Программный комплекс для обработки данных ионосферных измерений

просмотреть около 2,2-10-10 % поискового пространства (100 индивидов на 100 поколений). Усредненные результаты 100 прогонов приведены в таблице 5. Это дает нам некоторое представление о сравнительной надежности исследуемого алгоритма.

Таблица 5 Сравнение надежности алгоритмов для командно-программного контура с 96 состояниями

Таблицы 4 и 5 демонстрируют превосходство ЗеНСОА над всеми альтернативными алгоритмами.

При решении этих задач для реального использования нужно будет сделать только один запуск алгоритма, но с намного большими вычислительными затратами, так как для тестирования намеренно занижались выделяемые вычислительные ресурсы.

В заключение отметим, что при наличии СППР при математическом моделировании систем управления космическими аппаратами, которая

позволяет инженеру-проектировщику, не владеющему технологией моделирования с помощью марковских процессов, получать адекватное описание процесса функционирования, основной сложностью при выборе эффективного варианта системы управления космическими аппаратами является оптимизация. Для выбора эффективных вариантов предлагается использовать самоконфигурируемый генетический алгоритм, так как это очень надежный метод, который может эффективно применяться инженерами-проектировщиками космических аппаратов, не имеющими специальных знаний в области эволюционной оптимизации.

Литература

1. Семенкин Е.С., Семенкина О.Э., Коробейников С.П. Поисковые методы синтеза систем управления космическими аппаратами. Красноярск: СИБУП, 1996. 325 с.

2. Семенкина М.Е. Самоадаптивные эволюционные алгоритмы проектирования информационных технологий интеллектуального анализа данных // Искусственный интеллект и принятие решений. 2013. № 1. С. 13-23.

3. Semenkin E.S., Semenkina M.E. The choice of spacecrafts' control systems effective variants with self-configuring genetic algorithm. Informatics in Control, Automation and Robotics. Proc. 9th Intern. Conf. ICINCO'2012, Rome, Italy, 2012, vol. 1, pp. 84-93.

References

1. Semenkin E.S., Semenkina O.E., Korobeynikov S.P. Search methods for the synthesis of spacecraft control systems. Krasnoyarsk, Siberian inst. of business, management and psychology Publ., 1996, 325 p.

2. Semenkina M.E. Self-adaptive evolutionary algorithms for data mining information technologies design. Iskusstvenny intellekt i prinyatiye resheniy [Artificial intelligence and decision making]. 2013, no. 1, pp. 13-23.

3. Semenkin E.S., Semenkina M.E. The Choice of Spacecrafts' Control Systems Effective Variants with Self-Configuring Genetic Algorithm. Informatics in control, automation and robotics: proc. of the 9th int. conf. ICINCO'2012. Rome, Italy, 2012, vol. 1, pp. 84-93.

Алгоритм Показатель Надежность Поколение

UE T 0,76 65

t\ 0,67 81

Г2 0,75 69

UR T 0,84 59

0,81 78

¿2 0,84 64

UP T 0,70 69

Г1 0,59 76

Г2 0,63 72

UT T 0,83 61

t\ 0,72 85

Г2 0,77 66

SelfCGA T 0,91 58

Г1 0,87 75

Г2 0,89 53

УДК 519.688

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ИОНОСФЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

В.О. Скрипачев, зам.. начальника отдела

Предложен программный комплекс определения параметров ионосферы средствами радиозондирования, способствующий получению информации о параметрах среды с целью дальнейшей диагностики возмущений как естественного, так и искусственного характера, и уточнению известных ионосферных моделей. Разработанный программный комплекс предназначен для восстановления профилей электронной концентрации в ионосфере по сигналам навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС/GPS. Для разработки комплекса используется объектно-ориентированное программирование. Это позволяет уменьшить время разработки новых классов, наследуя их от уже имеющихся в используемых программных библиотеках. Объектно-ориентированный подход был реализован при разработке программного кода, отвечающего за расчет полного электронного содержания по характеристикам сигналов навигационного космического аппарата. Взаимодействие между блоками комплекса также выполняется на ос-

нове объектных структур данных. Перспективы дальнейших исследований связаны с наращиванием возможностей представленного программного комплекса за счет использования программных продуктов обработки данных ионосферного зондирования, полученных с помощью методов вертикального зондирования ионосферы и некогерентного рассеяния.

Ключевые слова: информационное обеспечение, навигационный космический аппарат, программный комплекс, ионосфера, приемник, полное электронное содержание.

SOFTWARE SYSTEM FOR IONOSPHERIC MEASUREMENTS DATA PROCESSING Skripachev V.O., deputy head of department (Joint Stock Company "Russian Space Systems", Aviamotornaya St., 53, Moscow, 111250, Russian Federation,

skripatchevv@inbox.ru)

Abstract. The authors propose a software system to determine the ionosphere parameters by radio probing means. This system helps to get information about environment parameters in order to further diagnose the disturbances, both natural and artificial character, and to specify the known ionospheric models. The developed software system is designed to restore the profiles of the electron density in the ionosphere using signals from navigation satellites GLONASS/GPS. Object-oriented programming was used to develop the system. This reduces the time develop new classes, inheriting them from already existing in used software libraries. The object-oriented approach has been implemented when developing the code responsible for the total electron content calculation according to signals characteristics of navigation spacecraft. Therefore interaction between system blocks is also performed based on object data structures. Prospects of future work suppose building the capacity of the represented software system using the software products for ionospheric sounding data processing, and that data is obtained by vertical sounding of the ionosphere and incoherent scattering techniques.

Keywords: dataware, navigation spacecraft, software system, ionosphere, receiver, total electron content.

В настоящее время идет интенсивный процесс интеграции системы GPS с российской навигационной системой ГЛОНАСС, а в перспективе такая интеграция предполагается и с европейской навигационной системой GALILEO.

Разработка технологий использования GPS-измерений для дистанционной диагностики ионосферы ведется по нескольким направлениям [1, 2]. Создана технология GIM (Global Ionospheric Maps) - построение глобальных ионосферных карт абсолютного вертикального значения полного содержания электронов в атмосфере (ПЭС). Для хранения и передачи карт ПЭС в цифровом виде разработан специальный стандартный формат IONEX (стандарт файлов по технологии Global Ionospheric Maps). Каждый файл IONEX содержит мировые карты абсолютного вертикального ПЭС и соответствующие им карты погрешностей вычисления ПЭС за одни сутки по шкале мирового времени UT с временным разрешением 2 ч. Карты ПЭС в формате IONEX представлены на сайте ftp ://cddisa. gsfc.nasa. gov/pub/gps/products/ionex.

Ведется разработка ассимиляционных моделей для оперативного прогноза параметров ионосферы (например модели GAIM - Global Assimilation of Ionospheric Measurements). В таких моделях теоретические распределения электронной концентрации корректируются доступными ионосферными данными (измерения ПЭС по сигналам GPS, профили распределения концентрации заряженных частиц по данным ионозондов, радаров некогерентного рассеяния, ракетным измерениям и т.д.), обеспечивая достаточную скорость компьютерных расчетов [2].

При практическом использовании технологии GPS-зондирования верхней атмосферы и ионосферы необходимы сведения об имеющихся источниках информации и архивах характеристик сигналов навигационных космических аппаратов

(НКА) системы GPS. Эти данные имеются в IGS (International Service for Geodynamics), куда они поступают от национальных агентств с целью обеспечения работоспособности глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

На сайте ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/center для каждого центра обработки дана краткая справка по используемым программам, стратегии вычислений, моделям, структуре публикуемых данных, а для центров хранения данных - дерево каталогов ftp-сервера. Некоторые центры, например SIO, предоставляют удобный web-интерфейс с большим количеством разнообразных сервисов: поиском данных по запросу, интерактивными картами и пр.

В России организован Информационно-аналитический центр (ИАЦ) Федерального космического агентства, где хранятся результаты анализа навигационной информации, а также различные типы измерительной и справочной информации из международных систем сбора и хранения данных.

Информацию о координатах зарегистрированных GPS-приемников можно получить по адресу http://lox.ucsd.edu/cgi-bm/allCoords.cgi. Станции наблюдений IGS ежечасно передают файлы RINEX (Receiver Independent Exchange Format) в центры накопления данных. Внутренняя структура RINEX-файлов, в которых зашифрованы данные о характеристиках GPS-сигналов, достаточно сложна. RINEX-файл содержит измеренные GPS-приемником параметры сигналов всех космических аппаратов (КА), находящихся в зоне радиовидимости приемника: альманах созвездия КА, значения фазы для одной или обеих несущих частот, значения псевдодальности, метки времени, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры КА и др. В отдельный навигационный RINEX-файл объединяются эфемериды КА, необходимые для вычисления координат НКА.

Так, RINEX-файлы с GPS-приемников глобальной сети IGS хранятся на HTTP-сервере SOPAC (http://lox.ucsd.edu) или на FTP-сервере (ftp://lox.uc.sd.edu/pub). Навигационные файлы находятся на том же сервере в директории ftp://lox.ucsd.edu/pub/nav.

Программы обработки RINEX-файлов делятся на программы первичной и вторичной (детальной) обработки. К программам первичной обработки относится программа TEQC. Она позволяет проводить проверку качества данных, получать данные за конкретные временные интервалы, производить архивирование, редактирование и ряд других функций. К программам вторичной обработки относятся программные комплексы GAMIT и GLOBDET. Программный пакет GAMIT разработан Массачусетским технологическим институтом. Программы нет в открытом доступе, однако для желающих есть возможность обработки с помощью этого продукта небольшого объема файлов RINEX-формата на сервере SOPAC.

Программный комплекс глобального детектирования и мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения на основе измерений вариаций полного электронного содержания (GLOBDET) разработан в Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (http://ckm.iszf.irk.ru/). Он, как и пакет GAMIT, позволяет производить расчет вариаций ПЭС, моделировать изменения ПЭС и др.

Из краткого обзора видно, что существуют широкие возможности получения данных о состоянии ионосферы, которые могут быть использованы в интересах проведения исследований в различных областях знаний. Причем большинство таких данных доступны для свободного использования. Такое положение позволяет с минимумом затрат использовать предоставляемые возможности для проведения прикладных исследований и для обучения специалистов в области компьютерных наук по применению и дальнейшему совершенствованию технологий сбора и обработки информации, получаемой с НКА.

Большое количество НКА, значительные вычислительные процедуры обусловливают применение различных программных средств.

Данные навигационных приемников GPS/ ГЛОНАСС могут записываться как в собственных бинарных форматах, характерных для каждой компании-разработчика приемников ГНСС, так и в формате RINEX. Формат RINEX состоит из файлов следующих типов:

- файл с данными наблюдений приемника RINEX Observation Data File (RINEX OBS);

- файл навигационного сообщения RINEX Navigation Message File (RINEX NAV);

- файл с метеорологическими данными RINEX Meteorological Data File (RINEX MET);

- файл навигационного сообщения ГЛОНАСС RINEX GLONASS Navigation Message File (RINEX GLO);

- файл навигационного сообщения геостационарных КА RINEX GEO Navigation Message File (RINEX GEO);

- файл с показаниями часов низкоорбитальных КА и приемника RINEX Satellite and Receiver Clock Data File.

При этом наземные приемники в основном обеспечивают возможность получения файлов навигационных данных для ГЛОНАСС и GPS, а также файла наблюдений. Обработка данных в формате RINEX осуществляется как коммерческими программными продуктами, так и продуктами с открытом кодом.

Для разработки комплекса используется объектно-ориентированное программирование, что позволяет уменьшить время разработки новых классов, наследуя их от уже имеющихся в программных библиотеках. Это было применено при разработке программного кода, отвечающего за расчет полного электронного содержания по характеристикам сигналов НКА ГЛОНАСС, где требуется знание частотного поддиапазона каждого НКА. Соответственно, взаимодействие между блоками комплекса также выполняется на основе объектных структур данных. Структура разрабатываемого программного комплекса приведена на рисунке.

Библиотека GPS Toolkit (http://www.gpstk.org) - набор классов, базирующихся на стандарте ISO C++ для работы с данными ГНСС GPS/ГЛО-

Графический интерфейс пользователя

ф Ф Ф

Обработка формата данных RINEX (библиотека GPS Tk) • Выделение данных по каждому НКА • Расчет координат НКА • Получение информации о частотных поддиапазонах ГЛОНАСС • Расчет полного электронного содержания по каждому НКА Обработка XML-дан-ных (библиотека TinyXML) • Информация о частотных поддиапазонах НКА ГЛОНАСС • Экспорт полученных значений в формате XML Дополнительные функции • Расчет полного электронного содержания по данным НКА ГЛОНАСС • Комплексиро-вание данных различных НКА GPS/ ГЛОНАСС для построения карт распределения электронной плотности

Структура программного комплекса обработки данных ионосферных измерений с использованием НКА

НАСС, - используется на разных платформах. Классы построены по модульному принципу с расширением возможностей за счет широкого применения концепций объектно-ориентированного программирования.

Классы GPSTk подразделяются на классы ядра, вспомогательных утилит и приложений. В целом набор классов GPSTk обеспечивает широкий спектр готовых решений для задач, связанных с ГНСС, в том числе обработку и использование данных в стандартных форматах, таких как RINEX. В библиотеке реализовано большое количество моделей и алгоритмов, определенных в различных публикациях по обработке данных ГНСС, например, для определения местоположения пользователя или оценки атмосферной рефракции.

Поскольку в ГНСС ГЛОНАСС вместо фиксированных частот используются 14 частотных поддиапазонов (от -7 до +6), НКА, расположенные по разные стороны Земли, могут иметь один частотный поддиапазон. При этом несущая частота L1 для нулевого поддиапазона (fm) равна 1 602 МГц, несущая частота L2 для нулевого поддиапазона (/02) составляет 1 246 МГц. Обе несущие частоты формируются на основе опорного генератора частотой 5 МГц.

Описание используемых частотных поддиапазонов целесообразно оформить в виде XML-до-кумента, для обработки которого используется программная библиотека TinyXML (http://www. grinninglizard.com/tinyxml/index.html). Таким образом, данные, хранимые в XML-файле, преобразуются в объекты С++, что позволяет легко ими манипулировать в программном коде. При этом библиотека TinyXML обладает рядом достоинств:

- имеет малый размер кода;

- компилируется на любой системе, поддерживающей язык C++;

- может применяться совместно с Standart Template Library (STL);

- поддерживает кодировку UTF-8.

Для визуализации исходных и рассчитанных данных, а также построения графического интер-

фейса (GUI) целесообразно использовать возможности кроссплатформенной библиотеки QT, отличительной чертой которой является использование системы предварительной обработки исходного кода Meta Object Compiler.

Библиотека QT широко используется в зарубежных космических проектах, выполняемых Европейским космическим агентством (ESA), американским Национальным агентством океанографии и атмосферы (NOAA) и др.

Таким образом, применение указанных программных библиотек и их интеграция в едином программном продукте позволит разработать кроссплатформенный программный комплекс мониторинга ионосферы с помощью характеристик НКА GPS/ГЛОНАСС и затем расширять его возможности путем добавления поддержки новых систем спутниковой навигации.

Литература

1. Tolman B.R., Harris B., Gaussiran T., Munton D., Little J., Mach R., Nelsen S., Renfro B., Schlossberg D. The GPS Toolkit -Open Source GPS Software, Proc. 17th Intern. Tech. Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004), Long Beach, California, 2004, September.

2. Codrescu M.V., Viereck R. The Importance of Radio Occupation Measurements for Ionosphere modeling. URL: http:// www.irowg.org/docs/Presentation/codrescu.pdf (дата обращения: 23.09.2013).

3. Xu G. GPS: Theory, Algorithms and Applications, Springer. 2nd ed., 2007, 340 p.

4. Решетников В.Н. Космические телекоммуникации (начала). Тверь: НИИ «Центрпрограммсистем», 2009. 128 с.

References

1. Tolman B.R., Harris B., Gaussiran T., Munton D., Little J., Mach R., Nelsen S., Renfro B., Schlossberg D. The GPS toolkit -open source GPS software. Proc. of the 17th int. technical meeting of the satellite division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004). Long Beach, California, Univ. of California Berkeley Publ., 2004.

2. Codrescu M.V., Viereck R. The Importance of Radio Occultation Measurements for Ionosphere modeling. Available at: http://www.irowg.org/docs/Presentation/codrescu.pdf (accessed 23 September 2013).

3. Xu G. GPS: Theory, Algorithms and Applications. 2nd ed., Springer, 2007, 340 p.

4. Reshetnikov V.N. Kosmicheskie telekommunikatsii (na-chala) [Space telecommunications (basics)]. Tver, Centrprogramm-system Publ., 2009, 128 p.

УДК 528.7, 528.06

ПРИМЕНЕНИЕ INTERACTIVE DATA LANGUAGE ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

В.О. Скрипачев, зам.. начальника отдела; Ю.А. Полушковский, начальник отдела; А.М. Стрельцов, начальник сектора

При проведении исследований в системе «атмосфера - подстилающая поверхность» используется большой объем данных, которые необходимо быстро обработать. Для детальной оперативной обработки данных радиометриче-