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, функцио — нальная 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 место — положения объекта контроля. В эту подсистему входят специаль — ные технические средства определения местоположения и пара — метров движения объекта контроля в пространственно-временном

базисе, взаимодействующие с навигационным полем.

Навигационные поля могут быть естественного или искус — ственного происхождения. К естественным навигационным полям можно, например, отнести магнитное и гравитационное поля Зем — ли. В этих случаях навигационное поле строится как поле про — странственно распределенных аномалий (гравитационных или магнитных), измерение которых соответствующими датчиками, установленными на объекте, дают информацию о текущем место- положении объекта. Другим примером естественных навигацион — ных полей можно считать построение инерциального базиса в про — странстве для использования методов инерциальной навигации или астронавигацию по картам звездного неба. К преимуществу использования естественных навигационных полей относится от- сутствие затрат на их создание и поддержание, к недостаткам – низкая точность (поля гравитационных или магнитных анома — лий), низкая доступность (астронавигация), накопление ошибок (инерциальная навигация).

В отличие от естественных навигационных полей, искусствен — ные навигационные поля формируются специальными навига — ционными системами. По способу базирования выделяют спутни- ковые 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 навига — ционных радиосигналов, поэтому эти поля называют радионавига — ционными. Наибольшее распространение в настоящее время по — лучили НИС, использующие радионавигационные поля ГНСС.

145

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 орга- ном (органами) управления. Это предполагает наличие в контуре управления системы подвижной радиосвязи, обеспечивающей телекоммуникационную среду обмена данными между объектом и субъектом управления в автоматизированной системе. Исключе — ние составляют НИС, в которых объект и субъект управления про — странственно объединены; это так называемые системы автоном — ной 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 ме — стоположения 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 про — странстве, что влечет за собой, вследствие пространственных не — однородностей телекоммуникационной подсистемы и навига — ционного 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 возложен — ных на нее функций в условиях воздействия деструктивных фак-

146

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 оп- ределенного набора функций

F = < f1, f2, .., fn >. (1) Реализация каждой функции НИС на определенном интервале

времени может выполняться с некоторым уровнем качества в зави — симости от выделенных ресурсов системы для выполнения данной функции, изменения пространственного расположения объектов системы, состояния навигационного и связного полей и воздей — ствий внешней среды в рассматриваемый интервал времени.

Рассмотрим V = {i}, L =  V – множество объектов управления

НИС, каждый из которых характеризуется набором навигацион-

ных параметров r(t) (координаты, скорость, направление дви — жения 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, вхо — дящем в рабочую зону системы навигации, являются точность на- вигационно-временных определений, целостность и доступность. В зависимости от этих характеристик навигационного поля в точ — ке местоположения i-го объекта управления НИС измерения век — тора могут быть произведены с различной степенью точности и достоверности. Например, если объект контроля находится на открытой местности и имеет возможность принимать как сиг — налы спутников ГНСС ГЛОНАСС/GPS, так и корректирующую информацию с геостационарных спутников широкозонных диф- ференциальных 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 закры — той 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 сигна — лам ГНСС, но нахождения объекта в зоне действия сети мобиль — ной связи GSM погрешность определения его текущего место — положения может составить от нескольких десятков метров до не-

147

А. Н. Королев, А. А. Тарасов

скольких километров. Таким образом, для каждой точки возмож — ного расположения объектов контроля НИС можно определить потенциальный уровень качества пространственно-временной идентификации объекта (точность и достоверность оценки опре — деления местоположения и параметров движения объекта). Если Ф = {ϕi}– множество навигационных систем, по которым НИС имеет техническую возможность осуществлять пространственно-

N i

 

временную идентификацию своих объектов контроля, X = { xN } – множество областей в четырехмерном координатно-временном пространстве перемещения объектов контроля НИС, внутри каж — дой из которых характеристики навигационных полей постоянны, то имеет место следующее отображение:

 : Ф × ХN → Е, (2)

где E = {1, 2, …, N } – упорядоченное конечное множество уровней качества пространственно-временной идентификации объектов контроля в НИС.

Поскольку системы подвижной связи, функционально входя — щие в НИС, формируют в пространстве перемещения объектов контроля НИС связные поля, характеризуемые пропускной спо — собностью, доступностью и непрерывностью, то по аналогии с на — вигационными полями для каждой точки возможного расположе — ния объектов контроля НИС можно определить потенциальный уровень качества информационного обмена (полнота, достовер — ность и задержка в передаче информации от объекта и к объекту). Пусть H = {i} – множество систем связи, по которым НИС имеет техническую возможность осуществлять информационный обмен

как одни и те же АПС могут быть задействованы для реализа-

ции различных функций одновременно. На множестве K также можно ввести метрику, определяющую расстояние между распре-

делениями kl

Учитывая (4), можно утверждать, что каждой конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) НИС kl при опреде-

ленных уровнях качества пространственно-временной идентифи-

кации объектов контроля k и информационного обмена m в НИС соответствует определенный уровень качества реализации набора функций Aj

∀ (kl ∈ K, m ∈ Г, k ∈ E), ∃Aj ∈: < kl, m, k > ⇒ Aj, (12)

при этом один и тот же уровень качества реализации набора функ — ций F НИС Aj может достигаться при различных конфигурациях

аппаратно-программных средств kl.

Для каждой i-й функции существует минимально допустимый

r

 

i

 

r

 

i

 

уровень качества ее реализации qi, при котором достигается цель функционирования НИС. Если система не способна обеспечить выполнение i-й функции с уровнем качества qi или выше, то счи — тается, что i-й функция не выполняется системой. Введем вектор

Alim, определяющий минимально допустимый уровень качества реализации набора функций F НИС

Пусть R = {ri} – множество возможных деструктивных воздей — ствий на НИС, вызывающих нарушения в ее работе. Тогда, ис-

пользуя выражения (11) и (12), можно формализовать понятие функциональной устойчивости НИС.

Определение. НИС является функционально устойчивой, если после деструктивного воздействия ri ∈ R существует хотя бы

150

О функциональной устойчивости навигационно-информационных систем

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

∀(kl ∈K, m∈Г, k ∈ E), ∃kl (ri) ∈K, < kl, m, k > ⇒ Ak, Ak ≥ Alim. (14)

i i

Уровень качества Alim можно трактовать как границу устойчи- вости НИС к деструктивным воздействиям из R, а расстояние

l

 

d(Alim, Ak ) – как запас функциональной устойчивости НИС для конфигурации аппаратно-программных средств (ресурсов) kl. При этом функциональная устойчивость НИС при деструктивных воз-

действиях обеспечивается функциональной перестройкой систе — мы, включая:

– идентификацию после деструктивного воздействия на НИС состояния работоспособности ее аппаратно-программных средств (ресурсов) с учетом текущего распределения их kтек для реализа — ции заданного набора функций;

– поиск конфигурации аппаратно-программных средств (ре- сурсов) НИС kдоп, обеспечивающей приемлемое качество реализа — ции заданного набора функций в соответствии с (14);

– закрепление заданного набора функций НИС за программ — но-аппаратными средствами в соответствии с найденной конфигу — рацией kдоп.

Существуют различные стратегии функциональной пере — стройки. Они определяются такими требованиями к функцио — нальной устойчивости, как:

– минимизация дополнительного оборудования, обеспечиваю- щего 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 нахожде — ния первой конфигурации kдоп, удовлетворяющей условию

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

Выбор той или иной стратегии осуществляется на этапе проек- тирования НИС.

Материал взят из: Научный журнал Серия «Информатика. Защита информации. Математика» № 14 (94)