Научно-методический аппарат построения мобильных адаптивных комплексов радиомониторинга функционирования сложных радиосистем

Настоящее время характеризуется широким внедрением в различных отраслях народного хозяйства информационных технологий как совокупности методов, математических моделей технологических процессов, и программно-технических средств, обеспечивающих сбор, обработку, хранение, распространение и отображение информации с целью повышения эффективности процесса использования информационного ресурса [1,2,7,31].

Владение информацией необходимого качества является залогом успешного выполнения поставленных перед информационными системами (ИС) задач. В этих условиях потери от нарушения целостности или конфиденциальности информации могут носить поистине катастрофический характер. В связи с этим, вопросам защиты информации и обеспечения информационной безопасности ИС уделяется особое внимание [10,17,20].

Указом Президента РФ от 9 сентября 2000 года утверждена «Доктрина информационной безопасности Российской Федерации». В Доктрине особо подчеркивается необходимость первоочередного решения задачи обеспечения технологической независимости Российской Федерации в важнейших областях информатизации, телекоммуникации и связи, определяющих ее информационную безопасность, и в первую очередь в области создания специализированной вычислительной техники. Обращается внимание на необходимость разработки современных методов и средств защиты информации, обеспечения безопасности информационных технологий.

В настоящее время большое внимание уделяется развитию мобильных компонент ИС — радиоэлектронных средств (РЭС), радиосистем (РС) и радиоустройств (РУ) различного функционального назначения, входящих в состав пространственно-распределенных ИС. Обладая целым рядом безусловных положительных качеств, обеспечивая высокую мобильность элементов ИС, РС и РУ имеют существенный недостаток — их излучения могут быть перехвачены средствами технических систем негласного съема информации (ТС НСИ) [38,42,53,54].

На основе обработки и анализа перехваченных радиосигналов злоумышленниками может быть получена ценная информация о параметрах и режимах работы отдельных РУ, о структуре конфигурации РС в целом, о местоположении и характере объектов, на которых они установлены. В последующем эта информация может быть использована приорганизации и проведении злоумышленниками мероприятий, направленных на нарушение целостности функционирования как отдельных РУ, так и РС в целом, мероприятий по негласному съему информации.

Следующим не менее важным, фактором является недетерминированность помеховой обстановкив зоне работы РС и РУ, источником которой могут быть как промышленные объекты, нелицензионные радиопередатчики,. так и источники преднамеренных помех [58- 63, 88,108].

В этих условиях важной задачей, является поддержание заданного уровня защищенности РС. Следует отметить, что обеспечить эффективное функционирование РС в этих условиях возможно лишь на основе радиотехнического контроля за функционированием РС иоперативного управления всеми имеющимися-ресурсами РС. С этой точки зрения для РС защищенность следует рассматривать, как способность противостоять обнаружению радиосигналов РУ и измерению их* параметров (параметрическая защищенность) и способность РС противостоять вскрытию ее структуры и состава конфигурации (функциональная защищенность). Таким образом, одной из основных задач в процессе обеспечения защищенности РС является задача контроля за функционированием РС и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного уровня параметрической и функциональной защищенности.

Для решения задач защиты от ТС НСИ и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС), в РС необходимо управлять одновременно несколькими параметрами передачи: мощностью передаваемого сигналарабочей частотойскоростью передачи информациивидом и параметрами модуляцииспособом кодирования. Одновременно с параметрами передачи должны изменяться соответственно частота настройки приемника радиотехнического контроля (РТК) и способы обработки принимаемых сигналов. В целом влияние каждого из указанных параметров* на качество функционирования РС противоречиво. Так, например, увеличение мощности передаваемого сигнала может повысить помехоустойчивость системы, но одновременно уменьшает ее защищенность. Изменение способа помехоустойчивого кодирования или уменьшение скорости передачи цифровой информации, в свою очередь, повышает помехоустойчивость, но снижает оперативность. Из этого следует, что применение того или иного способа адаптации должно осуществляться с учетом конкретных требований к радиосистеме в процессе ее применения по назначению, что обусловливает возникновение проблемы интеллектуализации процессов радиотехнического контроля (РТК) и управления защищенностью РУ и РС на основе автоматизации получения и использования новых знаний о РУ и РС и условиях их функционирования.

Как и насколько надо уменьшить неопределенность перед тем, как приступить к действиям по управлению защищенностью радиосредств, какие действия можно считать рациональными при наличии неопределенности — это противоречие должно решаться с помощью адаптивных комплексов радиомониторинга (АКРМ) РУ и РС. Под радиомониторингом (РМ) понимается непрерывный РТК за работой РУ и РС, оценка их состояния и идентификация характеристик защищенности радиосредств, управление состоянием РУ и РС с целью достижения заданного уровня защищенности.

Анализ современных комплексов и систем радиомониторинга РС и РУ показал, что их основное назначение заключается в решении классической задачи пространственно-временной обработки радиосигналов. Главной задачей существующих комплексов радиомониторинга является лишь контроль за работой РС и РУ, определение основных информационных параметров излучений. Такие комплексы, не решают задач защиты РС и РУ от ТС НСИ, а только обеспечивают решение задач оценки ЭМС.

Основным средством формирования информационного ресурса АКРМ, в состав котороговходят база данных и база проблемно-ориентированных знаний, является геоинформационная система (ГИС).

Исследование современного состояниявопроса применения информационных технологий в процессе РМ выявило разнородность используемого специального математического обеспечения, низкую оперативность подготовки исходных данных для расчетов, и слабую визуализацию выходной информации. Эти недостатки могут быть устранены за счет создания единой информационной среды АКРМ с использованием геоинформационной технологии, обеспечивающей высокий уровень визуализации информации и снижение трудозатрат при подготовке исходных данных для расчетов.

Основное отличие геоинформационных систем- (ГИС) от их многочисленных аналогов1 (системы дистанционного зондирования и геопозиционирования, обработки изображений и т. п.) — это наличие мощного аппарата пространственного анализа, позволяющего не просто отслеживать и оценивать связи РС, РУ и их состояния, но и формировать запросы, включающие как обычные арифметические и логические, так и топологические составляющие. Имеется в виду наличие в ГИС возможностей определения расстояний, площадей, зон, направлений, принадлежности к заданной территории и т. д. База данных ГЙС содержит оперативную информацию о РС и решаемой в текущий момент задачи с учетом особенностей радиоэлектронной обстановки в районе функционирования радиосистемы [15,17,32,74].

Актуальность работы определяется необходимостью разработки новых организационно-технических решений, позволяющих обеспечить проведение радиотехнического контроля за функционированием РС и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного уровня параметрической и функциональной защищенности РС.

Исходя из этого, в качестве объекта исследования выбран адаптивный комплекс радиомониторинга радиоэлектронных средств, а предметом исследования является научно-методический аппарат построения адаптивных комплексов радиомониторинга используемых для управления защищённостью радиосистем с применением геоинформационных технологий.

Цель диссертационной работы — повышение функционально-параметрической защищенности РС в условиях возрастания возможностей технических систем негласного съёма информации.

Научная задача состоит в разработке принципов построения и алгоритмов функционирования мобильных адаптивных комплексов радиомониторинга на основе применения геоинформационных технологий.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель функционирования мобильных адаптивных комплексов радиомониторинга сложных радиосистем, состоящих из радиоустройств различного функционального назначения.

2. Методика адаптивного управления функционально-параметрической защищенностью сложных радиосистем на основе радиомониторинга их функционирования.

3. Методические рекомендации по структуре и алгоритмам функционирования мобильных адаптивных комплексов радиомониторинга с применением геоинформационных технологий.

Научная новизна результатов заключается в том, что впервые: разработаны. математические модели функционирования адаптивного комплекса радиомониторинга, процесса радиотехнического контроля и процесса управления режимами работы РУ различных классов на основе принципов динамической адаптацииметодика управления защищённостью радиосистемы учитывает уровни параметрической и функциональной защищенности радиоустройств и позволяет управлять, ими на основе радиомониторинга и реконфигурации структуры радиосистемыразработаны рекомендации по построению мобильных АКРМ с применением геоинформационных технологий.

Научная значимость результатов состоит в разработке научно-методического аппарата, позволяющего обосновать принимаемые решения по управлению уровнем параметрической и функциональной защищенности РС с использованием адаптивного комплекса радиомониторинга с применением геоинформационных технологий.

Практическая значимость научных результатов заключается в разработкеспособов управления уровнем параметрической и функциональной защищенности РС, при реализации которых вероятности параметрической и функциональной защищённости могут быть повышены на 30% и 40% соответственно, а оперативность реагирования на изменения радиоэлектронной обстановки-в 2 раза.

Полученные в работе теоретические результаты, положены в основу решения задачи синтеза алгоритмов1 и устройств, реализующих основную целевую функцию АКРМ в составе ГИС.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов системного анализа и адаптивного управления с использованием теории управляемых случайных процессов и новых информационных технологий получения знаний об объектах управления.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований использовались в виде математических моделей и алгоритмических средств при разработке автоматизированных систем управления в МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов Московской области), в учебном процессе кафедры автоматизированных систем управления Серпуховского ВИ РВ (г. Серпухов Московской области), в ОАО Концерн «Созвездие» (г.Воронеж).

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях межведомственного, межрегионального и Всероссийского уровней (г. Серпухов, г. Протвино, г Москва).

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 17 работ, 11 статей в научно-технических сборниках и трудах конференций, 3 статьи опубликованы в журнале, входящем в перечень журналов ВАК, подготовлёны материалы в 3 отчета о НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения, списка литературы, насчитывающего 124 наименования. Работа изложена на 153 страницах, содержит 16 рисунков и 13 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведенных автором исследований были сформулированы основные выводы:

1. Анализ современных комплексов и систем радиомониторинга за функционированием РУ и РС показал, что их основное назначение заключается в решении классической задачи пространственно-временной обработки радиосигналов. Главной задачей существующих комплексов радиомониторинга является лишь контроль за работой РЭС, определение основных информационных параметров излучений. Такие комплексы не решают задачи защиты РЭС и радиосистем от ТС НСИ.

2. Основной задачей в процессе обеспечения защищенности РС с использованием адаптивных подсистем радиомониторинга, представляющих собой объединенную информационным процессом совокупность контролируемой и управляемой РС и автоматизированной* системы управления защищенностью, является задача радиотехнического контроля за функционированием РС и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного уровня параметрической и функциональной защищенности. С учетом сложности РС как объекта контроля и управления, стохастичности процесса передачи управляющих сообщений и условий функционирования РУ в основу процесса управления защищенностью РС может быть положена аппроксимация, основанная на итеративных принципах нахождения рационального решения в зависимости от характера конфликтной ситуации в районе функционирования РС.

3. В процессе радиотехнического контроля за функционированием РС последовательно должны решаться следующие задачи: радионаблюдение за контролируемым процессом, характеризующим работу РУ на излучениеоценка состояния РУ и измерение их параметров сигналовидентификация характеристик параметрической защищенности РУ. В процессе радиомониторинга, кроме того, должна решаться задача управления состоянием РУ и РС по результатам радиотехнического контроля с целью достижения заданного уровня защищенности.

4. В качестве количественного показателя, характеризующего возможность осуществлять радиотехнический контроль за функционированием РУ в составе РС по наблюдению за радиосигналами РУ на некотором временном интервале может быть использован коэффициент контролируемости ук, показывающий степень различия распределений случайной величины г (г), характеризующей информационный процесс при условии, что заданы два условных распределения этой случайной величины — одно при наличии контролируемого сигнала в условиях помех, а другое — при отсутствии сигнала и наличии только помех. Расчеты показывают, что при заданном значении вероятности ложной тревоги Р{г | 0) вероятность правильного обнаружения Р (г сигнала контролируемого РУ резко возрастает с увеличением значения коэффициента ук в пределах от 0,5 до 1,5.

5. При решении задачи идентификации характеристик параметрической защищенности контролируемых РУ одной из центральных задач является разработка вычислительного алгоритма, позволяющего на основе математического описания контролируемых и эталонных РУ оценить степень их сходства и на этой основе получить количественные значения этого сходства. С использованием изложенного подхода, основанного на сравнении математических описаний контролируемого МРУк и эталонного МРУэ радиоустройств представлен алгоритм идентификации характеристик параметрической защищенности РУ, существо которого составляет эвристический принцип вычисления приоритетов соответствия на основе аналогий. В качестве таких аналогий использованы функции расстояний Махаланобиса и Хэмминга как оценки сходства, характеризующие близость математических описаний контролируемого и эталонного радиоустройств по системе ансамблей информационных параметров сигналов, и как показали расчеты, при изменении значений функции расстояния Махаланобиса в пределах от 4 до 2 вероятность параметрической защищенности изменяется в пределах от 0,3 до 0,9, а при изменении значений функции расстояния^ Хэм-минга в пределах от 6 до 3 — соответственно от 0,6 до 0,99:

6. По результатам радиотехнического контроля состояний РУ может быть принято решение на корректировку информационных параметров радиоустройств, а путем воздействия на изменяющиеся во времени информационные параметры будет осуществляться управление каждым РУ и всей РС в целом с целью обеспечения необходимого врег мени пребывания системы в состоянии, удовлетворяющем заданным требованиям по параметрической защищенности.

7. На основе результатов оценки и прогнозирования вероятности функциональной защищенности РС разработан алгоритм управления уровнем функциональной защищенности путем формирования множества управляющих воздействий на РУ с целью реализациипрограммы придания составу РС необходимых свойств, связанных с режимами работы РУ на излучение, а также с целью реконфигурации исходной РС с образованием новой регулярной структуры за счет изменения типа и числа РУ различных классов, структуры и типа связей между РУ в радиосистеме.

8. На основе анализа основных путей повышения защищенности РС в процессе ее* применения по назначению обоснованы принципы построения и алгоритмы функционирования АКРМ, представлены структурная схема комплекса, построенного по модульному принципу и структурная схема приемника-процессора радиотехнического контроля. Алгоритмы функционирования АКРМ отражают основные этапы в его работе в процессе присвоения РУ условного номера и управления параметрической и функциональной защищенностью РС и позволяют обосновать режимы контроля и управления состоянием радиосистемы.

9. Использование адаптивных комплексов радиомониторинга радиосистем в процессе противодействия техническим средствам негласного съема информации позволяет управлять параметрической и функциональной защищенностью РС, в результате чего вероятность параметрической защищенности может быть повышена с 0,4 до 0,95, а вероятность функциональной защищенности с 0,3 до 0,9.

10. Разработанные технические решения по построению мобильного адаптивного комплекса радиомониторинга с использованием в качестве управляющего модуля АКРМ переносной ПЭВМИ и использование специального программного обеспечения на базе ГИС технологии позволяет повысить в 2−3 раза оперативность и обоснованность принимаемых решений по управлению защищенностью РС и РУ.