Распределенный измерительно-вычислительный комплекс на базе волоконно-оптических и микромеханических датчиков

IDS, работающие на основе поиска в базе сигнатур, является основным методом, который применяется в коммерческих программах. Но IDS, построенная на таком подходе, не способна обнаружить атаки нулевого дня рождения, т.е. не известные ранее, с незначительно измененными вариантами нападений, сигнатура которых отличается от имеющейся в базе.

Таким образом в настоящее время, перед исследователями стоит ряд задач, которые необходимо решить для достижения более эффективного применения IDS: снижение количества ложных срабатываний, повышение эффективности алгоритма поиска нежелательного трафика, снижение требований алгоритма анализа к производительности системы, повышение удобства администрирования.

Заключение.

1. Грицай Г.,

Зафиксированные инциденты Flame, Stuxnet и увеличение найденных уязвимостей АСУ ТП объясняется тенденциями интеграции АСУ ТП в единое информационное пространство предприятия. В связи с этим снижается главное преимущество ИБ АСУ ТП, её изолированность. Это обстоятельство заставляет обратить пристальное внимание к проблемам информационной безопасности технологических систем. Системы обнаружения вторжений и межсетевые экраны, являются эффективными средствами, повышающими уровень информационной безопасности АСУ ТП. Учитывая особенности работы АСУ ТП (беспрерывность технологического процесса, критичность возникновения сбоя, простоя процесса, и др.) СОВ имеют ряд существенных недостатков: возможность ложных срабатываний, низкая эффективность алгоритмов анализа информации, высокая требовательность к производительности системы, сложность администрирования.

ЛИТЕРАТУРА

Тиморин А., Гольцев Ю. и др. Безопасность промышленных систем в цифрах. URL:http://www.ptsecurity.ru/download/SCADA analytics russian.pdf (дата обращения: 21.07.17).

2. Gostev А. The Flame: Questions and Answers. SECURELIST. URL:http://www.secure-list.com/en/blog/2 08193522/The Flame Questions and Answers (дата обращения: 11.01.17).

3. Symantec. W32. Stuxnet. URL:http://www.symantec.com/security response/writeup.jsp?docid=2 010-071400-3123-99 &tabid=2 (дата обращения: 11.01.17).

4. Воронцов А. Безопасность АСУ ТП и контроль привилегированных пользователей. URL:http://www.jetinfo.ru/stati/asu-tp-voprosy-bezopasnosti (дата обращения: 15.01.17).

5. Еременко В.Т., Мишин Д.С., Паромохина Т.М., Направления и проблемы интеграции автоматизированных систем управления для предприятий с непрерывным технологическим циклом // Информационные системы и технологии, 2014. С. 53. (дата обращения: 02.03.17).

УДК 629,7,05

Чернодаров1 А,В,, Патрикеев1 А,П,, Меркулова2 И,И,, Бычков2 А.В., Халютина1 О,С,

1ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия

2ФГБОУ ВО «Московский госудирственный технический университет им. Н.Э. Баумана», Москва, Россия

РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА БАЗЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ И МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Рассматриваются особенности построения и применения распределенных резервированных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (РБИНС) на базе измерителей различного принципа действия. Обосновываются новые свойства РБИНС, связанные с объединением их в единую структуру. Показывается возможность повышения их точностных и надежностных характеристик. Предлагаемые подходы к реализации такой возможности РБИНС опираются на мажоритарные схемы стохастического контроля и обработки сигналов распределенных измерителей Ключевые слова:

инерциальная навигационная система, ромеханические датчики

распределенные измерения, волоконно-оптические датчики,

Современное состояние бортовых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) характеризуется включением в их состав распределенных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Это связано с необходимостью навигационного обеспечения не только летательных аппаратов (ЛА), но и бортовых систем обзора земной поверхности, в состав которых включаются БИНС. К таким системам относятся радиолокационные (РЛС), видеоконтрольные (ВКУ), лазерные сканирующие (лидары) и другие обзорные устройства.

Типовыми являются следующие применения распределенных БИНС (РБИНС) в составе обзорных систем:

- определение угловых и траекторных неста-бильностей фазового центра антенны РЛС с синтезированной апертурой (РСА) [1];

- координатная и угловая привязка изображений, получаемых с помощью ВКУ и лидаров [2].

В то же время при объединении РБИНС в единую структуру появляются новые функциональные возможности таких комплексных навигационных систем, а именно:

- резервирование и взаимная поддержка БИНС и повышение на этой основе информационной надежности ИВК;

- взаимный контроль и диагностирование БИНС;

- оптимизация структуры РБИНС для обеспечения требуемой точности навигации и ориентации в сложных условиях эксплуатации ЛА. Такие условия связаны с маневрированием ЛА, потерей сигналов спутниковых навигационных систем (СНС).

Цель работы: исследование возможностей ИВК при объединении РБИНС в тесно связанную структуру.

При реализации поставленной цели учтены следующие особенности построения и функционирования РБИНС в составе ИВК:

- необходимость взаимного обмена информацией между модулями РБИНС через бортовую вычислительную систему верхнего уровня ИВК;

- синхронизация измерительно-вычислительных процедур, реализуемых в РБИНС;

- БИНС, входящие в состав РСА, ВКУ и лидаров, начинают работу только в полете одновременно с включением указанных систем. Для БИНС такой режим работы является резервным или аварийным и предусматривает их выставку и/или довыставку в полете. Кроме того, из-за ограничений на размеры и массу БИНС обзорные системы строятся на базе микромеханических (МЭМС) датчиков. Такие датчики имеют большую зону нечувствительности и невысокую точность. С учетом указанных особенностей БИНС-МЭМС должны опираться на базовую высокоточную БИНС, входящую в состав навигационного комплекса ЛА. Кроме того, БИНС-МЭМС не могут автономно выполнить начальную выставку по углам ориентации. Поэтому начальная выставка таких БИНС реализуется по информации от базовой системы. В качестве опорной в работе рассматривается БИНС на базе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ);

- БИНС-МЭМС используется для поддержки опорной БИНС при угловых скоростях, превышающих диапазон измерения ВОГ;

- взаимная поддержка интегрированных инерци-альных систем, включающих спутниковые приемники, необходима не только для непрерывной коррекции координат БИНС-МЭМС, но и для уточнения углов ориентации мест установки обзорных систем. Следует отметить, что частота обновления координат, определяемых СНС, единицы герц, а определяемых БИНС - единицы килогерц. Кроме того, при исполь-

зовании СНС не обеспечивается «гладкость» выдаваемых в систему управления параметров, в том числе, из-за импульсных помех в сигналах СНС.

Указанные особенности были учтены в РБИНС совместной разработки ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт» (Москва) и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Макетный образец распределенной РИНС представлен на рис. 1.

Рисунок 1 - Распределенная БИНС

На рисунке показаны: БИНС-500НС - бесплатформенная инерциально-спутниковая навигационная система на базе ВОГ совместной разработки «Экспериментальная мастерская НаукаСофт» и НПК «ОПТОЛИНК» (Зеленоград) [3]; микромеханические БИНС-МЭМС, построенные на базе измерительных модулей ADIS16488 компании Analog Devices.

Обработка сигналов БИНС-МЭМС реализована на базе вычислительной платы OlinuXino A20 micro с адаптером для согласования интерфейсов SPI и UART. Информационный обмен указанных БИНС обеспечивается через Ethernet и блок обработки и отображения информации. Программно-математические решения реализованы на базе операционной системы реального времени Linux, поддерживающей модульную архитектуру построения РБИНС.

Подготовка реальной РБИНС к применению включает грубую и точную начальную выставку.

Этап грубой начальной выставки БИНС-ВОГ реализуется на основе метода аналитического гиро-компасирования, когда по выходным сигналам акселерометров и гироскопов выполняется приближенное определение элементов соответствующей матрицы направляющих косинусов (МНК). По элементам МНК вычисляются углы ориентации блока чувствительных элементов (БЧЭ) относительно опорного навигационного трехгранника. БЧЭ включает три гироскопа и три акселерометра, размещенных по ортогональным осям измерительного трехгранника.

Этап точной начальной выставки БИНС-ВОГ реализуется на основе метода векторного согласования [4] вычисленных по информации БИНС и априорно известных геофизических инвариантов. Геофизическими инвариантами являются параметры, значения которых априорно известны и не изменяются во времени и в пространстве. Такими инвариантами являются: угловая скорость вращения Земли; ускорение силы тяжести в точке местонахождения БИНС; навигационные параметры, определяемые с учетом неподвижного или движущегося с известной скоростью основания БИНС. На этом этапе оцениваются ошибки угловой ориентации БЧЭ, а также остаточные дрейфы чувствительных элементов и параметры их динамических моделей. Для этого в БИНС-ВОГ формируются и обрабатываются с

помощью обобщенного фильтра Калмана (ОФК) следующие наблюдения [5]

t

z,

k ()=\<РА

Тнв '

бинс

«чта^,

где ТНВ - обозначение точки начальной выставки; ф-,Х- - геодезические широта и долгота местоположения БИНС; В0 - матрица направляющих косинусов, характеризующая ориентацию БЧЭ относительно

А/ = / — - шаг

инерциальной системы координат;

наблюдений; © = J -

сигналов ВОГ

в

проекциях

вектор выходных на оси БЧЭ;

Q = 15.041

ния Земли

значение угловой скорости враще-t

; V = [ We]

вектор относительной

скорости движения БЧЭ в проекциях на оси полусвободного в азимуте опорного навигационного трехгранника [5].

Этап грубой начальной выставки БИНС-МЭМС реализуется путем формирования приближенных значений углов ориентации БЧЭ-МЭМС, полученных от БИНС-ВОГ с учетом априорно известного взаимного расположения БЧЭ в корпусе ЛА.

Этап точной начальной выставки БИНС-МЭМС реализуется на основе метода векторного согласования. На этом этапе выполняется оценка и компенсация ошибок угловой ориентации и дрейфов БЧЭ БИНС-МЭМС путем последовательной обработки с помощью ОФК сигналов наблюдений (1) - (3), а также наблюдений углов ориентации: истинный курс ^ ,

тангаж 3 , крен у, с учетом априорно известной взаимной ориентации БЧЭ-ВОГ и БЧЭ-МЭМС.

-\т г ^ -\т

= [w$y]

<бинс - мэмс

\бинс-вог ;

Навигационный режим реализуется путем решения кватернионных уравнений ориентации и навигации, а также уравнений их ошибок. Базовый вектор состояния БИНС включает ошибки счисления составляющих вектора относительной скорости, ошибки счисления элементов кватернионов навигации и ориентации, угловые дрейфы гироскопов и смещения акселерометров.

На этом этапе оцениваются параметры вектора ошибок БИНС-ВОГ путем обработки инерциально-спутниковых наблюдений

лт Г/ .тУ

\бинс-вог

ID

-[та]

Az„ = I V,Vyr ]T - Amu х Ая}

Г Г ÇJ

t

бинс -мэмс

j бинс-вог

azk =№ЧТбинс - мэмс -mt

бинс - вог '

АЯ -

Amu = Amu(бинс-мэмс) - Amu(бинс-вог) ;

априорно известный радиус-вектор БЧЭ-

zk

v

=4)[та] T

щбинс -вог

-[VEVNVf

h \(1)снс '

теризующая взаимную угловую ориентацию опорного и геодезического оЕ'ЫЕ трехгранников, а также параметры вектора ошибок БИНС-МЭМС путем обработки следующих наблюдений

МЭМС - БЧЭ-ВОГ;

Шп - переносная угловая скорость, связанная с облетом Земли.

Характерные результаты совместной работы базовой и микромеханических БИНС представлены на рис. 2, 3, где показаны круговые позиционные ошибки Д5, соответствующие счислению параметров движения БИНС-МЭМС в автономном режиме и при взаимодействии с БИНС-ВОГ;

AS = Js£ + sjl; Sy = Овинс - Фснс) 'R; <Рх= (^в

ДS. км

Лснс)  R  coscpcне

500 1 000 1 ЮС 2000 2 SOG 3 ООО 3 ЕОО

Рисунок 2 - Круговая позиционная ошибка без компенсации оценок параметров БИНС-

<000 t ¿С

МЭМС

Рисунок 3 - Круговая позиционная ошибка при компенсации оценок параметров БИНС-МЭМС

Можно видеть, что без поддержки базовой системы точностные характеристики БИНС-МЭМС не обеспечиваются.

Проведенные исследования и представленные графики подтверждают целесообразность объединения распределенных БИНС в тесно связанную структуру и реализации алгоритмов комплексирования данной структуры для взаимной поддержки БИНС и

повышения информационной надежности ИВК. Такое комплексирование опирается на реализацию метода векторного согласования навигационных параметров базовой и микромеханических БИНС, а также на применение процедур оптимального оценивания ошибок и контроля по комбинированным критериям согласия [5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Авиационные системы радиовидения / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.

Радиотехника, 2 015.

2. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли. - М.: Геолидар, 2007. -

229 с.

3. Чернодаров А.В., Патрикеев А.П., Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Переляев С.Е. Полунатурная отработка программно-математического обеспечения инерциально-спутниковой навигационной системы БИНС-500 на волоконно-оптических гироскопах // Гироскопия и навигация. - 2010. - № 4. - С. 19-31.

4. Липтон А. Выставка инерциальных систем на подвижном основании. - М.: Наука, ГРФМЛ, 1971. -168с.

5. Чернодаров А.В. Контроль, диагностика и идентификация авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов. - М.: Научтехлитиздат, 2017. - 300 с.

где B - матрица направляющих косинусов, харак