АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОЙ ЧАСТИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДИСТАНЦИОННОГО НАЗЕМНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

Архитектура программной части аппаратно-программного комплекса дистанционного наземного радиозондирования ионосферы
Щирый А.О.
НИУ "ВШЭ", Москва saovu@mail.ru
Аннотация. В работе представлены основные архитектурные принципы, принятые автором при разработке программной части аппаратно-программного комплекса дистанционного наземного радиозондирования ионосферы. Показаны направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: радиозондирование ионосферы, наклонное зондирование, вертикальное зондирование, автоматизация измерений, автоматизация эксперимента, цифровая обработка сигналов.
1 Введение
По данным дистанционного наземного радиозондирования ионосферы коротковолновыми (КВ) сигналами можно получить информацию о процессах в ионосферной плазме, о ее структуре и состоянии [Филипп, 1991; Колчев и др., 2013; Щирый, 2007Ь]. Данные получаемые в ходе радиозондирования ионосферы также крайне важны для систем КВ связи и загоризонтной радиолокации. Линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал в роли зондирующего сигнала обладает рядом преимуществ перед сигналами других видов. Разработанный при непосредственном участии автора программно-аппаратный комплекс радиозондирования ионосферы позволяет осуществлять измерения в режимах наклонного зондирования ионосферы (НЗИ), вертикального зондирования ионосферы (ВЗИ) и панорамного измерения помех КВ диапазона.
2 Методики измерений
Основная идея НЗИ заключается в следующем [Филипп, 1991; Колчев и др., 2008; Колчев и др., 2013]. При НЗИ передатчик излучает непрерывный ЛЧМ сигнал (т.е. как следствие частота линейно зависит от времени) во всем КВ диапазоне (обычно от 2 до 30 МГц). Сигнал распространяется в ионосферной радиолинии и поступает на вход приемника. При наклонном зондировании расстояние между преемником и передатчиком обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, поэтому время распространения меняется от единиц до десятков миллисекунд. Обработка принятого сигнала методом сжатия в частотной области состоит в умножении его на сигнал гетеродина приемника, комплексно-сопряженный излучаемому сигналу; после чего происходит прохождение сигнала через фильтр нижних частот, оцифровка «разностного сигнала» (термин
получается вследствие перемножения на сигнал гетеродина), и спектральный анализ. Из-за частотной дисперсии волны разной частоты после прохождения ионосферной радиолинии имеют разные коэффициенты отражения и время фазового запаздывания. Результатом работы наклонного ионозонда является ионограмма, характеризующая зависимости времени группового запаздывания и амплитуды каждой моды распространения от частоты излучения.
Режим ВЗИ отличается тем, что приемник и передатчик находятся, в общем, в одном пункте. Ионограмма ВЗИ имеет иной физический смысл. Имеется задача коммутации антенн (в случае полного, а не «квази» однопозиционного приема). Однако сбор и накопление данных во многом подобны режиму НЗИ, хотя в части вторичной обработки, а уж тем более интерпретации результатов есть своя специфика.
Предусмотрен режим калибровки амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) радиоприемного устройства (РПУ). В этом режиме на вход РПУ подается гармонический сигнал известного уровня и частоты; в файле сохраняется частотно-зависимый коэффициент усиления РПУ (отношение уровня выходного сигнала к уровню эталонного сигнала), используемый для коррекции АЧХ РПУ на этой частоте. Процедура повторяется для заданного частотного диапазона с заданным шагом.
С учетом последующей обработки, по данным НЗИ одновременно измеряются характеристики и сигнала, и помех [Колчев и др., 2007а; Колчев и др., 2007Ь]. Однако, если исследователя подробно интересуют характеристики только помех, то целесообразно разработать специальный алгоритм измерения помех не в режиме ЛЧМ, а в режиме обычного "классического" приема. Поэтому разработан гибкоперестраиваемый алгоритм измерения панорамы спектра помех ДКМ диапазона, позволяющий в широких пределах варьировать параметры обработки, благодаря чему может быть использован как для изучения "мгновенной" тонкой структуры помех, так и для исследования вариаций характеристик помех всего ДКМ диапазона на основе сбора обширной статистики [Колчев и др., 2007с]. Основная идея алгоритма заключается в том, что последовательно с заданным шагом происходит перестройка РПУ в заданном диапазоне, РПУ "стоит" на текущей частоте заданное время, данные с низкочастотного выхода РПУ оцифровываются, над ними выполняется БПФ. Полученные спектры, выстроенные последовательно, в общем, и представляют собой панораму спектра помех.
3 Общая структура ПО
При разработке программного обеспечение (ПО) аппаратно-программного комплекса радиозондирования было принято решение о делении ПО на подсистемы первичной и вторичной обработки. Под первичной обработкой понимается автоматическая регистрация и сохранение полученных данных в реальном времени (круглосуточные измерительные
эксперименты без непосредственного участия человека); возможна также индикация получаемых данных. Вторичная обработка заключается в анализе полученных данных с удобной для человека скоростью (включая пакетную обработку большого массива данных с целью вычисления статистических характеристик).
ПО первичной обработки [Щирый,2005,2007а,2007Ь; Колчев и др.,2007с,2008] реализовано в нескольких (существенно различных) вариантах, в том числе для разных операционных систем (ОС): Linux и MS Windows. Такое «разнообразие» ПО первичной обработки обусловлено как разнотипностью и различным составом аппаратных средств комплекса (в различных его эволюционных «поколениях» и в зависимости от требований заказчика), так и различной степенью методической и алгоритмической "зрелости" самого ПО.
ПО вторичной обработки [Щирый,2002,2005, 2007a, 2007b, 2009, 2011, 2012; Щирый и др., 2014; Колчев и др., 2007a, 2007b, 2013] реализовано для ОС MS Windows. Так как оно работает с файлами данных, то является общим для всех реализаций ПО первичной обработки поскольку соблюдается совместимость форматов данных.
Основным типом экспериментальных данных является ионограмма наклонного зондирования, представляющая собой трехмерное изображение зависимости амплитуды принятого сигнала от рабочей частоты и времени группового запаздывания. К настоящему моменту уже накоплен большой объем экспериментальных данных; и в ходе регулярных экспериментов объем данных продолжает увеличиваться. Дальнейшая обработка этих экспериментальных данных (первичных данных) приводит к еще большему росту объемов и разнообразия данных. Производные данные образуют иерархию, для пояснения этого факта введем понятие уровня экспериментальных данных. Данные большего по номеру уровня получаются из данных меньшего уровня; данные меньшего по номеру уровня не могут быть получены из данных большего по номеру уровня. Имеются следующие данные (по уровням): 1 - оцифрованный сигнал (отсчеты) с выхода приемника ионозонда; 2 - ионограммы, спектры помех; 3 - треки мод, спектр фонового шума, характеристики станционных помех; 4 - амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) КВ радиолиний, модели многолучевости, оптимальные рабочие частоты, отношение сигнал/шум, и др.; 5 - статистика вариаций данных уровня 4. Поэтому решалась задача создания (в рамках подсистемы вторичной обработки) функционала ПО для работы с иерархией экспериментальных данных, включая возможности перегенерации производных данных и возможности просмотра имеющихся данных.
Следует подчеркнуть, что ПО первичной обработки зависимо от аппаратной части комплекса, а ПО вторичной обработки - нет.
4 ПО первичной обработки
ПО первичной обработки состоит из двух основных подсистем: подсистемы управления и подсистемы регистрации данных. Подсистема
регистрации (оцифровки) может быть реализована как на основе стандартной звуковой карты ПЭВМ, так и на основе различных специализированных АЦП. Подсистема управления является общей, независимо от используемых устройств оцифровки.
Для обеспечения гибкости, переносимости и расширяемости подсистема управления разделена на следующие слои:
1. низкоуровневые ОС-зависимые процедуры доступа к портам ПЭВМ;
2. классы для работы с субблоками комплекса низкоуровневыми командами субблоков;
3. классы для работы с функциональностью субблоков комплекса в терминах их функций (классы "виртуальных устройств");
4. сеансы режимов измерений.
Характер работы комплекса предполагает работу в автоматическом режиме (без непосредственного участия человека), когда по заданному расписанию происходит автоматическая смена рабочего режима и его параметров. После запуска работы по расписанию (нажатия на кнопку Старт или автозапуска) выбирается ближайший к текущему времени сеанс среди всех сеансов работы указанных в расписании. Например, для режима НЗИ-приема, в строке расписании указывается название передающего пункта (приемный пункт - текущий, определяется или задается при старте программы); время запуска tnycKa с точностью до секунд; задержка Лт, относительно старта, компенсирующая время распространения сигнала в ионосфере; начальная, конечная частота и скорость ЛЧМ сигнала и др. За несколько секунд (задается; как правило, равно 5 сек) Л^одг до времени запуска сеанса tpacn отправляется команда запуска сеанса и его параметры. С наступлением заданного времени tnycKa (равное tpacn плюс заданная задержка Лт) от аппаратуры комплекса на второй канал звуковой карты (или на особый вход специализированного АЦП) поступает сигнал запуска сеанса (см. Рис. 1). Длительность пускового сигнала - 50 мс. Если в заданный период (задается; как правило, равен 5 сек; на Рис.1 не показан) пусковой сигнал не был получен, программа уточняет время от модуля точного времени и переходит к следующему по расписанию режиму.
Рис. 1. Временная диаграмма запуска сеанса измерений
Для программного управления работой по расписанию предназначен отдельный программный поток (thread), вычисляющий по расписанию время ближайшего старта tpacn (среди всех строк загруженного расписания выбирается ближайшая по времени) и засыпающий до момента времени tnod:,. После пробуждения в tnod;;, этот поток создает объект сеанса, заданного в
расписании (и с параметрами, заданными в расписании). Объект сеанса, в соответствии с заданными в расписании параметрами и спецификой заданного режима измерений, управляет объектами виртуальных устройств, которые, в свою очередь, через 2 и 1 слои управляют соответствующими субблоками комплекса.
В варианте комплекса с АЦП звуковой карты, из-за специфики ожидания стартового импульса, далее происходит следующее. Если в параметрах выбранной строки расписания (сеанса) задано ожидание стартового импульса, то производиться ожидание момента времени tnod2, по наступлении этого момента времени запускается оцифровка, далее происходит ожидание стартового импульса как это описано выше. Если в параметрах выбранной строки расписания (сеанса) не задано ожидание стартового импульса, то производиться ожидание момента времени, tpacn, затем запуск оцифровки без ожидания стартового импульса.
Расписание может быть показано в табличном виде. При этом сеансу работы соответствует строка в таблице. Каждому задаваемому параметру соответствует столбец. Задание и редактирование параметров удобнее осуществлять прямо в таблице.
Пользовательский интерфейс разработан на основе библиотеки Qt, имеющей реализации как для ОС Linux, так и для ОС Microsoft Windows. ОС-зависимые процедуры управления аппаратурой реализованы для каждой из этих ОС раздельно.
Во время сеанса происходит отображение текущих получаемых данных. Так в режиме НЗИ-приема в окне программы первичной обработки выводится спектр мощности текущего блока данных, выводится ионограмма — в уменьшенном масштабе ионограмма по всей полосе частот разностного сигнала (т.е. по всему диапазону межмодовых задержек) и в масштабе 1:1 ионограмма в заданной полосе частот разностного сигнала.
5 ПО вторичной обработки
Проектирование, создание и развитие ПО вторичной обработки шло следующими двумя основными направлениями, которые условно неформально можно определить, как развитие возможностей по работе с данными «вглубь» и «вширь».
Под развитием "вглубь" понимаются средства для подробного детального просмотра и обработки, выявления "тонких" эффектов (при повышенном разрешении спектрального анализа или путем других алгоритмов обработки), выделение слабых сигналов, скрытых в помехах, и др. [Щирый, 2007b].
Под развитием "вширь" понимаются средства для оперирования большими массивами данных, в том числе поиска скрытых зависимостей (здесь неизбежно подход методически противоположен направлению "вглубь", так как необходимо прибегать к упрощениям, к вычислению обобщающих характеристик). Накопленные таким образом данные статистики имеют самостоятельную ценность (целесообразно было создать
унифицированных форматы статистических данных полученных по результатам обработки больших объемов ионограмм), в том числе, потому что их можно использовать для прогнозирования соответствующих характеристик ионосферы и ионосферных радиолиний.
Вместе с тем, важно отметить, что указанные два направления не ведут к созданию обособленных программных средств, наоборот - всё ПО вторичной обработки глубоко интегрировано. Кроме всего прочего, такой программный комплекс обеспечивает программную инфраструктуру для реализации, отладки и апробации новых алгоритмов обработки данных зондирования [Щирый, 2007Ь].
По мере накопления экспериментальных данных возникают задачи не только физического хранения всё возрастающих объемов данных, но и рационального их размещения с возможностью выборок данных в нужных информационных срезах (т.е. для заданных условий), а также задача их систематизации по некоторым критериям. В последнем случае речь идет также о получении неких макрохарактеристик, позволяющих сократить на порядки объем информации о результатах одного сеанса радиозондирования (традиционно представленных ионограммой).
В качестве примера методики получения макрохарактеристик можно назвать методику классификации фрагментов ионограмм по эмпирическим моделям многолучевости, эта методика реализована автором программно и показала свою практическую значимость [Щирый, 2007Ь].
При этом организация хранения должна обеспечивать и доступ к максимально «сырым» экспериментальным данным (в нашем случае это оцифрованный сигнал с выхода приемника ионозонда) для решения задач противоположной направленности («вглубь») - получения более «тонкой» информации, чем традиционная классическая ионограмма.
Такое ПО также разработано автором и используется для получения новых радиофизических данных, в том числе для исследования диффузной многолучевости, эффектов магнитоионного расщепления КВ радиоволн, рассеяния КВ радиоволн на ионосферных неоднородностях и других исследований, требующих, подобно перечисленным исследованиям, достижения высокого разрешения по частоте и времени группового запаздывания радиоволн, а также требующих возможностей оперирования большими объемами разнообразных экспериментальных данных [Щирый, 2007Ь]. Указанные задачи систематизации и получения макрохарактеристик вызваны, прежде всего, потребностями прогноза. Реализация этого подхода позволяет получать в том числе схематическую среднестатистическую ионограмму для заданных условий (дата, время, радиотрасса, гелио- и геофизические условия).
Перспективным направлением дальнейших исследований является разработка базы знаний и экспертной системы для экстраполяции (прогноза) данных радиозондирования ионосферы [Щирый, 2012], где в отличие от реализованного ранее ПО вторичной обработки, задачи прогноза будут главенствующими, что отразится на архитектуре ПО.
6 Заключение
В работе представлен обзор многолетних работ автора в области автоматизации наземного радиозондирования ионосферы и автоматической обработки данных радиозондирования, причем описанные в работе архитектурные принципы и алгоритмы реализованы в различных измерительных комплексах нескольких поколений, иногда существенно отличающихся составом аппаратных средств. Несмотря на то, что работы автора были посвящены, главным образом, НЗИ (и в меньшей степени ВЗИ) сигналами с ЛЧМ, результаты могут быть использованы (при некоторой адаптации) и в случаях других видов дистанционного радиозондирования (например, возвратно-наклонного), и при использовании других видов зондирующих сигналов.
Список литературы
[Колчев и др., 2007a] Колчев А.А., Щирый А.О. Оценивание параметров сосредоточенных по спектру помех на выходе приемника ЛЧМ ионозонда // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. - 2007, № 5. - c.54-61.
[Колчев и др., 2007b] Колчев А.А., Щирый А.О. Алгоритм автоматического выделения спектральных компонентов сигнала на ионограмме // Материалы десятого научно-практического семинара "Новые информационные технологии". - М.: Московский гос. инт электроники и математики, 2007. - ISBN 978-5-94506-171-2. - с.102-107.
[Колчев и др., 2007c] Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Гибкоперестраиваемая методика измерения радиопомех // Технологии электромагнитной совместимости. - 2007, № 1.- с. 50-54.
[Колчев и др., 2008] Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн // Известия высших учебных заведений. Приборостроение.-2008,Т.51,№12,с.73-78.
[Колчев и др., 2013] Колчев А.А., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2013. 147 с.
[Филипп, 1991] Филипп Н. Д., Блаунштейн Н. Ш., Ерухимов Л. М., Иванов В. А., Урядов В. П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. -Кишинев: Штиинца, 1991. - 286 с.
[Щирый, 2002] Щирый А.О. Объектная модель ионограммы наклонного ЛЧМ-зондирования // Материалы Всероссийской научно-практической конференции "Информационные технологии и математическое моделирование", Анжеро-Судженск, 15 ноября 2002 г. - Томск, 2002. - ISBN 5-88839-042-9. - с. 354-356.
[Щирый, 2005] Щирый А.О. Программное обеспечение управления базовой станцией ионосферного мониторинга // Известия Белорусской инженерной академии. - № 2(20)/1-2005. - с.204-207.
[Щирый, 2007a] Щирый А.О. Разработка алгоритмов для повышения точности измерения и расширения возможностей традиционного применения наклонного ионозонда // Системы управления и информационные технологии. - 2007, № 1.1(27). - c. 202-204.
[Щирый, 2007b] Щирый А.О. Разработка и моделирование алгоритмов автоматического измерения характеристик ионосферных коротковолновых радиолиний: Дис. на соиск. учен. степ. кандидата технических наук: Спец. 05.12.04; [Место защиты: Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича]. -Защищена 24.05.2007; Утв. 14.12.2007; 04200722350; Шифр РГБ 61:07-5/2691. - Йошкар-Ола, 2007. - 199 c.
[Щирый, 2009] Щирый А.О. Визуализация ионограмм наклонного зондирования с управляемой неравномерной чувствительностью по амплитуде // Материалы Дальневосточной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по теоретической и прикладной математике, Владивосток, 19-21 ноября 2009 г. -Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2009. - ISBN 978-5-7444-2312-2. - с.89.
[Щирый, 2011] Щирый А.О. Гибкая перестройка ионограмм наклонного радиозондирования ионосферы в процессе вторичной обработки // Новые информационные технологии в автоматизированных системах: материалы четырнадцатого научно-практического семинара. - М.: Моск. гос. ин-т электроники и математики, 2011. -ISBN 978-5-94506-253-5. - с. 138-140.
[Щирый, 2012] Щирый А.О. База знаний для систематизации и экстраполяции данных радиозондирования ионосферы // Вторая научная конференция "Базы данных, инструменты и информационные основы полярных геофизических исследований" (ПОЛАР-2012), 22-26 мая 2012 года, Троицк, ИЗМИРАН. - М.: ИЗМИРАН, 2012. - с. 27.
[Щирый и др., 2014] Щирый А.О., Недопекин А.Е. Автоматическая обработка данных ЛЧМ-зондирования ионосферы для оценки геофизических параметров // Новые информационные технологии в автоматизированных системах: Материалы семнадцатого научно-практического семинара. - М.: ИПМ им. М.В.Келдыша, 2014. - ISBN 978-5-94506339-6. - с.301-306.