автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Эксплуатационные возможности морских автоматизированных информационно-идентификационных систем, включающих спутниковые подсистемы высокоточного местоопределения

Общая характеристика работы.

Глава 1. Эксплуатационные возможности АИИС в Азово-Черноморском бассейне (состояние проблемы).

1.1. Совмещённые спутниковые навигационные системы высокоточного местоопределения в АИИС.

1.2. Внутренние и внешние факторы дестабилизации функционирования АИИС.

1.3. Математические модели ослабления поля вдоль трассы РРВ.

Глава 2. Зоны высокоточного местоопределения в АИИС Азово-Черноморского региона.

2.1. Эксплуатационные возможности высокоточного местоопределения над однородной по глубине почвой.

2.2. Замирания сигналов диффпоправок АИИС вдоль трассы РРВ.

2.3. Проблемы радиосвязи на Азовском море в зимнее время.

Глава 3. Анализ эксплуатационных возможностей диффподсистемы АИИС Азово-Черноморского бассейна в условиях электромагнитных помех.

3.1. Источники помех.

3.2. Внутрисистемная электромагнитная совместимость АИИС.

3.3. Анализ и обеспечение межсистемной электромагнитной совместимости диффподсистемы АИИС.

Глава 4. Точностные параметры и характеристики дифференциальных навигационных подсистем АИИС.

4.1. Источники погрешностей навигационных систем высокоточного местоопределения в АИИС.

4.2. Особенности отбора и анализ навигационных данных.

4.3. Статистические оценки параметров местоопределения.;.

Глава 5. Меры повышения эксплуатационных возможностей АИИС.

5.1. Технические меры расширения зон обслуживания и контроля.

5.2. Технические меры обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств АИИС.

5.3. Организационные меры повышения эксплуатационных возможностей АИИС.

Актуальность темы. В настоящее время Россия активно участвует во многих международных проектах, повышающих безопасность жизнедеятельности на море. Начиная с 70-х годов 20-го века, активно ведётся работа по применению средств высокоточной навигации на морском флоте. В 1983 году международная морская организация (ИМО) приняла Резолюцию с повышенными стандартами точности судовождения. Причинами такого решения являются увеличивающееся количество судов, рост их тоннажа, а также тяжёлые экологические последствия аварий на море. Современные электронные системы обеспечения безопасности требуют постоянного контроля за наличием данных о статических и динамических параметрах объекта, поскольку усложняется управление этими судами и требуется повышенная точность определения их местоположения. Современная отечественная навигационная подсистема ДГЛОНАСС, над созданием которой трудились российские учёные B.C. Шебшаевич, М.Ф. Решетнев, М.С Ярлыков, В.Н. Харисов, А.И. Перов, В.А. Болдин, Ю.Г. Зурабов, Ю.А. Соловьёв и многие другие, и подобная ей зарубежная DGPS позволяют обеспечить точность местоопреде-ления в несколько метров. Такая система развёрнута в Азово-Черноморском бассейне и проходит в настоящее время опытную эксплуатацию. В ближайшее время предполагается интегрирование навигационных систем в единую автоматизированную информационно-идентификационную систему (АИИС), предоставляющую заинтересованным сторонам информацию как о местоположении объекта средствами спутниковой высокоточной навигации, так и многих других данных о судне и перевозимом грузе. Составной частью создаваемой АИИС являются дифференциальные подсистемы спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, работающих на частотах около 300 кГц. Первый опыт эксплуатации экспериментальных районов АИИС в Новороссийске показал достаточно высокие точностные параметры место-определения, исчисляемые погрешностью менее метра. В то же время он выявил ряд негативных моментов в работе. Задача интеграции подсистем 4

DGPS/ДГЛОНАСС в АИИС ставит в повестку дня вопрос о более глубоком анализе параметров системы и более полном использовании её потенциальных возможностей. Условия распространения километровых радиоволн в специфических условиях южного климата с жарким сухим летом, неоднородностью трассы распространения радиоволн от радиомаяков до станций удалённого контроля, частыми туманами и грозовой активностью в течение всего года, образованием 2-слойной подстилающей поверхности на акватории Азовского моря в зимнее время приводят к существенным изменениям напряжённости электромагнитного поля в зоне действия АИИС. Характерно, что основная часть трассы распространения радиоволн с длиной 1 км приходится на зону полутени. Хорошо развиты методы расчёта напряжённости электромагнитного поля в освещенной зоне и в зоне тени (Ван-дер-Поль, Фейнберг E.JL, Калинин А.И. и др.). Сложнее с расчётом поля в области полутени.

Ограниченные решения задачи дифракции средних и длинных волн вокруг земли, пригодные для практического использования, были получены в начале прошлого века английским математиком Ватсоном и позже развитые Б.А. Введенским. Однако ряды, используемые в расчётах, обеспечивали быструю сходимость лишь в области тени, превращаясь в одночленную формулу. В середине прошлого века советский учёный В.А. Фок, развивая теорию Ми, сумел на основе функций Эйри получить выражение для оценки ослабления радиоволн в любой зоне и для любой подстилающей поверхности земли, которое получило название дифракционной формулы Фока. Последующие его работы вместе с М.А. Леонтовичем позволили упростить вывод рабочих формул, а эксперименты подтвердили их справедливость в освещенной зоне и зоне тени. В зоне полутени остаётся много вопросов, касающихся условий применимости дифракционной формулы Фока. Исследованию актуальных вопросов распространения радиоволн диапазона 300 кГц диффподси-стем АИИС, включая зону полутени, в специфических условиях Азово

Черноморского бассейна, определяющих эксплуатационные возможности системы, посвящена настоящая работа.

Объект исследования. Объектом исследования является радиоэлектронная система обеспечения морской безопасности, включающая радиосети глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ) и системы диффпоправок к спутниковым навигационным системам GPS/ГЛОНАСС.

Предмет исследования. Параметры распространения радиоволн в зонах обслуживания и удалённого контроля, внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости, статистической оценки погрешностей ме-стоопределения в экспериментальной АИИС Азово-Черноморского бассейна.

Цель исследования. Определение эксплуатационных возможностей обеспечения качественного функционирования дифференциальных подсистем DGPS/ДГЛОНАСС, уточнение условий интеграции их с системой обеспечения безопасности НАВТЕКС, обработка и статистическая оценка базы данных местоопределения, предложение мер по расширению зон обслуживания и удалённого контроля радиомаяков DGPS/ДГЛОНАСС Азово-Черноморского бассейна. Для достижения поставленной цели:

- проведён многофункциональный анализ навигационных дифференциальных подсистем DGPS/ДГЛОНАСС в АИИС;

- уточнена математическая модель распространения радиоволн;

- определены характерные параметры математической модели распространения радиоволн для Азово-Черноморского бассейна;

- выявлены существенные особенности трассы распространения радиоволн в Азово-Черноморском бассейне;

- установлены внутриструктурные дестабилизирующие факторы в сети АИИС и определены меры борьбы с ними;

- проведён анализ и определены условия обеспечения межсистемной электромагнитной совместимости между DGPS/ДГЛОНАСС и НАВТЕКС;

- исследованы причины ухудшения распространения радиоволн в выбранном частотном диапазоне передачи диффпоправок, характерные для Азо-во-Черноморского региона, и предложены меры ослабления их влияния. Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты.

1. Предложено уточнение математической модели распространения радиоволн в зоне полутени дифференциальных подсистем местоопределе-ния АИИС для различных видов подстилающей поверхности Азово-Черноморского бассейна.

2. На основе уточнённой модели распространения радиоволн дифференциальных подсистем местоопределения АИИС в зоне полутени определены поправки к рекомендуемым методикам ITU-R, Rec. 368-7 расчёта напряжённости электромагнитного поля радиомаяков Азово-Черноморского бассейна в любое время года.

3. Предложен модельный анализ и на его основе решена задача внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости дифференциальных подсистем DGPS/ДГЛОНАСС АИИС в ближней зоне излучения мешающих источников.

4. Разработаны критерии статистического и электродинамического отбора навигационных данных DGPS для анализа и получен закон распределения случайных координат местоположения АИИС-транспондера при работе от опорной станции на радиоцентре "Темрюк".

5. Предложены меры по расширению зон обслуживания и удалённого контроля диффподсистем АИИС Азово-Черноморского бассейна.

Научная достоверность и обоснованность результатов, полученных в настоящей работе, основана на том, что все теоретические исследования и практические реализации базируются на известных аналитических средствах современной науки в следующих областях: математики, физики, электродинамики и распространении радиоволн, электромагнитной совместимости.

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при создании и опытной эксплуатации дифференциальной подсистемы GPS/ГЛОНАСС в Азово-Черноморском бассейне. Они могут быть использованы в процессе отладки сети АИИС и интеграции её с другими системами в регионе.

Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении федеральной программы по развитию средств навигационно-информационного обеспечения судоходства в морских районах А1 и А2 Азово-Черноморского бассейна, выполняемых морской администрацией порта Новороссийск.

На защиту выносятся следующие научные положения диссертации.

1. Математическая модель распространения радиоволн дифференциальных подсистем местоопределения АИИС в зоне полутени для различных видов подстилающей поверхности с конкретными расчётами распространения радиоволн в Азово-Черноморском бассейне.

2. Поправки к методикам ITU-R, Rec. 368-7 определения напряжённости электромагнитного поля радиомаяков Азово-Черноморского бассейна в любое время года.

3. Уточнённая модель решения задачи внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости дифференциальных подсистем DGPS/ДГЛОНАСС АИИС в ближней зоне излучения мешающих источников.

4. Критерии статистического и электродинамического отбора навигационных данных DGPS для анализа точности диффподсистем и закон распределения случайных координат местоположения.

5. Меры расширения зон обслуживания и удалённого контроля диффподсистем АИИС Азово-Черноморского бассейна.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в центральной печати, апробированы на научно-технических конференциях отраслевого (МАПН и НГМА), регионального и международного статуса по проблемам создания ГМССБ и АИИС южного региона. Они изложены в 1 книге и 8 докладах и статьях. Научный вклад соискателя в разработку защищаемых положений диссертации определяющий.

Заключение и общие выводы

Диссертационная работа явилась итогом активного участия автора в научно-исследовательской работе на кафедре "Радиосвязи на морском флоте" Новороссийской государственной морской академии при решении задач в области радиотехнических систем обеспечения безопасности мореплавания по Федеральной программе развития Южного региона России. Основные направления работы: разработка концепции создания сети ГМССБ на Азово-Черноморском побережье морских районов А1 и А2, использование высокоточной навигации в задачах контроля и управления морских объектов, проблемы совместного функционирования радиотехнических средств систем безопасности в условиях ограниченного пространственно-временного ресурса, повышение безопасности жизнедеятельности на акваториях юга России с внедрением АИИС.

В диссертации решены следующие научные и практические задачи:

- предложена уточнённая модель распространения радиоволн дифференциальных подсистем АИИС в зоне полутени для различных видов подстилающей поверхности Азово-Черноморского бассейна;

- определены поправки к рекомендуемым методикам расчёта электромагнитного поля радиомаяков Азово-Черноморского бассейна в любое время года;

- выявлены характерные особенности трассы распространения радиоволн дифффподсистем АИИС в Азово-Черноморском бассейне;

- определены внутриструктурные дестабилизирующие факторы в АИИС;

- проведён анализ поля источников помех в ближней зоне излучения;

- проведён модельный анализ и решена задача внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости диффподсистем АИИС;

- разработаны критерии статистического и электродинамического отбора навигационных данных для их анализа;

- получен закон распределения случайных координат местоопределения АИИС-транспондера;

- предложены технические и организационные меры по расширению зон обслуживания и удалённого контроля диффподсистем АИИС Азово-Черноморского бассейна.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы.

1. Интегрированная система безопасности мореплавания, находящаяся в стадии опытной эксплуатации, обеспечивает высокие параметры местоопределения с субметровой точностью.

2. Основная часть времени эксплуатации системы осуществляется в режиме высокоточного местоопределения с коррекцией вычисляемых координат по дифференциальным поправкам.

3. Сбои в работе навигационной диффподсистемы АИИС с переходом в режим пониженной точности обусловлены зависимостью от метеофакторов, времени года и суток.

4. Система чувствительна к электромагнитным помехам, близким по спектральным параметрам.

5. Имеются основания для проработки вопроса о сравнительной, оценке средневолнового и ультракоротковолнового диапазонов передачи диф-фпоправок с точки зрения максимальной реализации эксплуатационных возможностей высокоточного местоопределения в АИИС и принятии, в случае необходимости, соответствующих организационных решений.

1. Международный кодекс по управлению безопасностью.2. Резолюция ИМОА.529( 13).3. Резолюция ИМО А.815 (19).

2. Российский радионавигационный план. НТЦ «Интернавигация». Версия 1. Москва. 1994.

3. Российский радионавигационный план. НТЦ «Интернавигация». Версия 2. Москва. 1997.

4. Демьянов В.В., Попов В.В. Научное осмысление опыта создания информационной сети ГМССБ на Юге России. Ростов-на-Дону Новороссийск. 1999, 640 с.

5. Морская радиосвязь и радионавигация. Под ред. Ацерова Ю.С. и Семёнова К.С. М. Транспорт. 1987, 288 с.

6. Решетнев М.Ф. Развитие спутниковых радионавигационных систем. Инф. бюллетень НТЦ "Интернавигация", 1992.

7. Шебшаевич B.C. Развитие теоретических основ спутниковой радионавигации ленинградской радиокосмической школой. Радионавигация и время. РИРВ, 1992, №1.

8. Ю.Богданович В.А., Сорочинский В.А., Якщевич Е.В. Спутниковые системы морской навигации. Москва. Транспорт, 1987, 200 с.

9. Глобальная спутниковая радионавигационная система. Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Петрова, В.А. Болдина. Изд. 2. М. ИПРЖР, 1999, 560 с.

10. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. М. ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000, 268 с.

11. Постановление Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г.

12. Гусев Ю., Лебедев М. Перспективы развития спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и её интеграция с зарубежными навигационными средствами. Труды Международной конференции "Глобальная радионавигация". М. 1995.

13. Долматов Б.М., Попов В.В. Научные аспекты создания автоматизированных информационно-идентификационных систем безопасности мореплавания в портах южного бассейна России. М. РосКонсульт. 2001, 495 с.

14. Аппаратура контрольно-корректирующей станции дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS. Паспорт. ТДЦК.461513.030 ПС.

15. Аппаратура контрольно-корректирующей станции дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS. Руководство по эксплуатации. ТДЦК.461513.030 РЭ.

16. Черняев Р.Н., Зурабов Ю.Г. Особенности внедрения и применения автоматической информационной системы. Морской транспорт. Серия «Судовождение, связь и безопасность мореплавания». Экспресс-информация. Выпуск 9(376). Москва. Мортехинформреклама, 38 с.

17. Попов В.В. Автоматизированная информационная система морских администраций портов Юга России. Транспорт. М. 1999, 210 с.

18. Резолюция ИМО MSC. 74(69).

19. Юсупов Л.Н., Герман-Шахлы Ю.Г., Демьянов В.В. Система радиолокационного контроля маневрирующего судна на подходах и в зоне безопасности ВПУ. Депонированная рукопись. ВИНИТИ, 2001. 20 с.

20. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М. Связь. 1972, 336 с.

21. Юсупов Л.Н. Электродинамические особенности передачи диффпоправок систем GPS-ГЛОНАСС в зоне ответственности МАПН. Сборник научных трудов НГМА, вып.5, Новороссийск, 2000, 7 с.

22. Лицкевич А.П., Юсупов Л.Н. Вопросы «внутренней» и «внешней» электромагнитной совместимости радиотехнических средств РЦУС МАПН. Научно-техническая конференция НГМА. Апрель 1997, 9 с.

23. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля. Госэнергоиздат. М. 1960, 431.

24. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М. Наука. 1978, 543 с.

25. Кашпровский В.Е., Кузубов Ф.А. Распространение средних радиоволн земным лучом. М. Связь. 1971, 220 с.

26. Фейнберг E.JI. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. Изд. АН СССР. 1961, 536 с.

27. Фок В.А. Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности. М. Изд. АН СССР. 1946, 80 с.

28. Фок В.А. Поле от вертикального и горизонтального диполя, приподнятого над поверхностью земли. ЖЭТФ. 1949, т. 19, № 10, с. 916.

29. Фок В.А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн. М. Советское радио. 1970, 517 с.

30. J. Wait. Electromagnetic waves in stratified media. London. 1962.

31. Черенкова E.JI., Чернышев O.B. Распространение радиоволн. M. Радио и связь. 1984, 272 с.

32. Дьяконов В. Matlab.Учебный курс. С.-Петербург. Изд. "Питер". 2001, 553 с.3 5. Trimble DSM 12™/212™. Operation Manual, 137с.

33. Радиомаяк "Янтарь-2М-200". Руководство по эксплуатации. Р205-000-000 РЭ.

34. Радиомаяк "Янтарь-2М-200". Формуляр. Р205-000 ФО.

35. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М. Энергия. 1966, 648 с.

36. International Telecommunication Union. ITU-R Recommendations. 1994 PN Series Volume. Propagation in non-ionized Media, 210 c.

37. Чёрный Ф.Б. Распространение радиоволн. M. Советское радио. 1972, 463 с.41 .Грудинская Т.П. Распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1975, 280 с.

38. Распределение по земному шару атмосферных помех и их характеристики. МККР. Отчёт 322. М.: Связь, 1975.

39. Петровский В.И., Седельников Ю.Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1986, 216 с.

40. Кондратьев С.И., Юсупов JI.H., Кондратьев А.И. Современные подходы к обеспечению безопасности мореплавания. Ростов н/Д Новороссийск. Российская Академия транспорта. НГМА. 2002, 351 с.

41. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. Под ред. Царькова Н.М. М, Радио и связь. 1985.

42. Электромагнитная совместимость и непреднамеренные помехи. Пер с англ. под ред. Сапгира И.П. М. Советское радио, т.1. 1975.

43. Виноградов Е.М., Винокуров В.И., Харченко И.П. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Л.Судостроение 1986, 263 с.

44. Якушенков А.А., Денисов К.Н., Кондрашихин В.Т., Ющенко А.П. Автоматизация судовождения. М. Транспорт. 1967, 364 с.

45. Юсупов Л.Н., Демьянов В.В., Карпачёв Е.В. Особенности отбора навигационных данных для анализа. Научно-техническая конференция НГМА, сентябрь 2002, 9 с.

46. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М. Высшая школа. 1977, 479 с.

47. Современные технологии судовождения на базе систем электронной картографии и спутниковой навигации. Материалы регионального научно-практического семинара. Владивосток, 2001, 7 с.

48. Юсупов J1.H. Демьянов В.В. Статистические оценки навигационных данных DGPS. Научно-техническая конференция НГМА. Сент. 2002, 17 с.

49. Корн Г. Корн Е. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, 831 с.

50. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. JL: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение. 1985, 110 с.

51. Дьяконов В. MathCAD 2001.Учебный курс. С.-Петербург. Изд. "Питер". 2001, 621 с.

52. Дорохов А.П. Расчёт и конструирование антенно-фидерных устройств. Харьков. Издательство Харьковского Госуниверситета. 1960, 450 с.

53. Пистолькорс А.А. Антенны. М. Связьиздат. 1947.

54. Юсупов JI.H. Плёсов B.C. Демьянов В.В. Адаптивная судовая антенна. Материалы научно-технической конференции "Российскому флоту 300 лет". НГМА, Новороссийск, 1996, 5 с.

55. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терёшин О.Н. Антенны УКВ. Часть 2. М. Связь. 1977, 288 с.

56. Лыткина И.И. Климатические особенности Новороссийской боры. М. Гидрометиздат. 1984.

57. Чернякова А.П. Северо-восточные штормы на Чёрном и Азовском морях при перемещении циклонов с Малой Азии на юго-восток Чёрного моря. Труды Укр.НИГМИ, №12, 1958.