Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 3(23). C. 131-139. ISSN 2079-6641

Содержание

DOI: 10.18454/2079-6641-2018-23-3-131-139

УДК 551.594+551.506

АЛГОРИТМЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НАПРЯЖЕННОСТИ ПРИЗЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЛЬТРА КАЛМАНА

И. Х. Машуков¹, В. А. Шаповалов¹, А. А. Аджиева²

¹Высокогорный геофизический институт, 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, 2
²Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова, 360030, Россия, г. Нальчик, ул.Тарчокова 1«а»

E-mail: idar84@rambler.ru

С помощью измерителя электрического поля атмосферы EFM550 фирмы Vaisala проведены многолетние исследования (2010-2017 гг.) хода напряженности электрического поля атмосферы в районе города Нальчика. В статье рассмотрено применение цифровой обработки для улучшения качества данных, полученных с помощью сети датчиков, работающих в составе аппаратно-программного комплекса в центре мониторинга геофизической обстановки над южным регионом Российской Федерации при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт». Исследуются возможности применения калмановской фильтрации для уточнения данных приборных измерений напряженности электрического поля атмосферы. Приводится сравнительный анализ полученных данных хода напряженности электрического поля до и после фильтрации.

Ключевые слова: электрическое поле атмосферы, данные измерений, регистратор напряженности поля, цифровая обработка, алгоритмы улучшения данных, фильтр Калмана, напряженность приземного поля.

© Машуков И. Х. и др., 2018

MSC 60G35

ALGORITHMS OF DIGITAL PROCESSING OF AN EARTH NEAR-SURFACE ELECTRIC FIELD INTENSITY USING A KALMAN FILTER

I. Kh. Mashukov¹, V. A. Shapovalov¹, A. A. Adzhieva²

¹High-Mountain Geophysical Institute, 360030, Nalchik, Lenina av., 2, Russia
²Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after. V.M. Kokova, 360030, Russia, Nalchik, Tarchokova str. 1 «a».

E-mail: idar84@rambler.ru

With the help of the Vaisala EFM550 electric field meter, long-term studies (2010-2017) of the course of the electric field strength in the area of the city of Nalchik were carried out. The article considers the use of digital processing to improve the quality of data obtained with a network of sensors operating in the hardware and software complex in the monitoring center of the geophysical situation over the southern region of the Russian Federation at the FSBI «High-Mountain Geophysical Institute». The possibilities of applying Kalman filtering to refine the data of instrumental measurements of the electric field strength of the atmosphere are investigated. A comparative analysis of the obtained data on the course of the electric field strength before and after filtration is given.

Key words: electric field of the atmosphere, measurement data, electrical field intensity sensor, digital signal processing, improved data algorithms, Kalman filter, intensity of the surface field.

© Mashukov I. Kh., et al, 2018

Список литературы

  1. Анисимов С. В., “Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт”, Сборник трудов VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству, ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова», 2012, 18–21. [Anisimov S. V., “Dinamika ehlektrichestva nevozmushchennoj atmosfery srednih shirot”, Sbornik trudov VII Vserossijskaya konferenciya po atmosfernomu ehlektrichestvu, FGBU «Glavnaya geofizicheskaya observatoriya im. A.I. Voejkova», 2012, 18–21].
  2. Hale L. C., Croskey C. L., Mitchell J. D., “Measurements of middle atmosphere electric fields and associated electrical conductivities”, Geophysical Research Letters, 8:8 (1981), 927-930.
  3. Красногорская Н. В., Ремизов В. П., “Вариации электрического поля атмосферы Земли”, Физико-математические и биологические проблемы действия электромагнитных полей и ионизация воздуха. Т. 1, Наука, М., 1975, 49–56. [Krasnogorskaya N. V., Remizov V. P., “Variacii ehlektricheskogo polya atmosfery Zemli”, Fiziko-matematicheskie i biologicheskie problemy dejstviya ehlektromagnitnyh polej i ionizaciya vozduha. V. 1, Nauka, M., 1975, 49–56].
  4. Мареев Е. А., Стасенко В. Н., “Российские исследования в области атмосферного электричества в 2003-2007 гг.”, Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана, 45:5 (2009), 709–720. [Mareev E. A., Stasenko V. N., “Rossijskie issledovaniya v oblasti atmosfernogo ehlektrichestva v 2003-2007 gg.”, Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana, 45:5 (2009), 709–720].
  5. Мареев Е. А., “Достижения и перспективы исследований глобальной электрической цепи”, Успехи физических наук, 180:5 (2010), 527–534. [Mareev E. A., “Dostizheniya i perspektivy issledovanij global’noj ehlektricheskoj cepi”, Uspekhi fizicheskih nauk, 180:5 (2010), 527–534].
  6. Редин А. А., Новикова О. В., Куповых Г. В., “Комплекс атмосферно-электрических наблюдений как элемент экологического мониторинга”, Известия ЮФУ. Технические науки, 2009, №10, 222-228. [Redin A. A., Novikova O. V., Kupovyh G. V., “Kompleks atmosferno-ehlektricheskih nablyudenij kak ehlement ehkologicheskogo monitoringa”, Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki, 2009, №10, 222-228].
  7. Kelley M. C. et al., “Electrical measurements in the atmosphere and the ionosphere over an active thunderstorm: 1. Campaign overview and initial ionospheric results”, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 90:A10 (1985), 9815-9823.
  8. Wan H. et al., “Influence factor analysis of atmospheric electric field monitoring near ground under different weather conditions”, Journal of Physics: Conference Series, 1913, 012029.
  9. Аджиев А. Х., Тапасханов В. О., Стасенко В. Н., “Система грозопеленгации на Северном Кавказе”, Метеорология и гидрология, 2013, №1, 5–11. [Adzhiev A. H., Tapaskhanov V. O., Stasenko V. N., “Sistema grozopelengacii na Severnom Kavkaze”, Meteorologiya i gidrologiya, 2013, №1, 5–11].
  10. Аджиев А. Х., Стасенко В. Н., Шаповалов А. В., Шаповалов В. А., “Напряженность электрического поля атмосферы и грозовые явления на Северном Кавказе”, Метеорология и гидрология, 2016, №3, 46–54. [Adzhiev A. H., Stasenko V. N., SHapovalov A. V., SHapovalov V. A., “Napryazhennost’ ehlektricheskogo polya atmosfery i grozovye yavleniya na Severnom Kavkaze”, Meteorologiya i gidrologiya, 2016, №3, 46–54].
  11. Измеритель электрического поля EFM550. Руководство пользователя
    http://www.vaisala.com, 2004 ((дата обращения 02.12.2017)).
  12. Аджиева А. А., Машуков И. Х., Шаповалов В. А., “Исследование напряженности приземного электрического поля атмосферы в районе города Нальчика с учетом грозовой активности”, Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата, Сборник трудов II международной научной конференции с элементами научной школы, 2015, 62–66. [Adzhieva A. A., Mashukov I. H., SHapovalov V. A., “Issledovanie napryazhennosti prizemnogo ehlektricheskogo polya atmosfery v rajone goroda Nal’chika s uchetom grozovoj aktivnosti”, Innovacionnye metody i sredstva issledovanij v oblasti fiziki atmosfery, gidrometeorologii, ehkologii i izmeneniya klimata, Sbornik trudov II mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii s ehlementami nauchnoj shkoly, 2015, 62–66].
  13. Аджиева А. А., Машуков И. Х., Шаповалов В. А., “Использование фильтра Калмана в обработке данных хода напряженности электрического поля атмосферы”, Инженерный вестник Дона, 45:2 (2017), 87–96. [Adzhieva A. A., Mashukov I. H., SHapovalov V. A.,
    “Ispol’zovanie fil’tra Kalmana v obrabotke dannyh hoda napryazhennosti ehlektricheskogo polya atmosfery”, Inzhenernyj vestnik Dona, 45:2 (2017), 87–96].
  14. Каршов Р. С., “Применение фильтра Калмана в системе стабилизации БПЛА вертолетного типа”, Проблемы современной науки и образования, 51:9 (2016), 23–25. [Karshov R. S., “Primenenie fil’tra Kalmana v sisteme stabilizacii BPLA vertoletnogo tipa”, Problemy sovremennoj nauki i obrazovaniya, 51:9 (2016), 23–25].
  15. Шахтарин Б. И., Фильтры Винера и Калмана, Гелиос АРВ, М., 2008, 408 с. [SHahtarin B. I., Fil’try Vinera i Kalmana, Gelios ARV, M., 2008, 408 pp.]
  16. Дегтярёв A. A., Тайль Ш., Элементы теории адаптивного расширенного фильтра Калмана, Препринт №26, ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2003, 35 с. [Degtyaryov A. A., Tajl’ SH., EHlementy teorii adaptivnogo rasshirennogo fil’tra Kalmana, Preprint №26, IPM im. M.V. Keldysha RAN, 2003, 35 pp.]
  17. Kownacki C., “Optimization approach to adapt Kalman filters for the realtime application of accelerometer and gyroscope signals’ filtering”, Digit. Signal Process, 21:1 (2011), 131–140.
  18. Lesniak, A., Danek T., Wojdyla M., “Application of Kalman filter to noise reduction in multichannel data”, Schedae Informaticae, 17:18 (2009), 63–73.
  19. Simon, D., Chia T. L., “Kalman filtering with state equality constraints”, IEEE Trans. Aero. Elec. Sys, 38:1 (2002), 128–136.
  20. Namvaran M., Negarestani A., “Noise Reduction in Radon Monitoring Data Using Kalman Filter and Application of Results in Earthquake Precursory Process Research”, Acta Geophys., 63:2 (2015), 329–351.
  21. Maryak J. L., Spall J. C., Heydon B. D., “Use of the Kalman Filter for Inference in State-Space Models With Unknown Noise Distributions”, IEEE Trans. Automat. Contr, 1:49 (2004), 87–90.
  22. Greg Welch, Gary Bishop, An Introduction to the Kalman Filter, Department of Computer Science, University of North Carolina at Chapel Hill. April 5, 2004. UNC-Chapel Hill, TR 95-041, 2004, 16 pp.
  23. Kalman R. E., “A new approach to linear filtering and prediction problems”, Transactions of the ASME–Journal of Basic Engineering, 1960, №82 (Series D), 35–45.
  24. Степанов О. А., “Фильтр Калмана: история и современность”, Гироскопия и навигация, 69:2 (2010), 107–121. [Stepanov O. A., “Fil’tr Kalmana: istoriya i sovremennost’”, Giroskopiya i navigaciya, 69:2 (2010), 107–121].

Список литературы (ГОСТ)

  1. Анисимов С. В. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт // Сборник трудов VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству: ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова», 2012. C. 18–21.
  2. Hale L. C., Croskey C. L., Mitchell J. D. Measurements of middle atmosphere electric fields and associated electrical conductivities // Geophysical Research Letters. 1981. vol. 8. no. 8. pp. 927-930.
  3. Красногорская Н. В., Ремизов В. П. Вариации электрического поля атмосферы Земли. Физико-математические и биологические проблемы действия электромагнитных полей и ионизация воздуха. Т. 1. М.: Наука, 1975. С. 49–56.
  4. Мареев Е. А., Стасенко В. Н. Российские исследования в области атмосферного электричества в 2003-2007 гг. // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2009. T. 45. №5. С. 709–720.
  5. Мареев Е. А. Достижения и перспективы исследований глобальной электрической цепи // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 5. С. 527–534.
  6. Редин А. А., Новикова О. В., Куповых Г. В. Комплекс атмосферно-электрических наблюдений как элемент экологического мониторинга // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. №10. С. 222-228.
  7. Kelley M. C. et al. Electrical measurements in the atmosphere and the ionosphere over an active thunderstorm: 1. Campaign overview and initial ionospheric results // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 1985. vol. 90. A10. pp. 9815-9823.
  8. Wan H. et al.Influence factor analysis of atmospheric electric field monitoring near ground under different weather conditions // Journal of Physics: Conference Series. 1913. 012029.
  9. Аджиев А. Х., Тапасханов В. О., Стасенко В. Н. Система грозопеленгации на Северном Кавказе // Метеорология и гидрология. 2013. №1. С. 5–11.
  10. Аджиев А. Х., Стасенко В. Н., Шаповалов А. В., Шаповалов В. А. Напряженность электрического поля атмосферы и грозовые явления на Северном Кавказе // Метеорология и гидрология. 2016. № 3. С. 46–54.
  11. Измеритель электрического поля EFM550. Руководство пользователя. 2004. http://www.vaisala.com(дата обращения 02.12.2017)
  12. Аджиева А. А., Машуков И. Х., Шаповалов В. А. Исследование напряженности приземного электрического поля атмосферы в районе города Нальчика с учетом грозовой активности // Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата: Сборник трудов II международной научной конференции с элементами научной школы. 2015. C. 62–66.
  13. Аджиева А. А., Машуков И. Х., Шаповалов В. А. Использование фильтра Калмана в обработке данных хода напряженности электрического поля атмосферы // Инженерный вестник Дона. 2017. Т. 45. №2. С. 87–96.
  14. Каршов Р. С. Применение фильтра Калмана в системе стабилизации БПЛА вертолетного типа // Проблемы современной науки и образования. 2016. Т. 51. № 9. С. 23–25.
  15. Шахтарин Б. И. Фильтры Винера и Калмана. М.: Гелиос АРВ, 2008. 408 c.
  16. Дегтярёв A. A., Тайль Ш. Элементы теории адаптивного расширенного фильтра Калмана. Препринт №26. ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2003. 35 с.
  17. Kownacki C. Optimization approach to adapt Kalman filters for the realtime application of accelerometer and gyroscope signals’ filtering // Digit. Signal Process. 2011. vol. 21. no. 1. pp. 131-–140.
  18. Lesniak, A., Danek T., Wojdyla M. Application of Kalman filter to noise reduction in multichannel data // Schedae Informaticae. 2009. vol. 17. no. 18. pp. 63–73.
  19. Simon, D., Chia T. L. Kalman filtering with state equality constraints // IEEE Trans. Aero. Elec. Sys. 2002. vol. 38. no. 1. pp. 128–136.
  20. Namvaran M., Negarestani A. Noise Reduction in Radon Monitoring Data Using Kalman Filter and Application of Results in Earthquake Precursory Process Research // Acta Geophys. 2015. vol. 63. no. 2. pp. 329–351.
  21. Maryak J. L., Spall J. C., Heydon B. D. Use of the Kalman Filter for Inference in State-Space Models With Unknown Noise Distributions // IEEE Trans. Automat. Contr. 2004. vol. 1. no. 49. pp. 87–90.
  22. Greg Welch, Gary Bishop. An Introduction to the Kalman Filter. Department of Computer Science, University of North Carolina at Chapel Hill. April 5, 2004. UNC-Chapel Hill, TR 95-041. 2004. 16 p.
  23. Kalman R. E. A new approach to linear filtering and prediction problems // Transactions of the ASME–Journal of Basic Engineering. 1960. vol. 82 (Series D). pp. 35–45.
  24. Степанов О. А. Фильтр Калмана: история и современность // Гироскопия и навигация. 2010. Т. 69. №. 2. C. 107–121.

Для цитирования: Машуков И. Х., Шаповалов В. А., Аджиевва А. А. Алгоритмы обработки данных напряженности электрического поля с использованием фильтра Калмана // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 3(23). C. 131-139. DOI: 10.18454/2079-6641-2018-23-3-131-139.
For citation: Mashukov I. Kh., Shapovalov V. A., Adzhieva A. A. Algorithms of electric field strength data processing using Kalman filter, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2018, 23:3, 131-139. DOI: 10.18454/2079-6641-2018-23-3-131-139.

Поступила в редакцию / Original article submitted: 08.06.2018


  МашуMashukovков Идар Хазраталиевич – научный сотрудник лаборатории математического моделирования отдела физики облаков, Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик, Россия.
  Mashukov Idar Khazrataliyevich – Researcher of the Laboratory of Mathematical Modeling of the Department of Cloud Physics, High-Geophysical Institute, Nalchik, Russia.

1

1

1

1


Shapovalov  Шаповалов Виталий Александрович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования отдела физики облаков, Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик, Россия.
   Shapovalov Vitaly Alexandrovich – Ph.D.(Phys.& Math.), Senior Researcher of the Lab. of Mathematical Modeling of the Department of Cloud Physics, High-Geophysical Institute, Nalchik, Russia.

1

1

1


Adzhieva  Аджиева Аида Анатольевна – доктор физико-математических наук, профессор кафедры высшей математики, Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова, г. Нальчик, Россия.
   Adzhieva Aida Anatolyevna – Dr. Sci. (Phys. & Math.), Professor of the Department of Higher Mathematics, Kabardino-Balkarian State Agrarian University. V.M. Kokova, Nalchik, Russia.

1

1

1

1

1


Скачать статью Машукова И.Х, Шаповалова В.А., Аджиевой А.А.