CC BY
62
В.В. Алексеев,
доктор технических наук, профессор, Военный учебно-научный центр (г. Воронеж)
А.Н. Потапов,
кандидат технических наук, доцент, Военный учебно-научный центр (г. Воронеж)
УНИФИЦИРОВАННОЕ ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЯЕМОСТИ
UNIFIED DESCRIPTION OF THE FUNCTIONING OF THE INFORMATION-ELECTRONIC SYSTEMS BASED ON THE MECHANISM OF HANDLING
Рассмотрены проблемные вопросы унифицированного описания функционирования информационных эргатических радиоэлектронных систем на основе механизмов управляемости. Показано структурно-логическое представление радиоэлектронных систем, отражающее операции по их управлению и радиочастотные условия функционирования.
Problem questions of the standardized description of the functioning of the information-electronic systems based on the ergonomics of handling are considered. Structural-logical view of radio-electronic systems, reflecting the operation on their management and radio frequency conditions of functioning is shown.
Отсутствие универсальности описания механизмов функционирования эргатических информационных радиоэлектронных систем (РЭС) не обеспечивает выработки инструментария для формирования стратегий их применения с учетом изменения условий функционирования, инвариантного к РЭС. Отличительной особенностью этих средств от других, созданных человечеством, является использование ограниченного радиочастотного РЧ-спектра при всеобщей возрастающей в нем потребности. При этом основой функционирования РЭС является наличие РЧ-отношений между РЭС и средой, обусловленных особенностями распространения радиоволн в пространстве, их излучения и приема. С учетом этого актуальной является задача создания унифицированного описания функционирования информационных РЭС, отражающего операции по их управлению и РЧ-условия функционирования.
Унифицированное описание функционирования информационных радиоэлектронных средств на основе механизмов управляемости
Как определено в [1], формирование РЧ-воздействия (ПSQ ) зависит от множества располагаемых РЭС ресурсов( Rs ):
Введение
RS={ fS , tS , WS , XS }
(1)
где fs — РЧ-ресурсы (первообразные множества РЧ-связанности Qc = {Qc^'} Ф0 );
ts, Ws и Xs — соответственно временные, энергетические и пространственные ресурсы (первообразные множества действия А s Ф0 ).
В свою очередь, располагаемые ресурсы могут характеризоваться следующими группами параметров [1]:
- fs — рабочей радиочастотой fsо, РЧ-диапазоном Аfs, полосой пропускания
АFs и т.п.;
- ts — моментом времени ts о возникновения действия А s, длительностью ts и периодичностью Ts действия Аs и т.п.;
- Ws — энергией Es, затрачиваемой на формирование действия Аs, средней мощностью Ps, импульсной мощностью р$! и коэффициентом полезного действия Г}8 и т.п.;
- Xs — шириной распространения (проникновения) АOs и АФs действия Аs, соответственно, в азимутальной и угломестной плоскости, азимутом 0s и углом места Фs распространения максимума действия Аs, пространственной поляризацией gs действия Аs и т.п.
Сами располагаемые ресурсы определяют потенциальные возможности
применения РЭС.
Известно, что в РЧ-спектре РЭС при воздействии (Пgs ) на нее среды Q, может
формировать реакцию ) в виде ответных действий:
Аs =Яе^): П Qs . (2)
Реакция Яе^ может быть управляемой и неуправляемой.
В свою очередь, РЭС можно представить в виде [1]
Sе ПQS X Аs, Аs =Re(S):(ПQs, Сз) (3)
или
П QS ® Сs ® Аs, (4)
где Cs — множество состояний S.
Тогда, если СsФ С£(ПQs ), то РЭС является условно управляемой в РЧ-спектре,
т.е. управление заключается в адаптации ее действий Аs на воздействия ПQs без изменения Cs:
1 1 ^АS ® bQ ® ПSQ ® АQ = ^-^0 : ПSQ ® Ь ® ПQS ® CS ^ , (5)
если С£=С£(ПQs ), то РЭС является безусловно управляемой в РЧ-спектре, т.е. управление заключается в изменении состояния Сs на воздействия ПQs :
Кроме того, РЭС может быть комплексно управляемой в РЧ-спектре, т.е. для одной части элементов множества Сз=Сз(ПдБ), а другой части — СбФ Сб(Пдз ):
12 2 1
И А5 ® /Зд ® П5д ® Ад = Яе(д) : П5д ® 0$ ® Пдз Т ® С$(пдБ )Т .
Необходимо отметить, что помимо внешней управляемости (по радиоканалам) РЭС может быть внутренне управляемой (по электрическим цепям).
Внутренняя управляемость состоит в изменении состояния Сб РЭС в зависимости от текущей полезности ( Цб ) ее функционирования и желаемого результата (Рб) для
сложившихся РЧ-условий.
Известно, что полезность функционирования РЭС можно представить в виде [4]
Цб=Цб (П дБ,А б). (7)
Если текущая величина функции полезности РЭС отличается от желаемого результата Рб, то необходимо сформировать такое управляющее воздействие 85 на состояние Сб, при котором Яб ®Рб, т.е.
8Б (СБ): Яб ® РБ (8)
или
8Б =Б(Яб -Рб), (9)
где Б — функционал.
В свою очередь, состояние РЭС (Сб ) зависит от располагаемых ресурсов Яб [1]:
СБ=Яе(Б): Яб. (10)
Поэтому управляющее воздействие 85 изначально заключается в выборе и распределении (перераспределении) располагаемого ресурса Яб.
С учетом этого процедура внутреннего управления РЭС, направленная на формирование в РЧ- спектре ее действия А Б в соответствии с воздействиями П дБ среды
д, может быть представлена как
1 2
П дБ Т —— 8б =Б( Т Яб —Рб) —— Яб —— ^ С б —— ^ А б ^ . (11)
Здесь необходимо отметить, что сама процедура внутреннего управления РЭС
может быть организационной и неорганизационной [3].
Организационное управление РЭС (Бо ) заключается в выборе и распределении (перераспределении) непосредственно человеком (оператором) располагаемых ресурсов Яб , направленных на минимизацию невязки между действительной полезностью Яб и желаемым результатом Рб функционирования РЭС и реализуемых оператором с помощью органов управления.
Неорганизационное управление РЭС (Б^о ) — это управление располагаемыми
ресурсами Яб без участия человека (оператора) на основании собственных действий, которые по отношению к средству являются внутренними.
Как правило, в РЭС имеется сочетание организованного и неорганизованного управления. Такое сочетание уместно называть частично организованным управлением. Введенные понятия эквивалентны для существующей классификации управления РЭС [1], а именно:
- ручное управление — организационное управление;
- автоматичес кое управление — не организационное управление;
- автоматизированное (полуавтоматическое) управление — сочетание организационного и неорганизационного управления.
Эти три понятия объединяют РЭС в две группы:
- эргатические ( Б$) — системы, в которых либо человек полностью, либо частично производит управление их ресурсами Яб ;
- технические ( Бт ) — системы, в которых управление их ресурсами Яб производится на техническом уровне без участия человека.
Также необходимо отметить, что совокупность эргатических РЭС в сочетании (без сочетания) с техническими РЭС может образовывать эргатические радиоэлектронные системы (ББЭ) — системы более высокого уровня, через их внешние действия, обусловленные либо общностью Яу РЧ-спектра, либо общностью Яс электрических соединений, либо как
общностью Яу РЧ-спектра, так и общностью Яс электрических соединений (рис.1) [1]:
ББЭ =( и ( БЭ, Бт )) V ( и ( БЭ, Бт )) V ( и ( БЭ, Бт )). (12)
Яу Яс ЯуЛ ЯС
Так, в частности, с использованием как радиолиний, так и электрических цепей, реализуются системы автоматизированного управления техническими системами.
В свою очередь, совокупность эргатических радиоэлектронных систем в сочетании либо без сочетания с эргатическими и (или) техническими РЭС могут образовывать эргатические радиоэлектронные комплексы (РЭК (КБэ )) — системы еще более высокого
уровня, через внешние действия, обусловленные, по сути, аналогичными, как и для эрга-тической системы общностью условий спектра и соединений:
КБЭ =( и ( ББЭ, БЭ, БТ )) V ( и (ББЭ, БЭ, БТ )) V ( и (ББЭ, БЭ, БТ )). (13)
Яу Яс ЯуЛ ЯС
Так, например, реализуются наземные радиолокационные комплексы ПВО, сочетающие в себе эргатические радиолокационные системы (РЛС), работающие на различных принципах и порой в различных диапазонах радиочастот, но имеющие общность электрических соединений, в частности РЛС обнаружения, РЛС опознавания, РЛС сопровождения целей и РЛС управления оружием. Другим примером является авиационный комплекс радиоэлектронной борьбы, сочетающий в себе систему радиотехнической разведки и средства радиоэлектронного подавления, которые имеют общность как РЧ-спектра, так и электрических соединений.
Рис. І. Эргатическая радиоэлектронная система SSэ
Необходимо отметить, что совокупность эргатических РЭK может образовывать эргатические интегрированные РЭK IS$ — комплексы более высокого уровня :
S =( È ( Ksэ , SSЭ, SЭ, sT )) v ( è ( Ksэ , SSЭ, SЭ, sT )) v
Rf Rc
v( È ( Ksэ , SSЭ, SЭ, sT )). (І4)
Rf л Rc
Характерным примером IS$ является радиоэлектронный комплекс управления
воздушным движением (РЭK УВД), сочетающий в себе эргатические РЭ^ которые имеют различное функциональное предназначение, в частности [4]:
- радиолокационный комплекс — для обнаружения, опознавания, сопровождения цели, выдачи целеуказаний;
- комплекс радиосвязи — для обеспечения радиосвязи с наземными средствами и с другими воздушными судами (ВС);
- навигационныи комплекс — для определения траекторных параметров полета ВС и управления его местоположением, в частности при решении задач межсамолетной навигации;
Как радиоэлектронная система, так и РЭК, а значит и интегрированный РЭК, в свой состав помимо РЭС могут включать нерадиотехнические средства, которые либо резервируют РЭС, но с более низкой точностью определяют необходимые параметры, либо обеспечивают те параметры, которые не могут быть определены с помощью РЭС.
В связи с тем что основой построения эргатических систем различного уровня интеграции, обусловленных общностью РЧ-спектра (Яу) и общностью электрических
соединений (Яс), являются эргатические РЭС, а их функционирование напрямую зависит от подготовленности человека по их управлению в интересах достижения желаемого результата Р$, то целесообразно рассмотреть условия взаимодействия конкретного РЭС со средой Q . При этом часть элементов среды Q в условиях общности либо РЧ-
спектра, либо электрических соединений, либо при сочетании первых и последних с конкретным средством может образовывать эргатические системы более высокого уровня.
Поэтому в дальнейшем будем рассматривать эргатические РЭС, в которых в зависимости от условий взаимодействия человек, выполняющий функции оператора, может осуществлять, помимо гибкого выбора и распределения ресурсов систем их перераспределение [2].
Принято, что взаимодействие оператора с РЭС происходит на основании анализа информационно-управляющего поля X ={Х к} и совершения некоторой совокупности сенсорных действий О = {А}, являющейся, по существу, операцией по использованию органов управления (ОУ) системы, направленной на достижение поставленной перед средством цели (желаемого результата Р$) (рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие оператора с РЭС Информационно-управляющее поле X = {Х к} включает:
- информацию Xу о полезности функционирования ^ системы, отражаемую на средствах индикации;
- информацию Хо о состоянии С$ = { С^р } (режимы и параметры функционирования) системы, которая определяется положением органов управления и вспомогательной индикацией.
Информация Хр, характеризующая желаемый результат Р$, регистрируется в процессе тренировок у операторов в памяти в виде перцептивных зрительных (сенсорных) и моторных образов по отработанным типовым ситуациям О£, соответствующим заданным условиям действий (функционирования) (А £, А Q) и предписанным
операциям применения РЭС О3. Попадая в какую-либо ранее отработанную ситуацию О^т еО£, отождествляемую информационно-управляющим полем X , из памяти оператора воспроизводятся перцептивные образы х¥^т е ^£. Согласно перцептивным образам Л¥$т, соответствующим предписанным операциям применения РЭС
О$т е О$, оператор выполняет доведенные во время тренировок до автоматизма действия О (навыки), направленные на достижение желаемого (известного) результата Р$. Сами действия О, в конечном итоге, должны способствовать тому, что Хд ® Хр, т.е. ® Р$. Потенциально успех достижения желаемого результата Р$
определяется уровнем подготовленности оператора.
Если оператор попадает в ситуацию , ранее им не отработанную
е , то из его памяти производится для этой ситуации считывание сходных вариантов перцептивных образов {Л¥$т}, на основании которых им производится либо выбор конкретного варианта ¥£т е ^£, либо синтез нового варианта ^е . Но при этом нет гарантии, что выбранный х¥$т или синтезируемый ^£^ оператором вариант перцептивных образов будет соответствовать желаемому результату Р$. Очевидно, что некоторую такую гарантию можно обеспечить лишь в процессе тренировок операторов по ситуации .
В свою очередь, в соответствии с рис. 2 реализация операции О обеспечивает множество управлений } множеством состояний С$ ={ С$р } системы, которое зависит от ее ресурсов Я$ = { } и определяет множество РЧ-действий
А £ = { А } системы и множество РЧ-действий А Q = { А Q .} среды.
Заметим, что в таком представлении РЭС не учитываются важные факторы, а именно:
- сопутствующие условия функционирования РЭС, обуславливаемые общностью РЧ- спектра с элементами среды;
- достаточные условия функционирования РЭС, обуславливаемые ресурсами системы.
Очевидным является то, что ресурсы Я$ обеспечивают как формирование РЧ-действий А £ , так и формирование информационных потоков Х , на основании анализа
которых оператор производит операции О по воздействию на органы управления средства £.
С учетом этого функционирование, например, адаптивно-пассивного эргатиче-ского РЭС можно описать в следующем виде [1]:
- для автоматизированного режима (д8 ^ 0 , и8 ^ 0)
6 1 3 5
п08 ® д8 = ^(Тц8 Т- Р8)ІУ (а)ІТн ®
^ 2 4 3
1
®< Оператор: ¥8 >® Б ® иБ ® V(а)ТЯ8 X ® ІС8®
45
16 ® 8 х ® Т $80 ® п80 ®< А0 = Re(0): п80 >® Ь08 ® п08 Т;
(15)
- для ручного режима (дс = 0 , и8 Ф 0)
4 1
П08 ХТ ® Xд8 ® Тх ®<Оператор:¥8 >® Б ® иБ ® Я8 X
® Хс8®Ха8 Х® Т$80 ® П80 ®<А0 = ^(0): П80 >® $08 ® П08 Т.
(16)
Такое описание соответствует обобщенной структуре эргатической РЭС, изображенной на рис. 3.
Соответственно, функционирование автоматической РЭС (88 ^ 0 , и8 =0)
имеет следую щее представление:
4 1 1 1
П08 ХТ ® д8 = ^(Тд8 -Р8) ® Я8 X® Хс8®ХА8 X®
08
Т $80 ® П 80
4
(17)
® 3 $80
А0 = ^(0) : П80 >® $08 ® П08 Т
2
Рис.3. Обобщенная структура эргатической РЭС
Выводы
Представленное описание функционирования РЭС позволяет объективно описать процессы управления РЧ- взаимодействием со средой, а также исключить неоднозначности, свойственные существующим методам представления этих систем. В рассматриваемом случае структурно-логические модели (15) и (16) определяют прямую задачу по регулированию РЧ- условий функционирования РЭС за счет выполнения операторами предписанных операций Б в соответствии с ранее сформированными у них перцептивными об-
разами. Для определения содержательного компонента учебных упражнений необходимо решение обратной задачи: формирование у операторов РЭС предписанных операций О в соответствии с РЧ-условиями функционирования и ресурсными возможностями РЭС. При этом необходимо учитывать не только возможные стратегии действий О£ РЭС и действий Од среды, но также целевую ориентацию и взаимное влияние операций. Здесь нужно
отметить, что в зависимости от целевой ориентации операций РЭС элементы среды могут быть дружественными, антагонистическими и независимыми, а в соответствии с взаимным влиянием могут находиться в сотрудничестве, конфликте и безразличии [2,3]. Однако отсутствие единых подходов в представлении отношений операций не позволяет определить универсальное решение рассматриваемой обратной задачи, а значит сформировать метод адаптации содержательного компонента учебных упражнений для устранения неадекватности применения РЭС, инвариантный к их целевому и функциональному предназначению.
ЛИТЕРАТУРА
1. Потапов А.Н. Автоматизация тренажной подготовки операторов радиоэлектронных объектов управления воздушным движением. — Воронеж: Изд-во ВАИУ, 2010. — 136 с.
2. Моделирование информационного воздействия на эргатический элемент в эрготехнических системах / Алексеев В. В. [и др.]. — М.: Стенсвил, 2003. — 164 с.
3. Сысоев В.В., Дикарев В.А., Алексеев В. В. Количественная оценка структурного взаимодействия элементов технологических систем // Математическое моделирование технологических систем. — Воронеж: ВГТА, 1999. — Вып.3. — С.145—148.
4. Потапов А.Н. Особенности формирования содержательного компонента упражнений тренажной подготовки операторов радиоэлектронных объектов // Актуальные проблемы науки и образования: материалы юбилейного международного симпозиума. — Пенза: ПГУ, 2003.
