Многопунктовые системы пассивного мониторинга грозовой деятельности: Модели, методы, программное обеспечение тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Малов, Дмитрий Николаевич

• Малов, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малов, Дмитрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР СИСТЕМ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ГРОЗ

1.1 Типы молниевых разрядов и их АЧХ

1.2 Разностно-дальномерный способ

1.3 Пеленгационный способ

1.4 Система IMPACT

1.5 Трехмерное УКВ картирование

1.6 Однопунктовое местоопределение

1.7 Пеленгационно-дальномерный метод

1.8 Регулярные размещения пунктов наблюдения

1.9 Задачи диссертации

ГЛАВА 2 ПЕЛЕНГАЦИОННО-ДАЛЬНОМЕРНЫЙ МЕТОД

2.1 Описание задачи

2.2 Аналитическое решение

2.3 Определение псевдопеленга

2.4 Погрешность оценки псевдопеленга

2.5 Верхняя оценка погрешности

2.6 Определение отношения действующих высот

2.7 Определение точностных характеристик

2.8 Выводы

ГЛАВА 3 ДАЛЬНОМЕРНЫЙ МЕТОД

3.1 Описание задачи

3.2 Определение координат- 75

3.3 Аналитическое решение- 75

3.4 Число обусловленности решения системы- 77

3.5 Масштабирование системы- 81

3.6 Верхняя оценка погрешности- 88

3.7 Выводы- 91

ГЛАВА 4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ- 92

4.1 Описание задачи-92

4.2 Технология разработки ГИС-944.3 Анализ функциональных требований-964.4 Анализ предметной области- 106

4.5 Диаграммы взаимодействия системы- 115

4.6 Разработка вычисляющего сервера- 123

4.7 Программа визуализации- 138

4.8 Выводы- 145

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многопунктовые системы пассивного мониторинга грозовой деятельности: Модели, методы, программное обеспечение»

В данной работе рассмотрен круг вопросов, связанный с отысканием конкретных способов обработки регистрируемых атмосфериков с целью извлечения информации о координатах источника излучения и созданием программно-аппаратных комплексов, обладающих достаточной для практических и исследовательских целей точностью, надежностью, быстродействием, удобством представления информации.

Вопросы определения местоположения молниевых разрядов радиотехническими методами представляют интерес, как для фундаментальной науки, так и для практики. Оперативная и достоверная информация о грозовых явлениях позволит решать многие проблемы геологии, метеорологии, физики атмосферы, изучения флуктуаций электромагнитного поля Земли.

Торнадо и ураганы обыкновенно сопровождаются значительным числом грозовых разрядов, что позволяет определять координаты таких атмосферных явлений с помощью систем местоопределения молниевых разрядов [102]. Так же перманентные очаги грозовой активности могут указывать на залежи полезных ископаемых или наличие скоплений подземных вод.

Поражения грозовыми разрядами наносят ощутимый ущерб многим практическим отраслям человеческой деятельности. Важнейшим практическим применением метеоданных о молниевой активности является раннее обнаружение лесных пожаров [102; 125; 24]. При этом более чем в половине случаев виновником пожара является молния [46]. Кроме того, подавляющее количество аварий и отключений ЛЭП обусловлено прорывом молний сквозь тросовую защиту и поражением фаз. Считается, что своевременное обнаружение молниевой активности и слежение за ее развитием в пространстве и во времени позволяет во многих случаях избежать ущерба или существенно снизить его.

Оперативное определение местоположения грозовых очагов особенно важно для метеорологического обеспечения авиации, так как приближение воздушных судов к грозовому облаку может создать аварийную ситуацию [25; 35]. Еще более чувствительными к поражениям молниями являются различные ракеты-носители [46; 83].

Для строительных и страховых компаний, наличие многолетнего банка данных по грозовой активности в конкретном географическом районе позволяет проектировать системы грозозащиты зданий и определять страховые суммы для имеющихся и строящихся объектов с учетом их возможной поражаемости молнией.

Решение задачи определения местоположения грозовых очагов требует комплексного рассмотрения целого ряда вопросов. Во-первых, необходимо иметь достаточно четкое представление о характере молниевых разрядов как источников электромагнитного излучения. Во-вторых, необходимо знать основные особенности трансформации электромагнитного излучения при распространении над земной поверхностью. Большой круг вопросов связан с отысканием конкретных способов обработки регистрируемых сигналов с целью извлечения информации о координатах источника излучения и созданием автономных устройств, обладающих достаточной для практических и исследовательских целей точностью, надежностью, быстродействием, удобством представления информации в виде, пригодном для последующей обработки и хранения.

В настоящее время в системах предупреждения грозоопасности наряду с радиолокационными методами широко используются пассивные методы даль-нометрии и пеленгации, из которых наилучшие показатели имеют многопунк-товые системы местоопределения молниевых разрядов. Ведущими странами в этой области являются США (система NLDN), Япония (LDAR) и страны Западной Европы (SAFIR) [99; 103; 125; 63], которые покрыли такими системами свои территории практически полностью [46]. В последнее время для организации непрерывных наблюдений все более активно используются спутники, область наблюдения которых охватывает в основном тропическую зону Земли [41].

Данные метеорологических радиолокаторов и спутников, позволяющие с определенной вероятностью только предположить молниевую активность, оказываются недостаточными, когда требуется информация о координатах молний в реальном времени [3; 32; 46]. Указанная информация может быть получена с помощью пассивных однопунктовых или многопунктовых радиотехнических систем местоопределения молний, основанными на использовании особенностей изменения пространственно-временных характеристик электрической и магнитной компонент поля источника электромагнитного излучения.

Практически все, развернутые в настоящее время многопунктовые системы по своей сути являются высокоточными и дорогостоящими, требуют развитой инфраструктуры связи и имеют малый радиус действия сенсоров [95; 83]. Внедрить на территории России зарубежные аналоги, представляется затруднительным, так как наша страна обладает огромной площадью и для ее мониторинга потребуется значительное количество сенсоров, протяженные и высокопроизводительные каналы связи, что сильно увеличит стоимость внедрения.

При использовании многопунктового разностно-дальномерного метода, в каждом пункте наблюдения измеряется время регистрации сигнала от молниевого разряда. Разность между временами прихода сигнала на два пункта определяет гиперболу, а пересечение нескольких гипербол указывает на источник излучения. В пеленгационном способе местоположение молниевого разряда определяется как пересечение азимутов источника электромагнитного излучения из каждого пункта наблюдения.

К недостаткам таких систем можно отнести: возможность работы системы только в пределах прямой видимости (из-за использования диапазона УКВ), необходимость высокоточной синхронизации системных часов на пунктах регистрации, уменьшение точности при увеличении базовых размеров системы и наличие зон с возрастающей ошибкой местоопределения. В случае использования для определения азимутов рамочных СДВ пеленгаторов снимается условие прямой видимости разряда, но сильно возрастают методические погрешности определения пеленга.

В России, где недостаток в повсеместно развитых и доступных системах связи мешал развитию традиционных многопунктовых систем, разрабатывались в основном однопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры. Такими разработками занимались в ГГО им. А.И. Воейкова, СПбГУ (г.Санкт-Петербург), в институте радиотехники РАН (г.Москва), ЗАО НИИИТ-РК, ЮУрГУ (г.Челябинск), в институте космофизических исследований и аэрономии республики Саха (г.Якутск). К основным достоинствам однопунктовых систем можно отнести: их относительную простоту, невысокую стоимость внедрения и эксплуатации, автономность и мобильность, необязательность наличия развитой инфраструктуры связи.

Однако разработанные к настоящему времени серийные однопунктовые системы не показали достаточной точности определения координат молниевых разрядов, из-за физических условий распространения сигнала и принятых моделей молниевого разряда. Так одночастотный Н-метод, использованный в грозодальномере ФАГ-1, обеспечивает лишь интервальную оценку дальности [5].

На расстояниях до 100км в качестве математической модели молниевого разряда используется произвольно ориентированный электрический дипольный источник излучения. Адекватность использования такой модели была подтверждена теоретическими исследованиями [25] и экспериментами, проведенными в ГГО им. А.И. Воейкова.

Другой серийно выпускавшийся грозопеленгатор-дальномер «Очаг-2П» использует для нахождения координат молниевого разряда амплитудный ЕН-метод, однако из-за невысоких точностных и вероятностных характеристик эта система широкого применения не получила. Основной причиной возникновения погрешностей определения координат, является использование упрощенной модели молниевого разряда в виде вертикального эквивалентного диполя.

Рамочная магнитная антенна, применяемая в данном приборе для измерения магнитной составляющей поля диполя, реагирует как на продольную нормальную, так и на поперечную аномальную составляющие магнитной компоненты электромагнитного поля. Эта горизонтальная составляющая, возникающая из-за изначального отклонения эквивалентного диполя от вертикали [24] или не равномерного перемещения фронта радиоволны [3], порождает так называемые поляризационные ошибки [31] определения пеленга. Фактически в подобных однопунктовых системах определяется не значение пеленга на источник излучения ф, а приближенная к ней величина <р, часто называемая псевдопеленгом, значение которой совпадает с истинным пеленгом только в случае вертикального молниевого разряда.

Более адекватная модель, учитывающая возможную невертикальность эквивалентного диполя, была использована при создании пилотного образца автономного грозопеленгатора-дальномера разработанного в соответствии с проектом МНТЦ №1822.

Многопунктовый пеленгационно-дальномерный метод, предложенный Панюковым A.B., в отличие от классического пеленгационного, использует для расчетов значение псевдопеленга на источник излучения и позволяет исключить неопределенность в оценке координат молниевого разряда, что делает актуальной задачу повышения точности оценки самого псевдопеленга на каждом пункте наблюдения.

Кроме того, использование пеленгационно-дальномерного метода предполагает знание соотношения действующих высот магнитных и электрической антенн. Определение данного соотношения является сложной технической проблемой, требующей наличия эталонного измерителя или длительного времени для сбора и обработки статистических данных. Поэтому представляет интерес разработка других методов определения местоположения молниевого разряда, не требующих знания этого соотношения.

В последнее время, бурное развитие вычислительной техники и систем связи дало возможность объединить однопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры в единую систему. Совместная обработка сигналов отдельных гро-зопеленгаторов-дальномеров, применяемая в многопунктовых системах, позволяет исключить ранее существовавшие методические погрешности определения координат молниевых разрядов, что делает актуальной задачу повышения точности определения псевдопеленга на пунктах наблюдения. Автоматизации сбора информации с пунктов наблюдения поможет различным службам более оперативно реагировать на изменение грозовой обстановки.

Целью диссертации является разработка и исследование методов интеграции автономных грозопеленгаторов-дальномеров в единую систему, создание программно-аппаратного комплекса местоопределения грозовых очагов по результатам пассивного мониторинга электромагнитного поля в диапазоне СДВ. В связи с поставленной целью решаются следующие задачи:

1) разработка и исследование оптимальных методов определения псевдопеленга на источник излучения;

2) исследование и разработка методов многопунктового местоопределения источника излучения с помощью сети автономных грозопеленгаторов-дальномеров;

3) разработка архитектуры многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов и создание ее программного обеспечения.

Научная новизна теоретических и экспериментальных результатов полученных в данной диссертации заключается в следующем.

1. На основе дальномерного метода разработана архитектура многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов и ее программное обеспечение. В рамках используемой математической модели молниевого разряда (дипольный источник электромагнитного излучения над бесконечно проводящей землей) разработан метод оценки псевдопеленга на молниевый разряд по наблюдаемым СДВ сигналам. Показана практическая несмещенность данной оценки и найдена зависимость дисперсии оценки от значения псевдопеленга и отношения сигнал/шум. Предложен метод снижения дисперсии оценки псевдопеленга за счет увеличения числа каналов пеленгатора.

2. Предложен метод статистического определения отношения действующих высот антенн АГПД, модифицирован многопунктовый пеленгационнодальномерный метод и предложена методика оценки точностных характеристик автономного грозопеленгатора-дальномера.

3. Предложен дальномерный метод определения местоположения молниевых разрядов, не чувствительный к наличию аномальной составляющей магнитного поля, который в отличие от известных методов, не требует высокоточной синхронизации системных часов на пунктах наблюдения и знания соотношения действующих высот антенн. Проведено аналитическое исследование данного метода и даны рекомендации по оптимизации его точности.

4. На основе предложенных методов разработана архитектура многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов и ее программное обеспечение.

Практическая значимость. Информация о молниевой активности, предоставляемая разработанной системой, позволит решать некоторые проблемы геологии, гидрологии, метеорологии, экологии. Примерами практического использования данной информации, в частности, являются: обеспечение безопасности авиационных и морских перевозок; быстрое обнаружение и устранение вызванных грозой аварий в крупномасштабных распределенных системах.

Разработанный метод определения оценки псевдопеленга и программное обеспечение многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов (свид. РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002610234) внедрены в пилотный образец автономного грозопеленгатора-дальномера разработанный в ЗАО НИИИТ-РК (Челябинск) и ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ им.акад. Е.И. Забабахина (г. Снежинск), в соответствии с проектом МНТЦ №1822.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных мероприятиях

• Международная конференция «International Conference on Lightning Protection - 2004», Хельсинки, сентябрь 2004 г.

• 5-ая национальная конференция по атмосферному электричеству, Владимир, сентябрь 2003 г.

• Международная конференция «International Conference on Lightning Protection - 2002», Краков, сентябрь 2002 г.

• Всероссийская научная конференция "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках", Тамбов, май 2002 г.

• Международный конгресс «Молодежь и Наука - третье тысячелетие», Москва, апрель 2002 г.

• Третий всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, Ростов, апрель 2002г.

• Международная конференция «Computer Science and Information Technologies», Уфа, сентябрь 2001 г.

• Международная конференция «Методы оптимизации и их приложения», Иркутск, июнь 2001 г.

• Конференция Ассоциации математического программирования, Екатеринбург, февраль 2001г.

• Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, Йошкар-Ола, декабрь 2001 г.

• Ежегодных научно-технических конференциях ЮУрГУ.

Основание для выполнения работы. Тематика диссертационной работы была поддержана конкурсным центром по грантам в области энергетики и электротехники Минобразования РФ (грант 45Гр-98), грантами РФФИ (проекты 01-07-90161, 02-07-060090-мас, 03-07-06052-мас - «Сетевое инструментальное программное обеспечение для многопунктовой системы пассивного мониторинга грозовой деятельности») и МНТЦ (проект 1822 - «Разработка одно-пунктового грозопеленгатора-дальномера»).

Работа награждена дипломами Комитета общественных и межрегиональных связей Правительства Москвы, Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации, дипломами лауреата Второго Международного Конгресса молодых ученых, выставки «Политехника», компьютерной выставки «Молодежь и информационные технологии», победила в профессиональной номинации «Лучшая работа по радиоэлектронике и лазерной технике».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, получено свидетельство РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610234 «Комплекс программ для сети автономных грозопеленгаторов-дальномеров».

В первой главе выполнен обзор литературы, посвященной исследованиям и разработке методов пассивного определения местоположения молниевых разрядов, а также рассмотрены существующие типы эксплуатируемых систем определения местоположения гроз.

Обзор существующих систем пассивного местоопределения гроз показал, что, наиболее распространенные системы, используют либо пеленгационный, либо разностно-дальномерный методы, либо их комбинацию, и предполагают наличие 3-х и более пунктов наблюдения. В диссертационной работе отмечено, что к основным недостаткам данных методов следует отнести работу сенсоров только в пределах прямой видимости (вследствие использования диапазона УКВ), фиксацию только разрядов облако-земля, необходимость высокоточной синхронизации системных часов на пунктах регистрации, и наличие зон с возрастающей ошибкой местоопределения.

Также отмечено, что разработанный ранее отечественный автономный грозопеленгатор-дальномер «Очаг-2П», при создании которого было принята гипотеза о вертикальности молниевого разряда, широкого применения не получил из-за невысоких точностных и вероятностных характеристик.

В первой главе указано, что в нашей стране, по ряду причин наибольшее внимание уделялось развитию однопунктовых методов, основанных на представлении молниевого разряда в качестве эквивалентного, произвольно ориентированного, электрического диполя, размещенного над бесконечно проводящей поверхностью. Такая модель вполне адекватно описывает молниевый разряд и подстилающую поверхность на расстоянии до 100 км при использовании для измерений диапазона СДВ. По результатам измерений электромагнитного поля из одной точки на земной поверхности можно определить дальность и оценить значение пеленга до эквивалентного диполя.

В работе [108] указано, что неопределенность в оценке местоположения диполя, характерную для однопунктового метода, можно устранить, определяя параметры молниевого разряда в двух или более точках. Таким образом, за счет интеграции однопунктовых систем пассивного мониторинга грозовой деятельности в единую вычислительную сеть можно повысить вероятность обнаружения молниевого разряда и точность определения его координат.

На основании выполненного обзора литературных источников и существующих систем, были сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается многопунктовый пеленгационно-дальномерный метод, предложенный Панюковым A.B. в 1996г. Исследовано использование метода наименьших квадратов для определения координат в этом методе, найдены аналитические зависимости относительной погрешности определения местоположения источника излучения от результатов измерений и их погрешностей.

Пеленгационно-дальномерный метод, в отличие от пеленгационного, использует для расчетов значения псевдопеленгов, измеренные автономными гро-зопеленгаторами-дальномерами. Вычислительный эксперимент показал, что неопределенность оценки координат разряда обусловленная отклонением эквивалентного диполя от вертикали в данном методе практически исключается. В работе указано, что метод дает возможность определения трех координат молниевого разряда, для него не требуется высокоточная синхронизация, и существует возможность идентификации соответствия зарегистрированных сигналов конкретным молниевым разрядам.

Для принятой в работе математической модели представления молниевого разряда, в виде произвольно ориентированного диполя, предлагается способ определения оптимальной оценки псевдопеленга с помощью метода наименьших квадратов и доказывается ее несмещенность, находится зависимость дисперсии от значения псевдопеленга и отношения сигнал/шум и предлагается метод снижения дисперсии.

В работе выведены формулы для определения значения псевдопеленга ср по отсчетам мгновенных значений двух горизонтальных ортогональных магнитных и вертикальной электрической составляющих поля, наводимого молниевым разрядом в точке наблюдения. Полученный алгоритм определения псевдопеленга ф был исследован к наличию аддитивного шума в каналах рамочных антенн. По результатам исследования сделан вывод о несмещенности данной оценки псевдопеленга и устойчивости предложенного алгоритма к погрешностям моделирования. По виду графика дисперсии в работе предложено использовать дополнительно три пары рамочных антенн, что позволяет снизить дисперсию более чем в три раза.

В работе отмечено, что пеленгационно-дальномерный метод основан на определении местоположения молниевого разряда, как точки пересечения множеств возможного положения, относящиеся к одному молниевому разряду и полученных с нескольких станций наблюдения. Однако, вследствие аппаратных и методических погрешностей, возможно, что пересечение множеств окажется пустым. В этом случае, предлагается в качестве оценки положения разряда брать середину отрезка соединяющего ближайшие точки данных множеств, что позволяет улучшить точность местоопределения молниевого разряда.

Для определения координат молниевого разряда необходимо знать отношение действующих высот магнитных и электрической антенн в каждом пункте наблюдения. В работе предложена методика статистического определения отношения действующих высот антенн. Несмотря на это процесс определения вертикальных и дальних является технически сложной задачей и требует длительного времени для сбора данных. Поэтому в работе сделан вывод об актуальности задачи определения трехмерного местоположения молниевого разряда иным методом, не требующим знания действующих высот.

-15В третьей главе предложен дальномерный метод местоопределения молниевых разрядов, найдены аналитические зависимости относительной погрешности определения координат источника излучения от результатов измерений и их погрешностей. Предложенный дальномерный метод не требует предварительного знания действующих высот и позволяет еще на этапе проектирования системы построить оптимальный по точности алгоритм.

Были получены гарантированные оценки погрешности определения координат в дальномерном методе при регулярном размещении трех и-четырех пунктов наблюдения. Предложен алгоритм снижения числа обусловленности до приемлемых величин с помощью масштабирования системы. На основании проведенных исследований в четвертой главе рекомендовано при создании системы использовать четырехпунктовый метод, размещая пункты наблюдения в вершинах квадратов со сторонами 90км.

В четвертой главе предложена архитектура программного обеспечения многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов на основе сети автономных грозопеленгаторов-дальномерОв. В работе приведено описание и функции отдельных блоков, рассмотрены связи между ними. Показана возможность синхронизации системных часов на пунктах наблюдении по принимаемым атмосферикам без использования сигналов точного времени и идентификации принадлежности сигналов, принятых на разных станциях, одному источнику излучения. Очерчены перспективы развития системы и возможности интеграции с существующими аналогами.

В состав системы входят несколько СДВ автономных грозопеленгаторов-дальномеров, расположенных в различных пунктах наблюдения, вычисляющий сервер с базой данных о наблюдаемых явлениях, блок управления, и сеть передачи данных, используемая для связи между компонентами системы.

Вычисляющий сервер и блок управления реализованы на одном или нескольких компьютерах стандартной архитектуры с использованием программного обеспечения, разработанного в рамках проектов РФФИ 01-07-90161, 02-07-060090-мас, 03-07-06052-мас.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Малов, Дмитрий Николаевич

4.8 Выводы

Разработанный географически распределенный программно-аппаратный комплекс позволяет в режиме реального времени осуществлять определение координат молниевых разрядов в наблюдаемом районе. Комплекс интегрирует отдельные метеорологические АГПД в единую вычислительную сеть, что позволяет повысить точность и надежность местоопределения разрядов. Механизм выбора наиболее оптимального алгоритма определения координат разряда обеспечивает высокую точность результатов работы.

Наличие центральной базы данных с результатами наблюдений, позволяет организовать к ней оперативный и эргономичный доступ со стороны пользователей системы. При этом надежность работы системы обеспечивается средствами самотестирования.

Возможна синхронизация системных часов на пунктах наблюдении по принимаемым атмосферикам без использования сигналов точного времени и идентификация принадлежности сигналов принятых на разных станциях одному источнику с использование предложенной в работе квазиметрики.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

• Разработан метод определения псевдопеленга на дипольный источник излучения по наблюдаемым СДВ сигналам. Показана практическая несмещенность оценки псевдопеленга и найдена зависимость дисперсии оценки от значения псевдопеленга и отношения сигнал/шум. Предложен метод снижения дисперсии оценки псевдопеленга за счет увеличения числа каналов пеленгатора. Предложен метод статистического определения отношения действующих высот антенн АГПД, модифицирован многопунктовый пеленга-ционно-дальномерный метод и предложена методика оценки точностных характеристик автономного грозопеленгатора-дальномера.

• Предложен дальномерный метод определения местоположения молниевых разрядов, который в отличие от пеленгационно-дальномерного не требует знания отношения действующих высот электрической и магнитной антенн и дает более точные гарантированные оценки координат. Проведено аналитическое исследование данного метода и даны рекомендации по оптимизации его точности.

• Предложена архитектура многопунктовой системы местоопределения молниевых разрядов на основе сети автономных грозопеленгаторов-дальномеров и разработано программное обеспечение для нее. Показана возможность синхронизации системных часов на пунктах наблюдении по принимаемым атмосферикам без использования сигналов точного времени и идентификации принадлежности сигналов, принятых на разных станциях, одному источнику. Такая интеграция однопунктовых систем пассивного мониторинга грозовой деятельности в единую вычислительную сеть позволяет повысить вероятность обнаружения молниевого разряда и точность определения его координат, дает возможность определить ряд новых параметров, позволяющих сделать прогноз развития грозовой деятельности.

Уровень достоверности результатов работы

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием математического аппарата, теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, результатами стендовых и полевых испытаний. Положения теории основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследования диссертации.

Степень новизны научных результатов

Полученные результаты: метод оценки псевдопеленга на молниевый разряд по наблюдаемым СДВ сигналам, дальномерный метод определения местоположения молниевых разрядов, метод статистического определения отношения действующих высот антенн АГПД, модифицированный многопунктовый пеленгационно-дальномерный метод и методика оценки точностных характеристик - являются новыми, докладывались на всероссийских и международных конференциях, опубликованы в трудах этих конференций и ведущих отечественных и международных изданиях.

Разработанное программное обеспечение многопунктовой системы автономных грозопеленгаторов-дальномеров зарегистрировано в Российском агентстве программного обеспечения.

Значение полученных результатов для теории и практики

Предложенные метод оценки псевдопеленга на молниевый разряд по наблюдаемым сигналам и дальномерный метод определения координат молниевого разряда обладают необходимой для практических целей точностью. Предложены методы позволяющие определить отношение действующих высот антенн и оценки точностных характеристик автономного грозопеленгатора-дальномера

Программное обеспечение многопунктовой системы, в том числе, реализующее методы определения отношения действующих высот антенн и оценки точностных характеристик, программа визуализации используются в грозопе-ленгаторе-дальномере (проект № 1822 Международного научно-технического центра).

Информация о молниевой активности, предоставляемая разрабатываемым устройством, позволит решать многие задачи геологии, гидрологии, метеорологии, экологии. Примерами практического использования данной информации, в частности, являются: обеспечение безопасности авиационных и морских перевозок; быстрое обнаружение и устранение вызванных грозой аварий в крупномасштабных распределенных системах.

Рекомендации по использованию результатов исследования

Научные результаты исследования могут быть использованы при разработке систем местоопределения молниевых разрядов как однопунктовых, так и многопунктовых: ЗАО НИИИТРК, ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, Санкт-Петербургский государственный университет, Владимирский государственный университет, ГГО им. Воейкова. Сама система может быть использована в службах метеообеспечения авиации, в службах охраны ЛЭП, в службах пожарной охраны крупных лесных массивов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малов, Дмитрий Николаевич, 2005 год

1. Авраменко А. Г., Панюков А. В. Вторичная обработка данных автономного грозопеленгатора-дальномера // Сборник научных трудов Пятой Российской конференции по атмосфергому электричеству (в двух томах). Том 1. — Владимир: Транзит ЖС. - 2003 г. - С. 344-345.

2. Александров М. С. и др. Флуктуации электромагнитного поля земли в диапазоне СНЧ. -- М.: Наука. -- 1972. -- 195 с.

3. Александров М.С., Орлов A.B. Сравнительный анализ разностно-дальномерного и пеленгационного методов местоопределения грозовых очагов // Радиотехника и электроника. № 3. - 2001. - С. 304-312.

4. Базелян Э.М., Горин Б.В. , Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. JL: Гидрометеоиздат. - 1978. - 223с.

5. Бару Н.В., Кононов И.И., Соломоник М.Е. Радиопеленгаторы-дальномеры ближних гроз. JL: Гидрометиоиздат. - 1976. - 143 с.

6. Билетов М.Б., Поддубный В.И. Метод повышения эффективности систем грозопеленгации // Радиотехника и электроника, 1995, Т.40, №4, С.584-586.

7. Богословская Н.В., Бржезовский A.B., Жаков В.И., Путилов В.А., Фильчаков В.В., Автоматизированные методы спецификации программных систем. -Апатиты, КФ ПетрГУ, 1996. 147с.

8. Бочковский Б.Б., Рогожин И.Б., Росанов Н.И., Тимашова JI.B. Определение координат ударов молнии и амплитудных значений ее токов // Электричество, 1997, №8, С.24-29.

9. Буду ев Д. В. Программное обеспечение автономного СДВ грозопеленгатора дальномера. // Труды 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству. Владимир, 21-26сентября 2003. / Том 1 Владимир: Транзит ИКС.-2003 г.-С. 346-348.

10. П.Будуев Д.В., Панюков A.B. Программное обеспечение полевых испытаний автономного грозопеленгатора. // Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 8. - Вып. 2. - 2001. - С. 545.

11. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер с англ.-М.: "Издательство Бином", СПб.: "Невский диалект", 1999 г. -560 е., ил.

12. Бюрер К. От ремесла к науке: поиск основных принципов разработки ПО (http://www.interface.ru/rational/science.htm)

13. Вальков С.П., Козлов В.И. Узкоселекторный пеленгатор для регистрации радиошумов // ПТЭ, 1998, №4, С.165.

14. Вендров A.M. CASE-технологии: современные методы и средства проектирования информационных систем. М. Финансы и статистика, 1998, 175 с.

15. Г.Буч, Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения М., "Конкорд", 1992.

16. Грозопеленгатор-дальномер "Очаг -2П". Л:Гидрометеоиздат. - 1988. - 30 с.

17. Кашпровский В. Е. Определение местоположения гроз радиотехническими методами. — М.: Наука. 1984 - 220 с.

18. Кознов Дм. В. Конечный автомат основа визуальных представлений поведения объектов // Объектно-ориентированное визуальное моделирование / Под ред. Проф. Терехова А.Н. - СПб: Издательство С.-Петербургского университета, 1999. С. 101-122.

19. Кознов Дм. В. Проблемы разработки компонентного программного обеспечения. //Объектно-ориентированное визуальное моделирование / Под ред.

20. Проф. Терехова А.Н. СПб: Издательство С.-Петербургского университета, 1999. С.86-100.

21. Кондратьев A.M. "CASE-средство и объектные базы данных". // Объектно-ориентированное визуальное моделирование / Под ред. Проф. Терехова А.Н. СПб: Издательство С.-Петербургского университета, 1999. С. 57-78.

22. Кононов И.И. Границы применимости дипольных представления молниевых разрядов // Труды ГТО. 1975. -Вып. 358. - С. 61-68.

23. Кононов И.И., Петренко И.А. Современное состояние пассивных методов местоопределения гроз //Радиотехника и электроника. 1992, т.32, №7, С.1153-1167.

24. Кононов И.И., Петренко И.А., Снегуров B.C. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. JL: Гидрометеоиздат. - 1986. - 222 с.

25. Кононов И.И., Семикрас Ю.В. Электромагнитное излучение молниевых разрядов // Труды ГГО. 1975. -Вып. 358. - С. 48-60.

26. Кононов И.И., Ришар Ф. Методы пассивной локации гроз // Сборник трудов Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству. Владимир: Владимирский государственный университет, Россия, 21-26 сентября 2003, С.8-12.

27. Малов Д.Н., Панюков A.B. Сеть однопунктовых грозопеленгаторов для локализации грозовых очагов. // Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 8. - Вып. 2. - 2001. - С. 643-644.

28. Муллаяров В.А., Козлов В.И., Васильев А.Е. Пространственные распределения гроз на территории Якутии // Материалы международной конференции «Интеркарто-5»: ГИС для устойчивого развития территории, Якутск, 1999, С.171.

29. Новичков A. Rational Rose для разработчиков и ради разработчиков. (http://www.interface.ru/rational/rose/develop.htm)

30. Панюков A.B. Анализ погрешности прямого алгоритма определения дальности до электрического диполя // Известия ВУЗов. Радиофизика, том XLII, No 3, 1999. С. 266-277.

31. Панюков A.B., Будуев Д.В. Алгоритм определения расстояния до местоположения молниевого разряда // Электричество. № 4. - 2001. -С. 10-14.

32. Панюков A.B., Малов Д. Н. Сетевое программное обеспечение многопунк-товой системы пассивного мониторинга грозовой деятельности. — http: //csit.ugatu.ac.ru/proceedings.htm

33. Панюков A.B., Малов Д. Н. Трехмерная локализация дипольного источника СДВ излучения // Сборник научных трудов Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству (в двух томах). Том 1. Владимир: Транзит PIKC.-2003 г.-С. 341-343.

34. Панюков A.B., Малов Д.Н. Погрешность алгоритмов определения псевдопеленга дипольного источника излучения // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. № 1. - 2001. - С. 81-88.

35. Парфенов В.В., Терехов А.Н. RTST технология программирования встроенных систем реального времени. // Системная информатика. Вып. 5: Архитектурные, формальные и программные модели. - Новосибирск, 1997, с. 228256.

36. Принципы построения автоматизированных систем метеорологического обеспечения авиации / Под ред. Щукина Г.Г. JI.: Гидрометеоиздат, 1991, С.260.

37. Раков В.А. Современные пассивные радиотехнические системы местопреде-ления молний //Метеорология и гидрология, 1990, №11, С.118-123.

38. Романовский К.Ю, Кузнецов C.B., Кознов Дм. В. Объектно-ориентированный подход и диаграммы классов в UML. //Объектно-ориентированное визуальное моделирование/Под ред. Проф. Терехова А.Н. -СПб: Издательство С.-Петербургского университета, 1999. С.21-56.

39. Скиба Н. И. Современные гиперболические системы дальней радионавигации M Сов радио 1967

40. Степаненко В. Д., Гальперин М. С. Радиотехнические методы исследования гроз. — Л.: Гидрометеоиздат. 1983. - 204 с.

41. Страуструп Б., Язык программирования С++. М., Радио и связь, 1991.

42. Терехов А.Н. Романовский К.Ю . Real: Методология и CASE-средство для разработки систем реального времени и информационных систем // Программирование, 1999, N 5.

43. Трофимов С. CASE-технологии: практическая работа в Rational Rose M.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2001 г. - 272 е.: ил. (http://progcpp.narod.ru/rational/)

44. Ф.П.Брукс мл. Как проектируются и создаются программные комплексы. Мифический человеко-месяц. М. 1979, 150 с.

45. Файзулин H.A.; Плотников В.Д., Александров А.И. Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации II Межвузовский сб. Рига: Рижский ин-т гражданской авиации, 1976, Вып.2, С.90.

46. Файзуллин Н.А., Семагин Б.В., Панюков А.В. К построению однопунктовых систем местоопределения гроз в ближней зоне, учитывающих поляризационные ошибки. // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Общие вопросы радиоэлектроники. Вып. 7. - 1987. - С. 60-64.

47. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования: Пер. с англ. М.:Мир, 1999. - 191 е., ил.

48. Alistair Cockburn. Structuring Use Cases with Goals, Humans and Technology 1996.

49. Andy Pols. Use Case Rules of Thumb: Guidelines and lessons learned. Fusion Newsletter. Hewlett-Packard Laboratories, Volume 5.1, 1997.

50. B.P.Douglass. Real-Time UML. Addison-Wesley, 1998. 365 p.

51. B.Selic, G.Gullekson, P.T. Ward. Real-Time Object-Oriented Modeling. John Wiley & Sons. Inc. 1994. 525 p.

52. B.Selic, J.Rumbaugh. Using UML for Modeling Complex Real-Time Systems. ObjecTime. http://www.objectime.on.ca/. 1998. 22 p.

53. Bondiou-Clergery A., BlancherP., TheryC. et al. «ORAGES»: A project for space-borne detection of lightning flashes using interferometry in the VHF-UHF band // Proc. 11th Int. Conf. on Atmospheric Electricity, June 7-11, 1999, pp. 166169.

54. Booch G. Object-Oriented Analysis And Design With Application, second edition. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. 1994. 589 p.

55. Booch G. The Visual Modeling of Softwarte Architecture for the Enterprise. ROSE architect. October 1998. Vol. 1, No. 1. p. 18-25.

56. Braek F., Haugen Th. Engineering Real Time Systems. Prentice Hall International (UK) Ltd. 1993. p. 398.

57. Casper P. W. and Bent R. B., Results from the LP ATS USA national lightning detection and tracking system for the 1991 lightning season, in Proc. 21st Int. Conf. on Lightning Protection, Berlin, (pp. 339-342), 1992.

58. Cramer J.F., Cummins K.L. Long-range and trans-oceanic lightning detection. Proc.l 1th ICAE, 1999, Alabama, pp.250-253.

59. Cummins K. L., Murphy M. J., Bardo E. A., A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S. National Lightning Detection Network, J. Geophys. Res., 1998.

60. Cummins K.L., Burnett R.O., Line reliability and fault analysis using the National Lightning Detection Network, in Proc. 21st Int. Conf. on Lightning Protection, Berlin, (pp. 312-315), 1992.

61. Cummins K.L., Krider E. P., Malone M.D., The U.S. National Lightning Detection Network and Applications of Cloud-to-Ground Lightning Data by Electric Power Utilities, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 40, No. 4, November 1998

62. D.Harel, M.Politi. Modeling Reactive Systems with Statecharts: state machine approach. McGraw-Hill. 1998. 258 p.

63. Development and Investigation of the Single-Point System for Lightning Location in the Range of Super-Long Waves www.istc.ru/istc/db/projects.nsf/prjn/1822

64. FinkeU., HaufT. The Characteristics of Lightning Occurrence in Southern Germany // Contr. Atmos. Phys., 1996, Vol.69, pp.361-374.

65. Forbes G.S. Lightning studies using LDAR and LLP data and applications to weather forecasting at KSC // 1993 research Reports, NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program. NASA CR-194678, Grant NGT-60002 Supplement 11. pp. 165-194.

66. G Booch, I Jacobson, J Rumbaugh. The Unified Modeling Language.- Technical Report, Rational Software Corporation, 1997.

67. Jacobson. Object-Oriented Software Engineering. ASM press. 1992, 528 p.79J. A. Stankovic, K. Ramamritham "What is predictability for real-time systems". Real-Time Systems, vol.2, December 1990, pp. 247-254.S

68. J.Rumbaugh, IJacobson, G.Booch. The Unified Modeling Language Reference Manual. Addison-Wesley, 1999. 550 p.81J.Rumbaugh, M.Blaha, W.Premerlani et al. Object-oriented modeling and design. Prentice-Hall. New Jenersy. 1991. 500 p.

69. Jacobson, I. Object-Oriented Software Engineering: A Use-Case Driven Approach." Addison-Wesley, Reading, MA, 1992.

70. Kenneth L. Cummins, Martin J. Murphy. Overview of Lightning Detection in the VLF, LF, and VHF // Proceedings of 17th International Lightning Detection Conference.

71. Konovalov M.V., Romanchnko A.V., Snegurov V.S. One station thunderstorm range and direction finding. Proc. 9-th Int. Conf on atmospheric electricity. Vol. 1.- 1992.-P. 287-291.

72. Krehbiel P.R., The electrical structure of thunderstorms, in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington, D.C., (pp. 90-113), 1986.

73. Krider E.P. et al. Lightning direction-finding system for forest fire detection // Bull. Amer. Meteorol. Soc., 1980, Vol.61, No.9, P.301.

74. Krider E.P., Noggle R.C., Uman M.A. A gated wideband magnetic directionfinder for lightning return strokes // J.Appl. Meteor., 1976, Vol.15, pp.301-306.

75. Krider, E.P., R.C. Noggle and M. A. Uman. A gated wideband magnetic direction finder for lightning return strokes. J. Appl. Meteorol. - Vol. 61. - 1980. - P.980-986.

76. LennonC. and MaierL. Lightning mapping system //NASA CP-3106, Vol.11, 1991.

77. Lewis E. A., Harvey R. В., and J. E. Rasmussen, Hyperbolic direction finding with sferics of transatlantic origin, J. Geophys. Res., (65), (pp. 1879-1905), 1960.

78. Lightning Location System. ISTC supported project No 1822. — http: //www.istc.ru

79. Lyons W.A. et al. Real-time data collection, processing and dissemination of customized lightning data from overlapping detection networks // Preprint R&SCAN Corp., 1988.

80. Lyons. UML for Real-Time Overview. ObjecTime. http://www.objectime.on.ca/. 1998. 7p.

81. Maier L., Lennon C., Britt Т., and Schaefer S., Lightning Detection and Ranging (LDAR) system performance analysis, Paper 8.9 in Proc. 6th Conf. on Aviation Weather Systems, Dallas, TX, Amer. Meteorol. Soc., 1995.

82. Martin Abadi, Luca Cardelli, A Theory of Objects, N.Y.,Springer 1996, 396p

83. Martin Fowler, Kendall Scott. UML Distilled. Applying the Standard Object Modeling Language.- 0-201-32563-2 . Adison-Wesley. 1997, 208 p.

84. Master, M.J., M. A. Uman, Y.T. Lin and R.B. Standler. Calculation of lightning return stroke electric and magnetic fields above ground. // J. Geophis. Res. 86. -1981.-P.12,127-12.132.

85. Murphy M.J., Cummins K.L., 2-D and 3-D cloud discharge detection, 1998 Intl. Lightning Detection Conf., Tucson, AZ, Global Atmospherics, Inc., 1998.

86. Murphy M, Zaharescu R, Holle R. Three-dimensional Lightning Mapping Using LDAR II Systems // Proceedings 26th International conference on lightning protection. Vol. 2. (Krakow, Poland, September 1-6, 2002). Krakow mining university. - P. 85-90.

87. National Lightning Detection Network www.glatmos.com/nldn/nldn.html

88. National Lightning Detection Network of Improved Performance from Combined Technology (IMPACT) Radio Frequency Antenna System http://ghrc.msfc.nasa.gov:5721/sensordocuments/NLDNantenna.html

89. NorinderH. Long-distance location of thunderstorms. Thunderstorm electricity, 1953, ch. 14, pp.276-327.

90. OMG Unified modeling language specification (draft). Version 1.3R. http://www.rational.com/uml. 1999.

91. P. Kruchten. The Rational Unified Process: An Introduction. ADDISON-WESLEY. 1998.255 p.

92. Panyukov A.V. Analytical and computational study of the lightning location problem under single-point monitoring of electromagnetic field // Inverse and ill-posed problems: Abstracts of the International conference IIPP-96. M: Диалог МГУ.- 1996.-С.40.

93. Panyukov A.V. Estimation of the location of an arbitrarily oriented dipole under single-point direction finding // Journal of geophysical research. Vol. 101. No D10. P. 14,977-14,982. June 27, 1996. (USA)

94. Panyukov A.V. Lightning detection and mapping algorithms. // Proceedings of 24th International Conference on Lightning Protection. Birmingham, United Kingdom, September, 14-18, 1998. Vol. 1. - Staffordshire University (UK). -1998.-P. 227-231.

95. Petrenko, I. A., 1.1. Kononov. Methods of Lightning Location. // Proc. 9-th Int. Conf. on Atmospheric Electricity. 1. - 1992. - P. 292-295.

96. PoeherH.A. and LennonC.L. Lightning Detection and Ranging System, LDAR, System Description and Performance Objectives//NASA Technical Memorandum 74105, 1979.

97. Proctor D.E., A hyperbolic system for obtaining VHF radio pictures of lightning, J. Geophys. Res., (76), pp. (1478-1489), 1971.

98. Richard P. and Lojou J. Y., Lightning and forecast of intense precipitation, in Proc. of Lightning and Mountains 1997, France: Socintn des Electriciens et des Electroniciens, (pp. 338-342), 1997.

99. Richard P. SAFIR-an operational system for thunderstorm early localization and lightning hazard warning // Proc. 23rd ICLP, Firence, Italy, 1996, pp.67-72.

100. Richard P., The SAFIR System: Early detection and alarm alert for risk of storms, in Proc. of Lightning and Mountains 1994, France: SociHtii des Electriciens et des Electroniciens, (pp. 77-83), 1994.

101. Robert V. Binder. Testing Object-Oriented Systems: A Status Report. American Programmer. April 1994

102. Ruhnke, L. H. Distance to lightning strokes as determined from electrostatic field strength measurements. //J. Appl. Meteorol. No 1. -1962. P. 544-547.

103. SAFIR Total Lightning Localization and Thunderstorm Forecasting System -www.vaisala.com/DynaGenAttachments/Att2751/2751 .pdf

104. Shao X.M., Krehbiel P.R., The spatial and temporal development of intracloud lightning, J.Geophys. Res., (101D), (26641-26668), 1996.

105. Siegel J. CORBA Fundamentals and Programming. John Wiley & Sons, Inc., 1997, 693 p.

106. Uman M.A. Natural and artificially initiated lightning and lightning test standards // IEEE Proc., 1988, Vol.76, Nol2.

107. Uman, M.A., Y.T. Lin and E.P. Krider. Errors in magnetic direction finding due to non-vertical lightning channel // Radio Sci. Vol. 15. - 1980. - P. 35-39.

108. Список используемых сокращений

109. АГПД автономный грозопеленгатор-дальномер

110. АДШ азимутально-дальномерная шкала

111. АЦП аналогово-цифровой преобразователь1. БД база данных1. ВО внутриоблачный*

112. ГПД грозопеленгатор-дальномер1. ДВ длинные волны1. ЛЭП линия электропередачи1. МВ молниевая вспышка1. МО межоблачный*

113. МР молниевый разряд (разряд молнии)1. НЧ низкие частоты1. ОЗ облако-земля*1. ОНЧ очень низкие частоты1. ОС операционная система1. ПВ программа визуализации1. ПО поляризационные ошибкитип грозового разряда

114. ПО программное обеспечение1. ПР пункт регистрации1. ПР программа регистрации

115. ПСМ пеленгационная система местоопределения1. ПУ программа управления

116. РДСМ разностно-дальномерная система местоопределения1. СВЧ сверхвысокие частоты1. СДВ сверхдлинные волны

117. СКО среднее квадратичное отклонение

118. СУБД система управления базами данных1. УКВ ультракороткие волны

119. ЭВМ электронно-вычислительная машина

120. ЭМИ электромагнитное излучение