Інформаційні технології радіомоніторингу в системах супутникового зв’язку

Abstract

Єгоров В.О. Інформаційні технології радіомоніторингу в системах супутникового зв'язку. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп'ютерні науки» Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національна академія наук України, Київ, 2025. У сучасних умовах стрімкого розвитку засобів зв'язку та його впливу на ведення бойових дій, системи супутникового зв'язку набули винятково важливого значення на тактичному, оперативному, стратегічному рівнях. ССЗ забезпечують захищене, завадостійке, багатоканальне передавання інформації та стали критично важливими компонентами військової інфраструктури та національної безпеки. Зокрема, досвід сучасних військових конфліктів (в тому числі війни в Україні) демонструє зростання ролі космічного сегменту у забезпеченні бойових операцій. Водночас гостро постає проблема забезпечення ефективного радіомоніторингу каналів супутникового зв'язку. Ефективність цього процесу визначається повнотою охоплення потрібних каналів, достовірністю отриманих даних та оперативністю реагування на зміни обстановки. На практиці можливості засобів радіомоніторингу обмежені: кількість одночасно доступних постів і технічних комплексів, час переналаштування приймального обладнання, діапазон частот та енергетичні ресурси усе це не дозволяє охопити спостереженням всю сукупність супутникових каналів зв'язку. Проблема особливо ускладнюється з огляду на тенденції збільшення кількості діючих супутників і каналів, ускладнення сигналів та застосування алгоритмів їх маскування і шифрування, що підвищує вимоги до засобів моніторингу. Крім того, в реальних умовах часто має місце апріорна невизначеність відсутність повної та точної інформації про параметри супутникових каналів, їх прив'язку до конкретних космічних апаратів, режими роботи передавачів, ступінь інформативності переданих даних тощо. В таких умовах прийняття рішення щодо розподілу наявних засобів радіомоніторингу ускладнене: воно повинно здійснюватися на основі обмеженої, неповної або нечіткої інформації. Проте наразі на більшості постів радіомоніторингу планування і розподіл ресурсів виконуються вручну, без достатнього використання сучасних інформаційних технологій та алгоритмів підтримки рішень. Це призводить до затримок і суб'єктивності у реагуванні, що є неприпустимим у швидкоплинних бойових умовах, коли на прийняття рішення інколи є лічені хвилини. Отже, актуальним науково-практичним завданням є розробка автоматизованих методів раціонального розподілу наявних засобів радіомоніторингу, здатних працювати в реальному часі та враховувати невизначеність обстановки. Перспективним напрямом вирішення зазначеної проблеми є створення спеціалізованої інформаційної системи автоматизованого планування і розподілу ресурсів радіомоніторингу ССЗ на основі методів штучного інтелекту та нечіткої логіки. Нечіткі підходи дозволяють формалізувати експертні знання, оперувати лінгвістичними оцінками і приймати обгрунтовані рішення за неповної інформації. Об'єднання теорії нечітких множин з методами математичного програмування та інтелектуального аналізу даних дасть змогу досягти балансу між повнотою охоплення каналів, достовірністю прийнятих рішень і швидкістю реагування на зміни обстановки. Відтак тема дисертаційної роботи, присвяченої автоматизованому розподілу засобів радіомоніторингу систем супутникового зв'язку, є актуальною з точки зору як наукового значення, так і практичної потреби. У дисертаційній роботі вирішено важливу наукову проблему підвищення оперативності та обґрунтованості процесу розподілу засобів радіомоніторингу на спостереження за каналами систем супутникового зв'язку (ССЗ) в умовах обмеженого ресурсу та апріорної невизначеності. Запропоновано комплексне теоретико-методичне та алгоритмічне забезпечення, реалізоване у вигляді інформаційної системи автоматизованого розподілу засобів, що функціонує на основі нечіткої логіки та математичного програмування. Мета роботи полягає у підвищенні оперативності та ефективності процесу розподілу засобів радіомоніторингу для спостереження за каналами зв'язку ССЗ в умовах невизначеності параметрів супутників і режимів їх роботи. Досягнення поставленої мети забезпечується шляхом розроблення і впровадження нового науково-методичного апарату та програмних засобів підтримки прийняття рішень для автоматизованого планування радіомоніторингу. Тобто, створення такої системи та методики розподілу ресурсів, яка дозволить максимально швидко й обгрунтовано визначати, які саме супутникові канали треба моніторити в першу чергу, забезпечивши тим самим повніше охоплення важливих каналів наявними технічними засобами. Для досягнення цієї мети в дисертації вирішено комплекс основних завдань: 1. Проаналізувати існуючі підходи до ведення радіомоніторингу систем супутникового зв'язку (зокрема в Україні), визначити проблемні аспекти та вимоги до вдосконалення цього процесу. 2. Розробити математичну модель оптимального розподілу засобів радіомоніторингу, що враховує фактори апріорної невизначеності та динамічності обстановки. 3. Сформувати систему показників та методику оцінювання важливості (пріоритетності) каналів супутникового зв'язку з урахуванням їхньої доступності, інформативності та технічних характеристик, яка б дозволила ранжувати канали за ступенем важливості для моніторингу. 4. Розробити принципи функціонування та архітектуру інформаційної системи підтримки прийняття рішень для автоматизованого планування і розподілу засобів радіомоніторингу. 5. Реалізувати прототип інформаційної системи автоматизованого розподілу засобів, здійснити його програмну верифікацію (тестування на модельних даних) та оцінити ефективність запропонованих рішень у порівнянні з традиційними підходами. У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, предмет і об'єкт дослідження, визначено наукові завдання, методологічну базу, елементи наукової новизни, практичного значення та апробації результатів. У першому розділі висвітлено сучасний стан та значення супутникового зв'язку в системах цивільного та військового призначення. Наведено огляд сучасного стану систем супутникового зв'язку та їх ролі у інформаційних мережах. Зокрема, розглянуто функції ССЗ у забезпеченні зв'язку, навігації, передачі даних радіомоніторингу та інших важливих напрямів, що підтверджує їхнє значення. Відзначено тенденції розвитку супутникових систем, зокрема збільшення їх пропускної здатності, надійності та інтеграції з іншими інформаційними системами. Проаналізовано, як ці тенденції впливають на завдання радіомоніторингу: з одного боку, зростає обсяг трафіку й кількість каналів, що підлягають моніторингу, з іншого ускладнюються умови прийому сигналів через появу новітніх технологій (спектральне розсіювання, адаптивні методи модуляції, тощо). Розглянуто критерії та показники оцінювання ефективності радіомоніторингу. Встановлено, що існуючі методики розподілу не враховують неповноту вхідних даних, не адаптовані до умов невизначеності, а сам розподіл здебільшого здійснюється вручну. Сформульовано наукову проблему: створити методичну основу та інструментальний засіб для автоматизованого, обгрунтованого та оперативного розподілу засобів спостереження за ССЗ. У другому розділі на основі аналізу завдань розподілу засобів обгрунтовано доцільність використання методів математичного програмування в поєднанні з теорією нечітких множин. Здійснено теоретичне обґрунтування вибору математичного апарату для оптимізації розподілу засобів радіомоніторингу. Розглянуто різні підходи: класичні методи оптимального планування, стохастичні моделі, а також інтелектуальні методи (експертні системи, нейронні мережі, нечітка логіка). Проаналізовано, що традиційні оптимізаційні моделі важко застосувати через високу динамічність і невизначеність вихідних даних наприклад, складно скласти детерміновану цільову функцію, яка б точно відображала критерії ефективності в реальному часі. Стохастичні моделі теж мають обмеження, оскільки ймовірнісні характеристики сигналів і режими роботи каналів зв'язку невідомі або змінюються. Нечітка логіка обрана як основа методичного апарату з огляду на її здатність працювати з лінгвістичними змінними і невизначеними поняттями (такими як "висока інформативність каналу" чи "низька якість сигналу"), а також легко інтегрувати експертні знання у вигляді правил. Зазначено, що ефективним підходом є поєднання нечіткої логіки з елементами математичного програмування: нечіткі модулі визначають гнучкі коефіцієнти та пріоритети, які далі використовуються в оптимізаційній процедурі розподілу ресурсів. Такий гібридний підхід нечітке математичне програмування дає змогу отримати план розподілу, стійкий до неповних даних і адаптивний до змін. Здійснено математичне моделювання процесу оптимального розподілу засобів радіомоніторингу. Сформульовано модель у вигляді задачі оптимізації на кожному кроці планування та вона представлена як динамічна оптимізаційна задача, де критерій оптимальності гнучко змінюється залежно від нечітких оцінок важливості каналів і стану ресурсів. Для розв'язання цієї задачі застосовано ітераційний алгоритм: на кожному кроці виконується оцінка важливостей каналів, далі розв'язання оптимізаційної підзадачі розподілу, після чого система переходить до наступного інтервалу з оновленими даними. Запропоновано рекурентні співвідношення для оновлення оцінок важливості, що забезпечує адаптивність моделі. Сформульовано математичну постановку задачі розподілу як оптимізаційної, з урахуванням кількох критеріїв (інформативність, доступність, важливість каналів). Вперше використано функції належності, логіку Сааті для побудови нечіткої функції вигоди. Описано розробку структури інформаційної системи розподілу засобів радіомоніторингу. Запропоновано архітектуру програмно-апаратного комплексу, що реалізує автоматизоване планування. Запропонована модель дозволяє враховувати не лише кількісні параметри, але й експертні оцінки, представлені у вигляді лінгвістичних шкал, що особливо важливо в умовах інформаційної невизначеності. У третьому розділі запропоновано нову методику оцінювання важливості супутникових каналів, яка враховує: * втрати енергії сигналу в атмосфері; * структурну доступність каналів; * показники інформативності; * інтеграцію в єдину оцінку через агрегування на основі вагових коефіцієнтів. Використано методи рангових і бальних оцінок, нечітку класифікацію каналів, формалізовано процес побудови вагових коефіцієнтів. У результаті побудовано функцію важливості, яка використовується як критерій у задачі оптимального розподілу. У четвертому розділі розроблено програмну реалізацію інформаційної системи автоматизованого розподілу засобів радіомоніторингу та здійснено вибір, обгрунтування методів та критеріїв оцінювання ефективності функціонування інформаційної системи. Описано структуру нечіткого логічного контролера: наведено основні функції, які виконують нечіткий висновок (фаззифікація вхідних значень показників, застосування правил з бази знань, дефаззифікація для отримання числового значення важливості). Описано архітектуру, структуру бази знань, блоки нечіткого виведення, механізми навчання та донавчання. Система реалізує адаптивне управління розподілом у реальному часі. Проведено експериментальну перевірку її ефективності. Експерименти засвідчили, що застосування ІС дозволяє: * зменшити час прийняття рішення на більш ніж 3%; * підвищити ймовірність правильного розподілу з 0.68 до 0.82; * підвищити інверсну ефективність на 70%; * забезпечити стабільне охоплення супутникових каналів без збільшення ресурсів. Наукова новизна полягає у тому, що вперше запропоновано математичну модель розподілу засобів радіомоніторингу як ітераційний процес, що враховує фактори невизначеності та багатокритеріальність, та запропоновано методику оцінювання важливості каналів із урахуванням множинних факторів. Вперше реалізовано інформаційну систему автоматизованого розподілу засобів з підтримкою донавчання, адаптації та нечіткої логіки. Результати роботи реалізовані у вигляді інформаційної системи, що може бути інтегрована у пости радіомоніторингу. Система придатна для роботи в умовах динамічної оперативної обстановки та може застосовуватись в інших сферах управління — безпілотними платформами, розподіл сенсорних мереж тощо. Розроблені моделі, алгоритми та методики також можуть використовуватись у навчальному процесі в межах дисциплін, пов'язаних з оптимізацією, системним аналізом та технічним забезпеченням радіомоніторингу.