Обоснование исходных данных параметрических алгоритмов классификации опасных метеоявлений

   Метеорологическая обстановка является одним из решающих факторов, определяющих безопасность и регулярность полетов гражданской авиации. Опасные метеорологические явления (ОМЯ), связанные с кучево-дождевой облачностью, такие как ливень, гроза, град, в сочетании с сопровождающей их высокой турбулентностью атмосферы нередко приводят к авиационным событиям и даже авиакатастрофам воздушных судов (ВС). В настоящее время разработан и успешно эксплуатируется отечественный метеорологический радиолокационный комплекс ближней аэродромной зоны (МРЛК БАЗ) «Монокль». Критерии классификации метеоявлений, используемые в МРЛК БАЗ, разработаны для каждого явления отдельно и носят некоторый эвристический характер. Данные критерии громоздки и затрудняют процесс автоматизации классификации ОМЯ. В этом случае возникает естественное желание обобщить критерии и оптимизировать их в соответствии с теорией различения статистических гипотез. В данной статье рассматривается применение Байесовского подхода к классификации ОМЯ. Статистическая теория принятия решений, разработанная Байесом, основана на выборе решения в рамках теории вероятностей, когда известны все представляющие интерес вероятностные величины, так называемые достаточные статистики. С целью получения статистических описаний вероятностных распределений отражаемости и удельной скорости диссипации турбулентной энергии был проведен анализ радиолокационных сигналов, отраженных от таких метеоявлений, как ливень, гроза, град. В статье приведены краткие описания методики проведения экспериментальных исследований для формирования базы статистических данных и ее анализа. На основании приведенных методик был проведен статистический анализ параметра H(EDRmax) для ливня, а также амплитудного распределения параметров отражаемости и удельной скорости диссипации турбулентной энергии (Zmax, EDRmax) для гроз и града, который показал невысокую различительную способность каждого отдельного параметра при решении задачи классификации метеоявлений в пределах заданного алфавита. Очевидный выход из создавшейся ситуации диктует теория распознавания. Для повышения достоверности классификации необходимо совместное использование информационных параметров, например, в виде многомерных плотностей распределения вероятностей случайных параметров. В статье приведено параметрическое описание признаков классификации метеорологических явлений «ливень – гроза – град». Анализ оценки вероятностных характеристик классификации ОМЯ для принятых эмпирических критериев классификации в МРЛК БАЗ показывает, что принятые критерии далеки от оптимальности с точки зрения вероятностей правильной классификации, особенно в случае с ливнем. Очевидно, что решение задачи заданной достоверности классификации связано с оптимизацией признакового пространства и критериев классификации. Далее, на основании полученных данных, необходимо построить алгоритм классификации опасных метеоявлений «ливень – гроза – град».

1. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения / Пер. с англ. В.М. Востренкова, В.С. Новикова, М.Н. Хайкина, под ред. А.А. Черникова. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 512 с.

2. Распутиков А.С. Расследование авиационных происшествий и инцидентов, связанных с влиянием метеоусловий и недостатков в метеообеспечении полетов. М.: Воздушный транспорт, 1990. 140 с.

3. Богаткин О.Г. Основы авиационной метеорологии : учебник. СПб.: РГГМУ, 2009. 339 c.

4. Vasiliev O. The design and operation features of the near-airfield zone weather radar complex “Monocle” / O. Vasiliev, E. Bolelov, K. Galaeva, N. Gevak, S. Zyabkin, E. Kolesnikov, A. Peshko, I. Sinitsyn // 2021 XVIII Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky (TSCZh), 2021. Pp. 64–72. DOI: 10.1109/TSCZh53346.2021.9628352

5. Галаева К.И. Анализ результатов испытаний и сертификации метеорологического радиолокационного комплекса ближней аэродромной зоны // Научный Вестник МГТУ ГА. 2020. Т. 23, № 1. С. 28–40. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-1-28-40

6. Васильев О.В. Критерии принятия решений для классификации метеоявлений в метеорологическом радиолокационном комплексе ближней аэродромной зоны / О.В. Васильев, С.С. Коротков, К.И. Галаева, Э.С. Бояренко // Научный Вестник МГТУ ГА. 2023. Т. 26, № 2. С. 49–60. DOI: 10.26467/2079-0619-2023-26-2-49-60

7. Басов И.А., Дмитриева О.А., Дорофеев Е.В. и др. Методические указания по производству метеорологических радиолокационных наблюдений на ДМРЛ-С на сети Росгидромета в целях штормооповещения и метеообеспечения авиации. СПб.: ФГБУ «ГГО им. А.И. Воейкова», 2013. 137 с.

8. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен / Пер. с англ. Г.Г. Вайнштейна и А.М. Васьковского, под ред. В.Л. Стефанюка. М.: Мир, 1976. 511 с.

9. Горелик A.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания : учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1989. 232 с.

10. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Советское радио, 1977. 432 с.

11. Фомин Я.А., Тарловский Г.Р. Статистическая теория распознавания образов. М.: Радио и связь, 1986. 264 с.

12. Дегтярев А.С., Драбенко В.А., Драбенко В.А. Статистические методы обработки метеорологической информации : учебник. СПб.: Андреевский издательский дом, 2015. 225 с.

13. Хандожко Л.А. Экономическая метеорология : учебник. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 490 с.

14. Тихонов В.И., Бакаев Ю.Н. Статистическая теория радиотехнических устройств : монография. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1978. 420 с.

15. Бекряев В.И. Основы теории эксперимента : учеб. пособие. СПб.: РГГМУ, 2001. 266 с.

16. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 573 с.

17. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. М.: Финансы и статистика, 1983. 471 c.

18. Яновский Ф.И. Метеорологическое обеспечение авиации // Энциклопедия безопасности авиации / Под ред. Н.С. Кулика. Киев: Техника, 2008. 1000 с.

19. Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. и др. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова. М.: Советское радио, 1976. 496 с.