Підсистема вторинної обробки даних спеціалізованої радіотехнічної системи дослідження розподілу метеорної речовини в навколоземному космічному просторі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет радіоелектроніки

УДК 621.371

Підсистема вторинної обробки даних спеціалізованої радіотехнічної системи дослідження розподілу метеорної речовини в навколоземному космічному просторі

05.12.21 - радіотехнічні системи спеціального призначення

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Воргуль Олександр Васильович

Харків 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки

Захист відбудеться “21”_квітня_ 1999 року о _13_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 у Харківському Державному технічному університеті радіоелектроніки за адресою: 310726 м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ХТУРЕ: 310726 м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розіслано "18" ___ березня____ 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чурюмов Г.І.

ВСТУП

Метеорна речовина - одна з суттєвих складників Сонячної системи. Вивчення метеорних тіл ведеться з найдавніших часів. У нинішній час до найбільш ефективних методів вивчення метеорної речовини відносяться фотографічний, телевізійний та радіолокаційний. Вивчення метеорної речовини дозволяє впритул підійти до відповіді на питання космогонії Сонячної системи та будови атмосфери. В Проблемній науково-дослідній лабораторії Радіотехніки Харківського державного технічного університету радіоелектроніки (ПНДЛ РТ ХТУРЕ) протягом десятків років ведеться робота зі створення апаратури для дослідження метеорної речовини та збирання даних про неї.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертаційної роботи визначається необхідністю подальшого удосконалення існуючих радіолокаційних методів дослідження метеорів за допомогою спеціалізованих радіотехнічних систем задля подальшого вирішення важливої проблеми уточнення моделі розподілу метеорної речовини в Сонячній системі. Удосконалення спеціалізованої радіотехнічної системи, що призначена для дослідження розподілу метеорної речовини в Сонячній системі, викликано необхідністю розв'язання важливих фундаментальних задач та спрямовано на вирішення нагальних прикладних задач.

В галузі фундаментальних досліджень це перш за все розширення знань про еволюцію Сонячної системи, походження малих тіл, структури, ймовірні батьківські тіла та еволюцію метеорних потоків та макроквантові явища в Сонячній системі.

Прикладами важливих практичних задач, які можуть бути частково розв'язані за допомогою радіолокаційних методів дослідження метеорних процесів, є оцінка метеорної небезпеки щодо міжпланетних космічних апаратів і орбітальних комплексів та кометно-астероїдної небезпеки для Землі. Важливою стороною практичного застосування результатів вивчення розподілу метеорної речовини є подальший розвиток метеорного радіозв'язку. Знання густини потоку метеорних тіл та її розподіл за небесною сферою дозволить прогнозувати параметри метеорних слідів, необхідні для забезпечення зв'язку за допомогою метеорного каналу передачі інформації і коефіцієнт заповнення (відношення часу, за який амплітуда прийнятого сигналу перевищує заданий пороговий рівень, до загального часу, протягом якого міг би здійснюватися зв'язок, тобто у обох пунктах апаратура була б у робочому стані). Успіхи радіолокаційних методів, що змінили та разом з тим органічно доповнили інші методи спостереження (візуальні, фотографічні, телескопічні) сприяли і стимулювали розвиток спеціалізованих радіотехнічних систем (СРТС) для всебічного дослідження метеорів як радіолокаційних цілей, а також засобів обробки одержуваної інформації.

Дослідження в межах дисертації провадились на підставі накопиченого світового досвіду радіолокації метеорів та багаторічного досвіду, надбаного в цій галузі колективом ПНДЛ РТ ХТУРЕ.

Радіолокаційний метод дослідження метеорів, розвинутий за минулі роки, дозволяє в автоматичному режимі реєструвати цілу низку параметрів метеорів і обробляти їх в режимі реального часу. В зв'язку з цим важливим завданням при проектуванні та експлуатації СРТС є оптимізація всього циклу збирання й обробки метеорної інформації. Така оптимізація має забезпечити, по-перше, вибір оптимальних значень набору параметрів СРТС для зниження похибок вимірювання технічними засобами (параметрична оптимізація апаратурної частини). По-друге - ідентифікація та методика обліку систематичних похибок що залишилися є задачею вторинної обробки інформації у СРТС.

Головним параметром метеорного тіла, що дозволяє розрахувати його орбіту, є вектор швидкості. Тому забезпечення мінімальної середньоквадратичної похибки вимірювання швидкості метеорного тіла є суттєвим для підвищення значущості одержуваної інформації. Оцінка похибки визначення швидкості метеорів та її подальше врахування дозволяють уточнити модель розподілу метеорної речовини в Сонячній системі.

Але, як показав аналітичний огляд науково-технічних досягнень в галузі радіолокації метеорів, задачі багатоступеневої оптимізації СРТС для мінімізації похибок вимірювання швидкостей метеорів доки що не розв'язані. Згадана вище потреба сьогодення в більш точній моделі розподілу метеорної речовини та відсутність ефективних засобів, за допомогою яких можна було б виконати більш "тонкі" дослідження розподілу метеорів у Сонячній системі, ніж відомі, і обумовили необхідність виконання досліджень, результати яких викладено в представленій дисертації.

Суттєвою особливістю при збиранні та обробці метеорної інформації є те, що самий метод що використовується, умови спостереження та особливості фізичних процесів, що відбуваються при виникненні метеорного сліду, виявляє вплив на дані що збираються, внаслідок чого втрачається частина інформації, або, іншими словами, дані збираються вибірково. На ймовірність реєстрації метеорного тіла впливає кілька параметрів: швидкість метеорного тіла, його маса, орієнтація та розміри орбіти в Сонячній системі, матеріал, з якого тіло складається. Фактори, під впливом яких значною мірою змінюється імовірність реєстрації метеорного тіла, в метеорній астрономії називають факторами виборності.

Тут необхідно зауважити щодо термінології. Різні автори запроваджували різні назви для однакових явищ та процесів або часом однаково називали різні процеси та явища. Для уникнення плутанини на з'їздах, конференціях, комісіях і т. ін. формувався єдиний підхід, що закріплювався у відповідних нормативних документах. Поряд з існуючою термінологією в теорії радіотехнічних систем (РТС), радіоприймання, тощо, в астрономії та суміжних галузях більш як сто років використовують терміни "вибірність", "чутливість", "селективність". Ще раз підкреслимо, що в метеорній астрономії так називають властивості процесу або методу дослідження цього процесу виділяти одні сторони явища (або одні характеристики) і з меншою імовірністю виявляти (або реєструвати - для методу) інші. Для запобігання плутанини термін "вибірність" в даній роботі вживається тільки в цьому сенсі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тема дисертаційної роботи пов'язана з виконанням проектів і науково-дослідних робіт (НДР): д\б НДР "Дослідження нестаціонарних процесів у міжпланетному пиловому комплексі радіолокаційним методом з високою просторовою спектральною роздільною здатністю" , 0194U02'699 та "Астероїди, комети і метеорна речовина поблизу орбіти Землі: фізичні властивості, статистика, пошук генетичних зв'язків" 140215 (480-1), а також міжнародного проекту ГЛОБМЕТ і міжнародної програми VHW.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є удосконалення радіотехнічних методів та засобів дослідження розподілу метеорної речовини для отримання уточненої моделі ймовірнісного простору метеорних тіл у Сонячній системі.

В зв'язку з цим розв'язуються наступні задачі:

формулювання моделі, що охоплює випромінювання зондуючого сигналу, його поширення і розсіювання метеорним слідом, формування сигналу що приймається, його обробку (виявлення, виділення з завад, вимірювання швидкості);

параметрична оптимізація СРТС за критерієм мінімуму середньоквадратичного відхилення (СКВ) вимірюваної швидкості;

розробка методики вимірювання швидкості метеорного тіла, що використовує модель формування прийнятого сигналу, з метою розширення діапазону надійно вимірюваних швидкостей та зниження СКВ швидкості що вимірюється;

вдосконалення методики обробки даних (використання докладнішої фізичної моделі утворення метеорного сліду), зібраних шляхом радіометеорних спостережень, з метою усунення впливу факторів виборності на процеси що досліджуються, провадиться методом моделювання комплексу умов і засобів спостереження, частиною якого є СРТС збирання та обробки радіометеорної інформації;

розробка методів аналізу одержуваної інформації відомими та оригінальними методами, що використовуються для обробки сигналу в умовах присутності шуму. Задача створення методу обробки даної інформації формулюється в роботі як визначення алгоритму роботи підсистеми фільтрації сигналу з шуму при неповній апріорній визначеності.

Наукова новизна одержаних результатів.

Побудовано модель апаратури для вимірювання швидкості, що враховує об'єкт дослідження, вплив завад та параметрів атмосфери.

Запропоновано методику вимірювання швидкості метеорного тіла, що використовує моделювання на основі сформульованої моделі, з метою розширення діапазону надійно вимірюваних швидкостей і зниження СКВ вимірюваної швидкості.

Запропоновано і реалізовано алгоритм параметричної оптимізації СРТС за критерієм мінімуму середньоквадратичної похибки виміряної швидкості.

Оцінка похибки визначення швидкості метеорів та її подальше врахування дозволили уточнити модель розподілу метеорної речовини в Сонячній системі в основному за рахунок "повільних" і "швидких" метеорів, що визначають розподіл у апексній та антиапексній областях небесної сфери.

Використано більш об'єктивну фізичну модель утворення метеорного сліду в процедурі моделювання з метою усунення впливу факторів виборності на процеси що досліджуються. Задача визначення оцінок факторів виборності розв'язується методом моделювання комплексу умов і засобів спостереження, частиною якого є СРТС збирання та обробки радіометеорної інформації.

Розроблено метод візуалізації та аналізу двовимірних розподілів (полів) в умовах виборок обмеженого обсягу, до основи якого покладено метод комп'ютерної томографії. Метод є прийнятний для виявлення тонкої структури метеорних потоків та асоціацій метеорних тіл.

Розроблено методику класифікації орбіт метеорних тіл за їхніми можливими батьківськими тілами і отримано результати класифікації.

Практичне значення одержаних результатів.

В результаті проведення параметричної оптимізації СРТС збирання радіометеорної інформації отримано оптимальні значення параметрів СРТС, що дозволило домогтися мінімальної похибки вимірювання швидкості метеорного тіла в межах обраної моделі.

Запропоновано нову методику вимірювання швидкості метеорного тіла з використанням імітаційного моделювання метеорного сліду та системи реєстрації швидкості. Її використання, згідно з результатами моделювання, дозволило збільшити діапазон надійно вимірюваних швидкостей (як в бік "повільних", так і в бік "швидких" метеорів) і підвищити точність вимірювання швидкості щонайменше в 10 разів. Розширення діапазону надійно вимірюваних швидкостей дозволяє збільшити кількість метеорів, для яких може бути отримано оцінку швидкості, усереднено на 20%.

Розроблені методики обробки і програмні продукти, що їх реалізують, може бути використано при аналізі банку даних, наявних у ПНДЛ РТ і спеціально пристосовано для переведення результатів спостережень (1957-1968 рр.) з кіноплівки на цифрові носії та подальшої обробки отриманих даних.

Одержані результати можуть використовуватися для оцінки метеорної небезпеки щодо міжпланетних космічних апаратів та орбітальних комплексів, а також для розв'язання проблеми кометно-астероїдної небезпеки для Землі.

Особистий внесок автора.

Автором особисто розроблено імітаційну модель системи реєстрації швидкості метеороїда. Розроблено алгоритм визначення оптимальних параметрів аналізуємої СРТС, складено програму, що реалізує цей алгоритм.

Запропоновано і реалізовано програмно нову методику визначення швидкості з використанням імітаційного моделювання формування метеорного сліду і системи реєстрації швидкості.

Розроблено імітаційну модель, алгоритм і програму її реалізації (розділ 3), що використовує більш докладну і реалістичну фізичну модель утворення метеорного сліду за В. Н. Лебединцем.

Проведено дослідження низки методів розв'язання алгебраїчної системи лінійних недовизначених рівнянь. Показано, що для отримання розв'язку найбільш придатним є асимптотичний метод, незважаючи на наявність точного рішення.

Розроблено і реалізовано у вигляді пакету прикладних підпрограм метод візуалізації та аналізу структури метеорних роїв і асоціацій, що базується на методі комп'ютерної томографії.

У статтях, написаних у співавторстві, автором розроблено алгоритм визначення імовірних батьківських тіл метеороїда на підставі методу максимальної правдоподібності. Складено програму, що реалізує цей алгоритм, вибрано і обгрунтовано параметри алгоритму (порогові значення) для обробки наявного банку орбіт і проведено класифікацію згідно з алгоритмом (співавтори Волощук Ю. І., Кащеєв Б. Л.)

Апробація роботи.

Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися:

на міжнародних конференціях "Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації" 18 - 21 вересня 1995, Туапсе і "Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації" 17 - 19 вересня 1996, Туапсе;

на всеукраїнській відкритій конференції молодих учених, квітень 1996, Київ;

на першому міжнародному форумі "Електроніка і молодь в XXI сторіччі" 22 - 24 квітня 1997, Харків;

на міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія. освіта, здоров'я" 12 - 14 травня 1997, Харків;

на з'їзді Української Астрономічної Асоціації 27 - 29 жовтня 1997, Київ.

Публікації: 5 статей у журналах, 1 депонована стаття, 8 публікацій у матеріалах науково-технічних конференцій (3 доповіді та 5 тез доповідей).

До захисту виносяться наступні основні положення:

результати параметричної оптимізації СРТС розглянутого типу на прикладі комплексу "Метеорна автоматизована радіотехнічна система" і врахування неоптимальності параметрів комплексу при обробці попередньо зібраних даних;

методика вимірювання швидкості, що використовує імітаційне моделювання метеорного сліду і системи реєстрації швидкості, що дозволила підвищити точність вимірювання швидкості метеорного тіла і розширити діапазон вимірюваних швидкостей;

метод імітаційного моделювання процесу реєстрації метеорних тіл, що використовує більш сучасну фізичну модель утворення метеорного сліду і формування розсіяного сигналу;

метод візуалізації структури метеорних потоків та роїв, що використовує комп'ютерну томографію і що дозволить докладніше досліджувати тонку структуру метеорних роїв;

метод розв'язання задачі класифікації з застосуванням критерію відношення правдоподібності та пакет програм що його реалізують, які дозволять визначати ймовірні батьківські тіла індивідуальних метеорів серед класів кометних та астероїдних тіл.

Структура дисертаційної роботи

Робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури (87 найменувань) та додатків. В основному тексті роботи 192 сторінки, 51 малюнок, 6 таблиць, включаючи додатки обсягом 37 сторінок.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

зондуючий метеорний випромінювання радіотехнічний

В дисертаційній роботі послідовно розглянуто:

різноманітні радіотехнічні методи дослідження метеорних процесів; основну увагу приділено імпульсно-дифракційному методу, реалізованому в СРТС, що розроблено в ПНДЛ РТ ХТУРЕ і призначено для дослідження атмосфери та метеорних процесів; наведено оператор прямої задачі радіолокації метеорів;

вплив параметрів СРТС на процес реєстрації та вибір параметрів для забезпечення оптимальної роботи СРТС наведеного типу за критерієм мінімуму СКВ вимірюваної швидкості; було запропоновано нову методику вимірювання швидкості, що використовує імітаційне моделювання та дозволяє збільшити діапазон надійно вимірюваних швидкостей (як в бік "повільних", так і в бік "швидких" метеорів) і підвищити точність вимірювання швидкості;

оцінку впливу факторів виборності, причини і чинники, викликаючи так зване явище виборності, визначення оцінки сумарних факторів виборності і їхнього урахування при визначенні густини розподілу метеорної речовини на небесній сфері;

обробку результатів астрономічних спостережень з урахуванням факторів виборності методами, що найбільш повно розроблено у статистичній радіотехніці. Обробка ставить своєю метою виявлення структурних особливостей розподілу метеорної речовини поблизу орбіти Землі і розглядається як задача фільтрації сигналу з шуму.

Запропонована робота повинна розглядатися як модернізація СРТС наведеного типу в сенсі створення програмно-апаратної підсистеми та розширення її програмної частини. При цьому передбачено використання отриманих методів і програм для обробки результатів вимірювань, що були зафіксовані на кіноплівку, які було отримано до введення в експлуатацію автоматизованого варіанту СРТС розглянутого типу.

У вступі викладено актуальність, сформульовано задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

В першому розділі здійснено аналітичний огляд проблеми в тому вигляді, в якому її вирішено на теперішній час. Зроблено попередній огляд об'єкту дослідження - метеора, та огляд радіолокаційних методів дослідження метеорної речовини, їхніх особливостей, переваг та недоліків. Особливу увагу приділено опису імпульсно-дифракційного методу, який реалізовано у досліджуваній СРТС. Стисло наведено структурну схему СРТС, її технічні характеристики та перелік задач що розв'язуються.

Описано оператор прямої задачі радіолокації метеорів в сукупності з алгоритмами автоматизованої обробки радіометеорної інформації. Розглянуто сигнал що використовується, його інформативність. Описується алгоритм обробки сигналу в СРТС.

Зроблено висновок про необхідність багатоступеневої оптимізації СРТС для мінімізації похибок вимірювання, що має підвищити об'єктивність інформації, яка реєструється, і полегшити її подальшу обробку та інтерпретацію.

Обрана модель прямої задачі достатньо об'єктивно віддзеркалює основні закономірності явища що досліджується. Це дозволяє використовувати імітаційне моделювання СРТС збору та обробки радіометеорної інформації (РМІ) як засіб розв'язання задачі оптимізації. Необхідно зауважити, що складність та багатофакторність задачі не дозволяють використати інші засоби для її розв'язання.

Розв'язання задачі оптимізації дозволить:

підвищити точність вимірювання швидкості індивідуальних метеорів;

розширити діапазон швидкостей, що надійно реєструються і завдяки цьому збільшити кількість реєстрацій за рахунок тих, що досі відкидалися;

врахувати похибки вимірювання швидкості для обробки раніше зібраної інформації системою з неоптимальними параметрами;

провести селекцію банку даних індивідуальних орбіт для проведення досліджень структурних особливостей метеорної речовини поблизу орбіти Землі.

В другому розділі отримано модель системи реєстрації швидкості, що містить моделі зондуючого сигналу, його поширення і розсіювання метеорним слідом, формування сигналу що приймається, його обробку (виявлення, виділення з завад, вимірювання швидкості). На підставі використання даної моделі розроблено методику параметричної оптимізації СРТС за критерієм мінімуму СКВ виміряної швидкості.

При реєстрації орбіт індивідуальних метеорів основна похибка вноситься при вимірюванні вектора видимої швидкості метеорного тіла - модуля і напрямних косинусів. Тому за критерій оптимізації системи обрано критерій мінімуму середньоквадратичного відхилення зміряної (видимої) швидкості метеорного тіла. За параметри оптимізації обрано період послідовності зондуючих імпульсів, їхню тривалість та тривалість реєстрації. При моделюванні враховувалися експериментально одержані розподіли метеорних тіл за швидкостями і координатами радіантів, що багато в чому вирішує проблему врахування астрономічного і геометричного факторів виборності.

Отримано оцінки оптимальних параметрів СРТС МАРС, що діяв у період 1968-72 р. Результати моделювання доводять, що СКВ вимірюваної швидкості завелика і суттєво змінюється в діапазоні вимірюваних швидкостей. Діапазон вимірюваних швидкостей в незначній мірі охоплює "повільні" і "швидкі" метеори. Мають місце промахи при оцінюванні швидкості. Результати проведених досліджень свідчать на користь модифікації алгоритму вимірювання швидкості.

Розроблено вдосконалену методику визначення швидкості метеорного тіла, що дозволяє зменшити СКВ швидкості що визначається і поширити діапазон зареєстрованих метеорних тіл за швидкістю. Дана методика грунтується на використанні імітаційного моделювання сигналу, подібного до останнього що реєструється, на підставі одержаної моделі. Моделюємий сигнал визначається двома параметрами: похилою віддаллю до точки відбиття на метеорному сліді та швидкістю метеорного тіла. Похила віддаль визначається апаратно внаслідок реєстрації (пряма дальнометрія). Параметр, що залишився - швидкість - і необхідно визначити. Для визначення швидкості використовується вся інформація, яку несе в собі зареєстрований сигнал. За швидкість метеорного тіла приймається таке значення швидкості-параметра модельованого сигналу, при якій відстань між двома сигналами - що моделюється та що зареєстровано - у відповідному просторі мінімальна.

Використання даної методики дозволяє збільшити діапазон надійно вимірюваних швидкостей на 20% і щонайменше в 10 раз зменшити їхню похибку вимірювання. Розширення діапазону надійно вимірюваних швидкостей призводить до збільшення чисельності реєстрацій, придатних до вторинної обробки в СРТС. Провадиться порівняльний аналіз двох модифікацій методик вимірювання швидкості. Наданий алгоритм може бути також використано для вимірювання вектора швидкості. Для цього необхідно обробляти три сигнали (або амплітудно-часові характеристики - АЧХ) , прийняті у трьох пунктах, та отримати дві часові затримки, як описано в розділі 1.

Проведено оптимізацію СРТС, що використовує вдосконалений алгоритм вимірювання швидкості. Одержано оптимальні значення параметрів СРТС для проведення вимірювань швидкості метеорів зі всієї небесної сфери у широкому діапазоні швидкостей (10..65 км/с) протягом року (тривалі вимірювання).

Саму процедуру оптимізації покладено до основи створення окремого блока в складі СРТС. Використання такого блока дозволить (в автоматичному режимі) визначати і встановлювати оптимальні параметри як для тривалих циклів спостережень, так і для короткого періоду. Застосування блока подібного роду водночас частково розв'язує задачу селекції необхідного потоку - для метеорів, що не належать до потоку, параметри не будуть оптимальні і імовірність їхньої реєстрації може бути значно нижчою.

У третьому розділі надається опис процедури усунення впливу факторів виборності на процеси що досліджуються. Для оцінки факторів виборності необхідно отримати оператор зворотної задачі радіолокації метеорів. За наявності такого оператора розв'язується задача інтерпретації результатів спостереження. Отримання оператора зворотної задачі ускладнюється тим, що задача обернення оператора прямої задачі радіолокації метеорів належить до некоректних задач. Розглядається розв'язання задачі інтерпретації методом моделювання на ЕОМ. Використання імітаційного моделювання дозволяє замінити розв'язання зворотної задачі багаторазовим розв'язанням прямої задачі.

Наведено опис процедури імітаційного моделювання комплексу збирання радіометеорної інформації, який вміщує СРТС. При моделюванні комплексу збирання радіометеорної інформації нерегулюємі чинники (внутрішні шуми приймального приладу, зовнішні шуми атмосфери та космічні), істотна залежність параметрів сигналу що реєструється від фізичних характеристик метеороїда (маса, щільність, швидкість, величина уповільнення руху, наявність або відсутність дроблення та його вид) і характеристик атмосфери на висоті виникнення метеорного сліду, положення відбиваючої точки на ньому, орієнтація метеорного сліду у просторі враховувалися за допомогою включення до алгоритму відповідних математичних моделей факторів що впливають: моделі шуму, фізичної моделі метеорного тіла, моделі формування метеорного сліду і розсіяного ним сигналу, моделі апаратури, що виробляє усі види обробки сигналу: попередню, первинну, вторинну. Використовується сучасна фізична модель утворення метеорного сліду в атмосфері Землі, що враховує процес дроблення метеороїда (модель прогресивного дроблення), деформацію розплавленої крапельки для тіл, що прогріваються наскрізь, гальмування тіл та втрату маси під час формування сліду.

Моделювання провадиться у припущенні, що густина потоку метеорної речовини рівномірна по небесній сфері. Оскільки це не так, необхідно, знаючи оцінки факторів виборності, перерозподілити густину розподілу метеорної речовини, щоб чисельність реєстрацій з усієї небесної сфери за п`ятнадцятихвилинні інтервали дорівнювала результатам вимірювань. Таким чином, оцінка густини потоку метеорної речовини на небесній сфері визначається як розв'язок алгебраїчної системи лінійних рівнянь. Отримання розв'язку ускладнюється тим, що число змінних перевищує число рівнянь.

Провадиться аналіз методів розв'язання алгебраїчної системи лінійних недовизначених рівнянь, коефіцієнти яких визначаються результатами моделювання, а вільні члени - даними вимірювань СРТС. Для такої системи існує нескінченно велика множина розв'язків. Складність однозначного вибору розв'язку з такої множини полягає у відсутності додаткової інформації про цей розв'язок. Показано, що для реалізації найпридатнішим є асимптотичний метод, незважаючи на наявність точного розв'язку.

За результатами оцінки факторів виборності та за результатами вимірювань визначається густина потоку метеорної речовини на небесній сфері. Побудовано прогноз траси метеорного радіозв'язку, визначено імовірні коефіцієнти заповнення.

Проведені дослідження показують істотний вплив різноманітного роду факторів і, насамперед, методу та апаратури реєстрації на результати спостережень. Внаслідок цього інтерпретація отриманих результатів є необхідною операцією при збиранні та обробці інформації. Необхідно відзначити, що в даному випадку вилучення такого впливу з результатів спостереження є складною задачею. Одним з найбільш ефективних інструментів розв'язання цієї задачі є імітаційне моделювання.

Одною з переваг даної імітаційної моделі є, по-перше, те, що вона одержана з урахуванням впливу всіх факторів виборності (в межах обраної моделі) і, по-друге, те, що при її отриманні використано дані про реєстрацію чисельності, менш схильні до впливу факторів виборності, ніж дані вимірювань координат радіантів та параметрів орбіт. Одержана модель може служити достатньо надійним підгрунтям для проведення обробки розподілів експериментально виміряних координат радіантів.

У четвертому розділі наводяться методи обробки інформації, одержаної та виправленої за фактори виборності, різноманітними методами.

Розроблено метод візуалізації та аналізу метеорних потоків та асоціацій з метою виявлення їхньої тонкої структури. Метод використовує комп'ютерну томографію. Він дозволяє провадити аналіз двовимірних розподілів (полів) за умов наявності виборок невеликого обсягу. Суттєвість методу полягає в одержанні за двовимірним розподілом набору умовних одновимірних функцій, після чого відбувається відновлення двовимірної функції за набором одновимірних. Зниження вимірності, що використовується при визначенні одновимірних функцій, дозволяє досягти високої ефективності при використанні виборок обмеженого обсягу. Наводиться структура алгоритму пакета прикладних підпрограм, що реалізують даний метод. Алгоритм комп'ютерної томографії що використовується належить до класу алгоритмів фільтру та зворотної проекції і відрізняється від аналогічних алгоритмів адаптивною процедурою вибору параметра фільтра. Окрему увагу приділено регуляризації зворотного перетворення Радона. Метод призначено для обробки бази даних метеорних потоків та асоціацій з метою дослідження їхньої тонкої структури. Він використовується як для проведення розвідкового аналізу, так і для оцінки значущості структурних особливостей функцій що досліджуються. Метод може розглядатися як метод фільтрації двовимірного сигналу у суміші з завадою при невідомому виді сигналу та обмеженій інформації про властивості шуму.

Визначаються імовірні батьківські тіла метеорних тіл методом, що використовує критерій Неймана-Пірсона. За відомим апріорним розподілом визначаються вирішальні правила - відношення правдоподібності - для складної гіпотези. Метеорні тіла класифікуються на три групи: тіла з орбітами кометного, астероїдного та третього типу - не кометного і не астероїдного. Оскільки априорні розподіли є задані у класі Бета-розподілів, імовірності помилок першого або другого роду (порогові рівні) визначаються чисельним методом. При обчисленні використовується швидке перетворення Фур'є. Явище Гібса, що виникає як результат обмеження нескінченної області інтегрування, придушується за допомогою віконної функції. Будуються залежності, що пов'язують пороговий рівень та представницькість одержуваних класів. Провадиться перевірка коректності алгоритму класифікації на вибірці відомих комет та астероїдів. Приводяться результати класифікації. Вони добре погоджуються з класифікацією, проведеною на базі дискримінантного методу аналізу.

У висновках надаються основні результати роботи.

В додатках наведено фізичну модель утворення метеорного сліду, основні відомості з метеорної астрономії, що використовуються, або згадуються в роботі, а також алгоритм визначення елементів орбіти за результатами вимірювання швидкості та двох часових затримок, що використовується у СРТС розглянутого типу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі було досліджено спеціалізовану радіотехнічну систему з точки зору визначення оцінки похибки вимірювань, її врахування та причин її виникнення, методів її вилучення з даних та вимірювальних способів дослідження отриманої і виправленої інформації.

Було послідовно розглянуто:

вплив на процес реєстрації параметрів СРТС розглянутого типу та вибір параметрів для забезпечення оптимальної роботи СРТС МАРС за критерієм мінімуму СКВ швидкості що вимірюється; було запропоновано нову методику вимірювання швидкості, що використовує імітаційнє моделювання;

оцінку впливу факторів виборності, причини та фактори, що викликають так зване явище виборності, визначення оцінки сумарних факторів виборності та їхнє урахування при визначенні густини розподілу метеорної речовини на небесній сфері;

обробку результатів спостережень, в яких враховано вплив факторів виборності, радіотехнічними методами. Обробка ставить своєю метою виявлення більш докладних структурних особливостей розподілу метеорної речовини поблизу орбіти Землі та здійснюється як розв'язання задачі фільтрації сигналу із завад.

Робота що пропонується має розглядатися як модернізація СРТС розглянутого типу на прикладі комплексу МАРС в сенсі створення програмно-апаратного комплексу та розширення його функціональних спроможностей. При цьому передбачено використання отриманих методів та програм для обробки результатів вимірювань, одержаних до існування автоматизованого варіанту комплексу МАРС, що зафіксовано на кіноплівку, які мають велике наукове значення.

Внаслідок проведення роботи:

Одержано модель системи реєстрації швидкості, що вміщує моделі зондуючого сигналу, його поширення та розсіювання метеорним слідом, формування сигналу, що приймається та всі види його обробки.

Розроблено методику параметричної оптимізації розглянутої СРТС за критерієм мінімуму СКВ виміряної швидкості та її реалізація на ЕОМ.

Отримано оцінки оптимальних параметрів комплексу МАРС, що діяв у період 1968-72 р. Результати проведених досліджень свідчать на користь модифікації алгоритму вимірювання швидкості.

Розроблено вдосконалену методику вимірювання швидкості метеорних тіл, що дозволяє зменшити СКВ вимірюваної швидкості щонайменше в 10 раз і розширити діапазон метеорних тіл на 20%, що реєструються за швидкістю. Даний алгоритм може бути також використано для вимірювання ще й вектора швидкості.

Проведено оптимізацію СРТС, що використовує вдосконалений алгоритм вимірювання швидкості. Одержано оптимальні значення параметрів СРТС для проведення вимірювань швидкості метеорів з усієї небесної сфери у широкому діапазоні швидкостей (10..65 км/с) протягом року.

Розроблено імітаційну модель, алгоритм і програму її реалізації, що використовує фізичну модель утворення метеорного сліду за В. Н. Лебединцем.

Проведено аналіз недовизначеної алгебраїчної системи лінійних рівнянь, з якої визначається густина потоку метеорної речовини та методів її розв'язання. Розглянута система пов'язує фактори виборності, що змінюються за координатами на небесній сфері, та часом, густину потоку метеорної речовини, що змінюється за небесною сферою, та результати вимірювання чисельності метеорних відбиттів з усієї сфери в заданий інтервал часу, що змінюються за часом. Розв'язком системи є оцінка густини потоку метеорної речовини за небесною сферою. Показано, що крім методу Пупишева та Шевченка жоден з розглянутих методів не дозволяє або принципово, або за витратами часу розв'язати задачу з необхідною точністю. Даний метод добре придатний для розв'язання розглянутої системи у режимі реального часу, що може знадобитися для розроблення проблеми кометно-астероїдної небезпеки.

Отримано уточнену модель розподілу густини потоку метеорної речовини за геліоцентричною небесною сферою за допомогою вдосконаленої процедури моделювання.

Запропоновано метод виявлення тонкої структури метеорних потоків і роїв, що використовує комп'ютерну томографію. Фактично розв'язано задачу оцінки двовимірної функції за обмеженим набором відліків з даної функції. Створено пакет програм, що реалізують даний алгоритм, призначений для обробки бази даних метеорних потоків і асоціацій з метою дослідження їхньої тонкої структури. Метод може бути використано як для перевірки значущості існуючої структури потоку, так і для проведення розвідувального аналізу. Отриманий метод може бути використано при аналізі різноманітних багатофакторних процесів для одержання багатовимірних функцій різних величин за виборкою.

Отримано алгоритм визначення імовірних батьківських тіл метеорів методом, що використовує критерій Неймана-Пірсона. Одержано залежності, що пов'язують пороговий рівень та представницькість одержуваних класів. Провадиться перевірка коректності алгоритму класифікації на вибірці відомих комет та астероїдів. Наводяться результати класифікації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Волощук Ю.И., Кащеев Б.Л., Воргуль А.В. Метеорный комплекс вблизи орбиты Земли. Спорадический фон, потоки, ассоциации. 3. Источники потоковых и спорадических метеорных тел // Астрономический вестник 1997 Т.31 №4 с. 345-369.

2. Yu. I. Voloshchuk, A.V. Vorgul and B.L. Kashcheev. The Meteor Complex Near the Earth's Orbit: Sporadic Background, Streams, Associations. III. Sources of Stream and Sporadic Meteoric Bodies // Solar System Research. Vol. 31, No 4, 1997, pp. 306-329.

3. Воргуль А.В. Измерение скорости метеорного тела методом имитационного моделирования // В сб. "Радиотехника", №106, 1998 с. 57-62.

4. Воргуль А.В. Определение плотности потока метеорных тел по небесной сфере методом имитационного моделирования // В сб. "Радиотехника", №107, 1998 с. 31-36.

5. Воргуль А.В. Определение двумерной функции по малой выборке методом компьютерной томографии // В сб. "Радиотехника", №107, 1998 с. 37-42.

6. Волощук Ю.И., Воргуль А.В. Восстановление функции плотности вероятности методом компьютерной томографии // Харьк. ин-т радиоэлектроники Харьков, 1992. 20 с. Деп. В УкрИНТЭИ № 442Ук93 Р ГАСНТИ 274351.

7. A.V. Vorgul Revealing of Hidden Periodicity in Meteors Parameter Distribution Obtained by Radar Measurement // Proceeding 14th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications, October 15-17, Dubrovnik, Croatia 1997 p.75-79.

8. Волощук Ю.И., Воргуль А.В. Сравнение двух методов определения скорости метеоров // Труды международного семинара памяти профессоров Киевского университета С.К. Всехсвятского (1905-1984) и А.Ф. Богородского (1907-1984) "Малые тела Солнечной системы, физика Солнца, релятивистская астрофизика" 15-17 ноября 1994. Киев, АО КНУ, 1996, с.29.

9. Воргуль А.В. Имитационное моделирование специализированного радиотехнического комплекса сбора метеорной информации // Труды международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология. Образование, здоровье" 12-14 мая 1997. Харьков, часть I, с.360-363.

10. Воргуль А.В. Выявление скрытых периодичностей в распределениях параметров метеорных тел // Труды международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология. Образование, здоровье" 12-14 мая 1997. Харьков, часть I, с.364-366.

11. Воргуль А.В. Анализ погрешностей метода измерения скорости метеоров на трех станциях с угломером // Тезисы доклада на международной конференции "Теория и техника передачи, приёма и обработки информации" 18-21 сентября 1995. Туапсе, с.38.

12. Воргуль А.В. Моделирование радиотехнического комплекса сбора метеорной информации // Тезисы доклада на международной конференции "Теория и техника передачи, приёма и обработки информации" 17-19 сентября 1996. Туапсе, с.48.

13. Воргуль А.В. Восстановление двумерного распределения параметров орбит томографическим методом. // Тезисы доклада на первом международном форуме "Электроника и молодежь в XXI веке" 22-24 апреля 1997. Харьков, с.18.

14. Воргуль О.В. Відновлення двовимірного розподілу параметрів орбіт томографічним методом //Інформаційний бюлетень №9 1996, с.28-29.

Размещено на Allbest.ru

...