книги из ГПНТБ / Аграновский, К. Ю. Основы теории радиоэлектронных систем морских объектов

Научно-технический прогресс в области радиоэлектронных систем морских объектов, как и в любой другой отрасли техники, прояв­ ляется путем обновления ее технической структуры. Процесс обновле­ ния заключается в замене устаревших технических средств новыми модификациями. Новые радиоэлектронные системы должны обладать повышенными функциональными возможностями, более совершенной конструкцией и т. д.

Основой процесса обновления радиоэлектронных систем морских объектов являются достижения фундаментальных наук — физики, химии, математики, кибернетики и др. Эти достижения прежде всего позволяют изменять физические принципы, лежащие в основе функ­

ционирования систем.

Развитие радиоэлектронных систем морских объектов происхо­ дит отдельными этапами. Внутри таких этапов все системы харак­ теризуются сравнительной одно­ родностью физических, химиче­ ских и других закономерностей. Такие закономерности лежат в ос­ нове принципов функционирования радиоэлектронных систем.

Так, история развития радио­ электронных систем морских объек­ тов прошла этапы предпочтитель­ ного использования электронных ламп, полупроводниковых элемен­ тов, интегральных схем и т. д.

Внутри одного этапа развития радиоэлектронных систем прогресс осуществляется путем перехода от одной модификации к другой,

более совершенной. Такие переходы обусловливаются появлением новых изобретений, совершенствующих структурные схемы, конструк­ тивные решения и т. д. Эволюция технических параметров систем ха­ рактеризуется сравнительно плавным их ростом или снижением с монотонным изменением во времени. Основной физический принцип работы всех модификаций внутри одного этапа остается неизменным.

Переход от одного этапа к другому характеризуется прежде всего изменением закономерностей фундаментальных наук, реализованных в принципах работы радиоэлектронных систем. Процессы перехода от одного этапа к другому описываются скачкообразными кривыми роста технических параметров систем.

Прогнозирование характеристик радиоэлектронных систем морских объектов охватывает два круга задач:

—установление требуемых значений характеристик радиоэлектрон­ ных систем для прогнозируемого периода времени. Эти задачи состав­ ляют так называемый нормативный прогноз;

—определение возможных характеристик радиоэлектронных си­

80

функция. Необходимо различать скачки. Наиболее значительными являются скачки, связанные с использованием новых принципов. К несколько меньшим скачкам приводят новые решения в рамках старого принципа. Еще меньшие последствия вытекают из совершен­ ствования технологических или конструктивных решений.

Остановимся теперь на производных параметрах, которые зависят от определяющих параметров. Вместе с тем, производные параметры устанавливаются, исходя из требований к условиям использования

морских объектов.

Производные параметры характеризуют технические показатели радиоэлектронных систем на прогнозируемые периоды времени. Они устанавливаются на основе методов анализа и синтеза радиоэлектрон­ ных систем. Эти методы частично развиваются в последующих главах книги.

Методы установления определяющих параметров характеризуются своими особенностями. В большей или меньшей степени они разрабо­ таны в рамках современного прогнозирования [23 и др. ].

Существуют различные методы прогнозирования определяющих параметров. Рассмотрим сущность некоторых из них применительно к задачам краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного прогнози­ рования.

3.3.2.Краткосрочное прогнозирование

Процесс изменения определяющих параметров, как и любой физи­ ческий процесс, имеет свои ограничения. Скорость прироста опреде­ ляющего параметра возрастает пропорционально его величине. Она убывает по мере исчерпания ресурсов роста.

Процесс изменения определяющего параметра аналогичен процессу расширенного воспроизводства в условиях ограниченных ресурсов. Он описывается следующей зависимостью [75]:

(3.17)

где а — определяющий параметр; k и I — коэффициенты. Интегрируя (3.17) по времени t, получим:

Примем за начало отсчета t = t0 = 0. Тогда

7

а

82

гмоидальной, кривой в канонической форме

/

а = --------------------- .

1 + т ехр (— Ы )

График логистической кривой представлен на рис. 3.5. Логистическая кривая имеет несколько характерных участков. Участок tx — ti отвечает времени жизни соответствующего определяющего пара­ метра а. На участке tx — t2 появляются первые новые значения этого определяющего параметра. Одновременно с этим, на участке t1 — t2 еще преобладают старые значения определяющего параметра, а новые значения определяющего параметра имеют пока малый удельный вес. Этот участок называется латентным периодом.

Влатентный период новые типы радио­ электронных систем начинают появ­ ляться лишь постепенно.

На участке t2 — t3 происходит ин­ тенсивное появление новых значений определяющего параметра. Этот период характерен широким преобладанием радиоэлектронных систем новых типов.

Втаких системах реализуются новые физические принципы. Отрезок времени t2 — t3 называется периодом роста.

Любые процессы, протекающие

вконкретных физических системах,

имеют естественные ограничения. Поэтому определяющий параметр радиоэлектронных систем амакс внутри одного этапа их развития не может быть бесконечным. На отрезке времени t3 — происходит по­ степенный спад темпов роста определяющего параметра данного этапа развития радиоэлектронных систем.

Для дальнейшего роста определяющего параметра необходимо при­ менить принципиально новые физические закономерности, на основе которых могут появиться первые значения определяющего параметра уже нового этапа развития систем. Именно в этот период начинают возникать идеи применения новых физических принципов, характер­ ных для следующего этапа развития радиоэлектронных систем. Период, в течение которого происходит снижение определяющего параметра,

/2

Физически это означает малую степень использования общих ресур-

сов в определяющем параметре. При условии (3.19) получим экспонен­ циальную зависимость

а = exp (kt) « а0exp (kt).

При малых kt создаются противоположные условия. Физически они означают малое отклонение от исходного состояния. Для данного случая получается линейная зависимость

а « а0(1 + kt) = а0+ a0kt.

Следовательно, логистической кривой описывается лишь процесс развития определяющих параметров в условиях ограниченных ре­ сурсов. Для этого же процесса при неограниченных ресурсах харак­ терна экспонента. При малых изменениях определяющий параметр описывается линейной зависимостью.

Логистические, экспонентные и линейные зависимости применяются для прогнозирования определяющих параметров, как правило, внутри одного этапа развития систем. Они распространяются на сравнительно

Задачи среднесрочного прогнозирования решаются главным об­ разом на основе методов огибающих кривых. Сущность метода оги­ бающих кривых заключается в следующем. В виде огибающей кривой представляется общая тенденция разития данного определяющего па­ раметра. Таким же образом изображается ее экстраполяция до инте­ ресующего нас момента в будущем.

Метод огибающих кривых целесообразно применять при прогнози­ ровании параметров для широкого класса радиоэлектронных систем. Прогнозы для отдельно взятых типов систем менее точны.

Выше отмечалось, что совершенствование определяющих парамет­ ров идет двумя путями. Первый путь ограничен сравнительно коротким отрезком времени. Он проходит в пределах заданного конкретного технического решения. Второй путь основывается на новых техниче­ ских принципах. Последнее обычно приводит к более высокому уровню развития данного определяющего параметра.

Таким образом, развитие определяющих параметров радиоэлектрон­ ных систем складывается из отдельных уровней совершенствования технических средств аг, . . . , ak, соседние уровни развития связаны между собой. Характер этой связи отражается огибающей, которая проходит через кривые всех уровней (рис. 3.6).

Обычно этапы развития радиоэлектронных систем по времени пере­ крываются. Новый этап, отражением которого является определяющий

84

параметр а2, проявляется в период, когда основным еще является этап с параметром а1. Совершенствование систем с параметром а2 позволяет превысить уровень аг. Затем возникает следующий этап раз­ вития с параметром а3. Совершенствование радиоэлектронных систем

подходящий вид аппроксимирующей функции. Для этой цели целесообразно, например, воспользоваться методом минимизации квадратичной ошибки.

При среднесрочном научно-техническом прогнозировании в ка­ честве основного источника информации используются патенты. По сравнению с другими источниками они обладают рядом преиму­ ществ.

Патенты являются самой оперативной информацией. Такая инфор­ мация опережает по времени все другие источники.

85

Патенты являются юридическим документом. Поэтому они принци­ пиально не могут содержать рекламных или непроверенных сведений.

Предложен ряд методов использования патентной информации. Все они с достаточной полнотой изложены в литературе [23].

3.3.4.Долгосрочное прогнозирование

Долгосрочное прогнозирование — одна из наиболее сложных задач прогностики. Решение задач по долгосрочному прогнозированию связано с определенными трудностями. Опыт показывает, что един­ ственным источником информации для целей долгосрочного прогно­ зирования является эксперт. Задача долгосрочного прогнозирования решается путем получения экспертной информации и ее соответствую­ щей обработки. Такой метод прогнозирования называется эвристиче-

ким.

Процесс эвристического прогнозирования определяющих парамет­ ров радиоэлектронных систем разбивается на два этапа: во-первых, получение экспертной информации и, во-вторых, ее обработка.

На первом этапе, используя данные по общему прогнозу развития технических наук, эксперты указывают возможные характеристики прогнозируемых систем. В литературе [75] описываются правила получения экспертной информации. Так, например, постановка во­ просов в анкетах должна исключать возможность различных их толко­ ваний. Оформление результатов оценки должно требовать минимума времени от экспертов. При проведении экспертных оценок не должно разглашаться индивидуальное мнение экспертов и т. д.

Полученные экспертные оценки могут резко различаться между со­ бой. Тогда возможно совместное обсуждение результатов. Затем про­ водится повторная независимая оценка возможных значений опреде­ ляющих параметров.

Вторым этапом является статистическая обработка полученных данных. В результате такой обработки могут быть получены функции распределения ожидаемых параметров. Вторым видом оценок экспер­ тов может быть определение возможных границ значений того или иного параметра.

При получении граничных оценок используются различные за­ коны распределения. Наиболее простым законом характеризуется равновероятное распределение. Остановимся на этом случае.

Обозначим оценку г-м экспертом прогнозируемого значения пара­

Во всех остальных случаях р (а,) = 0. Здесь ап и ап — соответ­ ственно минимальное и максимальное значения параметра, данные t-м экспертом.

86

ЧАСТЬ II ПАРАМЕТРЫ

УПРАВЛЯЮЩИХ

ПОЛЕЙ

ГЛАВА 4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАСЧЕТА УПРАВЛЯЮЩИХ ПОЛЕЙ

§ 4.1. ОБЩАЯ СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ПОЛЕЙ

Под управляющими полями мы условились понимать такие физи­ ческие поля, которые воспринимаются приемными элементами радио­ электронной системы и преобразуются в управляющее воздействие или управляющий сигнал.

Точное определение физических параметров управляющих полей расчетным путем практически неосуществимо. С одной стороны, из-за незнания точных физических параметров морской среды и взаимо­ действующих объектов, с другой стороны, из-за различия расчетной модели и реального объекта. Поэтому в ряде случаев параметры управ­ ляющего поля удобно рассматривать как случайную величину, слу­ чайный процесс или случайное поле (пространственный случайный процесс).

Такой подход требует сочетания следующих основных методов: 1) методов математической физики как способа расчета управляющих полей при детерминированных параметрах среды и взаимодействую­ щих объектов и 2) методов теории вероятности, случайных функций, информации, математической статистики и методов планирования эксперимента для определения статистических параметров этих полей.

В зависимости от принятых допущений и степени упрощения рас­ четной модели возникающие задачи делятся на задачи, имеющие сравнительно простое решение; задачи, для которых возможно полу­ чение формального' решения, но проведение численных расчетов тре­ бует обязательного привлечения современной вычислительной тех­ ники; и на задачи, решение которых представляет принципиальные трудности.

Естественно, что параметры управляющего поля, вычисленные при использовании той или иной расчетной модели, будут отличаться как точностью, так и объемом информации о геометрической форме, физи­ ческих параметрах среды и управляющем и управляемом объектах. Поэтому целесообразную расчетную модель следует выбирать, исходя из требуемого объема информации и допустимой трудоемкости вычис­ лений.

В радиоэлектронных системах автоматического управления мор­ скими объектами в качестве носителя информации используется боль­

88

шое число физических полей. Естественно, что в рамках одной главы невозможно даже перечислить и математически поставить возникающие задачи расчета различных по своей физической природе управляющих полей.

Задачей этой главы является не создание инженерной методики расчета управляющих полей, а формулирование и описание общих принципов расчета физических полей. Поэтому общие принципы рас­ чета конкретизируются в основном на примерах расчета управляющих полей при использовании в качестве управляющего поля одного из характерных физических полей — стационарного электромагнитного

Рис. 4.1. Аппроксимации взволнованной поверхности моря

поля в морской воде. На его примере будут проиллюстрированы спо­ собы расчета физических полей при фиксированных параметрах рас­ четной модели и окружающей среды, а также при случайных измене­ ниях этих параметров. Кроме того, ниже, в гл. 6 кратко приводятся принципы получения исходных данных для вероятностных расчетов — статистических характеристик основных параметров, определяющих уровень физического поля.

Рис. 4.2. Модель прибрежной зоны

Особенностью рассматриваемых систем является передача информа­ ции посредством того или иного физического поля. При этом управляю­ щий и управляемый объекты находятся на некотором расстоянии друг от друга.

Ограничимся рассмотрением задачи, в которой присутствуют только два объекта — управляющий и управляемый. Принципы оп­ ределения управляющих воздействий для нескольких взаимодействую­ щих объектов остаются те же, однако сами расчеты становятся более сложными и громоздкими.

В большинстве случаев оказывается возможным считать, что мор­ ская среда, в которой находятся взаимодействующие объекты, трехслойна. Слой воды ограничен поверхностями раздела вода—воздух и вода — грунт, причем принимаем их плоскими и бесконечно протя­ женными. Подобное допущение вполне оправдано: размеры объектов и

89