Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Теоретические основы геоинформационной поддержки принятия решений при формировании систем технического наблюдения в аспекте гидрометеорологического обеспечения

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Теоретические основы геоинформационной поддержки принятия решений при формировании систем технического наблюдения в аспекте гидрометеорологического обеспечения"

На правах рукописи УДК [5Ы.5+004.94]:621.371

ВАСИЛЕНКО СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО

НАБЛЮДЕНИЯ В АСПЕКТЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

25.00.35 - Геоннформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2008

003452934

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Российском государственном гидрометеорологическом университете» (РГГМУ)

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор A.C. Гаврилов

Официальные оппоненты: доктср технических наук,

профессор Г.В. Менжулнл; доктор технических наук, профессор В.Б. Митько; доктор фи.'.ико математических наук, доцент И.В. Карпов

Ведущая организация: Военная кожспсрпо-космическая академия

кмеки А.Ф.Можайского (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «9» декабря 2008 г. е И час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.197.03 пря Российском государственном гидрометеорологическом университете (корпус Ii) по адресу: Санкт-Г.етербург. проспект Металлистов, дом 3.

С диссертацией мо'гкяо ознакомиться г: библиотеке Российского ve судар'лвенного гидрометеорологичгскбго ушг^ерситета.

Автореферат розо сл-1н «7>> ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного сосет?.

д.т.н., профессор ^ZZITIZ.^ > Бескид П.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется тем, что широкое внедрение в практику охраны всевозможных технических средств наблюдения (ТСН) предполагает детальное изучение условий обнаружения различных объектов в разнообразных условиях практического использования таких средств.

Все это требует исследования гидрометеорологических аспектов наблюдений и создания геоинформационных систем с целью сбора, систематизации, анализа, и распространения пространственно-координированных данных условий обнаружения различных объектов для внедрения в последующем практических методов эффективного планирования наблюдательных сетей с позиции минимизации затрат на их развертывание и обеспечение функционирования. Понятие «геоинформационная поддержка» в этом смысле следует трактовать как реализацию некоторых процедур расчета характеристик обнаружения и формирование баз данных применительно к тем территориям, где специальные исследования в этом направлении никогда не производились и систематизированные данные отсутствуют.

Условия распространения электромагнитных волн сантиметрового и оптического диапазонов существенно зависят от состояния атмосферы на пути их распространения. В зависимости от вертикального распределения температуры, влажности, давления и водности формируются различные типы атмосферной рефракции и ослабления электромагнитных волн, которые существенным образом определяют характеристики обнаружения различных объектов.

Несмотря на большое количество накопленного в последние десятилетия эмпирического материала и проведение основополагающих теоретических разработок этой проблемы, главная из рассматриваемых при этом задач - нахождение связи между характеристиками сигнала и метеоусловиями - все еще не нашла своего окончательного разрешения.

Объектом исследования являются физические процессы в атмосферном пограничном слое (АПС), определяющие условия обнаружения различных объектов на местности с использованием применяемых на практике ТСН.

Предмет исследования состоит в разработке инструмента, позволяющего принимать адекватные решения при формировании систем технического наблюдения (СТН) в аспекте влияния метеорологических факторов.

Таким образом, основными целями диссертационного исследования являются:

- обобщение современных представлений о физических механизмах распространения электромагнитных колебаний сантиметрового и оптического диапазонов и формулировка требований к количеству и качеству информации об атмосфере, необходимой для расчета и прогноза условий обнаружения различных объектов;

- анализ доступных информационных ресурсов и ликвидация выявленных пробелов путем организации специальных натурных экспериментов и построения соответствующих математических моделей;

- разработка методики пространственного анализа и решение задачи создания баз данных характеристик обнаружения применительно к территориям РФ с различными климатическими условиями на основе геоинформационных технологий.

Выявленными противоречиями предмета исследования, которые определяют научную проблему и перечень научных задач, являются современные требования к СТН по эффективному обнаружению нарушителей границ охраняемых территорий с одной стороны, и отсутствие необходимого для этих целей адекватного гидрометеорологического обеспечения с другой.

Таким образом, для достижения сформулированных целей исследования необходимо решить крупную научную проблему, заключающуюся в разработке теоретических основ поддержки принятия решений при планировании размещения и применения технических средств наблюдения на охраняемых территориях как совокупности научно-методических компонентов разрешения всего комплекса противоречий в предметной области системы наблюдения и задач по оптимизации ее состава и структуры, выработке технических требований, технических решений по построению системы и применению средств технического наблюдения в зависимости от метеорологических особенностей различных территорий Российской Федерации.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе были определены следующие задачи:

- сформулировать требования по информационному обеспечению расчета и прогноза характеристик обнаружения применительно к сантиметровому и оптическому диапазонам;

- осуществить комплекс натурных экспериментов с использованием комбинации ТСН и установить связь характеристик наблюдения различных объектов с метеорологическими условиями;

- разработать методы расчета, позволяющие решать задачи прогноза характеристик обнаружения различных объектов, для любого региона РФ на основе имеющейся стандартной гидрометеорологической информации - единственного информационного ресурса, доступного в настоящее время;

- осуществить сбор информации и создать базу данных стандартных гидрометеорологических наблюдений и данных синоптического анализа отдельных регионов РФ, как элемента геоинформационной системы (ГИС) за период времени, достаточный для последующего статистического анализа характеристик обнаружения различных объектов;

- разработать метод и произвести пространственный анализ характеристик обнаружения с получением комплекта ГИС-покрытий характеристик обнаружения различных объектов.

Основными методами решения поставленных задач являются экспериментальные исследования и численное моделирование АПС.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные исследования по изучению взаимосвязи характеристик обнаружения различных объектов в оптическом диапазоне с метеорологическими условиями применительно к геоинформационной поддержке принятия решений при формировании систем технического наблюдения.

2. Методы расчета характеристик обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах на основе созданных баз данных стандартной гидрометеорологической информации.

3. Метод расчета характеристик обнаружения различных объектов в оптическом диапазоне на наклонных трассах визирования, в том числе с поисковых воздушных судов, на основе использования баз данных стандартной гидрометеорологической информации.

4. Поставлена и решена задача определения временной изменчивости характеристик обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах для трех регионов РФ с различными климатическими условиями, рассчитанными на основе обработки созданных за период 2000-2006 гг. баз данных стандартной гидрометеорологической информации.

5. База данных пространственного анализа характеристик обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах в форме комплекта ГИС - покрытий для трех регионов РФ.

Научная новизна исследования

1. В результате проведенных полигонных испытаний технических средств наблюдения, функционирующих в оптическом диапазоне, впервые получены зависимости дальностей обнаружения различных объектов от метеорологических условий, позволяющие решать задачи в предметной области геоинформационного картирования характеристик обнаружения в зависимости от климатических особенностей территорий.

2. Разработан метод, позволяющий рассчитывать характеристики обнаружения различных объектов, в том числе и на наклонных трассах наблюдения, на основе использования баз данных гидрометеорологической информации.

3. На основе созданных в результате расчетов баз данных характеристик обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах для трех регионов РФ с различными климатическими условиями впервые проведен анализ их временной и пространственной изменчивости с построением, в итоге, набора ГИС-покрытий этих характеристик.

4. Впервые предложен перспективный способ оценки эффективности систем технического наблюдения в аспекте гидрометеорологического обеспечения на стадии планирования их размещения и конфигурации включаемых в их состав средств наблюдения с использованием ГИС-покрытий характеристик обнаружения различных объектов для различных регионов.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются статистической обеспеченностью итогов экспериментальных исследований, строгой математической постановкой задачи о численном моделировании АПС, а также статистической обеспеченностью рассчитанных на основе архивов стандартной гидрометеорологической информации характеристик обнаружения различных объектов.

Теоретическая и практическая ценность диссертации состоит в разработке оригинальных методов, позволяющих лишь на основе стандартной гидрометеорологической информации рассчитывать характеристики обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах и, в итоге, построить карты данных характеристик для любого региона РФ и сопредельных государств.

По теме диссертации опубликовано 44 (38 без соавторства) печатные работы, результаты исследований нашли отражение в 17 отчётах о НИР. В том числе основные результаты исследований опубликованы и реализованы в следующих материалах:

1. В монографии (Василенко C.B. Методы расчета и прогноза условий наблюдаемости объектов на охраняемых территориях. - Калининград: КПИ ФСБ России, - 2008. - 144 с.

2. В 24-х статьях, опубликованных в материалах всесоюзных, всероссийских, международных конференций и в электронных научных изданиях за период с 1996 по 2008 годы, в том числе 11 статей в изданиях перечня ВАК: «Геоинформатика», «Радиотехника», «Естественные и технические науки».

3. В отчётах по 17 заказным НИР (шифры: «Гольф» (заказ ДВ ФПС России); «Горизонт-15КС-04» (заказ ПНИИЦ ПС ФСБ РФ); «РССОИ» (заказ администрации Калининградской обл.); «Концепция» (заказ НИКИРЭТ «СНПО «Элерон» Минатома РФ); «Монитор» и «Радиопрогноз» (заказ в/ч 35533); «Затухание-2» (заказ ОАО НИИ «Стрела»), в том числе в 10 НИР до заказу КПИ ФСБ России).

Результаты исследований апробированы и получили положительную оценку на 25 научно-практических конференциях различного уровня за период с 1996 по 2008 год в городах Москва, Санкт-Петербург, Калининград, в том числе на 6 международных: «Посвященной 40-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле и 85-летию высшего рыбохозяйственного образования в России» (Калининград, 1998 г.); «Перспективные направления технического развития пограничных органов Федеральной службы безопасности России» «Граница-2005» (Москва, 2005 г.); «Использование современных информационных технологий в правоохранительной деятельности и региональные проблемы информационной безопасности» (Калининград, 2006 г.); «Инновации в науке и образовании-2006» (Калининград, 2006 г.); «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление» (Санкт-Петербург, 2006 г.); «Посвященной 50-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле» (Калининград, 2008 г.); 2 всероссийских и более 18 региональных и ведомственных научно-практических конференциях.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Всего в работе 195 страниц, 71 рисунок и 9 таблиц. Список источников включает 108 наименований, в том числе 12 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна, теоретическая и практическая ценность диссертации, определяются цель и задачи работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена особенностям нижней тропосферы как среды распространения электромагнитных колебаний. Проведен анализ атмосферного пограничного слоя - слоя атмосферы высотой 1,5-2 км, примыкающего к поверхности Земли, на строение которого определяющее воздействие оказывают процессы динамического и термодинамического взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью. Структура АПС значительно отличается от структуры вышележащей, так называемой «свободной» атмосферы, формирующейся под воздействием крупномасштабных (синоптических) атмосферных процессов. Приземный слой (ПС) атмосферы - нижняя часть АПС толщиной несколько десятков метров, структура которого полностью определяется процессами взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью.

Как известно, под рефракцией понимают преломление электромагнитных волн в атмосфере под влиянием неоднородностей в поле показателя преломления пор, или связанного с этой величиной так называемого индекса оптической

рефракции Нор( = (пор1 -1)106, зависящего от давления воздуха р, абсолютной

температуры т и длины волны света я следующим образом:

77,бр 0.584/7 (1)

ор' т та1 '

где давление измеряется в гектопаскалях (гПа), температура - в градусах Кельвина (К0), а длина волны - в микрометрах (мкм). Эта величина измеряется в так называемых «^единицах». Данная формула справедлива для диапазона длин волн от 0,2 до 20 мкм. При рассмотрении рефракции электромагнитных волн в атмосфере весьма полезным оказывается введение понятия радиуса кривизны траектории луча, причем для случая рефракции света эта величина может быть представлена следующим образом:

101. И» ^ (2)

'гТ' & '

где Ум" - вертикальный градиент индекса рефракции (Ы-ед./м).

Для любого типа рефракции оказывается справедливой следующая формула для расчета дальности видимого горизонта с некоторой высоты располо-

жения наблюдателя И, получаемая с заменой радиуса поверхности Земли Л3 на эквивалентный радиус яэ (Долуханов М.П., 1972):

УН=АГЛ, (3)

где к задается в метрах, а Уь - в километрах, причем аг = . Так, для условий стандартной рефракции при среднем падении температуры в тропосфере около б град/км, величина Еэ = 7300 км, что дает Аг = 3,82.

Общая зависимость этого коэффициента от градиента температуры представлена на рисунке 1. Как можно видеть из рисунка, в условиях дневной конвекции дальность видимости горизонта сокращается почти в два раза, а в случае ночной инверсии - увеличивается, причем по достижении значения 12,3 град./100 м -до бесконечности.

В реальной атмосфере дальность обнаружения различных объектов редко достигает условий видимости в идеальной атмосфере вследствие разного рода эффектов ослабления света, самым важным из которых является аэрозольное ослабление.

ю

9

г

7

6

* 5

4_

3

2

1

О

Рис. 1. Зависимость величины аг = от среднего вертикального градиента

температуры. Пунктиром показан уровень стандартной рефракции (аг = 3,82)

Проблема обнаружения различных объектов в замутненной атмосфере неразрывно связана с понятием метеорологической дальности видимости (МДВ).

МДВ (V, м) - весьма специфическая характеристика прозрачности атмосферы применительно к диапазону видимой части спектра (А »¡0,3 - 0,8 мкм). Она определяется как «наибольшее расстояние, с которого в светлое время су-

9

/

!

- ,82

\

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Градиент температуры, град/100 м

ток перестает быть видимым абсолютно черный объект размером более 20 угловых минут, проектирующийся на фон неба у горизонта» (Матвеев Л.Т, 1984).

Наряду с такими важными характеристиками, как размер, состав и концентрация аэрозолей в атмосфере, наиболее важным метеорологическим параметром, определяющим ухудшение видимости, является относительная влажность. Следует подчеркнуть, что образование сильной дымки - это, по существу, предварительная стадия образования тумана, поэтому все процессы образования туманов в одинаковой степени имеют отношение и к образованию сильных дымок.

Метеорологическая дальность видимости - единственный параметр атмосферы, входящий в набор стандартных метеорологических наблюдений на метеостанциях, с помощью которого удается оценить фактические значения коэффициента ослабления. При этом оказывается справедливой следующая приближенная формула взаимосвязи водности и МДВ:

8т'

где удельная водность 5 задается в г/кг, а V получается в метрах. С учетом экспериментальных зависимостей, полученных различными авторами (Матвеев Л.Т., 1965) нами оценены средневзвешенные значения коэффициентов: Ау = 40 и т = 0,6.

Помимо рассеяния света на аэрозолях, в атмосфере могут наблюдаться эффекты рассеяния также и на турбулентных неоднородностях в поле коэффициента преломления пор,, особенно значительные вблизи земной поверхности.

Они проявляются, прежде всего, в том, что изображение объекта начинает искажаться за счет некоторого «расплывания» его очертаний, с постепенным превращением в бесформенное пятно. Наиболее последовательно теорию этого вопроса разработал В.И. Татарский (1967), который получил уравнения для расчета статистических характеристик флуктуации амплитуды и фазы электромагнитных колебаний, возникающих при прохождении излучения через слой атмосферной турбулентности. Важнейшим параметром атмосферы здесь является структурная характеристика турбулентных флуктуаций показателя преломления С*.

Все существующие теории тропосферного распространения радиоволн исходят из того, что основным параметром атмосферы, его определяющим, является коэффициент преломления п = л/Ц£в, где /л - магнитная проницаемость (для воздуха ее полагают равной единице), а ев - диэлектрическая проницаемость

воздуха. Аналогично оптическому индексу рефракции, здесь также обычно вводится в рассмотрение индекс рефракции (п-1)-106, измеряемый в "N-единицах", зависимость которого от давления воздуха р (гПа), его температуры Т (°К) и массовой доли водяного пара s (г/кг) (Бин Б.Р. и Датгон Е.Дж, 1971):

где an = 77,6 N-ед. К/гПа; в„= 7733 К"1.

Как известно, существующие физические механизмы распространения УКВ радиоволн в тропосфере могут быть условно разделены на стандартные и нестандартные (Долуханов М.П., 1972). К числу первых относятся наблюдаемые при вертикальной структуре атмосферы, близкой к стандартной, для которой средние значения вертикального градиента индекса рефракции = составляют около - 40 N-ед./км. Для сферически однородной атмосферы радиус кривизны луча

„ Ю6 (6)

К =-

Yn

оказывается при этом равным приблизительно 25-Ю3 км.

Дальность радиогоризонта при высоте наблюдения h в условиях рефракции может быть определена как VR h = Är4h, аналогично нахождению геометрической дальности видимости, причем при стандартной рефракции аг = 4,12-103 м^.

Все основные нестандартные механизмы распространения связаны с аномалиями вертикального распределения индекса рефракции, которые, в свою очередь, целиком определяются теми или иными особенностями в профилях температуры и влажности.

В зависимости от величины вертикального градиента индекса рефракции для радиолокационных станций (PJIC) задается поправочный коэффициент (Дмитриев В.А., 1991) к ее паспортной дальности обнаружения, меняющийся в

пределах от 0,8 (при субрефракции, /N > - 40 N-ед ./км) до 2 (суперрефракция,

Xn < - 157 N-ед./км). При сверхкритической рефракции в приземном слое формируется так называемый «приповерхностный волновод», в котором канализируется излучение PJIC и возможно загоризонтное обнаружение целей (Фок В.А., 1950; Кукушкин A.B., Фрейлихер В.Д., Фукс И.М., 1987).

Основной вывод, который сделан в главе 1, состоит в том, что к качеству информации об атмосфере, необходимой для разработки методов расчета и прогноза условий наблюдения различных объектов, должны предъявляться, вообще говоря, достаточно жесткие требования:

- наличие непрерывных рядов наблюдений температуры, влажности и водности (включая спектры распределения капель по размеру), а также структурных характеристик турбулентных флуктуаций температуры и влажности до высоты несколько сотен метров над подстилающей поверхностью с вертикальным разрешением несколько метров;

- данные о горизонтальной изменчивости всех указанных характеристик должны представляться на территориях, охватывающих всю совокупность действующих ТСН с высоким пространственным разрешением (сотни метров).

Между тем, столь подробная информация об атмосфере может быть получена на практике только в результате экспедиционных исследований и в очень ограниченном количестве (особенно в нашей стране). В этом состоит еще одно важное противоречие, которое требуется разрешить для достижения поставленных целей исследования.

Основной путь разрешения этого противоречия автор диссертационного исследования видит в использовании для расчета всех необходимых характеристик обнаружения математических моделей атмосферного пограничного слоя, информационной основой для которых могут служить имеющиеся в массовом количестве данные стандартной гидрометеорологической и аэросиноптической информации.

Во второй главе на основе анализа информационных ресурсов для создания баз геоданных характеристик обнаружения различных целей сделан вывод о принципиальной возможности их использования для решения поставленных задач.

В основе информационного обеспечения потребителей метеорологическими службами различных стран лежит технология, состоящая из четырех основных направлений деятельности: получения, сбора, обработки информации и доведения продукции до потребителей.

Программа наблюдений на метеостанциях весьма обширна (около 40 показателей), но для решаемой задачи интерес представляет лишь ограниченный набор: метеорологическая дальность видимости, влажность, температура воздуха и скорость ветра.

Для таких пользователей, как авиация и флот (как военно-морской, так и торговый) существуют свои специфические формы обеспечения, в основе которого лежит поставка потребителю непосредственно синоптических карт (для больших территорий) или «кольцевых синоптических карт» (для территорий областного масштаба). В настоящее время (последние 10-15 лет) с появлением персональных компьютеров и каналов связи с высокой пропускной способностью, вся подобного рода картографическая информация кодируется и распространяется в специальном цифровом формате GRIB (Grid Binary) - специальном международном формате обмена метеорологическими данными в регулярной (grid) сетке широтно-долготных координат в бинарной (binary) форме.

Данные в формате GRIB анализа и прогноза Мирового Метеорологического Центра (ММЦ) Москвы для обоих полушарий за последнюю неделю в широтно-долготной сетке 2,5°х5° доступны на сайте Главного Вычислительного Центра (ГВЦ) Росгидромета РФ (http://mcc.hydromet.ru/1251).

Систематизированные метеорологические данные «реанализа» в широтно-долготной сетке 2,50x2,50 применительно к климатологическим исследованиям и совершенствованию методов прогнозов доступны на сервере Национальной Службы Погоды (НСП) США (National Weather Service, ftp://nomad3.ncep.noaa.gov), причем за любую дату, начиная с 1979 г. и за 4 срока в сутки (0, 6, 12 и 18 GMT). Из этого же источника может быть получена и температура водной поверхности (в широтно-долготной сетке 1°х1°) для прилегающих к побережью акваторий, необходимая для решения задачи восстановления пространственной структуры атмосферного пограничного слоя, как по вертикали, так и по горизонтали, вблизи береговой черты.

Третья глава посвящена изложению результатов проведенных исследований в части организации и проведения специальных натурных экспериментов по исследованию условий обнаружения различных целей.

Метеорологические явления и процессы, определяющие дальности оптического и радиолокационного обнаружения различных объектов, оказываются настолько сложными и неоднозначными, а доступные информационные ресурсы метеорологических наблюдений, обозначенные в главе 2, столь ограниченными, что потребовалось спланировать и осуществить ряд комплексных наблюдательных программ применительно к Калининградской области, направленных на ликвидацию имеющихся пробелов.

Основная цель здесь состояла в организации наблюдений именно характеристик обнаружения различных объектов с использованием применяемых на практике ТСН с параллельным сбором всех доступных материалов гидрометеорологического обеспечения, с тем, чтобы выявить их устойчивую взаимосвязь с данными свободно распространяемых гидрометеоизмерений.

Оптические и радиолокационные наблюдения осуществлялись на полигонах, расположенных возле населенных пунктов Приморск, Янтарный, Пионерский и Рыбачий. Наблюдения осуществлялись в весенний, летний и осенний периоды 2005-2007 гг.

В качестве оптических целей наблюдались человек и сверхмалые объекты (лодка, катер, яхта), а также неподвижные ориентиры. Для перемещающихся в пространстве объектов определялись предельные дальности обнаружения и исчезновения. Объекты наблюдались как в оптические средства (бинокулярная труба ТПБ-2, бинокли Б-12 и Б-8), так и невооруженным глазом.

Для изучения взаимосвязи МДВ и дальностей обнаружения различных объектов с помощью разнообразных ТСН был введен специальный безразмерный параметр, характеризующий одновременно свойства цели и качество используемого ТСН, названный нами параметр «цель-качество»:

жущийся человек») с помощью ТСН категории «п» (п=0 - наблюдения невооруженным глазом).

Результаты статистической обработки рядов а^ вместе с 95%-м доверительным интервалом приведены на рисунке 2.

Анализ представленных результатов указывает на статистически значимое превышение дальностей «исчезновения» над дальностями «обнаружения» (примерно 10-15%), что вполне укладывается в имеющиеся представления о характеристиках обнаружение различных движущихся объектов.

Еще одним направлением исследований условий наблюдения в оптическом диапазоне было выбрано выяснение характера размывания изображения за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях с целью получения необходимых поправочных коэффициентов.

(7)

где - дальность обнаружения объекта категории «т» (т=1 для цели «дви-

I 1.5

и 03

К

0,5 0

О 0,5 1 1,5 2

Обнаружение

Рис. 2. Диаграмма соответствия параметров «цель-качество» для ситуаций обнаружения

и исчезновения цели «движущийся человек» невооруженным глазом (0), а также с использованием ТСН Б-8 (1), Б-12 (2) и ТПБ-2 (3); радиус соответствующих кругов соответствует 95%-му доверительному интервалу

Эксперимент проводился в летнее время на песчаной полосе пляжа вдоль берега Балтийского моря шириной более 50 м в условиях МДВ 10-12 км при слабом ветре. Температура воды в прибрежной зоне колебалась в этот период в диапазоне 16-20 °С, а подстилающей поверхности - 20-38 °С, что создавало благоприятные условия для развития свободной конвекции на изучаемом участке территории.

Наблюдения производились с высоты 2 м с использованием бинокля Б-8 за фигурой движущегося вдоль берега человека, с фиксацией расстояния, на котором объект терялся из вида (дальность «исчезновения»). Одновременно проводились метеорологические наблюдения и фиксировалась средняя разность температур «поверхность-воздух» АТп_в.

В связи с отсутствием в таких метеорологических ситуациях ухудшения видимости за счет влияния атмосферных аэрозолей, основная потеря качества наблюдения здесь могла быть только за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях. Характер такого рода искажений определяет дисперсия флуктуаций логарифма амплитуды оптической волны и зависит в конечном итоге от структурной характеристики оптического индекса рефракции С„г.

На рисунке 3 представлена экспериментальная зависимость толщины слоя потери изображения к5 от перепада температуры АТ„_в. Как можно видеть из рисунка, толщина такого слоя возрастает примерно в два раза при пере-

22)

® Р"

ходе от условий сравнительно малых лтп_в, до значений разностей температур 15-20 °С, соответствующих в данном случае условиям свободной конвекции.

4С0 390 Г 300 29)

£

. 1Э0 100

0-5 5-10 10-15 15-20

Разность температур, град.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость толщины слоя потери изображения А, от разности температур лтп_в по всему ряду измерений. Вертикальные отрезки -доверительные интервалы 95%

Следует отметить, что поскольку высота цели в данном эксперименте составляет около 1,8 м (человек), то влияние изучаемого эффекта на обнаружение данного объекта начинается, как следует из рисунка 6, со значений лт„_в =8-10 °С.

На рисунке 4 приведена полученная нами экспериментальная зависимость дальности исчезновения объекта «движущийся человек» при наблюдении в бинокль Б-8 от разности температур «поверхность-воздух». Анализ этого эффекта с использованием методов теории подобия Монина и Обухова для приземного слоя, позволил вывести следующую эмпирическую зависимость:

(8)

0(ат„_в) = в0-а0{ат„_в-а0)2.

Разность температур, град.

Рис. 4. Экспериментальная зависимость дальности исчезновения при наблюдении в бинокль Б-8 от разности температур «поверхность-воздух». Сплошная кривая - эмпирическая зависимость (8)

Исходя из общей физики процессов в атмосфере, определяющих дальность видимости в атмосфере, можно вполне обоснованно предполагать, что подобное уточнение для дальностей обнаружения и исчезновения будет справедливо для всех видов ТСН при наблюдении в оптическом диапазоне. Это позволило, в итоге, ввести поправки в определяемый коэффициент «цель-качество», связанные с рассеянием света на турбулентных неоднородностях в условиях лт„_в> 8 град.

Наблюдения в сантиметровом диапазоне производились в прибрежном районе Калининградской области вблизи населенных пунктов: Приморск, Янтарный и Пионерский с использованием РЛС «Наяда 5МП» весной, летом и осенью 2006-2007 гг.

Объединяя результаты наблюдений и расчетов высоты приводного волновода, можно в итоге установить экспериментальную взаимосвязь между осред-ненными значениями дальностей сопровождения «малых» объектов и высотами волноводов для случаев нахождения излучателя РЛС за пределами слоя сверхрефракции (рис. 5).

а 25

Высота волновода, м

Рис. 5. Экспериментальная зависимость дальности сопровождения «малых» объектов на морской поверхности с использованием РЛС «Наяда 5 МП» от высоты приводного волновода с осреднением по сезонам года. Сплошная кривая - зависимость (9)

Это дает основание для аппроксимации результатов с помощью некоторой функциональной зависимости (на рисунке - сплошная линия), связывающей дальность сопровождения Ом0 (в километрах) с высотой волновода Ь (в метрах):

243 И '

которая и может быть рекомендована на практике для случаев расположения излучателя антенны РЛС вне приводного волновода.

(9)

В четвертой главе на основе методов математического моделирования атмосферного пограничного слоя развивается теория применительно к созданию баз геоданных характеристик обнаружения различных объектов.

Доступной информацией для расчета и прогноза характеристик обнаружения различных объектов могут служить лишь данные наблюдений на метеостанциях (в отдельных точках) с периодичностью 3-6 часов, данные высотного радиозондирования (один-два пункта на регион) с периодичностью 6-12 часов или данные анализа (реанализа) в грубой пространственной сетке (примерно 130 -270 км по горизонтали и 0,6 -1 км по вертикали).

Получение более детализированной по пространству информации оказывается возможным реализовать здесь только путем адаптации всех имеющихся данных наблюдений с помощью некоторой физически содержательной математической модели АПС, играющей, по существу, роль «пространственно-временного интерполянта».

Способ реализации поставленной задачи в данной работе имеет 4 основных уровня сложности, характеристика которых дана в таблице 1.

На самом начальном (нулевом) уровне сложности для интерпретации данных метеорологических наблюдений никакие модели не использовались вообще: применялись методы стандартной климатологической обработки для решения задачи изучения взаимосвязи условий наблюдения с метеорологическими параметрами.

Первый уровень сложности достаточно прост и использовался нами на начальной стадии исследования по большей части для отработки методических вопросов, однако уже здесь удается решить некоторые важные практические задачи, связанные, в частности с исследованием условий рефракции в оптическом и сантиметровом диапазоне в приземном слое атмосферы.

Второй уровень дает возможность извлекать из стандартной метеоинформации значительно более подробные сведения об условиях наблюдения, в том числе и на наклонных трассах.

Тем не менее, наиболее последовательным, хотя и значительно более трудным в реализации, способом решения проблемы в будущем сможет оказаться восстановление полной трехмерной структуры АПС на третьем уровне сложности, что откроет возможности для создания методов краткосрочного специализированного прогноза условий наблюдения с заблаговременностью, обеспечиваемой прогнозом фоновых метеорологических полей (доступных в

форматах ОМВ). Реализация этого способа требует чрезвычайно высокой степени информационного обеспечения (детальные электронные карты местности, густая сеть метеостанций и пр.) и является вполне близкой перспективой.

Таблица 1

Уровни сложности задач исследования структуры атмосферы применительно к расчетам характеристик обнаружения различных объектов

Уровень Метод Используемая информация Область восстановления Назначение

0 Анализ данных на уровне измерений Данные метеостанций - Климатология условий наблюдения в оптическом диапазоне на горизонтальных трассах

1 Теория подобия Монина- Обухова Данные метеостанций Приземный слой до высоты 30 - 50 м Климатология параметров наблюдения для ограниченного набора условий

2 Численная модель одномерного АПС Данные метеостанций, метеорология и температура океана в формате вШВ Высоты до 300 - 500 м при отсутствии выраженной горизонтальной неоднородности поверхности Климатология параметров наблюдения в оптическом и сантиметровом диапазонах на горизонтальных и наклонных трассах в широком диапазоне условий

3 Трехмерная численная модель АПС Данные метеостанций, метеорология и температура океана в формате став Высоты до 1- 1,5 км, в том числе в условиях выраженной горизонтальной неоднородности на разделе суша-море Уточненная климатология и краткосрочный (до 36 часов) прогноз условий наблюдения на всей исследуемой территории

Несмотря на возможность получения с использованием выводов теории подобия Монина - Обухова для приземного слоя целого ряда важных результатов относительно вертикального распределения индексов рефракции в оптическом и сантиметровом диапазонах, данный метод имеет целый ряд ограничений.

Наиболее точные результаты с его помощью могут быть получены лишь при наличии измерений температуры, влажности и скорости ветра как минимум на двух уровнях. Подобные измерения, производятся лишь на метеостанциях с расширенной программой, включающей «теплобалансовые наблюдения». В настоящее время такие наблюдения проводятся лишь эпизодически, а результаты не распространяются по каналам связи в оперативном режиме.

Снятие этих ограничений оказалось возможным лишь путем привлечения более общих методов моделирования всего атмосферного пограничного слоя.

Общая система уравнений АПС в декартовой системе координат (ось X] направлена на восток, ось Хг - на север, ось Хз - вертикально вверх) для осред-ненных значений горизонтальных (иь иг) компонент скорости и потенциальной температуры (О) при этом записывается следующим образом:

3/ дх„

д дх3 Ки ди, дх3

8 Ки ди2

дх3 8х3

ди2 тг ди2 , ... ... 8 ди2 л тг (11)

51 дха

80 тт 80 д 89 Ь А . (12)

— + иа-= —Кв — + £в+—у + А,0. к '

01 дха дх3 дх3 СР

По повторяющемуся индексу здесь предполагается суммирование,

2(о1р дх] 2согр дх2

- компоненты геострофического ветра, причем со2=со-51пф (со- угловая скорость вращения Земли, ф - широта), р - плотность воздуха,

... 9,, 9.. 9 „9..

ОХ] ОХ] ОХ2 ОХ2

— оператор горизонтального макротурбулентного перемешивания (Кь-коэффициент турбулентного перемешивания по горизонтали).

Член в© в уравнении (12) представляют собой, соответственно, суммарный радиационный приток тепла в атмосфере (за счет поглощения коротковолновой и длинноволновой радиации), V - скорость конденсации; Ь - удельная теплота парообразования; Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

В дополнение запишем уравнения турбулентной диффузии в атмосфере для массовой доли водяного пара Б (г/кг) и водности 5 (г/кг):

а? „ дБ 8 „ дБ А „. (13)

— + 1/„-= —Кг--у + А.Б, 4 '

81 адха дх3 11 дх3 1

85 .. 85 В „ Э<5 (14)

— + и„-= —л,— + у + А,5- 4 '

81 а 8ха 8х3 дх3 1

Уравнение (14) записано в предположении о полном увлечении капель турбулентным потоком, что вполне справедливо для таких явлений, как слоистые облака или туманы.

Уравнения (10) - (14) следует интегрировать по времени, начиная с некоторого момента to с заданием фиктивных начальных условий, поскольку фактические сведения о реальной вертикальной структуре АПС отсутствуют.

Влажность - весьма специфическая характеристика атмосферы, которую невозможно рассчитывать без учета в той или иной форме таких физических процессов, как конденсация и испарение. При этом эффект конденсации приводит к дополнительному нагреву атмосферы, а испарения - к охлаждению. В случае превышения влажностью некоторого порогового значения (максимального или насыщающего значения, зависящего от температуры) часть водяного пара переходит в жидкую форму (капель аэрозоля).

Традиционным способом описания процессов в атмосфере с учетом фазовых переходов, широко распространенным, в частности, при моделировании туманов и слоистой облачности (Матвеев JI.T., 1981), является переход от уравнений (12) - (14) к уравнению для эквивалентной потенциальной температуры

Я = в + — S> (сложение (12) с (13), умноженным на —) и уравнению для сум-СР ■ СР

марного влагосодержания D-S+5 (путем сложения (13) и (14)):

дП дП д ЭП . _ (15)

-+ Ua-= —Кв-+ sg + ALIT; к '

8t дха dx¡ 8x¡

dt дха дх3 8х3

Удобство использования (15) и (16) состоит в том, что эти уравнения приближенно инвариантны относительно фазовых переходов (не содержат явно величины скорости конденсации v). Обратный переход от рассчитанных с использованием (15) и (16) функций П, Dh5k0hS осуществляется путем использования предположения о наличии насыщения внутри тумана:

при D<Smax(T) S=D, ©=П - D; (17)

при D>Smax(T) в(Т)= П - Smax(T), где é>(T) = T(py^)RICp (Ро=Ю00 гПа; R - газовая постоянная для сухого воздуха; Р

- давление воздуха), a Smax(T) - насыщающее при данной температуре значение массовой доли водяного пара.

Изложенная выше общая модель АПС описывает всю совокупность процессов в атмосферном пограничном слое. Ее применение на практике осложняется, между тем, как трудностями формулировки краевых условий, так и проблемами

параметризации притоков тепла. Как показали многочисленные исследования, привлечение разного рода уточненных схем описания физических процессов (уравнения теплового баланса подстилающей поверхности, высокоточных алгоритмов расчета радиационных притоков тепла и т.д.), приводит, в-итоге, к необходимости задания весьма большого числа плохо известных характеристик атмосферы, почвы или растительности. Погрешности задания всех этих дополнительных свойств среды способствуют увеличению суммарных ошибок расчета, что во многом нивелирует положительный эффект подобных уточнений.

Особенность нашего подхода, ориентированного на использование стандартной гидрометеорологической информации, состоит в том, что уравнения (15) и (16) требуется интегрировать при отсутствии необходимых для корректной постановки задачи краевых условий. Выходом из положения здесь может быть упрощение этих уравнений путем выделения так называемого «синоптического фона» с записью их в следующей форме:

^ = + (18)

dt дх3 дх3

® = (19)

dt дх3 8х3

где функции xFn,^,D(xi>X2,X3,t) - совокупность всех остальных членов уравнений (15) и (16), не учитываемых в явной форме в этих уравнениях.

Предполагаем, что Ч'п и обусловлены в значительной степени процессами синоптического масштаба, которые охватывают по вертикали значительную часть АПС. Это дает основание для их расчета на сновании данных реанализа атмосферных процессов с использованием весьма грубой вертикальной сетки, формируемой стандартными изобарическими поверхностями 1000,925 и 850 гПа.

Немаловажно, что непосредственно значения водности 8 в ходе стандартных гидрометеорологических наблюдений не измеряются и могут быть оценены лишь косвенно, например, по данным о дальности метеорологической видимости V путем обращения формулы (4).

Для задания нижних граничных условий для каждой из F(t)=II,D(t), получаемых по измерениям на метеостанциях, на фрагменте ряда длиной At в этом случае используется формула полиномиального тренда, позволяющего выделить синоптический фон и отделить его от суточных колебаний:

F(t) = B0F+BjF t + B/ t2, (20)

где коэффициенты определяются методом наименьших квадратов (МНК).

Для расчета начальных профилей функций П, О(хз,10) предполагалось, что потенциальная температура растет с высотой с фоновым градиентом уе, а массовая доля водяного пара - уменьшается с градиентом уЛ причем для расчета последних привлекались данные реанализа за соответствующие сроки. На верхней границе расчетной области Ъ\\ все отклонения искомых переменных от своих фоновых значений полагались равными нулю.

На рисунке 6 демонстрируются примеры описанного выше способа анализа Пб(0 и БбСО, полученные в ходе обработки данных гидрометеорологических наблюдений для метеостанции «Балтийск».

10 13 16 19 Время, час

Рис. 6. Примеры результатов интерполяции рассчитываемых по результатам измерений величин Пб(0 и Об(0 и соответствующих функций тренда по данным метеостанции «Балтийск» (август 2000 г.)

В разделе 4.5 рассмотрены приложения разработанного метода восстановления вертикальной структуры АПС для решения двух практических задач: расчета характеристик обнаружения на наклонных трассах и вычисления вертикального градиента индекса рефракции для сантиметрового диапазона радиоволн.

Общая схема наблюдения некоторого наземного объекта с использованием ТСН, расположенного на высоте И, представлена на рисунке 7.

Максимальная наклонная дальность Ь обнаружения подобного объекта будет здесь определяться следующим образом:

а(УАу

Ь = -

(21) (22)

где '81 - средняя вдоль луча Ь водность, а - упомянутый выше параметр «цель-качество» (формула (7)).

Рис. 7. Схема наблюдения за объектом А с высоты h под углом 9

С учетом того, что дифференциал приращения луча dl = dzcos~' 9 (где z -вертикальная координата), интеграл (22) может быть вычислен следующим образом:

. (23)

shs=]s(z)dz. (24)

о

Если теперь представить искомую максимальную дальность обнаружения

объекта на местности А^ с высоты наблюдения h (рис. 7) как A = (I? - h2 , то в итоге из (23) - (26) можно получить:

(25)

При наблюдениях с летательного аппарата, барражирующего на высоте h, величина Д представляет собой половину ширины полосы обнаружения различных объектов вдоль траектории полета.

Из (25) следует, что единственным метеорологическим параметром, определяющим условия обнаружения различных объектов на наклонных лучах наблюдения, оказывается интеграл по вертикали от водности (24), который может быть без труда рассчитан на каждый момент времени с использованием упомянутой выше модели АПС.

В пятой, заключительной главе, представлена геоинформационная система для поддержки принятия решений при формировании систем технического наблюдения и результаты проведенного пространственного анализа характери-

стик обнаружения различных целей, а также предложены способы использования такого рода информации для повышения эффективности подобных систем.

Общая схема организации информационных потоков при решении поставленной задачи с учетом выводов предыдущих глав выглядит так, как это представлено на рисунке 8.

В качестве исходных данных для расчета привлекаются ряды наблюдений на метеостанциях, данные реанализа на стандартных изобарических поверхностях, а также данные реанализа температуры морской поверхности. Все эти материалы собраны за период около 6 лет, начиная с 2000 г. Как показывает опыт прикладной климатологии (например, Дроздов O.A., 1989) шестилетнего архива в целом, оказывается достаточно для получения статистически обеспеченных характеристик атмосферы.

Свойства йодстилающей поверхности, необходимые для расчета (суша или море, шероховатость поверхности) задаются с помощью слоев электронной карты территории, поддерживаемой в ГИС Arc View 3.2. Необходимый набор слоев формировался на основе топографической карты 1:200 000 и включает гидрографию и растительность, а также дополнительную информацию (населенные пункты, границы государств), необходимую для последующего наложения на карту с результатами расчета для удобства последующего использования. Все исходные ГИС-покрытия хранятся в обменных форматах ГИС (SHP-файлы).

На начальном этапе производится совмещение всех исходных данных в точках проведения расчетов. Для поверхности суши в качестве таких точек выбрано местоположение метеостанций, куда из градусной сетки реанализа (2,5°х2,5°) переносились сведения о скорости ветра, температуре и влажности на стандартных изобарических поверхностях. Для моря в качестве таких точек рассматривались узлы регулярной градусной сетки (1°х1°), для которых была известна температура.

Далее, для выбранных точек расчета восстанавливались фоновые характеристики атмосферы, после чего для каждых суток за изучаемый период путем интегрирования уравнений модели суточных колебаний на каждый час восстанавливалась вертикальная структура АПС, и рассчитывались искомые характеристики наблюдения. На следующем этапе производилась статистическая обработка результатов, полученных на каждый час суток за выбранный временной период анализа (месяц, сезон года, день или ночь).

Рис. 8. Общая схема информационных потоков при решении задачи пространственного анализа характеристик наблюдения

На завершающем этапе расчетов построенное таким образом растровое поле преобразовывалось в векторное с использованием специальной процедуры векторизации с получением, в итоге, ГИС-покрытия рассчитываемой характеристики наблюдения в SHP-форматах. Данный слой совмещался в ГИС Arc View 3.2 с другими слоями и далее формировался в качестве выходного документа.

В таблице 2 представлен сводный перечень полученных описанным выше способом электронных карт для каждого из регионов Калининградской, Челябинской и Сахалинской областей.

В разделе 5.2 рассмотрены результаты расчетов применительно к оптическому диапазону.

Результаты расчета дальностей обнаружения объекта «человек» с обеспе-. ченностью 99% со стандартной пограничной вышки при использовании таких ТСН, как бинокль Б-8, представлены на рисунке 9. Фактически, это те максимальные границы дальностей обнаружения, которые могут оказаться ниже в тот или иной сезон, а также в то или иное время суток лишь с повторяемостью 1%. Как можно убедиться из представленных материалов, дальности обнаружения для региона Сахалинской области практически во всех ситуациях оказываются

существенно ниже, чем для прочих. Особенно малы эти величины в летний период, не превышая для Б-8 значений 100 м.

Наилучшими оказываются при этом условия наблюдения в Челябинской области, достаточно засушливой территории, на которой туманы и сильные дымки образуются сравнительно редко. Что касается Калининградской области, то, как и можно было ожидать, эта территория в летний период оказывается в некотором промежуточном положении: дальности обнаружения малы лишь в утренние часы (вероятно, из-за радиационных туманов). В зимний период условия наблюдения как в Калининградской, так и в Сахалинской областях оказываются сходными (вероятно, из-за влияния туманов испарения, образующихся над морской поверхностью в прибрежной зоне).

Таблица 2

Сводный перечень электронных карт характеристик наблюдения

Диапазон День/Ночь Картируемая характеристика

Сантиметровый День Градиент индекса рефракции

-«- День Вероятность субрефракции

-«- День Вероятность суперрефракции

-«- День Среднесезонная высота слоя суперрефракции (высота волновода)

-«- День Вероятность высоты волновода более 10 м

-«- День Вероятность высоты волновода более 20 м

Оптический День Градиент индекса рефракции

-«- День Вероятность субрефракции

-«- День Вероятность суперрефракции

-«- День Вероятность превышения среднего по лучу визирования С^ своего критического значения 0,5 (Ы-ед.-м"ю)2

-«- День Вероятность необнаружения фигуры движущегося человека на дальности свыше 1000 м с использованием бинокля Б-8

-«- День Вероятность необнаружения фигуры движущегося человека на дальности свыше 1000 м с использованием бинокля Б-12

День Вероятность необнаружения фигуры движущегося человека на дальности свыше 1000 м с использованием ТПБ-2

Сантиметровый Ночь Градиент индекса рефракции

-«- Ночь Вероятность субрефракции

-«- Ночь Вероятность суперрефракции

-«- Ночь Среднесезонная высота слоя суперрефракции (высота волновода)

-«- Ночь Вероятность высоты волновода более 10 м

Ночь Вероятность высоты волновода более 20 м

Время.часы

Рис. 9. Расчетные величины 99%-й обеспеченности обнаружения объекта «человек» в бинокль Б-8 со стандартной пограничной вышки для летнего периода: 1- Калининградская обл., 2- Челябинская обл., 3- Сахалинская обл.

Остановимся теперь на анализе пространственной изменчивости условий наблюдения в различных регионах.

На рисунке 10 для региона Калининградской области для летнего и зимнего периодов представлены карты повторяемости необнаружения объекта «человек» на дальностях более 1000 м в течение светлого времени суток с высоты стандартной пограничной вышки с помощью бинокулярной трубы ТГ1Б-2.

Карты повторяемостей (%) необнаружения объекта «человек» на дальностях более 1000 м в течение светлого времени суток с высоты стандартной пограничной вышки с помощью бинокулярной трубы ТПБ-2 д тя лешего (слева) и зимнего (справа) периодов

Г

Как можно видеть из рисунка, для почти всей протяженности государственной границы (включая береговую зону) повторяемость необнаружения нарушителя на расстоянии более 1000 м в летний период несколько ниже (2 - 4%), чем в зимний, когда эта величина на южной границе области и в прибрежной зоне достигает 10%, причем в последнем случае также увеличивается и степень пространственной неоднородности в связи с существующими в это время года значительными горизонтальными температурными градиентами.

Полученный результат можно трактовать следующим образом. Если выбрать среднее расстояние между пограничными вышками 2 км, то надежность такого рода системы составит 95 - 98% в том смысле, что из 100 нарушителей границы обнаружены с использованием прибора ТПБ-2 могут быть лишь от 94 - 96 человек в летний период и только 85 - 90 человек в зимний (в зависимости от участка).

В Челябинской области (рис. 11) повторяемость обнаружения с использованием ТПБ-2 оказывается весьма близкой к аналогичным величинам в Калининградской области.

Рис. 11 . Расчетные характеристики условий наблюдения для Челябинской области

для летнего периода. Слева - повторяемость (%) необнаружения объекта «человек» на дальностях более 1000 м в течение светлого времени суток с высоты стандартной пограничной вышки с помощью бинокулярной трубы ТПБ-2. Справа - повторяемость (%) превышения средней вдоль луча визирования величиной С^ своего критического значения 0,5 (Ы-ед.-м'113)2

Между тем, если в Калининградской области ухудшение видимости за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях практически не происходит (повторяемость превышения критических значений С„2 не превышает 2%

летом и 1% зимой), то в регионе Челябинской области вследствие континен-тальности климата этот эффект оказывается заметным.

Летом повторяемость превышения средних значений Сг„ вдоль луча визирования критических величин достигает 15%.

В разделе 5.3 рассмотрены некоторые примеры расчета характеристик условий наблюдения применительно к сантиметровому диапазону.

Одной из основных характеристик условий распространения радиоволн, сантиметрового диапазона вблизи подстилающей поверхности является средний вертикальный градиент индекса рефракции, который, как уже отмечалось, в отличие от индекса рефракции в оптическом диапазоне, зависит также и от вертикального распределения влажности в приземном слое^На рисунке 12 представлены примеры расчета среднесезонных карт ^градиента в приземном слое для территории Калининградской области.

а) ПН \ ^ Г \ Е 1\ С -иго -г во -240 -200 ф

к V 5 го ч. / , ■

1 /л

ЬМ -ЮО Рр^ V -90 | \ ' Го. I ): Г) .60 1\ / ' " ' ; Д 1\ /'■■ '

—-^)

Рис. 12. Среднесезонные карты среднего градиента индекса рефракции для сантиметровых радиоволн в слое 0 - 20 м для территории Калининградской области в летний (а, б) и зимний (в, г) периоды в дневное (а, в) и ночное (б, г) время, Ы-ед./км

Как можно видеть, в летний период практически на всей территории области, как в дневное, так и в ночное время суток, наблюдаются условия суперрефракции, причем максимальных по абсолютной величине значений Ы-градиенты достигают летом в прибрежной зоне -320 Ы-ед./км. Зимой условия рефракции оказываются достаточно близкими к стандартным, причем лишь в северной части области Ы-градиенты снижаются до -100 Ы-ед./км.

Весьма показательной характеристикой устойчивости условий суперрефракции сантиметровых радиоволн являются представленные на рисунке 13 карты повторяемостей превышения приповерхностным радиоволноводом (приземным или приводным) высоты 20 м.

Как следует из приведенных рисунков для ночных условий, практически на всей территории области такого рода повторяемость варьирует в диапазоне 40 -55%, снижаясь в отдельных районах прибрежной зоны до величин 20%. В дневное время на всей территории области характерными являются значения 20 - 25%. Существенно, однако, что в течение всего времени суток над морем в 50 - 60% случаев наблюдаются условия превышения приводным волноводом высоты 20 м.

Рис. 13. Примеры расчета карт повторяемости (%) превышения приповерхностным радиоволноводом высоты 20 м на территории Калининградской области в летний период

(день - слева, ночь - справа)

Причина подобного суточного хода повторяемости превышения толщиной слоя суперрефракции вполне понятна, поскольку над морем этот эффект

создается исключительно процессами испарения, которые практически не испытывают суточного хода, а над сушей в ночное время суперрефракция формируется характерными для этого времени суток температурными инверсиями.

Наконец, в заключительном разделе данной главы (раздел 5.4), представлены основные направления использования описанной выше информации для повышения эффективности систем технического наблюдения государственной границы РФ.

Как известно (Дмитриев В.А., 1991 и др.), важнейшими вопросами создания и функционирования СТН являются:

- расположение (построение) сил и средств наблюдения на местности;

- выбор оптимальных режимов работы ТСН;

- организация прохождения информации об обстановке от системы наблюдения и ее обработка;

- управление системой наблюдения в ходе решения поставленных перед нею задач.

Управление в этом смысле состоит в изменении структуры системы, режимов ее работы в целом или ее отдельных элементов, в перераспределении задач или функций между элементами системы и, наконец, в использовании резервных возможностей системы. В результате управляющего воздействия изменяется поведение системы, т.е. ее реакции на внешние или внутренние факторы.

Выделяется несколько этапов функционирования СТН и связанных с этим этапов работы органов управления. Среди основных этапов такого рода (начального, обнаружения и сопровождения цели) особенно выделяется начальный этап, когда наблюдение осуществляется почти полностью на основании внешней информации, так как сама система обладает минимальными данными относительно обстановки. Критерием управления на этом этапе служит вероятность обнаружения цели на охраняемом участке или отдельном направлении.

В синтезированном виде такие управляющие воздействия и критерии, по которым можно оценить их результативность, приведены в таблице 3. На рисунке 14 приведена общая схема расчета критериев оценки эффективности системы технического наблюдения с учетом влияния метеорологических факторов.

Таблица 3

Способы повышения эффективности СТН

№ п/п Способ Критерий оценки

1. Выбор типа ТСН, соответствующего поставленньм задачам Вероятность обнаружения целей данного класса

2. Выбор позиции, места размещения ТСН Максимальная (оптимальная) площадь контроля

3. Выбор режимов работы ТСН Математическое ожидание количества обнаруженных целей

4. Выбор продолжительности работы ТСН Надежность (утомляемость) человека-оператора, наблюдателя

5. Выбор режимов эксплуатации ТСН Вероятность исправной работы ТСН и системы в целом

6. Определение площади поля (зоны) контроля Максимальный (заданный) коэффициент перекрытия участка

7. Комплексирование ТСН Суммарная вероятность обнаружения

8. Обеспечение скрытности и внезапности действия Максимальное значение коэффициента маскировки

9. Обеспечение достоверности информации Вероятность ложной тревоги

10 Обеспечение своевременности передачи информации Надежность и быстродействие каналов связи

Для каждого участка государственной границы фиксируются, в первую очередь, наиболее актуальные классы целей. Далее производится первоначальный выбор конфигурации СТН и, в итоге, рассчитывается суммарная вероятность обнаружения выбранных целей. В том случае, если такого рода оценка приводит к неудовлетворительному результату (вероятность мала), конфигурация СТН пересматривается и производится новый расчет.

При этом непосредственно количественные данные по критериям оценки по способам 1-7 (таб. 3) здесь могут быть получены с использованием имеющегося в литературе арсенала расчетных методов на базе информации об атмосфере в форме ГИС-покрытий из перечня в таблице 2.

Рис. 14. Общая схема расчета критериев оценки эффективности системы технического наблюдения с учетом влияния метеорологических факторов

Основные ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Разработаны теоретические основы геоинформационной поддержки принятия решений при формировании систем технического наблюдения с использованием моделей расчета характеристик обнаружения различных объектов с применением ТСН в сантиметровом и оптическом диапазонах электромагнитных волн.

2. На основании проведенных экспериментальных исследований установлены взаимосвязи характеристик обнаружения различных объектов в оптическом диапазоне с метеорологическими условиями.

3. Разработаны методы расчета характеристик обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах на основе стандартной гидрометеорологической информации.

4. Разработан метод расчета характеристик обнаружения различных объектов в оптическом диапазоне на наклонных трассах визирования, в том числе с поисковых воздушных судов.

5. Созданы базы данных пространственного анализа характеристик обнаружения различных объектов в сантиметровом и оптическом диапазонах в виде геоинформационных покрытий для трех регионов РФ.

По теме диссертации опубликовано 44 работы, наиболее значимые из которых представлены ниже. Монография

1. Василенко C.B. Методы расчета и прогноза условий наблюдаемости объектов на охраняемых территориях. - Калининград: КПИ ФСБ России, - 2008. -144 с.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных перечнем ВАК

2. Василенко C.B. Учет особенностей распространения СВЧ радиоволн при оценке радиолокационной наблюдаемости на территории Калининградской области / Радиотехника. Журнал в журнале. Радиосистемы. Вып. № 96. - М.: 2006. -С. 72-73.

3. Василенко C.B. Исследование условий обнаружения человека в оптическом диапазоне / Радиотехника. Журнал в журнале. Радиосистемы. Вып. № 106. -М.: 2007.-С. 46-47.

4. Василенко C.B. Видимость объектов в Балтийском регионе // Естественные и технические науки. - М,: Компания Спутник+, 2008. -№ 1. - С. 239-242.

5. Василенко С.В Численное моделирование вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя с учетом влажности // Естественные и технические науки. - М.: Компания Спутник+, 2008. - № 1. - С. 243-245.

6. Василенко C.B. Прогнозирование характеристик атмосферы, определяющих радиолокационную наблюдаемость в различных регионах России / Радиотехника, Журнал в журнале. Территориально распределенные системы охраны. Вып. № 119.-М.: 2008. -С. 15-16.

7. Василенко C.B. Моделирование условий распространения радиоволн СВЧ диапазона с использованием численных моделей атмосферы // Естественные и технические науки. - М.: Компания Спутник+, 2008. - № 3. - С. 234-237.

8. Василенко C.B. Расчет и пространственный анализ характеристик наблюдаемости в оптическом диапазоне электромагнитных волн // Естественные и технические науки. - М.: Компания Спутник+, 2008. - № 3. - С. 238-240.

9. Василенко C.B. Климатологическое картирование и пространственный анализ характеристик наблюдаемости на примере южной части Охотского моря // Естественные и технические науки, - М.: Компания Спутники-, 2008. - № 3. - С. 228-233.

10. Василенко C.B. Методы климатологического картирования характеристик наблюдаемости в нижней тропосфере // Геоинформатика. - М.: 2008. - № 2. - С. 27-31.

11. Василенко C.B. Повышение эффективности организации поиска объектов с воздуха путем учета условий наблюдения // Естественные и технические науки. - М.: Компания Спутник+, 2008. - № 4. - С. 226-229.

12. Василенко C.B. Особенности пространственного анализа характеристик наблюдаемости в прибрежной зоне // Геоинформатика. - М.: 2008. - № 3. - С. 7-10.

Статьи в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций и в электронных научных изданиях

13. Василенко C.B. Видимость объектов на территории Калининградского региона ■// Научно-технический сборник- по материалам межведомственной конференции на седьмой международной специализированной выставке «Гра-ница-2005», / Под ред. Ю.М.Зотова -М.: Графике, 2006. - С. 383-389.

14. Василенко C.B. Анализ параметров атмосферы, влияющих на оптическую наблюдаемость объектов на территории Калининградского региона // Материалы ежегодной Международной научно-технической конференции «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление» - СПб: «КСИ», 2006. - С. 156-159.

15. Василенко C.B. Особенности радиолокационной наблюдаемости на территории Калининградской области // Материалы ежегодной Международной научно-технической конференции «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление» - СПб: «КСИ», 2006. - С. 159-163.

16. Василенко C.B. Оценка радиолокационной наблюдаемости с использованием информационных технологий // Труды IV Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2006», Часть 2 Калининград: Калининградский государственный технический университет, 2006. - С. 134 - 136.

17. Василенко C.B. Применение геоинформационных технологий для оценки дальности видимости объектов // Труды IV Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2006», Часть 2 Калининград: Калининградский государственный технический университет, 2006. - С. 136 - 138.

18. Василенко C.B. Зависимость оптической наблюдаемости объектов в Калининградской области от состояния окружающей среды // Сборник материалов международной научно-практической конференции. Выпуск VII, Часть 1. - Калининград: Калининградский юридический институт МВД России, 2006. - С. 8-11.

19. Василенко C.B. Анализ параметров атмосферы, влияющих на распространение волн СВЧ диапазона в прибережной зоне Балтийского моря // Ученые записки русского географического общества. Калининградское отделение. - 2006. вып.4. Е-1 -Е-6.

20. Василенко C.B. Использование численной модели для анализа вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя // Труды VI Юбилейной международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2008», посвященной 50-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле, Часть 1. -Калининград: Калининградский государственный технический университет, 2008.-С. 120-122.

Статьи в научных журналах и сборниках

21. Василенко C.B. Особенности оптической наблюдаемости объектов на территории Калининградского региона // Вестник Балтийского научного Центра РАЕН. - Калининград: КПИ, 2005. - № 10. - С. 17-23. •

22. Василенко C.B. Особенности радиолокационной наблюдаемости в тропосфере Балтийского региона // Вестник Балтийского научного Центра РАЕН. -Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2006. - № 11. - С. 36-39.

23. Василенко C.B. Среда распространения СВЧ радиоволн на территории Калининградской области // Материалы межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Научно-методический сборник № 19, Часть 1. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2006. - С. 61-64.

24. Василенко C.B. Использование ГИС для оценки радиолокационной наблюдаемости на территории Калининградской области // Материалы XIX межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Научно-методический сборник № 19, Часть 5, Кн.2. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2006. - С. 70-72.

25. Василенко C.B., Гаврилов A.C., Мханна А., Липовицкая И.Н. Метод климатологического анализа вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя с использованием численной модели // Ученые записки РГГМУ 2006. Вып. 2. - С. 53-65.

26. Василенко C.B., Гаврилов A.C., Мханна А., Липовицкая И.Н. Моделирование атмосферного пограничного слоя применительно к проблемам климатологии // Межвузовский научно-методический сборник «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ». Вып. 13, СПбГАСУ - Санкт-Петербург, 2006. - С. 23-31.

27. Василенко C.B. Обобщение метода климатологического анализа вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя на случай учета влажно-

сти// Межвузовский научно-методический сборник «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Вып. 13, СПбГАСУ -Санкт-Петербург, 2006, С.35-43.

28. Василенко C.B. Особенности наблюдаемости объектов в инфракрасном диапазоне на территории Калининградского региона // Материалы IX ежегодной Межвузовской научно-практической конференции Балтийского военно-морского института им. Адмирала Ф.Ф.Ушакова. - Калининград: БВМИ, 2006. - С. 71-72.

29. Василенко C.B. Влияние среды на радиолокационную наблюдаемость радиоволн СВЧ диапазона на территории Калининградской области // Материалы восьмой межвузовской научно-технической конференции аспирантов, соискателей и докторантов. - Калининград: БГАРФ, 2006. - С. 24-28.

30. Василенко C.B. Расчет и прогноз среды распространения СВЧ радиоволн с использованием ГИС // Материалы XX межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Научно-методичеекий сборник № 20, Часть 1, кн.1. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2007. - С. 34-38.

31. Василенко C.B. Расчет условий наблюдаемости объектов с использованием. ГИС // Материалы XXI межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Научно-методический сборник № 21, Часть 5. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2007. - С. 75-77.

32. Василенко C.B. Проблема восстановления вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя на основе данных стандартной гидрометеорологической информации // Материалы XXI межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Научно-методический сборник № 21, Часть 5. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2007. - О. 78-80.

33. Василенко C.B. Расчет и пространственный анализ характеристик наблюдаемости в оптическом и СВЧ диапазонах электромагнитных волн на территории России // Материалы XXIII межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Научно-методический сборник № 23, Часть 3, разделы 1,2. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2008. - С. 33 - 35.

34. Василенко C.B. Отображение характеристик наблюдаемости в оптическом и СВЧ диапазонах электромагнитных волн // Межвузовский научный сборник «Управление безопасностью мореплавания и подготовки морских специалистов SSN- 2007». - Калининград: БГА РФ,'2008. - С. 162-167.

С. Василенко

Василенко Сергей Васильевич автореферат

Теоретические основы геоинформационней поддерхски принятия решений при формировании систем технического наблюдения в аспекте, гидрометеороло! пческого обеспечения

Печатается в авторской редакции с готового ориншьл-мп.-ч'та Подписано к печати 18.0^.2008. Формат 60x84 1/16

Объем - 2.0 пл. Ризограф. Тираж 100 эта. Заказ № 165/3_

• Типография ЮЛИ ФСБ России