Разработка методов обеспечения помехоустойчивости космических инфокоммуникаций на основе кодирования в системе остаточных классов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ширяев Алексей Александрович

• Ширяев Алексей Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Ширяев Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ существующих высокоскоростных беспроводных информационных коммуникаций

1.1.Анализ принципов построения и технологий создания высокоскоростных беспроводных информационных коммуникаций

1.2.Анализ существующих научно-методических подходов к помехоустойчивому

кодированию данных в беспроводных информационных коммуникациях

1.3.Оценка функционально-схемных решений и помехоустойчивости высокоскоростных космических радиолиний

1.4.Анализ технических возможностей создания космических беспроводных информационных коммуникаций с обеспечением существующих требований по обеспечению их помехоустойчивости

1.5. Постановка задач диссертационного исследования

Выводы по главе

Глава 2. Разработка моделей представления и преобразования данных и структур

кадров

2.1.Оценка возможностей доработки существующих научно-методических принципов формирования данных и структур кадров при использовании кодирования информации в системе остаточных классов

2.2.Выбор структуры адаптивного кадра передачи данных

2.3.Разработка принципов и алгоритмов кодирования данных кадров с

предварительным их представлением в системе остаточных классов

2.4.Обоснование моделей организации взаимодействия бортовых

информационно-телекоммуникационных систем

2.5.Разработка моделей формирования кадра передачи данных при помехоустойчивом кодировании информационных потоков в системе остаточных классов

Выводы по главе

64

Глава 3. Разработка методов повышения помехоустойчивости и скорости передачи данных в беспроводных информационных коммуникациях на основе

квадратурной модуляции сигналов

3.1.Оценка возможностей существующих космических беспроводных информационных коммуникаций по распараллеливанию потоков данных и модуляции сигналов

3.2.Разработка моделей представления информации при распараллеливании потоков данных и квадратурной модуляции передаваемых сигналов

3.3. Разработка моделей и методов повышения помехоустойчивости и скорости передачи данных на основе перехода от потока бит к кодированию троичным кодом

3.3.1. Разработка моделей и методов повышения помехоустойчивости и скорости передачи данных для узкополосных БИК

3.3.2.Разработка моделей и методов повышения помехоустойчивости и скорости

передачи данных с кодовым расширением спектра передаваемых сигналов

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования методов безызбыточного помехоустойчивого кодирования в высокоскоростных беспроводных информационных коммуникациях

4.1.Исходные положения разработанного научно-методического обеспечения проведения экспериментальных исследований методов безызбыточного помехоустойчивого кодирования

4.1.1.Разработка методики проведения экспериментальных исследований методов безызбыточного помехоустойчивого кодирования

4.1.2.Разработка методики обнаружения и исправления ошибок на основе группового свойства равноостаточности

4.2. Результаты экспериментальных исследований и оценки эффективности получаемых данных при использовании безызбыточного помехоустойчивого кодирования/декодирования

4.3. Разработка методики оценивания достоверности результатов телеизмерений и оценка её работоспособности с использованием экспериментальных данных.... 124 4.4.Оценка вероятности правильного восстановления результатов сообщения,

представленного образами остатками

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А «АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТАТОВ»

ПРИЛОЖЕНИЕ В «ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ»

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов обеспечения помехоустойчивости космических инфокоммуникаций на основе кодирования в системе остаточных классов»

Актуальность темы исследования.

В современных условиях использование беспроводных космических информационных коммуникаций, в том числе радиолиний, становится определяющим фактором в борьбе за новые достижения в различных областях науки и техники, в том числе и в развитии освоения космического пространства. При этом, число проблем, связанных с организацией высокоскоростной передачи информации с использованием беспроводных информационных коммуникаций (БИК) и радиолиний непрерывно увеличивается, а составляющие их основу противоречия ожесточаются [5-13].

В последнее время рентабельность использования космического аппарата (КА) определяется ещё и таким важным фактором, как объем содержательной информации, который будет передан за время его активного существования в космосе [5-13].

Однако возможности космических БИК по обеспечению оперативной передачи больших объемов данных ограничены многими факторами. Основные из них: пропускная способность БИК, в частности радиоканалов; спектрально-энергетические характеристики сигналов и сложных кодовых конструкций, используемых при передаче информации; возможности существующей элементной базы, в плане производительности вычислительной техники и ПЛИС.

В результате этого на КА приходится использовать накопители информации большой ёмкости для хранения информации, ожидающей своей очереди для передачи [5-13,79-84]. Но жесткое космическое излучение и другие помехи различного рода, включая специально создаваемые информационно-технические воздействия (ИТВ), также способны привести к появлению ошибок при хранении и воспроизведении информации и данных.

Анализируя методы передачи информации на основе трудов К. Шеннона, В.А. Котельникова, А.Н. Колмогорова, А.Я. Хинчина, А.А. Харкевича, Л.М. Финка, А.Г. Зюко, Д.Д. Кловского, Б.Р. Левина, Л.С. Левина, М.А. Плоткина,

И.М. Теплякова, Хартли Р., Фишера Р., Винера Н., Вудворда Ф., Фано Р., Феера К., Былински П., Ингрема Д., Берлекэмпа Э., Блейхута Р., Возенкрафта Д., Витреби А., Галлагера Р., Захарченко И.В., Шувалова В.П., Купинова Ю.П., Осмоловского С.А., Иванова М.А., Мельникова Д.А., Федорова И.Б., Григорьева В.А., Сакалема Д.Ж. и многих других, можно убедиться в большом многообразии методов передачи информации, относящихся к таким информационным процессам, как компадирование и кодирование данных, преобразование и модуляция сигналов, оптимальный приём информации.

Наиболее сложная ситуация складывается с космическими беспроводными информационными коммуникациями (БИК) и каналами связи из-за стремительного роста потребностей повышения скоростей передачи данных. Более того, там появились новые задачи, которые связаны с обеспечением защиты информации от негативных воздействий космического излучения на внутренних магистралях формирования и передачи информации, чего ранее не было.

Целесообразно определить новые резервы для повышения результативности передачи информации в БИК, которые не требовали бы замены существующей аппаратуры, а обеспечили решение расширенного множества задач путем дополнительного программирования ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров, составляющих основу её построения [4,79-86].

Этого требует также и расширенное внедрение искусственного интеллекта в информационные процессы структурно-алгоритмического преобразования (САП) и передачи данных [5-13,84-86].

Исследования, известные в настоящее время, обладают следующими недостатками:

- не учитываются требования обеспечения скоростей передачи информации, ограниченной значениями, не превышающими 0,5 Гбит/с, в то время как существует настоятельная потребность в обеспечении скоростей передачи до 10 Гбит/с и более;

- существующие методы сжатия данных без потерь ограничены коэффициентами сжатия ксж(БП) = 1,5 раза, что недостаточно;

- возможности использования существующих методов помехоустойчивого кодирования данных и модуляции сигналов ограничены вероятностью искажения бит (Рб): Рб < 10-2 [9,82-86].

- отсутствует системный подход к определению перспектив развития сквозных информационных технологий для высокоскоростных космических БИК [11-12,80-84].

Повышение помехоустойчивости в этих условиях может быть обеспечено на основе использования кодирования в системе остаточных классов и декодированием с адекватным использованием априорной информации.

Всё это определяет актуальность диссертационного исследования в плане разработки новых методов и алгоритмов совершенствования помехоустойчивости и увеличения быстродействия беспроводных информационных коммуникаций.

Объектом исследования являются информационные процессы функционирования беспроводных высокоскоростных космических информационных коммуникаций.

Предмет исследования - методы и алгоритмы повышения помехоустойчивости и быстродействия космических информационных систем.

Цель работы - совершенствование методов обеспечения помехоустойчивости передачи, приёма и обработки информации в космических беспроводных информационных коммуникациях на основе кодирования/декодирования данных в системе остаточных классов с использованием априорной информации.

Задачи исследования:

1) проведение анализа помехоустойчивости существующих высокоскоростных беспроводных информационных коммуникаций с позиций возможности её повышения;

2) разработка моделей представления данных и сообщений образами-остатками и алгоритмов помехоустойчивого кодирования/декодирования в системе остаточных классов (СОК) и разработка метода структурно-алгоритмического преобразования передаваемых данных для сохранения

помехоустойчивости космических радиолиний при повышении скорости передачи информации;

3) разработка алгоритмов перекодирования двоичного кода системы остаточных классов в сжатый троичный код, повышающий помехоустойчивость;

4) экспериментальное оценивание работоспособности разработанных алгоритмов кодирования/декодирования предаваемой информации.

Методы исследования. В работе использованы методы теории системно -информационного анализа и конструктивной теории конечных полей, адаптированной к перспективным задачам передачи высокоскоростной информации по космическим радиолиниям. Для подтверждения основных положений полученных результатов применялись методы компьютерного имитационного моделирования, вычислительных экспериментов.

Достоверность результатов работы и обоснованность выводов обусловлены корректным использованием адекватных формальных теорий кодирования информации, отсутствием противоречий с известными положениями теоретических расчетов с натурными данными.

Научную новизну работы составляет следующее:

1. Модель представления данных и сообщений образами и остатками, адекватно отражающая их свойства с позиций помехоустойчивого кодирования/декодирования в системе остаточных классов (СОК), отличающаяся от известных аналогов тем, что впервые образы-остатки, составляющие СОК, использованы для повышения скорости и помехоустойчивости передачи высокоскоростной информации в БИК.

2. Модель квадратурной модуляции и формирования сигнально-кодовых конструкций на основе замещения синфазного и квадратурного подпотоков данных результатами представления исходных сообщений в СОК, отличающаяся от известных аналогов тем, что синфазную (I) и квадратурную составляющую составляют биты полуслов образов-остатков Ь1 и Ь2 , полученных при сравнении значений исходных кодовых слов сообщений по различным модулям сравнения m1 и m2 , в результате чего синфазный (I) и квадратурный подпотоки

оказываются аналитически связанными между собой, чего не было ранее при простом разделении потока на нечётные и чётные двоичные символы.

3. Модель сжатого помехоустойчивого кодирования/декодирования, основу которого составляет адекватная замена двоичного кода на более экономичную систему кодирования с использованием троичных символов Si(Ti), 1 = 0,1,2, отличающаяся тем, что они получены на основе следующих соответствий: $0(^3)^ <11,00>2, $1(Т1)~<10,001>2 и S2(T2)^<101>2, где скобками < >2 обозначены замещаемые троичными символами двоичные кодовые конструкции, являются дублирующими, преобразуемыми при первичной импульсной модуляции в независимые сигнально-кодовые конструкции, базовой основой которых являются амплитудно-импульсная (АИМ3) и широтно-импульсная (ШИМ3) модуляции, а их использование обеспечивает возможность существенного повышения скорости передачи информации и показателей её защищённости от помех, несанкционированного доступа (НСД) и информационно-технических воздействий (ИТВ).

4. Модель перехода от узкополосной связи в БИК к широкополосной для противодействия высокому уровню помех и методам радиоэлектронной борьбы на основе кодового расширения спектра передаваемого сигнала, отличающаяся тем, что «чипами», представляющими собой встроенные кодовые конструкции с малой длительностью Т0М двоичных символов «1» и «0, являющиеся псевдослучайными последовательностями (ПСП), заполняют не временные интервалы исходных бит с длительностью Т0 (Т0 » Т0М), как это было ранее, а длительности импульсов ШИМ3, которыми при модуляции представляют символы сжатого помехоустойчивого троичного кода Т0 ^ <11,00>2, Т1 = 1,5Т0 ^<10,001>2 и Т2 = 2Т0^<101>2, используя при этом в качестве ПСП коды Баркера с числом бит 3, 5 и 7, соответственно, благодаря чему реализуют преимущества широкополосной связи, проявляющихся в выделении переданных сообщений при малых отношениях сигнал/помеха, в её расширенном варианте, когда используют не двоичный, а предлагаемый троичный код.

Теоретическая значимость исследований обусловлена развитием методов обеспечения помехоустойчивости передачи, приёма и обработки информации на основе кодирования/декодирования данных в системе остаточных классов с использованием априорной информации.

Практическая значимость определяется тем, что разработанные методы и алгоритмы кодирования/декодирования позволяют повысить помехоустойчивость и скорость передачи информации в космических инфокоммуникациях.

Результаты диссертационной работы внедрены и используются в процессе производственной деятельности на предприятии ООО «Научно-технический центр «АРИАЛ»» г. Санкт-Петербург.

Также, результаты указанных диссертационных исследований внедрены НИЦ ФГБУ «ЦНИИ ВКС» Минобороны России г. Королёв в научно -исследовательскую работу и используются при защите информации от несанкционированного доступа (НСД) и при противодействии иностранным техническим разведкам (ПД ИТР) в интересах обеспечения космических войск.

Результаты реализации подтверждены актами внедрения, которые представлены в приложении А.

Полученные результаты так же могут быть использованы в образовательном процессе в ВУЗ и приняты к использованию в образовательную деятельность кафедры информационно-телекоммуникационных систем и технологий института инженерных и цифровых технологий федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» по дисциплинам «Безопасность инфокоммуникационных технологий», «Математические основы помехоустойчивого кодирования». Акт о принятии к использованию результатов исследования представлен в приложении А.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы и алгоритмы дополнительного безызбыточного

помехоустойчивого кодирования/декодирования передаваемой информации в системе остаточных классов (СОК), обнаружения и исправления ошибок в сообщениях, восстановленных на приёмной стороне, позволяющие использовать внутреннюю избыточность сообщений и создать новый резерв для дальнейшего повышения скорости передачи данных и обеспечения требуемых показателей их помехоустойчивости в условиях ограничений на пропускную способность БИК.

2. Модели и алгоритмы сжатого помехоустойчивого модуляционного кодирования/декодирования передаваемой информации в высокоскоростных БИК на основе перехода от двоичной системы представления сообщений к более экономичной троичной, обеспечивающие расширенные возможности для синтеза сигнально-кодовых конструкций, позволяющих повысить скорость и помехоустойчивость передачи данных.

3. Результаты вычислительных экспериментов, которые показывают, что использование алгоритмов формирования безызбыточных внутренних структур передаваемых цифровых сигналов обеспечивает возможность реализации кодирования/декодирования получаемых данных и сообщений с обнаружением и исправлением ошибок передачи высокоскоростной информации.

4. Результаты вычислительных экспериментов, которые иллюстрируют возможность повышения скорости передачи информации по космическим радиолиниям и достоверности её приёма с обеспечением одновременной её защиты от помех.

Область исследования. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 2.3.8. «Информатика и информационные процессы» по следующим областям исследования:

п. 3 «Разработка методов и алгоритмов кодирования, сжатия и размещения информации для повышения эффективности и надежности функционирования инфокоммуникационных систем при её хранении и передаче»;

п. 17 «Разработка методов обеспечения надежной обработки информации и обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей

передачи, хранения и защиты информации; разработка основ теории надежности и безопасности использования информационных технологий».

Апробация полученных результатов. Материалы исследования были представлены и активно обсуждались на следующих конференциях: Межвузовский международный конгресс «Высшая школа: научные исследования» (Москва, 12 мая 2023 г.), тема доклада: «Анализ методов повышения эффективности систем передачи данных в беспроводных информационных коммуникациях»; IX Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2023)» (Белгород, 31 мая - 02 июня 2023 г.), тема доклада «Методы повышения эффективности технологий передачи данных в беспроводных информационных коммуникациях»; VI Российская конференция по молниезащите (Санкт-Петербург, 17-19 апреля 2018 г.), тема доклада «Моделирование электромагнитного воздействия молниевых разрядов на элементы бортовой аппаратуры изделий РКТ».

Связь работы с научными направлениями, программами и проектами.

Тематика работы соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Информационно -телекоммуникационные системы (утверждено Указом Президента Российской Федерации от 07.07.2011 №899).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 печатных работах, из них 3 в журналах из списка ВАК, 3 публикации в сборниках статей, трудах, материалах и докладах международных конференций, получен 1 патент на изобретение, который представлен в приложении В.

Личный вклад автора. Результаты исследований, изложенные в работе, были получены автором лично, либо при его участии.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 источников и 2-х приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, включающего 4 таблицы, 37 рисунков.

Работа была выполнена на кафедре информационно-телекоммуникационных систем и технологий института инженерных и цифровых технологий Белгородского государственного национального исследовательского университета.

Глава 1. Анализ существующих высокоскоростных беспроводных информационных коммуникаций

1.1. Анализ принципов построения и технологий создания

высокоскоростных беспроводных информационных коммуникаций

Растущие объёмы информации, получаемой и передаваемой с использованием космических аппаратов (КА) требуют создания высокоскоростных радиолиний (ВРЛ). При этом наблюдается следующая тенденция роста основных требований к создаваемым ВРЛ: за последнее время скорости передачи информации с борта КА увеличиваются вдвое в каждые 5 лет, а показатели достоверности в виде вероятности искажения бит не должны быть более Р6 = Ю-8.

Например, применительно к космическим высокоскоростным БИК дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) предъявляются требования по обеспечению скорости передачи информации свыше 1 Гбит/с (вплоть до 10 Гбит/с) при достоверности приёма космической информации не хуже Р5 = Ю-10 [2-12,80].

Подобные противоречивые (с точки зрения реализации) требования приводят к существенному усложнению проектирования и создания ВРЛ. Анализ существующей международной практики выполнения подобных работ показывает, что в условиях существующих жёстких ограничений на спектрально-энергетические характеристики ВРЛ традиционные подходы к разрешению растущих противоречий не могут быть обеспечены без использования различных «ухищрений». Основная их задача заключается в том, чтобы выполнить предъявляемые требования, в то время, когда они выходят за пределы известных физических законов, определяющих реализуемость тех или иных предложений. Так, например, максимальная тактовая частота современной электронной компонентной базы (ЭКБ) не превышает 1 ГГц, следовательно, возможность решения поставленной задачи обеспечения скорости передачи по ВРЛ более 1 Гбит/с физически не реализуема при попытках её решения без использования

новых методов и технологий сокращения избыточности передаваемой информации, экономного помехоустойчивого кодирования и модуляции сигналов.

По своей сути вся история развития систем передачи информации была связана с рассмотрением возможности разрешения различных противоречивых требований за счёт изобретательности их создателей [1]. Так, например, все существующие методы кодирования сигналов и модуляции несущей частоты были придуманы человеком. Природные познания в области электромагнитных волн, которые были получены Г. Герцем при исследовании грозовых разрядов, привели его к ошибочному выводу о том, что это его открытие может быть как-то полезно использовано в практической деятельности человека. Этот вывод впоследствии назовут «ошибкой гения». Вся существующая система передачи информации - это результат изобретательности человека и его мыслительной способности.

К числу общепризнанных наиболее значимых методов и технологий, которые были предложены для разрешения существующих противоречий при создании ВРЛ, следует отнести [16]:

1) сжатие данных (синтаксическое, семантическое и прагматическое);

2) помехоустойчивое кодирование;

3) квадратурная модуляция.

Каждые из перечисленных методов и технологий в настоящее время активно развиваются, о чём свидетельствует большое количество научных трудов и патентов, посвящённых тематике создания помехоустойчивых БИК и ВРЛ.

Проведенные диссертационные исследования посвящены совершенствованию данных методов и технологий на основе:

1) использования прикладных математических теорий, относящихся к области сжатия данных, в том числе и основанных на представлении образами-остатками;

2) помехоустойчивого кодирования передаваемой информации;

3) распараллеливания процессов представления и кодирования передаваемой информации, а также существующих и предлагаемых технологий модуляции сигналов.

При этом цель диссертационного исследования и сформулированная научная задача заключается в том, чтобы разработанные новые модели, методы и алгоритмы не приводили бы к отказу от уже ранее использовавшихся информационных технологий. Они должны послужить такому их совершенствованию, когда доработка существующих аппаратно-программных комплексов БА и наземных средств приема высокоскоростной информации могла быть выполнена только на основе дополнительного программирования современной элементной базы (ПЛИС, микроконтроллеров, микропроцессов и ЭВМ, использующихся для обработки полученных данных).

Проведенный анализ основополагающих принципов создания адаптивных ВРЛ позволяет определить основные предлагаемые способы, технические решения и технологии, которые представляют интерес с точки зрения определения основных направлений диссертационные исследования.

С точки зрения научно-методического обеспечения решения сформулированной научной задачи (научная задача) и анализа предлагаемых подходов к созданию ВРЛ наибольший интерес представляют патенты Российской Федерации [52, 54, 56, 61]. Недостатки известных технических решений заключаются в следующем. Отмечаются их ограниченные функциональные возможности, а также недостаточные по сравнению с предъявляемыми требованиями показатели помехоустойчивости передаваемой информации. Кроме того, нуждаются в существенном повышении такие показатели эффективности высокоскоростных БИК, как точность и достоверность восстановления данных при их приеме. При передаче потокового видео в качестве недостатка отмечается низкое разрешение передаваемого изображения [54], а также узкая область применения создаваемых БИК.

Известны устройства передачи данных изображения Земли [5,6].

Их недостаток, помимо низкого разрешения передаваемого изображения, заключается в узкой полосе пропускания радиоканала, которая является основным препятствием для повышения эффективности передачи информации.

Известные способы, как свидетельствует существующая практика их апробации [5-11], могут быть реализованы программными методами. Проведенный их анализ показывает, что наиболее подходящим для разрешения существующих проблем создания беспроводных информационных коммуникаций (БИК) и ВРЛ и внедрения разработанных подходов к повышению их помехоустойчивости является бортовая информационная система (БИС) для передачи высокоскоростной информации (патент RU № 2429504, дата опубликования 20.09.2011) [56]. Повышение показателей её помехоустойчивости достигается за счёт следующих операций: расширения полосы радиоканала, модуляции опорного аналогового сигнала цифровым сжатым сигналом и применения специальных методов кодирования информации. Проведенный поиск аналогов позволил представить обобщённую схему различных предлагаемых методов преобразований, сжатия, кодирования и модуляции сигналов, которые по отношению к друг к другу не были бы конфликтными и могли бы функционировать совместно, повышая помехоустойчивость создаваемых беспроводных информационных коммуникаций и ВРЛ.

В бортовой информационной системе [56] реализованы операции сжатия и передачи преобразованной высокоскоростной информации по существующей низкоскоростной радиолинии на наземные пункты приёма информации на двух несущих частотах.

Особенность функционирования БИС [56] заключается в следующем. В ней предусмотрено использование шести каналов передачи данных. Но из них выбирают на основе командной информации только три наиболее информативные.

Изображения, представленные на сигнальном уровне 10-тиразрядными пикселями, подвергают сжатию в соответствии со стандартом JPEG, предназначенным для обработки непрерывно тоновых изображений с

фиксированным коэффициентом сжатия. Квантование, зигзагообразное упорядочивание и кодирование, осуществляют с использованием алгоритма Хаффмана [16,40].

Помехоустойчивое кодирование осуществляют на основе кодов Рида-Соломона. Для повышения устойчивости выделения символьной синхронизации передаваемой информации при её приёме используют операции скремблирования. Основу операции скремблирования составляет перемножение сформированных данных пакетов с формируемой в БИС псевдослучайной последовательностью (ПСП).

При таком техническом решении появляется возможность более корректного определения области применения тех технических мер и программно-математического обеспечения (ПМО), которые были реализованы в БА КА дистанционного зондирования Земли.

Кроме того, обеспечиваются наиболее благоприятные условия для проведения системных исследований, главная цель которых заключается в том, чтобы добиться слаженной работы как существующих, так и предлагаемых методов, алгоритмов и технологий, для обеспечения высоких показателей помехоустойчивости создаваемых БИК и ВРЛ.

Результаты проведенных исследований также позволят более четко представить множество задач управления процессами передачи и приема высокоскоростной информации КА, которые необходимо учесть при разработке адаптивных ВРЛ.

Для этого необходимо представить облик ВРЛ и определить объекты управлений.

В следующем подразделе проведен анализ патентов, целью которых является адаптивное управление процессами передачи информации по радиоканалам в условиях помех. До сих пор считалось, что объектом управления в ВРЛ может быть только мощность передающего устройства.

1.2. Анализ существующих научно-методических подходов к помехоустойчивому кодированию данных в беспроводных информационных

коммуникациях

Из описания патента [53] следует, что объектами управления являются помехоустойчивые коды, которые выбирают по данным первоначального обмена сообщениями с применением различных помехоустойчивых кодов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ширяев Алексей Александрович, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение / пер. с англ. В.Б. Афанасьева. - М.: Техносфера, 2006. - 320 с.

2. Lossless Data Compression. Draft Recommendation for Space Data System Standart, CCSDS 121.0-R-2. Red Book. Issue 2. Washington, D.C.: CCSDS, August 1996.

3. Lossless Data Compression. Recommendation for Space Data System Standart, CCSDS 121.0-B-1. Blue Book. Issue 1. Washington, D.C.: CCSDS, May 1997.

4. «Мультиборт» - отечественный комплект радиационностойких микросхем с каналами SpaceWire/GigaSpaceWire/SpaceFibre для аэрокосмических применений [Электронный ресурс], Режим доступа: http://multicore.ru/fileadmin/user_upload/mc/publish/multiboard_chipset.pdf, свободный.

- Загл. с экрана (дата обращения 15.04.2017).

5. Белоблоцкая А.А., Позднова А.К., Титов М.И. Разработка предложений по решению ключевых проблем создания высокоскоростных бортовых радиолиний - М.: «Молодой ученый», № 14 (118), 2016. - С. 118-120.]

6. Белоблоцкая А.А., Позднова А.К., Титов М.И. Разработка формирователя сигнала высокоскоростной радиолинии передачи информации «Космос-Земля» - М.: «Молодой ученый», №14 (118), 2016. - С. 121-123.

7. Ершов А.Н., Березкин В.В., Петров С.В., Петров А.В., Почивалин Д.В. «Методы проектирования и аппаратной реализации цифровых фильтров для высокоскоростной радиолинии в системах ДЗЗ» / Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы «Радиотехника и космическая связь»

- М.: «АО «РКС»» - 2017, том 4, выпуск 1. - С. 25-31.

8. Булгаков Н.Н., Алыбин В.Г., Кривошеин А.А. «Особенности построения двухдиапазонной бортовой аппаратуры командно-измерительной системы для управления космическим аппаратом»/ Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы «Бортовые специальные системы. Проблемы

конструирования, технологии производства РЭА и обеспечение ее качества» - М.: АО «РКС», 2013. - С. 266-276.

9. Ершов А.Н., Зяблов В.В., Пятошин Ю.П. «Классы помехоустойчивых кодов, перспективных для высокоскоростных радиолиний» Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы «Автоматизированные системы управления, системы связи и ретрансляции, информационные технологии» - М.: АО «РКС», 2013. - С. 340-344.

10. Ромащенко К.В., Кондрашов А.С. «Уменьшение интермодуляционных искажений в бортовых радиопередающих устройствах» Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы «Автоматизированные системы управления, системы связи и ретрансляции, информационные технологии» - М.: АО «РКС», 2013. - С. 345-354.

11. Благодырев В.А., Ватутин В.М., Кукушкин С.С. Отчёт по НИР «Телеприбор»: «Разработка системных технических решений по рациональному распределению функций между бортовыми и наземными средствами управления КА НСЭН, обеспечивающих выполнение требований по унификации средств и рекомендаций международных стандартов» - М.: «РНИИ КП», 2007.

12. Технический проект «Бортовая информационная система КА «Кондор». -М.: АО «РКС», 2017. - 563 с.

13. Информационные технологии в радиотехнических системах / Под ред. И.Б. Федорова. - М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2003. - 671 с.

14. Романовский И.М. Дискретная математика. - М.: Наука, 1989. - 463 с.

15. Кукушкин С.С., Аксенов С.В., Бельтюков С.В., Тупичкин Д.В., Бельтюков В.В. «Способ передачи информации и система для его осуществления», патент РФ № 2581774, опубл. 20.04.2016 г., бюл. №11.

16. Ипатов В.П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. - М.: Техносфера, 2007 - 488 с.

17. Макклеллан Дж., Рейдер Ч. Применение теории чисел в цифровой обработке сигналов/ Пер. с англ. - М. Радио и связь. 1983. - 376 с.

18. Свердлик М.Б. Оптимальные дискретные сигналы. - М.: Сов. Радио, 1975. - 200 с.

19. Мак-Вильямс Ф.Дж., Слоэн Н.Дж.А. Теория кодов, исправляющих ошибки. / Пер. с англ. - М.: Связь, 1979. - 744 с.

20. Кларк Дж., мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 392 с.

21. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. - М.: Мир, 1986. - 576 с.

22. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. - М.: Мир, 1976.

593 с.

23. Фомин С.В. Системы счисления. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 48 с.

24. Лидл Р., Нидеррайтер Г. Конечные поля. В 2-х томах. Пер с англ. - М.: Мир, 1988. - 882 с.

25. Торгашев В.А. Система остаточных классов и надежность ЦВМ. - М.: Сов. Радио, 1973. - 120 с.]

26. Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Машинная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. - 140 с.]

27. Модулярные параллельные вычислительные структуры нейро-процессорных систем / Н.И. Червяков, П.А. Сахнюк, А.В. Шапошников, С.А. Ряднов; Под ред. Н.И. Червякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с.

28. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. Т.2. Полу- численные алгоритмы. - М.: Мир, 1977. - 724 с.

29. Введение в криптографию. Под общ. ред. В.В. Ященко. - М.: МЦНМО, ЧеРо, 1998. - 271 с.

30. Ашимов Н.М. Помехоустойчивость и помехозащищенность радиолиний управления. Монография. - М., Изд. ВИУ МО РФ, 2000. - 371 с.

31. Варакин. Л.Е. Теория сложных сигналов. - М., Сов. Радио, 1970. - 324 с.

32. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. - М., Связь, 1969. - 375 с.

33. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.; Сов. радио, 1970. - 334 с.

34. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации/ Под ред. В.Б. Пестрякова. - М.; Сов. радио, 1973. - 424 с.

35. Кукушкин С.С., Князев В.В. Применение конструктивной теоремы об остатках при решении некорректных задач обработки результатов телеизмерений// Научно-технический сборник. Известия № 248. М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 2011. С. 78-86.

36. Кукушкин С.С., Князев В.В. Математические и методические основы использования конструктивной теоремы об остатках при обработке результатов телеизмерений // - М.: Научный Интернет-журнал: Технологии техносферной безопасности (http://ipb.mos.ru/ttb/2011-6/2011-6.html), вып. 6 (40), 2011. - 6 с.

37. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика: В 2 т. - т. 1: Методы и алгоритмы, классические и нетрадиционные, основанные на использовании конструктивной теоремы об остатках. - М.: МО РФ, 2003. - 284 с.

38. Кукушкин С.С., Гладков И.А., Чаплинский В.С. Методы и информационные технологии контроля состояния динамических систем. - М.: МО РФ, 2008, - 327 с.

39. Кукушкин С.С. Математические методы преобразования и обработки измерительной информации при испытаниях и штатной эксплуатации ракетно-космической техники. - М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 2009. - 276 с.

40. Информационно-измерительное обеспечение натурных испытаний сложных технических комплексов / Ю.Г. Булычев, В.В. Васильев, С.С. Кукушкин и др. - М.: Машиностроение-Полет, 2016. - 440 с.

41. Кукушкин С.С. Методика формирования оптимальных помехоустойчивых структурно-кодовых конструкций, основанных на нетрадиционном представлении результатов телеизмерений образами-остатками -М.: Двойные технологии, № 3, 2011. С. 55-63.

42. Кукушкин С.С. Синтаксическое сжатие передаваемых данных /Двойные технологии, № 1, 2005. - С. 34-38.

43. Кукушкин С.С. Двумерные технологии модуляции сигналов, как основа реформирования и развития систем связи и передачи информации - М.: Двойные технологии, № 1, 2007. - С. 42-49.

44. Кукушкин С.С. Модели векторного представления и нетрадиционного преобразования данных в системе остаточных классов // Измерительная техника, № 3, 2007. - С. 15-20.

45. Кукушкин С.С. Методы конструктивной теории синтеза нетрадиционных представлений данных и сигналов для повышения эффективности передачи информации - М.: Двойные технологии, № 1, 2010. - С. 18-24.

46. Кукушкин С.С. Методы анализа и синтеза различных проблемно-ориентированных подходов к устранению избыточности передаваемой информации. - М.: Двойные технологии, № 2, 2010. С. 13-19.

47. Кукушкин С.С., Нестеровский И.С. Методы нетрадиционного представления данных образами-остатками и анализа эффективности их применения. - М.: Двойные технологии, № 3, 2011. С. 40-47.

48. Бортовые системы управления космическими аппаратами. Учебное пособие // Бровкин А.Г., Гордийко С.В. и др. Под ред. А.С. Сырова. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 304 с.

49. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра (Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications). - М.: Радио и связь, 2000. - 552 с. - ISBN 5-256-01444-7.

50. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. - М.: Связь, 1980. - С. 51-288.

51. Кукушкин С.С., Мороз А.П. Патент № 2115172, 1995 г.

52. Космический радиолокатор (патент на изобретение RU № 2158008 опубл. 20.10.2000).

53. Способ передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией (патент на изобретение RU № 2300843, опубл. 10.06.2007).

54. Способ классификации подстилающей поверхности по многоканальному изображению, заключающийся в цифровой обработке изображений (патент на изобретение ЯИ № 2314565, опубл. 10.01.2008).

55. Способ восстановления потерянного соединения сигнализации при использовании высокоскоростного пакетного доступа по нисходящему каналу/частичного выделенного физического канала (патент ЯИ № 2408170, опубл. 27.07.2008).

56. Хромов О.Е., Мягков А.П. и др. Бортовая информационная система для передачи высокоскоростной информации (патент ЯИ № 2429504, опубл. 20.09.2011).

57. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Способ дискретной передачи информации. Патент RU 2434301 С1. Опубл. 20.11.2011. Бюл. № 32. 10 с.

58. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Система дискретной передачи информации. Патент RU 2434302 С1. Опубл. 20.11.2011. Бюл. № 32. 9 с.

59. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Система цифровой передачи информации. Патент RU 2 434 303 С1. Опубл. 20.11.2011. Бюл. № 32. 11 с.

60. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Способ цифровой передачи информации. Патент RU 2 434 304 С1. Опубл. 20.11.2011. Бюл. № 32. 11 с.

61. Высокоскоростная радиолиния передачи информации с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с адаптивной бортовой аппаратурой (патент на изобретение ЯИ № 2551900, опубл. 10.06.2015).

62. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Способ дискретной передачи информации. Патент RU 2 444 066 С1. Опубл. 27.02.2012. Бюл. № 6. 13 с.

63. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Система цифровой передачи информации. Патент RU 2 445 709 С1. Опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8.13 с.

64. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Способ цифровой передачи информации. Патент RU 2 447 492 С1 Опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10. 18 с.

65. Кукушкин С.С., Аношкин А.В. Система дискретной передачи информации. Патент RU 2 457 543 С1. Опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21. 15 с.

66. Кукушкин С.С. Способ передачи информации и устройство для его осуществления. Патент RU № 2461888, опубл. 25.04.2013, бюл. №23. 10с.

67. Кукушкин С.С., Гладков И.А. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами. Патент RU № 2 469 349 С1. Опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34. 10 с.

68. Кукушкин С.С. Способ передачи информации и устройство для его осуществления. Патент RU № 2475861 С1, опубл. 25.04.2013, бюл. №21. 21 с.

69. Кукушкин С.С. Способ передачи ТМИ, адаптированный к неравномерности потока данных телеизмерений, и система для его осуществления. Патент RU № 2480838 С1, опубл. 25.04.2013, бюл. №21. 16 с.

70. Кукушкин С.С. Способ передачи информации и устройство для его осуществления. Патент RU № 2480840 С1, опубл. 25.04.2013, бюл. №21.23 с.

71. Кукушкин С.С. Способ передачи информации и устройство для его осуществления. Патент RU № 2538281 С2, опубл. 10.01.2015, бюл. № 1. 21 с.

72. Кукушкин С.С., Кузнецов В.И. Способ передачи телеметрической информации, адаптированный к различным ситуациям при испытаниях ракетно-космической техники, и система для его осуществления. Патент № 2571584, приоритет от 24.03.2014 г., опубл. 20.12.2015.

73. Кукушкин С.С. Способ передачи информации и устройство для его осуществления. Патент № 2586605 С2, опубл. 10.06.16, бюл. №16.

74. Кукушкин С.С., Махов С.Ф., Светлов Г.В., Супрун А.С. Способ передачи информации и система для его осуществления. Патент № 2586833, приоритет от

29.04.2015, опубл. 10.06.2016.

75. Кукушкин С.С. Способ синхронизации передаваемых сообщений и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU № 2591565, опубл.

22.06.2016.

76. Кукушкин С.С., Махов С.Ф. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами. Патент № 2607639, приоритет от 31.12.2014, опубл. 30.01.2017.

77. Кукушкин С.С., Махов С.Ф., Светлов Г.В. Способ передачи информации и система для его осуществления. Патент № 2609747, приоритет от 13.08.2015, опубл. 02.02.2017.

78. Кукушкин С.С., Светлов Г.В. Способ передачи информации и устройство для его осуществления. Патент № 2556439, опубл. 10.07.2015, бюл. № 19.

79. Твердохлебова Е.М., Дементьев А.Н., Ширяев А.А. Моделирование электромагнитного воздействия молниевых разрядов на элементы бортовой аппаратуры изделий РКТ. Сборник докладов VI Конференции по молниезащите, Санкт-Петербург - 2018. - С. 232-238.

80. Дементьев А.Н., Банников А.В., Арсеньев К.В., Ширяев А.А., Басак А.А. Контроль качества функционирования бортовой аппаратуры космического аппарата при воздействии излучения двигательной установки. Труды МАИ № 118, 2021 - С. 132-164.

81. Ширяев А.А., Кукушкин С.С., Олейник И.И. Обработка информации при построении высокопроизводительных аппаратных систем на основе распараллеливания потоков передаваемых данных. «Экономика. Информатика» -2023. - Т. 50. - № 1. С. 465-475.

82. Ширяев А.А., Махов Ф.С., Олейник И.И., Прохоренко Е.И. Инновационные проблемно-ориентированные методы мониторинга и помехоустойчивой передачи полученной информации в беспроводных телекоммуникационных системах. «Экономика. Информатика» - 2023. - Т. 50. - № 4. С. 955-966.

83. Ширяев А.А. Представление информации при передаче и приеме сообщений в беспроводных информационно-телекоммуникационных системах в условиях помех. «Динамика сложных систем XXI век» - 2024. - № 1. С. 112-128.

84. Ширяев А.А. Анализ методов повышения эффективности систем передачи данных в беспроводных информационных коммуникациях. Сборник статей Межвузовского международного конгресса «Высшая школа: научные исследования», Москва, 2023. - С.132-138.

85. Ширяев А.А. Методы повышения эффективности технологий передачи данных в беспроводных информационных коммуникациях. Сборник статей IX Международной научно-технической конференции «Информационные

технологии в науке, образовании и производстве - ИТНОП-2023», Белгород, 2023. - С.120-125.

86. Ширяев А.А., Кукушкин С.С., Борискин С.В., Оберемко А.Г., Кукушкин Л.С. Способ сжатого помехоустойчивого кодирования данных для передачи и хранения информации. Патент на изобретение № 2789785. Российская Федерация. - регистр. В Гос. реестре РФ 09.02.2023.

ПРИЛОЖЕНИЕ А «АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТАТОВ»

Общество с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр «АРИАЛ»

196143, г. Санкт-Петербург. ул Орджоникидзе. д. 42. Литер А. пом IH349

ОГРН 1089847014070. ИНН КПП 7807331405 780101001 E-mail ntc-arial д yandex ru

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ООО «НТЦ «АРИАЛ»

A.C. Прищепов

« 2024 г.

АКТ

о внедрении (использовании) результатов кандидатской диссертационной работы Ширяева Алексея Александровича

Комиссия в составе:

председатель: к.т.н. Веселое Д.И.;

члены комиссии: 1. Рулев С.С.

2. Чичев С.А.

3. Черников В.В.

составили настоящий акт о том. что результаты кандидатской диссертационной работы на тему: «Разработка методов обеспечения помехоустойчивости космических ннфокоммуникаций на основе кодирования в системе остаточных классов», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, использованы в процессе производственной деятельности в Обществе с ограниченной ответственностью Научно-технический центр «АРИАЛ» виде объектов внедрения:

1. Технических прехтожений по выполнению конструктивных схем структурно-алгоритмических преобразований данных телеизмерений, предназначенных для их помехоустойчивой передачи по высокоскоростным инфокоммуникациям в условиях помех.

2. Экспериментальных данных по исследованию повышения показателей достоверности телеметрической информации. передаваемой по высокоскоростным инфокоммуникациям с прерываниями (сбоями).

3. Методик расчета и моделирования процессов помехоустойчивого декодирования данных телеизмерений, представленных в системе остаточных классов.

4. Эскизного проекта повышения скорости передачи телеметрической информации при ограничениях на пропускную способность существующих беспроводных инфокоммуникаций в условиях помех.

5. Математической модели повышения помехоустойчивости передачи информации, обладающей внутренней избыточностью, без введения в кодовые конструкции дополнительных проверочных символов.

6. Экспериментальных данных, подтверждающих достижение требуемых показателей достоверности передачи ТМИ при реализации разработанных структурно-алгоритмических преобразований передаваемых сообщений.

7. Рекомендаций по внедрению методов обеспечения функционирования космических информационных коммуникаций на основе помехоустойчивого кодирования.

По результатам разработок получен Патент № 2789785 «Способ сжатого помехоустойчивого кодирования данных для передачи и хранения информации» (дата регистрации в Гос. реестре РФ 09.02.2023).

Использование указанных результатов позволяет повысить качество проектирования и эффективность существующих и разрабатываемых высокоскоростных космических беспроводных информационных коммуникаций.

Председатель комиссии:

Заместитель генерального директора по науке Д.И. Веселое /

Члены комиссии:

Заместитель генерального директора по производству / С.С. Рулев/

Начальник производственно-технического отдела / С.Л. Чичев/

Начальник научно-исследовательского отдела у.,. - В В. Черников/

УТВЕРЖДАЮ

Начальник НИЦ (г. Королев) ФГСУ

«ЦНИИ ВКС» Минобороны России

«' i i/ , -

•щ^п*** ■/

Д Б. Жиленко

« » 2024 г.

Акт о внедрении результатов, полученных в рамках диссертационного исследования начальника отдела ФКП «НИЦ РКП» Ширяева Алексея

Александровича

«Разработка методов обеспечения помехоустойчивости космических инфокоммуникаций на основе кодирования в системе остаточных классов»

Мы. нижеподписавшиеся. Начальник НИЦ (г. Королёв) ФГБУ «ЦНИИ ВКС» Минобороны России к.т.н., доцент Жиленко Д.Б.; начальник 34 научно-исследовательского отдела Радченко В.А. заместитель начальника 34 научно-исследовательского отдела Глускин В.А. составили настоящий акт о внедрении результатов научных исследований, полученных Ширяевым A.A., в научно-исследовательскую работу «Комплексные исследования военно-научного сопровождения работ по ЗГТ. ПД ИТР. РЭЗ. ЭМС и защите информации от НСД в интересах обеспечения космических войск в период до 2028 года» («Совместимость-3421»).

В ходе выполнения НИР «Совместимость-3421» одним из направлений исследований является повышение помехоустойчивости космических радиолиний космических систем. Здесь используются следующие научно-практические результаты, имеющие научную новизну и полученные Ширяевым A.A. в рамках диссертационного исследования:

№ п.п. Научно-практический результат Характеристики использования

1. Методика, обеспечивающая комплексный технический эффект по повышению скорости и объема передачи информации с одновременным повышением достоверности ее приема с обеспечением защиты от различных помех, НСД и ИТВ Используется в качестве нового подхода по передаче информации в условиях воздействия потенциального противника.

Алгоритмы формирования безызбыточных внутренних структур передаваемых цифровых сигналов обеспечивающие возможность реализации декодирования получаемых данных и сообщений с обнаружением и исправлением ошибок передачи высокоскоростной информации.

И.о. директора Института инженерных и цифровых технологий, д.т.н., профессор

И.о. заведующего кафедрой информационно -телекоммуникационных систем и технологий, к.т.н., доцент

Профессор кафедры информационно -телекоммуникационных систем и технологий, д.т.н., профессор

¿лЪл*/-

Ш.

Польщиков К.А.

Олейник И.И.

Жиляков Е.Г.

ПРИЛОЖЕНИЕ В «ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ»