О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем

А.Н. Королев, А.А. Тарасов

О ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НАВИГАЦИОННО-ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В статье рассмотрен подход к описанию структурной организации на-вигационно-информационных систем с точки зрения их функциональной устойчивости. Определены критерий, границы и запасы функциональной устойчивости навигационно-информационных систем. Сформулированы основные стратегии реконфигурации навигационно-информационных систем при деструктивных воздействиях на них с целью обеспечения автоматического восстановления их работоспособности.

Ключевые слова: навигационно-информационная система, функциональная устойчивость, навигационное поле, деструктивное воздействие, функциональная реконфигурация.

Широкое применение глобальных навигационных систем, прежде всего спутниковых систем радионавигации GPS и ГЛО-НАСС, в последнее десятилетие привело к созданию и развитию целого класса информационных систем, предназначенных для обработки пространственно-временных и иных данных, основой которых служит навигационная и телеметрическая информация. Такие системы обычно называют навигационно-информацион-ными системами (НИС).

НИС имеют специфические особенности построения (рис. 1).

К таким особенностям прежде всего следует отнести наличие обязательного элемента НИС - подсистемы определения местоположения объекта контроля. В эту подсистему входят специальные технические средства определения местоположения и параметров движения объекта контроля в пространственно-временном базисе, взаимодействующие с навигационным полем.

© Королев А.Н., Тарасов А.А., 2012

О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем

Рис.1. Обобщенная структура навигационно-информационной системы

Навигационные поля могут быть естественного или искусственного происхождения. К естественным навигационным полям можно, например, отнести магнитное и гравитационное поля Земли. В этих случаях навигационное поле строится как поле пространственно распределенных аномалий (гравитационных или магнитных), измерение которых соответствующими датчиками, установленными на объекте, дают информацию о текущем местоположении объекта. Другим примером естественных навигационных полей можно считать построение инерциального базиса в пространстве для использования методов инерциальной навигации или астронавигацию по картам звездного неба. К преимуществу использования естественных навигационных полей относится отсутствие затрат на их создание и поддержание, к недостаткам -низкая точность (поля гравитационных или магнитных аномалий), низкая доступность (астронавигация), накопление ошибок (инерциальная навигация).

В отличие от естественных навигационных полей, искусственные навигационные поля формируются специальными навигационными системами. По способу базирования выделяют спутниковые и наземные навигационные системы. По зоне действия -глобальные навигационные системы (ГНСС), системы ближней и дальней навигации. Искусственные навигационные поля, как правило, представляют собой зоны распространения навигационных радиосигналов, поэтому эти поля называют радионавигационными. Наибольшее распространение в настоящее время получили НИС, использующие радионавигационные поля ГНСС.

А.Н. Королев, А.А. Тарасов

Этот факт обусловлен тем, что ГНСС ГЛОНАСС (РФ), GPS (США), а в ближайшей перспективе и Galileo (ЕС) обеспечивают глобальную зону покрытия (весь Земной шар), высокую точность и доступность. Еще одним немаловажным фактором является то, что ГНСС ГЛОНАСС и GPS обеспечивают бесплатный доступ к навигационным радиосигналам гражданского назначения.

Другая особенность НИС обусловливается необходимостью обмена информацией между подвижным объектом (объектами) контроля и управления и стационарным или подвижным органом (органами) управления. Это предполагает наличие в контуре управления системы подвижной радиосвязи, обеспечивающей телекоммуникационную среду обмена данными между объектом и субъектом управления в автоматизированной системе. Исключение составляют НИС, в которых объект и субъект управления пространственно объединены; это так называемые системы автономной навигации (автонавигаторы).

Некоторые современные системы подвижной радиосвязи, такие как сети мобильной связи GSM, СDMA и т. п., могут также являться источником радионавигационного поля, позволяющего наряду с задачей передачи данных решать и задачу местоопределе-ния объектов контроля с определенным уровнем точности.

Следует заметить, что в отличие от задачи местоопределения объекта контроля и управления, задача определения параметров состояния объекта и окружающей среды не является обязательной для любого класса НИС. В простейшем случае измерительная подсистема НИС может ограничиваться только определением местоположения объекта.

Таким образом, НИС представляет собой многообъектную распределенную иерархическую систему автоматизированного управления. При этом сами объекты управления НИС изменяют во времени под действием внешних воздействий и внутренних факторов не только свое состояние, но и местоположение в пространстве, что влечет за собой, вследствие пространственных не-однородностей телекоммуникационной подсистемы и навигационного поля, изменения структурно-функциональных связей внутри самой системы. Кроме того, воздействие внешней среды (преднамеренное или непреднамеренное) на элементы системы может существенно влиять на ее работоспособность. В связи с этим необходима способность сохранять или восстанавливать (полностью или частично) возможность выполнения возложенных на нее функций в условиях воздействия деструктивных фак-

О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем

торов. Такую способность будем трактовать как функциональную устойчивость НИС1. Рассмотрим подход к описанию структурной организации НИС точки зрения обеспечения их функциональной устойчивости.

Пусть цель функционирования НИС состоит в реализации определенного набора функций

F = < fi, f2, .., f. >.

Реализация каждой функции НИС на определенном интервале времени может выполняться с некоторым уровнем качества в зависимости от выделенных ресурсов системы для выполнения данной функции, изменения пространственного расположения объектов системы, состояния навигационного и связного полей и воздействий внешней среды в рассматриваемый интервал времени.

Рассмотрим V = (vj, L = ||V| - множество объектов управления НИС, каждый из которых характеризуется набором навигационных параметров r(t) (координаты, скорость, направление движения и т. п.) в текущий момент времени t. Набор R(t) = < r1(t), r2(t), .., rL (t) > определяет пространственное положение объектов управления НИС в момент времени t. Основными характеристи-ками2 навигационного поля в некотором месте пространства, входящем в рабочую зону системы навигации, являются точность на-вигационно-временных определений, целостность и доступность. В зависимости от этих характеристик навигационного поля в точке местоположения i-го объекта управления НИС измерения вектора могут быть произведены с различной степенью точности и достоверности. Например, если объект контроля находится на открытой местности и имеет возможность принимать как сигналы спутников ГНСС ГЛОНАСС/GPS, так и корректирующую информацию с геостационарных спутников широкозонных дифференциальных систем SBAS (WAAS, EGNOS, СДКМ и т. п.), то погрешность определения текущего местоположения объекта может быть не более 1 м. Если же объект находится на закрытой территории (например, в условиях городской застройки) и не имеет возможности принимать сигналы SBAS, то погрешность определения текущего местоположения может быть не менее 10 м. В случае невозможности определения местоположения по сигналам ГНСС, но нахождения объекта в зоне действия сети мобильной связи GSM погрешность определения его текущего местоположения может составить от нескольких десятков метров до не-

А.Н. Королев, А.А. Тарасов

скольких километров. Таким образом, для каждой точки возможного расположения объектов контроля НИС можно определить потенциальный уровень качества пространственно-временной идентификации объекта (точность и достоверность оценки определения местоположения и параметров движения объекта). Если Ф = {%}- множество навигационных систем, по которым НИС имеет техническую возможность осуществлять пространственно-временную идентификацию своих объектов контроля, Хм = {х^} -множество областей в четырехмерном координатно-временном пространстве перемещения объектов контроля НИС, внутри каждой из которых характеристики навигационных полей постоянны, то имеет место следующее отображение:

у: Ф х Х^ ^ Е,

где Е = {е1; е2,..., £м} - упорядоченное конечное множество уровней качества пространственно-временной идентификации объектов контроля в НИС.

Поскольку системы подвижной связи, функционально входящие в НИС, формируют в пространстве перемещения объектов контроля НИС связные поля, характеризуемые пропускной способностью, доступностью и непрерывностью, то по аналогии с навигационными полями для каждой точки возможного расположения объектов контроля НИС можно определить потенциальный уровень качества информационного обмена (полнота, достоверность и задержка в передаче информации от объекта и к объекту). Пусть Н = {п} - множество систем связи, по которым НИС имеет техническую возможность осуществлять информационный обмен со своими объектами контроля, Х1 = {х^с} - множество областей в четырехмерном координатно-временном пространстве перемещения объектов контроля НИС, внутри каждой из которых характеристики связных полей постоянны, тогда имеет место следующее отображение:

у: Н х Х^ ^ Г,

где Г = {У1; Y2, ..., YL } - упорядоченное конечное множество уровней качества информационного обмена в НИС.

Пусть Z = {г} - множество аппаратно-программных средств (АПС) НИС. Тогда для каждой функции/ имеет место следующее отображение:

О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем

юг: Z х Е х Х ^

где (2 = ц12,..., - упорядоченное конечное множество уровней качества реализации г-й функции. Для реализуемого НИС набора функций F существует множество О уровней качества функционирования НИС, состоящее из непересекающихся подмножеств {О1, (У2, ..., ОЛ} с элементами Ц е (2г, г = 1, Л, упорядоченными согласно условию

д[ < < < , г = 1, N

Множество О является частично упорядоченным и его удобно записывать в виде квазиматрицы3 Л-го порядка со строками - упорядоченными множествами (2:

О =

цЛЛ

КЛ

= ц , г = 1, л,/ = 1, к

На множестве О построим множество векторов

А = {А}, А = {а/}, а/ е

где каждый вектор определяет некий уровень качества реализации набора функций F НИС.

На множестве векторов А введем частичный порядок

Аг > А. : V

V /

и метрику

V (А., А е А, А. > А.) ¿(А , А ) = шт (к - т ),

\ г> ] 'г у \ г> у I х I I"

А э а/ = Ц , А э а/ = Ц , / = 1, Л

г 1 1 1 т1

Пусть 2г е 2 - подмножество работоспособных аппаратно-программных средств (АПС) НИС, участвующих в реализации г-й функции НИС. Тогда существует некая конфигурация аппаратно-

А.Н. Королев, А.А. Тарасов

программных средств (ресурсов) НИС для реализации набора функций F

Щ = < Zl1, Z/2, ..., ZN >, ^ Z, Щ е К, г = 1, Ы, I = 1, К,

причем множества АПС НИС 21. являются пересекающимися, так как одни и те же АПС могут б ыть задействованы для реализации различных функций одновременно. На множестве К также можно ввести метрику, определяющую расстояние между распределениями к1

й

г > п г } г }

Учитывая (4), можно утверждать, что каждой конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) НИС к1 при определенных уровнях качества пространственно-временной идентификации объектов контроля е, и информационного обмена ут в НИС соответствует определенный уровень качества реализации набора функций А.

V Щ е К ут е Г е, е Е) ЗА. е: < кр у^ е, > ^ А ,

при этом один и тот же уровень качества реализации набора функций F НИС А. может достигаться при различных конфигурациях аппаратно-программных средств к.

Для каждой г-й функции существует минимально допустимый уровень качества ее реализации дг, при котором достигается цель функционирования НИС. Если система не способна обеспечить выполнение г-й функции с уровнем качества ц1г или выше, то считается, что г-й функция не выполняется системой. Введем вектор А1;ш, определяющий минимально допустимый уровень качества реализации набора функций F НИС

А11Ш = Ц-}, «!1Ш = <, г =1ГЙ.

Пусть Я = {г} - множество возможных деструктивных воздействий на НИС, вызывающих нарушения в ее работе. Тогда, используя выражения (11) и (12), можно формализовать понятие функциональной устойчивости НИС.

Определение. НИС является функционально устойчивой, если после деструктивного воздействия г е Я существует хотя бы

О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем

одна работоспособная конфигурация аппаратно-программных средств (ресурсов), обеспечивающая реализацию набора функций F с уровнем качества не ниже Ацт

Щ еК ГтеТ,ек е E), Щ

Уровень качества А11т можно трактовать как границу устойчивости НИС к деструктивным воздействиям из Я, а расстояние й(АГт, Ащ) - как запас функциональной устойчивости НИС для конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) к. При этом функциональная устойчивость НИС при деструктивных воздействиях обеспечивается функциональной перестройкой системы, включая:

- идентификацию после деструктивного воздействия на НИС состояния работоспособности ее аппаратно-программных средств (ресурсов) с учетом текущего распределения их кп1ек для реализации заданного набора функций;

- поиск конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) НИС кдоп, обеспечивающей приемлемое качество реализации заданного набора функций в соответствии с (14);

- закрепление заданного набора функций НИС за программно-аппаратными средствами в соответствии с найденной конфигурацией кдоп.

Существуют различные стратегии функциональной перестройки. Они определяются такими требованиями к функциональной устойчивости, как:

- минимизация дополнительного оборудования, обеспечивающего функциональную устойчивость системы;

- минимизация времени восстановления работоспособности после деструктивного воздействия;

- максимальная адаптация системы к потоку деструктивных воздействий.

В зависимости от перечисленных требований можно выделить следующие стратегии ее функциональной перестройки.

1. Стратегия пригодности. Поиск осуществляется до нахождения первой конфигурации кдоп, удовлетворяющей условию

кдоп е К < кдоп, Ут, ек > ^ \т, \т £ А11т.

2. Стратегия максимального быстродействия при восстановлении работоспособности. Осуществляется поиск конфигурации кдоп, минимально отличающейся от текущей

А.Н. Королев, А.А. Тарасов

d

3. Стратегия максимального запаса функциональной устойчивости. Осуществляется поиск конфигурации kdon, обеспечивающей максимальный запас функциональной устойчивости при текущем состоянии работоспособности аппаратно-программных средств (ресурсов) НИС

^ншш AJ = min d

Выбор той или иной стратегии осуществляется на этапе проектирования НИС.

Примечания

1 См.: Тарасов А.А., Бородакий Ю.В. О функциональной устойчивости информа-

ционно- вычислительных систем // Известия. 2006. № 7.

2 См.: ГОСТ Р 52865-2007. Глобальная навигационная спутниковая система.

Параметры радионавигационного поля. М.: Стандартинформ, 2008. 23 с.

3 См.: Левин В.И. Логическая теория надежности сложных систем. М.: Энерго-

атомиздат, 1985. 128 с.