Текст
ЗАРУБЕ
РАДИО И СВЯЗЬ
ЗАРУБЕЖНАЯ
РАДИО
в/1988
ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ
НАУЧНО-
ТЕХНИЧЕСКИЙ
ЖУРНАЛ
ЭЛЕКТРОНИКА
ОРГАН НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И СВЯЗИ
им. А. С. ПОПОВА
ОСНОВАН В 1947 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Статьи
Гриценко Н. С., Логинов В. II. Мальцев В И, Сево-
стьянов К. К. Тихомирова И. Г. Опрете,пение параметров
движения объектов в статистически неопределенных ситуациях . 3
Злотников К). С Международные сети передачи данных граж-
данской авиации ... ... .............. 30
Апарин Ю. Я. Тонкопленочные магнитные диски . ... 49
Москалева II Ю Серебряников Д I Методы и системы
электронной мультипликации . .... 66
Вознесенский В А. Устройства интегральной оптики для воло-
коино-о! ическнх систем передачи и систем оптической обработки сиг
налов . 82
Системах Связь для будч щего доступная сегодня .91
(g)
МОСКВА «РАДИО И СВЯЗЬ
рыакниониая*коя,.чегия
Агаджанов П. А., Андреев Л. С., Бакут П. А., Глинкин Л It
Давыдовский А. И., Дулевич В Е., Зубков II И Земсков I Г
Кобзарев Ю. Б., Квиринг Г. К)., Лихарев К К . Лощилов И Н
Митяшев Б. Н., Овчинников В. В Палицкий В. Л!.. Панфилов И. II.,
Петрович Н. Т Пузырев В. А., Пустовойт В И. Руссак В. К
Симаков В. В Солнцев В А , Сретенский В. Н , Тихонов В И ,
Утямышев Р И Яковлев В. П.
Главный редактор Размахнин М. К.
ВНИМАНИЮ ЧИТАТЕЛЕЙ ЖУРНАЛА!
Следующий выпуск журнала будет посвящен волоконно-оптиче-
ской технике.
Специальный выпуск будет содержать обзоры в которых рас-
смотрены вопросы применения оптических волокон в системах связи
различного назначения, а также в устройствах на их основе (линиях
задержки широкополосных сигналов, в интегрально-оптических
пространственных коммутаторах и других устройствах) Приведено
описание современного оборудования для производства оптического
волокна
Зарубежная радиоэлектроника № 2
Редактор В В Русиков Техн, редактор 3 И. Рсиникова
Корректор Т Л. Кускова
Сдано в набор 2 12.87. Подписано в печать 31 12.87 Формат 70X100/16
Печать офсетная. Уел печ л. 7.8. Усл. кр отт 15.93 Уч нзд. л 10 48
Изд 22636 Заказ № 3111 Цепа I р. 40 к
Адрес редакции 101000. Москва, Почтамт, а/я 693
________________________________________Телефон 924-45-13________________________________________
Ордена Трудового Красного Знамени Чеховский полиграфический комбинат ВО
«Сиюзполиграфпром» государственного комитета СС< Р по делам издательств, пол hi рафии и книжной торговли
142300. г Чехов Московской области
С Издательство «Радио и связь» «Зарубежная радиоэлектроника», 1988
СТАТЬИ
УДК 621 391:62-501
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
В СТАТИСТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛЕННЫХ СИТУАЦИЯХ
К. т. н. Гриценко Н. С., к. г. н. Логено^ В. П., Мвпьи,*»в В. И., Сеяостьяноь - Й.
к. т. м Гигомнрояа И.
ВВЕДЕНИЕ
На практике часто возникает задача опре-
деления параметров движения объектов по
локационным измерениям Эту задачу при
ходится, например, решать при определении
орбит ИСЗ [I 6], а также при управлении
движением судов и самолетов диспетчерски-
ми службами морских, речных портов и
аэропортов |7, 8]. Ниже рассматриваются
методы определения параметров движения
объектов в статистически неопределенных
ситуациях, при которых неизвестны соот-
ветствия межту измерениями и объектами
возможен пропуск измерений, появление
ложных измерений от помех естественного
и/или искусственного происхождения, воз
никновение и пропадание объектов
Обзор состоит из трех разделов. В разд. 1
обсуждаются модели движении объектов и
измерения их координат, дается классифи-
кация алгоритмов определения параметров
движения и рассматриваются методы вычис-
ления ожидаемых измерений. Разд. 2 посвя
щен алгоритмам определения параметров
движения одного объекта. В разд. 3 речь
идет об алгоритмах определения параметров
движения многих объектов
1 ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МО Е.1И.
ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ДЕ И ЖЕН КЯ ОБЪЕКТОВ
I.;. Модели иниженин объек.^
Я 1 ••«ерший и» юордичаг
Движение объекта, рассматриваемого
как абсолютно твердое тело, складывается
из движения центра масс и движения от-
носительно центра масс. Далее рассматри-
вается только движение центра масс.
Пусть вп(Гп) вектор положения и
й| (Zo) вектор скорости центра масс объек-
та в выбранной системе координат на мо-
мент /о Функцию а,(/) называют траекто
рией центра масс объекта Введем вектор
1*
параметров движения а' (/) = [а, (/), «i(Z')j
(т — знак транспонирования). Движение
центра масс описывается матричным диф-
ференциальным уравнением [1|
~=f\a, «„] + G(/)«(Z). (1.1)
at
Здесь Г« 1
F„[.,.] — известная функция, в общем слу-
чае нелинейно зависящая от вектора а и
вектора <f:. компонентами которого являют
ся параметры уравнения движения (1 I),
<7(Z) известная матричная функция;
<о(/) векторная функция, характеризую
шан действующие на объект силы.
В современной теории систем уравнение
(11) называют уравнением состояния дина
мической системы, а вектор а вектором
состояния динамической системы Задача
определения движения центра масс объекта
сводится к нахождению оценки а вектора
параметрон движения (вектора состояния)
а. Если вектор а„ частично или полностью
неизвестен, то наряду с оцениванием векто
ра параметров движения (состояния) воз
никает задача оценивания (идентификации)
параметров уравнения движения (состоя
ни я)
Если функция о> (/) и вектор а„ известны
точно, то задание вектора и (/о) полностью
определяет траекторию объекта и позволяет
точно вычислить положение объекта на за-
данный момент времени В большинстве
приложений <о(/) считают случайной функ-
цией Такое задание отражает погрешности
в используемой модели движения и наличие
возмущений случайного характера Обычно
предполагается, что о> (/) является гауссов
ским белым шумом с нулевым математи-
ческим ожиданием и известной матрицей
интенсивности, или гауссовским марковским
случайным процессом с известными харак-
теристиками, или квазндетерминироваппым
случайным процессом, описываемым конеч
ным числом случайных параметров.
3
Различают маневрирующие й не манен’
рирующие объекты Маневр который заклю-
чается в изменении характера движения,
может осуществляться как посредством за
Дания функции ш(t), так и посредством!
изменения компонент вектора ап (тара
метрический маневр). Методы определения
параметров движения маневрирующих объ-
ектов рассмотрены в [2 11].
В практических задачах обычно линеари-
зуют исходное нелинейное уравнение со-
стояния относительно поминальной траек-
тории а„(() и тем самым переходят к линей-
ному нестационарному
=Л (/)a(/)+G(/)^(Z) (1.2)
di
или стационарному
=/1a(/) + Go7(Z) (1.3)
at
уравпе щям со?тояпия.
Матричные функции /1(0. G(Z) или
матрицы A. G предполагаются известными.
Вместо моделей движения с непрерывным
временем (обыкновенные дпфферепииаль
пые уравнения) используют модели с
дискретным временем (разностные урав-
нения). Например, от (1.2) переходят
(в случае многих объектов) к
a&i^VW^GO’, /?=0, 1.......... (1.4)
где матрицы G предполагаются из-
вестными; последовательность
случайных векторов; /» номер объекта.
Для определения движения (параметрон
движения) объектов используются данные
измерителей. В локации измерения (или
их съем) обычно производятся в дискрет-
ные моменты времени. Введем уравнение
измерения, связывающее г мерный вектор
измерения и с «-мерным вектором а пара-
метров движения объекта (вектором со
стояния).
«*=«(/*) =Л/: |« (/,,) |(1.5)
где hi. [ | известная в общем случае нели-
нейная векторная функция; —। неизвест-
ный вектор (ошибка измерения). Обычно
предполагают, что последовательность |гф,
ошибок измерений является случайной
с полностью или частично заданными ста
тистическими характеристиками.
При наблюдении нескольких объектов
используют измерители с последовательным
и параллельным (одновременным) съемом
информации [12|. Наблюдение объекта
(объектов) может производиться одним
или несколькими измерителями с возможно
разным составом вектора измерения В слу
4
чае лйпёЗшбгб’уравнёййя измерения можем
записать
aJ''=fl*(/J,(1.6)
где //£'’ — известная матрица; верхние ин
дексы (, j указывают на помер измерителя
и номер объекта соответственно.
Будем считать, что известно соответствие
между измерителями и объектами, т. е. ин-
дексами i и j в уравнениях (1.4) и (1.6).
В этом случае оптимальное решение линей-
ной задачи оценивания при гауссовских
независимых последовательностях (oij, [vAj
с известными ковариационными матрицами
дается рекуррентным фильтром Калмана
(§ 1.3). Если статистические характеристи-
ки он ибок измерений и/или шума системы
частично или полностью не известны, то
применяются адаптивные и минимаксные
алгоритмы [3]. В нелинейных задачах ис
пользуют приближенные алгоритмы нел i-
нейной фильтрации |9|. Из множества та
ких алгоритмов наибольшее распростране-
ние получил алгоритм, основанный на обоб-
щенном фильтре Калмана с линеаризацией
уравнений состояния и измерения относи-
тельно траектории, построенной по преды
душим измерениям
Задача оценивания параметров движения
объектов значительно усложняется в стати
стически неопределенных ситуациях, когда
неизвестны соотнетствия между измерения-
ми и объектами, а также возможно пропа-
дание измерении и появление ложных из-
мерений, не несущих никакой информации
об объектах. Появление ложных измерений
может быть обусловлено как отличной от ну-
ля вероятностью ложных тревог, так и нали-
чием помех естественного или искусствен-
ного происхождения. Неопределенная связь
между измерениями и их источниками воз-
никает также при наблюдении одних и тех
же объектов несколькими измерителями [ 16,
36, 27, 28]
Пропуск измерений, появление ложных
измерений и изменение статистических ха-
рактеристик ошибок измерений при наблю
дении одного обт.екта можно, например,
учесть, если от уравнения (1.6) перейти
к уравнению
Y*)G*Z'v*2' +
(1-7)
Здесь G , Gft2) - известные матрицы,
|v,'. ’ J, {г»]2’} случайные последователь
ности с известными статистическими харак
геристиками; случайная величина,
принимающая значение 0.1. Получены опти-
мальные и субоптимальные алгоритмы оце
пиваппя для независимых, марковских и по-
умарковскнх последовательностей уу(] Эти
алгоритмы, а также алгоритмы оценивания
для уравнении измерения, отличных от (1.7).
приведены в [4, К), 25, 38]
В работах теоретического характера ис
пользуют модели, основанные на теории слу-
чайных множест в 1241. Случайное множест
во А' характеризуется вероятностями
Pr(card (А') )=«), где card (Л) мощность
множества А', и совместными плотностями
вероятности р„(хь <хп) Д,1Я каждого поло
жителыюг целого числа п. При этом про
цесс измерений представляется стохастиче-
ским механизмом, преобразующим случай
ное множество объектов в случайное мно-
жество измерений.
(.2. Краткая характеристика
алгоритмов оценивания в статистически
неопределенных ситуациях
Пусть к моменту h- получено множество
измерений Задача определения движе-
ния одного объекта сводится к паилучше-
му (в определенном смысле) разбиению все-
го множества измерений на подмноже-
ство ложных измерений Е'о и подмножество
истинных измерений U\ с оценкой парамет
ров движения обьекта по измерениям, во-
шедшим в подмножество U\. При он
ределепии движения многих объектов
множество tat) разбивается на подмно-
жество ложных измерений t/n и под
мпожегтва С'ь .... lj„, соответствующие
отдельным объектам. Конкретное раз-
биение множества [иЦ на подмножества
(7(1, L'i, ... U,„ (варианты объединения изме
рений в траектории) называют гипотезой
1 , / 1, ., /И. Все гипотезы образуют мно-
жество гипотез Н. Обычно объекты нуме
руют (/= 1,2,...), оставляя /=0 для южных
измерений, и говорят об источниках изме
рения (/=(), 1, 2, ..). Разин тают случаи
постоянного известного числа объектов
(в том числе одного), постоянного неизвест
кого числа объектов и изменяющегося числа
об ьектов.
Используют два способа формирования
гипотез. В и рвом способе для конкретной
гипотезы каждое измерение приписывается
каждому источнику 115, 27, 55|. Во втором
способе каждый источник приписывается
каждому измерению [12] Формированиеги
нотез по первому способу удобно в ситуа-
циях, когда количество обьектов известно,
имеются априорные характеристики их па
раметров движения и нет необходимости
занязки траектории Второй способ форми
рования гипотез применяется при необходи-
мости завязки траекторий с появлением
новых объектов
В ряде случаев каждая конкретная гипо-
теза наряду с разбиениями измерений мо-
жет содержать гипотетический тип объекта
и характер его движения [24|. Количество
типов объектов и число характерных дви-
жений объекта того или иного типа пред-
полагается конечным.
Ввбдят состояние системы объектов. Это
состояние образуется множеством индиви-
дуальных состояний объектов, каждое из ко-
торых может включать параметры движе-
ния, тип объекта и характер движения.
Если по условиям задачи объекты могут
образовывать группы, то в состояние систе-
мы объектов наряду с индивидуальными
состояниями входят состояния групп объек
тов В состояние групп могут включаться
параметры, характеризующие движение
группы как целого общее количество объек-
тов в группе, состав группы по типам
объектов и т д [14, 24, 25]. (В обзоре
методы определения состояния групп объек-
тов не рассматриваются.)
Синтез оптимальных алгоритмов опреде-
ления движений объектов производится для
конкретных моделей и критериев качества
Однако даже весьма простые модели не поз-
воляют получить реализуемые отТтимальпые
алгоритмы. На практике используют субоп
тимальные алгоритмы. Синтез оптимальных
алгоритмов необходим в целях обеспечения
надежной теоретической основы для разра
ботки практических алгоритмов Практиче-
ский синтез субоитимальных алгоритмов
(особенно при высокой скорости ноступле
ния данных и ограниченной .мощности вы
числительных средств) предполагает ком
промисс между качеством оценивания, тре-
буемой емкостью памяти и объемом вычис-
лений |Г>|.
В |15| методы оценивания в статисти-
чески неопределенных ситуациях подразде-
ляются на байесовские и пебаиесовские.
Для небайесовских методов характерна
оценка параметров движения объектов для
одного определенным образом выбранного
варианта объединения измерений в траекто
рии без учета возможности неправильного
решения. В этом смысле метод максималь
ного правдоподобия является небанесов-
( ким В байесовских методах взвешиваются
оценки, полеченные для различных вариан
тов объединения измерений в траектории
Кратко остановимся на алгоритмах опре-
деления параметров движения одного объ
екта Наиболее простые из этих алгоритмов
являются модификациями фильтра Калма
на. В них используется принцип «ближай
ine.ro соседа», согласно которому для уточ-
нения вектора состояния применяется изме-
рение, наиболее «близко» расположенное-
5
к его ожидаемому значению В |4| приве-
дены модифицированные фильтры Калмана,
в которых при уточнении оценки вектора
состояния и соответствующей ковариацион
ной матрицы учитывается возможность
использования ложного измерения (непра
вильной идентификации измерения с траек-
торией). Оптимальный (в классе линейных)
и субоптимальные алгоритмы используют
априорную вероятность принадлежности вы
бранного измерения сопровождаемому обь
екту. В нелинейном алгоритме типа «бли
жайший сосед» вычисляется апостериорная
вероятность принадлежности измерения со-
провождаемому обьекту.
В алгоритмах тина «все соседи» оценка
вектора состояния уточняется но всем изме-
рениям, лежащим в некоторой окрестности
ожидаемого измерения Оптимальный байе-
совский алгоритм, основанный на принципе
«все соседи», приведен в [11] Этот алго
ритм предусматривает рассмотрение всех
возможных вариантов объединения измере-
ний в траекторию и поэтому оказывается
нереализуемым даже при умеренном чис те
шагов. Субоптимальные байесовские алго-
ритмы основаны на так называемой вероят
постной идентификации измерений, когда па
каждом такте уточнение оценки вектора со
стояния производится по всем измерениям
с весами, равными апостериорным вероят-
ностям принадлежности измерений сопро-
вождаемому объекту [15, 37|.
Сложность задачи оценивания парамет
ров движения возрастает с увеличением ко-
личества объектов. Особенно сложно опре-
деление параметров движения многих объ
ектов при неизвестном изменяющемся их
числе. Известные оптимальные алгоритмы
различаются принятыми моделями форми-
рования и изменения случайного множества
объектов и преобразования этого множества
в множество измерений [12. 15, 24, 311
В литературе обычно рассматриваются
автоматические методы определения пара
метров движения многих обьектов. Однако
в [25] отмечается целесообразность участия
оператора на этапе завязки траекторий но-
вых обьектов.
При синтезе субоптималоных алгоритмов
от множества всех возможных гипотез пере
ходят к множеству с меньшим количеством
гипотез Методы сокращения числа типотез
условно разбиваются иа пять групп [25|
Конкретная группа методов основывается
соответственно на одном из приведенных
ниже подходов-
1) использование упрошенных моделей
формирования гипотез,
2) отбраковка маловероятных гипотез
3) объединение «близких» гипотез,
4) кластеризация,
5) учет системных ограничений
Как правило используют комбинации этих
групп. Методы первой и питон групп при-
меняются при составлении моделей дви-
жений объектов и измерений. Примером
системного ограничения служит предполо-
жение о поступлении на одном такте не бо-
лее одного измерения от одного объекта.
Такое предположение в случае одного объ
екта иМ и змерении на одном такте снижает
количество гипотез с 2м *о Л1-[-1
Системным ограничением является также
предположение о том, что в зоне неразре-
шения измерителя может находиться не бо-
лее двух объектов, т. е. источник одного
измерения состоит не более, чем из двух
объектов [26]. Для первой группы мето-
дов характерно использование (таз где это
оправдано) марковских цепей с поглощаю
щими состояниями и слабо связанных мар-
ковских цепей.
Другие методы сокращения числа гипо-
тез (кластеризация, объединение близких
и отбраковка маловероятных гипотез) об
суждаются при рассмотрении конкретных
алгоритмов определения движения объ
ектов.
Различают алгоритмы с одновременной
и последовательной обработками измерений.
В первом случае задача определения па-
раметров движения решается с использова-
нием всего массива имеющихся измерений.
Однако в реа тьпых задачах обычно происхо-
дит постепенное накопление информации и
к моменту принятия очередного решения
имеется ранее полученное решение (оценки
параметров движения объектов). В [12|
сформулированы желательные свойства)
практических алгоритмов определения дви-
жений многих объектов:
1. Многотактовая корреляция, означаю-
щая способность использовать предыдущие
измерения при принятии решений с учетом
текущих измерений. Это свойство обеспе-
чивается или за счет запоминания и сов
местной обработки данных нескольких так-
тов, или за счет ветвтения траекторий при
образовании гипотез.
2. Рекуррентность, исключающая необхо-
димость запоминания всех поступающих из
мерений и их одновременной обработки.
3 Возможность кластеризации, г е раз
биения измерений на независимые группы
(кластеры). Кластеризация позволяет про-
вести декомпозицию исходной задачи, т е
свести решение одной сложной задачи к ре-
шению нескольких менее сложных задач.
В обзоре рассматривается задача опре
деления параметров движения объектов по
объективной или статистической информа-
6
ции (например, координатной) Для реше-
ния этой задачи, особенно при наличии дан-
ных системы измерителей, может быть по-
лезной субьективная или лингвистическая
информация Ошибки объективной инфор-
мации описываются статистическими рас-
пределениями, а ошибки субъективной ин-
формации нормализованными (с макси
мальными значениями, равными единице)
функциями возможности. Статистические
распределения описывают несовместные
события, а функция возможности — пере-
крывающиеся и/илн неопределенные состав
ные события. Вводят понятие условной
возможности обобщающее понятие услов-
ной вероятности. Принципы построения ал-
горитма определения параметров движения
многих объектов но информации, имеющей
статистический и/нли лингвистический ха-
рактер, обсуждаются в (56].
1.3. Уточнение вектора состояния
. t iljuh и* Ozh «цдемпю измерения
Как будет показано ниже, для оценки
допустимости конкретного объединения из-
мерений в траекторию необходимо уметь
вычислять ожидаемые (прогнозируемые)
измерения для гипотетических траекторий,
а также уметь находить оценки параметров
движения объектов для выбранных вариан
тов объединения измерений в траектории
Для решения этих задач наиболее часто
используется фильтр Калмана [1. 3, 9|.
Приведем соотношения, описывающие
Этот фильтр в предположении, что спра-
ведливы уравнения (1.4), (16) при /=1.
Последовательности ошибок измерений и
шумов системы являются белыми гауссов
екими шумами с /?[<>, |=0, £[у, | =0,
£|1»/оу']=0, Е = /?Д(, Е [ы’оь ]
Д>0, Q,>0, где — символ Кро-
некера.
Пусть на /г-ом шаге получена оценка век-
тора состояния ак к и ковариационная
матрица ошибки оценки Кк/к. Для уточнения
оценки по очередному измерению им_, вы-
полняются следующие операции
1. Экстраполяция оценки к моменту zft+l
поступления измерения uft+l:
+ (18)
2. Экстраполяция (алгоритмической) ко
вариационной матрицы ошибки оценки
Kk+l,k=AkKk kAl + (Il;QkG\. (I 9)
3. Вычисление (алгоритмической) кова
риационной матрицы ошибки уточненной
оценки:
К-К+ I /* 1 I ®= ^k+1 >k Kk -г I lk^h+.l X
X 1 Kk-i-1/k^\+1_bRk-i-1] X
хнк+ Kk i/k- (1.10)
l^H = ^\ + l/k-T \^h Tl^+P (1 11)
4 Вычисление весовой матрицы.
5. Уточнение оценки-
Gfc+I/*+l= i-1 [u* |-1 Щ i i“*+1/* 1 4
+«* I/*- (1 12)
Отметим, что ожидаемое на (А,+ 1)-м такте
измерение определяется соотношением
hi/t- (113)
а ковариационная матрица невязки ик —
Нк+1ак + 1/к — соотношением
I + t I • (114)
Вычисления но этим соотношениям начи-
наются с определения априорной оценки
а(|Д) и априорной ковариационной матрицы
АО о
Имеется несколько алгебраически экви
валентных записей соотношении фильтра
Калмана Формулы (1.8) — (1.14) описы-
вают стандартный ковариационный фильтр,
в котором для вычисления весовой матрицы
UZ производятся операции над коварна
ционными матрицами. Известны информа-
ционные фильтры, в которых вместо кова-
риационных матриц используются обратные
им (информационные) матрицы. Применяют
факторизованные фильтры, основанные на
представ тении ковариационных (информа-
ционных) матриц в виде произведений неко-
торых, вычисляемых определенным образом,
матриц (факторов). В этих фильтрах для
нахождения весовой матрицы используются
не ковариационные (информационные)
матрицы, а их факторы. Факторизованные
фильтры обладают большей вычислительной
устойчивостью по сравнению со стандарт-
ными фильтрами |51. 52, 53|.
При движении, близком к прямолиней-
ному, часто используют упрощенный ва-
риант фильтра Калмана с постоянной весо
вой матрицей, называемой (а 0)-фильт-
ром |1б|
Более простой алгоритм нахождения ожи-
даемого измерения, основанный на соот
ношении «вход-выход», предложен в [18]
Этот алгоритм целесообразно использовать
для выяв 1ения допустимых траекторий с по
следующим оцениванием параметров этих
траекторий по соотношениям фильтра
Калмана.
Рассмотрим случай стационарных урав
нений состояния (1.4) и измерения (1.6).
Исключение из этих уравнений переменных
состояния позволяет отыскать разностное
уравнение, связывающее входные и выход
ные переменные в установившемся режиме
Очевидно, что с исключением переменных
7
состояния отпадает необходимость в их оце-
нивании Модель «вход-выход» можно непо
средствелио использовать для экстраполя
ции измерений в будущие моменты времени
Допустимость траекторий устанавливается с
применением ковариационной матрицы
ошибки экстраполированного (ожидаемого)
измерения.
На основании (1 4), (1.6)
uk=H(ql—A) 'Gtot+vt. ([.15)
или
det (су/—А)ик=П adj (ql Л)Сы(; +
+det (ql Л) vk, (1.16)
где q прямом разностный оператор Оче
видно, что det (ql Д) является полиномом
н-й степени относительно q и поэтому правая
часть (1.16) дает разностное уравнение п го
порядка для выходных векторов ик (изме
рений). Правая часть (1.16) есть разност-
ное уравнение не выше /i-го порядка для
входных векторов vk. Модель (1.16)
является исходной для разработки алгорит
ма вычисления ожидаемых измерений.
При этом необходимо решить две задачи
оценивание по поступающим измерениям
шумовых переменных в правой части (1.16);
формирование начальных условий.
От соотношения (1.16) легко перейти
к соотношению
j+„=
ЧЖл+- +^»Л-П. (1.17)
где последовательность независимых
случайных векторов с пулевым математи-
ческим ожиданием и ковариационной матри
цей .V в статистическом смысле эквива-
лентная последовательностям u,}, (v,|; Л' ,
В,. D,, t -1, .... /1, известные матрицы,
следующие из соотношения (1.16) и стаги
стических характеристик последователь
ностей (v .
Оценка апостериорного среднего ожидае-
мого измерения
“*/* 1= ' “к 1 +
/ = 1
и -
+ X, Г),С „ о 1к)
где
и,_„ ...|. (1-19)
Для вычислений по формуле (1.18) необ-
ходимо иметь оценки (1 19) Можно пока-
зать что zk/k ,=0 при /^1 и 1/к=
—ск , /^0. Однако точное, вычисление
требует бесконечного количества изме-
рении
Вместо векторов используются век юры
с,, такие, что г, £ —0 при i—oo.
Экстраполированное на один такт измере
ние вычисляется ио формуле
"* ь I— — , к
1=1 1= I
(1 20)
и требует запоминания п измерений и п оце-
нок тумоной переменной. При отсутствии
необходимого объема данных используется
априорная информация.
Процедура вычисления экстраполирован-
ного измерения и его ковариационной мат-
рицы для А=1. л включает-
1 Вычисление экстраполированного (про-
гнозированного) измерения
к-I к - I
ui/*-i=— —
Д=1 /-1
(1-21)
с начальными условиями и10—0 =
= «!•
2. Вычисление ковариационной матрицы
ошибки экстраполированного измерения
/<?’ /?
i<= k — t
A-l п
+ X D./tfl,/4_,D,' + ДОДО,
(1-22)
где матрицы К$, /=1, .... k 1 получены
на предыдущих актах;
S-Е\ии'\=НК ,//' + /?, (123)
Kqi- i= 71Л( । |Л' + ф (1-24)
с известной априорной матрицей Л'(| 0.
3. С поступлением измерения Uk вычисля-
ется вектор
5*/*=ы* uk/k (1.25)
и его ковариационная матрица
AiH-X H,Sk ,/Г+Х D,,V- D1+
i k i—k
- Ml , k -J>'
Соотношения (121) (1.26) применя-
ются н при k>n, если положить
п к I .
1 (• )=0 п S (- )= £ ( ) (1 26)
< — k I 1 I
8
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ДВИЖЕНИЯ ОДНОГО ОБЪЕКТА ПО
НЕОПРЕДЕЛЕННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ
2 I Алгоритмы оценивания, использующие
принцип «ближайшего соседа»
Для решения задачи оценивания при
определении параметров движения и орга-
низации сопровождения объектов широкое
распространение получил фильтр Калмана.
Однако в условиях неопределенных изме
рений, обусловленных ложными тревогами,
помехами (искусственного или есгсетвеппо-
го происхождения) и влиянием других объ-
ектов, уточнение траектории движения объ
екта может происходить по измерениям,
не содержащим полезной информации об
этом объекте В результате вычисляемая
в алгоритме ковариационная матрица оши-
бок оказывается излишне оптимистической
и значительно ухудшаются характеристики
точности оценивания и условия сопровож-
дения (вплоть до срыва сопровождения).
Таким образом, в условиях пеопределен
пых измерений наряду с традиционной за
дачей уточнения параметров движения по
поступающим измерениям возникает задача
идентификации измерений.
В простейшем случае на каждом такте
для конкретной траектории возможны еле
дующие решения задачи идентификации:
уточнение параметров движения произве-
сти по данному (выбранному ио опреде-
ленному правилу) измерению;
уто шепие параметров движения не произ
водить.
Наиболее простые модификации фильтра
Калмана, пригодные для оценивания в ус-
ловиях неопределенных измерений, исполь-
зуют принцип «ближайшего соседа» [15.
16, 481
Согласно этому принципу в пространстш
измерений вводится статистическое «рассто-
яние» и устанавливается область (зона свя-
зи), в которую па очередном /г-м такте
с высокой вероятностью должно попадать
истинное измерение. Эта область центри-
руется относительно ожидаемого измерения
k i Форма зоны связи зависит
от используемого понятия «расстояния», а
ее размеры — от ошибок измерений и
оценивания и заданной вероятности попада-
ния истинного измерения (если оно имеется)
в эту зону [16|
Введем невязку
' =«* йк к_ р (2.1)
Пусть Кк/к. , ковариационная матрица
ошибки экстраполированной оценки ак/к_} и
Rit — ковариационная матрица ошибки из-
мерения. Тогда при независимых ошибках
измерений ковариационная матрица не-
вязки
s*=-£['- 4j] =
= Н кКк/к _ iHk-\~Rk- (2.2)
Для r-мерного вектора измерения ик в каче-
стве зоны связи Qk на /г-м шаге можно,
например, взять r-мерный параллелепипед:
/=1.... г}, (2.3)
где viP /-я компонента вектора vk; Sk
элемент (/, /) матрицы St; е,- выбранный
параметр.
В зависимости от числа измерений, по-
павших в зону связи, принимается одно
из следующих решений [18|:
1. В зоне связи Qj. имеется только одно
измерение. Это измерение используется для
уточнения оценки вектора параметров дни
женим объекта.
2. В Ик нет ни одного измерения. Оценка
вектора параметрон движения и ее коварна
ционная матрица экстр полируются к мо
менту следующего измерения.
3. В имеется более одного измерения.
Для каждого измерения вычисляется квад
ратичпая форма
dl—vlSk 1 v*-.
(2.4)
и для уточнения используется «ближайший
сосед», т. е. измерение с минимальным
«расстоянием» (2.4). Отметим, что область
<2к можно сформировать в виде г мерного
эллипсоида:
‘А= и *v4C2l. (2.5)
где С — величина, выбираемая таким об-
разом. чтобы вероятность появления истин-
ного измерения вне области <-Ль не превыша-
ла заданного значения. Если невязка
имеет гауссовское распределение, то случай
нам величина т/’ имеет '//-распределение
с г степенями свободы.
Зона связи (2.5) больше соответствует
статистической природе задачи, чем зона
(2.3) Однако введение «грубой» зоны связи
(2.3) сокращает количество измерений, для
которых необходимо вычислять «расстоя-
ние» (2.4), и тем самым уменьшает объем
вычш. leniiii [48|
Параметры алгоритма (размеры и ориен
тация зоны связи) и качество его работы
зависят от алгоритмической (вычисляемой
в алгоритме) ковариационной матрицы не
вязки St. Если в действительности кова
риационная матрица невязки превышает
(например, по сумме диагональных элемеп
тов) алгоритмическую матрицу, то зона
связи оказывается неоправданно малой что
9
приводит к увеличению вероятности про-
пуска истинного измерения При излишне
большой зоне связи (истинная ковариа-
ционная матрица меньше алгоритмической)
возрастает вероятность попадания в эту зо-
ну ложного измерения.
Ковариационная матрица невязки Sk за
висит от ковариационной матрицы ошибки
экстраполированной оценки Кк к । и кова
риационной матрицы ошибок измерения Rk.
От этих же матриц зависит ковариацион-
ная матрица уточненной оценки Кк/к и ве
совая матрица фильтра Калмана Wk.
В процессе оценивания могут быть исполь
зованы только алгоритмические ковариа-
ционные матрицы Поэтому один из сио
собов улучшения рассмотренного выше ал-
горитма состоит в более точном вычисле-
нии ковариационной матрицы ошибки уточ
ненной оценки. В [4] рассматриваются оп
тимальный и субоптимальный линейные ал-
горитмы оценивания, в которых при вы
числении, алгоритмической ковариационной
матрицы Кк к учитываются априорные ве-
роятности пропуска измерений и появления
ложных измерений. Эти алгоритмы синте-
зированы в предположении, что ложные из
мерения распределены равномерно в зоне
связи и их число в этой зоне распределено
по закону Пуассона с известным пара
метром.
В [15| решается задача определения па
раметров движения и баллистического коэф-
фициента объекта, движущегося в плотных
слоях атмосферы. В этом случае измерения
координат объекта содержат значительные
ошибки, обусловленные спутным следом.
Предполагается, что определение 7-мерного
вектора параметров движения (положе
ние и скорость объекта в декартовой си-
стеме координат и баллистический коэф-
фициент) осуществляется алгоритмом, осно
ванным на обобщенном фильтре Калмана, и
на каждом такте используется не больше
одного измерения. Сравниваются два мето-
да учета возможности появления ложного
измерения. В первом методе измерение, не
попавшее в элипсоидальпую зону связи
(2.5), отбраковывается и на соответствую
щем такте не производится уточнение век-
тора параметров движения Во втором
методе используются все поступающие из
мерения (все «соседи») с весами, учитываю-
щими априорные и апостериорные вероят
ности правильности этих измерений.
Остановимся подробнее на втором методе.
Экстраполяция оценки и ковариационной
матрицы, вычисление уточненной коварна
ционпой матрицы (в предположении, что по
ступившее измерение является истинным)
и весовой матрицы выполняются по соот-
ношениям стандартного фильтра Калмана.
Уточнение оценки производится по формуле
ak/k=ak/k^+PAk)Wk^k, (2.6)
где Pc(k) — апостериорная вероятность
правильности измерения ик.
Вычисление ковариационной матрицы
уточненной оценки выполняется по фор-
муле
Kk/k=U-PAk)WkHk]Kk/ll ,+
+Р((Л)(1-Р,.(^))М7^И71- (2 7)
Апостериорная вероятность правильности
измерения («вес» измерения) находится по
соотношению
(\(*)=[l+^A(ut)] ', (2.8)
где PF, Рт — априорные вероятности но
ступления на k м такте ложного и истинного
измерений соответственно.
А(к*)=(>[и*/Т^)]/с[«*/Т^)]. (29)
В отношение правдоподобия Х(ик) входят
условные вероятности получения ложного
(ук0)) и истинного (уУ’) измерений.
Предположим, что истинное измерение на
/г-м такте имеет гауссовское распределение
A\lliflkjk-\- HkKk/k-}Hrk+Rk\- Метод вычис-
ления Pc(k) зависит от распределения лож-
ных измерений. Рассмотрим три случая
1. Ложное измерение имеет гауссовское
распределение со средним йк и ковариа-
ционной матрицей Rk В этом случае
A(UJ=[detSJl/2[det/?,]
Хехр{ ~2~ lv*' Rk 'X
X(«k-ut)}. (2.10)
«Вес» измерения ut вычисляется по (2.8)
с учетом (2.10).
2 При отсутствии достоверных сведений
о статистических характеристиках ложных
измерений часто предполагают равномерное
(центрированное относительно ак к ,) рас-
пределение по каждой из координат:
7 при
.0 в других случаях,
о(«^/тН=
(2 11)
где с задаваемый параметр
При этих предположениях
«-(*)= [ 1 +(2Пу'2с (del 5t)i/2X
г т
ехр{^ч£*,v*}] 1
(2.12)
Таким образом, при больших «вес» из-
мерения становится обратнопропорцио-
нальным (detSJ Выражение (2 12) мож-
10
но упростить, предположив, что ложные
измерения распределены равномерно в об-
ласти, объем которой пропорционален объе-
му области невязок:
/<(*)= [ 1 +(2л)"*с exp { 1 ] '.
(2.1.3)
3. При отражении локационного сигнала
от спутного следа измеренная дальность
rk будет соответствовать точке, «запазды-
вающей» вдоль траектории относительно
истинного положения объекта. Обычно пред-
полагается, что ложные измерения линей-
но распределены по дальности и равномер-
но по угловым координатам, т. е.
2(rt—
(бпах- Гk/k' 1)
при rk
О, в других случаях, (2.14)
где г, — дальность, соответствующая
концу спутного следа.
При этих предположениях
Л(О=[1+(2л)3/-с X
'7 vinax rk/k—\>
с*р{4 <2 i5>
Приведенные в [15] результаты модели-
рования с использованием реальных изме
рений показывают, что алгоритм тина «все
соседи» (2.6) дает более точные оценки,
по сравнению с алгоритмом типа «бли
жайший сосед» с отбраковкой измерений по
критерию х2 (эллипсоидальная зона связи
(2-5)).
О.'ч имальныи алюризм оиени
Оптимальный алгоритм оценивания, ис-
пользующий на каждом такте все измере-
ния, попавшие в зону связи, рассматри-
вается в [15, 18]
Введем варианты 1 р’ объединения в тра-
ектории измерений, поступивших до /?-го
такта включи;е 1ьно. В произвольный вари
ант объединения (гипотезу) на каждом
( м такте (Z 1, , k) может или входить
какое-либо из находящихся в i й зоне связи
измерений, или не входить ни одного из-
мерения
Пусть п. количество измерений, на-
ходящихся в зоне связи па k м такте.
Общее число /. (k) гипотез Г|л в предпо-
ложении, что имеется априорная траекто
рия с соответствующей зоной связи, со
ставляет
/.(/?) = II (1+п,)=(1+«*)/-(Л— 1).
,==| (2.16)
Введем обозначения
и i-e измерение попавшее в зону
связи на k-м такте;
«*--={«1“) — множество измерений, попав-
ших в зону связи на k-м такте;
uj — множество всех измерений, полу-
ченных к k-му такту включительно и по-
павших в соответствующие зоны связи;
лА=(Ц|. ..., пА)т — вектор, компоненты ко-
торого равны числам и,.
Оптимальная (в смысле квадратичной
функции потерь) оценка текущего вектора
состояния равна апостериорному среднему
«*/*= (2-17)
Апостериорная плотность вероятности пред-
ставляется в виде
dak ик})= X е(а {«.}, HV(r^l{«4),
i=i
(2.18)
где Р(Г!Л{«*}) ‘ ’ апостериорная вероят-
ность гипотезы Г]/’.
При сделанных предположениях для
фиксированной гипотезы Tj/1 апостериорная
плотность вероятности (>(«&| {и*}, Г)Р) явля-
ется гауссовской. Таким образом, апосте
риорпая плотность вероятности (2.18) пред-
ставляется суммой гауссовых плотностей
и поэтому отлична от гауссовской.
Подстановка (2.18) в (2.17) дает
Uk)
ak/k= S «t(?(«*l {«ft}. rV’)X
!«*))=
/.<* J
= 2 Й^АР(Гр I и I), (2.19)
/-1
где частные оценки
«1'Д= J а*С(а*1(«*1» r^)dak (2.20)
и их алгоритмические ковариационные мат-
рицы могут быть вычислены по соотно-
шениям фильтра Калмана.
Апостериорные вероятности ТЧО'1 Н«*))
вычисляются по формуле Байеса:
{u*})=P(TVL>, tV*I uk, пк. {«*_,}. «*_,)=
=Ск 'o(«ftl «t.lV i. {«t i], «ft i)X
«ftlrt-i, {«ft-i)> nk i)P(i4-i|!«* i|,
«ft-i) (2.21)
Здесь
ИМ”. rV’-i
С4=Р(и*. |{ut.-i], nft-ij. (2.22)
11
Раскроем выражения в правой части (2.21)
Первый сомножитель в предположении, что
ложные измерения равномерно распределе-
ны в зоне связи, а истинные измерения
распределены по гауссовскому закону, за-
писывается в виде
ГЦ|. I«t- il. «*-1=
/ Q; /=о,
= { (2.23)
’ -V /=1.....пк,
где Qk — объем Л-й зоны связи; Pt ве-
роятность того, что истинное измерение (ес
ли оно имеется) лежит в зоне связи:
= .«*+/?*. (2.24)
Здесь к ( экстраполированная алго-
ритмическая ковариационная матрица част-
ной оценки ак ]к ,, полученной в предпо-
ложении справедливости гипотезы 1\(,Д
Второй сомножитель в правой части
(2 21) может быть представлен в виде
^(Yl°. {«fe—J. n«-i) =
_1 Рг>/*=и*— 1 ' Z—*’ nk- (2 25)
-| (1—PDPrlP,|/*=n.|, /=0
где PD — вероятность поступления истин-
ного измерения, соответствующего объекту,
/к число ложных измерений.
Вычисление, вероятности Prj/,,— п поступ-
ления ровно п ложных измерений зависит
от принятой модели Для пуассоновской мо-
дели числа ложных измерений в зоне связи
Pi /*=«) = |“*'п-1 , (2.20)
где Л| — среднее число ложных измерении
на единицу объема. Применение пуассонов-
ской модели оправдано, если известна ве-
роятность ложных тревог
Если вероятность ложных тревог известна
недостоверно или опа может изменяться
непредсказуемым образом, то употребляют
«диффузное» распределение, при котором
вероятности событий /,.=п к и 1к=п к I
предполагаются одинаковыми Сами значе-
ния этих вероятностей несущественны, по
скольку они не входят в последующие
выражения. Отметим, что «диффузное» рас
пределение относится к несобственным рас
пределе.ниям
Последний сомножитель в (2.21) есть
результат вычислений на предыдущем такте
Таким образом, соотношения (2 21) (2 25)
определяю! рекуррентную процедуру вы
числения апостериорных вероятностей раз-
личных вариантов объединения измерений
в траекторию.
Ковариационная матрица оценки (2.19)
вычисляется по одному из эквивалентных
соотношении:
Ц»)
Кк/к- 1 Р(1У1{«а-}Х^ +
°*/*а*/*; (.2.27)
К*/*= - W !«»})(Л1 ’ +
/=1
+&"(&'’)г) (2 28)
при
акк. (2.29)
Пусть на (k—1 )-м шаге для каждой гипо-
тезы Ц'1.! найдены частные оценки
ai. ' \ik 1 • ковариационные матрицы К},, к
апостериорные вероятности гипотез
Р(Г^ । ||Н|. i|) и получена оценка ак_1/к_ ,,
и се ковариационная матрица Кк 1/к ,.
Алгоритм уточнения оценки па /г-м шаге
включает следующие шаги:
1. Экстраполяция оценки ак , * । и ес ко-
вариационной матрицы Кк /к к моменту
измерения tk.
2. Формирование зоны связи относитетьно
ожидаемого измерения цк к. =Нмк к
Q*=lик:(ик -u„/k_tfSk '{uj,-uklk ,)<
<rfn}, (2.30)
где Sk=HkKk/k_tHl-}-Rk, d, — выбранный••
порог.
3. Выделение измерений, попавших в зону
связи Ик, и формирование новых гипотез
Г9’ /=1, Ц/г).
1 Нахождение (по соотношениям фильтра
Калмана) для каждой из гипотез 1* част
ной оценки а-к'К и ее ковариационной
матрицы КкРк.
5 Вычисление апостериорных вероятно
сгей гипотез Гр’ по соотношениям (2. 1)
(2.25)
6. Вычисление уточненной оценки по фор
муле (2 19) и ее ковариационной матри-
цы ио формуле (2.27) или (2 28).
На первом шаге используется апрпор
ная оценка ц)А) и ее ковариационная мат
рица Kfi;o
2.3. Подходы к синтезу субоптимальных
алгоритмов
С ростом количества измерений ката
строфически увеличивается емкость памяти
и объем вычислений, необходимые для реа-
лизации оптимального алгоритма оценпв.з
ния. На практике применяют субоптима.п
ные алгоритмы, при синтезе которых ста-
12
раются, во-первых, уменьшить объем вы-
числений, связанных с одной гипотезой, и,
во-вторых, сократить количество гипотез.
Отметим, что точность оценивания (для
выбранной гипотезы) повышается, ости при
уточнении оценки и ее ковариационной
матрицы учитывать вероятность того, что
используемое измерение является истин-
ным
Представляется разумным сократить ко-
личество измерений, учитываемых при уточ-
нении оценки на очередном такте. Это до-
стигается применением небольших зон свя
зи и ограничением числа используемых из-
мерений.
Существенное сокращение объема вычи-
слений может быть достигнуто уменьшением
числа рассматриваемых гипотез за счет от
брасывания части гипотез и/или объеди-
нения «близких» (в известном смысле) ги-
потез. При этом или ограничивают общее
количество гипотез, оставляя гипотезы с
наибольшими апостериорными вероятностя-
ми, или фиксируют суммарную апостериор-
ную вероятность (например, уровнем 0,99)
без ограничения их числа [25, 48]
После, уточнения па очередном такте
объединим все гипотезы для которых на
последних .V тактах включены одни и те же
измерения. После .V тактов количество ги-
потез стабилизируется и становится приблизи-
н
тельно равным II (1 +f |н.]) Обычно па-
/=|
ра.метр \<2 Наиболее простым является
алгоритм с Л’=0. В этом случае после уточ-
нения на очередном такте, все гипотезы
объединяются в одну. Этот субонгиматьный
алгоритм оценивания эквивалентен алго-
ритму с гауссовской аппроксимацией
апостериорной плотности вероятности век-
тора параметров движения объекта [15,
201. По сути дела, такой алгоритм основы
вается на принципе «все соседи» Его также
называют а порит.мом с вероятностной идеи
тификацией измерений.
Рассмотрим этот алгоритм подробнее.
Пусть на (k—1) м такте получена оценка
а,. и ее ковариационная матрица
/к_ По формхлам (1.8) (1.9) опре-
делим a к_ । и Кк/к । Аппроксимируем
экстраполированную плотность вероятности
гауссовской кривой
(Дш. I |« ) »V(a.rA |, Кк/к J. (2.31)
Теперь (2 18) можно записать в виде
f.,
[>(щ I и |)« 1 \ IU % К'к к)Х
XW I ). (2-32)
где частные оценки а..‘Д. и их ковариацион-
ные матрицы К^к находятся по соотно-
шениям фильтра Калмана для (=0,1,...,
пк с использованием ак/к Кк/к । в каче-
стве экстраполированной оценки и ее кова-
риационной матрицы. Для ук 1 получаем,
что Л*/*=К*/А г На основа-
нии аппроксимации (2.32)
ак к= 1 аЛР(у1,> щ[) (2.33)
1=0
Весовые коэффициенты Р(ук'“ I {«<)) рав-
ны апостериорным вероятностям того, что
измерение ul‘} принадлежит сопровождае-
мому объекту
Соотношение (2.3?) можно записать в
виде
ик/к^а,,/к_ । -W'avj,. (2 34)
Здесь 11'7 — весовая матрица фильтра Кал-
мана;
х\.= Е Р(ук* I (щ|)уТ; (2.35)
V, Нкак/к~}. (2.36)
Алгоритмическая ковариационная матрица
оценки
Кк/к^Р(ук°' I |<а)И*/л- ,+
+ (1- Р(тГ" I («»)))КП+
+ W7 (S Р (’Д° | {ик\) vi*’ (vi°)т—
i-1
--vtvl )
(2.37)
где. К* к алгоритмическая ковариацион-
ная матрица, соответствхющая уточнению
оценки по истинному измерению.
В соотношении (2.37) первый член учиты-
вает вероятность отсутствия истинного из
мерения в зоне связи, второй - вероят-
ность уточнения оценки по истинному изме-
рению. третий вероятность уточнения
оценки по ложным измерениям.
Для завершения синтеза алгоритма оста-
лось найти вероятности Р(у4‘)| |щ[) по фор-
муле Байеса;
Р(?Р|и», [и4) = р(ТР|«ь Л'О-
= Ck't>(uk рД0, {ua-i}. т)Х
XP(nk\yi\ (u*-i))/J(Yk‘|[«*-il)- (2-38>
где C.k нормализующая константа.
Способы вычисления условных вероят-
ностей и условной плотности вероятности
в (2 38) зависят от принятой .модели фор-
мировании измерений. Предположим, что
ложные измерения равномерно распреде
лены в зоне связи Тогда при выполне-
нии условия у)0) (все находящиеся в зоне
13
связи измерения являются ложными) плот
кость вероятности измерения на /г-м такте
принимает вид
(?(Щ | $’>, {и*. ,}, Щ) =
= И О(4J | уГ, 1 И* (2.39)
Вероятность события уР’ с учетом всех
предыдущих измерений вычисляется по
формуле
{«к_|}) = 1 Pc+PMI-P,,). (2 40)
Предположим. что в зоне связи истин
ное измерение имеет усеченную гауссовскую
плотность вероятности с параметрами
uk/k_^ Sk. Тогда плотность вероятности из-
мерений для /=1 па записывается
в виде
o(uj vV1. {«*_ }, ru)=g(4'))=
=/< (2.41)
Если не использовать покоординатную ин-
формацию. содержащуюся в измерениях,
то условные (с учетом предыдущих дан
пых) вероятности событий у)?1 одинаковы
для всех <= 1...щ:
P(YV’ (и*
ч_ Р(ТПЦ^
' ilk
n„
(2.42)
Обозначим /* число ложных измерений
в зоне связи на k-м такте Тогда
Р(пь\ ТЙ’’. {«е ,})=Рг(/^и*| {«*-,}).
/’(ntlyi0, [и •})=Рг(/*=П*_||{в* |}).
При вычислении этих вероятностей, как
и в случае оптимального алгоритма, ис
пользуют гауссовское распределение с из-
вестными параметрами и «диффузное» рас-
пределение В случае «диффузного» рас
нределепия события h,=nk и /4=и& 1 пред-
полагаются равновероятными. Это распре-
деление используют в тех случаях, когда
число ложных и тмеренпй нс зависит от
предыдущих данных.
Подстановка (2 39) (2.42) в (2.38) даег
Р(Т1^1 п4, («*)) =
f^(ui;,)(bH X «(«);’)) ',
। 1 «»,
/>.(»*+ — g(l4’)) ',
I ' I
1=0. (2 43)
где g(-)
(2.4 1 | и
определяется соотношением
6*=п*(1 Р,Р„)(Р<Р()П4) (2.44)
Для пуассоновской модели ложных изме-
рений выборочная плотность вероятности
n*Q* 1 на единичный объем зоны связи заме
няется на известную плотность вероятности.
Рассмотренный субоптимальный алго-
ритм с гауссовской аппроксимацией апо
стериорпой плотности вероятности лишь
незначительно увеличивает требуемый
объем вычислений по сравнению со стан-
дартным алгоритмом, использующим на
каждом такте одно измерение (алгоритм
«ближайшего соседа»). Так, ест в зоне
связи находятся одно, два, три и четыре
измерения, то объем вычислений увеличи-
вается в 1; 1,4, 1,6; 1,8 раза соответствен-
но [15[.
В [19] решается задача обнаружения
и сопровождения космического объекта
пассивным оптическим локатором наземного
или космического базирования. Детектиро-
вание света осуществляется матричным
фотоприемником В современных оптических
локаторах обычно используют фотонрием
ники на приборах с зарядовой связью
(ПЗС) Обнаружение и сопровождение
объекта затрудняется излучением звезд, на-
ходящихся в поле зрения приемника, зо-
диакальным светом и шумами электронно-
оптических устройств Закон изменения уг-
ловых координат объекта при умеренных
временах наблюдения принимается линей-
ным
Особенно сложно выделение и еопровож
дение тусклого объекта при наличии в поле
зрения локатора ярких звезд. Для решения
этой задачи формируются отношения прав-
доподобия для различных вариантов объе-
динения измерений принадлежащих серии
последовательных кадров.
Обьедпнение измерений, для которых от-
ношение правдоподобия превышают задан
пый порог, считаются соответствующими
объектам Если известно, что в поле зре-
ния локатора имеется только один объект,
то с порогом сравнивается максимальное
из отношений правдоподобия. Неизвестные
статистические характеристики простран-
ственно временных помех находятся в ре
зультате статистической обработки наблю-
дений.
В случае ярких объектов с успехом при
меняется более простой алгоритм, называе
мый «индикатором движущейся цели»
(МП The Moxing Target I nd lea
tor) [19] Этот алгоритм состоит в том
что для четного количества дискретизиро-
ванных последовательных кадров нроизво
дится такая последовательность операций:
1 Из каждого почетного кадра вычи-
таетс.я следующий за ним четный кадр
2. Каждый элемент разности кадров срав
нивается (но модулю) с порогам и обра-
14
зуетея новый кадр, в копиром сохраняют-
ся только элементы. превысившие порог.
3. Производится суммирование всех но-
вых кадров в один кадр, в котором остав-
шиеся элементы соответствуют движущим-
ся обьектам. Обнаружение траекторий про
изводится по наличию т из п смежных не-
нулевых элементов
Вычитание последовательных кадров по-
зволяет устранить влияние звезд, сохраняя
измерения, соответствующие перемещающе-
муся объекту Сравнение с порогом в зна
чизельной степени уменьшает шумы элек-
тронно-оптической системы.
В [10] описывается реализация алгорит-
ма с запоминанием кадров на ПЗС матри-
цах и вычитанием кадров посредством диф-
ференциального усилителя. Устройство циф-
ровой обработки, реализованное на схе-
мах с высоким уровнем интеграции, про-
изводит обнаружение траекторий.
2.4 Оценивание при случиини времена»
посзупленнн и-.меренич
Приведенные ранее алгоритмы синтези-
ровались при фиксированных моментах по-
ступления измерений. Задача определения
параметров движения обз.екта при случай
ных моментах поступления измерений реша-
ется в |2()| Гакая задача возникает при
последовательном обзоре некоторой области
пространства.
Пусть имеется один объект, движение ко-
торого описывается уравнением (2 4) с из-
вестными матрицами zl, (! при Е[ы(/)]=0,
Е|й>(/,)(?(/,)] Qft(/,—t,). где Л — дельта-
функция, Q — известная неотрицательно
определенная матрица Измерение, соот-
ветствующее сопровождаемому объекту,
связано с вектором параметров движения
уравнением (17) Наряду с множеством
измерений {щ)- |«i, .. щ} имеется множест-
во {б-}—{б. .... /, } моментов их поступления
Плотности вероятности моментов поступ-
ления истинного и ложного измерений за
даются в виде
с>(0 =-
h(t -G1).
ДЛЯ истинного из-
мерения,
для ложного из-
мерения, (2.45)
где t |. teo — моменты поступления пре-
дыдущих истинного п ложного измерении
с оотв е г с т вен по. Функции р ас и редел синя
обозначаются как А| и
Плотности вероятности fi(-), /.(•) выби
раются из семейства у плотностей с пара-
метром tn:
'>°- (2-46)
где ?.т интенсивность истинных измере-
ний в единицу времени, интенсивность
ложных измерений, приходящихся па еди-
ничный объем в единицу времени; —
объем обозреваемого пространства. Среднее
время между истинными измерениями равно
щ/Л, а между ложными m/kFVs.
Введем следующие события. х*.о изме-
рение, поступившее в момент времени
б. является ложным; х*.| — измерение,
поступившее в момент Ik является истин-
ным. Последовательность событии v,,.,.,
i=l, .... k (т. е. истинных и ложных изме-
рении до момента б включительно) обозна
чим как 1’!/)={1V) I, **.<}
Апостериорное среднее (оценка) находит-
ся по формуле
ak/k——‘ (2-47)
i
где
(W=p(rVi|{a*}, {б}) (2.48)
Частные (при фиксированных последова-
тельностях Г)/’) оценки могут быть по-
цчены по соотношениям фильтра Калмана.
На основании формулы Байеса
Р(г1''1 {«*}. {б})=/>( । V I, x*jl {«*-i}.
uk, {б-i} tk)—C 'Р(*ы, uk, /«I iV-i,
{u* i},{/*-i})XP(lV2il{«t i},{6+i})=
=C 'y(«*| 1’Sp-i. Kki, {uk-1}, {6—i}. 6)X
XP(*k ,, tk\ r'V ,, {«>. >}. {tk |})X
XW-bl{«* i},{^ i}), (249)
где C — нормирующая константа
Рассмотрим члены в правой части (2.49).
Первый член является условной плотностью
вероятности последнего измерения ик. Эта
плотность предполагается гауссовской для
истинного измерения и равномерной (п не
зависящей от 1Vi) для ложного измере-
ния, т. е.
1>(щ| iVi, »ij, !«»-i}. (/* i}. tk) =
S*(rt’2i)) при I-1,
lzs ' при /=0. (2.50)
Второй член представляет собой совместную
вероятност ь события -Ak.i и момента очеред-
ною измерения tk для фиксированной гипо-
тезы IV ь
15
Р(ъ.1, MIV’i, {uk {(*. })=
I’l’li, {ut-i}, {/* ,})x
Хе(М1Т’|. {«*_,}. {/fc ,})=
fl Uk—Ok,<) 1 Fp[tl— OlS.p)
। /•,('»->—0ka ' i—O'
(2.51)
где — момент времени последнего (до
поступления ик) измерения типа /. т. е.
истинного измерения (/= 1) или ложного из-
мерения (/=-0)
Третий член в (2.49) найден па преды-
дущем такте. Соотношения (2 47) (2 51)
определяют оптимальный (при квадратич-
ной функции потерь) алгоритм оценива-
ния Ковариационная матрица оценки
(2.47) находится по формуле
^k/k -— PkZI(^k/k+^/k~flk/;Xa){/k—fl»/k)')-
(2.52)
Для реализации оптимального решения
требуется постоянное увеличение емкости
памяти (2к гипотез TV* после k измерений).
Для уменьшения количества гипотез обыч-
ным образом вводятся зоны связи с отбра-
ковкой измерений, лежащих вне зон связи,
т е. имеющих малые апостериорные вероят-
ности принадлежности к объекту. Вычисле-
ние точных зон для каждой гипотезы
l’V'-i по экстраполированной апостериорной
плотности вероятности р (ак 11, являю
шейся взвешенной суммой гауссовских плот-
ностей, представляется нецелесообразным.
Используется эллипсоидальная зона связи
(2.5) при гауссовской аппроксимации экст-
раполированной и ютности вероятности.
При синтезе реализуемого алгоритма мо
гут быть использованы все рассмотренные
ранее подходы.
В [20] предлагается алгоритм, являю-
щийся развитием алгоритма с вероятност-
ной идентификацией измерений (§ 2 3).
В этом алгоритме применяется гауссовская
аппроксимация апостериорной плотности ве-
роятности и, таким образом, используется
одна объединенная гипотеза. Приближен
пая достаточная статистика, заменяющая
данные, полученные к моменту tk поступле-
ния очередного измерения, включает:
экстраполированную оценку a, к ,
ковариационную матрицу Кк к ,
времена 0А/ последних (до момента tk)
измерений типа /=0,1 при ()ь( = t где
и ее
max «in гл»
i<k М >₽<‘ '=’•
птах (2.53)
/=о.
Отметим, что в оптимальном алгоритме
эти моменты назначаются в соответствии
с гипотезами.
Оценка формируется как взвешенная
сумма уточненной и экстраполированной
оценок
।
ак/к= (2.54)
где
^=Р(^\1и, ик, uk/k^, 0SO, 0А|).
(2.55)
Апостериорные вероятности того, что изме-
рение ик является истинным или ложным,
вычисляются по формуле Байеса. Вираже
ние (2.52) записывается в виде
+Рк°'Рк1,нГ’(нГ1)т. (2-56)
где
«^ = «к/к ... (2.57)
В |20] приведены результаты моделиро-
вания четырех алгоритмов оценивания при
плоском линейном движении объекта в де-
картовой системе координат.
В порядке повышения качества (по точ-
ности и устойчивости сопровождения)
алгоритмы располагаются следующим об
разом:
1 Фильтр Калмана с уточнением оценки
по измерению, лежащему в зоне связи и
наиболее близко расположенному к ожи-
даемому измерению (принцип «6 шжайше
го соседа»).
2 . Алгоритм с вероятное гной иде.нтифи
кацией измерений (принцип «все соседи»)
без учета статистики времен поступления
истинных и ложных измерений.
3 Алгоритм с вероятностной идентифи-
кацией измерений, учитывающий статисти
ку поступления истинных и ложных изме-
рений (формулы (2.53) (2 57)).
4 . Алгоритм с сохранением V гипотез
с наибольшими апостериорными вероятно-
стями (:V=8)
Результаты моделирования показывают,
что учет статистики времен поступления
истинных и ложных измерений значительно
повышает устойчивость сопровождения
2.5. Вычисление вероятности
сохранения траектории
При реализации алгоритмов определения
параметров движений по неопределенным
измерениям как правило предусматривает-
ся сброс траекторий, которые не уточнялись
16
заданное число тактов (сканирований)
подряд Это число находится на основе
компромисса между необходимой точностью
построения траектории и желаемой веро-
ятностью сохранения траектории до задан-
ной дальности или до заданного момента
времени.
Отметим, что пропуск измерений может
быть обусловлен не только малой энергией
принятого сигнала, но и неправильным
отождествлением измерений с имеющимися
траекториями в условиях плотного потока
объектов.
Весьма важной характеристикой качест-
ва алгоритма оценивания по неопределен-
ным измерениям является вероятность со-
хранения траектории объекта, дающая
представление о непрерывности опенки
траектории.
Следуя работе. [211, приведем метод вы-
числения вероятности сохранения траекто-
рии Пусть известна вероятность Р, уточне
нпя траектории па Z-м такте, т. е. получения
истинного измерения и его правильного
отождествления с траекторией (попадания
измерения в зону связи). При большой час-
тоте. сканирования (как это имеет место для
антенн с электрическим сканированием)
вероятность у гочненпя траектории практн
чески совпадает с вероятностью измере
пня.
При вычислении вероятности сохранения
траектории предполагается:
I . Вероятность Р, уточнения траектории
на (-м такте, а следовательно. и вероят-
ность пропуска измерения q, — 1 /’,• явля
стся известной функцией дальности.
2 Па нулевом такте произошло или уточ-
нение траектории, или ее завязка (т. е.
</и = 0).
3 Траектория сбрасывается, если она не
уточнялась в течение \ тактов подряд
Пусть Рч> — вероятность того, что па
j м такте произошел последний пропуск
измерения в серии из .V пропусков. Считая
события, состоящие в уточнении (или не
уточнении) траектории, независимыми на
различных тактах, получим
(2.38)
Вероятноегь сброса траектории есть ве
роятность того, что последний пропуск из-
мерения (из последовательности V про-
пусков подряд) приходится па ,V й такг,
или па (А'4-1)-й такт, или (А’+2)-й такт
и т д. Непосредственное вычисление этой
вероятности по вероятностям Р' не пред-
ставляется возможным даже при умеренном
числе тактов
Для получения обозримых результатов
вводится вероятность сброса траекторий
первый раз па j-м такте Вероятность g
вычисляется по формуле
S £.) (2.59)
и равна совместной вероятности трех сле-
дующих независимых событий:
1 На такте, непосредственно предшест-
вующем последовательности из А' пропусков
измерений подряд, было уточнение траек-
тории (член /’,_*).
2. Последний пропуск измерения в серии
из Л' пропусков подряд приходится на
] й такт (член Р )
3. До (/ — А) го такта не было серий из
<— V I
Л' пропусков подряд (член 1 X £,)
1 = ]
Отметим, что вероятности gt относятся
к несовместным событиям. Поэтому по
прошествии k тактов вероятность сброса
траектории составляет
k
П - £ gr (2.60)
Обозначение (2 60) позволяет перейти от
(2 59) к рекуррентному соотношению
/^Р‘_,+Р1 ,Р^(\ ,)
(2.61)
с начальными условиями Ро = Р\ — ... =
- Р\ , = 0, - I
Теперь просто получить вероятность Р
сохранения траектории до k го такта вклю-
чительно.
Р I- Рск (2.62)
Вместо простого алгоритма сброса траек
тории по А-' пропускам измерений подряд
применяют более сложные алгоритмы. На-
пример, каждому используемому для уточ
пения траектории измерению можно припи-
сать некоторый показатель качества ц,;,
зависящий от энергии сигнала и принимаю
щнй значения между 0 (пропуск измерения
или ненадежное измерение) и 1 (надежное
измерение) При оценивании параметров
движения фильтром Калмана ковариацион
ные матрицы ошибок измерений вычисля-
ются с учетом значений показателя качест-
ва г),, измерения Сброс -Траектории пропз
водится по превышению выбранной нормы
алгоритмической ковариационной матрицы
ошибок оценивания некоторого заданного
уровня Вводят также показатель качест
ва построения траектории Этот показатель
17
вычисляется рекуррснтпо:
<)* = (1 |+«Чд. Пч— U
0<«<1. (2.63)
Траектория сбрасывается, если ijfc ста но-
ви гея меньше, величины
H.ntn=(I «>'. (2.64)
где а, .V — параметры алгоритма.
При расчетах вероятности сохранения
траектория для широкого спектра практи-
ческих случаев полезна нормализация па
раметров задачи, предложенная в |17|.
Рассмотрим ситуации, для которых завися
мость вероятности уточнения траектории
имеет одну и ту же форму, но масштаби-
рована относительно некоторой опорной
дальности R, Тогда вычисляемая по фор-
муле (2 62) вероятность сохранения траек-
тории является функцией пяти парамет
ров опорной дальности /?(1; начальной даль
пости R ; порога сброса Л'; интервала меж
ду измерениями Г; скорости I'
Нели ввести относительную дальность
г R/R и приращение относительной даль
носги на сканирование V,, то число пара-
метров задачи уменьшится до трех (г
V',, Г) Приведенный анализ справедлив
только для сканирующих локаторов при
гарантированном облучении объекта на
каждом такте. Если облучение объекта про
изводится в направлении его ожидаемого
углового положения, то анализ становится
более сложным, поскольку в этом случае
вероятность уточнения зависит от последо-
вательности предыдущих уточнений.
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ДВИЖЕНИЯ MHOI ИХ ОБЪЕКТОВ
3.1. Субоптимальный алгоритм
с полигауссовскои аппроксимацией
апостериорной плотности вероятности
При рассмотрении алгоритмов опреде
лепия параметров движения многих объек-
тов множество измерений, полученных на
очередном такте, далее будем обозначать
u/,=|u.,‘l. <=1.н(,), где пь — число изме-
рений на Л-м такте Множество всех изме
рений, полученных до текущего момента
времени будем обозначать 1 «*} =
= «„/=!, k
Полигауссовская аппроксимация апосте-
риорной плотности вероятности успешно
применяется при синтезе приближенных ал
горитмов оценивания в нелинейных задачах
с известным соответствием между изме-
рениями и объектами [9| В [22| та
кая аппроксимация используется для син-
теза субоптимального алгоритма опре-
де тения параметров движения А объ
18
ектов при наличии F истинных изме-
рении и отсутствии ложных измерений.
Наряду с параметрами движения в алго-
ритме вычисляется распределение вероят-
ностей принадлежности объектов одному
из L классов Уравнение состояния мож-
но записать в виде
(3.1)
1=1. . , L- /=1 Е,
Е (0; Е (wt’oim т) = Qk (I)
где (>(,„,= 1 при k=m и Ькт=0 при kj=m.
Для всех объектов уравнение измере-
ния принимается в виде (1. 6) с. некорре-
лированными гауссовскими ошибками из-
мерений и ковариационной матрицей R.
Оптимальный алгоритм определения на
раметров движения и классов объектов
состоит в вычислении апостериорных илот
иос.той вероятностей у (а>!' П ) векторов
состояния каждого объекта и апостериор-
ных вероятностей Рк(1, i |{uj) принадлеж-
ности /-го объекта к классу I. В таком
алгоритме необходимо вычислять пара-
метры и весовые множители множества
гауссовских плотностей, число которых
возрастает на каждом такте н F раз. Пред-
положение об отсутствии южных изме
рений и пропусков измерений существен-
но упрощает синтез алгоритма, однако
и в этом случае оптимальный алгоритм
реализовать нельзя.
В [22] рассматривается субоптималь-
ный алгоритм в котором на каждом так-
те приближенно вычисляются апостериор
ные плотности вероятности параметров
движения и классов объектов, которым
соответствуют полученные на очередном
такте измерения Эти плотности имеют
вид
/W, /||«*|) =
-1
= 2 (/,/,() А'(и!1'
/=’
/•'). ^/t(Z)). (3.2)
где Nk(l.i) число возможных траекто
рий объектов класса / с последним изме
рением ик"; a,. k(l,j,i) среднее гауссов
ской плотности вероятности параметров
движения объекта из класса I соот
ветствуюшего измерению ик и траекто-
рии /; Кк/к(1) ковариационная матри
на этой плотности вероятности, Pk(l, j <)
весовые коэффициенты такие, что
л V.H. I)
Pk(l, j, — X- —I. При по
лучении на (/г-Н)-м такте следующих из-
мерений с номерами I', Z'—1 . , F число
возможных траектории, соответствующих
каждому измерению и},'+\, возрастает в F
раз Векторы а„+1 fc+i') и матрицы
^*l-i/t+i(0 можно вычислять параллельно
по соотношениям фильтра Калмана. Ве-
совые коэффициенты в выражении (3.1)
на {k-Н) м такте удовлетворяют следую-
щему рекуррентному соотношению:
— /’• 0- Sk+i(l)).
где С нормирующая константа. В этом
выражении траектория с номером /' соот-
ветствует траектории с номером j на пре
дыдущем такте и измерению Опенка
вектора состояния объекта, соответствую-
щего измерению имеет вид
L лщ.о
«*/*= 2 Рк(1, j, i)ak/ll(J, j, i),
I— 1 /= 1
а вероятность того, что объект, соответ-
ствующий этому измерению, принадлежит
классу L определяется по формуле
V.0, о
Рк(1. i) - Р£1. /, <).
Для уменьшения объема вычислений па
каждом такте в полигауссовской аппрок-
симации (3.2) отбрасываются члены с. ма-
лыми весовыми коэффициентами и объеди
няются члены с близкими средними и ко
вариационным .матрицами для об ьектов од-
ного класса Такое уменьшение числа чле-
нов основывается на двух теоремах. Со-
гласно первой теореме ошибка аппроксима-
ции, возникающая за счет отбрасывания
какого-либо члена, ограничена весовым
коэффициентом при этом члене, а именно,
если
v
ц(х)= S Р,Х(х а , К,)
f=l
и Р\ ^t/2. то
L>iW= — Р Х\х—а, ЛД+
4—3
+(Pi+P:)\'(x-a. К).
где
Piai + Pidi
11 = --„ , „---- И
Н«|—<а>НЛС*2.
то
$ o(x-)-QiU) //л<|^г+()(е2Хг+0(г2)
В [22] рассмотренный алгоритм приме-
няется для определения параметров дви-
жения баллистических объектов в плотных
слоях атмосферы. Приводятся результаты
моделирования для объектов двух классов,
различающихся значениями баллистиче-
ских коэффициентов
3.2. Субоптимальный алгоритм
с вероятностной идентификацией
измерении
Рассмотренный в § 2 3 атгоритм с вероят-
ностной идентификацией измерений не учи-
тывает возможного перекрытия зон связи
об ьектов, когда одно и то же измерение
может принадлежать различным объектам
или быть ложным. В [23] этот алгоритм
обобщается на случай многих объектов с пе-
рекрывающимися зонами связи. Нредпола-
гается, что число объектов и априорные
оценки их параметров движения известны;
ложные измерения независимы во време-
ни и пространстве, и на основании преды-
дущих измерении нельзя сделать вывод о
расположении и числе ложных измерений
в будущем.
Пусть имеется Л’ объектов и па /г-.м такте
получено множество измерений {и i=
1...пк} С помощью зон связи объектов
составляется матрица Z=[zl(], /—1, .... пк,
j=l, . , .V такая, что г,,—1, если измерение
и попало в зонх связи объекта с номером /,
и z4=0 в противном случае. Матрица Z
представляет собой матрицу возможных
соответствий между измерениями и объек-
гами. (’ помощью этой матрицы можно
определить множество матриц возможных
вариантов соответствий {Z(p), р—1, ... L(k)},
Z(p)=[z,,(p)| с бинарными элементами,
удовлетворяющих условиям
Вторая теорема утверждает, что если
\
L>(x-)=j 2 Р.Щх-си, К,)
I—I
Iipti /(|=^2=А,' И
t,(p)= z4(p)^l, i=l....nk,
i~>
'Ч
6,(p)= z„(pXl, /=1.........Л‘-
f’= I
E .in матрица Z(p) такая что для оиреде
19
Лепного i выполняется условие X z,,=().
то в этом варианте соответствий измерение
и'с считается ложным Число L(k) матриц
возможных вариантов соответствий зара-
нее вычислить невозможно, так как оно пол-
ностью зависит от вида матрицы Z, опре
делаемой полеченными на очередном такте
измерениями и зонами связи объектов,
которые, в свою очередь, зависят от мио
жества измерений {ui-i)
Апостериорные вероятности возможных
вариантов соответствий между измерения
ми и объектами в предположении, что лож-
ные измерения представляют собой пуас-
соновский поток с параметром (среднее
число ложных измерений, получаемых за
один такт в единичном объеме прострап
ства измерений), имеют вид [23, 26]
Ш I-PD)V
II ЭД-Я^.Л), (3.3)
где С — нормирующая константа; РГ)
вероятность получения измерения от объек-
та (вероятность обнаружения); Д', — число
ложных измерений. Ар число объектов,
от которых получены измерения, Г. — мно-
жество номеров объектов и измерений та
них, что z^p)—!; Sfe* ковариационная
матрица ожидаемого измерения объекта /
С помощью распределения вероятно
стей возможных вариантов соответствий
можно найти вероятности того, что измере-
ние i4‘ принадлежит объекту /:
W
Р(Др) щ))г,(р). (3.4)
р=1
Эти вероятности используются для вычис-
ления уточненной оценки параметров двн
жения объектов и ковариационной матри-
цы ошибки оценки следующим образом:
.(I ₽(<)./))+
+ Р(0. /)4й/*_1+И) (S P(i, i)^
AA,)(UV)’. (3.5)
где
P(0, /М
- PG./);
4=1
Из этих соотношений следует, что оцеп
ки параметров движения объектов и кова-
риационные матрицы ошибок этих оценок
находятся путем объединения оценок и ко-
вариационных матриц, соответствующих
каждому измерению с учетом нх весов
P(i, /), что эквивалентно гауссовской аппро
ксимации апостериорной плотности вероят
пости параметров движения на каждом
такте.
Таким образом, на каждом тракте алго-
ритм оценивания включает следующие
операции-
1. Экстраполирование оценок парамет-
ров движения объектов и ковариационных
матриц к очередному такту
2. Определение зон связи для каждого
объекта.
3. Формирование множества матриц
Z(p), характеризующих возможные вариан
ты соответствий между измерениями и объ-
ектами с учетом появления ложных изме-
рений.
4 Вычисление апостериорных вероятно-
стей возможных вариантов соответствий
Р(2(р) {«;}) по формуле (3.3).
5 Вычисление вероятностей Р(/, /) при
надлежности измерения и'Р объекту с номе-
ром / по формуле (3.4).
6 Вычисление весовых матриц UTV* для
каждого обьекта.
7. Уточнение оценок параметров движе-
ния и ковариационных матриц уточненных
оценок но формулам (3.5)
Рассмотренный алгоритм в |26] об
общается на случай возможного неразреше
ния объектов, т. е. когда два объекта могут
породить одно общее измерение Структура
алгоритма для этого случая остается не
изменной, но изменяется способ формирова-
ния возможных вариантов соответствий
между измерениями и объектами, харак-
теризуемых матрицами 7(р), и метод вы
числения апостериорных вероятностей этих
вариантов. Матрицы Z(p) в случае возмож-
ного неразрешения не более чем двух объ
ектов удовлетворяют условиям
/,Ср)='_2 z,7(pX2. /=!,..
«Л
6/(P)= .S z„(p)<i, /=1 ,„Л'.
При определении параметров движения
двух объектов апостериорные вероятности
возможных вариантов соответствий имеют
вид
20
P(i(p}/{uk\) = СлУ’ 11 /-*p 1 x
XH-PJ1 fi/t₽,Pir41-P„.)’X
X II Sfc’)X
X II p («< ),
‘ ',(pl=2
где o„, (•) плотность вероятности ожидае-
мого измерения, принадлежащего нераз-
решенным объектам; Рт — вероятность не
разрешения объектов; q двоичное число
такое, что </=!, если объекты разрешены,
н <7-0 в противном случае В |2Ь] можно
найти выражения для (?„.(•) и выфэд
которых основан на предположении, что
объекты неразрешепы, если измерения
каждого объекта попадают в одну из прямо
угольных ячеек, па которые разбито все
пространство измерений, а неразрешенное
измерение определяется сося ношением
<='1иГ’+(1— и)и'2'.
где коэффициент « учитывает соотношение
энергий сигналов от обьектов.
Результаты моделирования показывают
значительное улучшение качества онеинва
ния при учете возможности неразрешеиия
обьектов, движущихся по пересекающимся
траекториям.
3.3 Использование методов кластеризации
При определении параметров движения
многих объектов широко используется кла-
стеризация, т. е. разбиение всего множества
объектов и измерений на группы, для ко-
торых все вычисления можно проводить не-
зависимо. Кластеризация позво 1яет перейти
от одной задачи большой размерности к
нескольким задачам значительно меньших
размерностей, что приводит к уменьшению
времени вычислений вследствие уменьшения
числа переборов вариантов соответствии
между измерениями и объектами и возмож-
ности организации параллельных вычисле-
ний для каждой группы в отдельности
Можно выделить по крайней мере две
рччповидиосги кластера тапни: аддиiивную
и мультипликативную |25|. Однако при
определении параметров движения многих
объектов имеет смысл рассматривать только
мультипликативную кластеризацию, ко
торая характеризуется тем, что число ги
потез в одной большой задаче равно произ-
ведению числа гипотез в каждом кластере.
Каждая гипотеза определяет возможный
вариант соответствии между измерениями
и объектами с учетом появления ложных
измерений и новых обьектов. Множество
гипотез можно представить деревом гипотез,
причт м каждая ветвь этого дерева определя-
ет гипотезу l\m>, т=1.....L(k)(L(k)
общее число гипотез), которая характери-
зуется последовательностью Г//т>),У|, где
/ я возможная гипотеза соответ-
ствии между измерениями и объектами на
7-м, z= 1.k, также для ветви дерева с номе
ром т. Формирование дерева гипотез осуще
ствляется параллельно для каждого класте-
ра гак, что ГГ’={Г^,, |7И)), где Г?'л) ха-
рактеризует я одной из матриц возможных
вариантов соответствий, построенной на
основе зон связи обьектов для гипотезы
р(т)
1 k I
Кластер представляет собой множество
объектов таких, что хотя бы для одной
гипотезы зона связи какого-либо объекта
пересекается с зоной связи по крайней мере
одного из объектов кластера, п в область
пересечения попадает не менее одного из
мерепия Выделение кластеров можно про-
водить преобразованием к б ючно-днаго-
на 1ьному виду матрицы Z возможных соот
вегствийдля каждой гипотезы Г|"". Каждый
блок преобразованной матрицы будет соот
ветствовать определенному кластеру, а из-
мерения, не попавшие ни в один из блоков
образуют свои собственные кластеры.
В |12| используется упрощенный рекур
pel гный способ кластеризации, состоящий в
том, что измерение, попавшее в зону связи
хотя бы одного из обьектов кластера, вклю-
чается в этот кластер, а в противном случае
измерение дает начало новому кластеру
Если измерение попало в зоны связи объек-
тов из разных кластеров, то эти кластеры
объединяются, образуя «суперкластер».
.Матрица 7. возможных соответствий, по
строенная для гипотезы I’V-i- полностью
определяет набор гипотез Г*'"’. Однако для
формирования дерева гипотез при возмож-
ном появлении новых объектов оказывается
удобным представлять гипотезы Г^"1' с по
мощью так называемой матрицы гипотез
[12|, каждой строке которой соответствует
определенная гипотеза Г* Столбцы этой
21
матрицы соответствую! полученным на оче-
редном такте измерениям, а элементами
каждой строки являются номера объектов,
от которых могут поступить соответствую
nine измерения для гипотезы . Если
какой-либо элемент строки равен нулю, то
в этой 1 ипотезс измерение, соответствующее
этому' элементу, считается ложным. Оче-
видно, что в строке не может быть равных
элементов кроме нулевых.
Число гипотез в кластере можно
сократить, отбрасывая маловероятные и
объединяя близкие (в определенном смысле)
гипотезы. После сокращения числа гипотез
матрицу гипотез упрощают вычеркивая
столбцы с одинаковыми элементами Такне
столбцы устанавливают однозначное соот-
ветствие между измерениями и объектами,
которые можно удалить из кластера, образо
вав из них новые кластеры. Таким образом
происходит декомпозиция кластера.
Дерево гипотез определяет набор возмож
пых траекторий объектов, для которых
можно параллельно вычислять оценки па
раметров движения и ковариационные мат-
рицы ошибок оценок по соотношениям
фильтра Калмана. Эти оценки и ковариа-
ционные матрицы вместе с распределением
вероятностей гипотез представляют собой
апостериорную характеристику множества
объектов. Число возможных наборов траек-
торий. равное произведению чисел гипотез
IV па каждом такте, может быть очень
большим даже с учетом сокращения чис ia
гипотез н упрощения матрицы гипотез.
Кроме того, для рассматриваемой задачи
трудно |редстанлять в памяти ЭВМ дерево
гипотез. Поэтому в настоящее время пан
более распространены алгоритмы, в которых
используют только одну текущую матрицу
гипотез, не формируя все дерево гипотез
К таким алгоритмам можно отнести и рас-
смотренный ранее в§ 2.3 алгоритм с вероят-
ностной идентификацией измерении
При вычислении апостериорных вероят-
ностей гипотез обычно предполагают, что
появление ложных измерений и новых объ-
ектов можно описать пуассоновскими по
токами в пространстве измерений с пара-
метрами и \ Пусть в гипотезе Г*"0
предполагается, что па /г-м такте получено
V, ложных измерений появилось Л'„ новых
объектов, получено N& измерении от Л' ранее
обнаруженных объектов Тогда апостериор
ную вероятность гипотезы Г*"'1 можно вы
числить рекурреитпо по формуле [12]
Р(Г?| щ|)= СР*»(! Pp)V
Х.П Л' (и^-Нка^^).
si' (Г<"'’))Р(ГГ‘’ Н«* ,1).
где произведение гауссовских плотностей
вероятности берется по тем номерам обт.ек
тов и измерений, которые соответствуют
друг другу в гипотезе I^m). Здесь
ai</k i< П"11! оценка вектора парамет
ров движения для гипотезы Г^т,й
— ковариационная матрица не-
вязки для той же гипотезы; PD — вероят-
ность получения измерения от объекта
Приведенная формула для рекуррентного
вычисления гипотез относится к случаю,
когда с помощью измерителя можно по-
лучать на каждом такте множество измере-
ний uk, k—1,2, В [12] рассмотрен изме-
ритель другого типа, который выдает на
каждом такте только одно измерение
u{kp} из п: измерений множества uk, при-
чем какое именно — неизвестно. Для этого
типа измерителя имеется свой набор гипотез
11", причем при /„=0 измерение считает-
ся ложным; при j,„=l, /=1..Л’, предпо-
лагается. что измерение получено от ранее
обнаруженного объекта с номером / (;У
число объектов в гипотезе при
— Л'- I предполагается, что измерение при-
надлежит новому объекту. При условии, что
измерения из множества щ равновероятны,
апостериорные вероятности гипотез 1'}'т)
имеют вид - •
где
Лд» /да-0,
/т=Л,4-1.
1 Оп[Ц.1 1 •
объектов методом мяксимядюи л
правдоподобия
При использовании метода максимально
го правдоподобия для определения числа
объектов и оценок параметров их движения
выбирается наиболее правдоподобная гипо
теза о соответствии измерений и объектов
В [31 -34] рассматривается алгоритм, осно
ванный на методе максимального правдо-
подобия, в котором используется целочис-
ленное программирование В этом алгоритме
каждая гипотеза I’/1 из множества допусти-
мых гипотез определяет разбиение всего
множества измерений |иА| па подмножества
22
Ui Uт, соответствующие отдельным тра-
екториям объектов, и подмножество Uo лож
ных измерений.
{uk]={Uit /=1, ...щ), UfW^O, i±j.
(3.6)
Условие (3.6) означает, что траектории
объектов для каждой гипотезы не могут
иметь общих измерений Однако при воз-
можном неразрешении объектов некоторые
траектории могут иметь общие измерения, и
в этом случае удобно ввести фиктивные из-
мерения, совпадающие с имеющимися изме-
рениями.
В предположении о независимости траек
торий объектов функция правдоподобия,
подлежащая максимизации, имеет вид
m
t>(l« |rf)= П t>(£7,|r<'’). (3.7)
Если ложные измерения равномерно распре
делены по осматриваемой области, то
О ((7о| !’<'>)= (±)"«,
где «о — число ложных измерений для гипо-
тезы Г^п, V объем пространства изме-
рений Таким образом, отрицательный лога-
рифм функции правдоподобия можно запи
сать в виде
—In q({«J |Г‘П) =
+Л(| In
т
[Z 1пе((У,| г <.'’) +
1 = I
V]
т
Учитывая, что L п =М, где М
<-о
общее
число измерений, и nt — число измерений
в траектории U, для гипотезы Г}/1, опреде
ление наиболее правдоподобной гипотезы
сводится к нахождению
m
min{ — S (In o((7,11'V’) +« 1и V)}.
Ф i=' (3.8)
При формировании гипотез представляет-
ся целесообразным выделить траектории, не
противоречащие принятой модели движе-
ния. которые образуют множества F допу-
стимых траектории, т. е.
F={ Ui, t=l,...,p| , In <)(U|{<u-))2s/io),
где ho некоторый порог, {a^j мио
жество оценок параметров движения для
траектории U,. В рассматриваемой линей-
ной задаче функция правдоподобия
t>((7,|{2t}) является гауссовой. В нелипей
ных задачах можно использовать различ-
ные аппроксимации [9].
Для гипотетической траектории (7- отри-
цательный логарифм функции правдопо-
добия
/. = у п/Г In 2л+ у In Sj' | +
n.
где v/’ и S1/’, /=1.n„— невязки и соот-
ветствующие им ковариационные матрицы
для траектории U,. В этом выражении толь-
ко последний член является случайным и
имеет /^-распределение с п,-г степенями сво-
боды при совпадении гипотетической траек-
тории Ui с истинной.
Каждую гипотезу 1 можно представить
р-мерным вектором Г,, с компонентами, рав-
ными 1 или 0, в зависимости от того, вклю-
чается или нет соответствующая траектория
в рассматриваемую гипотезу. Если опреде-
лить р-мерный вектор с так, что с,=
= /,-—n, In К. /=1..р, то задачу миними-
зации (3.8) можно свести к эквивалентной
задаче минимизации с Г, с учетом ограни-
чения в виде линейного неравенства
[(7]Г,<Г. (3.9)
Здесь 1 р-мерпып вектор с компонентами,
равными 1; [(7] матрица размерностью
AfXP со столбцами U„ t=|....р, компонен-
ты которых равны 0 или 1 в зависимости
от того, включено или пет соответствую-
щее измерение в траекторию U,. При о-г
сутствии ложных измерений неравен-
ство (3.9) следует заменить равенством.
Таким образом, в предложенном алгорит-
ме наиболее правдоподобиая_ги ютеза онре
деляется минимизацией сТе при усло-
вии (3.9).
При реализации алгоритма формируется
последовательность решений Г1 таких, что
сГЧсГ1 (3.10)
[(7]Г(,)<Г, (3 11)
где Г1' 1 — последнее наилучшее решение.
Способ формирования Г** будет определен
ниже. Если неравенства (3.10), (3 11) не
могут быть разрешены, то Г' 1 является
оптимальным допустимым решением.
Отметим, что матрица | (/] обычно являет
ся разреженной В ряде случаев миожест
во допустимых траекторий можно раз-
бить на подмножества траекторий, не имею-
щих общих точек. Таким образом, общая
задаче) разбивается на ряд независимых
задач. Для этого формируется симметриче
ская матрица У с элементами
г 0, если U U —0,
уч= 11, если U Uj 0.
23
Если существует перестановочная матри
ца Чг такая, что
Ч1}’И —diag (У,.Г ).
то траектории, связанные с ), и )(, не имеют
общих точек и общая задача разбивается
на L независимых задач.
Количество необходимых операции можно
существенно сократить за счет предвари-
тельной обработки. Разобьем матрицу ft']
па группы [б/|].. [б/J столбцов с одина-
ковыми первыми отличными от нуля компо-
нентами векторов U,-, присвоив этим группам
номера, равные порядковым номерам пер
вых отличных от нуля векторов I/,-. Же-
лательно упорядочить эти группы в соот-
ветствии с системой координат обозревае-
мого пространства. Такое упорядочение
довольно просто производится, поскольку
каждая строка матрицы [GJ соответствует
одному измерению. Гак, ес in измерение со-
держит угол места, азимут и дальность
до объекта, то, выбирая одну координату
(например, угол места), перестановкой
строк и столбцов матрицы |G| можно упо-
рядочить эту матрицу монотонно по вы
бранной координате Внутри каждой труп
ны |G| столбцы упорядочиваются по вели-
чинам весов с,-, соответствутощих этим
столбцам траекторий.
Для величины с Г на основании харак
теристик ошибок измерений довольно про
сто вычисляется верхняя граница J На-
пример, если с I имеет распределение
то просто находится Рг[сЧ*^/] и может
быть вычислена строгая верхняя граница
для любого желаемою уровня вероятности
Алгоритм поочередно выбирает одни стол
бон из групп |('|, до тех пор, пока: 1) не
нарушится одно из необходимых условий,
2) не будет выбрано по одному столбцу
из каждой группы | (7](.
В первом случае происходит возвраще-
ние к предыдущей группе [G]. , в которой
выбирается новый сто. бец. Во втором слу
чае полагается /=-ст|”, где Г’ получен-
ное решение, и производится та же one
рация, что и в первом случае.
После того, как выбран столбец из
[G], 1, задача остается в виде
р
min X с(Г',1
j—4
р ।
X С/Г<1-Х U Г«
/—s ' /—I
где х номер первой допустимой траек-
тории в [£/|,; Г1,)—/-я компонента векто-
ра Г.
Определим
<);,=niiii|c/|l//E |G],|
о,= - q7.
/='
и =i/Ma v t,©...( и,.
В последней формуле знак ф означает ю-
1 ическую операцию ИЛИ и р — помер
первой допустимой траектории в [G], (.j
Для того, чтобы из группы [G], была
выбрана траектория Ulh необходимо выпол-
нение следующих условий.
-1
Г/<Т 1 1/Гп; (3 12)
/ --1
।
I G,Г1-•')©(/'" (3.13)
1
Cq^J— X С1;Г1') <7,+ |. (3.14)
I 1
Условие (3.12) означает, что траектория
U.: не может содержать какое-либо изме-
рение. ранее включенное в текущее частное
решение.
Условие (3.13), которое используется
только в отсутствие ложных тревог (т. е
|Z7|T*=T), предусматривает завершение
(возможно недопустимою) текущего ча-
стного решения за счет выбора неисполь-
зованных измерений. Условие (3.14) означа- ,
ст, что «вес» наилучшего текущего част
ного решения не может превосходить J.
Метод максимального правдоподобия
можно применить и при случайном времени
существования объектов |35|. Пусть х,
число тактов, в течение которых объект
с номером i существовал после получения
его первого измерения, и xt среднее
число тактов существования объектов (дли
на траектории). При пуассоновских пото-
ках ложных измерений и измерений, по
лученных от новых объектов, вероятность
гою, что обьект существовал х,- тактов
и па k м такте больше не существует,
имеет вид
/Ji (xj —
где Л—л, + л.„ общая интенсивность
пуассоновского потока измерений. Верояг
ность тою, что объект существовал х,
тактов, после обнаружения и существует на
&-м такте имеет вид
24
P2(Ki) = e x- x'.
Вероятности /’i(-) и (<>(•) используются
при определении функции правдоподобия,
подлежащей максимизации Если в гипоте
зе предполагается существование
Л'й объектов до k-ro такта, то функция
правдоподобия этой гипотезы будет иметь
вид
Jk—С (л) ^(х,) Р/i (1 Рц) X
хпехР {-1 к'1'7 (s;ij /(2лг/а<х
x’ldetS!'1)1'2,
где Р(к,) — Р (х,), если объект существует
на /г-м такте и Р = Р2 (и,) в против-
ном случае; п' п- 1 число измерений
гипотетической траектории с номером i,
исключая первое измерение; С константа,
не влияющая на максимизацию функции
правдоподобия. От Jt удобно перейти к
функции
4= In J -In С—ЛПп л'.
где //,=л (I I /х'-). Функция 4—°
для гипотезы, предполагающей, что все
М измерений порождены объектами с
х,=0, /=1, . , М. Таким образом, функция,
подлежащая максимизации, имеет вид
V,
к = Л/*1п + 2 I In P(x, J + (x,—<) X
Лп <= ।
Xln (1-/’D) +S(ln |Pn/(M2n)' 2X
j=2
X(detSf),/2)| - (VTi)T(SV)) 7;'’}.
В [35] предложен способ рекуррентной
максимизации функции /4, которую можно
представить в виде, удобном для анали-
за влияния каждой гипотетической траекто-
рии на функцию
,v* ।
4 = (Nk-N„ ,)1п (4) + А *•
Л f |
где
Л А —Л k 1 + ^4 к’
4, ,=|п (?)
In ('?) 1)
1)(х,(/г 1) nt(k 1))1п(1 Р„)
П,(Ь 11
-(х,(Л-1)/хя)+ S (In (Ро/(Х'(2л)г/гХ
X (det S'),/2)) !(<")’(S'11)
Ф(х Ik 1) 1» - 1 ’ X'(k l)^1’
Ф(х-(Л D-D- I 0, х, (fe —1)=0;
Сд=1п (I e 1 X/) для исчезнувшего объ-
екта при х,^1; С,)=0 для существующего
объекта; Cn=ln (л'/л) Для исчезнувшего
объекта при х,=0. Здесь показана зависи-
мость чисел х: и п от номера такта. При-
ращение Л/, k функции Jlk । зависит от
предположения об / м объекте на k-м такте
объект существует и уточняются пара
метры его движения;
объект существует, но параметры его
движения не уточняются,
объект не существует.
При единственном возможном варианте
соответствий между измерениями и объек
тамн па k-v такте выбор одного из трех
предположений можно проводить для каж-
дой траектории независимо, выбирая макси-
мальное значение Л/, Однако если раз
ные измерения могут принадлежать одному-
объекту и/плн одно измерение может быть
приписано разным объектам, то необходимо
перебирать все возможные варианты соот-
ветствий между измерениями и объектами
с целью максимизации всей функций 4.
При переборе целесообразно использовать
матрицу возможных соответствий, сформи-
рованную на основе предыдущих решении
об объектах
Интенсивность /_н пуассоновского потока
измерений, полученных от новых объектов,
отличается от интенсивности потока новых
объектов л, из-за возможного нсобпаруже-
нпя объекта при его появлении. В [35] по-
казано, что величины и ? связаны со
отношением
/.„«P„A,/(i-(i-Pje 1 а )
3.5. Подходы к синтезу алгоритмов
определения параметров движения объектов
по данным системы измерителей
Алгоритмы определения параметров дни
женин объектов по данным одного из.мери
теля обобщаются на случай системы воз
можно разнотипных измерителей с совпа-
дающими. частично перекрывающимися или
неперекрывающимися зонами наблюдения
[24. 36, 39, 42 43, 45 50] С увеличением
25
объема и неоднородности измерений увели
чиваются. 1) потенциальная точность и до-
стоверность результатов обработки, 2) тре-
бования к емкости памяти и вычислитель
ным затратам; 3) методологическая слож-
ность синтеза алгоритма обработки [43].
Вводят понятие распределенной измери
тельной сети (distributed sensor network),
в общем случае включающей центральный
и локальные узлы [47]. Каждый узел такой
сети состоит из измерителя и вычисли-
тельного комплекса. Конфигурация сети оп-
ределяется линиями связи между узлами.
Возможны три типа обработки данных си-
стемы измерителей; децентрализованная об
работка (отсутствуют информационные свя-
зи между измерителями), централизован
ная обработка (все измерения поступают
на центральный (вычислительный) комн
леке, распределенная обработка (узлы об-
мениваются информацией согласно некото-
рому расписанию [47]) Первый тип обра-
ботки ничем не отличается от определе-
ния параметров движения объектов но дан
ным одного измерителя. Два последующих
тина обработки имеют определенные осо-
бенности и трудности, связанные с пеобхо
димостью идентификации и объединения
данных нескольких измерителей.
Качество оценивания в распределенной
измерительной сети зависит от ннформа
ционных потоков между узлами. Наиболь
шая эффективность (при наибольшей стои-
мости передачи информации) достигается
при централизованной обработке. Однако
при наличии системы измерителей услож-
няются вопросы надежности, живучести,
передачи данных и более реалистической
представляется не централизованная, а
распределенная обработка, при которой
узлы обмениваются не измерениями, а не-
которыми результатами их обработки.
Остановимся кратко на алгоритмах опре-
деления параметров движения при центра-
лизованной обработке данных, обычно рас-
сматриваемой в работах теоретического ха-
рактера [24, 40, 41, 45, 47] Как правило,
предполагается, что на каждом такте может
поступать информация об объектах от не-
скольких измерителей, нет слияния измере
нин (одно измерение не может принад-
лежать более, чем одному объекту) и раз-
множения измерений (один измеритель на
одном такте дает не более одного измере-
ния от одного объекта).
Общий подход к решению рассматри
ваемой задачи в случае независимых объек-
тов, движение которых описывается неза
внеимыми марковскими процессами, при
случайном (но постоянном в одном сеансе
измерений) числе объектов рассматривается
в [24, 45]. Решение задачи включает фор-
мирование допустимых траекторий и гипо-
тез (вариантов объединения измерений в
траектории), вычисление оценок параметров
движения для каждой траектории в гипоте-
зе и нахождение апостериорных вероят-
ностей гипотез. Случай пуассоновского ап-
риорного распределения числа объектов
приведен в [24], а произвольного априор-
ного распределения числа объектов в
(72]. Вычисление апостериорных вероятно-
стей гипотез производится рекуррентно по
формуле Байеса (24,'41, 45] При конкрети-
зации алгоритмов обычно предполагается
пуассоновское распределение числа ложных
тревог или равномерное распределение лож
ных тревог в зоне наблюдения [24, 41].
Уменьшения требуемого объема вычислений
и емкости памяти можно достичь за счет
того, что пришедшие на одном такте изме-
рения обрабатываются последовательно и
после обработки одного измерения отбрако-
вываются маловероятные гипотезы [41]
Простой субоптимальный алгоритм цен
трализованной обработки данных системы
пассивных и активных измерителей пред-
ложен в [48] Вводится общий массив
оценок параметров движений объектов Воз-
можно три типа обработки данных для уточ-
нения оценок:
параллельная обработка, при которой
одновременно производится идентификация
измерений с имеющимися траекториями и
уточнение траекторий; -
последовательная обработка, при которой
на одном такте осуществляется идентифи-
кация данных только одного измерителя и
по этим данным уточняются соответствую-
щие траектории;
обработка с предварительным сжатием
данных, которая может быть применена
при одновременном поступлении данных от
измерителей, отличается тем, что по измере-
ниям, отнесенным на текущем такте к одно-
му и тому же объекту, формируется один
замер и по нему производится уточнение
соответствующей траектории.
Для идентификации измерений с траек-
ториями применяются зоны связи, основан-
ные. на грубом (2.3) и точном (2 5) тестах,
описанных в § 2.1. При попадании в зону
связи какой-либо траектории нескольких из-
мерений эта траектория либо уточняется по
измерению, «ближайшему» к ожидаемому,
либо для уточнения этой траектории исполь-
зуется взвешенная сумма всех измерений.
Измерения, не попавшие в зоны связи имею
щихся траекторий, служат для завязки но-
вых траекторий Данные системы пассивных
измерителей позволяют в принципе оце
нить все компоненты векторов параметров
26
движения объектов (наблюдаемая систе-
ма), в то время как данные одного пассив-
ного измерителя допускают оценку только
некоторых компонент этих векторов [39,
42-46|.
В |46] предлагается алгоритм определе-
ния параметров движения (положение ско-
рость, ускорение) объектов по данным си-
стемы пассивных измерителей. Согласно
этому алгоритму данные каждого измери-
теля (угловые координаты и доплеровские
частоты) с помощью иерархической класте-
ризации разбиваются на группы (класте-
ры). Кластер в идеале должен содержать
измерения, относящиеся только к одному
объекту Устанавливаются соответствия
между кластерами, образованными по дан-
ным разных измерителей, и производится
объединение кластеров, отнесенных к одно-
му объекту. Оценки параметров движения
объектов ио измерениям, включенные в объ-
единенные кластеры, находятся с помощью
обобщенного фильтра Калмана. Таким об-
разом, использование кластеризации позво
ляет свести общую задачу определения
параметров движения объектов к ряду задач
определения параметров движения одного
объекта.
При использовании данных системы пас-
сивных измерителей для объединения ин-
формации обычно применяется распределен-
ная обработка с передачей информации па
центральный узел Измерительные сети от
личаются друг от друга распределением
задач обработки между вычислительными
комплексами центрального н юкальных
узлов Этим распределением определяются
и требования к линиям связи.
В |42] обсуждается распределенная из
мерительная сеть, в узлах которой про-
изводится измерение угловых координат
объектов и оценка параметров их углово
го движения (положение, скорость, уско
ранив), что обеспечивает сопровождение
объектов. Оценки, полученные в каждом
узле, передаются на центральный узел, где
производится идентификация оценок их
объединение и получение оценок парамет-
ров движения обьектов в декартовой систе
мс координат. Описывается оптимальный
алгоритм определения параметров углового
движения объектов в узле по данным одно-
го пассивного измерителя, учитывающий
возможность изменения числа обьектов
(процесс «рождения и гибели»), пропуск
измерений и появление южных измерений.
В отличие от обычного матричного пред-
ставления гипотез используется траекторно-
ориентированный подход, предполагающий
формирование множества объектовых де-
ревьев и списка глобальных гипотез. По-
следовательность ветвей дерева соответ-
ствует возможной траектории объекта и па
зывается траекторным узлом. Элемент в
списке глобальных гипотез содержит мно-
жество указателей траекторных узлов
Предлагается субоптимальный алгоритм
определения параметров угловых движений
объектов с удалением маловероятных траек-
торий н гипотез на этапах их формиро
вания с помощью методов «экранирова-
ния» (до формирования траекторий и гипо
тез) и отбраковки (после формирования
траекторий и гипотез). Поскольку гипоте-
зы формируются из траекторий, то жела-
тельно как можно раньше отказаться от
маловероятных траекторий. Для этого ис-
пользуют зоны связи (типичный метод
«экранирования»). Другой метод «экрапи
рования» заключается в разбиении траек
тории на четыре группы по их «воз-
расту», измеряемому временем существова
ния в тактах: «новые» траектории (один
такт), «возможные» траектории (от двух
до «о—1 тактов, где п0 выбранное число),
«промежуточные» траектории (пп тактов),
«подтвержденные» траектории (более по
тактов). Чем меньше «возраст» траектории,
тем строже условия их отбраковки Напри
мер, пропуск очередного измерения не до-
пускается для новых траекторий, но до-
пускается для траекторий, существующих
несколько тактов. Пороги отбраковки траек-
торий ио критерию правдоподобия зависят
от их принадлежности к конкретной труп
пе От принадлежности траектории к
группе зависит также максимальное число
последующих ветвей. Приведенные в |42
результаты моделирования показывают
значительное сокращение числа ложных
траекторий за счет использования физиче-
ских ограничений.
Изложенный в § 3.2 алгоритм с вероят-
ностной идентификацией измерений обоб
шается на случай системы измерителей
при определении движении одною [36|
и многих объектов |47] В [36] предпола
гается, что от каждого измерителя на од-
ном такте поступает только одно измере-
ние, которое может быть истинным (с за-
данной вероятностью) или ложным. Синте
зируется субоптимальный байесовский алго-
ритм с гауссовской аппроксимацией апо
стериорной плотности вероятности вектора
состояния. Исследование предложенного
алгоритма и его сравнение с двзмя ботее
простыми алгоритмами проводитось для
случая определения параметров плоского
движения одного объекта по данным двух
измерителей
Случай системы измерителей рассматри
27
вается в [47] При объединении на цент-
ральный узел от каждого локального узла
поступают экстраполированные (на один
такт) и уточненные по одному из измере
ний. находящемуся в зоне связи, оценки,
ковариационные матрицы и апостериорные
вероятности, соответствующие оценкам.
Перед объединением локальных оценок про-
изводится их идентификация. Объединенные
оценки периодически передаются па локаль-
ные узлы. Приводятся результаты модели-
рования для СЛ1 чая плоского движения
двух объектов и двух измерителен декар-
товых координат с постоянной вероятно
стыо обнаружения па одном такте. Распре-
деление числа ложных измерений вредно
лагается пуассоновским, а распределение
ложных измерений в поле зрения — равно-
мерным. Рассматривается децентрализован
ная и распределенная (с обменом инфор-
мацией через каждые пять тактов) обра-
ботка. По сравнению с централизованной
обработкой среднеквадратическое отклоие
ние оценки положения объекта возрастает
па 20 % для распределенной обработки и на
50 % для децентрализованной обра
ботки.
Обнаружение объектов и оценивание их
параметров движения по данным распреде
ленной измерительной сети, включающей
разнородные измеригели, рассматривается
в [43]. Предиолачается централизованная
пакетная обработка па постоянных времен
iiiJix интервалах измерений, полученных в ре
зультате предварительной обработки часто-
ты и разностей времен приходов сигналов
на измерители Результатамчч такой обра-
боткчч янляются средние корреляции сигна-
лов и (для каждого измерителя) сред
ние спектральные характеристики Предла-
гается многошаговый иерархический алчо
ритм оценки состояний объектов. Состояние
включает параметры движения и собствен
ную частоту излучения объекта. Все прост
ранство состояний разбивается на области,
в которых объекты считаются эквивалент
ными, чч задача сводится к поиску обла-
стей, которые наилучшим образом (в смыс-
ле максимума введенного «обнаружение
скочо веса») соответствует корреляциям
Отбираются области, для которых этот «вес»
принимает большие значения, и при фикси
ровачнчых параметрах движения, соответ-
ствующих этим областям, производится по-
иск состояний по измерениям частотного
спектра. Описанная процедура повторяется,
возможно, с меныними областями экви-
валентности в областях предыдущих оценок.
Приводятся результаты моделирования в
случае грех объектов и двух измерителей
В |49| рассматривается распределенная
обработка измерений, когда центральный
узел отсутствует, а локальные узлы обме-
ниваются информационнч.чмн состояниями,
полученными в результате обработки соб-
ственных локальных данных. Информацией
ное состояние включает 1) множество до
пустимых траекторий, определенных на мно
жестве индексов измерений; 2) усчовные
плотности вероятное™ траекторных пара-
метров; 3) множество допустимых гипотез,
состоящих из комбинаций траекторий; 4) ве-
роятное™ гипотез; 5) ожидаемое число не
обнаруженных объектов.
На основе собственных данных и сооб
шенни, поступивших от других узлов. в
каждом узле формируется глобальное мно
жесгво данных. Процесс объединения под-
разделяют на два этапа На первом этапе
из локальных траекторий и гипотез на осно
ве глобалиного множества данных форми
руются множества глобальных допустимых
траекторий и гипотез. Второй этан включает
вычисление плотностей вероятности гло
бальных траекторных параметров и вероят-
ностей глобальных гипотез с использова-
нием локальных плотностей и вероятно
стей Очевидно, что последовательные со-
общения любого узла не являются незави-
симыми. Необходимо принять меры предо
сторожиосги от неоднократного использо-
вания при обьеднччении одной и гой же
информации. Для этого нредлагаечея па
каждом узле последовательность ччриии
маемых сообщений представлять пнформа-и
цччонным графом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. Дэвис М. X. Л. Линейное оценивание
и стохастическое управление: Пер. с
англ.— М.: Наука. 1984.
2. Гричтенко Н С„ Кириченко А А., Коло-
мейцева Т А Логинов В П„ Тихо-
мирова И. Г.— Зарубежная радиоэлечч
тропика, 1983, .№ 4.
3. Фильтрация и стохастическое управле
ние в динамических системах / Под ред.
К. Г. Леондеса: Пер. с англ. \ Мир,
1980.
4. Кириченко А А , Коломейччева Т А.,
Лочинов В. П., Тихомирова И, Г. За
рубежная радиоэ чекч роннка, 1981,
№ 12.
5. Ульман Ш. Принципы восприятия под-
вижных обьектов. Иер. с англ. М
Радио и связь, 1983.
6. Chang С. В.. Tabaczynski J. А.
IEEE Trans.. 1981. v. AC 29. N 2.
7. Giuli G„ Eossi M„ Messe E. D.— IEEE
Trans, 1983, v AES 19, N 1, pp. 2- 16.
28
8 Fossi M., Giuli G., Messe E. D. — Ibid.,
pp. 17 29
9. Anderson B. D., Moore F. B. Optimal
filtering.— Englewood Cliff., Prentice
Hall, 1979.
10 Bullock T. E., Sangsuk-lam S. hr
Proc. 23rd Corn on Decision and
Control, Las. Vegas, XV 1982
II. Kenefic R. J.- IEEE Trans., 1981,
v AC-26. X 3.
12. Reid B. D. IEEE Trans., 1979.
v. AC-24. X 6.
13. Tugnait J. K.— IEEE Trans.. 1983,
v. AES 19. X 2.
14. Taenzer E. IEEE Trans.. 1980.
v. AES 16. X 5.
15. Bar-Shalom Y. IEEE Trans.. 1978.
v. AC 23, N 4.
Il Lefferts R. E. IF.EF Trans, 1981
v. AES-17, X 6.
17. Fitzgerald R. J. IEEE Trans. 1982.
v. AES-18, X 4.
18. Sorenson H. W.— Information Sciences.
1980. v. 21. .X 2
19. Mohanty N. C IEEE Trans.. 1981
v PAMI-3. X 5
20. Bar-Shalom Y., Marcus G. D. II EE
Trans , I960, v AC-25, X 4
21. Farrel J. L. IEEE Trans., 1981
v AES-17. N I.
22. Alspach D. L.— Antoinatica, 1985, v. II,
N 2.
23. Fortmann T., Bar-Shalom Y , Scheffe M
In: Proc. 19th Conf, on Decision and
Control, Albuquerque, KM. 1980.
24 Mori S., Chong C. Y, Wshner R. P„
Tse E.— In: Proc. American Control
Conf., San Francisco, Cal., 1983
pp. 452 157.
25. Pattipati K. R. Sandel N. R. Ibid
pp 458 165
26. Chang К C., Bar-Shalom Y. Ibid
pp. 466—471.
27 Friedlander B. Ibid pp 472 477
28. Cowell P L., Larson M., Rockmore A. J.
Ibid., pp. 478—482.
29. Arnold J„ Mucci R., Estrada R
Ibid., pp. 483 490.
30. Askar M„ Derin H.— Ibid., pp. 108—110.
31 Morefield C. L, IEEE Trans 1977.
v. AC 22. X 3.
32. Bailey F. N.— IEEE Trans., 1979.
v. AC-24. X I.
33 Morefield C. L. - IEEE Trans., 1979,
v AC-21. X 4.
34. Lehtomaki N. A.— IEEE Trans., 1980,
v AC-25. X I
35 Stein J. J., Blackman S. S.— IEEE
Trans., 1975. v. AES II, X 6.
36. Salmond D. J. In: Proc.. 7th [FAC
Syrup., Identification and System Para-
meter Est’mation, York, GB, 1985.
pp 625 630.
37. Deacon C. A.. Atherton D. P Ibid.,
pp 637—642.
38. Monzingo R. A IEEE Trans., 1981,
v. AC-26. X 3
39. Arnold J., Bar-Shalom Y., Estrada R.,
Mucci R.— IEEE .lourn. Oceanic Eng.,
1983. v OE 8. X 3
40 Alouani A. T., Birdwell J. D. - In: Proc
1985 Amer. Contr. Conf., Boston, MA,
1985. pp. 534 535
41 Shensa M. J Broman V. Ibid,
pp 1026 1031.
42. Kurien T.. Washburn R. B. Ibid
pp 1032 1038
43. Gish H , Mucci R. Bar-Shalom Y.—
Ibid. pp. 1039 1016.
44. Washburn R. В , Allen T G , Teneket-
zis D. Ibid., pp. 1047—1053
45. Mori S. Chong C Y Ibid., pp. 1054
1055.
46. Tapley В D, Schutz В. E., Abu-
sali P. A. M.— Ibid., pp. 1056—1057.
47. Chang К. C. Chong C. Y., Bar-Sha-
lom Y.— Ibid., pp. 817—822.
48. Chaudhuri S. P.— Ibid., pp. 823—828.
49. Chong C. Y , Mori S Chang К. C
Ibid., pp 830 835
50. Goodman I. R.— Ibid., pp. 836—841.
51. Oshman Y., Bar-ltzhack I. Y. In: Proc.
24th IEEE Conf Decision and Control
Fort Lauderdale. Florida, 1985, pp. 1640—
1645.
52. Bierman G J Ibid., pp 1896 1901
53 Bierman G J , Belzer N R Ibid
pp. 1902-1905
29
УДК 681.322.01
МЕЖДУНАРОДНЫЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ГРАЖДАНСКОЙ
АВИАЦИИ
К. т. н. Злотнчков Ю. С.
1. ВВЕДЕНИЕ
Международные сети передачи дан-
ных (ПД) гражданской авиации (ГА)
AFTN, CIDIN, SITA, IAEA* представляют
собой развитые специализированные сети
связи [1, 2, 3] Разработка и внедрение
этих сетей в основном происходили еще
до широкого применения в мировой прак-
тике принципа коммутации пакетов, и тра-
диционное алгоритмическое обеспечение
(АО) сетей ПД ГА в части протоколов
отдельных иерархических уровней во мпо
гих случаях нс в полной мере согласует
ся с международными регламентирующи-
ми документами Международного консуль
дативного комитета по телеграфии и теле-
фонии (МККТТ) и Международной орга
низации по стандартизации (МОС) [4, 5].
Ио этой причине, а также вследствие оче-
видной необходимости взаимодействия се-
тей ПЛ ГА с интенсивно развивающими-
ся сетями ПД общего пользования (PDN)
задачи дальнейшего совершенствования АО
и технических средств сетей ПД I А, на
которых реализуется комплекс сетевых про-
токолов, приобретают большое практиче-
ское значение и являются предметом ана-
лиза и широкого обсуждения в зарубеж-
ной научно-технической литературе [6—8].
Серьезный объективный фактор при этом
представляет и повышение требований к
характеристикам времени и достовер
пости передачи информации, обусловлен-
ное обеспечением безопасности полетов и
Далее и здесь:
1САО — International Civil Aviation Organiza-
tion (M ждународпая организация гра-
жданской авиации)
AFTN — Aeronautical Fixed Telecommunication
Network (Стационарная сеть передачи
аэронавигационной информации)
CIDIN—Common ICAO Interchange Network
(Общая сеть связи IC/XO)
S1TA — Society International of Telecommuni-
cations in Aeronautics (Сеть с коммута
цией пакетов Международного обще-
ства телесвязи для авиации)
IATA International Association of Transport
Aviation (Международная ассоциация
воздушною транспорта)
PDN Public Data Network (Сеть передачи
данных общего Пользования)
надежного функционирования различных
авиационных служб.
2. ФУНКЦИИ И СТРУКТУРЫ СЕТЕЙ
Базовой сетью связи Международной
организации гражданской авиации (ICAO)
является общая фиксированная (назем
ная) сеть AFTN |9]. Она характеризует-
ся широко разветвленной структурой
(рис. 1). охватывающей большинство стран
мира, и предназначена для организации
обмена через узлы коммутации (УК) меж-
ду абонентскими пунктами (АН) или меж-
ду АП и вычислительными центрами (ВЦ)
ГА аэронавт анионными данными и сооб-
щениями авиационных служб. При оцен-
ке AFTN можно отметить, что полнота
функций и алгоритмические возможности
АО сети верхнего уровня CIDIN. пред-
ставляющей собой составной компонент
.AFTN и реализующей коммутацию и пе-
редачу пакетов применительно к средне-
скоростным каналам [1 10], существенно
превышают соответствующие характеристи
ки АО абонентской сети Последняя функ-
ционирует, как правило, в условиях инфор-’
мационного обмена ио низкоскоростным
стартстопным каналам с активным привле-
чением операторов дчя выполнения дей-
ствий, обусловленных передачей и приемом
сообщений. Сеть CIDIN включает обору-
дование УК, каналы связи между УК, а
также соответствующие АО и программное
обеспечение (ПО) Каждый УК обепужи
вает определенную географическую зону
Как следует из рис. 1, концепция построе-
ния CIDIN не накладывает жестких огра-
ничений на режимы работы своих абонен-
тов, абонентов AFTN и других внешних
сетей ПД (прежде всего PDN), которые
могут с ней сопрягаться.
Характерная особенность AFTN состоит,
как следует из рис. 1, в подключении к
сети АП, различающихся скоростями ПД,
процедурами взаимодействия, форматами
информационных и служебных массивов.
Поэтому каждый УК CIDIN должен вклю-
чать АО и технические средства, необхо-
димые для организации взаимодействия с
АП различных типов. Основной объем ин-
формации вводится и выводится из AFTN
в форме сообщений длины L (средняя
30
@ УК CIDIN
Q УК AFTN
------напал синхронной передачи
напал передачи кодонезависимой
информации AFTN
межсетевой
шлюз
ВЦ
ооооооо Виртуальный канал
_____ канал передачи кодонезависимой
информации CIDIN
длина L=300 таков и максимальная
/-max—2000 знаков), доля обслуживаемо
го пакетного графика невелика, но интен-
сивно увеличивается по мере подключе-
ния ЛП пакетного чипа и ВЦ |7|. Инфор
мация имеет ряд приоритетов
Сеть CIDIN как компонент AFTN на
рис 1 ограничена капа ами передачи ко-
донезависимой информации. Узлчя комму
тации CIDIN соединяются среднескоростны-
мчч (в перспективе высокоскоростными)
каналами, обеспечивающими дуплексный
непрерывный обмен данными. Именуемые
члавными УК 2—5 реализуют обмен меж-
ду различными зонами CIDIN чч используют
полный набор ее процедур: УК 1, 6 и 7 при
меняют только часть процедур, в основ-
ном только те из них. которые обусловле-
ны вводом-выводом сообщений в CIDIN и
из ччее. Помимо функций, общих для УК
сетей ПД с коммутацией пакетов, АО и
ПО узлов CIDIN позволяют осуществлять
также доставку пакетов из входного УК£¥,
принимающего информацию по абонент-
скому участку, н выходной УК£А-, направ-
чяюший информацию в адрес АП или
ВЦ-получателя, управление сборкой сооб
щепий в УК^д, контроль целостности
сообщения после завершения сборки и.
при ччеобходчч мости, повторную передачу
пакетов сообщения. Таким образом, УК
до чжны располагать техническими чч про
граммными средствами для выполнения
следующих процедур:
приема сообщений, направляемых в
CIDIN по абонентским участкам AFTN
из внешних сетей ПД, и передачи их в
адрес АП или ВЦ-получателя;
формирования пакетов из сообщений и
сборки сообчцений из пакетов;
управления доставкой сообщений в сквоз
ном тракте CIDIN УКЛЛ УК^А;
коммутации пакетов (КП). а также их
передачи и приема из соседних УК-
Сеть SITA обслуживает около 240 авиа-
линий бо чее чем в 150 странах, осу
ществляя операции, связанные в основном
с резервированием билетов и управлением
перевозки грузов. Как и AFTN, S1TA
включает развитую сеть ПД-КП верхнего
уровня, в которой УК соединены гредпе-
скоростными (4800 9000 бит/с) кабечь-
ными или высокоскоростными (56 000 бит/с)
спутниковыми радиокана чами Сеть ниж-
него уровня обеспечивает доведение ин
формационных потоков пользователей SITA
каждый из которых характеризуется не
большой интенсивностью, до высокопроиз
31
водительных УК верхнего уровня, и пере-
дачу в обратном направлении Последние
осуществляют широкий круг действий но
преобразованию данных, концентрации и
распределению потоков Соответственно
основным функциональным элементом се-
ти верхнего уровня является высокопро-
изводительный УК, тогда как сеть нижне-
го уровня содержит, помимо коммутацией
ного оборудования меныпей производи-
тельности, мультиплексоры и концентра
торы.
Сеть IATA [2] обеспечивает, главным
образом, взаимодействие средств обра-
ботки данных авиалиний с их агентства
ми, а также оперативный обмен инфор-
мацией с внешними сетями ПД КП. Для
нее типичны следующие структуры сквоз
ных трактов информационного обмена
взаимодействие ВЦ через транзитные УК
пакетов с достаточно жесткими требова
ниями ко времени доставки пакета;
обмен сообщениями и пакетами между
элементами авиалиний и внешними сетя-
ми IIД ГА (чаще всего SITA)
взаимодействие некоторого множества
авиалиний с внешней сетью PDN.
Для IATA в наибольшей степени харак
терны функции межсетевого обмена в
условиях, когда сопрягаемые сети раз-
личаются применяемыми протоколами.
Все перечисленные сети ПД ГЛ имеют
ряд общих ключевых признаков:
ориентацию па КН с целью построения
сетей верхнею уровня, осуществляющих
быструю доставку пакетов независимо
от типов исходных информационных мас-
сивов;
возможность полного переприема сооб-
щений, поступающих в узлы сети верхнего
уровня по каналам сети нижнего уровня,
широкую номенклатуру типов оконеч
ного оборудования пользователей сетей
от простейших стартсгопных ЛИ до АП и
ВЦ, ориентированных на обмен, пакета-
ми в реальном масштабе времени;
введение ряда режимов передачи инфор-
мации: ДОСТАВКА. ДИАЛОГ, ЗАПРОС
ОТВЕТ, обмен большими информационны-
ми массивами (БМИ) применительно к
многоприоритетной системе сообщений и
пакетов;
необходимость сопряжения с внешними
сетями
3 АЛ! ©РИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПГЧЕНИГ
МЕЖУЗЛОВЫХ УЧАСТКОВ
3.1. Общая структура. Алгоритмическое
обеспечение межузловых участков сетей
строится на базе модели взанмодтйствня
открытых систем (ВОС) Международной
организации по стандартизации [11| и
распределяется в соответствии с ее прш
пипами по иерархическим уровням Паибо
лее сложная иерархия протоколов (рис. 2)
характерна для организации информа-
ционного обмена в пределах межузловых
участков CID1N [I]. Здесь Ut ресур-
сы (память и производительность), выде-
ляемые в УК любого назначения для
реализации протокола физического уров-
ня, обеспечивающего электрическое сопря-
жение УК через каналы связи; U? ре-
сурсы протокола уровня звена данных,
отвечающего версиям регламентирован
ного н международной практике протоко-
ла HDLC 112. 13|. Реализация сетевого
уровня АО. контролирующего передачу
и маршрутизацию пакетов в сквозном
тракте УКду— УКд, сопровождается за-
тратами ресурсов (.'з. Здесь решаются
две группы задач. Первая соответствует
обмену пакетами, отвечающему концепции
сетевого уровня X. 25 [14, 15], и требуем
привлечения ресурсов U,. Вторая группа
связана с построением протокола обмена
специальными пакетами C1D1N. который,
как будет показано ниже, необходим для
реализации специфических требований
служб ГА. Решение их сопряжено с затра
тами ресурсов U". Наконец, протокол
транспортного уровня, действующий меж-
ду УК^-д. и УК/?\, требует в этих узлах за-
трат ресурсов В рамках его транзит
ные УКт и ретрансляционные УКр осу
ществляют функции переприема пакетов
Соответственно этой последовательности
протоколов на рис. 3 представлена иерар
хическая структура заголовков информа-
ционных массивов, контролируемых раз
личными протоколами. Здесь а — ноле
данных пользователя, [1 заголовок про
токола транспортного уровня. В протоко
ла.х, управляющих обменом пакетами
вводятся заголовки у' пакета Х.25 и у"
пакета CIDIN. Область б'+<5" образует
поле управления обменом кадрами при
чем б", согласно общим принципам орга-
32
Рис. 3. Структура заголовков информационных
массивов
низации протокола HDLC [16], включает
проверочные биты циклического кода с
образующим полиномом степени 16
Объектом действия протокола транспорт-
ного уровня является сообщение нользо
вателя. Если суммарная длина полей
а, р, у" равная Lv, превышает 256 окте-
тов, то сообщение делится па сет мен ты
и размещается в полях данных пос тедо
нагельных пакетов Каждому сегменту
предшествует заголовок р, который содер-
жит нрнвнаки, необходимые для сборки
сообщения в УК,и определения даль
иейшсй процедуры передачи сообщения
Все сегменты, принадлежащие одному н
тому же сообщению, различаются только
номером и признаком последнего сегмеп
та Средствами транспортного протокола
осуществляется восстановление сообще
ний, не принятых или частично принятых
в УК£Л, в пределах ресурсов данного про-
токола Пакеты С. IDIN, включающие поле
«+Р+у", передаются согласно структуре
рис 3 в VKci непосредственно и ти че
раз УК*.. Заголовок у" должен включать
признаки, по которым УК,, обрабатывают
пакеты CIDIN в порядке их приоритет-
ности, передают их в нужных направле-
ниях и выполняют операции по размноже
нию пакетов
Протокол уровня L/'л- U's контролирует
обмен пакетами между последовательны-
ми УК. Каждый пакет CIDIN трансформи
руется однозначно в пакет X 25, в кото-
ром у' рассматривается как заголовок,
а область а+р+у" — как поле данных
Протокол уровня L" (Л ориентирован
на использование службы постоянных внр
туа.тьпых каналов (НВК) |4|, определят
мых как цепочка логических каналов
между УК
Протокол уровня звена данных обеспе
чнвает обмен кадрами между последова
тельными УК, между УК CIDIN и УК лю-
бой другой сети ПД ГЛ или PDN, меж
ду УК и программируемыми концентра-
торами, .между последовательными УК
AFTN (если эта сеть реализует процеду-
ры обмена, ориентированные на битовую
структуру полей управления), а также па
абонентских участках всех сетей ПД
ГЛ при взаимодействии УК с ВЦ и АП па
кетпого типа [17].
Приведенные протоколы в той или
иной степени характерны для любой се-
ти ПД ГА и определяют современный
уровень развития АО и услуги, предостав-
ляемые пользователям
3.2. Транспортный протокол. Заголовок р
транспортного протокола формируется в
УКу?Л. и анализируется в УКгд. Состав
заголовка [9] иллюстрирует рис 4. Пер-
вый фрагмент р содержит номер сообще-
ния М/Л’; число октетов MIV задается ин
дикаторо.м длины Z./i; И/,V полностью
идентифицирует сообщение, направляемое
в а трее. УК Множество G значений MIN
для каждого направления УК, v УКдх
распределяется между информационными
(содержащими данные пользователя) и
служебными сообщениями, требующими
подтверждения доставки. Ограничение мпо
жества G является основным средством
защиты межузловой сети от перегрузок,
поскольку очередное сообщение может
быть принято па обслуживание, только
если в УКАк. для этого направления имеет-
ся хотя бы один свободный И/Л'. Во вто-
ром фрагменте р содержатся признак FCP
последнего пакета в мпогопакетном сооб-
щении и номер СР\ пакета в пределах
сообщения Для СРХ вводится индикатор
длины Ll3. Значения FCP и CPN необхо-
димы для организации сборки сообще-
нии в УК,.v Третий фрагмент р включает
ряд признаков, характеризующихся фик-
2 Зарубежная радиоэлектроника № 2
33
сированной длиной, а именно. .¥/1 — инди
катор доставки сообщения, МТ тип сооб-
щения (информационное или служебное);
MCF гин кода н формата сообщения,
Л'.МЛ — определи гель одного из 32 служс.б
ных сообщений, используемых в целях
управления доставкой. Бит СР реализует
функции защиты режима ДИАЛОГ от
прерываний, обусловленных другими режи-
мами передачи Четвертый фрагмент от
водится иод адрес А,- УК/-Ч — отправите
ля сообщения Включение индикатора 1.11
обеспечивает возможность определения как
адреса УК//*-. так и адреса абонента
отправителя, связанного с конкретной
сетью ИД ГА. Заключительный фрагмент р
составляет признак F.OH его окончания.
Как свидетельствует опыт работы меж
дународных сетей ИД ГА [18, 19|, глав-
ными функциями транспортного протоко-
ла являются.
I Контроль доставки в УК/Х сообща
ний. требующих подтверждения, осу-
ществляемый при .¥/1 = 1 путем передачи в
обратном направлении служебных сооб
щений «Подтверждение доставки» или
«Запрос». После получения в УК/л сооб
щения первого вида использовавшийся
МI .¥ ос вобожд ается.
2. Действия при обнаружении потери
сообщения, которые сводятся, в основном,
к повторной передаче его после получе-
ния в УК/ ч сообщения «Запрос» или исте-
чения тайм-аута его ожидания
3. Обработка сообщений, не требующих
подтверждения По сравнению с предыду
щей данная функция упрощается потому,
что применяются только операции, обус.тов
лепные сборкой информационного сооб-
щения и контролем истечения тайм-аута
сборки.
4 Обработка сообщении с педопусти
мым признаком MCF, когда в адрес УК/v
направляется служебное сообщение «Ошиб
ка в признаке MCF», по которому .VKtv
проверяет и корректирует (в пределах
своих ресурсов) этот признак
3.3. Протоколы обмена пакетами CIDIN
и пакетами Х.25. Заголовок у" пакета
CIDIN формируется в УКГу и анализи-
руется в УКр и УКеА- В его состав входят
А¥1 адреса УК/¥, /1,,, адреса АП или
ВЦ назначения и признак МР, который
обеспечивает возможность введения ряда
приоритетов пакетов. Число адресов /1А,
и А.,. может быть нефиксированным Все
паке.ты направляются по заранее опреде-
ленным маршрутам службы ПВК, состав
ляющей основу протокола обмена пакета-
ми Х.25 [4] Служба ПВК формируется
так, чтобы чисдо УКГ было минимальным
34
В каждом УК ведется таблица маршру-
тизации, устанавливающая соответствие
между AXi и исходящим направлением
передачи. Важнейшая функция рассмат-
риваемых протоколов, реализуемая в УК//,
связана с доставкой многоадресных сооб-
щений, большой вес которых в общем
трафике является характерным для се
гей ПЛ ГА Если некоторый УК полу-
чает пакет, требующий дальнейшей ре-
трансляции по ПВК. в котором дан
ный УК исходный, то в нем осуществляет-
ся проверка признака ЛА Если пакет
должен быть ретранслирован по одному
ПВК, то он передастся с новым заголов-
ком у' и с теми же заголовками у" и [3,
Если же пакет ретранслируется более чем
по одному направлению, то заменяется
заголовок у", так как в него необходимо
ввести дополнительные признаки j4a- . воз
можно, в сочетании с Ad. В УКк ретран
сляция пакетов CIDIN осуществляется
без сборки сообщения. Обнаруживший свой
адрес в множестве Я¥ УК выполняет
функции УК/.у. если Alf соответствует АН
или ВЦ, замыкающимся на данный УК
и функции УКр в противоположном слу-
чае. Если количество исходящих превы-
шает количество входящих ПВК, то УК//
формирует новые заголовки пакетов C1DIN
Поскольку принципы обмена пакетами
в сетях ПД ГА в значительной мерс
предопределяются базовой службой ПВК
.Х.25, то в протоколах сетей CIDIN, SI ГА
и IATA допустимо использование паке-
тов всех типов данной службы, а именно
Data Interrupt, Receive ready. Receive not
ready, Reject, Reset, Restart, диагностиче-
ских пакетов Кроме того, не исключается
применение технических возможностей, свя
занны.х с этой службой. Как и исходный
протокол Х.25, протоколы сетей ПД ГА
реализуют принцип асинхронного мульти
плексирования во времени независимых
потоков данных согласно концепции логи-
ческих каналов, контроль передаваемых и
принимаемых пакетов при помощи номе
ров Р (R) и Р (S) и процедуру управле-
ния потоком пакетов в пределах каждого
канала.
Специфика обслуживания информа
цни ГА проявляется, однако, в том, что
протоколы уровня U't—U\ авиационных
сетей отличаются в некоторых аспектах
от протокола Х.25:
1. Протоколы сетевого уровня X 25,
реыаментирующие взаимодействие оконеч-
ного оборудования пользователя (DTE)
и сети (DCE), не являются симметрии
пыми в том смысле что они различны
для DTE и DCE. Например, сведения
в поле причины инициирования процеду-
ры очистки логического канала (RESET)
может включать только DCE. Это ограни
чение неприемлемо при реализации про-
токола обмена пакетами между УК,Л
и УК/;у (или УКд>), которые в алгорит-
мическом отношении должны быть иден-
тичными
2. В протоколах обмена пакетами се
тей ПД ГА используется только служ-
ба ПВК, за исключением сети IATA, в ко-
торой допускается применение виртуально-
го вызова и ускоренного избирательного
вызова абонентов (East Select) [4].
3. Особенности обмена пакетами между
УК, у и УК, у (УК,,) делают целесообраз
ным применение лишь ограниченного ряда
технических возможностей из множества,
определяемого рекомендацией Х.25.
Кроме того, есть и другие признаки,
характерные для сетей ПД ГА:
использование расширенной нумера-
ции Р (/?) и Р (S) по модулю 128. обуслов-
ленное внедрением радиоканалов че
рез ИСЗ;
увеличение размера «окна» протокола,
так как в контур, контролируемый прото-
колом, может быть введено число паке-
тов, существенно превышающее аналогич-
ное число в базовой версии Х.25;
сложность разделения всего множест
ва ПВК по подмножествам, отвечающим
отдельным режимам передачи информ а
ции.
Протокол уровня L/'з— lit осуществляет
функции взаимодействия С IDIN с сетя
ми PDN. Часть сквозного тракта УК/Ч—
y'Ktj (УК/,) может проходить по участ-
кам PDN Тогда УК CIDIN должны
обеспечивать процедуры ввода и вывода
пакетов из PDN, не отличающиеся от ана-
логичных процедур Х.25. Рассмотренные
выше принципы построения АО, позво
ляющие достаточно гибко регулировать
параметры механизма управления, создают
объективные предпосылки для обмена
пакетами между CIDIN и PDN
В связи с возможностью прохождения
ПВК по участкам PDN возникает проблема
согласования максимальной длины поля
данных пакета X 25, применяемого в се-
ти CIDIN, и пакета, размеры которого
удовлетворяют положениям международной
рекомендации [4]. Для пакета Х.25 в се
ти CIDIN Ilax—256 октетов, тогда как
эта рекомендация допускает максималь-
ную длину поля данных пакета 128 окте
тов. Следовательно, при передаче паке-
та Х.25 из CIDIN в PDN нужно выпол-
нить процедуру фрагментации (рис. 5).
Рис. 5. Принцип фрагментации пакета
Иоле данных первого пакета, напранляе-
мого в PDN, содержит 128 начальных
октетов пакета X 25, следующего из CIDIN.
и размещается вслед за заголовком уА,
бит М которого принимает значение I По-
ле данных второго пакета содержит остав-
шиеся окте ы фрагмв!тируемого пакета,
в заголовке его фиксируется Л1=0, и он
передается по тому же югическому кана-
лу вслед за первым пакетом. Известные
функции бита М [-1] позволяю! при по-
ступлении обоих пакетов в CIDIN сфор
мировать единый пакет X 25
3.4. Протоколы уровня звена данных и
физического уровня. Протокол уровня зве-
на данных ориентирован на сбалансиро-
ванный режим с двусторонним одновре-
менным обменом кадрами [20]. Информа
циопные и служебные кадры, принятые с
ошибкой восстанавливаются только с по-
мощью служебного кадра общего занро
са REJ, селективный запрос., как правило,
не применяется В протоколе реализуются
и другие принципы, характерные для про
цедур HDI.C, в том числе последователь
ная нумерация передаваемых и прини
маемых кадров, функции бита управле-
ния Р/F, использование ненумерованных
команд и ответов установления и разъеди
нения звена данных, а также нумерован-
ных команд и ответов управ тения обменом
Специфическими особенностями нротоко
та в условиях международных сетей
ПД ГА являются [2] :
введение многоканальных звеньев дан
пых и соответствующих усложненных про
цедур управления [21|, причем параллель-
ные каналы звена организуются с целью
повышения надежности доставки информа-
ции, связанной, главным образом, с авто-
матизацией управления воздушным дви-
жением,
возможность регулирования (по ана-
логии с проюкодом сетевого уровня)
цикла нумерации кадров и размера «окна»
в процессе управления потоком кадров,
обслуживаемом звеном
В отношении протокола физическою
уровня не вводятся жесткие ограничения
2*
35
на технические характеристики существую-
щих и потенциальных средств построения
дискретных каналов с тем, чтобы не созда
вались трудности при расширении селей
11Д ГА |2] Допускается применение
стандартного ряда скоростей ПД, регла-
ментированного МККТТ |‘2‘?| синхронный
и асинхронный последова тельный ввод
и вывод данных, использование широко-
го спектра каналов связи аналоговых
телеграфных и телефонных проводных,
радиоканалов через ИСЗ, а в нерснекти
ве — цифровых каналов
4 U! ГОР И ТМИ MFC. ко; ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ХБОИ'1ПТКИХ УЧАСТКОВ
4 I Классификация ЛП Введение же-
стких требовании к времени и достовер-
ности доставки аэронавигационной инфор
мании и данных, относящихся к функ-
ционированию авиационных служб, а также
к времени восстановления сквозного трак-
та после выхода из строя его элементов,
часто сдерживается низким уровнем су-
ществующих АН |6| В наибольшей степе-
ни это положение относится к сети AFTN.
Данный уровень он (оделяется как значи-
тельными затратами времени оператора па
обслуживание сообщении и организацию
их повторной передачи, так и большой
интенсивностью потоков сообщений с необ
паруживаемыми ошибками, потерь и вста-
вок сообщений, а также их засылок пе но
адресу Эти события вызываются ошибоч-
ными действиями операторов, конечной на-
дежностью аппаратуры и ошибками в
стартстоппых каналах. С другой стороны,
сети SITA и IATA характеризуются в це
лом логически более развитыми АИ н
более частым подключением ВЦ в ка
честве оконечного оборудования, однако
использование низкоскоростных старгстон-
ных АП имеет место и здесь.
Классифицировать АП в сетях IIД ГА
можно по объему и сложности реализуемых
функций, а также по степени автомати-
зации операций. По этим критериям вы
деляют .АП трех классов |(>|. В простей
тих ЛИ класса I выполняются функции
минимального состава: передача и прием
сообщений, промежуточное хранение опре
деленного информационного массива
В рамках класса I рассматриваются ЛП
стартстоптюго типа па базе телеграфных
аппаратов применительно к организации
симплексного, полудуплексного и дуплексно-
го обмена сообщениями Для ЛП класса I
характерна низкая степень пли полное от-
сутствие автомагизации передачи и приема
информации Следовательно, необходимы
квалифицированные операторы. В круг
их обязанностей входят установление и
прекращение связи с УК, ввод и вывод
сообщений, обнаружение неисправностей
в ЛП и проведение местных процедур
восстановления, opi анизация переспроса
или подтверждения приема сообщений,
обработка сообщений различного тина,
например служебных и многоадресных,
сбор статистики
Для АП класса II характерно введе-
ние автоматизированных процедур. До-
полнительными функциями здесь являют-
ся автоматизированное формирование с
клавиатуры ряда признаков заголовка,
строки окончания сообщения; введение
элементов автоматизации при подготовке
и редактировании сообщении При исполь-
зовании внешней буферной памяти до-
пускается передача сигнала оператору о
ее переполнении, и .ЛП может направить
в сеть сообщение, имеющее наивысший
приоритет. Применение АП класса II це
лесообразно в среде, характеризующейся
значительным объемом сообщений фик-
сированного формата.
Абонентские пункты классов I и II
составляют подавляющую часть су-
ществующего абонентского оборудования
сети AFTN и менее типичны для других
сетей ПД ГА
Перспективные АП класса 111, которые
допускают в общем случае реализацию
некоторого множества алгоритмов обмена
информацией, строятся па базе микро-
процессоров с развитыми периферийны-
ми устройствами. Их характерной чертой
является также программная реализация
дополнительных функций необходимость
которых диктуется внешней обстановкой,
определяемой аэронавигационными факто
рами. Программная реализация создает
предпосылки для возможности оператив-
ного расширения функций, их исключе
ния или замены, например автоматически
го формирования или формирования и пе-
редачи сообщения NOTAM. содержащего
сведения о состоянии аэродромных аэро
навш анионных и других технических
средств по сигналу оператора или в за-
ранее определенные моменты Соответствен
но АП класса II обладают ресурсами,
позво.тяющи ми осу щсствля । ь распределе-
ние, хранение обработку и редактирова
пие сообщений NOTAM В алгорнтмиче
ском аспекте эти ЛП могут использовать
более сложные и развитые процедуры об-
мена информацией, выходящие за рамки
действий, принимаемых в случае взаимо-
действия со стартстопными оконечными
устройствами. Естественно, например, та-
36
кое ЮС1роение алгоритма абонентского
участка, когда его нижнпи иерархический
контур образуется процедурой HDI.C |2()|
с автоматизированной битовой обработ
кой заголовков и служебных данных,
а верхний процедурой обмена сообще-
ниями на базе принципов Основного ре
жима МОС [23] с позначной обработкой
заголовка при участии оператора ?\П.
При этом обеспечивается защита от не-
обнаруживаемых ошибок, потерь и вставок
информационных массивов (сообщений и
кадров), вызванных ошибками в кана-
лах ПД Д,: я защиты же от ошибок, потерь,
вставок, а также засылок нс по адресу
которые обусловлены действиями опера-
тора, целесообразна организация конту-
ра обмена информацией, охватывающего
рабочий процесс оператора.
Сфт ра использования АН класса III опрс
деляется конфигурацией средств обра
боткн информации авиационных с.чхжб
с жесткими требованиями к достовер
ности п времени обработки и сложными
алгоритмами вычислений Кроме того,
должна учитываться интенсивность входя
тих и/нли исходящих потоков данных,
характеризующихся множеством форма-
тов Подобные условия специфичны для
АП в составе АСУ воздушным движением.
4.2. Взаимодействие АП с УК Низко
скоростные компоненты с< ей ПД ГА в пла-
не организации ввода и вывода инфор
мацин в высокоскоростные компоненты,
Сеть КП
Сеть КП
□ ™
О управляющий ПП
магистральный УК
пазовой УК
(У—> МВ
> W
Рис" 6. Конфигурации втаимолействия АП с УК
37
а также обслуживания графика, замы-
кающегося внутри зоны без выхода на
участки с КП. реализуют принцип комму-
тации сообщений (КС) Возможность обме
на данными в реальном масштабе време
ни с учетом используемого на абонентских
участках ряда скоростей ПД (50
200 бит/с) исключается В технике эко-
номическом аспекте применение КС приво-
дит к усложнению структуры и функ-
ций УК. но упрощает АО АП и сети в це-
юм по сравнению с КП Другой фактор,
также способствующий снижению алгорит-
мической сложности АН, состоит в том,
что, в отличие от большинства PDN, в
сетях ПД ГА функции восстановления
сообщении, потерянных в периоды нерабо-
тоспособности технических средств н/нли
ПО возлагаются на УК. а не АП. Рас
смотрим конфигурации, характерные для
взаимодействия АП с УК. (рис. 6) При
менительпо к двухточечной конфигурации о,
используемой в случаях малой протяжен-
ности каналов связи н значительного
обьема двустороннего трафика. АО строит-
ся наиболее просто. Данная структура ха
рактерна для связи УК с абонентами аэро-
порта (здесь КП соответствует исполь-
зованию средне- и высокоскоростных
хчастков коммутации пакетов)
В конфигурации б вводится управляю
щнй АП класса III, который регламен-
тирует поступление данных оз АП клас-
са I или II в УК или в обратном направ-
лении. Предполагается, что многоточеч-
ная конфигурация оказывается целесооб
разной по технико-экономическому кри-
терию, учитывающему стоимость аренды
каналов связи а также затраты на созда-
ние и эксплуатацию технических средств
п ПО АП
В конфигурации в АП класса III исполь-
зуется с целью реализации функций ни
зового УК. а именно, помимо процедур,
характерных для конфигурации б, в его
АО дополни сельпо вводятся операции по
маршрутизации сообщений при обмене с
подчиненными АП и УК В этой конфигу-
рации функции низового УК распределяют-
ся между функциями АП и магистраль
ного УК Заштрихованная область нзобра
жения АН отвечает средствам, относя-
щимся к обмену маршрутной и другой
служебной информацией. В отличие от рас-
сматриваемых далее конфигураций, со-
держащих концентраторы (КЦ). к управ
ляющемс АП не предъявляются требова-
ния включения большого объема памяти
для хранения сообщений.
В конфигурации г АП играет роль центра
сбора аэронавигационных данных, как пра-
58
вило, на магнитных дисках (МД) от под-
чиненных АП и передает массивы дан-
ных в УК или для обработки локально-
му ВЦ Конфигурация д характеризуется
включением КЦ. если выделенные каналы
достаточно протяжённы и затраты, вызван
ные созданием и эксплуатацией КЦ, а
также организацией дополнительных алго-
ритмических уровней обмена инфор
мацией, не превышают затрат, вытекаю-
щих из организации прямых каналов.
В этой структуре КЦ может трактовать-
ся как низовой УК, в том числе и приме-
нительно к многоточечной топологии под-
чиненных АП. Концентраторы сетей ПД
I А отличаются значительными ресурсами
памяти На основании опыта функциони-
рования АЕГ\ |6, 24] можно утверждать,
что если исключить интерфейс операто-
ра с оборудованием АП, то к наибольшим
потерям информации приводят сбои и от-
казы в каналах связи, но не в технических
средствах АП. Следовательно, память
и КЦ должна быть достаточной дтя хра
пения сообщений, которые могут поступать
в АП в интервале времени, необходимом
для восстановления канала КЦ-УК Кро
ме того, для ряда КЦ характерно услож-
нение АО, обусловленное пересылкой на-
копленных сообщении в основной или уда-
ленные УК но резервным маршрутам без
ожидания завершения процедуры восста-
новления [25].
Конфигурация г учитывает возможность
переприема сообщения в ряде низовых но
следовательны.х УК до ею поступления в
сеть КП. Как и в конфигурации б, в каж-
дом низовом УК сообщение после анали
за адреса получателя может направлять-
ся АН той же зоны без выхода в указан
ную сеть. Конфигурации биг допускают
включение подчиненных АП по многото-
чечной структуре.
4.3. Особенности форматов и алгорит-
мов обмена информацией. Специфика алго-
ритмов абонентских участков сетей ПД
ГА проявляется в своеобразии форматов
сообщений, передаваемых и принимае-
мых /АП. В общем случае сиециализи
рованный формат сообщения включает
следующие элементы |7|
строку заголовка, содержащую признак
начала сообщения;
адресную строку с указанием адреса
(адресов) АП-получателя и приоритета
сообщения,
строку отправителя с указанием адреса
Al I отправителя, идентификатора (АП)
даты и времени отправления сообщения:
последние признаки являются исходными
для последующей процедуры поиска по-
терянных сообщений:
текст сообщения в коде МТК-2 или
МТК-5, в котором может содержаться
признак служебного сообщения,
последовательность окончания сообще-
ния.
Алгоритмы обмена информацией АП
классов I и II о УК базируются на регла
монтирующих положениях ICAO [7] В об-
щем случае применяется решающая обрат-
ная связь в сочетании с контролем поряд-
ковых циклических номеров сообщений
и проверкой корректности их заголовков.
Структура АО применительно к взаимо
действию управляющего АП класса III
с УК в конфигурациях б, в. г, д вытекает
из отмеченной выше возможности органа
зации двухконтурного обмена. Что же
касается алгоритма взаимодействия управ
ляющего с подчиненными АП, то он реали-
зуется, как правило, по одной из версий
протокола Основного режима МОС [2 4|
с позначной обработкой При этом обеспе-
чиваются особенности организации обме
на аэронавигационными данными:
передача циркулярных или много-
адресных сообщений от управляющих АП
с доставкой подтверждения приема в его
адрес от всех или некоторых АП-получа
телей или в простейшем случае без под-
тверждения приема сообщения;
временное присвоение статуса главной
оконечной установки многоточечного соеди-
нения любому из подчиненных АП и тем
самым оперативное включение этого АП
в качестве управляющего.
Обнаружение ошибок в сообщениях
и их фрагментах осуществляется путем
помехоустойчивого кодирования В раз-
витие положений Основного режима воз-
можно введение «окна» при непрерывной
передаче определенного числа сообщений
или фрагментов. Существенной особен-
ностью взаимодействия АП класса III с
УК и КП. является возможность неполно-
го переприема сообщения, когда соответ-
ствующий элемент сети ПД ГА начинает
ретрансляцию сообщения в исходящем на
правлении после обнаружения конца стро-
ки отправителя, не дожидаясь фиксации
признака конца сообщения ЕОМ. Пеле
сообразность данной процедуры ио крите-
рию минимума времени доставки в сквоз
ном тракте сети опредечяется низкой ско-
ростью ПД по абонентским участкам и,
следовательно, большими потерями време
ни в УК (КП) от момента обнаружения
конца строки отправителя до момента
окончания приема текста сообщения С дру-
гой стороны, увеличение вероятности поте-
Y12 ... ^2 ... W,1 **тг ...
Рис. 7. Структура ноля данных массива
ри сообщения при неполном переприеме,
обусловленное необнаруживаемым иска-
женном или потерей в канале связи призна-
ка ЕОМ, может быть скомпенсировано
многократной передачей этого признака в
каждом сообщении. Очевидно, что эффек-
тивность процедуры возрастает, если не-
полный переприем реализуется также в
УК и КЦ связанных с АП-получателем
сообщения.
Принцип неполного переприема сочетает
ся в АО сети AI TN с возможностью фор-
мирования в УК н КП, информационных
массивов, поле данных которых включает
фрагменты относящиеся к различным от-
правителям. В этом случае массив должен
содержать (рис. 7.).
указатели длины У области, относящей
ся к некоторому направлению обмена меж
ду АП. замыкающимися па данном УК
(КП), н удаленным АП, причем первый
индекс У соответствует одному из АП зо-
ны УК (KIL), а второй одному- из / уда-
ленных АП;
уровень приоритета МР сообщения, от-
носящегося к конкретному направлению
обмена;
поле W' данных пользователя перемен-
ной длины, соответствующее этому на
правлению
Алгоритмы УК и КП усложняются,
причем сложность проявляется как в до-
полнительных затратах производительности
вычислительных средств, связанных с раз-
делением полей 1К, так и в принятии сне
пиальных мер защиты индикаторов У, не
обнаруживаемые искажения которых вы-
зывают добавочные реализации потерь и
вставок компонентов сообщений в трак-
те АП АП В существующих протоколах
сетей ПД ГА алгоритмические средства
сквозного контроля в этом тракте, в том
числе средства обнаружения и коррек-
ции, отсутствуют.
Помимо указанных алгоритмов абонент
ских участков, для сетей П,( ГА активно
рассматриваются и перспективные алгорит-
мы базирующиеся на положениях реко
мендации Х.25 и предусматривающие вклю-
чение АП пакетного типа, функции кото-
рых соответствуют классу III Объектив
ные предпосылки к их применению опре
деляются резким увеличением в будущем
объема трафика некоторых видов аэрона
внгационпон информации, обрабатывае
мой ВЦ ГА главным образом, при пер<
39
даче больших массивов метеорологических
данных [24]. Внедрение таких ЛП прибли-
зит ЛО абонентских участков сетей ПД
ГА к протоколам межузлового обмена, ха-
рактерным, в первую очередь, для
CIDIN [9]
4.4. Программируемые функции и функ-
ции оператора в АП класса III. Важной
проблемой при создании перспективных АП
для сетей ПД ГА является распределе-
ние функций, выполняемых оператором и
реализуемых программно на базе вычисли
тельного комплекса АП Как свидетель
ствует опыт ICAO [6|. к основным дей-
ствиям оператора целесообразно отнести
заготовку текста сообщения и форми-
рование переменных признаков заголовка,
в том числе времени отправления, приор»
тета сообщения, идентификатора АП
проведение процедур восстановления при
обнаружении ошибок в формате сообщи
ния;
взаимодействие с ПО АП в начале сеан
са связи, когда соответствующие програм-
мы последовательно производят верифика
цию компонентов XII и выводят на экран
дисплея информацию, которая служит опе-
ратору сигналом для проведения процедур
восстановления; после завершения комп-
лексной верификации на экране про
граммно формируется набор режимов пе-
редачи, допустимых для данного АП.
установление соединения с УК или КП,.
ведение диалога с ВЦ при передаче
информации в реальном масштабе времени.
Прикладное ПО дополняет действия one
ратора в аспекте выполнения функций,
выходящих за пределы его возможностей
или квалификации. К ним относятся
формирование постоянных признаков за
головка, в том числе даты отправления,
разделительных знаков формата, последо-
вательности Г.ОМ:
нумерация сообщений, сбор и запись ста-
тис.тнчйских данных относящихся к рабо
те АП.
буферизация сообщений согласно их
приоритетам и формирование копий пере-
даваемых сообще mil,
формирование .многоадресных сообще
ннй;
проверка ограничения на длин} сообще
ния
формирование в отдельных случаях,
обусловленных спецификой аэронавига-
ционной информации, «длинных» сообще-
ний (L>Z,„nx). при этом сегментация
таких сообщений должна осуществляться
в УК или КП.
вывод на печать но запросу оператора
40
заданной последовательности копий пе-
реданных сообщений.
Модернизация парка абонентского обо
рудования сетей ПД ГЛ. в первую оче
редь сети AFTN. будет осуществляться
по прогнозу |6| поэтапно путем внедре
ния более сложных алгоритмов обмена
данными, в которых вес операций, pea.ni
зуемых программно, будет возрастать
Конечным этапом этого процесса представ-
ляется в соответствии с программой ICAO
повсеместное применение ЛП, функциони
рующих согласно принципам непосред-
ственно протокола Х.25 или принципам,
ориентированным па службы ПВК этого
протокола в сочетании с традиционными
процедурами межузлового обмена CIDIN.
5. РГЖ14МЫ ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ
5.1. Классификация режимов. Режимы
передачи информации в сетях ПД ГА клас-
сифицируются по признакам, определив
мым временем т доведения информации
до АП (ВЦ)-получателя, длиной инфор-
мационного массива и характером взаимо-
действия АП (ВЦ)-отправителя и полу
чателя В соответствии с этими признака
ми реализуются режимы
I. ДОСТАВКА, ориентированная па не
редачу независимых сообще! ий ограни-
ченной длины (/ ппх порядка тысяч знаков)
без формулирования жестких требований'
к времени т Этот режим обеспечивает
обслуживание основного трафика се-
тей ПД ГА применительно к АП всех
классов и ВЦ в широком диапазоне приори-
тетов сообщений. Для АП класса III он
распространяется и па обмен пакетами.
2. ЗАПРОС ОТВЕТ, удовлетворяющий
потребности пользователей сетей в онера
тпвном однократном обмене достаточно
короткими сообщениями запроса и отве
та (как правило, Lmax<500 знаков) По-
давляющая часть трафика этого режима от-
носится к запросу аэронавигационной ин-
формации из банков данных (ЬД) с целью
обеспечения функционирования авнацион
пых служб МЕТ (информирование о метео-
обстановке), МОТАМ службы полетных
планов и передачи сигналов управления.
Общая черта вариаций указанного режи-
ма состоит во введении жестких ограни
чений на время реализации цикла, вклю-
чающего передачу сообщений запроса и
ответа, а также реакцию БД на поступив
ший запрос.
3 ДИАЛО1 . отличающийся от предыду-
щего режима тем. что информационный
обмен между взаимодействующими АП и
ВЦ (АП ВИ, ВЦ-ВЦ и ЛП АП) является
многократным, причем число циклов об-
мена случайная величина. Сфера при-
менения режима ДИАЛОГ в сетях ПД
ГА охватывает взаимодействие ЛП с вы-
числительными средствами, связь удален-
ных ВЦ реализующих функции БД, и
обеспечение транзита диалоговых сообще
ний, которыми обмениваются БД и оконеч-
ные пункты бортовых авиационных систем.
Алгоритмическое обеспечение сетей ПД
ГА должно включать программные сред-
ства защиты диалогового трафика от
воздействия информационных потоков дру-
гих режимов.
4 Обмен БЛАИ. характеризующийся
обслуживанием массивов длиной порядка
десятков тысяч знаков, которые как пра-
вило представляют собой метеорологи-
ческие сообщения бюллетени [6|. Осо
ценности этого режима в сетях ПД Г .Л
заключаются в отсутствии жестких тре-
бований к т и к вероятностям потери БЛАИ
и его фрагмента, однако процедуры восста-
новления, обусловленные повторной пе-
редачей БЛАИ но сети, вызывают значи-
тельные затраты пропускной способности
каналов связи и вычислительных ресур-
сов УК и АП.
5.2. Режим ДОСТАВКА. Обычно режим
ДОСТАВКА применительно к передаче од
поадресных сообщений осуществляется пу-
тем присвоения сообщениям определен-
ных приоритетов, в соответствии с кото
рыми сообщения обслуживаются в УК и
КН и направляются по исходящим кана-
лам Что же касается передачи много
адресных информационных .массивов, доля
которых в общем трафике режима ДО
СТАВКА достигает 30 %, то ключевым
здесь является принцип обслуживания
многоадресных пакетов (см. п. 3.3). Соот-
ветствующая процедура инвариантна по от-
ношению к алгоритму работы оконечного
оборудования и к транспортному прото-
колу. Как свидетельствует практика
эксплуатации сетей ПД ГА, используемый
принцип обеспечивает существенное сниже-
ние затрат ресурсов сети (рис. 8). Дей
ствителыю, если некоторое многоадресное
сообщение Sn должно быть доставлено
из АП] в адреса AIIj, АП3 и ЛП.,, то при
традиционном подходе после разбивки
Т() на пакеты в УКо последние следуют по
трем независимым направлениям В рам-
ках же рассматриваемой процедуры после
обработки ноля адресации заголовка у"
выявляется возможность передать все па
кеты .Чц по ПВК, (УКо—УК/?|), в УК«, от-
делить адрес АП2 и направить копию паке-
та с трансформированным заголовком у
по ПВК2. сформированному между УК/2|
и соответствующим УКо Пакеты же с адре-
сами ЛП, и А1Ц в качестве А ,- естествен
но направить но ПВК< (УК/?—УК#,)
и в УК^2 отделить адрес ЛП3. Наконец,
ПВКз рационально использовать для пе-
редачи пакетов -S в адрес УКо. связан
ного с АП|, с последующей сборкой и
доставкой его в АП., Гели полагать все
межузловые участки эквивалентными, то
введение процедуры ретрансляции много
адресных пакетов приводит к снижению
в анализируемых условиях числа необхо-
димых каналов связи межузловой сети
вдвое но сравнению с традиционной про-
цедурой. Характерно, что признак приори
тета пакета обрабатывается в УК/?, но не
в транзитных УК. Таким образом, приори
тег учитывается только при направлении
пакета но определенному ПВК.
5.3. Режим ЗАПРОС-ОТВЕТ. Наиболее
41
существенные черты данного режима со-
стоят в следующем [25]:
I. Банки данных взаимодействуют с се-
тями ИД ГА только по среднескоростным
каналам связи с привлечением протоко-
лов, ориентированных на битовую струк-
туру полей управления передачей сообще
ний, пакетов и кадров; предусматривает-
ся процедура идентификации, осуществле-
ние которой открывает доступ к вычисли-
тельным средствам БД.
2. Обеспечивается «прозрачная» пере-
дача информации, извлекаемой из БД.
3 Протокол режима содержит алго-
ритмические средства, предназначенные
для осуществления цикла «запрос-ответ»
при отказах и сбоях в технических сред-
ствах и программах элементов сквозного
тракта АП-БД Такие средства на уровне
звена данных реализуются путем примене-
ния многоканальной процедуры передачи
кадров |21], на сетевом уровне введе-
нием дополнительных маршрутов в направ-
лении АП-БД. а на транспортном — путем
предоставления возможности повторной
передачи любого сообщения
4. Заголовки всех сообщений в рамках
рассматриваемого режима исходят из зна-
ковой структуры, определяемой примене-
нием 5- или 7-элементного кода 1САО с уче-
том их расширений [7].
5. В аспекте сквозной защиты данных
от ошибок, потерь, вставок, засылок ие
по адресу и от несанкционированного до-
ступа могут применяться как интернацио-
нальные процедуры, регламентированные
для протоколов всех транзитных сетей,
так и дополнительные локальные процеду-
ры защиты сообщений
Кроме того, специфика протокола про-
является в многообразии типов сообще-
ний запроса и ответа, а также требова-
ний, предъявляемых к характеристикам
обмена данными между АП и БД. С точки
зрения классификации по назначению АП
и степени их автоматизации возможны
сообщения:
1 Типа А, отвечающие запросу инфор
мации различных приоритетов из БД че-
рез АП, применяющие, главным образом,
алгоритм стартстопной передачи по ни-
зовой сети Al'TN (АП класса I).
2 Типа В соответствующие использо
ванию АП класса II, которые реализуют
алгоритм срсднескоростной синхронной пе-
редачи в сочетании со значительным
объемом действий, выполняемых опера-
тором
3 Типа С, при помощи которых органи-
зуются запрос и ответ применительно к
будущим БД из перспективных многоце-
левых АП класса III с развитой логиче-
ской структурой и памятью.
4 Типа £), используемые для обмена
информацией между ВЦ, на базе которых
будут строиться региональные БД. Про-
цедура обмена здесь предполагает участие
оператора лишь в плане выполнения функ-
ций подсистемы эргономического обеспе-
чения системы технического обслужи-
вания.
Различия в требованиях к характе-
ристикам обмена применительно к сооб-
щениям типов А, В, С, D проявляются,
главным образом, в назначении приори-
тетов и градаций защиты сообщений в
тракте АП-БД, а также в значениях сред-
него времени Т реализации цикла «запрос-
ответ». Этн различия иллюстрируются
таблицей.
Таблица
Тип сообщении Характеристика
Г радация зашиты Приоритет Среднее время реализации цикла, с
А Ограни- ченная Высший Средний Низший 60—120 60-10 60-102
В Ограни- ченная или защита от- сутствует Высший 90
С Ограни- ченная Высший Средний Низший 5 е" 1 ьо 4
D Ограни- ченная Высший Средний 1—2 5
В соответствии с практикой ICAO под
ограниченной понимается сквозная защита,
ориентированная только на восстановление
сообщений и их компонентов вследствие
ошибок и отказов в каналах связи Пол-
ная защита, которая, как правило, для за-
проса и ответа не вводится, обеспечивает
восстановление информации вследствие
процессов в каналах, а также ошибок и отка-
зов в УК и КН Отсутствие защиты на
уровнях АО, контролируемых сетью ПД ГА,
предполагает принятие .мер защиты пользо-
вателями сети Меры могут вводиться и
в случае других градаций, если пользова-
тели обладают необходимыми ресурсами
программных и/или технических средств
Относительно Т можно отметить достаточно
широкие вариации в рамках одного и того
же типа сообщения в зависимости от прио-
ритета Помимо авиационной службы МЕТ
значения порядка минут характерны для
службы NOTAM, а порядка секунд — для
42
служб полетных планов и передачи сигна
лов управления воздушным движением
Каждое из сообщений рассматриваемого
режима сопровождается двумя заголов-
ками, //1 и Н2. Заголовок Н осуществляет
транспортные функции но доставке сообще-
ния в сквозном тракте .ЛП БД или БД-ЛП
и в общем случае включает адреса АП
и БД приоритет и тип сообщения. Назначе-
ние заголовка /7? состоит в организации
доступа к определенной зоне памяти БД
В практике функционирования сетей ПД ГА
в наибольшей степени регламентируются
заголовки сообщения запроса S , тогда как
заголовки сообщений ответа S_> могут быть
достаточно гибкими. Структура Si преду-
сматривает включение обязательного ядра,
а также допускает возможность расширения
ядра па базе процедур взаимодействия
AFTN. SITA н IATA и национальных седей
ПД ГА с БД, реализуемых программно или
аппаратом управления. Кроме того, в состав
включается идентификатор, содержащий
минимальную служебную информацию, до-
статочную для доступа к вычислительным
средствам БД.
Общая организация протокола зависит от
степени автоматизации и ресурсов АП При-
менительно к АП классов I и II возможны
• решения-
I. Формирование в сквозном тракте вир-
туального канала (ВК) с использованием
процедуры виртуального вызова (ВВ/ или
ускоренного избирательного обмена. При
этом Si, поступающее в УК из ЛП, транс-
формируется в пакет, область данных кото-
рого включает S со своим заголовком. При
поступлении S> в УК выполняется обратное
преобразование. На время существования
ВК все сообщения, предназначенные для пе-
редачи в АП или из АП, блокируются, что
накладывает определенные ограничения на
возможности обмена сообщениями в режиме
ДОСТАВКА.
2. Обслуживание сообщений и S? без
формирования ВК с включением в них приз-
нака определенного приоритета, обеспечи
вающего передачу с приемлемой задержкой
При такой организации сообщения режима
ДОСТАВКА не блокируются, а передаются
в интервалах между сообщениями S, и S.
Известное увеличение длительности цикла
запрос-ответ обусловлено здесь конечными
задержками в обработке S, и S> узлами,
которые заняты обслуживанием ранее по-
ступивших сообщении режима ДОСТАВКА,
при условии, что начатый процесс не преры
вается.
Применительно к АП класса III протокол
организуется на базе служб передачи паке
тов, обеспечиваемых рекомендацией X 25
Ря_. 9. Оценки функций распределения времени
реализации цикла «запрос-ответ*
[4) Возможными решениями являются-.
1 Использование IIBK в сквозном трак-
те АП-БД так, что трафик, соответствую
щий режиму ЗАПРОС-ОТВЕТ, оказывается
отделенным от трафика режима ДОСТАВ-
КА Данное решение, как свидетельствует
опыт эксплуатации сетей ПД ГЛ. целесо-
образно при высокой интенсивности Л входя
щего потока сообщений Si.
2. Применение в случае небольших значе-
ний Л службы ВВ или процедуры ускорен
ного избирательного обмена, причем на всех
участках сквозного тракта применяется
пакет Х.25, содержащий данные пользовате-
ля и служебные сведения, необходимые для
формирования и разъединения ВК. Не ис-
ключается также построение протокола,
реазизуемого но принципам датаграммной
(ДТ) службы [26), если в пакет вводится
признак приоритета, который устанавливает
первоочередное обслуживание пакетов ре-
жима ЗАПРОС ОТВЕТ
При всех решениях внутренний формат
S) и S, размещается в поле данных поль-
зователя, признак режима фиксируется
в общем идентификаторе или в поле техни-
ческих возможностей пакета На рис 9 пред
ставлены типичные для сетей ПД ГЛ оценки
функций распределения Р(т]<7) случайной
величины т), равной времени реализации
цикла «.запрос-ответ» при взаимодействии
ЛП класса П1с БД в диапазоне скоростей
ПД 1200 4800 бит/с Для обслуживания
сообщений типов С и D необходимо исноль
зовать каналы со скоростями ПД не ниже
9600 бит/с.
5.4. Режим ДИАЛОГ При взаимодей
ствии АП с вычислительными средствами,
а также взаимодействии удаленных ВЦ
среднее время Т реализации цикла обмена
не должно превышать 10 с, если среднее
значение длины сообщения запроса Т.,^300
знаков, а сообщения ответа /. г^1200 знаков
В случае же обмена междх наземными БД
и бортовыми системами с интенсивностью
инициаций режима передачи 200 ч 1 среднее
время прохождения S или Sj через тран-
зитную сеть ПД ГА должно быть в пределах
7'^10 15 с при 2 3 перенриемиых участ
43
ках. Среднее время реакции БД составляет
около 2 с Сформулированные требования
исключают возможность использования в
режиме ДИАЛОГ низкоскоростных старт
стопных АП. На всех участках сквозною
тракта применяется как правило КП Обсс
печение защиты диалогового трафика от ин-
формационных потоков других режимов
сопряжено обычно с организацией логиче-
ского соединения ме.жду взаимодействую-
щими АП и ВЦ
В практике функционирования сетей IIД
ГА бывает непрерываемый и прерывае
мый ДИАЛОГ [25]. Первый режим органа
зуется путем предоставления сообщениям
5, и Si наивысшего приоритета. Во втором
случае диалоговые сообщения могут иметь
любой приоритет, причем в УК обеспечи-
вается предпочтение обслуживания S, и
S2 перед обслуживанием сообщений того же
приоритета, но принадлежащих другим ре-
жимам В процессе организации режима
удаленный АП или ВЦ может отказаться
от диалогового обмена путем формирования
в поле A1CF сообщения S2 (см. рис. 4) сне
циального признака «отклонение диалога».
Если же АП (ВЦ) не в состоянии выпол-
нить эту операцию из-за неисправности или
занятости, то она осуществляется УКо. свя-
занным с данным АП (ВЦ). Функции же
инициации и окончания режима ДИАЛОГ
реализуются битом СР заголовка (рис. 4).
Диалоговый обмен поддерживается при
помощи системы тайм-аутов. Участвующий
в обмене АП или ВЦ включает тайм аут
каждый раз, когда он передает сообще-
ние, и если в течение соответствующей вы
держки времени ответное сообщение не по-
ступает, то диалог прекращается Другой
тайм аут включается в УКо, связанном с АП
(ВЦ)-инициатором диалога. Если в вреде
лах соответствующего интервала времени
ответное сообщение в УКо не поступает,
а в его памяти уже имеется сообщение
другого режима, предназначенное для пере-
дачи в адрес АП (ВЦ)-инициатора, го диа-
лог также прекращается н взаимодействую-
щим АП (ВЦ) посылается специальное со-
общение-уведомление.
5.5. Передача БМИ. Потребность в орга-
низации режима передачи БМИ в сетях
ПД ГА вытекает из рационализации обшей
процедуры запроса аэронавигацноонпой ин-
формации В настоящее время такой запрос
осуществляется из ограниченного числа
международных БД В перспективе значи
тшьпая интенсивность запросов и разно-
образие требований пользователей приве-
дут к тому, что эта процедура окажется
неэффективной Поэтому IC AO разработала
перспективную процедуру, согласно которой
АН выполняют запрос из национальных БД,
а обмен большими информационными мае
сивами между ними, а также между на-
циональными и международными БД выпол-
няется согласно специализированному про
токолу передачи БМИ [6| Он оказывается
также необходимым и для организации об-
мена сообщениями тина D режима З.АП-
РОС-ОТВЕТ по высокоскоростным каналам.
Характерная черта режима передачи
БМИ в рассматриваемых условиях состоит
в применении КН на всех участках сквоз-
ного тракта между БД и ВЦ. Возможные
способы построения протокола
I БМИ разбивается на пакеты програм-
мными средствами ВЦ отправителя БМИ,
обозначаемого lzi, па базе которого создает-
ся БД. Пакеты в пределах одного БМИ
связываются последовательностью битов А-1
заголовка пакета Х.25 |4|. Далее ВЦ осу-
ществляет сборку БМИ из пакетов и опре-
деляет необходимость повторной передачи
БМИ или его фрагментов. При этом сред-
ства сети ПД ГА не. реализуют никаких
функций, обусловленных передачей БМИ,
которые выходят за рамки доставки паке
тов в сквозном тракте Izi— lZ2. Их назначе-
ние — транспортировка пакетов БVIII с за-
данными требованиями к достоверности
и времени их доставки; сборка и хранение
БМИ в узлах сети не производятся Вклю
чеши признака Л1 создает предпосылки к
применению в протоколе службы ДТ. Сле-
довательно, режим передачи БМИ форми-
руется за счет ресурсов средств обработки
ВЦ
2 Все функции по организации передачи
БМИ возлагаются на средства сети Ее
транспортный протокол обеспечивает пол-
ный набор процедур фрагментации и сбор-
ки БМИ из пакетов, в том числе и храпе
ние БМИ в .VKtlv и У Кед- Передача же
пакетов может осуществляться службами
IIВК, ВВ и ДТ. Учитывая достаточно боль-
шое в общем случае среднее время старе-
ния БМИ, последняя служба наиболее при-
емлема, причем пакетам присваиваются при-
оритеты, низшие но сравнению с приори-
тетами режимов ЗАПРОС-ОТВЕТ и ДИА-
ЛОГ.
Этот же протокол решает задачи
защиты от ошибок всей информацион-
ной области БМИ путем включения про
верочных соотношений, охватывающих поле
данных во всех пакетах БМИ, и контроля
этих соотношений программными сред
ствами транспортного протокола сети;
контроля целостности БМИ программой
обработки, также принадлежащей транс-
портному протоко «у, оперирующей со зпаче-
44
ннями бита Л-1 последовательных пакетов,
а также с заголовком БМИ,
организации повторной передачи БМИ и
его фрагментов в случае обнаружения не-
корректности заголовка БМИ или потери от-
дельных пакетов; при этом предпочтителен
адресный переспрос, поскольку повторная
передача всего БМИ приводит к занятию
значительных ресурсов транспортного и ни
жележащих протоколов сети.
Реализация адресного переспроса фраг-
ментов БМИ, однако, в известной степени
усложняет АО сети из-за необходимости
идентификации отсутствующих пакетов и
включения сведений о них в пакет запроса.
6. КОММУТАЦИОННОЕ И ОКОНЕЧНОЕ
ОБОРУДОВАНИ
Рассмотренные алгоритмы реализуются
в УК (КЦ) и АП на базе применения
специализированных вычислительных
средств, осуществляющих обработку и хра-
нение информации и управление на всех
уровнях АО, оборудования взаимодействия
с каналами связи, а также технических
средств, относящихся к системе эксплуата-
ционно-техническою обслуживания.
6.1 Иерархия УК- Многообразие типов
обслуживаемого трафика, алгоритмов функ-
ционирования ЛП и условий эксплуатации
•УК в сетях ПД ГА предопределило иерар
хию УК, включающую шесть рангов [7]
Узел коммутации шестого ранга соответ-
ствует применению ручных процедур КС
с отрывом и переносом ленты, выполняемых
оператором (система АТОЛ) Неавтомати-
зированными явзяются и все сопутствую-
щие процедуры управления и эксплуатаци
онно-технического обслуживания Область
применения УК шестого ранга составляют
многочисленные низовые коммутационные
устройства AFTN, а также SITA, харак
тернзующиеся малым объемом информаци
онного трафика и небольшим числом обслу-
живаемых направлений.
Узел коммутации пятого ранга образуют
электромеханические системы, также пред
полагающие участие оператора в процессе
коммутации, однако включающие техниче-
ские средства для временного хранения
входящих сообщений Они сокращают дей-
ствия оператора, поскольку после выявле-
ния адреса АП-получателя оператор лишь
механически замыкает цепь, соединяющую
нужную зону памяти с исходящим каналом
Отличительный признак УК четвертого
ранга состоит в возможности обслужива-
ния многоточечных звеньев данных В та-
ких структурах УК выполняет не только
свои прямые функции, обусловленные рас-
пределением информации, но н функции
центра, управляющего обменом сообщений
в звене. Как правило, внедрение УК четвер-
того ранга дает значительный экономи-
ческий эффект в условиях, кргда много-
численные АП передают и принимают пото-
ки данных с малой интенсивностью и труп
пируются территориально в пределах огра-
ниченной зоны сети связи ГА.
Узлы коммутации рассмотренных рангов
обслуживают сообщения только режима
ДОСТАВКА. Для УК четвертого уровня
характерна реализация алгоритмов обмена,
включающих операции по обнаружению
сообщений с ошибками за счет введения
избыточности и коррекции ошибок способом
применения решающей обратной связи. При
этом в УК реализуются процедуры переда-
чи информации Основного режима, ориен
тированные па знаковую структуру сигналов
управления [23], обеспечивающие возмож-
ность представления данных пользователя
любым первичным кодом (принцип кодо
независимого обмена).
Узлы коммутации третьего ранга по своим
алгоритмам соответствуют коммутацион-
ному оборудованию CIDIN [9] Их отличи-
тельным признаком является введение про-
цедур передачи, ориентированных на бито-
вую структуру сигналов управления и поля
данных. Кроме того, УК этого ранга реали-
зуют действия по разборке и сборке сооб-
щений нз пакетов, а также по автома
тизироваипой обработке заголовков сообще
ний и пакетов. Существенно, что внедре-
ние таких УК создает предпосылки для
построения сетей связи ГА с интеграцией
служб передачи данных, факсимильной и
радионавигационной информации в дискрет
ной форме.
Узлы коммутации второго ранга отвечают
перспективным тенденциям развития
средств связи ICAO. Они выполняют комп
леке процедур передачи информации, обу-
словленных поддержанием I1BK- Главные
черты таких УК:
эффективное обелхживание информаци
оиных массивов не только режима ДОСТАВ
КА, но и режимов ДИАЛОГ, ЗАПРОС
ОТВЕТ, Передача БМИ;
реализация технических возможностей
для пользователей сетей ПД ГА, относя
щпхея к образованию замкнутых групп
пользователей, распределенной обработке
заданий на ВЦ ГА, созданию системы
«электронная почта»;
широкое взаимодействие с внешними се-
тями связи путем программной реализа-
ции в УК функций межсетевых шлюзов.
6.2. Центр коммутации DS-6. Центр ком-
мутации DS-6 |27] является базовым и
наиболее характерным для применения в
сетях AFTN и IATA он взаимодействует
45
с Глобальной сетью связи Всемирной метео-
рологической организации. Им обеспечива-
ется. автоматическая коммутация сообще-
ний, поступающих не более чем по 256 те-
леграфным в диапазоне скоростей ПД
50 300 бит/с и не более чем по 16 теле-
фонным каналам в диапазоне скоростей
ПД 2400 9600 бит/с, а также выполняются
действия, связанные с управлением инфор-
мационным обменом и предоставлением
комплекта услуг пользователям сетей ПД
ГЛ Как ПО, так и технические средства
построены по модульному принципу. Основ-
ные модули ПО иллюстрируются рис. 10
Функции модуля коммутации:
операции над элементами заголовка сооб-
щения, т. е. выявление признаков начала
и конца сообщения, анализ адресов АП
(ВЦ) назначения, приоритета,
анализ информационной области сообще-
ния с целью определения возможности его
передачи в подсистему маршрутизации;
осуществление при необходимости дей-
ствий. инициирующих повторную передачу
сообщения,
определение маршрута следования сооб-
щения на основании списка адресов и ана-
лиза возможных направлений его передачи,
управление очередями сообщений к исхо-
дящему направлению.
Модуль архивного хранения обеспечивает
ведение архива сообщений двух уровней:
архива со временем храпения сообщений
в течение I ч, реализуемого на магнитных
дисках с фиксированной головкой
архива со временем хранения в течение
24 ч, реализуемого, главным образом, на
магнитной ленте.
Модуль поиска и повторной передачи
обеспечивает доступ к обоим архивам при
поступлении от пользователя AFTN или
IATA запроса на повторную передачу опре-
деленною сообщения нлн группы сообще-
ний.
Рис 10. Модули программного обеспечения DS-6
46
Модуль контроля передачи управляет
всеми операциями, связанными с организа-
цией приема и передачи сообщений по вхо-
дящим и исходящим каналам
Модуль обработки некорректных сообще-
ний управляет возможными действиями, ко-
торые предпринимаются, если число обна
руженных в сообщении ошибок превышает
допустимый порог. К этим действиям отно-
сятся уничтожение сообщения, вывод его на
дисплей, формирование копии сообщения,
возвращение в очередь на передачу после
коррекции ошибок оператором.
Особое значение в плане организации за-
щиты информации играет программный мо-
дуль обеспечения надежной работы центра
В сочетании с дублированием оборудова-
ния, реализующим обработку сообщений но
двум параллельным цепочкам, он предостав
ляет программные средства для контроля
и восстановления процессов, соответствую-
щих отдельным фазам обработки. Такое
сочетание приводит к тому, что весьма жест
кие требования к вероятностям потери со-
общения и появления сообщении с нсобна-
руживаемой ошибкой, а также к коэффи-
циенту готовности оборудования поддержи-
ваются в DS 6 круглосуточно
Модуль управления реализует операции
четырех видов'
координацию и синхронизацию работы
программных модулей;
организацию оперативного доступа к
справочно-информационному фонду центра.,,-
необходимого для контроля процессов пере-
дачи, приема и коммутации сообщений
в реальном масштабе времени
внесение коррекций в ПО центра по мере
реконфигурации сети или ее фрагментов;
формирование статистических характе-
ристик работы центра, относящихся к об-
служиваемому трафику и к эксплуатацион-
но-техническому обслуживанию.
Каждая цепочка обработки сообщений
включает одну или две специализирован-
ные ЭВМ тина 16440. Другими модулями
технических средств DS 6 являются:
магнитный диск с фиксированной голов-
кой емкостью 2 Мбайт с временем доступа
к памяти не более 8.6 мс,
контроллеры управления магнитным дис-
ком
аппаратура сопряжения с телеграфными
и телефонными каналами.
канал микропроцессорного обмена между
ЭВЧ входящими в состав независимых
цепочек;
модуль коммутации сообщений;
устройство управления четырьмя магнит
ными лентами, которые могут подключаться
по коммутируемой шине к любой цепочке
обработки; помимо ведения долгосрочного
Рис. 11 Модульная структура технических
средств АП
архива, на ленте записываются данные о
переполнении секций памяти, соответствую
щих отдельным маршрутам передачи;
печатающее устройе i во.
Температурный диапазон работы центра
15—30 °C, потребление, мощности при пере
даче. 2 кВА все оборудование размещается
Па площади 20 м2.
6.3. Перспективный АП класса III. Реа
лизуемый па распределенных микропроцес-
сорных комплексах АП класса III харак-
терен для 'перспективы развития абонент
ского оборудования сетей ПД ГЛ. .Модуль
пая структура его технических средств,
регламентированная ICAO |7) изображена
на рис 1 1 Основные средства представ
л я ют:
I. Модуль оперативной памяти ММ. на
базе которого выполняются все функции
передачи, приема и обработки информаци-
онных массивов Он используется как со-
гласующее устройство междх низко- пли
среднескоростнымн каналами связи п высо
коскоростным оборудованием обработки и
между элементами АП, различающимися
скоростями работы. В ММ размещаются уп
равляющие программы и справочные табли-
цы, включающие параметры удаленных АН
а также массивы данных перед трансляцией
на одно из вводно выводных устройств
10Dt lODfj Память Л-1Л4 общей емкостью
до 128 Кбайт секционируется на компоненты
емкостью 4 Кбайта.
2. Накопитель на магнитном диске ис-
пользуемый для длительного хранения мас-
сивов в фазах передачи или приема
3 Центральный микропроцессор CPU,
осуществляющий логические н арифмети-
ческие функции АП Он оснащается меха
низмо.м прерывания вычисли тельного про-
цесса и связывается шиной для взаимодей-
ствия с микропроцессорами ввода-вывода
информации ЮМ и микропроцессором DMP
подготовки данных для представления на
дисплее D. Механизм прерывания обеспе-
чивает целесообразный порядок обслужива-
ния отдельных заданий CPU с учетом их
приоритетов, а также ввода исходных дан-
ных и вывода на ЮГ) результатов анализа
и вычислений Кроме того, этот механизм
отключает вычислительный процесс вслед-
ствие сбоев и отказов оборудования или ПО,
а также при завершении всех этапов переда-
чи или приема информации.
4 Микропроцессорные модули ЮМ, орга-
низующие одновременный обмен данными
между Л1Л-1 и рядом индивидуальных конт-
роллеров С/?,—CRX. Основная задача ЮМ
заключается в поиске и передаче в адрес
ЮГ) информации после получения команды
CPU, а также в сборе информации с вы-
ходов IODt ЮГ) у. и направлении ее для
хранения в Л1Л1.
5. Контроллеры CR —CRX, выполняющие
все операции по передаче и приему инфор
мацнонных массивов Каждый контроллер
ориентирован на определенный класс алго-
ритмов. Согласно концепции ICAO [7| в
пе.рспект ивно.м АН будут осуществляться не
только действия, соответствующие передаче
и приему-пакетов по принципам Х.25, но и
другие процедуры, а именно, синхронный
обмен, регламентируемый рекомендацией
МКК'ГТ Х.21 [28); процедура SDLC [12);
процедура С1Г1\. Программная реализа-
ция функции CR позволяет гибко регули-
ровать алгоритмы АП в зависимости от
структуры информационного потока.
6. Переключатель данных DIS, позволяю-
щий выбирать определенный алгоритм АП
нз ряда допустимых алгоритмов, которые
формируются и вводятся в Л4Л-1 заранее
7. Контроллер прерываний /С, реа |изую-
щнй приоритетное обслуживании заданий.
8. Контроллер управления СК клавиату-
рой КВ. который представляет собой звено
между низко- и высокоскоростными эле-
ментами АП
9. Модуль СГ. индикации единого време
ни. обеспечивающий выполнение всех опе-
рации АП в рамках общего отсчета времен-
ных интервалов
Программное обеспечение включает one
рационную систему, прикладное ПО и ПО
средств поддержки. Операционная система
координирует все процессы ЛП, участвую-
щие в передаче и приеме информации,
организует интерфейс между CPU н други
ми модулями ЛП, контролирует выполнение
отдельных программ и распределяет память
47
между ними, а также предоставляет ноль
зователям возможности применять языки
программирования высокого уровня
(BASIC, FORTRAN’ Al GOL) для эффек-
тивной и удобной организации приклад
иого ПО. Комплекс программ последнего
реализует операции, связанные с формиро-
ванием заголовка сообщения, контролем его
текста, управлением передачей и с другими
ветвями АО. Наконец, ПО средств под-
держки предоставляет дополнительные пути
для управления и обслуживания АП
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ состояния и направлении совер-
шенствования международных сетей ПД ГА
дает основания считать, что их развитие
определяют следующие основные тенденции:
1 Максимальное использование положе-
ний модели ВОС в части общей организа
ции АО и построения протоколов отдель-
ных иерархических уровней в сочетании
с традиционными алгоритмическими сред-
ствами ICAO, не исключающими сопряже-
ние сетей ПД ГА с международными и
национальными селями общего пользования,
которые базируются на принципе коммута
пни пакетов
'2. Стремление применить существующие
и перспективные сети ПД I А для организа
ции обмена информацией между другими
службами связи, передачи телеграфной
и факсимильной информации с привлече-
нием унифицированных технических средств,
АО и НО интегрированной сети При этом
специфика служб будет проявляться только
в процессе ввода-вывода информационных
массивов на интерфейсе «пользователь-А11»
3 Внедрение режимов передачи, ориенти-
рованных на обмен в реальном масштабе
времени и обмен большими массивами аэро
навигационных данных
4 . Построение оконечного и коммутацион-
ного оборхдования на базе высокоскорост
ных распределенных микропроцессорных
компонентов, позволяющих реализовывать
множество алгоритмов передачи, приема и
обработки информации с развитыми логи
ческнми возможностями
5 . Постепенная замена в случае интен-
сивного трафика стартегодных низкоско
ростных каналов связи абонентских уча-
стков телефонными и широкополосными ка-
налами высокой пропхекной способности,
которые создают предпосылки для обмена
пакетами при высоких требованиях к време-
ни и достоверности их передачи.
6 Применение эффективных алгоритми-
ческих решений, обеспечивающих обслужи-
вание многоадресных сообщений и пакетов
при минимальных затратах ресурсов сетей
48
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Van Dutiren J.— Philips Telecommini.
Rex . 1981, x . 39, № 4.
2. Hunt R.— Computer Communications,
1984, V. 7, № 6.
3. Den Hertog C G Vonk W J A
Philips Telecommiin. Rev , 1984, v. 42,
.Kb 4.
4. Recomendation X.25.— CCITT, 1984
5. Уэйр К,— ТИИЭР, 1983, т. 71, № 12.
6. Future planning, implementation and
operation of the aeronautical fixed servi-
ce.— ICAO, COM/MET/82, Montreal,
1982.
7. Manual of teletypexvriter operating prac-
tices ICAO, Montreal. 1983
8. Principles on which future OPMET data
exchanges should be based.— ICAO,
COM/MET, 1983.
9. Automated data interchange systems pa-
nel. ICAO. Montreal, 1982.
10. Elmers R. A.— In: IEEE Infoconi 83
Conf San Diego, 1983.
II Дэй Ж. Д„ Циммерман X,— ТИИЭР,
1983, т. 71, \Ъ 12.
12. Конард Ж- тах! же
13. Computer Design, 1985, х. 24, р 137
142.
14. Internal organization of the netxvork
layer. ISO/TC97/SC6 № 2613, 1982.
15. Deaton G. A., Hippert R. O. - IBM Sys-
tems J 1983, v. 22, № 1/2.
16. Data communication high level data link
control procedures ISO/TC97/SC6
A« 2293. 1982
17. X.25 Packet layer specification for data
terminal equipment ISO/TC97/SC6
№ 2310, 1982
18. Hunt R. Computer Communications,
1984 x 7, No 4.
19. Levy D.— Computer Communications,
v 7, № 5.
20. Consolidation of elements of procedure
HDI.C. ISO/TC97/SC6 ,M> 2402, 1983
21. Data Communication. Miiltjlfnk procedu-
res. Draft proposal 1SO/DP ISO/
/TC97/SC6 № 2121. 1983
22 Recommendation X 1. CCITT 1984
23. Conard J. W. IEEE Trans. 1980.
x COM-28. № 4.
24. Aeronautical fixed service systems plan-
ning for data interchange panel
ICAO, Montreal, 1986
25. Minutes of the first plenary meeting.—
ICAO, COM/MET/82. 1982.
26 Berry D.— Computer Design. 1984. v. 23,
№ 2
27 AIRCOM Data and message switching
tor civil aviation — Thomson-CSF, 1982
28. Recommendation X 21 CCITT, 1984
УДК 681.327.6
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ
К т. н Апарин Ю Я.
ВВЕДЕНИЕ
Дисковые носители в настоящее время
применяются .тля хранения информации,
представленной как в аналоговом, так н в
цифровом виде. Однако цифровой вид пред-
ставления информации для ее хранения ста-
новится преобладающим [29. 30|, под-
тверждением чему являются видео- и звуко
запись в цифровых оптических и магнито-
оптических запоминающих устройствах
(ЗУ) |1]. Существуют уже дисковые носи
тели для оптических 3\ [2], которые не
получили широкого распространения из-за
высокой стоимости. Возможность записи и
считывания информации даже с неподвиж-
ного носителя при сканировании лучом ла-
зера в оптических ЗУ позволяет получить
высокую поверхностную плотность записи
(35-I04 бит/мм2) за счет высокой попереч-
ной плотности (600 дорожек/мм) [3, 26|
Но отсутствие стандартных носителей, зна
чительные размеры и масса лазерных излу
чателей oi раничивают область применения
оптических ЗУ. Кроме того, достоверность
храпения информации в оптических ЗУ ни
же, чем в ЗУ' с магнитной записью, а пере
запись информации в большинстве случаев
невозможна [16]. В то же время наблю
дается интенсивное совершенствование па-
р, бит/мм
480 - • 3370
400
320
• PICCOLO
240
• 3350
• 3340
160
3330 •3S30~^
80 -•2314
8 16 24 32 40 48
р, дорожек/мм
Рис, 1. Плотности записи НМД фирмы Applied
Magnetics Corp (АМС)
р продольная плотность записи, рп — попе-
речная плотность записи
раметров магнитных дисков (МД) и соответ-
ственно накопителей на магнитных дисках
(НМД) [14, 18, 19, 23. 27, 28| Парамет-
ры серийно выпускаемых НМД представле
ны на рис 1 111, 12|
Магнитные диски как носители цифровой
информации обладают следующими преиму-
ществами перед другими носителями:
высокая поверхность плотность записи
(2-Ю4 бнт/мм2), которая достигается за
счет высокой продольной плотности записи
(600 бит/мм):
относительно малое время выборки пн
формации (~10 мс) ввиду циклического
обращения к массивам данных в пределах
дорожки или цилиндра.
компактность как носителя, гак и НМД
в целом;
широкий спектр как типоразмеров МД
(диаметр МД от 133 до 355 мм, жесткие и
гибкие МД), так и конструкций НМД (па-
кетные, кассетные, винчестерские)
Исследования по улучшению характерис-
тик МД ведется по двум основным направ
лениям, связанным с увеличением продоль-
ной плотности записи: применение верти-
кального способа записи- разработка тонко
пленочных МД |1.г>|
Вертикальная запись является существен-
но новым способом записи, при котором
в рабочем слое с перпендикулярной ани
зотропиен формируются домены, векторы
намагниченности которых расположены пер-
пендикулярно поверхности носителя. Такие
домены в областях переключения намагни-
ченности не отталкиваются друг от друга,
а притягиваются, образуя области магнит-
ных переходов малой величины При этом
толщина рабочего слоя нс является крити-
ческим фактором, ограничивающим про-
дольную плотность записи. Предполагается,
что вертикальный способ записи позволит
увеличить продольную плотность записи до
10 тыс. бнт/мм, а возможно и более |4|. Тем
не менее реализуются высокие потенциал!,
ные возможности вертикальной записи толь
ко после решения технологических проблем
связанных с производством чрезвычайно
ровного и однородного рабочего слоя с
перпендикулярной анизотропией
В настоящее время указанные проблемы
на промышленном уровне еще не решены.
Кроме того, в результате моделирования
процессов записи двумя способами специа-
49
.листы фирмы Hewlett Packard (США)
пришли к вывозу о приблизительной экви-
валентности продольного и вертикального
способов, поскольку при вертикальной (пер-
пендикулярпой) записи перемагничивание
рабочего слоя происходит в более удаленной
от головки области, чем при продольной
записи |5|.
Значительно ближе к широкой практи
ческой реализации тонкопленочные диски.
При продольной или горизонтальной за-
писи уменьшение толщины рабочего слоя
приводит к увеличению продольной илот
ности записи Известная в настоящее вре-
мя технология нанесения тонких металличе-
ских пленок толщиной до 0,025 мкм обес-
печивает увеличение продольной плотности
(р) более 800 бит/мм при высокой одно-
родности рабочего слоя, что позволяет полу-
чить достоверность информации 10 ...10 .
Применение тонкопленочных дисков в
НМД не требует существенного изменения
техники записи и конструкции привода дис-
ка, ио для контроля параметров дисков
как в процессе производства, так и при
эксплуатации необходима специальная ап-
паратура.
I КРИТЕРИИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА
ПЛЕНКИ
Прн выборе материала тонкой пленки
для нанесения на диск следует учитывать
следующие факторы получение требуемых
макромагнитных свойств пленки, постоянст-
во этих свойств для всей поверхности носи-
теля, возможность получения покрытий без
дефектов, и наконец, взаимное соответствие
свойств пленки и магнитной головки. Нема-
ловажное значение имеют и экономические
факторы.
Пленка кобальта и его сплавов при тол-
щине 50 нм обеспечивает намагниченность
при высоких плотностях записи достаточ
ную для надежного воспроизведения [5]
Стабильность записанных полей в таких тон-
ких пленках также позволяет надеяться на
высокое качество записи. Кобальтовые плен-
ки имеют высокие антикоррозионные свой-
ства и износоустойчивость Для получения
высокой плотности записи необходимо уве
личивать коэрцитивную силу Нс материала
пленки Однако величина Нс не может быть
больше той, при которой записывающая
головка еще. способна перемагничивать ра-
бочий слой носителя так же как элемен-
тарная намагниченная область рабочего
слоя, соответствующая записи одного бита,
не может быть меньше той, которая необ-
ходима для получения минимально допусти-
мого воспроизводимого сигнала Идеальным
для магнитного носитетя свойством мате-
риала пленки является независимость изме
нения величины Нс и размеров элемептар
вых записанных областей при сохранении
формы петли гистерезиса. Пленки кобальта
и его сплавов вследствие высокой кристал-
лической анизотропии в гексагональной фа
зе обладают большими намагниченностью и
Нс. В свою очередь, высокая намагничен
ность позволяет даже от очень тонких ко-
бальтовых пленок (30...50 мм) получать маг-
нитный поток, достаточный для падежного
воспроизведения. Однако для получения же-
лаемой величины Нг необходима пленка
определенной структуры. Пленки чистого ко-
бальта. нанесенные на основу, имеют низ
кую коэрцитивную силу (Wf=
=50 э«4000 Л/м). При нанесении пленки
кобальта па пленку хрома толщиной 250 нм
удается получить максимальную и стабиль-
ную величину Нс Пленка из сплавов кобаль-
та с платиной, нанесенная на хром, обеспе
чивает возможность изменения величины
//, без ухудшения прямоутольпости петли
гистерезиса Добавка платины позволяет
увеличить коэрцитивную силу кобальтовой
пленки до 128-103 А/м Изменение величины
// может быть тоже достигнуто измене-
нием толщины подслоя хрома, наличие кото-
рого кроме того ориентирует ось иаилуч
шего намагничивания в плоскости пленки
Для выбора оптимального сплава приме-
няется специальная криогенная система из-
мерения кривой намагничивания материала
пленки. Процесс измерения кривой намагни-
чивания материала, т е. соотношения меж
ду намагниченностью (Л4) и напряжен-
ностью (Н) циклически приктадываемого
магнитного ноля, является базовым тестом
физических свойств материала.
В описываемой системе в течение 1 мни
проводится запись на исследуемый образец
материала, имеющий максимальную пло
щадь I см2 и нанесенный на проводящее
основание Измеренные значения М и //(
имеют погрешность не более 4 %. Макси
мальное значение //(, измеряемое в системе,
равно 64 103 А/м. Управление системой осу-
ществляется ЭВМ HP 9000 (модель 216)
поэтому почти все измеряемые параметры
контролируются программно Структурная
схема системы приведена на рис. 2 (5].
Намагниченность измеряется прямым ин
Аукционным методом Исследуемый образец
3 помещается в плоскости магнитного ноля
создаваемого катушкой, и изменяется си
нусоидалыю с частотой 0,5 Гц и амплитудой
напряженности 128-10’А/м Изменяющееся
во времени собственное поле образца вызы-
вает ЭДС в сигнальной катушке 5 Величи
на намагниченности определяется интегрн-
50
Рис. 2. Структурная схема системы измерения
кривой нама!ничивания
рованнем выходного напряжения включен-
ных встречно сигнальной 5 н компенсирую-
щей 6 катушек. Эти катушки точно сбалан-
сированы, что обеспечивает высокую чувст-
вительность измерительной системы и за-
щишелность ее от воздействия изменяющих-
ся во времени внешних полей. При отсут-
ствии компенсирующей катушки 6 дополни-
тельные магнитные потоки в проводящем
основании образца на основной частоте
0,5 Гц дали бы выходной сигнал в два
раза больше полезного сигнала, вызванного
исследуемым образцом 3. Влияние дополни-
тельного потока устраняется установкой в
компенсирующей катушке 6 сердечника 4 из
немагнитного.материала, идентичного мате-
риалу основания диска. Катушка возбужде-
ния 2 без сердечника предназначена для
формирования магнитного ноля, прикла
дываемого к исследуемому образцу Жид-
костное нитрогенное охлаждение катушек
уменьшает сопротивление обмоток в 7 раз,
уменьшая мощность источника питания до
250 Вт, в качестве которого применяют
стандартный программно-управляемый ис-
точник / Эксп туатация криогенных кату
шек (2. 5, 6) требует наличия немагнит-
ного сосуда Дюара, в который помешаются
катушки. Выходной сигнал сигнальной 5 и
компенсирующей 6 катушек подается на уси-
литель постоянного тока с уровнем шума
1 нВ/д,'Гц па частоте 10 Гц. Выходной
сигнал интегратора преобразуется в цифро
вой код с частотой 180 Гц На ЭВМ обраба
тываются результаты последовательно вы-
полненных трех измерений. Среднее значе
ние выходного напряжения, полученное при
первом и третьем измерениях при удален-
ных из катушек исследуемого образца 3 и
сердечника 4. вычитается из напряжения,
полученного при втором измерении с образ
цом и моделью в катушках. Такая измери-
тельная система позволяет почти на два по
рядка увеличить чувствительность системы
по сравнению с известными ранее
2. ОСОБЬННОСТИ КОНСТРУКЦИИ НМД
с тонкопленочными ДИСКАМИ
Аппаратурная реализация процессов за-
писи и воспроизведения во многом опреде-
ляется параметрами как магнитного диска,
так и магнитной универсальной головки за-
писи-воспроизведения. Поэтому принято
считать, что головка и диск образуют за-
писывающую систему, параметры которой
влияют на получение приемлемой достовер-
ности информации, величины обратной ве-
роятности ошибки, которая для НМД обыч-
но равна 10 “,0 [9] Достоверность инфор-
мации зависит от точности записи и воспро-
изведения временных интервалов между пе-
репадами намагниченности, измеряемых
между пиками воспроизводимых импульсов.
Искажения временных интервалов обуслов-
лены влиянием интерференции соседних им-
пульсов, шумов носителя информации и уси-
лителя воспроизведения, а также остаточно-
го сигнала после стирания предыдущей за-
писи. Искажения временных интервалов
должны быть минимизированы независимо
от вида записываемой кодовой постедова-
тельности.
Основные электрические параметры запи-
сывающей системы:
амплитуда воспроизводимого импульса,
определяющая отношение сигнал-шум;
смешение пика воспроизводимого импуль-
са, вызванное межсимвольной интерферен-
цией.
возможность перезаписи, определяемая
уровнем остаточного сигнала после стира-
ния предыдущей записи;
шум носителя, вызывающий случайное
изменение положения перепада намагничен-
ности.
Электрические параметры записывающей
системы в свою очередь определяют требо-
вания к конструкции и магнитным пара
метрам системы «головка — диск», эскиз
которой представлен на рис. 3 [9].
Рис. 3. Эскиз системы «головка — диск»
/ — полюса магнитной универсальной головки
записи-воспроизведения; 2 — углерод; 3, 5 —
хром; 4 — сплав кобальта
51
Основными конструктивными и магнит
иыми параметрами записывающей системы
являются:
расстояние d между головкой и диском
или, точнее, головкой и рабочим слоем
диска;
толщина 6 рабочего слоя носителя;
ширина д рабочего зазора магнитной го-
ловки,
геометрия магнитной головки;
величина остаточной намагниченности
Л-/, носителя,
величина коэрцитивной силы //г носителя,
прямоугольностьS петли гистерезиса маг-
нитного материала носителя.
Для увеличения плотности записи необ-
ходимо уменьшить величину d. Этапу кон
струироваиия записывающей системы
rf»0,2 мкм должны предшествовать иссле-
дования в области механики привода НМД,
которые обеспечили бы высокмо стабиль
ность величины d Величина остаточной на
магниченности зависит от материала рабо-
чего слоя носителя. Высокое значение Мг
для кобальтовых сплавов позволяет исполь-
зовать более тонкие (6^0.04 мкм) рабочие
слои в тонкопленочных магнитных дисках
но сравнению с обычными дисками, в кото-
рых 6^0,5 мкм [9]
Магнитный сплав, оптимальный ио макси-
муму величины Д'!,, подбирается эксперимен-
тально
Амплитуда воспроизводимого сигнала и
длина магнитного перепада приблизительно
пропорциональны величине Мг, причем вто-
рая уменьшается с увеличением Н
При этом интерференция воспроизводимых
импульсов уменьшается, а напряженность
магнитного поля, требуемая для записи на
диск увеличивается. Напряженность маг-
нитного поля записи ограничена свойствами
материала сердечника магнитной головки,
ее геометрией и величиной d Длина магнит-
ного перепада также уменьшается с увели
чением прямоугольности петли гистерезиса,
определяемой материалом рабочего слоя но-
сителя.
Основными параметрами геометрии маг-
нитной головки являются ширина и высота
рабочего зазора, определяющие ширину до-
рожки записи на диске, число витков обмот
ки головки, а также конфигурация поверх-
ности, обеспечивающая подъемную силу при
планировании головки над поверхностью
диска (в дальнейшем — подъемная поверх
ность) Шум тонкопленочного диска отли
чается от шума обычного диска и увеличи-
вается с возрастанием плотности записи, что
позволяет считать эффект интерференции
воспроизводимых импульсов источником
указанного шума. Шум носителя вызывает
случайное смещение пиков воспроизводи
мых импульсов. Конструирование .за| исы-
вающей системы является итерационным
процессом После проведения начального
этапа конструирования необходимо оценить
возможность реализации конструкции в
производстве. Таким образом, возникает об-
ратная связь от производства к конструи-
рованию. которая позволяет существенно
изменигь расчетные параметры записываю
щей системы начальной конструкции Для
реализации быстрой обратной связи пеобхо
димо проведение в процессе производства
тестов измерения основных параметров дне
ка, с помощью которых нельзя окончатель-
но аттестовать диск, но можно контроля
ровать его параметры и обнаружить дефек-
ты при производстве. Набор тестов рас-
пространяется or измерений параметров
собственно НМД до измерений основных
магнитных параметров носи геля. Измерение
смещения инка воспроизводимого импульса
является основным тестом квалификации
качества носителя .Магнитные параметры
диска определяются с помощью вибрацион
ного магнитометра; совместно с измере-
ниями толщины пленки эти данные исполь-
зуются для управления процессом нанесе-
ния пленки иа основание носителя (9].
Прямоугольность петли гистерезиса рассчи-
тывается по формуле
S=1 М./Н (dH/dAU. (1)
Динамические тесты позволяют измерить
параметры записывающей системы в про-
цессе ее работы, в частности, измерить
среднюю амплитуду воспроизводимого сиг
нала, коэффициенты разрешения и переза-
писи, отношение сигнал шум, коэффициент
паразитной амплитудной модуляции, число
дефектов в рабочем слое.
Коэффициент разрешения определяется
Ki D2l/Uh (2)
где U-2i и U, соответственно средние
амплитуды воспроизводимого сигнала на
частотах записи ‘2f и If, используемых при
способе записи ЛЖ.М.
Коэффициент перезаписи определяется
Ki-2f= Oif/Uf-H, (3)
где U, и Uj - соотве тственно средние
амплитуды сигнала на частоте 1/, который
воспроизводится с диска до и после записи
сигнала частоты 2/
Перезапись характеризует качество сти-
рания носителя и является важным пара
метром, поскольку при наличии остаточной
намагниченности увеличивается случайное
смещение пиков воспроизводимых импуль-
сов
52
Паразитная амплитудная модхляция ха
растеризуется коэффициентом
(4)
где L7,„ „ 1111Х минимальная пли максималь
ная амплитуда воспроизводимого сигнала,
С — средняя амплитуда воспроизводимо-
го сигнала.
При конструировании НМД необходимо
учитывать взаимосвязь между конструктив-
ными и магнитными параметрами записы-
вающей системы. Так. например, при умень
шении диаметра диска снижается линей
ная скорость диска относительно магнитной
головки, что приводит к уменьшению ампли
тулы воспроизводимого сигнала, которое мо-
жет быть скомпенсировано увеличением тол-
щины пленки. В свою очередь изменение
толщины пленки приводит к изменению ко
эффициенга разрешения и шума носителя.
Поскольку большая часть параметров
НАШ является производной от амплитуды
воспроизводимого сигнала, а соответствую-
щие измерения измерениями амплитуды,
то важно установить правильное соотно-
шение между током записи и амплитудой
воспроизводимого сигнала. Для этого поль-
зуются кривыми насыщения и переза
писи [9].
Достижение требуемых значений пара-
метров НМД непосредственно зависит от ре-
шения вопросов конструирования диско-
вода.
На рис. 4 приведен эскиз пространствен-
ной компоновки записывающей системы.
Гидродинамическая воздушная подушка об
разуется между' вращающейся поверх-
ностью диска и подъемной поверхностью
магнитной головки Давление, создаваемое
гидродинамическим Воздушным потоком,
уравновешивает силу Г приложенную пру-
жиной загрузки, и приподнимает магнит
Рис 4. Пространственная компоновка записываю
щей системы:
/ подъемная поверхность, 2 направление
воздушного потока, 3 защитный слой 4
разделительный слон; 5 рабочий слой; й
толщина защитного слоя hi высота планиро-
вания /13 ра <мер поля головки; F — усилие
пружины загрузки
Рис. 5. Параметры модели записывающей
системы
иую головке на небольшую высоту над по
верхностью диска. Высота планирования
магнитной головки над поверхностью диска
равна толщине воздушной пленки, отделяю-
щей .магнитную головку от защитного слоя
лиска. Высота планирования (//>) для НМД
ПР 97501 [9] составляет 0.2 мкм при раз
мере суммарного промежутка между маг-
нитной головкой и рабочим слоем диска
0,25 мкм Защитный и разделительный слои
представляют собой топкие пленки, нанесен-
ные па рабочий слой диска. Очень малая
величина /г- требует высокого качества по
иерхпостн диска, для достижения которого
используется имитация условий плаиирова
ния и измерение параметров планирования
магнитной головки для поверхностей раз-
личного качества (неровности и биения по-
верхности). Имитация условий планирова-
ния осуществляется моделированием маг
нитной головки как масс-нперцнонпой сис
темы. реап|руюшей на воздействия сил воз-
душной подушки и пружины загрузки. Точ
ную схему силового воздействия на подъем-
ную поверхность магнитной головки можно
получить решением дифференциальных
уравнений для газов в узких щелях (урав
нения Рейнольдса). Частотный отклик маг-
нитной головки па вол нисл ость поверхности
диска позволяет оцепить качество поверх
носги. Параметры записывающей системы
приведены на рис. 5. Модель описывается
следующими уравнениями.
у—Fsin (2л/7); (5)
dy/dt— (2л/) Feos (2л/7); (б)
d2y/dl2= (2л[) Feos (2л/7), (7)
1/—Fsin (2лл-/7 )- (8)
dy/dx— (2л /7.) Feos (2 t,x/a); (9)
d2y/dx2= (2n/z.)2Fsin (2лх/л), (10)
где /"=и/л; x—vt; f — частота волнообраз-
ности поверхности, v линейная скорость
перемещения поверхности; / — время; х. —
координата вдоль дорожек записи, 7, дли
на волны; у — поперечная координата,
F амплитуда волнообразности поверх
53
Y,mkm
254-
25,4-
2,54-
100 300 7000 3000 10000 f,Гц
Рис. 6. Зависимость от частоты амплитуды
волноообразности поверхности:
Из рис. 6 видно, что точкам кривой в диапа-
зоне частот 66...3,3 • 10'1 Гц (/. 120 2,3 м.м)
соответствует .пиния постоянного ускорения
На высоких частотах взаимосвязь между
формой поверхности и траекторией движе-
ния магнитной головки нарушается
В таблице приведены параметры, характе-
ризующие качество поверхности диска
IIP 97501 Л [9]
3. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ
ПЛЕНОК
линия постоянного ускорения
пости. Отсюда ускорение поверхности диска
в вертикальном направлении записывается:
a=v'2/ij.
где у — радиус кривизны поверхности,
0= 1 /(d2y/dx2)
Равенства (5) и (7) описывают вре-
менные. а равенства (8) и (10) — простран-
ственные параметры волнообразного пере-
мещения дисковой поверхности, причем
уравнения (6) и (9) описывают соответ
ствепио скорость в вертикальном направле-
нии и ее пространственный эквивалент,
а уравнения (7) и (10) — ускорение в
вертикальном направлении и его простран-
ственный эквивалент-профиль поверхности
На рис. 6 приведена зависимость ампли-
туды Y волнообразного профиля поверх
ности от частоты f для внутренней дорож
ки дисковода HP 97501 А |9]. Каждая точ-
ка зависимости представляет амплитуду
волны профиля, дающей колебания высоты
планирования головки в пределах
±0,025 мкм
Волнообразность поверхности диска ха-
рактеризуется амплитудами Y на частотах
ие ниже 66 Гц или при >.<120 мм, что
соответствует одному обороту диска
Таблица
Параметры Внутренняя дорожка Внешняя дорожка
Линейная скорость м/с 12.4 22,1
Радиус дорожек, мм 25,4 45,5
Двойная амлитуда волнообразности, мм/ диапазон частот. Гц 0,025/0...66 0,025/0... 110
NcKopeunc. м/с2/дия- пазон частот, Гц 4.4/ 12,2/
66...3500 ПО 6250
Двойная амплитуда профиля, мкм/диа- пазон частот, Г и 0,025. .3500 0,025 6250
Технология нанесения тонких пзенок при
производстве ИС обеспечивает получение
тонких (<100 нм) гомогенных пленок. Одна-
ко процесс нанесения осуществляется в сре-
де, к которой предъявляют жесткие требо-
вания, а именно, напыление производится
и камере, наполненной инертным газом под
давлением 10 4 Па, поддерживаемым с точ
ностью несколько десятых долей паскаля
Отклонения параметров среды от указанных
приводят к недопустимым нарушениям как
структуры пленки, так и ее химического
состава. Процесс нанесения пленок содер-
жит последовательность этапов, па каждом
из которых наносится один из множества
слоев, составляющих в результате пленку
Однако процесс, используемый при произ-
водстве ИС. допускает наличие в пленке
дефектов размером в несколько микромет-
ров, что недопустимо при производстве пле-
нок, нанесенных па магнитные диски по-
скольку требования к высокой достовер
ности (>1()ь) информации при значите ш
пых плотностях записи существенно ограни-
чивают как размер дефектных областей в
пленке, так и число дефектов
Для удовлетворения высоких требований
к процессу нанесения тонких пленок на
магнитные диски фирмой Hewlett-Packard
была разработана конвейерная система на-
несения тонких пленок (m-linc-system
ILS) [7]. Система обеспечивает высокую
производительность, изолированность про-
цесса от внешней среды в модульных ва-
куумных камерах, возможность одновремен
ного нанесения тонкопленочного слоя на обе
стороны вертикально расположенного ос-
нования диска. Вся пленка состоит из мно
жества слоев, каждый из которых наносится
в отдельной камере, а камеры объединены
в единую последовательную линию и изо-
лированы мру г от друга с помощью вакуум
ных клапанов Каждая из камер имеет соб-
ственную систему создания вакуума, средст-
ва управления составом газовой среды,
прессовые приспособления, источники нано-
симого материала и средства управления
материалами. Каждая камера оборудована
54
собственным роботом с приводом от шагово-
го двигателя, который снабжен оптическим
кодовым датчиком угла. Важной особен-
ностью камер является их модульное испол-
нение Модульность обеспечивает в систе-
ме чрезвычайную простоту реализации цик-
лического процесса нанесения пленки Ка-
меры могут быть легко приспособлены для
нанесения пленки с помощью магнетрона
постоянного тока или высокочастотного
RF-диода. На входе линии имеется камера
загрузки и на выходе зеркально отобра-
жающая ее камера разгрузки. Изолирован
ность камер позволяет проводить независи-
мую оптимизацию процесса нанесения слоев
пленки Параметры процесса нанесения, та
кие как интенсивность и время нанесе-
ния материала, газовый состав, давление,
интенсивность потока, могут быть подобра-
ны для получения наилучшего качества каж-
дого слоя. Интенсивность переноса мате
риала пленки с поверхности источника из-
меняется в пределах 10 % вдрль поверх
ности При фиксированном основании диска
эти изменения приводят к непостоянству
толщины пленки вдоль поверхности диска,
что, в свою очередь, приводит к возникно-
вению паразитной амплитудной модуляции
воспроизводимого сигнала.
При однонаправленном движении основа-
ния диска относитетьно источника мате
риала обеспечивается стабильная толщина
пленки в пределах 5 %. В идеальном случае
основание должно перемещаться относи-
тельно источника таким образом, чтобы
каждый элемент поверхности диска, пред-
назначенный для записи одного бита ин-
формации, взаимодействовал в равной сте
пени со всеми участками поверхности ис-
точника. Планетарный механизм является
тем простым приспособлением, которое ап
проксимирует требуемое перемещение [7]
В планетарном механизме системы II S
(рис. 7) каждое основание / движется вок-
Рис. 7 Планетарный механизм
1 — основание диска; 2 втулка, 3 ступица;
4 - окно
руг оси всего механизма и одновременно
вокруг собственной оси. Диаметры окон 4.
расположенных по окружности механизма,
чуть превышают внешний диаметр диска,
а втулки 2 в центре окон имеют диаметр
чуть меньше, чем внутренний диаметр дис-
ка При вращении механизма вокруг соб-
ственной оси диски катятся поверхностью
внутреннего диаметра по поверхности втул-
ки, причем скорость этого скользящего вра-
щения определяется отношением внутрен-
него диаметра основания диска к внешнему
диаметру втулки Планетарный механизм
обеспечивает стабильность толщины пленки
в пределах 0,1 % одновременно на обеих
сторонах диска.
Поскольку система ILS является слож-
ной системой однотипного оборудования, где
требуется одновременное управление про-
цессом нанесения слоев во множестве ка-
мер и роботами, манипулирующими с ма-
териалами тодтя комплексного управления
всей системой необходим автоматический
контроль, обеспечивающий несколько уров
ней взаимодействия с оператором. Управ-
ляющая часть системы представляет комби
нацию программных и аппаратных средств,
т. е. фактически представляет систему ав-
томатического управления с широкими воз-
можностями вмешательства оператора в
процессе управления. Архитектура системы
управления, представленная иа рис. 8, под-
Рис. 8. Архитектура системы автоматического
управления конвейерной системой нанесения
тонких пленок:
/ — консоли операторов; 2 — программные моду-
ли; 3 — программы интерфейса накопления и при
мснений; 4 — программы ввода-вывода с буфе-
ризацией; 5 системные мониторы 6 про-
граммы управления средствами системы; 7
дисковые файлы с описанием U.S — логической
машины 8 АЦП 9 — контроллер шагового
двигателя, 10 источник питания магнетрона;
11 система 1LS
55
чсркнвает централизацию управления с
удобным доступом к элементарным сред-
ствам системы Центральный управляющий
элемент взаимодействует с 200 механически
ми манипуляторами и измерительными пре-
образователями. Архитектура системы мо
жет видоизменяться в зависимости от из-
меняющихся требований к процессу нанесе-
ния пленки. Цеп тральным управляющим
элементом является ЭВМ серии HP 1000 А,
которая обладает многопользовательскими
и многопрограммными возможностями, а
также обеспечивает управление протокола
ми сопряжения измерителей н средств уп-
равления. ЭВМ позволяет также объединить
множество контрольных систем вместе и
программно поддерживать их Система уп
равлеиня на базе ЭВМ HP 1000 А об-
ладает следующими преимуществами:
множество уровней управления и автома
тического контроля На низшем уровне one
ратор осуществляет полный контроль за
средствами системы, на функциональном —
инициирует работу средств системы, на тех
нологическом оператор может воздейст-
вовать на один из одновременно выполняе-
мых процессов и наконец, на автоматизм
рованном уровне оператор может иницииро-
вать автоматическую загрузку всех плане-
тарных механизмов.
гибкость архитектуры, позволяющая ре-
гулировать параметры процесса при работе
системы;
возможность использования стандартного
языка программирования Паскаль.
Автоматическая системе! управления обес-
печивает высокое качество пленок, повыша
ет производительность системы 11.S за счет
одновременного управления процессом в не
скольких камерах, повышает надежность
процесса, избавляя оператора от контроля
за отдельными деталями процесса. Состоя-
ние процесса индицируется на цветном
дисплее.
В системе II S реализована следующая
последовательность процесса [7]. Несколь
ко планетарных механизмов закрепляют па
раме и помещают в камеру загрузки.
После закрытия камеры механизм загрузки
располагает и шнетарный механизм на плат-
форме робота Затем открывается вакуум
ный клапан, отделяющий камеру загрузки
от первой камеры иаие.сеиия, и робот не
ремещает планетарный механизм из камеры
загрузки в центр первой камеры нанесе
ния.
В ступицу планетарного механизма вво-
дится плунжер и поднимает механизм с
платформы робота. После того как камера
нанесения будет изолирована вакуумным
клапаном от камеры загрузки, плунжер
начинает вращать планетарный механизм,
56
при этом основания дисков осуществляют
планетарное вращение и процесс нанесе
пия пленки начинается. После завершения
нанесения первого слоя плунжер помещает
планетарный механизм па вторую платфор-
му для передачи в следующую камеру
нанесения, в то время как первая платфор
ма возвращается д |я загрузки в первую ка
меру следующего планетарного механизма
Диски каждого из планетарных механиз-
мов последовательно обрабатываются в
каждой из камер и в конце обработки распо
латаются на раме в камере разгрузки. Как
только первый планетарный механизм по
кидает очередную камеру нанесения, еле
дующий механизм занимает его место Нос
ле того как вся линия системы U.S будет
загружена механизмами, процессы в каме-
рах протекают одновременно. Диски, нахо-
дящиеся в камере разгрузки, готовы к ат-
тестации параметров
Полная последовательность операций по
производству тонкопленочных дисков состо-
ит из следующих этапов электролизное
осажде.пие тонкого слоя на алюминиевое
основание; полировка тонкого слоя; нанесе
пие токопленочной структуры; механическое
и электрическое тестирование.
Стоимость производства дисков сущест-
венно влияет на стоимость НМД в целом,
а следовательно, определяет кон куре и гос но
собность нового вида 3N |8| Минимиза-
цию стоимости НМД осуществляют в нача-
ле. всего изделия в целом, а затем его
компонентов. Общая стоимость НМД екла
дывается из стоимости компонентов, входя-
щих в состав диска, а также из стоимости
производства привода и стоимости процес
сов, обусловливающих достижение требуе-
мой надежности.
Основная стоимость производства диско-
вода состоит из стоимости тестирования
диска и стоимости установки диска в диско
вод. Тестирование дисков является комп-
лексной задачей, решаемой с помощью
сложных автоматических средств, и стоп
мость процесса может составлять половину
стоимости производства самого диска [1
Качество диска и соответственно стоимость
его изготовления влияют на соотношение
компонентов составляющих стоимость дис-
ковода Так, например, минимизация числа
дефектов поверхности диска позволяет ис-
ключить электронную коррекцию ошибок в
дисководе Повышение надежности диска
позволяет уменьшить или исключить затра-
ты на работы по демонтажу дисковода для
установки исправного диска, что особенно
важно для многодисковых накопителей.
При оценке, качества диска используются
три независимых переменных вероят-
ностное распределение параметра, ошибка
измерения и нижнее допустим™ значение
параметра Совокупность этих переменных
позволяет определить риск производителя и
риск потребителя продукции, а следователь-
но, произвести статистический контроль ка
честна продукции Риск производителя обус-
ловлен областью допустимых «качений па
раметра, которая соответствует неправиль-
но выполненному тестированию, а риск
потребителя областью недопустимых при
тестировании в процессе производства зна-
чений параметра, которые том не менее
могут иметь место при тестировании или в
процессе эксплуатации. Очевидно, что как
риск производителя, так и риск потреби-
теля может быть минимизирован при умепь
шепни ошибки измерения,
1 ИЗМЕРЕНИГ ПАРАМЕТРОВ ДИСКОВ
4 1 Измерение параметров надежности
Параметры надежности дисков опреде
ляются с помощью следующих ускоренных
тестов, моделирующих воздействие различ-
ных внешних факторов эксплуатации:
тесты износа, моделирующие случайное
отключение ни гания и падение магнитной
головки иа поверхность диска [5];
тесты трения, моделирующие процесс тре-
ния магнитной головки о поверхность диска
при пуске дисковода в функции от уровня
влажности внешней среды и степени износа
записывающей системы [10];
тесты, моделирующие загрязнение внеш-
ней среды и гальваническую коррозию дис-
ка [[()];
ударные и вибротег гы;
тесты, моделирующие воздействие резких
изменений температуры
Ускоренные госты (в отличие от обычных)
обеспечивают получение интенсивности от-
казов диска при воздействии различных
неблагоприятных факторов; износ, грение
и коррозия и т д
Тесты износа
Так как магнитная головка в отс.уг
ствие питания опирается на диск, то необхо
димо. чтобы поверхность диска выдержива-
ia многократные механические контакты с
головкой без существенных нарушений тон-
копленочного слоя Согласно рекомендаци-
ям Американского национального института
стандартов (American National Standards
Institute - ANSI) для тестирования износа,
соответствующего ежедневному трехкрат-
ному включению и выключению дисковода
в течение девяти лет эксплуатации, приме-
няется серия из 10 тыс. пусков и остановов
дисковода. Этот тест называется тестом кон
такта между диском и головкой при пуске
и останове (contact startstops CSS) и
осуществляется в течение одного дня. Од-
нако тонкопленочные диски обеспечивают
большую надежность чем обычные диски,
поэтому используется тест, при котором
осуществляется 10тыс. пусков и остановов в
течение десяти дней [5]. Основным источ-
ником ошибок в воспроизводимой инфор
мании является жесткий контакт между го-
ловкой и диском, приводящий к локаль-
ному размагничиванию рабочего слоя.
Загрязнение головки или диска, непра-
вильное изготовление головки могут при-
вести к разрушению пленки в зоне сопри-
косновения с головкой, что, в слою очередь,
приводит к невозможности п. анирования го-
ловки на строго фиксированной высоте.
Толщина защитного слоя измеряется с точ-
ностью не ниже 3 нм и с шагом 1 мкм
электронным лучом при проведении 100 тыс.
микропроб с последующей обработкой
данных ЭВМ. После проведения 10 тыс.
тестов CSS толщина защитного слоя со
ставила 50 нм, а глубина канавки, проде-
ланной направляющей головки, 15 нм По-
скольку для большей точности результатов
необходимы испыгания множества дисков,
то для сокращения времени тестирования
применяют одновременно несколько тесте-
ров. Фирма Hewlett Packard применяет од-
новременно 30 автоматических тестеров с
дисками различных размеров и магнитными
головками различных типов |(;|. Причем ис-
пользовались тесты двух типов тест со
стандартным промежутком на дорожке
записи, предназначенным для пуска и оста-
нова, и тест с изменяемой величиной ука-
занного промежутка. Последний тип теста
особенно важен при попытке максимизиро-
вать информационную емкость диска за счет
исключения служебных промежутков на до
рожках записи В процессе этою теста
на диске записываются 70 дорожек с про-
межутками 0,0508 мм. До запуска в произ-
водстве было проведено 1500 различных
тестов износа
Тесты трения
При вращении магнитная головка сколь
зит по поверхности до тех пор, пока диск
не приобретет скорость, достаточную для
планирования готовки Этот процесс харак
теризуется двумя коэффициентами трения,
которые необходимо учитывать при конст-
руировании дисковода [10]. Статический
коэффициент трения определяет величину
силы, требуемой для подъема головки над
поверхностью, а динамический коэффициент
трения величину силы, необходимую для
поддержания скорости вращения диска
50 об/мин. Для увеличения плотности за-
писи необходимо уменьшить высоту плави
57
рования головки, а это требует более глад-
кой поверхности диска Однако гладкие но
верхиости способствуют созданию неприем-
лемо высоких коэффициентов трения. На ве-
личину коэффициента трения влияют такие
факторы, как материал диска и головки,
величина нагрузки на головку, степень изно-
са поверхности диска, площадь поверхности
соприкосновения головки и диска, влаж
ность внешней среды. Большинство указан
ных факторов определяется конструкцией
и условиями эксплуатации НМД При отно-
сительной влажности более 50 % в водном
слое между диском и головкой возникает
силы Ван-дер-Ваальса, которые существен-
но увеличивают усилие, требуемое для
подъема головки над поверхностью щека.
Скольжение головки по диску при пуске и
остановке приводит к увеличению коэф
фициента трения соответствующих участков
поверхности диска Этот факт можно объяс-
нить двояко:
при скольжении происходит как бы допол-
нительная полировка поверхности диска;
при скольжении образуются полимеры,
увеличивающие коэффициент трения
Первый случай довольно очевиден, вто-
рой — основан на явлении полимеризации
гидрокарбонатов под воздействием тепла,
выделяющегося при скольжении В резуль-
тате полимеризации образуются похожие на
деготь загрязняющие частицы Для изме-
рения коэффициента трения используется
система, состоящая из дисковода с устрой-
ством загрузки, аналогичным устройству за-
грузки реального НМД, и двух высоко
скоростных цифровых вольтметров, данные
которых подаются в ЭВМ для обработки и
построения графика [10]. Результаты изме-
рения показывают, что коэффициент стати-
ческого трения в среднем равен 0,26 при
относительной влажности 20 % после прове-
дения нескольких пусков и остановов.
При влажности 95 % и после 2 тыс. пусков
и остановов коэффициент трения увеличи-
вается до 1,18
При некоторых сочетаниях материалов
для изготовления головки и диска коэф
фициент трения бывает столь высок, что
электродвигатель шпинделя не может на-
чать вращение диска Контроллер диско
вода обнаружив такую ситуацию, дает
команду шаговому двигателю позициони-
рования головки на небольшое перемете
ние головки что позволяет электродвига-
телю шпинделя преодолеть силу трения.
Многократное проведение тестов трения с
тонкопленочными дисками показало, что
коэффициент трения таких дисков выше, чем
у дисков с рабочим слоем из у окиси же-
леза, что необходимо учитывать при кои
струировании дисководов
58
Тесты коррозии
Уменьшение намагниченности слоя и на-
копление окислов на дорожках диска явля-
ется показателем коррозии, которая
приводит к износу или повреждению
как диска, так и головки. Эффект коррозии
тонкопленочных дисков существенно отли-
чается от эффекта коррозии обычных дис-
ков, поскольку в последних рабочим слоем
является окисел.
Наилучшая защита от коррозии реали-
зуется созданием химических барьеров на
границе металл внешняя среда, для чего
применяются различные материалы покры-
тия и легирование металла Однако при
использовании покрытий следует учесть, что
они увеличивают расстояние между голов-
кой и рабочим слоем диска При этом ампли-
туда воспроизводимого сигнала уменьшает-
ся по экспоненциальному закону Для удов
летворения требований к электрическим
параметрам дисков приходится жертвовать
долговечностью и износоустойчивостью
твердых антикоррозийных покрытий. Микро-
скопические отверстия и трещины в покры
гиях являются местами потенциальной кор-
розии. Противоречивые требования к толщи-
не защитной пленки легче удовлетворить при
использовании органических и тенок. Однако
эти пленки не обладают достаточной ад-
гезией к материалу основы диска и спо-
собствуют образованию полимеров при тре
нии. Испытания коррозийно-устойчивых
сплавов показали, что легирование в сте-
пени, достаточной для получения хорошей
устойчивости к коррозии, приводит к зна-
чительному ухудшению магнитных свойств
диска.
Причиной высокой чувствительности к ат-
мосферной коррозии ферромагнитных иле
нок является хорошая электропроводность
пленок, вследствие чего они реагируют с
кислородом и водой при комнатной темпе-
ратуре. Атмосферные частицы, такие как
кристаллы соли, являются концентрирован-
ными источниками ионов [10] Накопление
ионов в поверхностном слое воды и обра-
зование ионного проводника является усло-
вием полной электрохимической коррозии.
Загрязняющие газы, такие как HjS, SO,,
Cl2, NO,, не удаляются фильтрами НМД и
являются источниками ионов, растворенных
в слое воды на поверхности диска Состав
загрязняющих газов и их концентрация в
воздухе, а также интенсивность, с которой
они попадают на поверхность диска, опре
дсляют электролитическую проводимость и
состав продуктов коррозии. Средняя кон
центрация загрязняющих газов составляет
0.1 10 мкг/м'.
Рис 9. Установка для ускоренного тестирования
и измерения коррозии поверхность диска:
/ термометр; 2 измеритель воздушного
потока; 3 — магнитили головка; 4 — магнитный
диск; 5 — контрольный образец; 6 — плата,
7 наборный фильтр; 8 порт счетчика частиц,
9 выходной фильтр 10 воздушный поток
На рис. 9 представлен эскиз установки
для ускоренного тестирования и измерения
коррозии на дисковых поверхностях [10].
Воздушная смесь подаваемая в установку,
синтезирована из кислорода и азота, полу-
ченных из жидкостей. Эти сухие газы от
фильтровываются от твердых частиц и ув-
лажняются пропусканием пузырьков газа
через дистиллированную воду. Воздушная
смесь подается па нижнюю поверхность
диска 4 в радиальном направлении так же,
как и воздушный поток 10 в дисководе.
Вея установка, трубопроводы и средства
контроля воздушного потока 2 сделаны нз
инертного и водонепроницаемою материала
Концентрация газов измеряется с помощью
газовых хроматографов, а интенсивность
коррозии с помощью ионной хроматогра-
фии. Окончательные результаты тестов кор-
розии оформляются в виде карты дефек-
тов для каждого диска до и после прове
деним теста Тестирование коррозии позво-
ляет выработать соответствующие способы
защиты от нес. Радикальный способ состоит
в исключении возможности накопления воды
и загрязняющих газов на поверхности дне
ка. Загрязняющие газы удаляются из воз
душного потока с помощью многокомпо-
нентного фильтра .9 Значительно труднее
удалить воду из внешней среды диска, ввиду
того, что концентрация воды в среде на не
сколько порядков выше концентрации за-
грязняющих газов. Для ограничения коп
центрации воды в среде применяются диф-
фузионные трубки и полимерные проклад-
ки
Тестирование коррозии в реальных уело
виях эксплуатации осуществляется с по-
мощью печатных карг па которых располо-
жены как защищенные фильтрами диски,
так и незащищенные образцы ферромагнит-
ных сплавов. Продолжительность тестиро
вания 3, 6 12 или 24 месяца, после че
го проводится анализ степени коррозии и
состава продуктов коррозии Из анализа
следует, что интенсивность коррозии защи-
щенных образцов не достигла уровня, при
котором разрушаются проводники печатной
платы. Результаты тестирования говорят, о
том, что коррозионная надежность защи-
щенных дисководов определяется в отличие
от стандартных дисков не материалом диска
а другими компонентами.
Тест чистоты поверхности
Загрязняющие частицы можно обиару
жить на гладкой отражающей поверхности,
которой является поверхность гоикопленоч
ною диска, сканированием поверхности лу
чом света и измерением интенсивности рас
сеянного светового потока. Для тестирова-
ния применяется лазерный сканер |5], с по
мощью которого можно измерить число час-
тиц диаметром более 1 мкм на поверх-
ности диска за время менее 1 мин Засвет
ка поверхности производится гелий неоно-
вым лазером мощностью 2 мВ г, а детек-
тирование светового потока точечным фо-
тодиодом чувствительностью 10 4 Вт
Плотность потока мощности, рассеянного
частицей диаметром 1 мкм, можно записи гь:
P,-Z<r72S,.=5.10-9 Вт/ср,
где Р, — мощность лазера, г — радиус час-
тицы; S; площадь поперечного сечения
луча лазера (5, =0,05 мм2).
Излучение рассеивается равномерно над
частицей, и для получения мощности, доста
точной для детектирования, необходимо
собрать поток, по крайней мере, в преде-
лах угла в 0,2 ср. При тестировании лазер
подсвечивает тонкую радиальную полоску-
на поверхности диска. Детектор перемеща-
ется вдоль радиуса вращающегося диска
и таким образом сканирует по спирали его
поверхность Фотодетектор расположен на
расстоянии 5 мм от поверхности диска,
что позволяет детектировать поток в предо
лах телесного угла 0,2 ср, без применения
собирательной оптики; площадь детектиро-
вания равна 5 мм2.
Частица, попадая в луч подсветки, от
ражаст импульс света, пропорциональный
диаметру частицы. Световой импульс преоб-
разуется фотодиодом в импульс тока, уси
ливастся и подается на компаратор Компа
59
ратор различает уровни сигнала, соответ
сгвутощие частицам с диаметрами от 1 до
40 мкм. При срабатывании компаратора
происходит инкрементирование, счетчика
количества частиц.
Время одного цикла сканирования 30 с,
счетчик частиц обнуляется в каждом ник
ле [5]. Чувствительность компаратора мо
жег изменяться в зависимости от числа
частиц определенного размера Перед тес
тирование.м производится калибровка скане-
ра, для чего на поверхности диска в луче
лазера помещают частицу, измеряют уро
вень выходного сигнала фотодиода, а затем
с помощью микроскопа измеряют диаметр
частицы Эта процедура повторяется для
частиц различного диаметра, в результате
строится зависимость напряжения на выхо
де детектора от размера частиц
Для проверки достоверности результатов
тестирования па дисковую поверхность на
носится спиртовая суспензия частиц окиси
алюминия со средним диаметром 5 мкм. Раз-
брос размеров частиц измерялся сканером и
с помощью микроскопа, результаты измере-
ний дали одинаковый разброс — 4 мкм.
4 2. Измерение динамических
параметров
Измерение динамических параметров нро-
изво щтся как в процессе разработки, так и
при изготовлении НМД. Тестовое оборудо-
вание должно обеспечивать измерение мно-
жества механических и электрических пара
метров, быть простым в удобным в
эк нлуатации, а также гибким и многофунк-
циональным |19 22| 11а рис 10 представ
лена система для измерения динамических
параметров дисков [10|. в которой анпара
тура выполняет следующие функции: вра
щение диска; позиционирование магнитной
головки; анализ сигналов записи и воспроиз-
ведения, измерение параметров планирова-
ния магнитной головки; управление.
Аппаратура в системе подключена с по-
мощью интерфейсных средств, обеспечиваю
щих гибкое изменение как отдельных ап-
паратурных средств, так и их характеристик
без перестройки всей системы. Конструк-
тивно система выполнена в виде набора
модулей, причем документация на систему
также скомплектована из документации на
входящие модули. В систему могут входить
взаимозаменяемые и функционально экви-
валенгные подсистемы, оптимизированные
но различным параметрам Например, в ка-
честве шпинделя может использоваться
простой шпиндель, высококачественный
шпиндель с воздушной смазкой, высокоско-
ростной или низкоскоростной шпиндель для
прецизионных операции Любой из них мож
но смонтировать за несколько минут, для че-
го необходима специальная плита с радиаль
но расположенными монтажными от-
верстиями. В центре плиты устанавливается
шпиндель, а отверстия позволяют кренить
привод позиционера магнитной головки
Интерфейс управления состоит из восьми
информационных и восьми адресных линий.
Интерфейсные карты содержат но шесть
цифровых и аналоговых портов ввода-вы
вода.
Программа управления тестированием ва
нисана на языке ИР BASIC. Отдельные
Рис 10. Система измерения динамических параметров дисков:
/ — системный контроллер на базе ЭВМ, 2 массовая память; 3 печатающее устройство;
4 — быстрый контроллер; 5 — блок управления занисью-воспроизведеинем: 6 анализатор дефектов,
7 — амплитудный детектор; 8 детектор шума, 9 спектроанализатор; 10 — электронные системы
записи воспроизведения; // электронные системы планирования 12 позиционер магнитных
головой» 13 — магнитные головки, 14 магнитный диск; 15 — шпиндель; 16 блок управления
шпин телем 17 блок управления позиционером
60
тестовые, программы написаны в виде моду-
лей, каждый из которых однозначно соот-
ветствует своему аппаратурному модулю
Драйверные программы обеспечивают вы-
полнение элементарных перемещений, изме
ряемых в системе единиц MKS Например,
драйвер шагового двигателя позиционера
магнитной головки, называемый «Поиск»,
управляет перемещением головки на задан
ный радиус, выраженный в миллиметрах.
Измерение высоты планирования
Стремление к увеличению плотности за-
писи ведет к необходимости уменьшения вы-
соты планирования. Однако с ее уменьше-
нием наличие неровности поверхности диска
способствует возникновению колебаний в
движении магнитной головки, а следова
тельно, и возникновению ошибок в выход-
ных данных. Более того, неровности по-
верхности диска при малых высотах плани-
рования могут привести к возникновению
контакта между головкой и диском и к
повреждению магнитной головки
Для измерения неровностей поверхности
диска используют два метода, при которых
па гибкой пластине магнитной головки уста-
навливается датчик, выходной сигнал кото
рою визуально контролируется в процессе
планирования |1()|
В первом методе в Качестве датчика ис-
пользуется пьезоэлектрический кристалл во
втором — акустический эмиссионный нреоб-
ра зовател ь. II ьезоэлектричес кн й кристал
лнческий датчик более чувствителен к изме
нениям высоты планирования, но требует
предварительной калибровки. Для этого ис
пользуется тонкопленочный диск с хромо-
вым калибровочным выступом на поверх-
ности. равном половине высоты планирова-
ния головки Для формирования требуемо
го выступа диск покрывают фоторезистом
и экспонируют через маску, а затем покры
вают требуемым количеством хрома Остат-
ки фоторезиста удаляются, и диск чистят.
Так как хром используется при изготовле-
нии тонкопленочных дисков, то для форми-
рования выступа не требуются специаль-
ные операции Выступ должен иметь плав
ные склоны во избежание накопления за
грЯзняющих частиц и повреждения как го-
ловки. так и самого калибровочного диска.
Наличие загрязняющих частиц на выступе
приводит к возникновению паразитных коле-
баний в выходном сигнале датчика. Пе-
риодическое удаление загрязнений осущест-
вляется с помощью безворсовой ткани и аце-
тона. а затем в ацетоновой ванне. При ка-
либровке производят 50 измерений макси
мума выходного сигнала датчика после че
го результаты усредняют.
Откалиброванный датчик используется в
системе контроля планирования головки в
качестве измерителя ускорения Медная
пластина, приклеенная сверху на пьезо-
электрический кристалл, увеличивает чувст
вительность датчика На рис 11 представ-
лена структурная схема системы контроля
планирования головки [ 10| Система обиа
руживает отклонение параметров процесса
планирования от номинальных Предвари
тельный усилитель / представлен усилите-
лем напряжения с высоким входным импе
дансом Для получения приемлемого уровня
шума на выходе усилителя / необходимо
т щательное заземление 11иковый детектор 5
срабатывает, когда сигнал с датчика птани
рования превышает заданный порог, соот-
ветствующий возникновению непредвиден-
ных колебаний в процессе планирования.
Когда уровень колебаний снижается до до-
пустимого, пиковое значение напряжения
считывается, и пиковый детектор срабаты
Рис. 1 I Структурная схема системы контроля планирования головки
/ предварительный усилитель. 2 дифференциальный усилитель. ,? выпрямитель; 4 кои
вертнрующий детектор; 5 — пиковый детектор; 6 — компаратор, 7 АЦП; 8 - ПАП, 9 — согласующий
усилитель, 10 вход начала преобразования. II выход преобразования; 12 — шина данных,
13 синхроимпульс; 14 аналоговый выход
61
вает Полученное пиковое значение запоми
нается вместе с информацией о положении
головки, т. е. запоминаются радиус и угол,
однозначно определяющие положение го-
ловки в момент экстремальных колебаний.
Для увеличения чувствительности аппарату-
ры тестирования датчик планирует па высо-
те, меньшей, чем высота планирования
реальной магнитной головки.
Измерение электрических параметров
записывающей системы
К параметрам записывающей системы от-
носятся:
средняя амплитуда воспроизводимого сиг-
нала иа частотах 1/ и 2/;
коэффициент разрешения Kf,
коэффициент перезаписи К/^р,
коэффициент паразитной амплитудной
модуляции (П \М) воспроизводимого сип а-
ла Кр,
выпадения воспроизводимого сигнала,
вызванные дефектами носителя, т. е. умень
шение амплитуды сигнал ниже порога его
обнаружения,
шум носителя.
В аппаратуре воспроизведения, исполь-
зуемой при измерениях указанных парамет-
ров, выходным сигналом пикового детекто-
ра является сигнал постоянного тока, ха
рактеризующий ПАМ записанной дорож
ки [10]. После прохождения этого сигнала
через фильтр нижних частот (ФНЧ) форми
руется сигнал, пропорциональный средней
амплитуде, воспроизводимого сигнала.
Для измерения коэффициента перезаписи
усиленный воспроизводимый сигнал подает
ся на полосовой фильтр, настроенный на
частоту 1/. Полоса фильтра должна быть ме-
нее 1 кГц, шум в пределах полосы менее
1 мкВ. Измерение производится в следую-
щей последовательности стирание тести-
руемой области на диске; запись сигнала с
частотой 1/ и измерение его на выходе по
лосового фильтра; запись сигнала с часто-
той 2/ на ту же об 1асть диска и измере
ние сигнала на выходе полосового фильтра,
настроенного на частоту I/.
Процесс перезаписи характеризуется ко-
эффициентом А/ равным отношению
уровней сигнала на выходе полосового
фильтра и измеренным в децибелах. Из-
мерение выпадений информации произво-
дится при записи и последующем воспро-
изведении сигнала с частотой 2/' с помо-
щью порогового детектора, т. е при умень-
шении амплитуды сигнала ниже порогово-
го значения, равного 30 50 % от средней
амплитуды воспроизводимого сигнала. Од-
нако такая методика измерения позво-
ляет лишь фиксировать дефектную об-
ласть па диске, но определить такие па-
раметры дефекта как минимальный уровень
воспроизводимого сигнала, число воспро-
изводимых импульсов с амплитудой ниже
пороговой, максимальное различие уровней
двух соседних воспроизводимых импульсов
невозможно. При измерении шума носи-
теля запись осуществляют постоянным по-
лем. Шум носителя характеризуется коэф-
фициентом, равным отношению уровня шу-
ма к минимальному уровню воспроизводимо-
го сигнала частоты 2/, и измеряется в де-
цибелах.
Рассмотренные методики измерения па-
раметров записывающей системы были
улучшены с нслыо использования их для
измерения параметров систем с тонкопле-
ночными дисками Па рис 12 приведена
структурная система измерения средней
амплитуды воспроизводимого сигнала [ 10].
Усиленный воспроизводимый сигнал про-
пускается через ФНЧ 2 с линейной фа-
зовой характеристикой для удаления из
сигнала паразитного ВЧ шума системы.
Использование двух пиковых детекто-
ров 3, 7 для положительного п отрпца
тельного воспроизводимых импульсов поз-
воляет измерить амплитудную асимметрию
Рис. 12. Структурная схема системы измерения средней амплитуды военрои тнотимого chi нал;
/ предусилитель, 2 - ФНЧ с линейной фазовой характеристикой; 3 — пиковый детектор положи
тельной полуволны- 4 12 — сигнал средней амплитуды воспроизведения, 5, 8 ЛИП; 6. 18 - шины
данных, 7 пиковый детектор отрицательной полуволны. 9 согласующий усилитель; 10 — пиковый
детектор, 11 схема с обратной связью. 13 - синхросигнал, 14 быстрый АЦП; 15 — компаратор;
16 — ППЗУ выпадений; 17 — ПИЗУ разности амплитуд
62
импульсов. Оцифрованные амплитуды вос-
производимых импульсов с частотой 250 Гц
поступают в микропроцессор, а затем обра
батываются в ЭВМ HP 9000 серии 200,
используемой в качестве системного конт-
роллера. Процесс программной обработки
сигнала значительно увеличивает гибкость
системы [24, 251 Амплитуда сигнала ус-
редняется в течении пяти оборотов диска,
что обеспечивает повторяемость результа
тов в пределах 2 % для нескольких ты-
сяч последующих считываний диска. Для
измерения коэффициента перезаписи вме-
сто узкополосных фильтров в системе
рис. 10 применен спектроанализатор
HP 3585Д, имеющий программируемые ча-
стоту настройки, чувствительность и ши-
рину полосы
Отсчеты спектранализатора через си-
стемный контроллер подаются на обработ-
ку Для обеспечивания повторяемости
результатов в пределах 0,2 дБ необходи-
мо осуществлять от трех до пяти изме-
рений. Введение спектранализатора в си-
стему позволяет также визуализировать
шум системы, что особенно важно при ее
калибровке, поскольку амплитуда входных
калибровочных сигналов должна быть очень
малой (10 .100 мкВ) и вероятность маски-
рования таких сигналов шумами системы
увеличивается.
Для измерения параметров выпадений
используется система (рис. 12) с вы
сокоскоростным четырехра.зрядным АЦП,
в которой измеряется амплитуда каждого
воспроизводимого импульса в пределах
дефектной области диска [I0J. Програм-
мируемый компаратор позволяет онреде
лить границы дефектной области, а первое
ППЗУ позволяет определить минималь-
ную амплитуду воспроизводимого сигна
та в пределах дефектной области, а вто-
рое ППЗУ — крутизну спада амплитуд
импульсов, т. е. максимальную разность
амплитуд двух соседних импульсов. Си
стсма позволяет анализировать дефекты,
имеющие частоту повторения до 9 МГц
Цифровой вид обработки воспроизводимо
го сигнала позволяет изменять алгоритм
анализа, что необходимо при классифи-
кации дефектов на жесткие и мягкие
Для этого используются алгоритм I — нор-
мальное сканирование и алгоритм 2 — ска
пирование с паузой.
Если полоса, содержащая записываемую
частоту, при измерениях пропускается, а
недостающее значение указанного отноше
ния получают интерполяцией, то ошибка
при этом мала Суммарное значение шума
носителя можно определить:
Этот метод измерения является очень
точным, но требует значительных затрат
времени. Для обеспечения более быстро-
го измерения шума используется другой ме-
тод, при котором воспроизводимые сигна
лы проходят через узкополосный фильтр
НЧ и подаются па вольтметр, измеря-
ющий эффективные значения напряже-
ний (10). Узкополосный фильтр НЧ про-
пускает все частоты вплоть до 4/ и подав
ляег частоты выше 4f. Фильтр НЧ имеет
точку максимального ослабления до
—60...70 дБ на частоте шума, генерируемо
го сигналом записи. Обычно для этого
используются фильтры с 8 9 полюсами.
Последовательность измерения следующая-
записывается синусоидальный сигнал ча-
стотой 2/ при воспроизведении вольтмет-
ром измеряется эффективное значение сиг-
нала частотой 2/', умножением получен
ного напряжения на 1,414 получают пико-
вое значение шума; диск стирается посто
явным полем; шумовой сигнал измеряется
вольтметром; величина шума определяется
отношением шума переменного тока к ам-
плитуде сигнала частотой 2/
Точность измерений
Точность измерений, проводимых тесто-
вой системой, можно оценить с помощью
двух показателен, которые определяются
для каждого из измеряемых параметров
При нормальном сканировании маг-
нитная головка перемещается по радиусу
диска с дорожки на дорожку. Для тестиро-
вания всей поверхности диска дорожки
перекрываются в пределах 30 % от их ши-
рины. В процессе сканирования ннформа
ция о дефектах передается в системный
контроллер в реальном масштабе времени.
При сканировании с паузой после об
наруже.пия дефекта перемещение магнитной
головки вдоль радиуса диска прекраща
ется и считывается одна и та же дорожка,
а импульс синхронизации, возникающий
в момент появления выпадения, позволяет
наблюдать дефектную область сигнала на
осциллографе По информации, переданной
в ЭВМ, производится расчет значений
радиуса и угла, положения магнитной го-
ловки соответствующих обнаруженной де
фекгной области Знание этих данных поз-
воляет с помощью электронного микро
скопа сделать фотографию дефекта.
Методы измерения шума тонконленочно
го носителя отличаются от методов исполь
63
зуемых для измерения параметров обще-
принятых дискретных дисковых носите-
лей |Ю|. Тонкопленочный дисковый но-
ситель состоит из гомогенных магнитных
тонок, которые не имеют дискретной струк-
туры, что позволяет получать носители,
обладающие экстремально низким шумом
при постоянстве записывающего потока.
Фактически постоянный уровень шума но-
сителя обычно ниже шума электронных
систем воспроизведения Процедура измере-
ния шума состоит из разделения частот-
ной области на множество малых дискрет
пых полос. Измерение отношения
V-V- где Uul, напряжение
шума в полосе частот Xf, возможно
для каждой из дискретных полос.
Первый показатель достоверность
измерения, показывающая способность си-
стемы получать один и тот же резуль-
тат при равных начальных условиях.
Второй показатель — дрейф измерения,
показывающий разброс результатов изме-
рений в сечение интервала времени. Если
закон распределения измеряемого пара-
метра известен, то всякие изменения за-
кона распределения в процессе измерений
также свидетельствуют о неверном функ
ционированин тестовой системы Для заклю-
чения о готовности тестовой системы к ис-
пользованию необходимо сравнить точность
измерений одной системы с другой или срав-
нись точность измерений, производимых
одной и той же системой, но разделен-
ных интервалом времени.
Достоверность измерений оценивается
при повторении (например, 100 раз) одно-
го и того же теста без изменения ка-
ких-либо параметров Интенсивность пов-
торения теста ограничивается только бы-
стродействием самой системы. Набор зна-
чений, полученных для каждого измерен-
ного параметра, позволяет вывести закон
его распределения Если значения имеют
нормальное распределение, то достовер-
ность определяется в стандартных тер
минах девиации параметра. При законе
распределения, отличном от нормального,
как, например, при измерении числа де-
фектов на диске, для определения до
сговерпости необходимо применение дру-
гих методов
Закон распределения может быть легко
получен с помощью аппаратуры графи
ческого анализа результатов измере-
ний [10]. Данные измерений представля-
ются стачала в виде диаграммы, а затем
в ви е гистограммы на бумажной лен
те, после чет о проверяется распределение
представленных значений на соответствие
нормальному с помощью графика вероят
64
ности. Если точки на графике вероятно
сги дают прям\ю линию, то распреде-
ление считается нормальным. Если данные
не дают прямую линию, то либо распре-
деление нс соответствует нормальному
закону, либо тестовая система не откалиб-
рована. Построение диаграммы измеренных
значений позволяет проверить правили
ность вывода о законе распределения но
графику вероятности.
Дрейф измерений в системе может быть
вызван как механическими, так и электри-
ческими факторами, которые изменяются
в течение дня. Для определения слу
чайных изменений тест повторяется еже-
дневно 20 раз в течение пяти или более
дней. Причем ежедневно головка и диск
очищаются от загрязнений Если раенреде
ление з рачений параметров, полученное
в результате проведенных тестов, отли-
чается от нормального, то делают вывод
о том, что система не откалибрована.
Отклонения значений от нормального
распределения должны быть исключены,
для чего сист му измерении корректируют
После того как будет получено нормаль
нос распределение, дрейф измерении опре-
деляется с помощью стандартных термн
нов девиации пар тметра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. J. of Electronics Industry, 1980, № 8.
р. 46.
2. Апарин Ю Я , Кузеев К. Д-, Дмитре
ев В. С.— Зарубежная радиоэлектро-
ника, 1984, № 9.
3. Таранто Д. Электроника, 1982, т. 55,
№ 8.
4. Siderls G.— Electronic Design, 198G,
v. 34. №2
5. Opfer I. E„ Bruce F. S„ Natarajan B, R„
e. a. Hewlett Packard J., 1985. у 36
As 11.
6 Day С К Harkins C G., Howe S. P
Poorman P. Ibid
7. Drennan G A Lawton R J Jacob-
son M. B. Ibid
8. Moore G E Seymour R. S„ Bloom-
guist D R Ibid
9. Allyn M. C., Goglia P. R . Smay S R
Ibid.
10. Hodges J., Roskelley D R , Edson D R.
Ibid.
IL Warren C. Electronic Design News.
1980, v 25, № II
12. Hirshon B.- Digital Design, 1982,
v 12, ,\o 4
13. Roth M.— Computer Design, 1983,
v 22, ,Ve 11
14 Computer Design, 1082 v 21 JV 7,
p. 48.
15. Killmon P. - Computer Design, 198a,
v 24. № 5.
16. Computer Design, 1985, v. 24, № 8,
p. 30.
17. Coering R. Computer Design, 1985,
v. 24, .V» 11
18. Freman R. C„ Collier D. C.— Electronic
Design, 1986. v. 34. № 2.
19 Weiss R. - Electronic Design, 1986,
v. 34 № 18.
20. Allan R. Electronic Design, 1986.
v. 34, № 16.
21. Killmon P.— Computer Design, 1986
v 25, Al’s 7.
22. Killmon P. Computer Design, 1986,
v. 25. № 9.
23. Computer Design, 1986, v. 25, № 12.
p 112
24 Winterstein B. Computer Design, 1986,
v. 25. № 6.
25. Thomas R Computer Design, 1986.
v. 25, № 7.
26. Robinson J. — Computer Design. 1986.
v. 25, № 9
27. Killmon P. Computer Design. 1986.
v. 25, № 2.
28 Computer Design, 1986, v 25, № 7,
p. 102.
29. Cashen F. Computer Design, 1986.
v 25, № 12.
30. M ad J.— Datamation, 1987, v. 33, № 3.
3 Зарубежная радиоэлектроника .M> 2
УДК 681.34-681.142:535317
МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОЙ МУЛЬТИПЛИКАЦИИ
Москалева Н. Ю Серебренников Д Г.
1. ВВЕДЕНИЕ
Интерес к получению динамически изме-
няемых (мультипликационных) изображе
ний обусловлен наглядностью представле-
ния оперативной информации и возмож-
ностью достижения новых эффектов. Ре-
зультаты, полученные в области цифровой
обработки изображений и машинной графи
ки, оказали влияние на быстрое развитие
за последние годы цифровых систем, в ко
торых формируются движущиеся изображе
ния. Такие системы подразделяются иа три
группы [31]: 1) системы графического мо-
делирования для наглядного представления
процессов в химии, медицине, астрономии
и др 2) системы имитации реальных ус-
ловий (например, тренажеры), 3) системы
получения двумерных и трехмерных изо-
бражений для телевидения (ТВ) и кино.
Исключительная сложность полной авто
матнзации процессов получения мультипли-
кационных изображений обусловливает ин-
терактивный режим работы с такими си
стемами Благодаря успехам в разработке
средств вычислительной техники: элемент-
ной базы, математического обеспечения, пе-
риферийного оборудования — были созданы
относительно дешевые системы с широкими
функциональными возможностями, ориенти-
рованные не только на специалистов в об
ласти вычислительной техники, ио и на ху-
дожников. Однако из за высокой сложности
и относительно слабой формализации алго
ритмов, реализующих движение и поведение
широкого класса обьектов, в электронной
мультипликации остается много нерешенных
проблем, главная из которых — комплекс-
ная реализация методов формирования ди
намически изменяемых цифровых изображе-
ний иа соответствующих технических сред
ствах.
Несмотря на то, что термин «электрон-
ная мультипликация» существует около
30 лет, четкого определения его не суще-
ствует. Под электронной мультипликацией
в общем случае понимается процесс созда
ния движущихся изображений с использо-
ванием средств вычислительной техники,
причем в этом процессе могут отсутство-
вать различные этапы традиционного техно
логического процесса производства мульти-
пликационных фильмов Наиболее удачным
66
представляется определение мультиплика-
ции [1, 2] (особенно применительно к изо-
бражениям получаемым электронным спо-
собом) как процесса динамического форми-
рования новых изображений, каждое из ко-
торых последовательно сменяет предыду-
щее. Под термином «системы электронной
мультипликации» (СЭМ) понимают средст-
ва вычислительной техники, которые приме-
няются при получении движущихся изобра-
жений для видео- и кинофильмов. В на-
стоящее время электронная мультипликация
развивается в следующих направлениях: ав-
томатизация процессов создания мульт-
фильмов; электронное формирование изо-
бражений.
Таблица 1
Способы реализации определенных функций
Реализуемая функция Сне гемы автоматизации Системы формирования изображений
Создание Оцифровка и Формирование
образов ввод изобра- жений с после- дующим гра фическим ре датированием тарх мерных изоб ражений на основе имеющихся алго- ритмов с редак-* тированнем
Движение Вычисление Программная реа-
объектов промежуточ- ных фаз двн женин или пе- ремещение но заданным нап- равлениям лизания движения в трехмерном пространстве
Получение цветных изображений Раскраска Затушевывание трехмерных по- верхностей
Движение Управление «Виртуальная ка-
камеры процессом съемки мера»
Данные табл. 1 [1] позволяют сравнить
системы автоматизации процесса создания
мультфильмов и системы формирования изо-
бражений по способам реализации опреде-
ленных функций. В большинстве современ-
ных СЭМ функции автоматизации и форми
роваиия изображений совмещаются [2]
2. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ МУЛЬТИПЛИ
КАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Методы создания
изображений условно
мультипликационных
можно разделить на
три группы, преобразование изображений;
формирование изображений; реализация
эффекта мультипликации.
Преобразование и формирование изо-
бражений В СЭМ реализовано большин-
ство функций по преобразованию и форми-
рованию изображений систем машинной
графики и обработки изображений [1—3].
Кратко перечислим часть этих функций, име-
ющих в электронной мультипликации су-
щественное значение. Формирование трех-
мерных изображений включает три этапа
[5]:
формирование геометрической модели
объекта из некоторых примитивов, которые
сами построены из примитивов более низ
кого уровня, с последующим сглажива-
нием;
проекция полученной геометрической мо-
дели на некоторую двумерную поверхность
с учетом местоположения точки наблю-
дения;
идентификация промежуточных точек и
затушевывание поверхностей известными
методами, например Гуро или Фонга.
Сформированное изображение может
быть изменено в масштабе, повернуто раз-
личными способами или как бы вывернуто
наизнанку, плоские изображения могут быть
нанесены на поверхность трехмерных фигур:
куба, цилиндра, конуса и т. д. Создаваемая
сцена может быть показана с произволь-
ной точки под любым углом (эффект вир-
туальной камеры) [4]. Эффект глубины ими
тируется путем плавного изменения фо-
кусного расстояния «объектива»: для более
близких объектов соотношения размеров
изменяются иначе, чем для дальних, так
как перспектива в мультипликации настоль-
ко стилизована, что трудно отличить дей-
ствительную перспективу от ее отсутствия
[2], а глубина изображения (передний
план относительно фона) зависит от парал-
лакса |5]
Изменение изображений по цвету связа-
но с таким представлением цветовой ин-
формации, при котором цветовые нреобра
зования осуществлялись бы достаточно про-
сто. В СЭМ применяются различные цве-
товые модели основных (RGB) или допол
нительных (CMY) цветов, совместимая с
телевидением цветовая модель (YIQ), а
также модели, использующие понятие цвето
вого тона, насыщенности и светлоты
(HSV и HLS)
В СЭМ применяются средства, имити-
рующие различные «кисти» художника
(аэрограф, карандаш, беличья кисть и т д ),
в том числе и такие, которых физически
не существует
Применяются также процедуры по прида-
нию изображениям признаков принадлеж-
ности к материалу — текстуре, процедуры
имитации одного или нескольких источников
света (точечного или рассеянного), связан-
ные с общим преобразованием изображе-
ния, создающие эффект трехмерной пер-
спективы, и процедуры формирования про-
зрачных изображений без изменения соотно-
шений между цветами |1—3, 6]
Реализация эффекта мультипликации.
Среди многочисленных видов движения для
электронной мультипликации существенны-
ми являются два: движение без изменения
формы персонажей или отдельных их частей
и движение с изменением формы и отно-
сительных размеров персонажей. Для реа-
лизации этих эффектов в системах исполь-
зуется несколько методов, которые можно
разделить на три группы, мультипликация
реального времени, построение промежуточ-
ных фаз движения, внутрикадровый мон-
таж.
Под мультипликацией реального времени
понимают получение эффекта движения
объекта за счет вычисления СЭМ каждого
кадра на основании предыдущих за время
1/30... 1/24 с. В настоящее время не су
ществует СЭМ полутоновой мультиплика-
ции реального времени сложных реалисти-
ческих изображений (1|. В большинстве
систем применяют методы мультипликации
реального времени для относительно про-
стых изображений. К этим методам относят-
ся следующие: мультипликация с исполь
зованием таблицы цветности электронная
целлулоидная мультипликация поперечная
мультипликация.
1. Мультипликация с использованием
таблицы цветности (3. 7]. В память за-
писывается последовательность фаз движе
ния объекта, каждой фазе присваивается
определенный код. При выводе изображений
Рис I К методу электронная целлулоидная
мультипликация
3*
67
на экран информация выдается через табли-
цу цветности, которая перепрограммируете»!
таким образом, чтобы в различные моменты
времени на экране визуализировались от-
дельные фазы движения, а остальные фазы
сливались бы с фоном. В циклическом ре-
жиме осуществляется имитация движения
путем последовательной выдачи отдельных
фаз. В основном этим способом «оживляют-
ся» монохроматические изображения.
2. Электронная целлулоидная мультннли
кация (cel animation) |1, 2, 8]. Элементы
изображения помещаются в различные зоны
памяти и совмещаются только при выводе
(рис 1). Содержимое памяти не меняется,
а меняется порядок выборки элементов, что
дает возможность осуществлять перемете
ние одних объектов относительно других,
построение зеркальных изображений, пано-
рамирование, наплывы, изменение масшта
ба и повороты. Этот метод позволяет
строить сравнительно сложные изобра-
жения.
3. Поперечная мультипликация (cross ani-
mation |1|. В отдельные области памяти
изображений записываются отдетьные кад
ры, соответствующие ключевым и промс
жуточным фазам движения Построение
промежу точных фаз движения применяют в
основном при работе с контурными изобра
жениями. Для расчета промежуточных фаз
используются несколько методов установ-
ления соответствия между отрезками; «ске
летного» представления; P-кривых; движе-
ния «закрепленных» точек.
Метод установления соответствия между
отрезками был предложен в 1971 г
[1, 9], а универсальная система интерпо-
ляции ключевых изображений была разра-
ботана и впервые применена для создания
мультфн 1ьма в 1974 г. [4] Метод заклю-
чается в следующем. Два ключевых изобра-
жения разбиваются на отрезки после чего
в интерактивном режиме устанавливается
соответствие между наиболее важными
точками. Если на одном из изображений
больше точек, чем на другом, то на послед-
нем добавляется необходимое число точек
(рис. 2). В соответствии с законом интер-
поляции вычисляются промежуточные фазы
с учетом скорости перехода от изображения
к изображению
Реализуется метод следующим образом,
художник с графического планшета вводит
в ЭВМ линии изображения в определенной
последовательности (которая отслеживает
ся ЭВМ) и указывает на соответствие ли
ний в соседних ключевых изображениях
Иными словами первая линия первого клю
чевого изббражепия «плавно преобразует
ся» в первую линию второго ключевою изо
68
Рис. 2. К методу установления соответствия
между отрезками
Сражения и т. д. Вопросы определения зако-
на плавного преобразования находятся в
стадии исследования [4, 6|.
Метод скелетного представления (2, 1и|
заключается в выделении в исходном кон-
турном ключевом изображении скелета
фигуры, с определенной степенью точности
отражающей характер изображения. Все
точки исходного изображения проектируют-
ся на скелет, при этом достигается взаимно
однозначное соответствие относительных ко-
ординат исходного изображения и скеле-
та (рис 3). В дальнейшем художник в
интерактивном режиме с помощью графи-
ческого планшета рисует изменения сколе
та, а система формирует необходимые изо-
бражения по имеющемуся закону соответ-
ствия исходного изображения и скелета.
Метод Р кривых [I] заключается в инте-
рактивном указании траектории перемеще-
ния центра объекта во времени и простран
сгве при небольших изменениях его формы.
Метод движения закрепленных точек (mo-
ving point constraints's method) |1| заклю-
чается в выделении на кривых точек А. В,
0,1
Первая линия
исходного
изображения
2.Z7
0,0
Линия
скелетного
изображения' '>
вторая линия
исходного
изображения -1,-1 р 1
Координаты
Рис. 3. К методу скелетного представления
Рис. 4. К методу движение закрепленных точек-
К । исходная кривая. Л' интерполяционная
кривая; Kt кривая результата
С ... траектории движения которых онреде
ляют перемещения кривых (рис. 4). Кривые
К} и К> двух ключевых контурных изобра-
жении аппроксимируются функциями Lift)
и 1.2(1).
Координаты промежуточных кривых вы
числяются по закону; K(T)=(l T)Ll
Y'TL2(t), где Т нормированный пара-
метр. Существенным является вопрос выбо-
ра тина аппроксимирующих функций.
Внутрикадровый монтаж [2] заключается
в разбиении изображения на несколько
участков, что дает возможность манину
лировать с каждым участком в отдельности,
накладывать их друг на друга, использовать
фрагмсты других кадров и т п Обычно
изображения передних и задних планов хра-
нятся в различных зонах памяти. Это дела
ется для того, чтобы после удаления объек-
та переднего плана не оставалось «черной
дыры», которую необходимо заполнять фо
ном. Каждый в ian изображения имеет свой
приоритет, который обычно не меняется в
процессе обработки изображений, что за-
трудняет манипулирование объектами при
имитации трехмерного пространства
Указа тые методы применяются к изобра-
жениям как будто нарисованным от руки,
к изображениям, полученным, например, от
ТВ камеры, и трехмерным изображениям,
полученным разбиением исходной модели на
многоугольники с последующим затушевы
ванием. Полученные в результате обработки
изображения кажутся искусственными |б]
Для придания образам характеристик оду
тепленных персонажей используются более
сложные процедуры, ориентированные на
конкретный сюжет
3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИ-
КА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ
МУЛЬТИПЛИКАЦИИ
Структура СЭМ. Структура СЭМ обуслов-
лена необходимостью обеспечить выполне-
ние компьютеризованного технологического
процесса, который можно разбить на три
крупных стадии |2]: ввод изображений в
вычислительную систему; накопление, обра-
ботка и формирование изображений сред-
ствами вычислительной техники в интерак-
тивном режиме; вывод изображений непо-
средственно в телевизионный капал, на
видеоленту, кинопленку, бумагу и. и целлу-
лоид с последующей киносъемкой.
В СЭМ .можно выделить пять основных
подсистем, вычислительную, диалоговую,
хранения изображений, ввода, вывода изо
Сражений (рис. 5). Вычислительная под-
система обеспечивает обработку и форми-
рование изображений, а также управление
всей системой в целом. Оиа песет основ
ную функциональную нагрузку. Анализ по-
казывает, что для формирования сложных
реалистических изображений должны ис-
пользоваться высокопроизводительные про-
цессоры. включая супер-ЭВМ. Так, для по-
лучения киноизображений приемлемого ка
чества с 35 миллиметровой пленки необ-
ходимо обеспечить разрешение на пленке
4000X3000 элементов с 30 двоичными раз-
рядами на каждый элемент изображения
11 11. Это составляет 360 Мбит или 45 Мбайт
данных на одни кадр. Следовательно, рас-
чет характеристик инета изображения, ал
горитм которого составляет 80 операций
для каждого элемента кадра, требует вы-
полнения 8640 млн операций для секундного
кипоэпизода. Однако фактически некоторые
алгоритмы (например, расчет освещенности
сцены) составляют 10 тыс. операций и более.
Диалоговая подсистема обеспечивает опе-
ративное взаимодействие человека и СЭМ
Рис 5. Обобщенная структура сипемы электрон
нои мульгип шкацни
69
в процессе работы. Особенностью ее являет-
ся ориентация на пользователя, имеющего
минимальное образование в области вычи-
слительной техники. Сейчас не существует
оптимальной эргономической организации
рабочего места художника с точки зрения
интеграции функций по вводу, обработке
и формированию изображений. Обычно ре-
жимы работы художник может выбрать из
специального перечня — «меню». В некото-
рых системах перечень режимов работы
проецируется на отдельном мониторе в виде
символьных изображений требуемых функ-
ций, а в других па том же мониторе,
что и обрабатываемое изображение. Для
достижения нужного эффекта художнику
как правило необходимо использовать не-
сколько режимов работы. Обрабатываемое
цветное цифровое изображение проецирует-
ся на графический растровый дисплей
(ГРД) в виде цветного телевизионного кад-
ра. Типичные размеры кадра (изображения
ТВ качества) для различных ТВ стандартов
следующие: для NTSC — 720X485, PAL
720X585, SECAM 768X576 (число эле-
ментов в строкеХчисло передаваемых без
искажения активных строк) Для коррекции
искажений, вызванных представлением изо-
бражений в виде дискретных элементов
(в первую очередь, ступенчатость наклон-
ных линий, расположенных не по осям экра-
на. и недостаточная яркость малых изобра-
жений), применяют различные аппаратно-
программные методы: фазовое кодирование,
пошаговое изменение яркости, смешение
цветов и др [12, 13, 14] Эффективность
работы СЭМ повышается за счет примене-
ния графических планшетов с координат-
ным указателем, различных манипуляторов
(устройств типа «мышь», следящих шаров,
световых перьев, джойстиков и др.) Эти
устройства используются при работе с пло-
скими изображениями.
В большинстве систем цифровое изобра-
жение может совмещаться с изображения-
ми, получаемыми от обычных ТВ источпи
ков Цифровая информация определяющая
точку растра цветного кадра, содержит до
30 двоичных разрядов В регенерационной
памяти изображений дисплея хранятся один
или несколько кадров. Кадры выдаются на
экран обычно через таблицу цветности, что
существенно сокращает объем памяти изо-
бражений. Скорость вывода информации из
памяти изображений согласуется со ско-
ростью ТВ развертки
Подсистема хранения изображении в за-
висимости от сложности включает в себя
накопители на гибких и/или жестких маг-
нитных дисках и/или связанный с диало
говой подсистемой аналоговый видеомагни-
тофон
70
Для ввода изображений, формируемых
обычным (не цифровым) способом, при
меняют оптические дигитайзеры, устройства
преобразования телевизионного сигнала в
цифровую форму и т. п Технология ввода
трехмерных изображений в СЭМ не отрабо-
тана. Обычно на объект наносится сетка,
координаты узлов которой вводятся в вы-
числительную систему, затем изображение
достраивается в интерактивном режиме.
Для автоматизации этой сложной и неточ-
ной процедуры в опытной эксплуатации при-
меняются электронно-механические измери-
тели трехмерных координат, радио- и аку-
стические локаторы, лазерные средства
сигнатурного анализа трехмерных объектов
[15, 16], которые из-за их сложности, вы-
соких цепы и требований к моделям (раз-
меры, материал освещенность) пока широ-
кого распространения не получили.
Практически все СЭМ обладают возмож-
ностями ввода-вывода полного ТВ и/или
RGB сигналов В большинстве систем име-
ются средства вывода изображений на кино-
пленку с разрешением 2000 4000 элемен-
тов в строке при соответствующем форма-
ту кадра числе строк. Проблема оператив
кого вывода изображений на кинопленку с
высоким качеством, пожалуй, самая главная
из проблем, препятствующих более широ-
кому внедрению СЭ.М на киностудиях Иног-
да используют устройства вывода изобра
жений на бумагу или целлулоид с после-
дующей киносъемкой. Современная техноло-,
гия киносъемки с экрана дисплея обеспе-
чивает разрешение до 4000 элементов в стро-
ке [17|, что делает изображение почти при-
емлемым для кино (изображение кинема-
тографического качества).
По сложности выполняемых функций
СЭМ можно разделить на пять групп [1|:
интерактивного формирования (хранения,
«рисования», простейшего редактирования)
изображений, автоматизации отдельных
этапов процесса создания мультфильмов;
преобразования изображений (повороты,
создание прозрачных изображений, внутри-
кадровый монтаж, панорамирование, ими-
тация виртуальной камеры, движение объ
ектов); формирования сложных (одушев
лепных) образов имеющих черты мульти-
пликационных персонажей наращиваемые
интеллектуальные системы Представляется
целесообразным СЭМ на основе персональ-
ных ЭВМ дополнительно выделить в отдель-
ную группу Основные характеристики
большинства зарубежных СЭМ, почти все из
которых выпускаются серийно и применяют
ся на теле- и киностудиях для обработки,
коррекции и формирования мультиплика-
ционных изображений, заставок, рекламных
роликов и т п. для ТВ и получения от-
Рис- 6. Структурная схема системы Art File
цельных художественных изображений или
их последовательности для кино приведены
в табл. 2. помещенной в конце статьи.
Системы интерактивного формирования
изображений. Для организации работ по
интерактивному хранению, редактированию
и получению как будто рисованных ТВ изо-
бражений необходим следующий набор
аппаратных средств
вычислительная подсистема па основе 8-
или 16 разрядного микропроцессора с ОЗУ
емкостью 64К байт и накопителя на гиб
ких магнитных дисках (НГМД);
диалоговая подсистема типа ГРД, позво
ляющая вводить, хранить и воспроизво-
дить 1 2 цветных ТВ кадра (микроЭВ^М
может быть встроена в ГРД) подсистема
включает в себя графический планшет и
манипуляторы;
подсистемы ввода-вывода ТВ сигналов.
Стоимость подобной СЭМ составляет
20 ..30 тыс. дол.
На рис. 6 представлена типовая струк-
турная схема на примере СЭ.М Art Pile1
[18, 19]. Память системы включает два бу-
фера кадров, винчестерский диск
(80 Мбайт) с возможным наращиванием
до 160, 340 Мбайт Память изображений
предназначена для хранения координат цве-
товой модели YIQ, совместимых с ТВ, при
чем информация о яркости Y компонеи
ты дискретизируется из расчета 864 эле-
мента в строке, а о Г и Q-компопентах —
из расчета 432 элемента в строке. Выбор
режимов работы и управление СЭМ осу-
ществляется исключительно с графического
планшета, на который нанесены соответ
ствующие пиктограммы.
Изображение формируется совмещением
реалистических и синтезируемых кадров.
1 Дополнительные данные о системах см в
табл. 2 и 3, помещенных в конце статьи
Системы могут быть объединены в много-
машинные комплексы. Системы такого уров
ня сложности ориентированы на специфи-
ческие применения.
Система Art Star II [20] предназначена
для подготовки мозаичных и мультиплика-
ционных изображений в информационных
ТВ выпусках Система включает буфер кад
ра, винчестерский диск (50 Мбайт)
В средствах массовой информации ис-
пользуются система Lightspeed Color |20],
в которой формируются ТВ изображения
в стандарте NTSC. Для хранения информа
ции используется магнитная лента и жест-
кий диск (65 Мбайт)
Автономная система Beacon [22] рабо-
тающая под управлением операционной си-
стемы СР/М, предназначена для выпол
пеиия операций раскраски и коррекции цве-
тового решения получаемых изображений,
хранящихся в четырех планах
Система видеоживописи Paint DPS-1
фирмы Dubner Computer Systems (США)
[23] позволяет осуществлять знакогепера-
цию, цветовую селекцию и коррекцию участ
ков изображения по цветовому тону, на-
сыщенности, яркости и контрасту, а также
некоторые операции по раскраске Система
имеет память изображений на 1, 2 или
4 поля в стандарте NTSC, диск (10 Мбайт,
8 изображений) и устройство вывода изо
бражения на магнитофон. Аналогичными
возможностями обладает система S260 фир-
мы Damien (Великобритания) [19]. Произ
водителыюсть систем интерактивного фор
мировапия изображений может быть новы
шеиа* в результате
ориентации СЭМ на решение отдельных
технологических задач (в первую очередь,
по получению и/или контролю промежу-
точных фаз движения и/или раскраски) ну
тем разработки специализированного про-
граммного обеспечения,
71
использования в вычислигсльной подси-
стеме высокопроизводительных ЭВМ, спе-
циализированных графических микропро-
цессоров и т. д ,
разделения функции по обработке изобра
жений между несколькими процессорами
и/или ЭВМ (например, одна ЭВМ исполь-
зуется для формирования изображений ТВ
качества, другая пересчитывает полученные
изображения для получения кинематогра-
фического качества, а третья обеспечивает
управление всеми устройствами системы),
наращивания памяти изображений с воз-
можностью одновременной визуализации на
экране нескольких планов;
создания единой сети рабочих мест ху-
дожников с единым банком данных/изобра-
жений, подключаемых по каналу с высокой
пропускной способностью к внешней высоко
производительной ЭВМ.
сопряжения СЭМ с различными устрой
ства.ми ввода-вывода для создания пог
ностыо цифровых студий синтеза изобра-
жений.
Цифровые системы автоматизации про-
цесса создания мультфильмов. Системы
автоматизации процесса создания мульт-
фильмов в настоящее время применяются
в основном для получения и/или контроля
промежуточных фаз движения персонажей
и раскраски
На рис. 7 представлена структурная схема
системы Electronic Arts System фирмы
Electronic Arts System (Великобритания)
112] . выполненная на основе мини ЭВМ
PDP 11/60 с памятью емкостью 96 Кбайт
и дополнительной памятью на жестких ди
сках емкостью 1,2 млн слов Два терминала
Tektronix предназначены для контроля вво
да изображений с графического планшета
и раскраски изображении с помощью элек-
тронной палитры Программно может быть
задан режим перемещения и изменения
формы объекта (метод аналогичен методу
P-кривых). Полученные изображения могут
быть совмещены с изображениями от других
источников и выведены на пленку, бумагу,
целлулоид, сняты с экрана дисплея
Фирма NAC (Япония) |2, 24] выпускает
семейство совместимых систем автоматиза-
ции различных этапов процесса создания
мультфильмов. Система Q. A. R. (Quick
Action Recorder) представляет собой управ-
ляемое микропроцессором полупроводнико-
вое ЗУ, связанное с ТВ камерой и мони-
тором, в которое может быть записано ло
256 контурных (двухуровневых) изображе-
ний. Система предназначена для контроля
качества нарисованных от руки промежу-
точных фаз движения путем изменения по-
рядка выборки отдельных кадров Терми-
нальная система закрытого типа I lectronic
Painter предназначена для выполнения ра-
бот по раскрацке мультипликационных изо-
бражений, которые могут быть выведены на
целлулоид, бумагу, видеоленту.
Система DAAO-2D фирмы Animatique
Comparetti (Франция) [24. 25] с разреше-
нием 575X672 элемента предназначена для
комплексной автоматизации процесса созда-
ния мультфильмов. Система позволяет соз-
дать 10 минутный фильм за один месяц
(обычный срок изготовления 3 4 месяца).
Фирма Hanrta-Barbara Productions
(США) для автоматизации процесса созда-
ния мультипликационных видеофильмов
(26] использует локальную вычислительную
сеть (до 15 терминалов) на базе систем
GMR-270 фирмы Grinnel Systems (США)
Автоматизирован процесс коррекции рисун-
ков для устранения неправильных соотно-
шений света и тени, раскраски и совмеще-
ния нескольких изображений в одно.
Внедрение систем автоматизации пронес
са создания мультфильмов сдерживается, в
основном, слабой формализацией алгорит-
Рис. 7 Структурная схема системы Electronic Arts System
72
мов построения промежуточных фаз движе-
ния «одушевленных» персонажей.
Системы преобразования изображении.
В системах преобразования изображений
реализуются функции поворота изображе
пия или его частей, панорамирование, ими
тация виртуальной камеры, получение полу-
прозрачных изображений, имитация боль-
шого набора кистей и текстур, а также раз-
личные способы получения мультипликаци-
онных перемещений. Структура этих систем
аналогична структуре систем интерактивно-
го формирования изображений. В вычисли
тельной подсистеме используется микропро-
цессор типа М68000 и операционная система
UNIX в диалоговой несколько (до 10)
полупроводниковых ЗУ изображений. Под-
системы хранения изображений позволяют
производить отбраковку кадров, перевод
ценных, по те актуальных кадров на ар
хивпые диски. Для получелтия надписей
(знако!операции) используются аппарат
пые и программные средства.
Часть систем этой группы предназначена
для реализации на ТВ всего комп текса
работ по получению изображений объеди-
няющих фрагменты изображений от ТВ сиг-
нала, нарисованных как будто от руки ри
cvhkob н синтезированных регулярных
структур. Это системы AVA-3 [22, 27|.
CBG-2 [20. 211. Chyron IV [211, Chameleon
119. 22), Creator 1000 фирмы Barco (Бель-
гия) [19|, Image Artist [22| и др. В системе
CBG-2 используется наращиваемая память
изображении два диска емкостью 10.Мбайт
каждый. В системе Creator 1 (JOO имеется
буфер кадра, жесткие диски общей емкостью
4...40 Мбайт Итоговое изображение может
быть сформировано из К) исходных фраг-
ментов с разрешением 768X512. Значнтель
ное внимание уделяется вопросам устране
ния искажении, вызванных представлением
сигналов в цифровой форме, особенно при
формировании надписей. В системе Crea-
tor 1000 предусмотрено 30 процедур устра
нения искажений
Другая часть систем рассматриваемой
группы ориентирована на получение эф
фекта мультипликации различными спосо-
бами.
В системах фирмы Aurora Systems
(США) [20, 211 используется эффект муль-
типликации в реальном масштабе времени с
применением таблицы цветности Антоном
пая система Crass фирмы Trickfilm Anlagen
Animation Equipment (.3. Берлин) |28| по-
зволяет полvчать в реальном масштабе пре
мени мультипликационную носледователь-
ность из внешней памяти в 4200 пзобра
женин ТВ качества В системах телеви-
дения НРБ [29|. фирмы Axiotek (США)
[211, Cyberview 100 System фирмы Cyber-
vision Inc. (США) [22] эффект мультипли-
кации реализуется путем относительного
«перемещения» отдельных зон памяти при
совместном выводе хранящихся в них изо-
бражении Система Cyberview 100 System
выполнена на базе микропроцессора Motoro-
la 68000 и имеет буфер кадра, реализо-
ванный по модульному принципу. Стоимость
системы 47 тыс дол.
В системах System One Е н System II
[21, 22] помимо всех этих методов реали-
зуются методы построения промежуточных
изображений по двум ключевым. Система
\ idifont Graphics V [21, 30] обеспечивает
получение простых мультипликационных сю
жетов и сложные преобразования надписей,
причем обработка переднего плана, исполь-
зуемого для надписей, и фона осуществляет-
ся раздельно. В системе обеспечивается
эффект мультипликации за счет применения
таблицы цветности, относительного «переме-
щения» областей памяти п построения про
межуточных изображений по двум ключе-
вым. Система включает системную память
(512К байт с возможностью наращивания
до 1024 К байт), внешнюю память (128К
байт с возможностью наращивания до
768К байт).
Системы формирования сложных образов.
В связи с тем, что понятие «сложного об
раза» в мультипликации достаточно услов-
но, к этой группе систем можно отнести
1акие СЭМ. в которых либо формируются
изображения ТВ и кинематографического
качества, либо только кипематографическо
го или близкого к нему качества и реали-
зуются сложные процедуры получения муи>
тпп.чикациоппых последовательностей. Сто-
имость таких систем достигает 300 тыс. дол
Архитектура части СЭМ напоминает ар-
хитектуру интеллектуальных ГРД формиро-
вания трехмерных изображений. В ряде слу
чаев интеллекту тльныс ГРД сами являются
основой СЭМ.
Система Dalim |22|, выполненная на ос-
нове графического терминала Tektronix
4115В [48| (микропроцессоры Intel 80286.
80287), предназначена для обработки и
формирования изображений в нескольких
планах, которые можно накладывать друг
на друга. Одновременно может формиро-
ваться до семи изображении, число уровней
имитации изменения фокусного расстояния
достигает 320
Система Iris 2400 Turbo фирмы Silicon
Graphics (США) сама нс. пользуете я в ка-
честве СЭМ |21| Выполненная па основе
микропроцессора 5468(1(10. система обладает
наращиваемой оперативной памятью ем-
костью до 14 Мбайт. Формируемые в реаль-
73
Диалоговый
процессор
Видео выход
Графический
процессор
Памяти данных
Интерактив-
ный процессор
Процессор
управления и
память для
хранения
команд
I
I
Процессор
адресаций
Процессор
реального
бремени
Процессор
управления
НГМД
___ управления
винчестере -
Процессор
/правления
ними дисками
Цифровой
вход/выход
, Видео
вход/выхов
интерфейс для других машин
Рис. 8. Сгруктурная схема системы Ti?re 3000
пом времени мультипликационные изобра
жения имеют разрешение 1024X800 элемен-
тов Система может быть подключена к ло
калькой сети.
На основе этой системы фирма Art et
Electronic Design (Франция) разработала
СЭМ Pixor Bora Bora [16] для обработки
киноизображений. Изображения вводятся в
эту систему с помощью камеры с высоким
разрешением (4096X5200 элементов) или с
прецизионного графического планшета.
Трехмерные изображения формируются
практически в реальном времени.
Структурная схема СЭЛА Tigre 3000 [32]
представлена на рис 8. Высокая произ-
водительность достигается аппаратной, ар-
хитектурной и программной реализацией
процедур формирования мультипликацион
пых последовательностей. В большинстве
элементов системы используются ЭСЛ-ми-
кросхемы. Фактически обработку осущест-
вляют несколько процессоров одновремен-
но: процессор адресации (адресное про
странство до 24 1 байт) определяет место-
положение обрабатываемого элемента изо-
бражения графический процессор формиру
ет необходимое изображение с использова-
нием таблицы цветности, в том числе над
писи, определяемые с помощью графине
ских контуров, процессор реального вре
мени (быстродействие 1 млн операций в
секунду для данных с плавающей запя-
той) обеспечивает выполнение необходимых
вычислений. Математическое обеспечение
реализовано на алгоритмических языках
Фортран, Паскаль и Си. Вычислительная
мощность системы позволяет в интерактив-
ном режиме выполнять задания четырех
операторов, одновременно использующих
ресурсы СЭМ, а всего для работы с систе-
мой может быть организовано до 12 рабо-
чих мест. Система через микропрограмми-
руемый интерфейс может быть соединена
с любой универсальной ЭВМ (например,
типа VAX) и использоваться в качестве
и нтел л е кту ал ыю го те р м и н а л а.
Аналогично в системе Cubi 7 [24] фирмы
Telmat-Capiton (Франция), выполненной на
основе 32-разрядпого микропроцессора, опе-
ративной мультиблочной памяти емкостью
5 Мбайт, аппаратных микропрограммируе-
мых знакогенератора, векторного процессо-
ра, генератора многоугольников, формиру-
ются сложные трехмерные изображения в
реальном масштабе времени. Система мо-
жет использоваться в качестве интеллекту
ального терминала
Система FGS-4000 [21,33] предназначена
для получения сложных мультипликацион-
ных изображений в реальном масштабе вре-
мени с аппаратной коррекцией искажений
(гауссовская). Эффект достигается за счет
применения специализированного графиче
ского конвейерного процессора, процессора
обработки на основе микропроцессора Mo-
torola 68000, процессора управления на
основе микропроцессора Intel 8085 и аппа-
ратно-программной реализации большинст-
ва преобразований. Система использует
два гибких диска (по 500К байт), жесткий
диск (80 Мбайт с возможностью наращи-
вания до 720 Мбайт). Для получения
мультипликационных изображений худож
ник последовательно обращается к не-
скольким процедурам объединенным в ре-
дакторы (рис. 9) В системе не реализован
процесс динамических изменений образов по
форме, это является единственным ограни-
чением по получению любых мультиплика-
ционных последовательностей. Фирма по-
стоянно совершенствует программно-мате-
матическое обеспечение, добиваясь макси-
мальной скорости обработки сложных трех
мерных изображений
Система PAMVAP (Parallel Architecture
Machine for Versatile Animation Production)
[34] предназначена для быстрого создания
мультипликационных программ для ТВ в
стандарте NTSC Секция генерации изобра-
жений состоит из нескольких процессоров на
основе микропроцессоров Z 8002, организо-
ванных таким образом, что информация с
выхода одного может подаваться на вход
другого для ускорения процесса обработки.
74
Рис. 9. Формирование изображений в системе
FGS 4000
В секции управления используется микро-
процессор Intel 8085.
К этому же классу относится еще несколь-
ко систем В системе Abyssa [22] форми
руются восемь высококачественных изобра-
жений: два в естественных цветах, два в
псевдоцветах, два контурных и два масоч
пых. Система выполнена на основе микро
процессора Motorola 68000, имеет оптиче-
ский диск.
В системе Color Graphics System [24]
формируются последовательности трехмер-
ных высококачественных кадров. В системе
Images II [21] выполняется весь комплекс
работ по формированию трехмерных мульти-
пликационных последовательностей с кор-
рекцией искажений. Система выполнена на
базе микроЭВМ LSI 11/73 фирмы DEC,
имеет буфер кадра, два гибких диска
(400К байт), жесткий диск (10 Мбайт с
возможностью расширения до 300 Мбайт)
Автономная система Psyche 3 [24. 25]
предназначена для получения двумерных
мультипликационных изображении, которые
формируются путем интерполяции двух или
нескольких ключевых рисунков, вводимых
с графического планшета, причем методы
интерполяции и «сценарий манипуляции»
(вращение, масштабирование, перемете
ние, изменение формы) могут быть измене-
ны При поворотах изображения осущест
вляется коррекция изображении Устройст-
ва системы DPB -700 Paintbox [21 22, 35],
образующие вычислительную сеть, в кото
рой может быть до 15 терминалов, позво-
ляют получать ТВ изображения любой
сложности и совместимы с другими изделия
ми фирмы: Mirage (эффекты типа нанесения
двумерных изображений иа поверхности
трехмерных объектов). Encore (видеоэф-
фекты) и др. Базовый комплект выполнен
па основе микропроцессора Motorola 68000,
имеет буфер кадра, намять на гибких ди-
сках (до 1,6 Мбайт), жестких дисках (до
14 Гбайт)
Объединенные в семейства Atalis и Getris
системы фирмы Getris Images (Франция)
|36| предназначены для выполнения раз-
личных задач по формированию трехмерных
мультипликационных изображений в реаль
ном масштабе времени.
Одной из наиболее перспективных СЭМ,
предназначенных для получения мультипли-
кационных и синтезированных специально
для кино изображений является система
Pixar Image Computer [37, 38| В ней ма-
шинная графика сочетается со средствами
обработки изображений. Такая комбинация
позволяет получить в рамках относительно
невысокой по цене системы все желаемые
возможности быстродействие, очень вы-
сокую разрешающую способность, реали-
стичность изображений и программируе-
мость
Система Pixar Image Computer представ
ляет собой ЭВМ па базе архитектуры SLMD
(один поток команд много потоков дан-
ных) которая рассчитана на исключигельно
быстрые вычисления при обработке элемен
тов изображения. Выбранная архитектура
позволяет выполнять 40 млн. опер./с в рас
чете на один процессор. Поскольку в системе
может использоваться до восьми процессо-
ров. то предельная скорость равна
320 млн опер./с.
В первом варианте системы используются
только серийно выпускаемые компоненты.
Высокая производительность достигнута
исключительно вследствие применения па-
раллельной архитектуры. Быстродействие
обеспечивается благодаря применению ка
налыюго процессора Chap (Channel Pro-
cessor) Данные в него поступают из памяти
изображений по шине с пропускной спо
собпостью 240 Мбайт/с; при обработке в
канальном процессоре информация распа-
раллеливается (4 потока). Системный канал
служит для вывода видеоинформации по
шине с пропускной способностью
480 Мбайт/с.
Время цикла процессора (.hap составляет
85 ис. Процессор имеет микропрограммное
управление. Выполнение каждой команды
(при полностью конвейеризованных кана
лах) занимает от одного до четырех так
товых периодов.
75
Четыре потока данных, которые подвер-
гаются обработке с помощью одного набора
команд, несут информацию о красных, зе-
леных и синих элементах кадра и спепиаль
ную информацию, позволяющую системе об-
рабатывать участки изображения, которые
должны быть прозрачными. Специальная
информация служит для контроля прозрач-
ности воспроизводимых цветов.
Указанная организация канального про
цессора позволяет строить из ряда отдель-
ных изображений реалистические картинки.
В зависимости от назначения информации
имеется возможность формирования комби
иироваппых изображений из неограничен-
ного числа исходных, причем обеспечивает
ся полное устранение контурных неровно-
стей.
В памяти можно хранить информацию
о 32 млн элементов изображения, причем
в зависимости от варианта системы каж
дый элемент определяется 32 или 48 двоич-
ными разрядами.
Для обеспечения приемлемого качества
изображений при формировании киноизо-
бражений достаточно разрешение 2000Х
Х2000 элементов. Однако для удовлетворе-
ния повышенных требований может быть
реализован вариант, обеспечивающий раз-
решение 4000X8000 элементов изображе-
ния. В настоящее время существуют на
риапгы системы для обработки двух- и
трехмерных изображений
Наращиваемые интеллектуальные систе-
мы. Архитектура большинства наращивае-
мых интеллектуальных СЭМ напоминает ар
хитектуру автоматизированных систем об-
работки изображений, выполненных на ос-
нове ЭВМ типа VAX780 [45]. Например,
система Graphicsland [46], предназначен
ная для проведения исследовательских ра
бот по получению трехмерных мультипли-
кационных изображений, помимо ЭВМ
VAX 11/780 имеет память изображении с
разрешением 512X512 элементов, устрой-
ства вывода изображений на кинопленку
с разрешением 4096 элементов в строке,
программную коррекцию искажений и т. п
Применение в комплексе трех базовых трех-
мерных преобразований (перемещение, по-
ворот, изменение масштаба) оказалось до
статочным для получения любых мулы и
пликациопных эффектов, включая построе-
ние промежуточных изображений па основе
двух или нескольких ключевых.
Для получения высококачественных изо
бражеппй кинематогр тфического качества
фирма Digital Productions (США) разрабо-
тала технологический процесс цифрового
моделирования сцеп (Digital Scene Simula-
tion) [11]. Для его реализации используется
вычислительный комплекс, вычислительная
подсистема которого выполнена па основе
двухпроцессорной супер-ЭВМ Cray Х-МР
фирмы Cray Research (США). Диалоговая
подсистема комплекса включает в себя двух-
процессорную ЭВМ VAX 11/782, выполняю
щую также функцию периферийного про-
цессора, несколько ГРД моделей 9466,
2020 фирмы Ramtec Corp. (CILLA), пре-
цизионные графические и «аншеты и интел-
лектуальные терминалы просмотра в реаль
ном времени па основе векторных дисплеев.
Подсистема ввода-вывода комплекса имеет
устройства вывода изображений на кино-
пленку. В первоначальном варианте приме-
нение супер-ЭВМ Cray I позволяло при не
прерывной работе синтезировать только
4 мин реалистических киноизображений в
месяц (45 мин в год), а применение мо-
дели Cray X МР позволяет получать 12 мин
фильма в месяц (144 мин в год).
По написанному сценарию художник-
мультипликатор анализирует сцепу и дает
визуальное описание ключевых кадров. Пос
ле выделения объекта его проекция в трех
измерениях дискретизируется, кодируется,
причем поверхности изображаются в виде
набора многоугольников. Но этим данным
в системе формируется трехмерная модель
Реалистический образ получается после до-
бавления текстур, размещения источников
света и т. д. Построение промежуточных
кадров осуществляется в интерактивном ре-
жиме по двум ключевым; плавность пере
ходов контролирует художник.
На заключительном этапе формируются
отредактированные кадры фильма, которые
с фотографической точностью выводятся
па кинопленку Для программирования нс
пользовались языки высокого уровня.
Системы на основе персональных ЭВМ.
Распространение персональных ЭВМ (в пер
вую очередь IBM PC и ее модификаций
XT и АТ фирмы IBM Corp ) привело к
появлению многофункциональных СЭМ, на-
ращиваемых по программному и аппаратно-
му обеспечению. Стоимость систем составля
ет 20...40 тыс. дол.
Структурная схема СЭМ Picture Maker
[39, 40] приведена на рис. 10 (.ложные
трехмерные изображения в системе форми-
руются в виде проволочного каркаса с по
следующим затушевыванием, после чего
осуществляется формирование мультипли-
кационных последова гельностей. в которых
реалистические и синтезированные изобра-
жения могут быть объединены Для со
пряжения с видеомагнитофоном использует
ся устройство DQ422 фирмы Diaquest
(CILIA) [41], а для вывода па кинопленку
имеется устройство с разрешением
76
Рис. 10. Структурная схема системы Picture
Maker
2000 строк. Такая конфигурация типична
для большинства систем иа основе нсрсо
нальных ЭВМ IBM PC ХТ/АТ, различаются
они в основном степенью точности, каче-
ством представления изображений и функ
циопальиыми возможностими
В системе PC. 2000 Studio Computer [211
реали товапо большинство ТВ ф\ нкиий СЭМ
В системе Polycad 10 [22] помимо пер-
сонального компьютера IBM PC дополни
тельно используется арифметический со-
процессор и наращиваемая память изобра
'жений, кратная 512X512X16 разрядов.
Программно реализованы вычисление цент-
ра масс трехмерного объекта, изменение
числа источников света и т. д. В спс геме
Aurora 75 фирмы Aurora Systems (США)
[21, 42| реализован эффект мультиплика-
ции реального времени простейших изобра
жений. В системе Grasys I [22, 43]. пред-
назначенной преимущественно для ТВ. пс об-
ходимое качество получаемых изображений
обеспечивается применением аппаратно-
программных методов устранения искаже-
ний. В системе реализованы 16 уровней
прозрачности, автоматическое устранение
невидимых линии и расширенны! набор
текстур.
К более сложным системам на основе
персональных ЭВМ IBM PC относятся раз
работки фирм X Сот (Франция) и Gix
Image (Франция) |22, 25. 441 Наращи
ваемая система Graph 9-|- помимо графи-
ческой манипуляции объектами втрехмер-
ном пространстве. зпакогенерацпн, внутри
кадрового монтажа и др позволяет форми-
ровать библиотеку изображений (до 50) иа
твердом диске для достижения различных
эффектов м ул ьти пл и ка ни и.
Система включает два гибких диска
(800К байт), жесткие диски (до 10 Мбайт)
Система комплектуется дополнительным
оборудованием: памятью изображений, гра-
е[>ическим планшетом большого формата.
устройствами вывода полутоновых изобра-
жений на бумагу и г. д. Использование
интерфейса VF.S дает возможность полу-
чать цветные мультипликационные изобра-
жения от внешних накопителей со скоро-
стью 25 кадров в секу еду на основе ре1
жиссерского сценария и/илп специально за-
данной программы.
Фирмой Gi.xi-1 mage разработано семей-
ство СЭЛА различного назначения на основе
персональных ЭВМ IBM PC/XT и термина
лов Radiance 320. Система Image III служит
для обработки IB изображений с цветовой
палитрой в 16 млн оттенков, система
Х-Ра nt обладает еще более широкой нвето
вой палитрой, система Legende позволяет
формировать высококачествен! ые изобра-
жения с разрешением 4096X4096 элех ептов,
а система Image 3D предназначена для вы-
полнения всего комплекса работ по созда
пню мультфильмов.
Фирма Месапоггпа (Франция) разработа-
ла цифровую студию-комплекс ‘Tje studio
clectroniqe” [22| па основе персональной
ЭВЛА IBM PC/XT для промышленных и
исследовательских целей. В комплексе фор-
мируются изображения кнпематографиче
ского качества, а поставляемое по заказу
периферийное оборудование позволяет ори-
ентировать комплекс иа различные приме-
нения, наращивать память изображения.
Помимо IBM PC в СЭМ предполагается
использовать персональные ЭВМ. выпол-
ненные на основе 32 разрядных микропро
цессоров, работающих под управ iei ,’ем
не только операционной системы MS-DOS,
но и I NIX.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В ТВ СЭМ эффективно используются
для получения комбинированных кадров,
специальных эффектов, заставок, мульт-
фильмов и т. п. Эти процессы полностью
автоматизируются, причем в самых совер-
шенных СЭЛА в реальном масштабе
времени
2. В кино применение СЭМ сдерживается
требованиями получения высококачествен-
ных киноизображений Экономически оправ
дано применение СЭЛА для раскраски, копт
роля и коррекции правильности построе
пня промежуточных фаз и репетиционных
просмотров. Сложные, СЭЛА позволяют пО-
лхчать недостижимые другими способами
эффекты. Несмотря на то, что общая про-
должительность всех синтезированных в ми
ре кииосюжетов не превышает нескольких
часов, уже получено несколько коротких
фильмов, художественные достоинства и ка-
чество которых не уступает фильмам, сия
тым традиционным способом
77
3 Наиболее существенные проблемы, пре-
пятствующие более широкому внедрению
СЭМ в процесс производства художествен
пых фильтров, следующие:
ввод или хотя бы отработанная техно-
логия ввода трехмерных моделей в вычисли-
тельную систему,
выбор рациональных соотношений между
объемом памяти изображений, производи
телыюстыо системы, качеством представле-
ния изображений и др параметрами,
«одушевление» образов (получаемые изо-
бражения пока выглядят слишком искус-
ственными, алгоритмы изменений выраже-
ний лица человека, его походки и т. п. еще
слабо изучены и для каждого фильма соз-
даются снова, в основном путем механиче-
ского перенесения с живой модели на син-
тезируемый образ),
вывод на пленку изображений кинема-
тографического качества;
разработка новых технологий.
4. Наиболее совершенные СЭМ характе-
ризуются следующими свойствами-
полная цветовая палитра (16 млн оттен-
ков), соответствие качества изображений
ТВ стандарту или более высоким требова-
ниям, автоматическая коррекция искаже-
ний, вывод на кинопленку;
возможность получения промежуточных
изображений, внутрикадровый монтаж, ши-
рокий набор графических средств;
возможность объединения систем в вычис-
лительные комплексы с подключением высо-
копроизводительных ЭВМ, наращиваемость
в области аппаратных средств и программ-
ного обеспечения, применение стандартов
на графические системы.
5. Наиболее перспективными представ-
ляются интегрированные СЭМ на основе
персональных ЭВМ типа IBM PC, совме-
стимые по аппаратному и программному
обеспечению; многопроцессорные системы,
включающие специальные графические про-
цессоры, процессоры управления и обработ-
ки, программируемые знакогенераторы, ори-
ентированные на задачи электронной муль-
типликации.
Эти системы при использовании высоко-
производительных универсальных ЭВМ мо-
гут являться основой вычислительных комп-
лексов
Таблица 2
Основные характеристики систем электронной мультипликации
Система Фирма (страна) Общее число цветов Чило оттенков, одновременно внзуализируе M1JX Разрешение (число элементов в строкеХ X число строк) Стоимость, тыс дол.
Abyssa Mautom (Франция) 16 млн 16 млн 2000X3000 45
Art File Rank Cintcl (Великобритания) 16 млн 16 M.IH 625 строк (576 актив- ных) —
Art Star II CoIographics Systems Inc. (США) 16 млн 366 тыс I024X Ю24‘ 756X4842 4000 строк3 95
AVA 3 Anipex Corporation (CHIA) 16 млн 349 тыс. 421 тыс. 720X485 720X585 90
Beacon Florida (CHIA) 256 16 1280X960 640Х4802 28
CAAS Computer Graphics Lab. (США) 256 16 512X512 Около 140
CBG 2 Dubner Computer Systems (США) 4096 64 525Х 1024 НО
Chameleon Chvron Corp. (США) 4096 256 768X852
Chyron IV Chyron Corp (США) 512 130 2048X512 54
Color, Graphics System Symbolics Graphics Di vision (США) 1.7 млн 300 тыс 640X480 100
Computer Videographics System Aurora Systems (США) 16 млн 128 512X486 100
Dahm Grepa (Франция) 32 тыс 32 тыс. 4096X4096 100
DPB-7000 Paintbox MCI Quantel (Великоб ритания) 16 мин 16 мин Зависит от спецпро- цессора 105 150
78
Окончание таблицы 2
Система Фирма (страна) Общее число цветов Число оттенков, одноиременно визуализируе- мых Разрешение (число элементов в строке Хчнс^ю строк) Стоимость, тыс. дол.
Electronic Painter NAC (Япония) 574X672 250
FGS-4000 Robert Bosch Corp (США) 16 МЛ 11 16 млн 525х 768 625 X 768 300
Genigraphics 100 V General Electric Gem graphics Company (США) 16 млн 64 484X512 420
GMR-270 (на основе) Hanna-Barbara Produc- tions (CHIA) 1024 256 512X512 —
Graph 9+ X Com (Франция) 32 768 32 768 512X768 16
Graphicsland Университет Calgary (Великобритания) 16 млн 16 млн 512X512
Grasys 1 Grace (Франция) 64 тыс. от 4096 до 64 тыс. 768X576 640X488 20 25
Image (семейство) Cixi-Image (Франция) 16 млн до 16 млн от 640X 512 до 4096Х Х4096 30
Image Artist SNV Group (Великобри- тания) — 256 X 768X576 45
Images II Computer Graphics Lab. (США) 16 МЛ 11 256 16 млн 4096 X 4096' 5I2X4862 150
l.e studio electronique Mecanorma (Франция) — — 4096X2730 35
I ightspeed Color Lightspeed Computers (США) 16 млн 2 млн 768Х512Х Х24 90
PAMVAP NIIK (Япония) 16 млн 2 «56 512Х 1024
PC 2000 Studio Computer Artronics Inc. и 3M Corp (США) 16 мл в 256 512X512' 480Х4802 25
Picture Maker Cnbicomp Corp (США) 64 тыс. 64 тыс. 486 строк 25
Pixar Image Computer Lucasfilm Ltd (США) 16 млн 16 млн от 2000Х Х2000 до 4 000Х Х8000 105
Pixor Bora-Bora Art et Electronic Design (Франция) 16 млн 1280Х 1280 8000X8000
Polycad 10 Cubicornp Corp. (США) 16 млн 4096 512X512 45
Psyche 3 X-Com. 1. N. A. (Франция) 16 млн 16 млн 512X512 100
Studio Computer Paint System Artronics Inc. (C11LA) 16 млн 250 тыс. от 512X483 до 1024X576 20 80
System One E Via Video (США) 1096 16 486X576 656X485 2048X 20482 45
System II Via Video (США) 16 млн 16 млн 98
System 400 Wasatch (CHIA) 16 млн. 128 1024X780 —
Tigre 3000 Tigre (Франция) — — 1344Х Ю24 1024X1024 430
Vidifoni Graphics V Thornson-CSF (Франция) от 4096 ЦО 16 мл г 64. 2048 544X487 70
100 Video Animation Slide System General Electric Genigraphics Company (CHIA) 16 млн 64 484X512 95
100 Digital Video Graphics System Auorora System (США) 16 млн 128 486X512 100
1 Разрешение памяти изображений
2 Разрешение при выводе на экран
3 Разрешение при выводе на кинопленку
79
Таблица 3
Устройства ввода изображений
Система Пульт опера- тора Графи ческий планшет Камера для ввода изобра женин Уст рой - ство ти па стоп- кадр Видео лента Тип (стандарт) выходных сигналов
черно белых цвет- ных RGB PAL SECAM NTSC
Abyssa 4- 4- 4-
Art File — 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4-
Art Star II 4- 1 4- 4- 4- 4- 4- 4- — 4-
AV A-3 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- — 4-
CBG-2 + 4- 4- -— 4- 4- 4- 4- 4- 4-
Chameleon + 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- + 4-
Cheron IV 4- 4- 4- — 4- 4- 4- 4- 4- 4-
Color Graphics Sys tern + 4- 4- 4- 4- 4- 1- 4- — 4-
Computer Videograp hies System + 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4-
Creator 1000 + 4- 4- 4- 4- 4-
Cyberview 100 Svstem 4- 4- — 4- 4- 4-
DAAO-2D 4- — 4- 4- 4- 4-
DPB-7000 Paintbox 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- — 4-
Electronic Arts Sys- 4- -1- + 4-
tern Electronic Painter 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- — 4-
IGS-4000 4- 4- — 4- 4- — 4- — — 4-
Gei igraphics 100 V 4- — — — — 4- 4-
Graph 9+ 4- 4- 4-
Graphicsland 4- 4- — 4- — — 4- — —
Grasvs 1 4- 4- — — 4- — 4- — 4- 4-
GMR 270 ( la основе) 4- -Ь — 4- — — 4-
Image (семейство) 4- 4- —• 4- 4- 4-
Il tages 11 4- 4- 4- — 4- 4- 4- — 4-
l.e studio elect!unique 4- 4- 4- 4-
highspeed Color 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4—
Paint DPS 1 4- 4- 4- 4-
PAMVAP 4- 4- 4-
PC 2000 Studio Com- puter 4- 4- 4- — 1 — — 4- 4- — —
Picture Maker 4- 4- 4- 4- 4- — 4- — 4-
Pixar Image Computer 4- 4- — 4- — — 4- — — —
Polvcad 10 4- 4- 4- 4- 4- 4- — —• 4-
Psvche 3 4- 4- — 4- , — 4- 4- 4- 4- 4-
Studio Computer Paint Svstem L 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4-
System One E 4- 4- 4- 4- — 4- 4- 4- 4-
Svstem 11 4- 4- 4- — —- — 4- 4- — —
Tigre 3000 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4-
V'idiiont Graphics V 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4- 4-
100 V ideo Graph cs Svstem 4- 4- 4- 4- -4 — —
100 Video Animation Slide System 4- 4- — 4- —
СПИСОК ЛИ П2РАТУРЫ
I. Magnenant-Thalinan N Thalman D
Computer Animation. Theory and Prac-
tice Tokyo Springer-Verlag, 1985.
2. Hayward S. Computers for Animation.-
London. Focal Press, 1984
3. Фоли Д., ван Дэн Л. Основы интерак-
тивной машинной гр k|iiiki 11ер. с англ.
Иод ред IO. \\ Банковского- VI
Мир. 1985.
4. Booth К- S., Kochanek D. Н., Wein М.—
1Г.1 I. Spectr m 1983. v 20. ЛЬ 2
5. Hubbold R. J. — In: Proc, of the hit.
Coni, on Computer Graphics, l-ondon.
1984,Oct
80
6. Magnenant-Thalman N., Thalman D
Computer Generated Images. The State
of Art. Tokyo: Springer-Verlag, 1985.
7. Sliourp R. — In. Proc, oi SIGGRAPH’79,
Computer Graphics, 1979, Aug.
8. Booth K. S., Mackay S. — In: Proc, oi
Grapl ics Interface'82. 1982.
9. Burtnyk N., Wein M. SMPTE J.,
1971, v 80, Ab 3.
10. Burtnyk N., Wein M. — Com. ACM, 1976,
v. 19,'Ab 10.
II. Demos G., Brown M D., Wein-
berg R. Л. — Proc, of the IEEE, 1984.
v. 12, № I.
12. Reiss M. S. Computer Graphics
World. 1984. v. 7, № 6.
13. Schindler M. - Electron. Des., 1983.
v. 31. Ab 2
11 Мануэль T. Электроника, 1984, Ab 13.
15. Джекобс Э. — Электроника, 1985, Ab 11.
16. Eouque P. Lc technicien du film et de
la video. 1986, Ab 346.
17. Wurts J. — Computer Graphics World,
1985, v. 8, Ab 2.
18. Проспект фирмы Rank Cintel, 1985.
19. 1BE, 1985, v. 16. Ab 206, p. 28—30.
20. Hutzel L, Peters Ch. Computer Gra-
pl ics World, 1984, v 7. J b 8
21. Hutzel 1. Computer Graphics World,
1985, v. 8, Ab 4
22. Minis et Micros, 1986, N 249/his.
p 27 29
23. Synopses of Papers 127 th SMPTE Tech-
nical Conference and Equipment Exhibit
Los-Angeles, 1985.
24 Fouque P. Le technicien du film et de
la video. 1986, Ab 345.
25 Le technicien du film et de la video,
1985. № 331. p. 30 32.
26 Проспект фирмы Hanna Barbara Pro
ductions — Computer Graphics World
1985, Ab 2.
27. Ampex Corp. — Audio-Video svstems
catalog, 1985, AVA-3. 1986.
28 Le technicien du film et de la video
1985, Ab 332, p 10
29. Филков Э., Чукалейски Э. Радио
и телевидение. 1985, т. 35, АЬ 6.
30. Проспекты фирмы Thomson-CSF, 1986.
31. Dalloz X. Minis et micros, 1986,
. Ab 249/bis
32. Pradenc H. — Electronique Industriclle,
1985, Ab 96
33. FGS-4000 Video Graphic System. In-
struction Manual, Robert Bosch Corpo-
ration, 1986.
34. Kutsuzawa J.e. a. In: NHK Labora-
tories Note, Serial Ab 272, Tokyo, 1982,
Febr.
35. Le technicien du film et de la video,
.1985, Ab 310. p 16 17.
36 Wetzel T. Le technicien du film et de
la video, 1986, Ab 344.
37. Мануэль T. — Электроника. 1985. Ab 11.
38. Cadmull E. Computer Grapihcs World,
1984. v. 7, № 8
39. Мануэль T. —’Электроника, 1985, Ab 9.
10. Проспекты фирм Cubicomp Corp., Am-
pex Corp . 1986
41. Robertson S. Computer Graphics
World. 1985. v. 8. Ab II.
42. Debrenne M. Le technicien du lilm
et de la video, 1985, Ab 339.
43. Проспект фирмы Grace, 1986.
44. Mantoux J.-F. Le technicien du film
et de la video, 1985. Ab 335.
45. Гимельфарб Г. Л. — Зарубежная радио-
электроника, 1985, Ab 10.
46. Wyvill В., McPhuters С., Garbutt R. -
BKSTS J 1985. v. 67, № 6.
УДК 621.383
УСТРОЙСТВА интегральной оптики для волоконно-
оптических СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Вознесенский В А.
Последние годы характеризуются суще-
ственными успехами в области разработки
элементов и устройств интегральной оптики
(ИО), что позволило перейти к созданию
достаточно сложных оптических интеграль-
ных схем (ОИС), используемых в ВОСП,
волоконно-оптических датчиках физических
полей и системах оптической обработки ин-
формации. Эти успехи достигнуты благода-
ря интенсивной работе в области техно-
логии волноводных структур, развитию но-
вых идей в схемотехнике интегральной оп-
тики [I, 2). Совершенствование техноло-
гии создания волноводов с использованием
соединений Л UBV позволило получить струк-
туры с оптическими потерями менее
О, I дБ/см. Интегральная оптоэлектроника
на основе этих соединений в настоящий
момент представляет одно из наиболее пер-
спективных и быстро развивающихся на-
правлений интегральной оптики [4) Разра
ботана технология и созданы ОИС, исполь-
зующие в качестве основы кремний [5].
Существенные успехи получены при разра-
ботке. и внедрении элементов и устройств
интегральной оптики на основе активных
диэлектриков типа ниобата лития (LiNbO.,)
и стекол.
Сравнительные характеристики материа-
лов используемых в ИО, представлены в
таблице.
Как видно из таблицы, соединения
Л1ПЬл наиболее перспективны для созда-
ния устройств ИО, только на их основе
возможна разработка монолитных ОИС
Однако основные работы по элементам
ИО ведутся с ниобатом лития, поскольку
технология волноводных структур на его ос-
нове проста и наиболее разработана [22]
Области применения ИО постоянно рас-
ширяются, интерес к разработкам растет.
Об этом свидетельствуют материалы между
народных конференций но интегральной оп-
тике, оптической связи, волоконно-оптиче-
ским датчиком (ВОД), проходивших в Вене
ции. Сан Франциско, Саи Диего в 1985 г.
В данной статье основное внимание уде-
лено состоянию разработки и применению
элементов ИО для ВОСП и ВОД, опти-
ческим интегральным схемам для устройств
обработки и преобразования сигналов.
ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ
К элементам интегральной оптики отно-
сятся устройства ввода и согласования,
фокусирующие системы и планарные приз-
мы [21] отражатели, аттенюаторы, ди-
фракционные решетки, канальные и полос-
ковые элементы волноводного тракта [23],
электро- и акустооптические элементы Ка
Таблица
Вид материала Наличие свойств и характеристики
Электрооп- тический эффект Акустооп тический эффект Качество и по- тери в свето- водах (дБ/см) на волне 1,3 мкм Возможность интеграции излучателя Возможность интеграции фотопрн- емников Технологич- ность
SijNi-biO,—Si Отсутст- вует Имеется только в сложной структуре Отличное, 0,05 Только в гибридной структуре Имеется Средняя
GaAs Имеется Имеется Очень хоро шее. 0,01 Имеется Имеется Низкая
LiNbO3 Имеется И меется Хорошее, 0,5 Только в гибридной структуре Только в гибридной структуре Высокая
82
иальные и полосковые ИО волноводные
структуры, ввиду возможности эффектив-
ного согласования с волоконно-оптическим
трактом, находят широкое применение при
разработке разветвленных ВОСП и ВОД
На их основе реализуются рупорные струк-
туры, увеличивающие эффективность согла-
сования при вводе излучения в волновод,
волноводные расширители апертуры. На ос
нове связанных волноводов получены много-
канальные делители мощности и модулято-
ры излучения, частотно-селективные фильт
ры кольцевого и дифракционного типа,
слоистые волноводные структуры. Элементы
типа Y разветвителей являются одним из на-
иболее распространенных конструктивных
элементов ОИС. На их основе возможно
создание различных интегральных иитерфе
рометров, делителей мощности При постро-
ении разветвленных цепей интегральной оп-
тики применяются S-образные переходы с
различным радиусом закругления.
Успешно реализованы акустоонтические
планарные элементы до частот более 2,0 П ц
с относительной шириной полосы до 50 %.
Разработаны дифракционные электроопти-
ческие элементы с электродами встречно-
штыревого типа различного функционально
го назначения. Исследованы интегральные
интерферометры типа Маха Цандера, рабо
тающие в режиме бегущей волны с шириной
полосы модуляции ~17 ГГц. Применение
таких элементов, их объединение в одном
интегрально оптическом устройстве позво-
лило реализовать целый ряд уникальных
устройств, превосходящих по своим пара-
метрам микроэлектронные аналоги. Их ши-
рокое применение позволило значительно
улучшить характеристики ВОСП, реализо-
вать разветвленные системы ВОД
Создание когерентных ВОСП требует раз-
работки интегральных устройств гетеродин
иого приема стабилизации и спектрального
ограничения излучателей, фильтров, широ
кополосных переключателей и модуляторов
На базе оптических направленных ответви-
телей может быть [11] эффективно реали
зовано устройство для синхронизации мод
полупроводникового лазерного излучателя
(рис. 1, а) за счет модуляции доброт
иости его InGaAsP/InP резонатора Ис-
пользованный в них направленный ответви-
тель, выполненный иа z-срезе инобата ли
тия иа один проход имел потери порядка
1 дБ. В узле, согласования лазер ответ
витель потери составляли 3 дБ; длина об-
ласти взаимодействия 9,5 мм, ширина поло
сы 50 %-и модуляции порядка 10 ГГц Для
синхронизации мод на модулятор подается
постоянное смещение и синусоидальный
сигнал иа основной частоте (1,8 ГГц), со
Рис 1. Применение интегрально-оптических на-
правленных ответвителей для синхронизации мод
полупроводникового лазера (а) и для линий за-
держки с прямой (б) и обратной (в) связью:
1 полупроводниковый лазер. 2 — управляю-
щий сигнал, 3 — подложка из ниобата лития,
4 — титандиффузпые канальные волноводы.
5 — управляемые направленные ответвители,
6 -- одномодовые оптические волокна
ответствующий однократному обходу излу-
чения по внешнему резонатору Измерен-
ная полуширина отдельных импульсов, полу-
ченных в режиме синхронизации мод на
второй и четвертой гармониках (3,6 и
7,2 ГГц), около 45 нс; максимальное зна-
чение истинной длительности лазерного им-
пульса 22 нс; мощность, потребляемая моду-
лятором, порядка 300 мВт; при средней вы
ходной мощности лазера 2 мВт пиковая
мощность в импульсе превышала 50 мВт,
полная полуширина линейчатого спектра
68 ГГц (что соответствует длительности им-
пульса от 7,4 до 17,7 пс — в зависимости
от его формы).
Примененный в описанном устройстве ме
тод имеет преимущества перед другими
методами синхронизации мод. Поскольку
предельная частота модуляции обусловлена
шириной полосы переключателя, то допол-
нительного укорачивания импульса можно
добиться путем одновременной модуляции
тока переключателя и инжектируемою тока
лазера При соединении выхода модулятора
с задним торцом излучателя данный элемент
можеч работать в режиме кольцевого лазе
ра. Другим методом генерации пикосекунд-
ных импульсов является применение после-
довательного включения интегральных ин-
терферометров типа Маха-Цендера [12]
Включение интегральных направленных
ответвителей с регулируемой и нерегули-
83
руемой связью между волноводами в во-
локонно-оптические цепи, позволяет реяли
зовать решетчатые волоконно-оптические
структуры, которые .могут быть использова
пы для выполнения с высоким быстро-
действием различных операций во времен-
ной и частотных областях, например опе-
рации над матрицами и операций фильтра
ции [13]
Объединяя полупроводниковый лазер с
одиомодовым световодом, и направленным
ответвителем по схеме, показанной иа рис
1, б, можно создать рециркуляционную ли
нию задержки. В состав рециркуляционной
линии задержки с двумя ответвителями
входит одномодовый световод, образующий
контур с временной задержкой, равной т,
замкнутый сам на себя через направлен-
ные ответвители. Оптические сигналы, по-
ступившие на вход Х|, Хг, многократно
циркулируют в контуре и при этом частично
попадают иа выходы V| и V2. Импульсная
характеристика такой системы состоит из
ряда спадающих максимумов, равноотстоя-
щих друг от друга во времени на вели
чину задержки в контуре т.
В нерециркуляционных линиях задержки
(рис. 1, а) оба выхода первого ответ-
вителя bi, присоединены непосредственно ко
второму ответвителю 62, где сигналы скла-
дываются с временной задержкой т. Им-
пульсная характеристика такой структуры
состоит из двух максимумов, отстоящих
друг от друга по времени на т.
Проблемы передачи больших потоков ин-
формации в ВОСП с частотным уплотне-
нием каналов требуют создания высокоэф-
фективных систем мультиплексирования/де-
мультиплексировапия, быстродействующих
многоканальных переключателей. При ис-
пользовании в системах с частотным уплот
иеиием каналов излучателей с полушириной
спектральной линии А?—0,15 нм и темпера-
турным уходом линии излучения порядка
0,3 им, ширине информационной полосы
±0,01 нм (Af— 3 ГГц) и защитном интер-
вале между спектрально уплотненными ка-
налами ±0,04 нм оказывается, что в опти-
ческой полосе пропускания световода
~1000 нм каналы можно располагать со
спектральным интервалом в I нм, но даже
при 10-кратпом «прореживании» можно пе
редавать до 100 каналов по одному све-
товоду. Применение систем спектрального
уплотнения позволило реализовать экспе-
рименты по скорости передачи информации,
характеризующиеся величиной произведе-
ния 1,65 ТБиг/с-к.м.
Для разделения большого числа спект-
рально уплотненных каналов наиболее ши-
рокое применение получили устройства иа
основе микрооптики [14]. Наиболее пер-
Рис. 2 Гибридные оптические интегральные устройства для частотного уплотнения каналов («),
переключатся и 4x4 (rf), волноводные матрицы 8Х 8 звездообразно! о типа (в), гетеродинные приемные
устройства для ВОСП (г):
I — входные (выходные) оптические волокна, 2 связанные канальные волноводы, 3 поляриза-
ционный модулятор, 4 приемное устройство, 5 — полупроводниковые излучатели
84
спективнымн среди них являются устройст-
ва, в которых в качестве дисперсионного
элемента используются дифракционные ре-
шетки, достоинством которых явлиется то,
что разделение сразу всех частот проис-
ходит на одной решетке и дальнейшее уве-
личение числа уплотненных каналов связи
не требует увеличения числа элементов
устройства
В ВОСП с. частотным уплотнением кана-
лов могут быть применены и гибридные
оптические интегральные устройства (рис. 2,
а). Для улучшения эффективности согла-
сования излучателей и волокна с каиальиы
ми волноводами в ннобате лития пред-
лагается |15| использовать халькогенид-
ные стеклообразные полупроводники (Т1РЕ
волновод с протонным обменом в титанди-
фузные слон). Развитие методов энитакси
ального наращивания волноводов на основе
соединений типа ДП|В' позволяет реализо-
вать аналогичные, интегральные устройства
в монолитном исполнении. Для быстро-
действующих коммутаций каналов в развет-
вленных ВОСП разрабатываются матрицы
на основе электрооптических переключате-
лей |16|. На рис. 2. б показана 32-эле
меитная матрица 4X4 переключателей кана-
лов. сформированная иа основе канальных
волноводов в ннобате лития. Уровень пере-
крестных помех в матрице составил -30...
—40 дБ при величине управляющих напря-
жений 21±4 В. Разработанная матрица
переключателей прошла успешные испыта-
ния в многоканальных ВОСП Для анало
гичиых применений в когерентных и в раз-
ветвленных ВОСП планируется применение
таких матриц типа 8x8 и 64x64 117]. Пас-
сивные распределительные матрицы звездо-
образного типа 8x8, 16Х 16 могут быть вы-
полнены на основе канальных градиентных
волноводов в стеклах [18]. На рис 2, о по-
казана матрица 8X8. предназначенная для
согласования волокон с диаметром сердце-
вины 50 мкм. Перекрестные помехи в мат-
рице составляли —53,7 дБ.
Для когерентных ВОСП проводятся ин-
тенсивные исследования в области созда-
ния интегрально-оптических гетеродинных
приемных устройств (рис. 2, г).
Рис. 3. Волоконно-оптические датчики (измерительные преобразователи) иа основе иите! ральиого
интерферометра Маха — Цандера для определения параметров электрического (а), магнитною (б)
толей, температуры (в) и светового излучения (г):
/ канальные волноводы, образующие интерферометр, 2 электроды управления. 3 гибридная
фотоприемная матрица 4 термостабили тиру ющее покрытие, 5 канал сравнения
85
Применение интегрально-оптических на-
правленных ответвителей, многоканальных
делителей мощности, фазовых и частотных
модуляторов в ВОД на одномодовых во-
локнах позволяет существенно улучшить
их параметры [24] Датчики угловых пере-
мещений разрабатываются также в интег-
рально-оптическом исполнении. Измери-
тельные преобразователи на основе ВОД
могут быть использованы для оценки прак-
тически всех физических воздействий. Хо-
рошей иллюстрацией этому может быть ин-
тегральный интерферометр Маха-Цандера.
Использование асимметричного интерферо-
метра Маха Цандера на ниобате лития поз
водило создать широкополосный датчик
электрического поля с чувствительностью
7-10 4 В/м (рис. 3, а). Волноводный интер-
ферометр на основе пленок алюмоиттриево-
го граната на галлий гадолиниевой под-
ложке позволяет измерять напряженность
магнитного поля (рис. 3, б) 1251 Интерфе-
рометры такою типа успешно реализованы
и па соединениях Л 11 В4 Незначительные из
менения в схеме интерферометра позво
ляют применять его для измерений темпе-
ратуры, радиации и т п. (рис. 3, г) Ана-
логичными функциональными возможно-
стями обладают интегральные интерферо-
метры Фабри Перо и Саиьяка [24]
Для измерений параметров ионизирую-
щих воздействий и оптической модуляции
могут быть использованы гибридные струк
туры на основе канальных интерферомет-
ров в ниобате лигия и фотогальванических
детекторов из аморфного кремния [26].
Уровень модуляции интенсивности выход-
ного излучения зависит от разности фаз
колебаний в плечах интерферометра (рис.
3, б). Кремниевый р -I—п фотоприемник
«получен» химическим осаждением из газо
вой фазы и состоит из восьми элементов
(диаметр детектора 0,5 мм, толщина р i
п-слоев 8, 500 20 нм соответственно). Эф-
фективность преобразования для гелий-нео-
нового лазе.ра составила 4 %. Предельное
быстродействие при модуляции порядка
200 нс.
ОПТИЧЕСКИЕ ИШЕГРАЛЬНЫЕ
СХЕМЫ
Оптические интегральные схемы пред
ставляют собой гибридную или монолит-
ную интеграцию оптических планарных
элементов на единой подложке или в виде
соединения отдельных чипов с целью полу-
чения законченных функциональных уст-
ройств оптических систем обработки и пере
дачи информации Как правило в состав
ОИС входят излучатели, элементы обра-
S6
ботки и преобразователи сигналов, прием
ные устройства. Технология создания ОИС
использует традиционные методы формиро-
вания монолитных и гибридных иитеграль
ных схем, разработанных для СВЧ микро-
электроники и вычислительной техники. Од-
ной из наиболее трудных задач при созда-
нии ОИС является решение проблемы опти-
ческого согласования и развязки элементов.
Наибольшее внимание при разработке
ОИС в настоящий момент уделяется акусто-
оптическим анализаторам спектра и корре-
ляторам [27, 28], сигнальным процессорам
и ана юго-цифровым преобразователям [6,
13], устройствам записи и считывания ин-
формации |3], приемным гетеродинным уст-
ройствам, регенераторам [4] и другим схе-
мам и. системам различного функциональ-
ного назначения.
За последние годы достигнуты суще-
ственные успехи в разработке ОИС для
устройств обработки сигналов, предложено
много технических решений, позволяющих
улучшить их параметры. Этот процесс доста-
точно хорошо иллюстрируется динамикой
разработки интегрально-оптических анали-
заторов спектра. Анализатор спектра пред-
ставляет собой гибридную ОИС, выполнен-
ную иа подложке из ииобата лития или
кремния и содержащую фокусирующие эле-
менты для преобразования апертуры оптиче
ской волны, излучатель, акустооптическую
ячейку и линейку приемников В анализа-
торе спектра СВЧ сигнал поступает иа при- -
емное устройство и после предварительного
усиления смешивается с сигналом гетероди-
на так, чтобы промежуточная частота на
ходилась в полосе преобразователя поверх-
ностных акустических волн (ПАВ). После
усиления сигнал поступает на преобразо-
ватель ПАВ При взаимодействии ПАВ с оп-
тической поверхностной волной (в результа-
те брэгговской дифракции) происходит ска-
нирование оптического луча на угол, про-
порциональный частоте анализируемого сиг-
нала Пучок фокусируется с помощью ин-
тегрирующей линзы и попадает иа линейку
фотоприемника.
Одна из первых технических разрабо-
ток была выполнена иа основе ииобата
лития по диффузной технологии, с исполь
зовапнем асферических геодезических линз
[27, 2] Центральная частота устройства
fo=6OO МГц, ширина полосы А/=400 МГц,
частотное разрешение анализатора
~4 МГц, динамический диапазон 42 дБ,
длина устройства 70 мм
Развитие технологии дифракционных ре-
шеток позволило существенно улучшить па-
раметры данного устройства В [28] пред
ставлен анализатор спектра с торцевыми
Рис 4 Интегральные акустоотические устройства обработки сигналов на L \ЬО, (а. б) и кремнии
(в, г):
I — полупроводниковый лазер, 2 — планарные линзы, 3 — преобразователи ПАВ, 4 — линейки
фотоприемников, 5 — устройство ввода излучения, 6 — микролинзы. 7 отражающие решетки
фокусирующими элементами дифракцион
ного типа (рис. 4, а). Ширина полосы уст-
ройства ~1 ГГц (0,333... 1,333 ГГц), раз-
решение — 4 МГц. При достижении 25 %-й
дифракционной эффективности на частотах
ПАВ (до 0,5 ГГц) потребляемая электри-
ческая мощность составила 0,7 Вт, а на ча
стотах до 1,2 ГГц 1,2 Вт, при этом длина
устройства уменьшилась более, чем в два ра-
за по сравнению с устройством, описан-
ным в [27].
Модификацией данных устройств может
служить элемент, представленный на рис
4, б, в котором входные канальные волново
ды в ниобате лития стыкуются с одно
модовыми световодами |29]. Излучение из
канальных волноводов преобразуется с по-
мощью микролииз и после взаимодействия
с ПАВ интегрируется на выходной линзе
Аналогичным образом в анализаторах спек
тра с целью увеличения динамического
диапазона на выходе устройства оптиче-
ские планарные волноводы трансформиру
ются в параллельную линейку канальных
волноводов.
В [32] рассмотрены возможности созда-
ния акустооптических элементов иа сфери
ческих волноводах в ниобате лития Приме-
нение таких устройств при создании ОИС
предполагает отсутствие дополнительных
фокусирующих элементов
Перспективными для создания подобных
ОИС являются пленочные слоистые струк
туры на основе Si—SiO3—ShN4 (рис. 4, в)
и Si—SiO>— AS2S3 (рис. 4, г) [5, 30J. Данные
структуры более термостабильны по срав-
нению с ниобатом лития. Кроме того, ис-
пользование кремниевой подложки упроща-
ет интеграцию выходной линейки фотопри
емииков.
Применение пьезоэлектрических и элект
рооптических свойств пиобата лития позво-
ляет использовать в одном волноводе акус-
то- и электрооптические взаимодействия.
При последоватетыюм расположении иа по-
верхности волновода акусто- и электро
оптических ячеек в [31] был получен опти-
ческий цифровой коррелятор реализующий
обработку 32-разрядных кодов со скоростью
32 МБит/с. В данной ОИС эталонный код
подается иа электрооптическую ячейку, со-
стоящую из электродов встречно штырево-
го типа Входные сигналы вызывают ге
нерацию импульсов ПАВ. длина которых со-
гласована с длиной встречно-штыревых пре
образователей электрооптической ячейки
Единица кодируется высокочастотной ПАВ,
а нуль — низкочастотной ПАВ. Умноже-
ние выполняется в результате двукратной
дифракции, а интегрирование - с помощью
линзы. Расположение электродов в ОИС та
ково, что световой поток, соответствующий
87
совпадающим разрядам выходной поен пси,
попадает па один фотодетектор, а несовпа-
дающий па другой. Полная биполярная фун-
кция корреляции получается после вычи
танин с помощью электронных цепей выход-
ных сигналов двух фотодетекторов. Вычис-
ление функции корреляции в такой схеме,
эквивалентно но быстродействию ЭВМ, вы-
полняющей 2-10'-' элементарных операций в
секунду [22].
Элементная база интегральной оптики до-
статочно просто позволяет реализовать
практически все элементарные арифметиче
ские операции, однако двумерная природа
ОИС несколько ограничивает возможности
проектирования по сравнению с объемными
оптическими процессорами. В настоящий
момент реализации с помощью ОИС таких
операций, как умножения матрицы на век-
тор, матрицы на матрицу, активно иссле
дуется.
В схеме параллельного умножения матри-
цы на вектор (рис. 5, а) однородная
Рис. 5. Интегрально-оптический умножитель
матриц на вектор (а) и устройство считывания
г оптического диска (<5)
1 — электрооптические дифракционные элемен-
ты, 2 отражающие дифракционные решетки,
3 — фокусирующие линзы. 4 — фотоприемникп,
5 — излучатели, 6 — фокусирующие дифрак-
ционные решетки, 7 решеточный элемент
ввода/вывода излучения, 8 оптический диск
плоская волна попадает на .V элементов
электрооптического дифракционного моду-
лятора. Затем световой поток проходит че-
рез ряд отражающих дифракционных реше-
ток. разделяющих его на Л' пучков, каждый
из которых попадает на следующий ди-
фракционный модулятор, где интенсивности
световых пучков .модулируются пропорци
опально соответствующим элементам мат-
рицы Л1. Умножение производится анало-
гично «елочной» схеме, а произведения,
соответствующие компонентам результиру-
ющего вектора, суммируются е помощью
линейки линз (22].
Активно исследуются ИОС, предназначен
ные для записи и считывания информации
с оптических дисков В |3] представлены
результаты исследований считывающего
устройства (рис 5, б), выполненного иа
кремниевой подложке с использованием
стеклянных волноводов. Излучениелазерио
го диода иа GaAlAsS (Л=0,79 мкм) вводит-
ся в волновод посредством торцевого воз-
буждения и высвечивается с помощью
фокусирующей выводящей решетки иа по-
верхности диска При этом фокусное рас-
стояние составляет 2 мм, ширина пятна
~3 мкм. Отраженное излучение возвраща-
ется через эту же решетку и, проходя через
сдвоенную фокусирующую решетку, пона-
дает на систему фотоприемников. Длина
устройства составляет 10,5 мм
Для решения широкого круга научно-
технических задач необходимы быстродсй
ствующие АЦП Разработаны АЦП различ-
ного типа па основе интегральной оптики
[6]. Наиболее широкие исследования прове-
дены для фазовых электрооптических АЦП
на основе канальных волноводов в ннобате
лития. Интерференционные АЦ11 характери-
зуются высоким быстродействием при доста
точно низком уровне энергопотребления [7.
8|. Для интереференнионного модулятора
тина Маха-Цацдера и его модификаций
чередование максимума и минимума интен-
сивности на выходе ana.'ioi нчно чередова
нию в одном разряде нутя и единицы.
Структурная схема такого АЦП показана иа
рис. 6, а. Изменяющееся во времени на-
пряжение сигнала, аналоговая величина ко-
торого должна быть преобразована в цифро
вую форму, прикладывается к электродам
каждого из четырех модуляторов. Длина
электродов для различных разрядов (кана-
лов) отличается в два раза. Интенсивность
света иа выходе каждою модулятора из-
меняется по закону
/„ /«[cos (\ф„+чо) + 1|.
где \(| — относительный сдвш фаз в каждом
88
Рис. 6. Электрооптический АЦП (а. б, в) и акустооптический компаратоо (г):
/ система канальных волноводов. 2 электроды управления. 3 — излучатели. 4 — приемная система,
5 — преобразователь ПАВ
плече интерферометра, <р начальный
сдвиг фаз.
Излучение г а выходе каждого канала
детектируется, сигнал с фотоприемников
усиливается, а двоичное представление ана
лотовой величины сигнала образуется путем
электронного сравнения полученных ампли-
туд с пороговой, т. е. с генерированием
«нуля» и «единицы» n-го разряда иа ос
новации результатов сравнения.
Другой модификацией фазового электро-
оптического АЦП является балансный мо-
стовой модулятор на связанных канальных
волноводах в ниобате пития (рис. 6, б) [9]
В двухразрядном АЦ11 мостового тина ин-
тенсивность сигнала делится пополам на
3-дБ делителе и фазовая модуляция в каж-
дом канале осуществляется с помощью
электрооптической фазосдвигающей ячейки
На выходе устройства интерферируют меж
ду собой моды и последующая обработка
сигнала в каждом канале происходит как и
в интерференционном АЦП Эксперимен-
тальные исследования фазовых интеграль-
но оптических АЦП показали, что создание
четырехразрядных устройств с частотой дис-
кретизации более 2-109 отсчетов/с является
реальной задачей [33)
Использование интерференционных ка
нальиых структур в ниобате лития позво
шло получить ОИС. реализующую 7-раз-
рядиый код Хеммиига (рис. 6, в) [34].
При использовании методов интегральной
оптики могут быть эффективно реализова-
ны ОИС. выполняющие функции компарато
ра. В [35] представлены исследования од-
ного из таких устройств. Одиамодовые ка-
нальные волноводы (титан в ниобателития),
расположены иод углом Брэгга к излуча-
телю ПАВ (рис. 6, г). Излучение из ка
нальиых волноводов переходит в планарный
слой, где происходит его дифракция иа ПАВ
и соответствующее изменение пространст-
венного положения Интегральные акусто
оптические компараторы могут быть эффек-
тивно реализованы и но схеме, предлагае-
мой в |29|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I Хансперджер Р. Интегральная опти-
ка,— М : «Мир». 1985, 379 с.
2. Андрушко Л М Вознесенский В Л
Панфилов И. П. Зарубежная радио-
электроника, 1983, № II
3 Suhara Т. et. al., In: ЮОС — ECOC'85,
p. 118.
89
4 Андрушко Л М., Панфилов И П„
Свечников Г. С.— Зарубежная радио-
электроника, 1986, № I.
5. Valette S et. al. 1ЕЕ Proc., 1983, v. 131,
PtH, № 5.
6. Дохикян P Г и др. Зарубежная ра-
диоэлектроника, 1983, № 9
7. Taylor Н — Appl Opt. 1978, v. 17, № 10.
8. Becker R A Woodward С. E., Leon-
berger F 1 — In. CLF.0'83, p 12o.
9. Yamada S., Minakata M,, Noda S. Ele-
ctron Lett., 1981, v. 12. .Ns 7.
10. Leonberger F. L., Woodward С. E.,
Besker R A.— hr Top Meet Integr
and Guided Wave Opt., Pacific Grove,
1982. WA 3 1
11. Alferness R. C. et. al Appl. Phvs. Lett.,
1984, № 9, pp 944—946.
12. Masayuke I et. al. J. Lightwave Tech
nol., 1983, v. 1. № 1.
13. Москехи Б. и др.— ТИИЭР, 1974, т. 72.
№ 7.
14. Сычугов В. А Еленский В. Г Зару-
бежная радиоэлектроника, 1983, № 12
15. Stewart G. et. al. In: IOOC-ECOC’85,
p. 39.
16. Kondo M et al. In: IOOC-ECOC’85,
p. 361.
17. Werner W et al. — In: 100C ECOC’85,
p 427.
18. Okuda E. et al. In: 100C-ECOC’85,
p 423.
19. Tsai C. S. et. al.— In IOOC-ECOC’85,
p. 125
20. Tsai C. S„ Li Q — In: IOOC-ECOC’85,
p 129.
21. Аникин В И Шокол С В Зарубеж-
ная радиоэлектроника, 1984, № 5.
22. Вербер К. М. ТИИЭР, 1984, т. 72, № 7.
23. Смирнов В. Л , Шмалько АВ — Зару-
бежная радиоэлектроника, 1981, № 11.
24. Kist R Kersten Laser und Optoelectro-
nik, 1984, v 18, № 1.
25. Okamura V. et. al.— In 100C ECOC’85
p. 245.
26 Yajima H. et al. Appl. Phys Lett , 1984
27. Margerian D. et. al. Macrowave J
1980, v. 23, .Ns 9.
28 Sahara T. et. al. In. CLEO’83, p 40
29. Tsai C. S„ Zang D. Y., Le P.— In:
100C ECOC’85, p 125.
30. Suhara T. et. al.— J. Lightwave Techno!.,
1983, v 1, № 4
31 Verber С M et. al J. Lightwave Tech-
nol., 1983, v. 1, № 1.
32 Tsai C. S Li Q In. IOOC-ECOC’85,
p. 129
33. Бекер P А и др - ТИИЭР, 1984, т 72,
№ 7.
34. Haga Н. et. al.— hr IOOC ECOC’85,
p 121
35. Yamashita T. et. al.— In: CLEO’85,
p FL4.
36 Parsons N J GEC J. Research., 1984
v. 2, № 2.
90
СИСТЕМА X'
СВЯЗЬ ДЛЯ БУДУЩЕГО, ДОСТУПНАЯ СЕГОДНЯ
Большинство цифровых систем коммута-
ции берут начало от подобных аналоговых
систем. Они предназначены для более
экономичного выполнения тех же задач при
развитии сетей связи Поэтому они хорошо
приспособлены для работы в маленьких
«цифровых островках» внутри большей
частью аналоговой местной (городской) и
магистральной (междугородной) сетей. Но
возможности системы X намного шире
1 ЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ СИСТЕМЫ X
Первоначально система X была разрабо-
тана как часть цифровой сети. Все мно-
жество задач, выполняемых в сети, можно
обеспечить набором стандартных подсистем,
для которых характерна общность аппа-
ратного и программного обеспечения для
различных типов систем
Такое понимание сети привело к нсполь
зованию передачи сигналов методом
МККТТ Кв 7 как составной части данной
Рис. I. Схема сети связи
I — междугородная станция; 2 юродская
станция; 3 небольшая городская станция;
4 — концентратор; 5 — мультиплексор; 6 —
система, обслуживаемая оператором; 7 —
2 Мбит/с, МККТТ № 7. 8 — 2 Мбит с, DASS
системы причем не только в системе переда-
чи сигналов по сети, но и при передаче
информации внутри станций Впервые в ми
ре передача сигналов методом МККТТ № 7
практически в масштабах всей сети была
применена на станциях системы X еще в
1985 г. Никакая другая система не ис-
пользует так широко это мощное средство
передачи сигналов.
Оптимизация для ИЦСС
Система X является оптимальной для
интегральной цифровой сети связи — ИЦСС
(Integrated Services Digital Network
ISDN). Возможность создания ИЦСС на
базе станций системы X — еще одно свойст-
во этой системы Использование передачи
сигналов методом МККТТ № 7 позволит
построить интегральную цифровую сеть свя-
зи
Итак, хотя для реализации аналоге
вых н даже цифровых сетей связи могут
применяться и другие системы станции,
только система X разработана специально
для национальных ИЦСС (рис 1).
МОДУЛЬНЫЙ подход
Блоки, входящие в состав системы X,
можно использовать для построения маги
1 Статья подготовлена фирмой Plessey
стральных или междугородных (trunk
exchange) и местных или городских (local
exchange) станций, станций с дистанцион
но управляемыми концентраторами н си-
стем обслуживаемых оператором
Модульная конструкция системы X позво-
ляет на базе одного и того же нрограм
много и аппаратного обеспечения экономии
но строить как небольшие, так и очень
крупные станции Используя наборы стан-
дартных блоков системы X, можно стро-
ить небольшие концентраторы и мульти-
плексоры и размещать их во внутренних
или внешних защищенных шкафах
УНИКАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР
Архитектура процессора системы X уни-
кальна. Можно создать экономичные про-
цессоры для управления городскими стан-
циями На базе того же программного и
аппаратного обеспечения можно создать
процессоры, управляющие большими меж
дугородными станциями, рассчитанными на
1 млн. вызовов в час наибольшей на-
грузки (ЧНН).
Базовая конструкция процессора позво-
лит в будущем повысить нагрузку до
2 млн вызовов в ЧНН, что потребуется,
когда с внедрением ИЦСС начнет снижать
ся средняя продолжительность времени ус-
тановления вызова
91
СТАНДАРТИЗОВАННАЯ КОММУТАЦИЯ
Средства коммутации абонентский кон-
центратор и главный коммутатор — по-
строены на БИС, которые являются без
блокировочными коммутаторами 256X256
каналов.
Это позволяет построить главный комму-
татор на 6000 пар с двукратным резер-
вированием на одной стойке, а коммутатор
на 2000 пар для небольшого концентра-
тора на одной плате.
Система X не является готовым средством
будущего, но в ней уже использованы
перспективные направления.
МЕЖДУГОРОДНАЯ СТАНЦИЯ
Междугородная станция системы X
ключ к созданию национальной ИЦСС
Она не только обладает большими возмож-
ностями и гибкостью, позволяя обрабагы
вать трафик с интенсивностью 25 000 эрл
(6000 линий, 1 млн. вызовов в ЧНН), но и
дает набор средств для управления сетью.
Эти средства включают в себя атьтерна
тивную маршрутизацию, разделение вызо
вов. что делает любую междутородну ю сеть
надежной в условиях аномального трафика
или при отказе линии передачи либо узла
коммутации Это также позволяет приме-
нять метод МККТТ № 7 на станции систе-
мы X, используя ее в качестве контрольной
станции в системе, обслуживаемой опера-
тором (рис. 2).
Для построе 1ия междугородных (маги
стральных) станций используются стандарт-
ные блоки системы X, а программное обе
сличение то же, что и для других типов
станций
Междугородная станция системы X, по-
строенная из стандартных блоков, обладает
недостижимой для любой другой системы
способностью к обработке сигналов и по-
настоящему компактной архитектурой ком
мутации, что предоставляет идеальную воз
можность для построения надежной и гиб-
кой ИЦСС.
Станция, рассчитанная на трафик интен-
сивностью 10000 эрл. занимает всего 12 сто-
ек (рис. 3), а также две стойки электро
питания, не показанные на рисунке Для
размещения этой станции не требуется боль
ших помещений. В помещении, где нахо-
дится станция, можно разместить даже си
ловое оборудование на 50 В
Хотя система X первоначально разраба-
тывалась для передачи сигналов управле
ния н взаимодействия по общему каналу
все станции этой системы можно использо-
Рис. 2. Схема подсистемы-
/ — операторы, 2 ручное управление; 3
цифровой коммутатор, 7 процессор, 5
программное обеспечение; 6 канал сигналила
ции (ASS S1G). 7 — общий канал сигнализации
(CH SIG). 8 прсяЕразОваЭель (АЦП,.ПАП)
9 аналоговые каналы; 10 цифровые каналы,
// центр Эксплуатации и технического обслу-
живания
Рис. 3. Схема размещения оборудования станции
на 10 000 эрлангов-
1,3 — процессоры; 2. 4 оборудование
ввода/вывода; 5, 6, 12 ценчры коммутации
сообщений; 7 коммутатор, 8 10 стойки
ИКМ; // синхронизация сети
вать во всевозможных системах, применяю-
щих передачу сигналов управления н взап
модействия по выделенному каналу, и смете
мах межрегистровой сигнализации
В системе X предусмотрена возможность
как внутрисетево! о, так п межсетевого об-
92
мена информацией поэтому ее междуго-
родн iH станция может работать как станция
международного доступа.
ГОРОДСКАЯ СТАНЦИЯ
Днн чисто телефонных сетей сочтены Эти
сети в настоящее время заменяются па
ИЦСС. Городская (местная) станция систе-
мы X используется с 1985 г в качестве
основы британской коммерческой ИЦСС
Емкость городских станций, построенных
из таких же блоков, может быть увеличена
до 100000 линии. Это позволяет получить
максимальную емкость трафика 25000 эрл и
возможность обслуживания 800000 вызовов
в ЧИН.
Городская станция можег работать как
главная станция системы, обслуживаемой
оператором, и предоставляет расширенный
набор возможностей для создания абонент-
ской и учрежденческой сетей, выполнения
Рис. 4 Схема полсигтемы
I, 6 цифровые терминалы, 2 утленный
концентратор. 3 4 аналоговые терминалы
5 концентратор размешенный в здании основ
ной станции; 7 цифровые каналы, 8 — процес
сор, 9 программное обеспечение; 10 — центр
эксплуатации и технического обслуживания;
// — операторы, 12 — ручное управление; 13 —
цифровой коммутатор; 14 преобразователь
(АЦП/ЦАП); 15 — аналоговые каналы, 16
общий канал синхронизации (CH SIG); 17
канал сигнализации (ASS S1G)
административных задач и управления
сетью связи (рис. 4).
Городская станция строится путем при
бавления абонентского концентратора к
блокам междугородной станции. Для обоих
видов станций применяется идентичное про-
граммное обеспечение, поэтому функции
коммутации городских и междугородних
станций можно объединить в единой станции
системы X.
Абонентские концентраторы соединяются
с ЗУ станции с помощью каналов И КМ со
скоростью передачи 2 Мбит/с н системы
сигнализации методом У1ККТТ № 7.
Поэтому абонентские концентраторы мо
гут размещаться как в помещении главной
станции, так и на расстоянии от нее в не
больших зданиях, а также в переносных кон
тейнерах
Станцию на 30000 линий можно разме-
стить в 36 стойках, хотя габаритные раз-
меры станции будут меняться в завися
мости от трафика или требований к системе
сигнализации Силовое оборудование в слу-
чае необходимости можно разместить в ап
парадной, избежав тем самым необходимо-
сти строить дорогие специализированные по-
мещения для силового н аккумуляторного
оборудования
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЦИФРОВАЯ
СЕТЬ СВЯЗИ
Внимание специалистов всего мира прико-
вано к ИЦСС. Эта сеть позволяет создать
новые абонентские службы и как след-
ствие получить дополнительную прибыль.
В ИЦСС используются средства общего
абонентскою доступа для представления
абоненюм целого ряда служб сети Этот
общий доступ можно использовать для связи
через местные станции ИЦСС с телефон
нои сетью общего пользования, сетью с ком-
мутацией пакетов и учрежденческими се-
тями (рис 5) В будущем будет обеспечен
общий доступ к широкополосным сетям. Но
интеграция служб связи может быть выпол-
нена в масштабах всей сети только если си
стема сигнализации может обеспечить непо-
средственную прямую и обратную связь
между оконечными станциями
МККТТ № 7 — это единственная систе-
ма сетевой сигнализации, которая была раз
работана специально для выполнения этой
задачи. Внедрение ее — основное требо-
вание для введения ИЦСС в масштабах
страны Многие системы похожи на выше
описанную Отлнчне состоит в том, что си
стема X предназначена специально для
ИЦСС, эксплуатируемой с 1985 г, чему
способствует применяемый в масштабах
всей сети метод сигнализации МККТТ № 7
93
Рис. 5. Схема ИЦСС
/ Система X ИЦСС; 2 — учрежденческая
АТС с выходом в город; 3 — аппаратура уплотне-
ния ИЦСС; 4 — учрежденческая АТС с инте1
рацией служб связи
Основная достигнутая скорость передачи
в 1985 г. была 80 кбит/с, хотя инфра
структура сети сигнализации еще только
создавалась Таким образом оказалось
просто перейти к основной скорости
144 кбит/с. Основной отличительной осо-
бенностью этого первоначального примене-
ния ИЦСС является полная взаимосвязь
между основной скоростью 80 кбит/с и ско
ростью 144 кбит/с Доступ к учрежденче-
ской АТС с интеграцией служб связи с
первичной скоростью 2 Мбит/с является
стандартным при использовании как цнфро
вой сигнализации доступа DASS (Digital
Private Network Signalling), так и снгнали
зации учрежденческих цифровых сетей —
DPNSS (Digital Private Network Signal
•mg)
Для внедрения коммутируемых видео-
служб можно использовать коммутацию со
скоростями И» (384 кбит/с) и 1Ц
(1984 кбнт/с) а простую видеотелефонную
связь можно организовать при скоростях
всего 61 кбнт/с. Доступ к сети с ком-
мутацией пакетов можно организовать либо
через каналы «В» (64 кбнт/с), либо через
основные каналы «D» (16 кбнт/с).
Использование удаленных мультиплексо-
ров ИЦСС позволяет предоставить доступ
к цифровой сети пользователю, располо-
женному на любом расстоянии от станции
ИЦСС.
В первое время введения ИЦСС ее можно
применять для предоставления пользовате-
лям служб ИЦСС в районах, охваченных
аналоговыми станциями Этот метод перек-
рытия быстро расширяет географию новой
сети связи, делая доступ к ней более
привлекательным для потенциальных поль-
зователей.
Как и при внедрении большинства новых
служб универсальность доступа является
важнейшим фактором, влияющим па ско-
рость распространения этой службы. Это
ставит администрацию сети перед пробле-
мой капитальных затрат.
Инфраструктура, необходимая для обе-
спечения повой службы, должна быть об-
разована до того, как служба привлечет
пользователей и начнет приносить при-
быль. Но в сочетании с ИЦСС система X
решает эту проблему. Капитальные вложе-
ния в системе X можно оправдать хотя бы
уже теми преимуществами, которые дает
ее применение в качестве даже простой
АТС Кроме того, каждая построенная теле-
фонная станция системы X дополняет
основную инфраструктуру ИЦСС без допол-
нительных затрат со стороны покупателя.
Это происходит потому, что в сочетании
с системой X ИЦСС обладает неоспоримым
преимуществом- не требует дорогостоящей
модификации сети для того, чтобы позво-
лить администрации сети извлекать допол-
нительную прибыль.
МАЛАЯ МЕСТНАЯ СТАНЦИЯ
Основная проблема при всем многооб-
разии систем состоит в обеспечении требо-
ваний к свободно стоящей малой местной
станции. Пользоваться удаленными концен
трагорами можно только, если существуют
необходимые для этого средства цифровой
передачи данных, а во многих случаях
их нет.
Система X предоставляет возможность
построения малых местных станций с ис
пользованием полного программного обеспе-
чения больших станций при самом мини-
мальном наборе процессорных аппаратных
блоков.
Сочетая функции концентратора и глав-
ного коммутатора на одной матрице, полу-
чают привлекательное с экономической точ
кн зрения решение для станций с числом
линий менее 1000. Эта небольшая местная
станция обладает полным набором свойств
системы X, включая сигнализацию ИЦСС и
.МККТТ № 7, и использует набор тех же бло-
ков программного и аппаратного обеспе-
чения, что и остальные станции системы X
(рис 6). Она не является специально разра-
ботанной сельской станцией с ограничен-
ными возможностями, с какой то особенной
документацией для обучения персонала и с
различными инвентаризационными спис-
ками.
Однако несмотря на все эти преимуще-
ства местная станция на 1000 линий зани-
94
Рис. 6 Схема подсистемы;
/ цифровые терминалы; 2 — аналоговые тер-
миналы; 3 — операторы; 4 — ручное управление;
5 — удаленный концентратор, 6' аналоговые
каналы 7 концентратор и цифровой коммута
тор , 8 преобразователь (АЦП/ЦАП) 9
общий канал сигнализации (CH SIG); 10
канал сигнализации (ASS SIG) // процессор
12 — программное обеспечение; 13 — цифровые
каналы, 14 центр эксплуатации и технического
обслуживания
мает только три стойки, а станция па 5000
линий — всего шесть стоек.
УСЛУГИ ОПЕРАТОРОВ
Современные системы услуг операторов
необходимы для обеспечения гибкости, до-
ступной сегодня в службах с автомати-
ческой коммутацией Операторные службы
системы X могут быть образованы на любой
станции системы X с минимальными нзме
пениями аппаратного или программного обе-
спечения главной станции.
Предоставляя возможность организации
до 90 рабочих мест операторов и обслу-
живания одновременно 600 вызовов, эта сн
стема использует стандартные видеодисп
лейные терминалы для обеспечения доступа
операторов ко всем элементам вызова н базы
данных телефонии
Операторы могут сидеть на любом рас-
стоянии от главной станции в различных
операторных центрах (число центров может
доходить до семи), так как рабочее место
оператора настолько гибко в использовании,
что любой терминал можно применять для
организации любой функции оператора,
включая услуги контрольного оператора,
оператора по справкам, обучение, оргапн
зацню вызова
Услуги операторов рентабельны при числе
нх рабочих мест, начиная от нескольких,
возможно связанных с удаленной небольшой
местной станцией, н кончая максимальным
числом рабочих мест 90. Возможность по-
мещения операторов вдали от главной стан-
нин означает что операторные центры могут
быть установлены в таких местах, где есть
свободные трудовые ресурсы по приемлемым
ценам.
УДАЛ! ИНЫЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ
Преимущества ИЦСС наиболее полно
проявляются в возможности размещения
абонентских концентраторов на удалении
от главной станции. Это уменьшает число
необходимых комплексов централизованной
обработки информации на станции.
Поскольку система X связана со всеми
своими концентраторами с помощью сигна-
лизации методом МККТТ № 7, то теоретиче-
ски расстояние между концентратором и
главной станцией может быть не ограни-
чено. Па практике работа с удаленными
концентраторами была продемонстрирована
с помощью геостационарного спутника при
передаче из Великобритании в США и
СССР При этом перекрывалось расстояние
свыше 45000 миль.
В системе X обеспечивается большое раз-
нообразие пользовательских терминалов,
начиная от первичного абонентского мульти
плексора на 30 абонентов и кончая уда-
ленным концентратором па 6600 линий с пол-
ной изоляцией рабочих средств Эти удален-
ные средства могут быть смонтированы в
небольших зданиях или для облегчения
установки н снижения стоимости они могут
быть предварительно установлены в пере
ноевых контейнерах ISO, внешних шкафах
илн защищенных внутренних шкафах.
Таким образом система X может удовлет-
ворить любые потребности.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
И ТЕХОБСЛУЖИВАНИЕ
Система X поставляется совместно с про-
граммным обеспечением для отыскания и
анализа неисправностей. Неисправности
анализируются автоматически, вплоть до
фактически неисправной печатной платы.
На каждой станции имеется местный тер-
минал «человек ЭВ\1» для обеспече
95
ния доступа техника по обслуживанию Но
поскольку станции системы X работают без
персонала используется канал Х25 для рас
ширения интерфейса «человек — ЭВМ» до
удаленного центра по эксплуатации и тех-
ническому обслуживанию Из этого центра
можно опрашивать любую станцию, изме-
нять данные, определять и локализовывать
неисправности на станции, проверять або-
нентские линии и управление в сети.
Этот центр может также работать как
пункт сбора данных по счетам и статистики
трафика
ПОМОЩЬ ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ
Необходимость помощи админнстрацни
сети обусловлена тем, что в любой совре-
менной системе могут произойти отказы,для
устранения которых потребуется вмеша
тельство со стороны разработчиков системы.
В Великобритании действует комплексный
отдел по оказанию помощи при эксплу-
атации, к которому можно обратиться круг-
лые сутки, 365 дней в году. Работа этого
отдела поддерживается бригадой проекти
ровщиков системы X; применяется более
20 моделей станций, на которых можно
моделировать отказы и устранение неис-
правностей.
Полные курсы подготовки персонала мо-
гут быть организованы в Великобритании
или могут быть созданы местные школы для
обучения персонала администрации сетей.
Хотя документация обычно поставляется на
английском языке, она всегда может быть
переведена на любой другой язык. Можно
организовать местные центры по техоб-
служиванию и ремонту либо отсылать не
исправные блоки в Великобританию.
Администрация может внедрить систему
X в свои сети, твердо зная, что их под-
держат по всем вопросам эксплуатации си-
стем
Параметры системы X
Емкость станции (макси-
мальная)
магистральной местной
комбинированной (ма
гистральной/местной)
концентратор
Трафик
эрлангов
количество вызовов в
ЧНН
60000 каналов
100000 абонентских
линий
30000—60000 линий н
зависимости от числа
абонентов
6600 абонентских ли-
ний
25000
I мли. в магистраль
ной станции,
800000 в местной
станции
концентратор
местная станция
Системы сигнализации
700 эрлангов,
22000 вызовов в ЧИП
1000 эрлангов.
22000 вызовов в ЧИП
МККТТ № 7
сигнализация учрежденческих цифровых сетей
(DPNSS)
цифровая сигнализация доступа (DASS)
МККТТ X? 5
МККТТ RI
МККТТ R2 и его варианты
Передача сигналов управления и взаимодей-
ствия по выделенному каналу
временной интервал 16 (цифровой)
в полосе голоса (различный)
вне полосы голоса (различный)
постоянный ток (различный)
Параметры окружающей среды
Температурный диапазон 5 -40 “С
Относительная влажность 20 80 %
Объем оборудования (обычный)
малая местная станция
на 5000 линий
местная станция на
30000 линий
магистральная станция
на 1000 эрл
6 стоек
36 стоек
12 стоек
Возможности и средства
Возможности абонентских линии
Линия прямого обмена
Выход за пределы данного района
ИЦСС — основная скорость 144 кбит/с
первичная скорость 2 Мбит/с
Прямой набор номера в учрежденческих сетях
Измерения в учрежденческих сетях (16 кГц иль-
50 Гц)
Возможности сети
Альтернативная маршрутизация
Динамическая альтернативная маршрутизация
Автоматическая повторная маршрутизация
Пропорциональное распределение трафика
А дминистра/ивные средства
Управление сетью
Управление трафиком
Статистика
Техобслуживание
Защита от несанкционированного доступа
Возможности управления сетью
Разделение вызовов
Контроль линий в пределах и за i ределами
обслуживания
Контроль направления трафика (входящий, ис-
ходящий или двусторонний)
Статистика сети
Подсчет межсетевых вызовов
Возможности виртуальных учрежденческих сетей
Служба «Центрех» (выход абонентов учреж-
денческих станций иа сеть общего пользова
ния)
Нумерация виртуальных учрежденческих сетей
Организация системы оплаты счетов
Статистика