Вопросы построения и реализации программных комплексов анализа электромагнитной обстановки

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы построения и реализации программных комплексов анализа электромагнитной обстановки. Показано, что такие программные комплексы могут быть успешно построены с использованием схемы «базовый комплекс + прикладной комплекс». Приведены примеры успешной реализации данной схемы.

В настоящее время для решения множества научных и научно-прикладных задач, связанных с изучением того или иного природного феномена, широко применяют моделирование процессов, связанных с его протеканием, с использованием новейших средств вычислительной техники. Достаточно глубоко проработанные отечественными и зарубежными ученными аспекты теории электромагнитного поля позволили внедрить компьютерное моделирование для изучения широкого круга задач электродинамики и антенн. Современный уровень развития вычислительной техники позволяет успешно решать задачи, связанные с излучением и рассеянием электромагнитного поля, как в частотной, так и во временной области, не прибегая к натурным измерениям, тем более что их проведение во многих случаях либо невозможно, либо крайне затруднительно и дорого.

Одной из таких научно-прикладных задач является задача определения электромагнитной обстановки, сформированной, в общем случае, произвольным комплексом радиопередающих и приемных устройств с учетом факторов их реального размещения на объекте. В качестве объектов размещения чаще всего могут выступать специальные сооружения (башни), техническая территория радио и телевизионных центров, а также и более локализованные в пространстве объекты (крыши зданий, корпуса летательных и космических аппаратов, корпуса кораблей и т.д.). В общем случае решение задачи определения электромагнитной обстановки подразумевает определение функции распределения уровней электромагнитного поля в заданной области пространства. Поскольку в подавляющем большинстве случаев возможность получения аналитического решения отсутствует (в силу многофакторности решаемой задачи), функция распределения уровней электромагнитного поля определяется численно методами электродинамического моделирования в рамках использования специализированных программных продуктов – программных комплексов анализа электромагнитной обстановки [1].

Основными компонентами современного программного комплекса анализа электромагнитной обстановки являются:

вычислительное ядро;
графический пользовательский интерфейс.

Данная структура логически определяет современные подходы при построении программных продуктов подобно рода. Дело заключается в слабой взаимной зависимости указанных компонентов (иногда она и вовсе не прослеживается), дающей возможность успешно вести их параллельную разработку, что существенно ускоряет сроки реализации программного комплекса в целом.

С другой стороны одно и то же вычислительное ядро (при наличии соответствующих функциональных возможностей) может быть использовано при разработке программных комплексов, использующих результаты электродинамического моделирования, для решения определенного круга научных или технических задач. Естественно, что данные комплексы будут иметь различный пользовательский интерфейс.

Таким образом, при построении и реализации программных комплексов анализа электромагнитной обстановки перед разработчиками на самом деле стоят две задачи:

разработка базового комплекса, содержащего в себе неизменную или подверженную малым изменениям часть программных модулей, определяющих в совокупности вычислительное ядро;
разработка прикладного комплекса для решения конкретного круга задач и содержащего в себе реализацию графического пользовательского интерфейса и тесно связанных с ним дополнительных программных модулей.

Функциональность базового комплекса, в первую очередь, зависит от набора и реализации методов электродинамического моделирования. Все многообразие методов электродинамического моделирования можно укрупнено разделить на две группы. К первой следует отнести методы, использующие неинтегральные представления поля; это методы, основанные на решении краевых задач для соответствующих дифференциальных уравнений (в том числе, при анализе во временной области), основанные на квазиоптических моделях и т.д. Ко второй группе относятся методы, использующие интегральные представления поля и предполагающие решение интегрального уравнения или системы интегральных уравнений.

Большую группу приближенных методов составляют методы, основанные на квазиоптических моделях [2 – 4]. Это методы геометрической оптики (ГО), геометрической теории дифракции (ГТД), физической оптики (ФО), краевых волн. Эти методы особенно эффективны при анализе поверхностных рассеивателей специальной формы – в тех случаях, когда методы оптики (коэффициенты Френеля и пр.) дают хорошее приближение на значительной части поверхности рассеивателя (например, при анализе параболического зеркала). Основным их достоинством является сравнительно небольшая ресурсоемкость.

Среди этой группы методов выделим метод ФО, так как с точки зрения постановки задачи он наиболее близок к интегральным методам. В рамках метода ФО находится распределение тока на электрически протяженных слабо искривленных металлических поверхностях в предположении выполнения законов Снеллиуса [4].

Что касается методов, основанных на интегральных уравнениях, то здесь также можно выделить два основных направления. К первому относятся методы, основанные на строгой исходной постановке задачи относительно поверхностных источников (ток, заряд) без устранения возникающих при этом особенностей в ядрах интегральных операторов; ко второму – методы на основе постановки задачи относительно эквивалентных (осевых или поверхностных на искусственно вводимых поверхностях) источников, что обеспечивает устранение упомянутых особенностей.

При анализе поверхностных рассеивателей в рамках строгой исходной постановки задача, как правило, решается относительно поверхностных источников с использованием векторных интегральных уравнений (относительно двухкомпонентных векторов), эквивалентных системам скалярных уравнений [5 – 8]. Переходя ко второму направлению, следует сразу же отметить большую группу методов на основе так называемого тонкопроволочного приближения с использованием уравнений Фредгольма первого и второго рода [5, 8]. Как известно, уравнения первого рода чаще всего строятся на основе граничных условий для тангенциальной компоненты электрического поля, а уравнения второго рода – для тангенциальной компоненты магнитного поля. Их отличает простота алгоритмизации, сравнительно небольшая потребность в вычислительных ресурсах, универсальность в смысле пространственных форм и т.д.

Вполне понятно, что каждая из рассмотренных групп методов применима для вполне определенных типов рассеивателей. Так, методы на основе дифференциальных уравнений применимы для внутренних задач в ограниченной области пространства. Физико-оптические методы используются при анализе дифракции на протяженных объектах простой геометрической формы. Методы на основе поверхностных интегральных уравнений применяются для анализа рассеяния на электрически малых поверхностях произвольной формы. Уравнения Фредгольма первого и второго рода применяются для тонких и для относительно толстых проволочных рассеивателей, соответственно.

Если электродинамическая система является сложной, и в ней присутствуют различные типы рассеивателей, наиболее эффективным является применение подходов, основанных на комбинации нескольких методов, указанных выше, с учетом взаимного влияния между всеми элементами системы [9].

Закладываемые при построении базового комплекса электродинамические методы должны обеспечивать следующие функциональные возможности:

устойчивость вычислительных процессов;
контроль невязки получаемых приближенных решений;
возможность оценивания (контроля) сходимости вычислительных процессов;
возможность оценивания меры обусловленности систем линейных алгебраических уравнений.

Функциональность базового комплекса также определяется набором рассчитываемых параметров электродинамической модели. С точки зрения удобства дальнейшего использования при разработке прикладных комплексов базовый комплекс должен обеспечивать:

расчет распределения токов в анализируемой электродинамической модели;
расчет комплексных амплитуд электрического и магнитного поля в произвольной точке пространства.

В большинстве случаев данных функций достаточно для их использования при разработке прикладных комплексов. В частности, использование последней функции обеспечивает возможность расчета в прикладном комплексе комплекснозначной функции диаграммы направленности (ДН) анализируемой электродинамической системы, на основании которой, в свою очередь, могут быть рассчитаны значения коэффициента направленного действия (КНД) и коэффициента усиления.

Функциональные возможности рассмотренного базового комплекса анализа электромагнитной обстановки могут быть использованы при разработке следующих видов программных комплексов:

программный комплекс анализа электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС);
программный комплекс анализа антенных систем, размещенных на одном объекте, для определения оптимальных компоновочных решений при проектировании;
программный комплекс анализа электромагнитной обстановки для решения вопросов электромагнитной безопасности передающих радиотехнических объектов.

Рассмотрим, какие задачи должны быть решены в рамках разработки соответствующих прикладных комплексов.

Прикладной комплекс для программного комплекса первого типа должен обеспечивать решение следующих задач:

частотный анализ;
расчет допустимой мощности радиопомехи на входе приемника;
расчет энергетических характеристик радиопомех;
расчет внеполосных характеристик антенн и развязок между антеннами;
оценка степени обеспечения ЭМС РЭС.

На основании результатов работы базового комплекса в прикладном комплексе для решения задачи анализа ЭМС РЭС должны быть определены следующие характеристики на рабочих частотах и на частотах внеполосных излучений:

амплитудные ДН по видам поляризации;
коэффициент направленного действия (КНД) и (или) коэффициент усиления (КУ) по видам поляризации и по полному потоку энергии на рабочих частотах и на частотах внеполосных излучений;
величины ширины главных лепестков амплитудных ДН, определяемые в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по заданным уровням ;
уровни боковых и задних лепестков амплитудных ДН;
коэффициент кроссполяризации;
собственная шумовая температура и (или) коэффициент шума (для приемных антенно-фидерных устройств);
величины развязки (рабочего ослабления) между антеннами.

Прикладной комплекс для программного комплекса второго типа должен обеспечивать решение следующих задач (на основании результатов работы базового комплекса):

расчет меридиональных амплитудных и фазовых ДН по меридиональной поляризации (q-поляризация);
расчет азимутальных амплитудных и фазовых ДН по q-поляризации;
расчет меридиональных амплитудных и фазовых ДН по азимутальной поляризации (j-поляризация);
расчет азимутальных амплитудных и фазовых ДН по j-поляризации;
расчет меридиональной суммарной ДН;
расчет азимутальной суммарная ДН;
расчет КНД и коэффициент усиления относительно изотропного излучателя или полуволнового вибратора по q-поляризации;
расчет КНД и коэффициента усиления относительно изотропного излучателя или полуволнового вибратора по j-поляризации;
расчет суммарных значений КНД и коэффициента усиления относительно изотропного излучателя или полуволнового вибратора.

Прикладной комплекс для программного комплекса третьего типа должен обеспечивать решение следующих задач (на основании результатов работы базового комплекса) [10]:

упрощенное построение электродинамических моделей типовых антенн НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонов;
расчет эффективных значений напряженности электрического поля в заданных точках пространства для передающих антенн, работающих в диапазоне частот 30 кГц – 300 МГц;
расчет средних значений плотности потока энергии в заданных точках пространства для передающих антенн, работающих в диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц;
определение границы санитарно-защитной зоны;
определение границ зон ограничения.

Необходимо отметить, что в данном случае основным требованием, предъявляемым к базовому комплексу, является требование соответствия реализованных в нем расчетных алгоритмов методикам, изложенным в действующей методической документации [11 – 14]. Данное требование может быть реализовано путем доработки и внесения в базовый комплекс дополнительных программных модулей, либо разработки другого узкоспециализированного (под решаемую задачу) базового комплекса. Однако и в том и в другом случае рассматриваемая схема построения и реализации комплекса анализа электромагнитной обстановки, которую кратко можно записать в виде «базовый комплекс + прикладной комплекс», остается неизменной.

В качестве общих требований, предъявляемых к графическому пользовательскому интерфейсу прикладных комплексов, можно указать следующие:

обеспечение логики работы программного комплекса;
обеспечение проверки корректности ввода пользователями исходных данных;
взаимодействие с системой хранения данных;
запуск необходимых процедур и функций базового комплекса;
вызов процедур визуализации исходных и расчетных данных;
запуск модуля документального оформления результатов расчета, если таковой предусмотрен в составе программного комплекса;
запуск (при необходимости) дополнительных утилит;
обеспечение эргономичности;
привычный внешний вид по отношению к операционной системе, для которой разрабатывается программный продукт.

Примерами успешного построения и реализации специалистами филиала ФГУП НИИР – СОНИИР программных комплексов по схеме «базовый комплекс + прикладной комплекс» являются специализированные программные комплексы, разработанные в рамках составных частей опытно-конструкторских работ «Спутник-С» и «Саговник-РК1-С», а также коммерческий продукт – Программный комплекс анализа электромагнитной обстановки, версия 4.0 [15].

Литература

Трофимов А.П., Филиппов Д.В. Программное обеспечение собственной разработки, покупное и свободно распространяемое – проблема выбора.// Труды НИИР: Сб. ст. – М.: НИИР. – 2010. — №1. – С. 24-28.
Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. – М.: Связь, 1978. – 248 с.
Уфимцев П. Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. – М.: Советское радио, 1962. – 43 с.
Bladel J. Electromagnetic fields. – IEEE Antennas and Propagation Society, 2007. – 1155 р.
Вычислительные методы в электродинамике: Под ред. Р. Митры. Пер. с англ. / Под ред. Э.Л. Бурштейна. – М.: Мир, 1977. – 487 с.
Захаров Е.В., Пименов Ю.В. Численный анализ дифракции радиоволн. – М.: Радио и связь, 1982. – 264 с.
Кравцов В.В. Интегральные уравнения в задачах дифракции. – В кн.: Вычислительные методы и программирование. – М.: Изд. МГУ. – 1966. – Вып. 5. – С. 260 – 293.
Электродинамические методы анализа проволочных антенн / А.Л. Бузов, Ю.М. Сподобаев, Д.В. Филиппов, В.В. Юдин; Под ред. В.В. Юдина. – М.: Радио и связь, 2000. – 153 с.
Бузова М.А. Основные принципы комбинирования методов физической оптики и интегральных уравнений при электродинамическом анализе электрически протяженных поверхностных рассеивателей // Вестник СОНИИР. – 2007. – № 3 (17). – С. 44 – 50.
Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы – М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. – 22с.
Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи. Методические указания. МУК 4.3.1677-03. М.: Минздрав России, 2003.
Определение плотности потока энергии электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц. Методические указания. МУК 4.3.1167-02. М.: Минздрав России, 2002.
Определение уровней электромагнитного поля, границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов: Методические указания. МУК 4.3.044–96 – М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1996.
Методические указания по определению уровней электромагнитного поля средств управления воздушным движением гражданской авиации ВЧ-, ОВЧ-, УВЧ- и СВЧ-диапазонов / Сост. М.Г. Шандала, Ю.Д. Думанский, Д.С. Иванов и др. – М.: Минздрав СССР, 1988. – 44 с.
Антипова С.Е., Кольчугин Ю.И., Филиппов Д.В. ПК АЭМО – современный подход к анализу электромагнитной обстановки.// Труды НИИР. – 2010. — №2. – С.17-21.