В рамках МНТК проходит награждение за лучшие научно-технические доклады. Диплом I степени получил студент МЭИ Алексей Семичастнов за доклад на тему «Разработка навигационной модели наземного базирования в среде моделирования Engee». Научный руководитель – доцент НИУ МЭИ, к.т.н. Дмитрий Балакин. Доклад прозвучал на сессии «Радиотехника и электроника» – «Теоретические основы радиотехники».

В последнее время интерес к наземным радионавигационным системам (РНС) значительно вырос. Это обусловлено тем, что в самых критических ситуациях региональные и мобильные наземные системы военного назначения более эффективны и менее уязвимы к помеховым воздействия, чем спутниковые системы. Также оператор глобальной спутниковой системы GPS может заведомо ухудшить сигнал над любыми районами поверхности Земли, что существенно снижает сферу её применения. Задача определения собственного местоположение объектов активно решается в навигации судов и кораблей, а также при повышении помехозащищенности приемо-передающего тракта.

Концепция цифрового двойника (также далее – ЦД) становится все более актуальной не только для частных разработок, но и для всей системной инженерии в целом. В рамках этого проекта инженеры взяли в разработку тему создания цифрового двойника наземной РНС. В качестве методологии разработки выбран подход модельно-ориентированного проектирования (МОП). Работы проводились в российской математической среде моделирования Engee.

В соответствии с принципами МОП в ходе проекта РНС была разбита на базовые компонентные блоки. Такой подход проектирования позволяет без нарушения всей структуры модели отдельно дорабатывать каждый из компонентов, а также добавлять новые для приближения к цифровому двойнику.

В последнее время интерес к наземным радионавигационным системам (РНС) значительно вырос. Это обусловлено тем, что в самых критических ситуациях региональные и мобильные наземные системы военного назначения более эффективны и менее уязвимы к помеховым воздействия, чем спутниковые системы. Также оператор глобальной спутниковой системы GPS может заведомо ухудшить сигнал над любыми районами поверхности Земли, что существенно снижает сферу её применения. Задача определения собственного местоположение объектов активно решается в навигации судов и кораблей, а также при повышении помехозащищенности приемо-передающего тракта.

Концепция цифрового двойника (также далее – ЦД) становится все более актуальной не только для частных разработок, но и для всей системной инженерии в целом. В рамках этого проекта инженеры взяли в разработку тему создания цифрового двойника наземной РНС. В качестве методологии разработки выбран подход модельно-ориентированного проектирования (МОП). Работы проводились в российской математической среде моделирования Engee.

В соответствии с принципами МОП в ходе проекта РНС была разбита на базовые компонентные блоки. Такой подход проектирования позволяет без нарушения всей структуры модели отдельно дорабатывать каждый из компонентов, а также добавлять новые для приближения к цифровому двойнику.

При реализации проекта стояли следующие задачи: разработка системной модели, реализация цифровых алгоритмов обработки сигналов, верификация модели на сценарий движения объекта.

Последовательность этапов разработки была следующей:

• выбор физического прототипа (ФП),
• сбор данных по ФП,
• создание виртуальной модели,
• тестирование модели,
• генерация машинного кода,
• разработка цифрового двойника
• итерационное улучшение модели.

Работа началась с построения структурной схемы системной модели наземной навигации.

После этого А. Семичастнов загрузил высокоточную карту местности, смоделировал алгоритмы расчета расположения станций с учетом геометрического фактора и вывел модель приемо-передающего тракта (он состоит из передатчика, канала и приёмника).

Затем была создана модель канала распространения сигнала, в которой учитываются следующие параметры: переотражение от земной поверхности, затухание сигнала при распространении и аддитивный гауссовский шум.

Модель канала позволяет учесть многолучевое распространение, которое возникает за счет интерференции волн, прошедших разный путь в точку приема. После этого была сформирована модель приёмника.

И в итоге А. Семичастнов вывел алгоритм решения навигационной задачи.

Каждый из блоков реализован с помощью Engee. Среда позволяет производить математические расчеты, программировать сложные технические системы, имитировать разнообразные физические процессы. Благодаря встроенным высокоуровневым библиотекам Engee может моделировать системы различной природы: непрерывные и дискретные, линейные и нелинейные, каузальные и акаузальные. В соответствии с принципами МОП каждый из блоков виртуального прототипа можно дополнить и уточнить для повышения качества моделирования. Так, например, в блок загрузки карты местности можно добавить более точные карты, а также внести условия города с картой высот зданий, что позволит более детально имитировать многолучевые отражения.

Также в рамках проекта построены базовые узлы наземной радионавигационной системы и приведены основные результаты моделирования и обработки выходных сигналов.

В ходе выполнения проекта была реализована базовая модель наземной навигации в среде Engee. Эта модель будет усложняться и расширяться, например, посредством:

• увеличения количества базовых станций;
• применения более помехоустойчивого алгоритма кодирования;
• использования более точных алгоритмов определения координат и расчета расположения базовых станций.

Дмитрий Балакин: «Концепция цифрового двойника – одно из ключевых направлений при разработке сложных технических систем. Однако на сегодняшний день существует очень мало подходов, позволяющих получить цифровой двойник. Пожалуй, одна из лучших методик – это МОП, с помощью которого можно эффективно и быстро достигнуть цели. Практическая значимость этой РНС заключается в том, что виртуальный прототип реализован по принципам МОП в единой среде моделирования Engee. Модель можно усовершенствовать под желаемый результат как по точности измерений, так и по эффективности расчета. Проект показал, что инструменты МОП могут стать основным элементом системного проектирования цифрового двойника. Концепция цифрового двойника позволяет не только прогнозировать изменения в ФП с течением времени, но может оценить различные версии РНС для обеспечения наибольшей отдачи от вложенных средств».

Алексей Семичастнов: «Очень рад, что представленный доклад был высоко оценен на столь представительном конкурсе, позволив получить диплом I степени. Выражаю искренние слова благодарности научному руководителю и наставнику – Дмитрию Александровичу Балакину, он всегда готов проконсультировать по любому интересующему вопросу. Хочу отметить, что использование среды Engee помогло существенно ускорить и упростить разработку модели навигации, поскольку все необходимые функциональные блоки для реализации приемо-передающего тракта (модулятор, формирующий фильтры, канал распространения и т.д.) есть в библиотеке "Системы связи". Применение концепции МОП дало возможность уделить больше внимания научному исследованию поведения модели и минимизировать время реализации проекта».

На основе доклада будет опубликована статья в одном из научно-технических журналов.

Справка: среди организаторов МНТК Министерство науки и высшего образования РФ, НИУ «МЭИ», Ассоциация международных отделов высших учебных заведений, Российско-Киргизский консорциум технических университетов, АО «Системный Оператор Единой Энергетической Системы» и др.

Участники мероприятия знакомятся с современными проблемами радиоэлектроники, электротехники и энергетики, с новейшими направлениями научно-технического прогресса и получают возможность пообщаться с будущими коллегами-инженерами.

Конференция аккредитована в программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (УМНИК). Тезисы докладов конференции публикуются в электронном виде с присвоением ISBN и регистрацией издания в Книжной палате и размещаются в системе РИНЦ.