автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Электромагнитная защищенность речных автоматизированных идентификационных систем на основе применения сложных дискретных частотно манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией

ІІа правах рукописи

ВОЛКОВА Тамара Александровна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИЩЕННОСТЬ РЕЧНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СЛОЖНЫХ ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТОТНО МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ

МОДУЛЯЦИЕЙ

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013

Санкт-Петербург 2013

005538403

005538403

Работа выполнена на кафедре технических средств судовождения и связи государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Сикарев Игорь Александрович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор кафедры электротехники и автоматики государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова Медведев Вадим Владимирович.

Кандидат технических наук, профессор кафедры информационной безопасности, компьютерных систем Санкт-Петербургского политехнического университета Платонов Владимир Владимирович.

Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологический университет.

Защита состоится "28" ноября 2013 г. в и со часов на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 на базе государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 198503, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова.

Автореферат разослан " октября 2013 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Увеличение интенсивности судоходства на внутренних водных путях (ВВП), ставит задачи повышения безопасности плавания. Среди перевозимых грузов значительное место занимают нефть и нефтепродукты, химические удобрения и другие опасные грузы. В основном такие грузы перевозятся судами «река-море» плавания, подпадающих под требования международных конвенций, правил и требований по обеспечению безопасного судоходства. Суда, как правило, оснащены современным навигационным оборудованием и средствами связи, соответствующие международным требованиям и позволяющим работать минимальным составом экипажей. При этом подразумевается, что и береговая инфраструктура управления судоходством соответствует международным требованиям и обеспечивает международные стандарты безопасности.

На деле, в силу экономических причин, существует значительная диспропорция между уровнем оснащения флота и береговых служб, отвечающих за управление движением и обеспечением безопасности судоходства. Этот технологический разрыв имеет тенденцию к увеличению. Также в связи с намерением Правительства Российской Федерации открыть внутренние водные пути России для иностранных судов, для чего требуется поднять на качественно более высокий уровень систему управления движением флота, обеспечить международные стандарты безопасности судоходства. Существующая на сегодняшний день система не в полной мере отвечает таким стандартам с точки зрения технической оснащенности и технологий управления.

Содержание водных путей и управление движением флота Северо-Западного региона России обеспечивается государственным учреждением «Волго-Балтийское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства» (ГБУ «Волго-Балт») через свои региональные филиалы.

Данная работа призвана сформулировать модель для расчета зон действия береговых базовых станций АИС в условиях комплексного воздействия аддитивных и мультипликативных помех.

Цель работы:

Новое решение актуальной научной задачи повышения безопасности судоходства и эффективности мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях на основе внедрения сложных сигналов в автоматизированные идентификационные системы, являющихся одним из перспективных способов передачи информации в иерархической триаде «КРИС-РИС-АСУ ДС».

Достоверность результатов и методы исследования:

Достоверность результатов обеспечивается строгой постановкой задач и применяемыми корректными математическими методами, сравнением полученных результатов с аналитическими и численными исследованиями других авторов. В работе используются методы теории управления, теории

случайных процессов и статистических решений, теории математического моделирования, экспертных оценок, статистической теории связи и методов моделирования на ЭВМ технологических процессов.

Научная новизна:

1. Создание современного метода построения каналов передачи данных для подсистем наблюдения и контроля в речных АСУ ДС в условиях комплексного воздействия аддитивных и мультипликативных помех.

2. Решение новой актуальной научной задачи мониторинга, повышения безопасности судоходства и эффективности управления транспортным процессом на ВВП единой глубоководной системы Европейской части России на основе использования перспективных инфокоммуникациоиных технологий — автоматизированных идентификационных систем.

3. Разработка математического и алгоритмического обеспечения оптимизации электромагнитной защищенности адаптивных функционально-устойчивых АИС на внутренних водных путях, отличающееся учетом стохастических свойств цифровых каналов радиосвязи.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Изучен и систематизирован современный зарубежный и отечественный опыт созданий автоматизированных идентификационных систем как одной из составляющих иерархической триады «КРИС-РИС-АСУ ДС». Проанализированы особенности информационного обеспечения инфокоммуникациоиных каналов речных АИС.

2. Предложена стохастическая модель цифровых инфокоммуникациоиных каналов речных АИС и количественные показатели для учета комплексного воздействия шумов, взаимных помех и замирания сигналов.

3. Получены алгоритмы для расчета коэффициента взаимного различия и полей поражения простых и сложных последовательно-параллельных дискретных частотно-манипулированных цифровых сигналов с "линейной частотной модуляцией и манипулирующими кодами Баркера и Лежандра.

4. Предложена методика и проведен расчет электромагнитной защищенности речных АИС при использовании узкополосных гауссовских ЧТ и сложных дискретных частотно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией с небольшой базой.

Практическая ценность: Создана методика выполнения аналитически расчетов, разработаны рекомендации и конструктивный инструментарий по оптимизации электромагнитной защищенности зон действия базовых станций АИС для Европейской части Единой Глубоководной системы.

Реализация научных результатов:

Отдельные положения диссертационной работы реализованы в программах повышения безопасности и мониторинга на водном транспорте в Государственном университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, в ООО МИП «ИНФОКОМ», ООО НПФ «Маринерус».

Апробация работы:

Основные положения и ожидаемые результаты докладывались на Санкт-Петербургской юбилейной ХШ международной конференции «Региональная информатика» 24-26 октября 2012 года.

Публикации:

По тематике диссертации опубликовано 9 научных статей, из них 7 научных статей в изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК».

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка, используемых сокращений, списка опубликованных источников, содержащий 101 наименование, 5 приложений, включает в себя 124 страницы текста, 44 рисунка, 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, описывается ее структура, и формулируются основные задачи исследования.

В первом разделе проведен анализ основных принципов инфокоммуникационного функционирования информационной иерархической триады, состоящей из из следующих элементов (структур) - «Речные информационные службы» (РИС) и «Системы управления движением судов» (СУДС), или «Автоматизированные системы управления движением судов» (АСУ ДС). Указанные системы могут рассматриваться либо как варианты реализации в целом, либо как подсистемы класса «Корпоративные речные информационные системы» (КРИС).

В настоящее время практически все значительные порты мира, основные судоходные пути в международных проливах и вдоль побережий охвачены районами действия АСУ ДС. Типовая структура АСУ ДС может быть рассмотрена в двух аспектах: организационном и информационно-техническом.

На практике установлено, что для эффективной работы АСУ ДС необходима подсистема, которая сможет объединить различные «источники информации», представив полную картину об обстановке в зоне действия АСУ ДС в реальном времени. Такой подсистемой могут служить автоматизированные идентификационные системы (АИС). Функциональные характеристики АИС подразумевают несколько режимов работы: работа в "автономном и непрерывном" режиме во всех районах; работа в "задаваемом" режиме в районе ответственности компетентного органа, отвечающего за контроль движения; режим "запроса" или управляемый режим, в котором передача данных происходит в ответ на запрос другого судна или компетентного органа. В составе АИС выделяются судовой и береговой сегменты оборудования. Универсальная АИС, согласно определению ИМО - это судовая вещательная транспондерная система, работающая в УКВ-диапазоне морской подвижной службы. Базовая станция АИС предназначена для получения и обработки данных от судов в режиме автосопровождения и контроля за их движением в

обслуживаемой зоне и формирования потоков информации, исходящих от центра регулирования движения судов (ЦРДС) и береговых служб.

Радиус действия базовых станций АИС определяется рельефом местности, дальностью распространения радиоволн УКВ диапазона с учетом высоты установки антенны. Общий принцип построения систем управления движением судов, когда обеспечивается перекрытие зон действия радиосигнала от каждой БС и все БС объединяются в сеть, позволяя обеспечить максимальное покрытие акваторий рабочими зонами. Кроме того, зоны базовых станций должны иметь взаимное гарантированное перекрытие, определяемое спецификой и требованиями безопасности судоходства на ВВП в данном регионе.

Второй раздел посвящен построению стохастической математической модели цифровых информационных каналов речных АИС.

Используемые на внутренних водных путях АИС представляют собой специальные системы УКВ связи, которые имеют каноническую структурную схему, представленную на рис.1. Где ИС и ПС — источник и получатель сообщения, соответственно; КД и ДК — соответственно, кодер передатчика базовой станции и декодер судового транспондера; М и ДМ — соответственно, модулятор передатчика БС и демодулятор приемоиндикатора; СР - среда распространения; ИП — источник помех.

Как видно из представленной на рис.1 схемы, на сигналы при прохождении линии связи (среды распространения) воздействуют источники помех. В результате сигнал под воздействием аддитивных и мультипликативных помех претерпевает искажения и уже на входе судового транспондера представляет собой результат взаимодействия сигнала и совокупности помех.

Рис.1

Все помехи в канале связи можно разделить на два класса: мультипликативные и аддитивные.

Для описания сосредоточенных по спектру помех будем использовать квазидетерминированные случайные процессы:

УА*) = гА*>®т)^ф,Т] (і)

где 2пк — детерминированные функции времени, характеризующие

форму сосредоточенных помех.

За последние 15—20 лет сформировался, наиболее общий подход к решению задачи оптимизации, использующий стохастические модели информационных каналов, учитывающие вероятностную природу трех основных групп фактов, влияющих на верность передачи сообщений: распространение УКВ радиоволн с учетом параметров приемопередающих трактов аппаратуры; изменение заграждающего рельефа между береговой (базовой) станцией и судовым приемником (приемоиндикатором); процесс перемещения судового приемника (приемоиндикатора) относительно береговой (базовой) станции.

С учетом выбранной модели при решении задач анализа и синтеза структуры сигналов, оптимальной в условиях воздействия взаимных помех, используется количественная оценка структурного различия сигналов и помех, представляемая коэффициентом взаимного различия. А также понятия частотно-временной матрицы и поля поражения сигнала.

Коэффициентом взаимного различия (КВР) структур полезных сигналов и взаимных помех в частотно-временной области называется нормированная величина, пропорциональная мощности процесса на выходе фильтра или

квадратурной схемы, согласованной с сигналом 2 (?), при прохождении через

них помехи 2,

п(')>И

определяемая соотношением:

= К0

І і

2 Л

(2)

где 2П — функция, сопряженная с 2П (/) по Гильберту; Кп - постоянная, не

зависящая от структур сигнала и помехи.

КВР измеряет относительную величину перекрытия в частотно-временной области полезного сигнала и взаимной помехи.

Пусть значения определены всюду в области: Л/л| е [Л/^, Л^ ],

АбУга е [Д«Э_,, Дй?, ] . Площадь 8п той части области, в пределах которой для

любых Л/т , А0т имеет место соотношение (Д/№ , Дй)т ) > £о,яоп

называется г -ым частичным полем поражения г -го варианта сигнала. Результирующее поле поражения Г -го варианта сигнала можно представить в виде:

м

(з)

где М — число составляющих (субсигналов).

Исследования, произведенные в этом разделе, позволяют перейти к глубокому количественному анализу цифровых последовательно параллельных сложных сигналов для работы, как в неадаптивных, так и в адаптивных функционально-устойчивых АИС.

В третьем разделе рассматривается подкласс сложных сигналов, весьма конструктивных для синтеза некогерентных адаптивных функционально-устойчивых в условиях комплексного воздействия помех АИС. Обоснован выбор для речных АИС дискретных частотно-манипулированных с линейной частотной модуляцией цифровых сигналов с относительно небольшой базой N = 3 -5- 7. Рассмотрены последовательно-параллельные сложные сигналы разрывной во времени структуры, с манипулирующими кодами Баркера и Лежандра при тех же значениях N .

Проведен расчет, по-видимому, впервые в научно-технической литературе, трехмерных коэффициентов взаимного различия ДЧМн с ЛЧМ цифровых сигналов с прямой и обратной частотно-временной матрицей. Доказано, что в рельефе таких нормированных коэффициентов взаимного различия нет выбросов превышающих 0,12.

Для ДЧМн с ЛЧМ цифровых сигналов найдены и построены структуры полей поражения для различных уровней допускаемых КВР. На основании полученных количественных оценок полей поражения найдены основные эксплуатационные характеристики линий АИС со сложными дискретными частотно-манипулированными с линейной частотной модуляцией сигналами, а именно коэффициент простоя и коэффициент электромагнитной защищенности.

Для сигналов, у которых отсутствуют скачки фазы при переходе от субэлемента к субэлементу:

г = Ё reCt (' _ (* - 0 г0 ) COS {pj + Vrk )

И сосредоточенной по спектру помехи типа:

zn=cos(con(t-At) + i//n)

Имеет место:

£о Г гр!

( «Г

I -i)SinK+))si-

n=l or' v '

or 'тп

-+4rsin(Q^)sin-or' v '

!)K,T0

+

J)

\ar} v ' 2 or1 K '

2\

J)

(4)

(5)

(6)

где

г л (2п~\\тп ,л

=-^ 2 ^ + ^ ^ = ^ -,

=-^ + " ^п + > ®(+) = <*>* + •

Тогда для ДЧМн ЛЧМ сигналов с базой N = 5 и прямой и обратной кодовыми последовательностями с!гк = {1,2,3,4,5} и й^ = {5,4,3,2,1} , КВР

(б) имеет вид, рис.За, и рис.3.б соответственно:

Рис.За Рис.36

Поля поражения ДЧМн ЛЧМ сигналов, заданные для различных уровней

сечения КВР (6) , равных 0,025, 0,05 и 0,1, будут иметь вид, представленный на

рис.4а, рис.4б и рис.4с соответственно.

Рис.4а Рис.46

Рис.4с

Основными эксплуатационными характеристиками инфокоммуникационных каналов принято считать коэффициенты простоя:

тах

и электромагнитной защищенности:

^эмз =1 ~ ^п (8)

В таблице 1а представлены коэффициенты простоя и электромагнитной защищенности для ДЧМн ЛЧМ сигналов при воздействии моногармонической помехи для различных уровней сечения КВР, посчитанные на основание полученных площадей поражения сигнала. В таблице 16 приведены значения коэффициентов простоя и электромагнитной защищенности для последовательно-параллельных сигналов с кодовой последовательностью Баркера.

_ Таблица! а ___________Таблица 1 б

Уровень сечения ^ЭМЗ

0,025 0,345 0,655

0,05 0,12 0,88

0,1 0,02 0,98

Уровень сечения ^ЭМЗ

0,03 0,6575 0,3425

0,1 0,385 0,315

0,3 0,1125 0,8875

На рис.5а и рис 56 представлены графики, отражающие, соответственно, зависимость коэффициентов простоя и электромагнитной защищенности от уровня сечения. Штрихованной линей показаны коэффициенты для последовательно-параллельных сигналов с кодовой последовательностью Баркера, а обычной для ДЧМн ЛЧМ сигналов.

13-А> -

V

Рис.5а Рис.56

Из графиков следует, что для ДЧМн с ЛЧМ сигнала коэффициент простоя приобретает меньшие значения быстрее, то есть уже для уровня сечения равного 0,1 он близок к нулю, тогда как коэффициент простоя для последовательно-параллельного сигнала уменьшается гораздо медленнее, и для уровня сечения, равного 0,3 он все еще не близок к нулю. А коэффициент электромагнитной защищенности для ДЧМн с ЛЧМ сигналов растет быстрее, и для уровня сечения,

равного 0,1, он уже близок к единице, тогда как коэффициент электромагнитной защищенности для последовательно-параллельного сигнала не близок к единице даже для уровня сечения равного 0,3.

В четвертом разделе исследуется электромагнитная защищенность речных АИС при воздействии взаимных помех и создаваемые ими при этом зоны действия базовых станций (БС АИС).

Показано, что максимальная дальность зоны действия БС АИС определяется соотношением:

Лпих=агё[Рош (Яе) = Ртр]

(9)

где

тр

10"

- требуемая вероятность ошибки при приеме цифровой

двоичной единицы сообщения АИС; Рош (./?..) - вероятность ошибки приема в информационном канале АИС двоичной цифровой информации при расстоянии БС—СТ= Яс . При воздействии указанных выше помех решение может принимать следующие формы:

1. Незамирающий сигнал — незамирающая помеха:

Г I- Л

Я

ехр

2 Л

X _ %П&0г

27?

V ХХи

+

+1-Є

4% лбъ

К к

2 8от

— 2Ртр

(10)

где /0 (х) — функция Бесселя первого рода нулевого порядка. Выражение (}(а, Р) является функцией Маркума:

" (л;2 +ог2)

р) = ехр

І0(ах)сіх

00

Энергетические параметры сигнала и помехи % и Х\\ определяются соответственно как:

РАп&щХ1 (/г,2 + ) + %) Р^Л&ъХ* Х 2 Р 2 Р

пргшп прпгш

где Ри и Рип - соответственно, мощности передатчика БС АИС и ИП; Р

прпип

чувствительность приемника судового транспондера АИС; 1г19Ь29ка - высоты

антенн БС, СТ и ИП; С,, С2, Сп - коэффициент полезного действия антенн БС,

СТ и ИП; Т]{,Т]2,Т]и — соответственно, к.п.д. антенно-фидерных трактов БС, СТ

и ИП; — расстояние между ИП и БС. 2. Незамирающий сигнал - помеха, замирающая по релеевскому закону

распределения:

^тах -

х

1п2Р

Г 2 л

Хп&ог

к ,

2 + -

(12)

При построении АИС принципиально важной является задача оптимизации размеров зон действия БС. Поскольку в АИС используются цифровые сообщения, то в качестве анализируемого на экстремум соотношения целесообразно выбрать

Рош(Яс) — эквивалентную вероятность ошибки в приеме кодовой комбинации

АИС-сообщения, как функции от Лс — среднего радиуса зоны действия БС. Тогда

оптимальный радиус зоны действия береговой станции АИС можно определить по формуле:

Для береговой сети АИС АСУ ДС Волго-Балтийского водного пути и действующих станций АИС на Неве, указанных в таблице 2 исследовано явление коллапса.

Таблица 2

Наименование пункта СШ вд Высота АИС

СПб., ул. Большая Морская, 37 3019'20" 30 м.

СПб., пр. Обуховской обороны, 116 59°51'50" 30°28'20" 40 м.

Лен. обл., г. Отрадное, Ленинградское шоссе, 1 59°46'10" 30°47'10" 30 м.

Лен. обл., г. Шлиссельбург, Староладожский канал, 4 км. 59°55'23" 3 Г 04'10" 75 м.

Лен. обл., г. Шлиссельбург, ул. Чекалова, 6 59°56'50" ЗГ02'10" 40 м.

Рис.6

В случае 1 при фиксированных значениях высот существующих БС АИС в зависимости от расстояния от БС до ИП, построены зоны действия БС АИС с центром в точке с координатами С.Ш. и В.Д. На рис. 6 видно, как с уменьшением расстояния до помехи уменьшается зона действия БС АИС. В случае 2 при тех же начальных данных, что и в случае 1, зоны действия базовых станций АИС показаны на рис.7. Видно, что при одних и тех же значениях расстояния от источника помехи до БС АИС зоны действия больше в первом случае, чем во втором.

Рис.7

При анализе электромагнитной защищенности речных адаптивных функционально-устойчивых АИС при условии использования ДЧМн JI4M сигналов установлено, что здесь отсутствует явление коллапса рабочей зоны базовой станции. Однако имеет место некоторое ее сокращение. При использовании простых сигналов дальность действия базовой станции может уменьшиться на 25%. А при использовании дискретных частотно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией это уменьшение не превышает 6%.

В заключении формулируются основные результаты работы, а именно:

1. Выполнен обзор современных основ создания и информационного обеспечения в корпоративных речных информационных системах по иерархическому уровню КРИС-РИС-АСУ ДС. Произведен анализ информационного обеспечения и алгоритмов функционирования автоматизированных идентификационных систем с учетом особенностей организации связи в них и основных технико-эксплуатационных параметров базовых станций и судовых транспондеров. Установлены основные принципы применения технологии АИС для информационного обеспечения АСУ ДС. Разобраны основные принципы и примеры построения сетей базовых станций АИС. Проанализированы на системном уровне понятие зоны действия АИС и особенности построения зон действия базовых станций АИС на глубоководной системе европейской части России.

2. Произведен выбор канонической статистической модели АИС, адекватной реальным инфокоммуникационным каналам, в случае комплексного воздействия различных аддитивных и мультипликативных помех. Проанализирован случай взаимных помех, возникающих между радиосистемами и радиолиниями в результате совпадения спектров частот основных или побочных каналов приема других радиолиний. Для учета комплексного воздействия аддитивных помех типа шумы и взаимные помехи радиосредств и мультипликативных помех приняты современные конструктивные методы качественного и количественного учета их влияния на электромагнитную защищенность АИС на основе коэффициента взаимного различия сигналов и взаимных помех. Последний позволил ввести в работе понятие полей поражения сигнала и в последующем рассчитать коэффициент простоя и коэффициент электромагнитной защищенности инфокоммуникационных каналов в случае применения сложных сигналов.

3. Проведен анализ частотно-временных и корреляционных свойств современных узкополосных сигналов с гауссовской ЧТ, используемых в речных АИС-1 и АИС-2. А также подкласса сложных сигналов, весьма конструктивных для синтеза некогерентных адаптивных функционально-устойчивых в условиях комплексного воздействия помех АИС. Обоснован выбор для речных АИС дискретных частотно-манипулированных с линейной частотной модуляцией цифровых сигналов с относительно небольшой базой N = 3 + 7. Основное внимание уделено случаю с базой N = 5. Проведен расчет трехмерных коэффициентов взаимного различия дискретных частотно-манипулированных с

линейной частотной модуляцией цифровых сигналов с прямой и обратной частотно-временной матрицей. Доказано, что в рельефе таких нормированных коэффициентов взаимного различия нет выбросов превышающих 0,12. Для дискретных частотно-манипулированных с линейной частотной модуляцией цифровых сигналов найдены и построены структуры полей поражения для различных уровней допускаемых КВР. На основании полученных количественных оценок полей поражения найдены основные эксплуатационные характеристики линий АИС со сложными дискретными частотно-манипулированными с линейной частотной модуляцией сигналами, а именно коэффициент простоя и коэффициент электромагнитной защищенности. Доказана высокая эффективность таких сигналов даже с небольшими базами по сравнению с гауссовскими ЧТ сигналами в условиях воздействия комплексных флюктационных помех.

4. Проанализированы возможные типы алгоритмов эффективных в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных помех и замираний сигналов. Показана возможность и эффективность использования в указанных условиях некогерентньгх адаптивных функционально-устойчивых АИС, транспондеры которых синтезируются либо в виде непосредственной реализации на микропроцессорах, либо в виде единых или блочно-согласованных фильтров. Найдено выражение для комплексно-импульсной реакции. Произведен анализ электромагнитной защищенности речных АИС с использованием узкополосных гауссовских ЧТ сигналов. Установлено наличие коллапса зоны действия базовых станций АИС при таких сигналах в случае увеличения мощности взаимной помехи, а также сокращения расстояния между источником помехи и базовой станцией. Проанализирована электромагнитная защищенность речных адаптивных функционально-устойчивых АИС при условии использования дискретных частотно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией. Показано, что при наличии адаптации даже при использовании простых сигналов отсутствует явление коллапса рабочей зоны базовой станции. Однако имеет место некоторое ее сокращение. При использовании простых сигналов дальность действия базовой станции может уменьшиться на 25%. А при использовании дискретных частотно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией это уменьшение не превышает 6%.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Волкова Т.А. Математическая модель цифровых информационных каналов речных автоматизированных информационных систем при воздействии взаимных помех/ Волкова Т.А., Рудых C.B., Тихоненко A.M.// СПб.: Изд-во СПГУВК. Журнал университета Водных Коммуникаций, Вып. 4, 2011. - с.121-125.

2. Волкова Т.А. Дискретно-манипулированные сигналы с линейной частотной модуляцией в автоматизированных идентификационных системах на внутренних водных путях./ Волкова Т.А., Рудых C.B., Тихоненко A.M.// СПб.: Изд-во Политехнического университета. Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы». Вып. 4, 2011. — с.66-69.

3. Волкова Т.А. Дискретно-манипулированные сигналы с разрывной во времени структурой в речных автоматизированных идентификационных системах./ Волкова Т.А., Рудых C.B., Тихоненко A.M.// СПб.: Изд-во Политехнического университета. Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы». Вып. 1, 2012. - с.67-69.

4. Волкова Т.А. Поля поражения для сложных дискретно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией./ Волкова Т.А., Сикарев И.А.// СПб.: Изд-во ГУМРФ. Журнал ГУМРФ, Вып. 1, 2013. - с.73-77.

5. Волкова Т.А. Коэффициенты простоя и электромагнитной защищенности для сложных дискретно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией./ Волкова Т.А., Сикарев И.А.// СПб.: Изд-во ГУМРФ. Журнал ГУМРФ, Вып. 2, 2013. - с.95-97.

6. Волкова Т.А. Электромагнитная защищенность функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем с простыми сигналами при воздействии сосредоточенных по спектру помех./ Волкова Т.А., Рудых C.B., Сикарев И.А — СПб.: Изд-во Политехнического университета. Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы». Вып. 1, 2013. -с.46-53.

7. Волкова Т.А. Оценка электромагнитной защищенности при вариации структуры сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии сосредоточенных по спектру (взаимных) помех./ Волкова Т.А., Рудых C.B., Сикарев И.А// СПб.: Изд-во Политехнического университета. Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы». Вып. 2, 2013. — с.127-131.

Другие публикации:

8. Волкова Т.А. «Дискретно-манипулированные сигналы с разрывной во времени структурой в речных автоматизированных идентификационных системах»/ Волкова Т.А. Сборник материалов Санкт-Петербургской юбилейной XIII международной конференции «Региональная информатика». СПб.: СПОИСУ, 2012. С.183.

9. Волкова Т.А. «Электромагнитнитная защищенность инфокоммуникационных каналов автоматизированных идентификационных систем на основе сложных сигналов с линейной частотной модуляцией»/ Волкова Т.А. Сборник материалов Санкт-Петербургской юбилейной XIII международной конференции «Региональная информатика». СПб.: СПОИСУ, 2012. С.183.

Подписано в печать с оригинал-макета автора 23.10.13 Сдано в производство 23.10.13 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 0,98. Уч.-изд. л. 0,85.

Тираж 70 экз. Заказ № 128

Государственный университет морского и речпого флота имепи адмпрала С.О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, ул. Двипская, 5/7

Отнсчатапо в типография ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой капал, 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИЩЕННОСТЬ РЕЧНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СЛОЖНЫХ ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТОТНО МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ

МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическимипроцессами и производствами (технические системы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н.Сикарев Игорь Александрович

04201451 128

ВолковаТамараАлександровна

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

1 Анализ основных принципов инфокоммуникационного функционирования информационной иерархической триады.............................................................8

1.1 Структура иерархической триады................................................................8

1.1.1 Корпоративные Речные Информационные Системы..........................8

1.1.2 Речные Информационные Службы.......................................................9

1.1.3 Автоматизированная Система Управления Движением Судов........12

1.2 Анализ информационного обеспечения и принципов функционирования АИС в речных АСУ ДС.....................................................................................16

1.2.1 АИС в составе АСУ ДС........................................................................16

1.2.2 Аппаратура АИС и основные типы судовых транспондеров...........17

1.2.3 Принципы действия АИС, понятие о зоне действия АИС................20

1.2.4 Особенности построения сетей базовых станций речных АИС на единой глубоководной системе европейской части России......................23

Выводы по разделу 1..........................................................................................24

2 Стохастическая математическая модель цифровых информационных каналов речных АИС.............................................................................................26

2.1 Каноническая статистическая модель АИС. Аддитивные и мультипликативные помехи..............................................................................26

2.2 Стохастические модели цифровых информационных каналов АИС.....29

2.3 Методы количественного учета взаимного влияния в частотно-временной области сигналов и взаимных помех в АИС................................33

2.3.1 Коэффициент взаимного различия......................................................34

2.3.2 Поля поражения сигналов.....................................................................36

Выводы по разделу 2..........................................................................................38

3 Современные и перспективные типы цифровых сигналов АИС. Адаптивные функционально устойчивые АИС.................................................40

3.1 Узкополосные сигналы. Гауссовская узкополосная ЧТ..........................40

3.2 Сложные сигналы. Сигналы последовательно-параллельной структуры ..............................................................................................................................41

3.3 Коэффициент взаимного различия ДЧМн J14M сигналов и сосредоточенных по спектру помех.................................................................46

3.4 Поля поражения ДЧМн JI4M сигналов.....................................................51

3.5 Расчет основных эксплуатационных характеристик инфокоммуникационных линий со сложными сигналами............................53

Выводы по разделу 3..........................................................................................56

4. Помехоустойчивость речных АИС при воздействии взаимных помех.......58

4.1 Адаптивные функционально-устойчивые алгоритмы функционирования речных АИС при воздействии взаимных помех.............................................58

4.2 Помехоустойчивость речных АИС при использовании узкополосных гауссовских ЧТ...................................................................................................60

4.3 Помехоустойчивость речных АИС при использовании сложных последовательно-параллельных (ЛЧМ) цифровых сигналов........................62

4.4 Исследование влияния взаимных помех на размер рабочей зоны АИС 67

4.4.1. Случай неадаптивных АИС со сложными сигналами......................67

4.4.2. Случай адаптивных функционально-устойчивых АИС с узкополосными сигналами............................................................................78

4.4.3. Случай адаптивных функционально-устойчивых АИС с последовательно параллельными цифровыми ЛЧМ..................................83

Выводы по разделу 4..........................................................................................93

Заключение.............................................................................................................95

Перечень используемых сокращений..................................................................98

Список литературы..............................................................................................100

Приложение 1.......................................................................................................112

Приложение 2.......................................................................................................114

Приложение 3.......................................................................................................116

Приложение 4.......................................................................................................119

Приложение 5.......................................................................................................122

Введение

Актуальность темы исследования

Увеличение интенсивности судоходства на внутренних водных путях (ВВП), ставит задачи повышения безопасности плавания. Среди перевозимых грузов значительное место занимают нефть и нефтепродукты, химические удобрения и другие опасные грузы. В основном такие грузы перевозятся судами «река-море» плавания, подпадающих под требования международных конвенций, правил и требований по обеспечению безопасного судоходства. Суда, как правило, оснащены современным навигационным оборудованием и средствами связи, соответствующие международным требованиям и позволяющим работать минимальным составом экипажей. При этом подразумевается, что и береговая инфраструктура управления судоходством соответствует международным требованиям и обеспечивает международные стандарты безопасности.

На деле, в силу экономических причин, существует значительная диспропорция между уровнем оснащения флота и береговых служб, отвечающих за управление движением и обеспечением безопасности судоходства. Этот технологический разрыв имеет тенденцию к увеличению. Также в связи с намерением Правительства Российской Федерации открыть внутренние водные пути России для иностранных судов, для чего требуется поднять на качественно более высокий уровень систему управления движением флота, обеспечить международные стандарты безопасности судоходства. Существующая на сегодняшний день система не в полной мере отвечает таким стандартам с точки зрения технической оснащенности и технологий управления.

Содержание водных путей и управление движением флота СевероЗападного региона России обеспечивается государственным учреждением

«Волго-Балтийское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства» (ГБУ «Волго-Балт») через свои региональные филиалы.

Данная работа призвана сформулировать модель для расчета зон действия береговых базовых станций АИС в условиях комплексного воздействия аддитивных и мультипликативных помех.

В связи с изложенным целью диссертационной работы является получение нового решения актуальной научной задачи повышения безопасности судоходства и эффективности мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях на основе внедрения сложных сигналов в автоматизированные идентификационные системы, являющихся одним из перспективных способов передачи информации в иерархической триаде «КРИС-РИС-АСУ ДС».

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены, обоснованы, решены и выносятся на защиту следующие научные результаты:

1. Изучен и систематизирован современный зарубежный и отечественный опыт созданий автоматизированных идентификационных систем как одной из составляющих иерархической триады «КРИС-РИС-АСУ ДС». Проанализированы особенности информационного обеспечения инфокоммуникационных каналов речных АИС.

2. Предложена стохастическая модель цифровых инфокоммуникационных каналов речных АИС и количественные показатели для учета комплексного воздействия шумов, взаимных помех и замирания сигналов.

3. Получены алгоритмы для расчета коэффициента взаимного различия и полей поражения простых и сложных последовательно-параллельных дискретных частотно-манипулированных цифровых сигналов

с линейной частотной модуляцией и манипулирующими кодами Баркера и Лежандра.

4. Предложена методика и проведен расчет электромагнитной защищенности речных АИС при использовании узкополосных гауссовских ЧТ и сложных дискретных частотно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией с небольшой базой.

Достоверность результатов обеспечивается строгой постановкой задач и применяемыми корректными математическими методами, сравнением полученных результатов с аналитическими и численными исследованиями других авторов.

Методологической основой исследования являются методы теории управления, теории случайных процессов и статистических решений, теории математического моделирования, экспертных оценок, статистической теории связи и методов моделирования на ЭВМ технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Создание современного метода построения каналов передачи данных для подсистем наблюдения и контроля в речных АСУ ДС в условиях комплексного воздействия аддитивных и мультипликативных помех.

2. Решение новой актуальной научной задачи мониторинга, повышения безопасности судоходства и эффективности управления транспортным процессом на ВВП единой глубоководной системы Европейской части России на основе использования перспективных инфокоммуникационных технологий - автоматизированных идентификационных систем.

3. Разработка математического и алгоритмического обеспечения оптимизации электромагнитной защищенности адаптивных функционально-устойчивых АИС на внутренних водных путях, отличающееся учетом стохастических свойств цифровых каналов радиосвязи.

Практическая ценность работы состоит в том, что создана методика выполнения аналитически расчетов, разработаны рекомендации и конструктивный инструментарий по оптимизации электромагнитной защищенности зон действия базовых станций АИС для Европейской части Единой Глубоководной системы.

Реализация научных результатов:

Отдельные положения диссертационной работы реализованы в программах повышения безопасности и мониторинга на водном транспорте в Государственном университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, в ООО МИП «ИНФОКОМ», ООО НПФ «Маринерус».

Апробация работы:

Основные положения и ожидаемые результаты докладывались на Санкт-Петербургской юбилейной ХШмеждународной конференции «Региональная информатика» 24-26 октября 2012 года.

Публикации:

По тематике диссертации опубликовано 9 научных статей, из них 7 научных статей в изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК».

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка, используемых сокращений, списка опубликованных источников, содержащий101 наименование, 5 приложений, включает в себя 124 страницы текста, 44 рисунка, 7 таблиц.

1 Анализ основных принципов инфокоммуникационного функционирования информационной иерархической триады

1.1 Структура иерархической триады

В настоящее время речная информационная иерархическая триада в настоящее время состоит из следующих элементов (структур) — «Речные информационные службы» (РИС) и «Системы управления движением судов» (СУДС), или «Автоматизированные системы управления движением судов» (АСУ ДС). Указанные системы могут рассматриваться либо как варианты реализации в целом, либо как подсистемы класса «Корпоративные речные информационные системы» (КРИС) [1,2,3].

1.1.1 Корпоративные РечныеИнформационные Системы.

Корпоративные речные информационные системы (КРИС) - это подкласс более широкого класса корпоративных информационных систем (КИС), являющихся информационно-управляющими системами четвертого поколения, появившимися в последнее десятилетие [4,5,6]. Целью таких

систем является информационное обеспечение процесса управления.

Концепция информационно-управляющей системы КРИС на ВВП реализуется посредством сочетания речных информационных служб (РИС), которыеопределяют любые системы связи и информатики, использующиеся на ВВП: реках, каналах, озерах и устьевых портах [7].

Рис 1.1.1 КРИС

1.1.2 Речные Информационные Службы

Речные информационные службы (РИС) используются для выполнения задач по управлению движением и транспортом в процессе судоходства на ВВП и в транспортных узлах [8,9]. В соответствии с этой задачей РИС могут быть разделены на группы как это представлено в таблице 1.1.1.

Таблица 1.1.1.Обобщенная классификация РИС.

Службы Наименование служб

управления 1. Службы путевой информации

движением 1.1 Визуальные знаки судоходной обстановки

1.2 УКВ-радиосвязь на внутренних водных путях

1.3 Интернет

1.4 Служба электронной картографии

2. Службы информации о движении флота

2.1 Отображение текущей дислокации флота (тактическая информация)

2.2 Отображение долгосрочной дислокации флота (стратегическая информация)

3. Службы управления движением флота

3.1 Управление движением флота в зоне ответственности (Локальная СУДС)

3.2 Управление работой шлюзов и мостов

4. Аварийно-спасательные службы

Службы 5. Рейсовое планирование

управления 6. Управление портами и терминалами

транспортом 7. Управление флотом и грузами

8. Статистика

9. Информация о тарифах и сборах

На рис. 1.1.2 приведена структурная схема РИС, призванная обеспечивать четкость работы подведомственных служб, своевременность выработки и доведения управленческих решений, а также возможность контроля всех элементов РИС.

Рис. 1.1.2 Структурная схема РИС.

Такая структурная схема РИС обеспечивает выполнение всех поставленных компетентным органом задач за счет выполнения таких базовых действий, как:

^ Сбор информации состоянии ВВП и судоходства в зоне действия РИС;

^ получение из других источников информации, которая может влиять на судоходство в зоне действия РИС. Например метеорологическая информация, информация о чрезвычайных ситуациях и др.;

^ различные согласования со смежными организациями. Например, с узлами других видов транспорта; выработка управленческих решений.

В состав РИС обычно входит одна или несколько речных автоматизированных систем управления движением судов (АСУ ДС), количество которых определяется географическими размерами района, рельефом берегов, судоходными особенностями, развитостью инфраструктуры района и другими специфическими причинами.

1.1.3 Автоматизированная Система Управления Движением Судов

В настоящее время практически все значительные порты мира, основные судоходные пути в международных проливах и вдоль побережий охвачены районами действия АСУ ДС[10].

Типовая структура АСУ ДС, представленной на рис. 1.1.3, может быть рассмотрена в двух аспектах: организационном и информационно-техническом [11,12,13] .

Организационная структура, представленная на рис. 1.1.4, отображает построение АСУ ДС с точки зрения уровней формирующих систему, и отображает основныеузлы системы, обеспечивающие ее деятельность.На схеме представлены следующие основные узлы и элементы:

^ ЦРДС - Центр регулирования движения судов; ^ ПКДС - пост контроля за движением судов; ^ ХРТП - телеуправляемый радиотехнический пост; ^ КТСД - каналы трансляции сигналов и данных от ТРТП к ПКДС;

^ КТД - каналы трансляции данных от ПКДС к ЦРДС.

—

ЦРДС

^-----

ТРТП

Рис. 1.1 ^Организационная структура АСУ ДС При учете специфических особенностей речных акваторий и их

протяженность, центр регулирования движения судов можно совмещать или

не совмещать в себе функции поста контроля движения судов и центра

регулирования движения судов, т.е. решать совместно или раздельно задачи

ЦРДС и ПКДС [14].

В свою очередь информационно-техническая структура, приведенная в таблице 1.1.2. отображает информационные и технические средства, обеспечивающие работу АСУ ДС. В различных случаях информационно-техническая структура АСУ ДС может отличаться, однако неотъемлемо наличие «источников информации» об обстановке в зоне действия АСУ ДС.

Таблица 1,1.2.Информационно-техническая структура АСУ ДС

Судоходная обстановка - наглядное представление

Службы сбора, передачи и хранения информации о состоянии судна (ИДС)

Способы сбора данных о местонахождении судна и его изменениях Вспомогательные системы

т АИС # / Видеонаблюдение ГНСС РЛС Электронная картография УКВ связь Мониторинг на дальних дистанциях (ССРНС) Другие средства

Рабочие зоны каждого технического средства определяет заданный уровень эффективности, в соответствии с чем возможно также и разделение района действия СУ ДС на секторы. Число секторов в районе действия СУДС должно быть минимальным [15]. Границы секторов не должны проходить

там, где суда меняют свой курс или режим движения или где пересекаются фарватеры. Функции СУ ДС обеспечиваются в каждом секторе, �