автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Функциональная устойчивость и электромагнитная защищенность автоматизированных идентификационных систем для мониторинга и управления движением судов на внутренних водных путях на основе последовательно-параллельных сложных сигналов

На правах рукописи

Тихоненко Алексей Митрофанович

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИЩЕННОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ НА ОСНОВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

Специальность 05.13.06

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

005537110

Санкт-Петербург 2013

005537110

Диссертация выполнена на кафедре технических средств судовождения и связи Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сикарев Игорь Александрович

Официальные оппоненты:

Заведующий кафедрой «Информационных технологий и систем безопасности» Российского государственного гидрометеорологического университета Доктор технических наук, профессор Бескид Павел Павлович

Доцент кафедры «Электротехники и автоматики» Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова Кандидат технических наук, доцент Чертков Александр Александрович

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита состоится "28"ноября 2013г. в ^О чаС0в на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 на базе государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова по адресу: 198035, г.Санкт-Петербург, ул.Двинская, 5/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова .

Автореферат разослан 2013 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических на: доцент

Е.Г. Барщевский

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение надлежащего уровня безопасности плавания при навигации, как в прибрежных морских районах, так и акватории внутренних водных путей (ВВП) России, при соответствующем уровне 4 организации транспортного процесса в целом.

Объясняется это ежегодным ростом интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрением современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения, причем в качестве основного метода судовождения штурманский состав в основном отдает предпочтение лоцманского методом судоходства, который не позволяет в полной мере обеспечить надлежащий уровень безопасности судоходства на ВВП России в соответствии с общепринятыми мировыми стандартами. В качестве конструктивного решения указанной комплексной задачи может выступать переход от лоцманского к инструментальному методу плавания на ВВП, базирующемся на использовании систем электронной картографии в сочетании с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных системы ГЛОНАСС./ОР8 и, конечно, создании и внедрении новых инфокоммуникационных систем водного транспорта.

В настоящее время значительный интерес у специалистов водного транспорта вызывают вопросы, связанные с внедрением на внутреннем водном транспорте Российской Федерации инфокоммуникационных систем типа: корпоративная речная информационная служба (КРИС); речная информационная система (РИС) и автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС) весьма актуальны с этой точки зрения.

Помимо обеспечения безопасности судоходства на сегодняшний день специалистов привлекают вопросы мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП. Решение задач такого плана так же ведется с помощью береговой инфраструктуры иерархической триады КРИС-РИС-АСУДС.

Значительную роль в повышении эффективности мониторинга и управления играет информационная технология ХХ-ХХ1 веков -автоматизированные идентификационные системы (АИС), которая позволяют решить поставленную задачу при интеграции их в состав действующих береговых систем управления движением судов, в том числе для построения национальных и глобальных систем мониторинга и управления движением флота. Для регионов, входящих в Единую Глубоководную Систему РФ (ЕГС РФ), основным направлением определено именно развитие береговой инфраструктуры, в частности за счет построения цепей станций и ретрансляторов АИС. В то же время для других регионов и в особенности для протяженных рек Сибири и Дальнего Востока, вероятно, вследствие необходимости значительных финансовых вложений такой подход не будет применен в качестве основного, что подтверждается подписанием

Федеральным агентством морского и речного транспорта Министерства транспорта РФ распоряжения от 7 июля 2006г.: "О развитии технологических сетей связи на внутренних водных путях" № АД-103-р, в соответствии с которым спутниковое оборудование спутниковой системы радионавигации и связи (ССРНС) «Глобалстар» и спутниковой системы связи (ССС) «ИНМАРСАТ» рекомендовано использовать на речных судах удаленных районов внутренних водных путей Сибири, Дальнего Востока и малонаселенных районов Европейской части России для обеспечения технологической связью и в целях повышения безопасности судоходства.

Значительную роль в повышении эффективности систем АИС по мониторингу и управлению транспортным процессом является применение в них помимо традиционных узкополосных сигналов с гауссовской ЧМ сложных сигналов, обеспечивающих высокую электромагнитную защищенность и устойчивость таких систем при воздействии комплекса мультипликативных и аддитивных помех, особенно взаимных. Последние вопросы исследованы в научно-технической литературе недостаточно.

В связи с изложенным, целью диссертационной работы является решение актуальной научной задачи повышения безопасности судоходства и эффективности мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях на основе внедрения последовательно-параллельных сложных сигналов с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой в инфокоммуникационные системы АИС, как одного из важнейших, перспективных способов передачи цифровой информации в иерархических триадах.

Результаты выносимые на защиту:

1. Результаты анализа информационного обеспечения и принципов функционирования АИС в речных АСУДС.

2. Модели цифровых информационных каналов АИС и частотно-временных характеристик последовательно - параллельных сложных сигналов.

3. Алгоритмы и методики расчета электромагнитной защищенности информационных каналов автоматизированных идентификационных систем с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой при воздействии взаимных помех.

4. Методики и результаты анализа и рекомендации по обеспечению функциональной устойчивости основных характеристик зон действия систем АИС с ПГТРЧ при воздействии взаимных помех.

Методологической основой исследования являются принципы системного анализа и управления технологическими процессами, экспертные оценки и методы их обработки, теория АСУ, теория радиосвязи, радиолокации, спутниковой навигации, методы формирования алгоритмов проектирования систем связи и управления.

Научная новизна работы состоит:

1. В создании современного метода построения инфокоммуникационных каналов в системах АИС для передачи цифровых данных в условиях комплекса мультипликативных и аддитивных, прежде всего взаимных, помех.

2. В разработке математического и алгоритмического обеспечения расчета электромагнитной защищенности и функциональной устойчивости систем АИС с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой при воздействии взаимных помех.

3. В разработке методик и результатов анализа систем АИС с ППРЧ ври воздействии взаимных помех при различных мультипликативных помехах: отсутствие замираний сигналов и помех, их обобщенные релеевские замирания и наконец чисто релеевские замирания сигналов и помех.

4. В получении результатов сравнительного анализа систем АИС с традиционной узкополосной гауссовской ЧМ (АИС1, АИС2, АИСВ) с системами АИС изпользующими последовательно - параллельные сложные сигналы, прежде всего с ППРЧ.

Практическая ценность работы состоит в том, что сформулированные выводы и предложения могут быть использованы при реализации проектов создания комплексных систем управления движением судов и безопасности судоходства на внутренних водных путях России. Разработанные методы и модели использования АИС могут явиться базой для модернизации существующих и построения новых систем АИС на различных участках внутренних водных путей, а также существенно уменьшить риски, связанные с некорректным построением их информационных полей.

Реализация научных результатов. Отдельные положения диссертационной работы реализованы в Государственном Университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, в Малом инновационном предприятии ООО «ИНФОКОМ», в ООО НПФ «МАРИНЕРУС».

Публикации и апробации работы. По тематике работы опубликовано 7 научных статей в изданиях, предусмотренных "Перечнем изданий ВАК". Осуществлен доклад на межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Водный транспорт России: история и современность», посвященной 200-летию транспортного образования в России (СПГУВК, 2012).

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных источников, содержащего 121 отечественных и зарубежных работ, включает в себя 137 страниц текста, 30 рисунков, 6 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ проведен анализ и обобщение мирового и отечественного опыта по современному уровню разработки и внедрения, а также перспективам развития метасистемы в иерархической триаде «КРИС— РИС-АСУ ДС (СУДС)» свидетельствуют о том, что системы управления движением судов получили в настоящее время весьма широкое распространение на внутренних водных путях Европы, Азии и Северной Америки. Можно утверждать, что они сейчас являются доминантой в указанной триаде и составляют неотъемлемую часть всемирного транспортного процесса и в особеЕшости частью системы мониторинга, управления и безопасности речного и смешанного «река—море» судоходства. Их

планирование, внедрение и информационное функционирование на ВВП проводится в соответствии с концепцией «Речных информационных служб», принятой в Европейском Союзе и подтвержденной Международной Ассоциацией маячных служб. Несомненна актуальность внедрения таких систем на ВВП ЕГС Европейской части России.

Выполненный анализ современных основ создания и информационного обеспечения корпоративных речных информационных систем по иерархическому уровню «КРИС-РИС—АСУДС», позволил выявить особенности построения КРИС и предложить достаточно конструктивный вариант структуры КРИС на ЕГС, включающий семь зон РИС и учитывающий не только особенности информационного функционирования и обеспечения последних, но и регионально-бассейновую административную структуру существующей системы управления судоходством на ЕГС. (Рис. 1)

Зона РИС 1 !

і Зона РИС 2 I

Зона рис з і....

Рисунок I. Организация зон РИС на внутренних водных путях европейской

части России зона РИС—I - зона Беломоро-Балтийского канала; зона РИС-2 - зона ГБУ "Волго-Балт"; зона РИС-3 - зона Москвы и канала им. Москвы; зона РИС^ - зона большой Волги; зона РИС—5 - зона ГБУ "Волго-Дон"; зона РИС-6 - зона низовьев Дона и порта Азов; зона РИС-7 — зона ФГУ "Камводпуть

Анализ канонической структурной схемы (Рис.2) и особенностей информационного функционирования АСУДС свидетельствует о необходимости сосредоточить, в первую очередь, внимание на задачах построения обеспечивающей высокую эффективность мониторинга и

управления автоматизированной идентификационной телекоммуникационной системы.

Рисунок 2 Типовая конфигурация Центра СУДС.

В настоящее время автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС), техническим и вспомогательным флотом (АСУ ТВФ) как подсистемы речных информационных в иерархической триаде «КРИС-РИС-АСУ ДС, АСУ ТВФ», по-видимому, должны организовываться, с использованием в своей основе многофункциональных автоматизированных идентификационных систем (АИС). Системы АИС (Рис. 3)

«прт« тсс

Рисунок 3. Принцип функционирования АИС

позволяют в значительной степени повысить уровень безопасности судоходства за счет своевременного обмена информацией в направлениях «судно-судно» и «судно-берег» как для предупреждения столкновений между

судами, так и для контроля и регулирования движения судов береговыми службами, особенно при применении сложных сигналов в адаптивных транспондерах.

ВО ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ рассмотрены математическое описание моделей цифровых информационных каналов АИС и частотно-временные характеристики последовательно-параллельных сигналов: дискретно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией, дискретно-манипулированных сигналов с разрывной во времени структурой и дискретно-манипулированных сигналов с псевдо случайной перестройкой рабочей частоты.

Проведен анализ стохастической модели ( Рис.4)

Рисунок 4. Каноническая структурная схема системы АИС

цифровых информационных каналов в речных автоматизированных идентификационных системах учитывающий три типа факторов, влияющих на их электромагнитную защищенность:

• распространенная УКВ радиоволн с учётом технико-эксплуатационных параметров приёмо-передающих трактов аппаратуры;

• изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией и судовым транспондером;

• процесса перемещения судового транспондера относительно базовой станцией.

Для описания свойств взаимных помех использована серьёзно зарекомендованная себя в научно-технической литературе модель квазидетерминированных случайных процессов, которая позволяет описать достаточно эффектно статистические свойства таких помех, а, во-вторых, позволяет формулировать и конструктивно использовать для нахождения зон действия базовых станций такие количественные показатели различия в частотно-временной области сигналов и взаимных помех как коэффициенты взаимного различия и поле поражение сигнала:

Коэффициент взаимного различия (КВР) структур полезных сигналов и взаимных помех в частотно-временной области, определяемый, как

нормированная величина, пропорциональная мощности процесса на выходе фильтра или квадратурной схемы :п (/), при прохождении через них помехи

-АО-

12 Гг

(1)

V - - у

гДе =А0) -- функция, сопряженная с гЛ0) по Гильберту; т - длительность

цг т

сигнала; рг. = |7г:(7)с// - мощность принимаемого г -го варианта полезного

1 о

сигнала в і -ой ветви; к0 ■■

АХ т-р.

- постоянная, не зависящая от структур

сигнала и помехи; ип, - соответственно, амплитудные коэффициенты

передачи / -ой составляющей г -го варианта сигнала и к -ой составляющей помехи.

Также введено понятие комплексного коэффициента взаимного различия:

(2)

о

где нормирующая постоянная К'0 = 2,1 (/) = С/Щ,(/) - функция,

комплексно сопряженная с Таким образом, комплексный коэффициент

взаимного различия связан с простым коэффициентом взаимного различия соотношением:

£ = (3)

Понятие поля поражения сигнала, равного площади проекции сечения двухмерного нормированного КВР на частотно-временную плоскость, определяемой допустимой и требуемой вероятностью ошибки в информационном канале, а также энергетикой взаимной помехи:

м

= и.ь; (4)

где 5', - площадь / -ого частичного поля поражения г-го варианта, сигнала в пределах которой ^ >§01гдоп, = - среднестатистические значения

ик

коэффициентов взаимного различия; Ь\ и - соответственно,

среднестатистические значения отношений энергии / -ой составляющей сигнала и к -ой составляющей помехи к спектральной плотности белого шума V2.

Для повышения электромагнитной защищенности информационных каналов АИС предложено использовать последовательно-параллельные сложные сигналы типа дискретно-частотно-манипулированных.

Проанализированы основные временные, спектральные, корреляционные характеристики таких сигналов, в том числе их важные для практики

модификации: с линейной частотной манипуляцией, разрывов во времени структурой, с псевдослучайной перестраиваемой рабочей частотой.

Раскрыты основные особенности частотно-временной структуры, частотно-временных матриц, манипулирующих последовательностей, коэффициентов взаимного различения между этими сигналами и взаимными помехами.

Материалы исследований этого раздела позволяют перейти к глубокому количественному анализу особенностей передачи ДЧМН сигналов в информационных каналах АИС, подверженных комплексному воздействию различного рода замираний, шумов и взаимных помех.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ

проведен анализ электромагнитной защищённости информационных каналов АИС с ПГТРЧ при воздействии взаимных помех.

Основное внимание уделено классу полнодоступных синхронных дискретно-адресных систем в таких каналах, поскольку именно они при числе компонентов сигнала М=3-н5 позволяют обеспечить синхронный и псевдослучайный доступ к квадратичному сложению составляющих ДЧМН сигналов в транспондере АИС.

Проанализированы помехоустойчивости АИС с активной и пассивной паузой при произвольных М>1 в каналах только с флюктуационными шумами. Показано, что с увеличением числа составляющих ДЧМН сигналов и М-ветвей обработки в транспондере независимо от решающей схемы, помехоустойчивость ДАСС снижается (Рис.5).

Полная вероятность ошибки поэлементного приема

Р = ЁА(*)А(А2.{гД}). (5)

4=0

где п - число одновременно работающих транспондеров АИС в час наибольшей нагрузки, причем п < Ы; р„(к) - вероятность выбора одной и той же рабочей частоты к транспондерами, т.е. вероятность присутствия на входе транспондера к сосредоточенных помех; рК (к2, {^гк}) — вероятность ошибки поэлементного приема при наличии на входе транспондера к сосредоточенных помех, в случае релеевских замираний сигналов ДАСС ППРч и помех имеет вид (см. рис. 5):

р= 1

1 °'

2 +

т) +2 2тУ т) 2 + к

"(п~1)(1 _ ГГ 2 + йя^02г, +Игп281г

4 т

2 +/г + + Л/п^

(6)

Л +2

. У

/

№

га

/о

гЬ

га

/а*

ю3 н г

Рисунок 5. Зависимости вероятностей ошибки от значений коэффициента загрузки в ДАСС с ПТТРЧ при релеевских замираниях сигналов и помех.

Для полной вероятности ошибок поэлементного приема в радиолинии АИС с ППРЧ получим (см. рис.6)

' 2

^ехр

2 т\ т

(0,5 ехр [-0,5( И2 + И2т§1,)] /0 (ар) + 0,5[1 - д(а, £)]] -х/0 +и2П1 ■ 8аг)+0,5^1 - е(йЖ, + ^ • а,,)]+

+М±]7,-1Го,5«РК

(7)

68 Л*

Рисунок 6. Зависимости вероятностей ошибки от параметра И2 для ДАСС с ППРЧ при отсутствии замираний сигналов и помех

Полная вероятность ошибки при замирании сигналов по обобщенному закону Релея и замираниях помех по релеевскому закону может быть представлена так (см. рис 7).

р~i'-—i

2т V т) ' ' 4т1 где ро, Р1, и р2 описываются формулами

(8)

Ро—~=2-:-

А + 2г + 2

ехр

2 Л

А + 2г + 2

(9)

здесь 2 =

Vф

отношение квадрата регулярной составляющей к

среднеквадратическому значению флуктуирующей составляющей коэффициента передачи.

р\

ехр

ч2

(10)

р 2 =

■2 -2 У

2 +А + 2/гя I

(П)

Рисунок 7. Помехоустойчивость ДАСС с ППРЧ при обобщенных релеевских замираниях сигналов и помех

При М=3^-5 для регг = 10~4 энергетический проигрыш по сравнению со случаем М=1 (одиночный некогерентный приём) для различных схем составляет в пределах от 1-н2дБ до 5 ч-7 дБ .При большем числе ветвей энергетический проигрыш существенно возрастает .

Сравнение помехоустойчивости систем при использовании в транспондере различных схем решения показывает, что наихудшую помехоустойчивость имеет система с пассивной паузой и индивидуальными отсчетами в каждой ветви. Энергетический проигрыш при сравнении этой системы с системой оптимального некогерентного приёма и М=3^-5 - порядка 5-г7дБ. Наилучшей помехоустойчивости обладает система с активной паузой и квадратичным сложением, обеспечивая энергетический проигрыш не более 1-ь2дБ. Система с пассивной паузой и квадратичным сложением занимает промежуточное положение с энергетическим проигрышем порядка 4ч- 5дБ.

Применение ДАСС целесообразно тогда, когда ДЧМн сигнал состоит из небольшого числа составляющих сравнительно несложной формы (М=Зн-5). При этом транспондер конструктивно можно выполнить проще, чем устройство с оптимальными фильтрами, согласованными с суммарным сигналом сложной формы.

Исследована электромагнитная защищенность выбранного типа ДАСС с ДЧМн сигналами с ППРЧ на основании анализа полученных в работе соотношений для помехоустойчивости таких систем в условиях характерных дд них «системных» помех, взаимных помех и шумов. Рассмотрены информационные каналы с незамирающими сигналами и взаимными (сосредоточенными) помехами (Рис.6), с релеевскими (обобщёнными релеевскими) замираниями сигналов и помех (Рис.7), с релеевскими замираниями сигналов и помех (Рис.5).

Доказана вполне эффективная работоспособность ДАСС с ППРЧ в указанных условиях информационных каналов.

Наконец, в заключение раздела проведено исследование взаимных помех (их энергетического параметра %п, , расстояние Яп от источника взаимной помехи до базовой станции ДАСС (БС ДАСС), от коэффициентов взаимные различия glr полезных сигналов и взаимных помех). Для М=3-=-5 найдены количественные соотношения позволяющие рассчитывать радиус зоны действия БС в зависимости от указанных параметров.

Непосредственно для Ы=М получено:

Ктж =

\ 2М—1

\4\ і + Хп/ а 1/ 1 ДІ /2М

(12)

Для другого крайнего случая, когда сосредоточенная помеха одиночна получено:

При М=3, N=1

где

а при М=5, N=1

А = 2

м

X

1 +

Хп'і

.2 \

МП

■п ^

Кж =

Л ге%

м

(13)

(14)

(15)

Для полноты исследований свойств ДАСС с ППРЧ показана необходимость анализа функциональной устойчивости таких ДАСС, чему и посвящен следующий раздел работы.

В ЧЕТВЕРТОМ РАЗДЕЛЕ исследована функциональная устойчивость основных характеристик зон действия АИС с ППРЧ при воздействии взаимных помех.

Проведен анализ существующих в научно-технической литературе количественных характеристик устойчивости в условиях воздействия комплекса помех: шумов и взаимных помех радиосредств.

Для количественной оценки функциональной устойчивости АИС введены аналитические соотношения для вариацинно-параметрической, вариационно-фукциональной и среднеквадратической чувствительности характеристик помехоустойчивости.

Эта методика развита для случая АИС с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, когда, кроме указанных, появляются как это следует из раздела 3, системные помехи.

Проведена оценка вариационно—параметрической чувствительности от интенсивности системных и взаимных помех для АИС с ТТПРЧ при различных коэффициентах загрузки диапазона: малой с коэффициентом с С<0,01и значительной с коэффициентом с СМ), 1 (Рис. 8)

Рисунок 8. Зависимость от И п.

| Am I

Из зависимостей J = /^Anj, построенных на рис. 8 следует, что с

ростом коэффициента загрузки рабочего диапазона С = п/т, функциональная устойчивость некогерентного транспондера сигналов с ППРЧ ухудшается, что

особенно проявляется при hn > 102

Исследованы вариационно-параметрическая чувствительность АИС с ППРЧ в зависимости от коэффициента загрузки диапазоны с. Выполненный сравнительный анализ (Рис.9) вариационно-параметрической чувствительности по энергетическим параметрам помех, систем АИС1, АИС2 при гауссовской 4M с АИС при ППРЧ показал, что устойчивость АИС при ППРЧ и малых коэффициентах загрузка диапазона С<0,01 практически совпадает с устойчивостью систем АИС2. Увеличение коэффициентов загрузки диапазона до значений с<0,1 приводит к существенному снижению устойчивости , подобно тому, как это имеет место в АИС1.

АПС1 к„=5 км

у./Л ■

АИС!

5 10 15 20

±

АНС2 Я„ — 10КА1

{Вт}

О

Рисунок 9. Зависимость вариационно-параметрической чувствительности от мощности импульсной помехи в системах АИС1 и АИС2.

В настоящей диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи повышения безопасности судоходства и эффективности мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях на основе внедрения последовательно-параллельных сложных сигналов с псевдослучайной прыгающей рабочей чистотой в инфокоммуникационные системы АИС, как одного из важнейших, перспективных способов передачи цифровой информации в иерархических триадах.

На основе теоретических исследований поставленных задач, математического, алгоритмического, программного и имитационного моделирования основных характеристик информационных потоков судовых сообщений АИС получены следующие основные научные результаты:

1. Исходя из метасистемы КРИС-РИС-АСУДС выполнен системный анализ информационного обеспечения и принципов функционирования цифровых инфокоммуникационных систем АИС. Предложена модернизация структуры информационных каналов в таких системах с учетом введения в них сложных сигналов из подкласса последовательно-параллельных прежде всего с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой.

2. Разработаны математические модели цифровых информационных каналов АИС и частотно-временных характеристик последовательно — параллельных сложных сигналов. Проведен анализ стохастической модели цифровых информационных каналов в речных автоматизированных идентификационных системах учитывающий три типа факторов, влияющих на их электромагнитную защищенность:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• распространенная УКВ радиоволн с учётом технико-эксплуатационных параметров приёмо-передающих трактов аппаратуры;

• изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией и судовым транспондером;

• процесса перемещения судового транспондера относительно базовой станцией.

Для описания свойств взаимных помех использована серьёзно зарекомендованная себя в научно-технической литературе модель квазидетерминировашшх случайных процессов, которая позволяет описать достаточно эффектно статистические свойства таких помех, а, во-вторых, позволяет формулировать и конструктивно использовать для нахождения зон действия базовых станций такие количественные показатели различия в частотно-временной области сигналов и взаимных помех как коэффициенты взаимного различия и поле поражение сигнала.

Для повышения электромагнитной защищенности информационных каналов АИС предложено использовать последовательно-параллельные сложные сигналы типа дискретно-частотно-манипулированных.

Проанализированы основные временные, спектральные, корреляционные характеристики таких сигналов, в том числе их важных для практики модификацией: с линейной частотной манипуляцией, разрывов во времени структурой, с псевдослучайной перестраиваемой рабочей частотой.

Раскрыты основные особенности частотно-временной структуры, частотно-временных матриц, манипулирующих последовательностей, коэффициентов взаимного различения между этими сигналами и взаимными помехами.

Материалы исследований этого раздела позволяют перейти к глубокому количественному анализу особенностей передачи ДЧМН сигналов в информационных каналах АИС, подверженных комплексному воздействию различного рода замираний, шумов и взаимных помех.

3. Разработаны алгоритмы и методики расчета электромагнитной защищенности информационных каналов автоматизированных идентификационных систем с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой при воздействии взаимных помех. Проведен анализ электромагнитной защищённости информационных каналов АИС с ППРЧ при воздействии взаимных помех.

Основное внимание уделено классу полнодоступных синхронных дискретно-адресных систем в таких каналах, поскольку именно они при числе компонентов сигнала М-3 5 позволяют обеспечить синхронный и псевдослучайный доступ к квадратичному сложению составляющих ДЧМН сигналов в транспондере АИС.

Проанализированы помехоустойчивости АИС с активной и пассивной паузой при произвольных М>1 в каналах только с флюктуационными шумами. Показано, что с увеличением числа составляющих ДЧМН сигналов и М-ветвей обработки в транспондере независимо от решающей схемы, помехоустойчивость ДАСС снижается.

При М=Зч-5 для Регг = Ю-4 энергетический проигрыш по сравнению со случаем М=1 (одиночный некогерентный приём) для различных схем составляет в пределах от 1ч-2дБ до 5-^7 дБ .При большем числе ветвей энергетический проигрыш существенно возрастает .

Сравнение помехоустойчивости систем при использовании в транспондере различных схем решения показывает, что наихудшую помехоустойчивость имеет система с пассивной паузой и индивидуальными отсчетами в каждой ветви. Энергетический проигрыш при сравнении этой системы с системой оптимального некогерентного приёма и М=3-ь5 — порядка 5ч-7дБ. Наилучшей помехоустойчивости обладает система с активной паузой и квадратичным сложением, обеспечивая энергетический проигрыш не более 1 н-2дБ. Система с пассивной паузой и квадратичным сложением занимает промежуточное положение с энергетическим проигрышем порядка 4-^5дБ.

Применение ДАСС целесообразно тогда, когда ДЧМн сигнал состоит из небольшого числа составляющих сравнительно несложной формы (М=3 -н5). При этом транспондер конструктивно можно выполнить проще, чем устройство с оптимальными фильтрами, согласованными с суммарным сигналом сложной формы.

Исследована электромагнитная защищенность выбранного типа ДАСС с ДЧМн сигналами с ППРЧ на основании анализа полученных в работе соотношений для помехоустойчивости таких систем в условиях характерных дл них «системных» помех, взаимных помех и шумов. Рассмотрены информационные каналы с незамирающими сигналами и взаимными (сосредоточенными) помехами, с релеевскими (обобщёнными релеевскими) замираниями сигналов и помех, с релеевскими замираниями сигналов и помех.

Доказана вполне эффективная работоспособность ДАСС с ППРЧ в указанных условиях информационных каналов.

Наконец, в заключение раздела проведено исследование взаимных помех (их энергетического параметра Хп> ■> расстояние Rn от источника взаимной помехи до БС ДАСС, от коэффициентов взаимные различия g*r полезных сигналов и взаимных помех). Для М=3-^5 найдены количественные соотношения позволяющие рассчитывать радиус зоны действия БС в зависимости от %п, RnA и gfir.

Для полноты исследований свойств ДАСС с ППРЧ показана необходимость анализа функциональной устойчивости таких ДАСС, чему и посвящен следующий раздел работы

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК»:

1. Голубцов Д.А., Тихоненко A.M. Анализ коэффициента взаимного различия параллельных сложных сигналов при воздействии сосредоточенных помех. / Журнал университета водных коммуникаций., Вып.Ш(Х1), 2011, с. 133136.

2. Волкова Т.А., Рудых C.B., Тихоненко A.M. Математическая модель цифровых информационных каналов речных автоматизированных

идентификационных систем при воздействии взаимных помех. / Журнал университета водных коммуникаций., Вып.12 СПб., СГТГУВК 2011. С. 121-125.

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

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

5. Андрюшечкин Ю.Н., Каретников В.В., Сикарев A.A., Тихоненко A.M., Определение архитектуры зон действия цепи базовых станций АИС на ВВП России, Журнал «Морская радиоэлектроника»., № 4(38), СПб, 2011, с.12-13.

6. Голубцов Д.А., Тихоненко A.M., Анализ влияния взаимных помех в автоматизированных идентификационных системах./ Журнал университета водных коммуникаций., Bbin.XIV, СПб., СГТГУВК 2012, с.141-147

В других изданиях:

7. Каретников В.В., Сикарев И.А., Тихоненко A.M. Новый подход по использованию информационных технологий для обеспечения безопасности судоходства на ВВП России./ Труды международной научно-практической конференции «Связь на море и реке 2011», М., март 2011года.

Подписано в печать с оригинал-макета автора 23.10.13 Сдано в производство 23.10.13 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 0,95.

_Тираж 70 экз._Заказ № 127_

Государственный университет морского п речного флота имени адмирала С.О. Макарова 198035, Сапкт-Петсрбург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВНО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Государственный университет морского и речного имени адмирала Макарова С. О.

На правах рукописи

04201450649

Тихоненко Алексей Митрофанович

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИЩЕННОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ НА ОСНОВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ

СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сикарев Игорь Александрович

Санкт-Петербург 2014

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................8

Раздел 1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПРИНЦИПОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АИС В РЕЧНЫХ АСУ ДС...................................................................................................................13

1.1 Иерархические информационные триады и

инфокоммуникационные системы................................................................13

1.2 Корпоративная речная информационная система.........................................14

1.3 Речная информационная служба....................................................................16

1.4 Каноническая структурная схема речной автоматизированной

системы управления движением судов........................................................22

1.5 Автоматизированные идентификационные системы на речном

транспорте......................................................................................................25

1.6 Организация радиосвязи в автоматизированных

идентификационных системах......................................................................31

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 1...................................................................................43

Раздел 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЦИФРОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ АИС И ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ.........................45

2.1 Математическая статистическая модель АИС. Аддитивные и

мультипликативные помехи. Методы количественного учета взаимного влияния в частотно-временной области сигналов и взаимных помех. Коэффициенты взаимного различия. Поле поражения сигнала........................................................................................45

2.2 Основные частотно-временные и корреляционные свойства

сигналов с дискретно-частотной манипуляцией.........................................53

2.3 Дискретно-манипулированные сигналы с линейной частотной

модуляцией....................................................................................................63

2.4 Дискретно-манипулированные сигналы с разрывной во времени

структурой.....................................................................................................69

2.5 Дискретно-манипулированные сигналы с псевдослучайной

перестройкой рабочей частоты.....................................................................73

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2...................................................................................76

Раздел 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИЩЕННОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ

СИСТЕМ С ППРЧ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ............78

3.1. Синхронные полнодоступные дискретно-адресные системы.....................78

3.1.1 Общая характеристика.................................................................................78

3.1.2 Алгоритмы и вероятность ошибки в каналах с флуктуационным шумом............................................................................................................81

3.1.2.1 Система с активной паузой.......................................................................81

3.1.2.2 Система с пассивной паузой.....................................................................85

3.1.3 Особенности полнодоступных ДАСС с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.....................................................................91

3.2 Помехоустойчивость информационных каналов речных АИС с

ППРЧ при воздействии шумов и взаимных помех......................................94

3.2.1 Помехоустойчивость при релеевских замираниях сигналов и

помех..............................................................................................................94

3.2.2 Помехоустойчивость при отсутствии замираний сигналов и

помех..............................................................................................................97

3.2.3 Помехоустойчивость при обобщенных релеевских замираниях сигналов и помех.........................................................................................100

3.3 Исследование влияния взаимных помех на размер рабочей зоны

АИС..............................................................................................................105

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3.................................................................................108

Раздел 4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗОН ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМ С ППРЧ ПРИ

ВОЗДЕЙСТВИИ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ...................................................110

4Л Чувствительность характеристик помехоустойчивости информационных систем как мера их функциональной

устойчивости................................................................................................110

4.1.2 Алгоритмы вариационно-параметрической и вариационно-функциональной устойчивости информационных систем.

Среднеквадратическая устойчивость.........................................................113

4.2 Вариационно-параметрическая чувствительность АИС с ППРЧ...............116

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4.................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................123

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................127

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АИС - автоматизированная идентификационная система

АМСФ - адаптивный многополюсный согласованный фильтр

АПС - автоматическая проводка судов

АРМО - аварийный радиолокационный маяк ответчик

АСУДС - автоматизированная система управления движением судов

АСФ - адаптивный согласованный фильтр

БВК - блок выработки команд

БКСП - блок компенсации сосредоточенных помех

БОН - блок опорных напряжений

БС - базовая станция

ВВП - внутренние водные пути

ГБУ - Главное бассейновое управление

ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система

ДЧМН - дискретная частотная манипуляция

ЕГС - Единая глубоководная система

ИДС - информационно-диспетчерская служба

ИП - источник помех

КВР - коэффициент взаимного различия

ККС - контрольно-корректирующая станция

КРИС - корпоративная речная информационная система

ЛПР - лицо, принимающее решение

МДВР - множественный доступ с временным разделением

МПС - морская подвижная служба

ППРЧ - программная перестройка рабочей частоты

РИС - речная информационная служба

PJ1C - радиолокационная станция

~РРСКЦ - речной региональный спасательно-координационный центр

CBK - система выработки команд

СИ - система измерения

CHO - средства навигационного оборудования

CPHC - спутниковая радионавигационная система

CT - судовой транспондер

CC - схема сравнения

СУБД - система управления базой данных

ТП - транспортный процесс

ТК - транспондер корреспондента

ЧТ - частотная телеграфия

ЦИФ - цифровой избирательный вызов

ЦУДС - центр управления движением судов

ЭТХ - эксплуатационно-технические характеристики

ЭКС - электронная картографическая система-

DGPS _ Differential GPS - Дифференциальная система GPS

EGNOS - The European Geostationary Navigation Overlay Service

Европейская служба геостационарного навигационного дополнения

(FM/GM - (Frequency Modulation/Gaussian Minimum Shift Keying) SK) частотная модуляция с гауссовской минимизацией

сдвига

IALA - Международная ассоциация маячных служб и

навигационных средств IMO - International Maritime Organization - Международная

морская организация

LAAS - Local Area Augmentation System - Локальная

дифференциальная система MMSI - Multi-Functional Satellite Augmentation Sistem -

ШДПС,развернутая Японией MSAS - идентификатор морской подвижной радиослужбы

MSC - Комитет IMO по безопасности на море

NAV - Подкомитет IMO по безопасности мореплавания

SOLAS - Международная конвенция по охране человеческой жизни на море

TDMA _ Множественный доступ с временным разделением

UTC - Всемирное координированное время

VDL - VHF Data Link - канал передачи данных

WAAS - Wide Area Augmentation System - ШДПС, развернутая США

WCDA - Western Geodetic System-84 - Всемирная геодезическая система-84

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение надлежащего уровня безопасности плавания при навигации, как в прибрежных морских районах, так и акватории внутренних водных путей (ВВП) России, при соответствующем уровне организации транспортного процесса в целом.

Объясняется это ежегодным ростом интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрением современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения, причем в качестве основного метода судовождения штурманский состав в основном отдает предпочтение лоцманского методом судоходства, который не позволяет в полной мере обеспечить надлежащий уровень безопасности судоходства на ВВП России в соответствии с общепринятыми мировыми стандартами. В качестве конструктивного решения указанной комплексной задачи может выступать переход от лоцманского к инструментальному методу плавания на ВВП, базирующемся на использовании систем электронной картографии в сочетании с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных системы ГЛОНАСС/ОР8 и, конечно, создании и внедрении новых инфокоммуникационных систем водного транспорта.

В настоящее время значительный интерес у специалистов водного транспорта вызывают вопросы, связанные с внедрением на внутреннем водном транспорте Российской Федерации инфокоммуникационных систем типа: корпоративная речная информационная служба (КРИС); речная информационная система (РИС) и автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС) весьма актуальны с этой точки зрения.

Помимо обеспечения безопасности судоходства на сегодняшний день специалистов привлекают вопросы мониторинга и управления транспортным

процессом на ВВП. Решение задач такого плана так же ведется с помощью береговой инфраструктуры иерархической триады КРИС-РИС-АСУДС.

Значительную роль в повышении эффективности мониторинга и управления играет информационная технология ХХ-ХХ1 веков -автоматизированные идентификационные системы (АИС), которая позволяют решить поставленную задачу при интеграции их в состав действующих береговых систем управления движением судов, в том числе для построения национальных и глобальных систем мониторинга и управления движением флота. Для регионов, входящих в Единую Глубоководную Систему РФ (ЕГС РФ), основным направлением определено именно развитие береговой инфраструктуры, в частности за счет построения цепей станций и ретрансляторов АИС. В то же время для других регионов и в особенности для протяженных рек Сибири и Дальнего Востока, вероятно, вследствие необходимости значительных финансовых вложений такой подход не будет применен в качестве основного, что подтверждается подписанием Федеральным агентством морского и речного транспорта Министерства транспорта РФ распоряжения от 7 июля 2006г.: "О развитии технологических сетей связи на внутренних водных путях" № АД-103-р, в соответствии с которым спутниковое оборудование спутниковой системы радионавигации и связи (ССРНС) «Глобалстар» и спутниковой системы связи (ССС) «ИНМАРСАТ» рекомендовано использовать на речных судах удаленных районов внутренних водных путей Сибири, Дальнего Востока и малонаселенных районов Европейской части России для обеспечения технологической связью и в целях повышения безопасности судоходства.

Значительную роль в повышении эффективности систем АИС по мониторингу и управлению транспортным процессом является применение в них помимо традиционных узкополосных сигналов с гауссовской ЧМ сложных сигналов, обеспечивающих высокую электромагнитную защищенность и устойчивость таких систем при воздействии комплекса

мультипликативных и аддитивных помех, особенно взаимных. Последние вопросы исследованы в научно-технической литературе недостаточно.

В связи с изложенным, целью диссертационной работы является решение актуальной научной задачи повышения безопасности судоходства и эффективности мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях на основе внедрения последовательно-параллельных сложных сигналов с псевдослучайной прыгающей рабочей чистотой в инфокоммуникационные системы АИС, как одного из важнейших, перспективных способов передачи цифровой информации в иерархических триадах.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Результаты анализа информационного обеспечения и принципов функционирования АИС в речных АСУДС.

2. Модели цифровых информационных каналов АИС и частотно-временных характеристик последовательно - параллельных сигналов.

3. Алгоритмы и методики расчета электромагнитной защищенности информационных каналов автоматизированных идентификационных систем с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой при воздействии взаимных помех.

4. Методики и результаты анализа и рекомендации по обеспечению функциональной устойчивости основных характеристик зон действия систем АИС с ППРч при воздействии взаимных помех.

Методологической основой исследования являются принципы системного анализа и управления технологическими процессами, экспертные оценки и методы их обработки, теория АСУ, теория радиосвязи, радиолокации, спутниковой навигации, методы формирования алгоритмов проектирования систем связи и управления.

Научная новизна работы состоит:

1. В создании современного метода построения инфокоммуникационных каналов в системах АИС для передачи цифровых данных в условиях комплекса мультипликативных и аддитивных, прежде всего взаимных, помех.

2. В разработке математического и алгоритмического обеспечения расчета электромагнитной защищенности и функциональной устойчивости систем АИС с псевдослучайной прыгающей рабочей частотой при воздействии взаимных помех.

3. В разработке методик и результатов анализа систем АИС с ППРЧ ври воздействии взаимных помех при различных мультипликативных помехах: отсутствие замираний сигналов и помех, их обобщенные релеевские замирания и наконец чисто релеевские замирания сигналов и помех.

4. В получении результатов сравнительного анализа систем АИС с традиционной узкополосной гауссовской ЧМ (АИС1, АИС2, АИСВ) с системами АИС изпользующими последовательно - параллельные сложные сигналы, прежде всего с ППРЧ.

Практическая ценность работы состоит в том, что сформулированные выводы и предложения могут быть использованы при реализации проектов создания комплексных систем управления движением судов и безопасности судоходства на внутренних водных путях России. Разработанные методы и модели использования АИС могут явиться базой для модернизации существующих и построения новых систем АИС на различных участках внутренних водных путей, а также существенно уменьшить риски, связанные с некорректным построением их информационных полей.

Реализация научных результатов. Отдельные положения диссертационной работы реализованы в Государственном Университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, в Малом инновационном предприятии ООО «ИНФОКОМ», в ООО НПФ «МАРИНЕРУС».

Публикации и апробации работы. По тематике работы опубликовано 7 научных статей в изданиях, предусмотренных "Перечнем изданий ВАК". Осуществлен доклад на межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Водный транспорт России: история и современность», посвященной 200-летию транспортного образования в

11

России (СПГУВК, 2012).

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных источников, содержащего 121 отечественных и зарубежных работ, включает в себя 137 страниц текста, 30 рисунков, 6 таблиц.

Раздел 1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПРИНЦИПОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АИС В РЕЧНЫХ АСУ ДС.

1.1 Иерархические информационные триады и инфокоммуникационные

системы.

Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях России требует постоянного развития и совершенствования технических средств и систем, занятых в процессе. Кроме того, все более возрастает потребность в обмене информацией между сторонами, связанными с судоходством по ВВП, в частности, обмен информацией, связанной с безопасностью движения, информацией о спецперевозках, грузо- и пассажиропотоках. Получателями такой информации выступают не только органы, регулирующие движение судов по ВВП и на акваториях портов, но и множество коммерческих и некоммерческих организаций, занимающихся агентированием судов, экспедированием грузов, бункеровочными и другими операциями. Перед сектором внутреннего водного транспорта сейчас стоит задача связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей определенную совместимость и эффективное взаимодействие.

Для решения такой задачи одной из наиболее перспективных и конструктивных в настоящее время является триадно-иерархическая инфо