, больше, чем у кода Хаффмена, но намного меньше, чем при равномерном кодировании (R = 4,48). Даже при таком простейшем алгоритме кодирования достигается 2,5-кратное сжатие данных, а сам код хорошо вписывается в байтовый поток данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пашковский И. М., Поплавский Б. К., Леонов В. А. Летные испытания самолета, и обработка результатов испытаний.—М.: Машиностроение, 1985.
2. Касьянов В. А., Ударцев Е. П. Определение характеристик воздушных судов методами идентификации,—М.: Машиностроение, 1988.
3. Круг Г. К., С осу л ин Ю. А. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции.—М.: Наука, 1977.
4. Кричевский Р. Е. Сжатие и поиск информации.—М.: Радио и связь, 1989.
5. Галагер Р. Теория информации и надежная связь.—М.: Сов. радио, 1974.
6. Мак-Вильямс Ф. Д., Слоэн Н. Д. Теория кодов, исправляющих ошибки.—М.: Связь, 1977.
7. Касами Т., Токура Н., Ивадри Е., Инагаки Я. Теория кодирования.—М.: Мир, 1976.
8. Берестов Л. М., Поплавский Б. К., Мирошниченко Л. Я. Частотные методы идентификации летательных аппаратов,—М.: Машиностроение, 1985.
9. Баранов Л. А., Хромов В. Г. Основные задачи и пути развития ИИС для летых испытаний авиационной техники//Материалы отраслевой научно-технической конференции по информационно-измерительным системам, применяемым при летных испытаниях авиационной техники (ИИС—87), 1987.
10. Элдеркин К., Поуэлл Д., Дунбар А., Хорст Т. Экспериментальное исследование и анализ характеристик атмосферной турбулентности для режимов взлета и посадки // Технический перевод ЦАГИ № 12493.
11. Винченко Н. К, Пинус Н. 3., Шметер С. М., Шур Г. Н. Турбулентность в свободной атмосфере//Под ред. Н. К. Винченко.— Л.: Гид-рометеоиздат, 1976.
12. Кунт М., Джонсен О. Елочное кодирование графических материалов. Обзор//ТИИЭР.—1980. Т. 68, № 7.
13. Я суд а Я. Обзор методов цифрового кодирования факсимильных данных в Японии//ТИИЭР.—1980. Т. 68, № 7.
Рукопись поступила 17/IV1992
