автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование влияния электромагнитной защищённости информационных каналов широкозонных дифференциальных подсистем на точность мониторинга и управления движением судов

На правах рукописи

004599934

Фам Ки Куанг

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЗАЩИЩЁННОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ НА ТОЧНОСТЬ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ

Специальность:

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2010

004599934

Работа выполнена на кафедре «Технические средства судовождения и связи» Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Вишневский Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Зубарев Юрий Яковлевич Бояров Александр Викторович

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Холдинговая компания Ленинец»

Защита состоится « <35" » февраля 2010г. в «14:00» часов на заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций..

Автореферат разослан «¿Я) января 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Многолетний анализ аварий судов мирового морского флота вместимостью более 3 тыс.рег.т говорит о том, что преобладают чисто навигационные виды аварийности: посадка на мель (35%) и столкновение (20%). Большинство навигационных аварий связано с техническими проблемами, а также с точностью и надежностью определения положения судов. По этой причине вопросы навигационной безопасности мореплавания являются важнейшим требованием к эксплуатации судов, а также самыми актуальными.

Наиболее рациональным путем устранения указанных недостатков и улучшения основных характеристик систем GPS и ГЛОНАСС, необходимых для расширения их функциональных возможностей, является применение дифференциального режима (ДР) этих систем, что позволяет добиться повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения в рабочих зонах дифференциальных подсистем (ДПС).

В настоящее время наиболее перспективным средством обеспечения безопасности мореплавания на морях, в прибрежных водах, в узкостях, а также на внутренних водных путях (ВВП) признаны дифференциальные подсистемы спутниковой радионавигационной системы (СРНС). Они подразделяются на широкозонные, региональные и локальные.

Широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС), включающие в себя Американскую WAAS (Wide Area Augmentation System), Европейскую EGNOS {European Geostationary Navigation Overlay Services) и Японскую MSAS (Multifunctional Satellite Augmentation System), повышают точность, целостность, непрерывность и эксплуатационную готовность навигационного обеспечения в пределах большой зоны действия. В случае нарушения и сбоев в работе ШДПС, которые могут произойти из-за воздействия помех, а также из-за увеличения энергетических потерь при распространении радиоволн в свободном пространстве, требуемая точность местоопределения судов не обеспечивается.

Очевидно, что точность обсервации судна не только зависит от вероятности безопасного плавания, но и в большой степени связана с качеством сигнала и с информационным каналом в радиолинии ШДПС, его электромагнитной защищённостью. Поэтому выбор в качестве критериев оценки точности обсервации судна не только вероятности безопасного плавания, но и коэффициента электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок совершенно справедлив, т.к. указанные критерии более полно отражают навигационную обстановку.

Цель работы состоит в повышении точности обсервации судна и безопасности мореплавания на основе разработки методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих комплексную оценку качества информационных каналов ШДПС, способствующую улучшению их электромагнитной защищённости за счёт минимизации площади поля поражения сигнала и максимизации коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов (ЭМЗИК) в ШДПС.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать принципы построения, функционирования и обшую структуру ШДПС, а также предпосылки использования ШДПС для совершенствования радионавигационного обеспечения.

2. Использовать новые критерии оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС - поле поражения сигнала и коэффициент ЭМЗИК (Кэмз).

3. Выполнить анализ помехозащищённости (ПЗ), электромагнитной совместимости (ЭМС), ЭМЗИК ШДПС и разработать имитационную модель ЭМЗИК ШДПС в условиях воздействия сосредоточенных помех.

4. Разработать методику оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на время восстановления их нормального функционированния.

5. Разработать методику оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна.

Объектом исследования является электромагнитная защищённость информационных каналов ШДПС,а также её влияние на точность обсервации судна.

Предмет исследования составляют технологические процессы электромагнитной защиты информационных каналов ШДПС, их взаимосвязь с навигационным обеспечением судов в условиях воздействия помех.

Методы исследования. Методологической основой исследования являются системология, теория сигналов, теория оценок, теория алгоритмов, принципы системного анализа, теория систем массового обслуживания, теория управления и принятия решений, теория радиосвязи, теория математического и имитационного моделирования, математическая теория надежности.

Основные результаты. В работе получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:

1. Анализ принципов построения, функционирования и общей структуры широкозонных дифференциальных подсистем, а также их эффективности и предпосылок использования.

2. Использование новых критериев оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС - поля поражения сигнала и коэффициента ЭМЗИК (Кэмз).

3. Имитационная модель ЭМЗИК систем ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех.

4. Методика прогнозирования времени восстановления нормального функционирования радиолиний ШДПС.

5. Методика оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна. Практическая ценность работы состоит в использовании её результатов в совершенствовании радионавигационного обеспечения России, в т.ч. широкозонных дифференциальных подсистем, а также в учебном процессе кафедры при подготовке специалистов по специальности 180402.65 «Судовождение на морских путях». Результаты работы внедрены в учебный процесс СПГУВК и Вьетнамского морского университета, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Полученные результаты докладывались на: - межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвя-

щенной 200-летию транспортного образования в России. «Водный транспорт России: история и современность» (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 2009).

- Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России. «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 2009).

- научных семинарах кафедры.

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликованы 09 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх слав с основными выводами, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объём работы составляет 169 страниц, в том числе 136 страниц основного текста, 41 рисунка, 23 таблицы, список используемых источников из 101 наименований и 3 приложения.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены условия использования дифференциального режима глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС.

Основными достоинствами этих систем при использовании в штатном режиме работы являются глобальность рабочей зоны, высокие доступность, точность и надежность при непрерывности навигационных определений, а в дифференциальном режиме работы (ДР) - возможность повышения точности и надежности навигационных определений в рабочей зоне ДПС. Эксперименты показали возможность снижения ошибок местоопределения GPS/ГЛОНАСС до 5 м при использовании дифференциального режима в рабочей зоне ДПС.

На основании анализа методов использвания дифференциального режима следует отметить основные для этого условия:

- дифференциальный режим с коррекцией координат может быть использован для коррекции координат потребителя, а также выбран в случае, когда потребитель и ККС (контрольно-корректирующая станция) для выполнения местоопределений выбирают одинаковое созвездие космического аппарата (КА) СРНС (координаты ККС заранее известны с высокой точностью).

- дифференциальный режим с относительными координатами может быть использован в случае, когда точная геодезическая привязка контрольно-корректирующей станции затруднена. В этом режиме оба объекта равноправны, не требуют знания местоположения одного из них, являющегося опорным, а также могут быть выполнены по одному и тому же созвездию КА СРНС.

- дифференциальный режим с использованием псевдоспутников может быть применён в случае, когда передаваемые контрольно-корректирующей станцией сигналы с дифференциальной поправкой и другой информацией привязаны к местной шкале времени.

Рассмотрение функционирования дифференциального режима СРНС показало, что по своему принципу действия наиболее подходящим для использования в ГЛО-НАСС и GPS является метод псевдоспутников. С точки зрения навигации, наиболее

рациональным является метод коррекции координат, т.к. не накладывает ограничений на выбор созвездия спутников.

Во второй главе проанализированы принципы построения, функционирования и обшая структура широкозонных дифференциальных подсистем, а также значения их эффективности и предпосылки использования.

Системы ШДПС включают в себя Американскую WAAS, Европейскую EGNOS и Японскую MS AS (см. рис. 1). Они строятся с использованием геостационарных космических аппаратов в качестве средств передачи сигналов контроля целостности и дифференциальных поправок. Такие системы созданы на основании Международного технического стандарта, относящегося к дифференциальной глобальной навигационной спутниковой системе, который называется GNSS RTCM SC-104, версия 2.2, 1998 (International standards for differential Global Navigation Satellite System, Radio Technical Commission for Maritime Servicer, Special Committee, № 104, version 2.2, 1998. - USA).

Рис. 1. Схема расположения систем ШДПС (WAAS/EGNOS/MSAS)

В основном, принципы построения, функционирования и структурная организация этих систем почти одинаковы. Система ШДПС состоит из космического и наземного сегментов (см. рис. 2):

1. Космический сегмент включает в себя геостационарные космические аппараты (ГКА) типа ИНМАРСАТ или MTSAT. Он обеспечивает передачу навигационного GPS/ГЛОНАСС сигнала в диапазоне L1 на частоте f = 1575,42 МГц, который увеличит доступность, точность и надежность навигационных определений, а также сигналов контроля своей целостности и ретрансляцию сформированных на земле сообщений о целостности НКА GPS и ГКА и вектора поправок к эфемеридным данным, шкалам времени и к параметрам ионосферной модели.

2. Наземный сегмент включает в себя:

- широкозонные контрольные станции (ШКС), предназначенные для контроля и наблюдения за состоянием навигационного поля;

- широкозонные главные станции (ШГС), предназначенные для обработки данных мониторинга, расчета поправок, формирования информации о целостности, навига-

>

INMARSAT

GPS>?

Ч

ционного сообщения и наблюдений ШКС;

- наземные станции передачи данных (НСПД), которые должны передавать сигналы целостности и корректирующие поправки (КП) на ГКА._

ГКА

(ИНМАРСАТ или МТБАТ)

мШшИИ'

ишгйнш

ШКС

ШКС

СУДНО

Рис. 2. Схема общей структуры системы ШДПС

Система ШДПС выполняет следующие функции: сбор данных о состоянии навигационного поля; определение ионосферных коррекций; определение и уточнение параметров орбит спутников; контроль целостности КА; определение коррекций орбит и временных поправок для КА; обеспечение работоспособности и собственного нормального функционирования; увеличение числа навигационных спутников за счёт использования ГКА; формирование дифференциальной корректирующей информации; распространение информации о целостности и корректирующих поправок потребителям.

Основное различие между видами ШДПС заключается в зоне охвата и действия (см. рис. 1), а также в обеспечении различных значений среднеквадратической погрешности (СКП) при местоопределении судна.

В таблице 1 показаны результаты сравнения точности местоопределения трёх видов ШДПС (СКПшдпс) с допустимой точностью по требованию ИМО А.815(19) 1995г. (СКП-феб 210 м с Р = 95%). На рис. 3 построена сравнительная диаграмма трёх видов ШДПС по значениям эффективности (Э%), рассчитанным с помощью СКП:

Э% = СКПтреб~СКПтпс х 100 (1)

СКПтреб

Таблица 1

Требуемая точность обсервации (СКПтое6), (м) Фактическая точность местоопределения ШДПС (СКПшапс), (м)

10 \VAAS ЕСШв МвАБ

2,5 2,0 3,5

Эффективность (Э%) 75% 80% 65%

Точность определения координат системы ШДПС находится в пределах 1-3,5м, что значительно лучше точности номинального режима ГЛОНАСС и тем более GPS. Это удовлетворяет не только всем требованиям к навигационному обеспечению судов, но и может быть применено при решении задач точной навигации, разведке полезных ископаемых и т. д. Эффективность, определяемая с помощью СКП при использовании EGNOS (80%) ,„ выше, чем эффективность при использовании системы WAAS (75%) и MSAS

\ ^ р

(65%), в 1,2 раза и в 1,8 раза, соответственно. Существенную роль в обеспечении высокой эффективности ( ШДПС по СКП играет качество информационных каналов радиолиний J С;Р8СЖ1>ЙАСе(йЖММАМЖК практически охватывают большую часть европей- : ской и азиатской территории России (см. рис. 1). В работе представлены основные направления работ по созданию ШДПС 1 uw"t

для совершенствования радионавигационного Рис. 3. Сравнительная диаграмма

г, „ трёх видов ШДПС по эффективности

и третьтеи главе проанализированы поАлшшцшщ.ппии1. ujjV jjiviw puiviai ~

нитная совместимость (ЭМС) и ЭМЗИК ШДПС в случае воздействия помех. Представлены направления и методы улучшения ЭМЗИК радиолиний ШДПС. При этом выбиран критерий оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС -поле поражения сигнала и коэффициент ЭМЗИК (Кэмз).

В работе рассмотрены источники возможных радиопомех и основные источники погрешностей в дифференциальных подсистемах, а также их влияние на качество приема сигнала и точность навигационных параметров. При этом учитываются рассчитанные потери энергии радиосигнала в атмосфере. Эти проблемы связаны со снижением точности и надёжности местоопределения судов, т.е. приводят к снижению показателей безопасности мореплавания.

ЭМС и ПЗ, оперируя одними и теми же параметрами, могут достаточно ёмко характеризовать качество той или иной радиолинии или радиосистемы. Однако более комплексной оценкой качества линий радиосвязи и местоопределения может служить электромагнитная защищенность их информационных каналов.

При решении задач анализа и синтеза структуры сигналов при воздействии помех качественная оценка структурного различия сигналов и помех представляется нормированным коэффициентом взаимного различия (КВР).

В отличие от ЭМС и ПЗ, ЭМЗИК базируется на топологических вариациях проекций сечений КВР применяемых в ШДПС полезных сигналов в условиях возейст-вия помех, т.е. на поле поражения сигнала. Уровень сечения КВР (С) определяется по формуле (2):

с

Г- о2 - <>0" (2)

^ бОгдоп ,2 У

Пп

где Ь2П - величина энергетики помехи; 6д(т - величина, характерная для систем, оптимальных и субоптимальных в каналах с шумами, но работающих в условиях одновременного воздействия шумов и помех, при превышении которого вероятность ошибки в системе недопустимо ухудшается: Р > Рдоп. = 10"'; 10"2.

Во всех случах вероятность ошибки поэлементного приема находится в функциональной зависимости от коэффициента взаимного различия (КВР).

Поле поражения сигнала (ППС) или площадь поля поражения сигнала (ПППС) является мерой суждения о качестве не только используемых в радиолиниях ШДПС сигналов, но и о качестве самой ШДПС, её электромагнитной защищенности. При этом полем поражения сигнала называется площадь проекции сечения двухмерного нормированного КВР сигнала и помех на уровне, определяемом допустимой и требуемой вероятностью ошибки при поэлементном приёме, а также мощностью помехи.

В эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС) по стандарту МЭК/ИСО 7498-2 принята 7-уровневая иерархия функций взаимодействия. В целях обеспечения ЭМЗИК радиолиний на различных уровнях, можно определить некоторые направления решения проблемы. К ним относятся:

1. Динамическое формирование сигналов и протоколов их передачи при повышении помехоустойчивости на физическом уровне.

2. Динамическое управление защитой радиолиний: оперативное, своевременное распознавание помех и принятие мер на канальном уровне.

3. Адаптивное управление частотными, маршрутными и аппаратурными ресурсами.

В работе рассмотрены методы улучшения ЭМЗИК ШДПС (см. рис. 4), включающие следующие признаки: этапы жизненного цикла создания радиоэлектронных средств связи; системный подход к решению задач электромагнитной защищенности; технический и организационный способ применения; используемый ресурс.

Методы улучшения ЭМЗИК ШДПС ---Ц- ~

По отношению жизненного

к этапам цикла

На этапах проектирования и разработки

На этапе испытаний

На этапе производства

На этапе эксплуатации

По уровню системности

На уровне элементов и блоков

Технические

На уровне устройств

Организационные

На уровне комплексов и систем

По способу применения

По используемому ресурсу

Посредством пространственного ресурса

Посредством частотного ресурса

Посредством временного ресурса

Посредством энергетиче-_ского ресурса_

Посредством поляризационного ресурса

Рис. 4. Методы улучшения ЭМЗИК ШДПС

Для комплексной оценки качества радиолиний ШДПС, в том числе их электромагнитной совместимости, применяется критерий "поле поражения сигнала". Этот критерий позволяет объединить и структурные различия полезных сигналов и помех, и статистические параметры канала, и оценку решающей схемы приемника.

Критерием оценки электромагнитной защищённости информационных каналов радиолинии может являться и коэффициент Кэмз, определяемый с помощью ПГТПС. Коэффициент КэМз численно равен дополнению значения коэффициента простоя радиолинии Кп до «1». Коэффициент К„ представляет собой геометрическую вероятность неработоспособности радиолинии в результате воздействия помехи и определяется как вероятность энергетического подавления радиолинии Рэн, которая является отношением оцениваемой ПППС (5 ) к максимальной ПППС (5 ):

у ^ г ' 4 "пгах

(3)

гшах

Таким образом, для обеспечения точности обсервации судна и безопасности мореплавания задача повышения качества радиолиний в ШДПС за счёт улучшения ЭМЗИК часто сводится к выбору лучших сигналов, обеспечивающих при воздействия помех минимальную ПППС и высокий коэффициент ЭМЗИК (Кэмз).

В четвертой главе рассматривается влияние ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна. Разработана имитационная модель ЭМЗИК систем ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех. Осуществлено прогнозирование влияния ЭМЗИК ШДПС на время восстановления радиолинии.

Оценить степень ЭМЗИК, принадлежащих радиолиниям ШДПС в направлениях «СРБ/ГЛОНАСС - ШКС», «НСПД - КА ИНМАРСАТ» и «КА ИНМАРСАТ - судно», позволяет методика с использованием критериев "площадь поля поражения сигнала" и коэффицента Кэм„ т.е. разработана имитационная модель ЭМЗИК ШДПС в условиях воздействия помех.

Вначале вычисляем двухмерные нормированные КВР (£20) и ПППС при воздействии на метку времени систем ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ узкополосных помех. Метка времени ГЛОНАСС представляет собой синхронизирующую 30-

символьную последовательность {ат}Сь: 111110001101110101000010010110, и метка времени ИНМАРСАТ имеет 32-символьную кодовую последовательность {агп}^: 01001000010101110110001111100110. Соответствующие указанным помехам и сигналам зависимости КВР имеют вид модели (4):

N

2л

где СО

^ехр }{угп -2лпх)--—^-ехр(- }ЛХ^ ехр ](у/п -2лпх)

лх „=| лх

(4)

АП. у = *е[-и]; у е [-1,1]; ¥т=агпх, агпе{0,1}-

Т о)0 Т

кодовая последовательность г-го варианта сигнала; Т - длительность элементарного сигнала.

При незамирающих противоложных сигналах и замирающей сосредоточенной помехе вероятность ошибки в рассматриваемом случае определяется по формуле:

10

где

-Ф

Г л/2А

(5)

2(Щ

функция Крампа. Из этого выражения следует:

2/1,

(6)

[ф-'О-з^)]2

где Ф",(1-2РД0П) - функция, обратная Ф(1-2РД,

И о - величина Ь с, необходимая в канале только с флуктуационным шумом для получения требуемого значения вероятности ошибки (Ртреб)- Полагая Ртр(.5 = 510

!что соответствует Ь 0 = 10, а также Рдоп (5дОП = 10. Считая Ь2П = 30; 102; 3-Ю2; 103

трео/

= 10"1 на основании (6) получим значение по формуле (2) получаем 4 уровня сечения КВР (С), соответственно: С = в20гтп = 0,3(а); 0,1(6); 0,03(в); 0,01 (г).

Пользуясь пакетом прикладных программ "МаЛСасГ, были произведены расчёты КВР по формуле (4), получены рельефы двухмерных нормированных КВР (см. 'рис. 5 и рис. 6) и площади поля поражения сигнала метки времени системы ГЛО-(НАСС и системы ИНМАРСАТ (см. рис. 7 и рис. 8).

Рис. 5. КВР сигнала ГЛОНАСС при воздействии узкополосной помехи

Рис. 6. КВР сигнала ИНМАРСАТ при воздействии узкополосной помехи

5 10 15 20 у

Рис. 7. ПППС сигнала ГЛОНАСС при воздействии узкополосной помехи

5 10 15 30 у

Рис. 8. ПППС сигнала ИНМАРСАТ при воздействии узкополосной помехи

При этом рассчитаные коэффиценты Кэмз ГЛОНАСС на 4-х вышеуказанных уровнях КВР следующие: Кэмза = 1,00; Кэмз6 = 1,00; Кэмзв = 0,88; Кэмзг = 0,58, а также коэффиценты Кэмз ИНМАРСАТ: Кэмза= 1,00; Кэмзб = 1,00; Кэмзв = 0,88; Кэмзг = 0,76.

Таким образом, при воздействии узкополосных помех только в случае значительной энергетики помехи (А* =Ю3) коэффициент Кэмз значительно ухудшается, уменьшаясь до 58% (мы оцениваем по наихудшему варианту). При этом коэффициент Кэмз ИНМАРСАТ больше, чем коэффициент Кэмз ГЛОНАСС.

В случае воздействия на метку времени ГЛОНАСС ретранслированной помехи получаем рельеф двухмерного нормированного КВР по формуле (7):

"(7)

. их

gl у')= -¡р

sin {^-[1 - (у'-А)]} „_, D-(у'-*)]}• „-ехр [- J - О] -

N

Г .«xO'-QI ^"{f0'"0} »*"> Г . 2лх 1

L-'—л—J--ж--.........expr^"J

• ехр

L 14 J

N

гДе ю0 = —= х = у' = ~', хе. [-1,1]; /6 [-1,1]; |*| = 0,1,2,...,*-1.

Т А?г0 щ Т Считая, что в радиолинии имеют место независимые рэлеевские замирания сложного сигнала и ретранслированной помехи, а также число составляющих в частотно-временной матрице М = 3, согласно выражению для вероятности ошибки,

получаем: 6доп = ■ й02 -1 (8)

V 2А/-1

где Ь20 - величина Ь2С, необходимая для обеспечения в канале только с флуктуацион-ным шумом требуемого значения вероятности ошибки (Ртреб). Полагая Р1реб ~ 10 что соответствует Ь20 = 40, а также Рдоп = 10"2, из (8) имеем 5до;| = 3. Применяя формулу (2) и считая Ь2П = 10; 30; 102; 3-Ю2, получаем те же уровни сечения КВР, что и в случае воздействия узкополосных помех.

В работе проводится оценка зависимости ЭМЗИК ШДПС от изменения соотношений дистанций связи и помех при воздействии помех. Произведя расчёты двухмерных нормированных КВР, используем затем формулу (9) для расчёта энер-

гетики помехи: = P4epnG,KpnG„pn(a)

(,

Р С1 С

пер пер чр

hi (9)

где Р„ерп> Рпер - мощности передатчика помех и "полезного" передатчика космического аппарата; Gnepn, Gnep - коэффициенты усиления антенн (КУА) передатчика помех и "полезного" передатчика, соответственно; G„p - КУА приемника; Gnpn(a) -КУА приемника, принимающего помеху под углом а; гсо/гп - отношение дистанции связи к дистанции помех; h2c - величина энергетики сигнала.

Найдя допустимые уровни сечения КВР (С) и определяя на них площади полей поражения сигналов строчной синхронизации (метки времени) Sr = ), с помощью программ "MS Excel" и "MathCad" находим:

С = gL„ = f(P„don, h2n, rCB / rn, hi) (10)

Учитывая формулу (3) для вычисления коэффициента Кэмз и "сопрягая" С с Кэмз, получаем математическую модель (11):

К,и, = / (с, Раш.до„, , Гсв/ГПЛ2, Р„ер - Р„ерп . Спер. С„ерп' С.р' ^П («)) (11 >

При этом используем величину 5Д0П = 10 для случая воздействия узкополосных помех (см. формулу 6) и 5Д0П ~ 3 для случая воздействия ретранслированных помех (см. формулу 8). Применяя формулу (9), задавая значения отношению РЛЕрп/РПер" 0,5; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0, а также Спрп(а)/Спр: 0,5; 0,6; 0,8; 0,9 и считая СперП = Спср, получаем различные значения Ь2„, а значит, и различные значения уровней сечения КВР, а также соответствующие им коэффициенты Кэмз при следующих величинах гсв/гп: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0.

В таблицах 2 и 3 для примера представлены некоторые результаты расчетов Кэмз на радиолини системы ГЛОНАСС при воздействии узкополосных помех (УП) и ретранслированных помех (РП), соответственно, а также на рис. 9 построены графики зависимостей Кэмз = 1"(гС0/гп).

______Таблица 2

Сцрп(а)/СПр ь2с Г п 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

РперП^пер Коэффициент К,„ 3

0,9 40 0,5 1,000 1,000 0,998 0,994 0,986 0,973

0,9 40 1,0 1,000 0,999 0,993 0,978 0,950 0,905

0,9 40 1,2 1,000 0,998 0,990 0,969 0,931 0,872

0,9 40 1,5 1,000 0,997 0,984 0,953 0,899 0,820

0,9 40 2,0 1,000 0,994 0,973 0,923 0,840 0,733

Таблица 3

Спрп(а)А-гпр Ь2с 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

РперП^пер Коэффициент Кэм 3

0,9 40 0,5 0,963 0,747 0,505 0,340 0,238 0,174

0,9 40 1,0 0,892 0,541 0,311 0,193 0,130 0,092

0,9 40 1,2 0,862 0,485 0,269 0,165 0,110 0,078

0,9 40 1,5 0,817 0,419 0,223 0,135 0,089 0,063

0,9 40 2,0 0,747 0,340 0,174 0,103 0,068 0,048

Рис. 9. Графики зависимостей Кэмзглонасс= С(гсв/гп) при воздействии: а) УП и б) РП.

13

Анализируя таблицы и рисунки, следует отметить, что при гсв/гп = 1; Рперп/Рпер = 1; Спрп(а)/Спр = 0,9; Ь20 = 40, в случае воздействия узкополосной помехи Кэмз = 0,999. При таких же условиях, но при ретранслированной помехе Кэмз = 0,541. Если гсв/гп = 0,5, Кэмз = 0,892 при ретранслированной помехе, а электромагнитная защищённость радиолиний ГЛОНАСС при узкополосной помехе абсолютна, т.е. Кэмз = 1.

В таблице 4 для примера показаны результаты расчетов Кэмз на радиолинии системы ИНМАРСАТ при воздействии узкополосных помех, а также на рис. 10 построены графики зависимостей Кэмз = 1"(гсв/гп). При одинаковых условиях (т.е. гсв/гп = 1; Рперп/Рпер = 1; СпрП(а)/Спр = 0,9; Ь20 = 40), но в случае воздействия узкополосной помехи коэффициент Кэмз ИНМАРСАТ составляет 0,987.

Таблица 4

Gnpn(ct)/Gnp h\ rjr„ 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

РперП^пер Коэффициент Кзм 3

0,9 40 0,5 1,000 0,996 0,984 0,961 0,929 0,889

0,9 40 1,0 0,999 0,987 0,954 0,903 0,841 0,773

0,9 40 1,2 0,998 0,982 0,941 0,880 0,809 0,733

0,9 40 1,5 0,998 0,975 0,921 0,847 0,764 0,681

0,9 40 2,0 0,996 0,961 0,889 0,796 0,699 0,608

Таким образом, зависимость ЭМ-ЗИК радиолиний 111ДПС от изменения отношений гсв/г„ в условиях воздействия узкополосной помехи не столь значительна, как при ретранслированной помехе в области rCB/rn е 0,5+1,5. Поэтому узкополосная помеха имеет либо слабое воздействие на радиолинии ШДПС, либо вообще не влияет на функционирование радионавигационных линий. При тех же условиях функционирования ретранслированные помехи наносят спутниковой радионавигационной системе значительный урон, и её электромагнитная защищённость требует существенного повышения.

Результаты подробных расчётов значений С и Кэмз по программе "MS Excel" при h2c = 10; 20; 40 при воздействии узкополосных и ретранслированных помех для радиолинии ГЛОНАСС и в случае воздействия узкополосных помех для радиолинии ИНМАРСАТ, а также графики изменения С и Кэмз при различных величинах гсв/гп; РПерп/РпеР; Gnpn(a)/Gnp; h 0 приведены в приложениях диссертации.

В работе оценка влияния ЭМЗИК ШДПС на время восстановления их нормального функционирования основывается на использовании математической теории надёжности. С одной стороны, можно рассматривать влияние времени восстановления радиолинии (т) и допустимого времени прохождения информации в системе ШДПС (Тдоп) на коэффициент Кэмз, а с другой стороны, зная коэффициент Кэмз,

Рис. 10. Графики зависимостей Кэмз ИНМАРСАТ от гсв/гп при воздействии УП

можно прогнозировать и время восстановления радиолинии при заданном времени Тдоп. Время восстановления в системе ШДПС определяется по формуле:

' 1 1 Г=ГХТ<Ы=--1 хГ

v

К.п

доп

(12)

У

Результаты подробных расчётов значений т представлены в таблице 5, при этом на рис. 11 построены графики зависимостей т = Г(КЭМЗ) при заданных различных Тдоп.

Таблица 5

^ЭМЗ у= 1 1 т-у х Тдоп

Тдоп1 — 1 Т<)1)п2 — 2 ТдапЗ ~ 3 Т,)оп4 - 4 Тдоп 5 ~ 5

0,90 0,1111 0,1111 0,2222 0,3333 0,4444 0,5555

0,91 0,0989 0,0989 0,1978 0,2967 0,3956 0,4945

0,92 0,0870 0,0870 0,1740 0,2610 0,3480 0,4350

0,93 0,0753 0,0753 0,1506 0,2259 0,3012 0,3765

0,94 0,0638 0,0638 0,1276 0,1914 0,2552 0,3190

0,95 0,0526 0,0526 0,1052 0,1578 0,2104 0,2630

0,96 0,0417 0,0417 0,0834 0,1251 0,1668 0,2085

0,97 0,0309 0,0309 0,0618 0,0927 0,1236 0,1545

0,98 0,0204 0,0204 0,0408 0,0612 0,0816 0,1020

0,99 0,0101 0,0101 0,0202 0,0303 0,0404 0,0505

1,00 0 0 0 0 0 0

Кэмз

Анализируя данные таблицы 5 и графики рисунка 11, можно сделать

следующие выводы. При различных К ! ! -;

величинах Тдоп зависимость т от коэффициента Кэмз также близка к линейной. Для уменьшения времени восстановления в радиосистеме надо увеличивать коэффициент Кэмз, т.е. не только обеспечить электромагнитную совместимость радиолиний, но и повысить эффективность безопасности мореплавания.

Например, при увеличении Кзмз от 0,96 до 0,97 (на 1%) величина т уменьшается: при ТЯ0П| = 1 мин - от 0,0417 до 0,0309, т.е. на 1,08%; при Тдоп2 = 2 мин - от 0,0834 до 0,0618, т.е. на 2,16%; при Тдопз = 3 мин - от 0,1251 до 0,0927, т.е. на 3,24%; при ТД0П4 = 4 мин - от 0,1668 до 0,1236, т.е. на 4,32%; при Тдоп5 = 5 мин - от 0,2085 до 0,1545, т.е. на 5,40%.

В случае нарушения и сбоев в работе ШДПС, которые могут произойти из-за воздействия помех, а также из-за увеличения энергетических потерь в свободном пространстве, требуемая точность обсервации судна не обеспечивается, т.е. безопасность мореплавания снижается.

0,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0.99 I

Рис. 11. Графики зависимостей т = Г(К,М) при заданных различных величинах Тдоп.

Математическое моделирование в этой области следует увязывать, прежде всего, с одной стороны, с выбором количественных критериев навигационной безопасности мореплавания, а с другой стороны, с выбором количественных критериев электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС.

Итак, выбираем в качестве критериев оценки точности обсервации судна не только вероятность безопасного плавания, но и коэффициент электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок. На основании этого выбора критериев вероятность обеспечения точности обсервации судна может быть вычислена по формуле (13):

Рто = Р6пхКэм, (13)

где Рто - вероятность обеспечения точности обсервации судна;

Рбп - вероятность безопасного плавания при плавании среди навигационных опасностей определяется по формуле (14):

'."-ч^Г <14)

где О - кратчайшее расстояние до ближайшей навигационной опасности;

М - радиальная среднеквадратичная погрешность.

Расчёт вероятности Р6„ по формуле (14) производился с помощью таблицы 4.18 МТ-2000 по аргументам О и М. Например, для обеспечения достаточно высокой вероятности безопасного плавания в районе с несколькими навигационными опасностями, равной Рбп = 0,982, и для обеспечения М = 0,2 морских миль Б должно быть не меньше 0,4 морских миль. Такое же значение Р6п имеет место при М = 0,4 и Б = 0,8, при М = 0,6 и Б = 1,2, при М = 0,8 и О = 1,6, при М = 1,0 и О = 2,0.

Результаты расчётов значений вероятностей Рто представлены в таблице 6. На рис. 12 построены графики зависимостей Рто = ДКЭМЗ) при нескольких табличных значениях Рбп (из таблицы 4.18 МТ-2000).

__Таблица 6

Коэффициент Кзмз

Рбп 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00

Рто

0,763 0,687 0,694 0,702 0,710 0,717 0,725 0,732 0,740 0,748 0,755 0,763

0,859 0,773 0,782 0,790 0,799 0,807 0,816 0,825 0,833 0,842 0,850 0,859

0,923 0,831 0,840 0,849 0,858 0,868 0,877 0,886 0,895 0,905 0,914 0,923

0,961 0,865 0,875 0,884 0,894 0,903 0,913 0,923 0,932 0,942 0,951 0,961

0,982 0,884 0,894 0,903 0,913 0,923 0,933 0,943 0,953 0,962 0,972 0,982

Как видно из таблицы и графиков рисунка 12, при заданных различных табличных величинах Р6п зависимость вероятности Рто от коэффициента Кэмз также близка к линейной, повысить точность обсервации судна возможно за счёт более высокой электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок.

Например, требования ИМО к точности обсервации судов в стеснённых условиях плавания могут быть исполнены с вероятностью 95%, при табличной величине Рбп = 0,982, вероятность электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок определяется так:

к £ю=0.£50=0,967 (15) Рт 0,982 То же самое значение Рто при меньшей величине Рбп (допустим, Рбп = 0,961) может быть обеспечено за счёт принятия мер по увеличению коэффициента электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок, а именно:

к Ртв_ = о,989 (16)

Рс„, 0,961

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи повышения точности обсервации судна на основе использования новых критериев оценки качества сигналов и информационных каналов в ШДПС и взаимосвязи их с навигационной безопасностью мореплавания, а также разработки имитационной модели ЭМЗИК ШДПС при воздействии помех. В результате работы получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ условий использования дифференциального режима СРНС GPS/ГЛОНАСС. При этом показаны достоинства и недостатки каждого дифференциального метода, а также пути реализации дифференциального режима в широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистемах. Проведенный анализ особенностей подсистем ШДПС (WAAS, EGNOS и MSAS) показал, что, в основном, принципы построения, функционирования и структурная организация этих подсистем почти одинаковы. Основное различие между видами ШДПС заключается в зоне охвата и действия, а также в обеспечении различных значений среднеквадратической погрешности при местооп-ределении судна.

2. Обосновано использование новых, конструктивных критериев оценки качества сигналов и информационных каналов в ШДПС - поля поражения сигнала и коэффициента ЭМЗИК (Кэмз). При этом показаны основные направления и методы улучшения ЭМЗИК ШДПС.

3. Предложена имитационная модель ЭМЗИК, включающая информационные каналы системы ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ при воздействии помех.

4. Разработана методика оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на время восстановления их нормального функционирования. Иначе говоря, решена задача прогноза времени восстановления радиолинии в системе ШДПС в зависимости от коэффициента ЭМЗИК (Кзш).

5. Разработана методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на точность обсервации судна.

¡0.90

0.60

8 1-'------1-1-■-1-' Кэм1|

0.90 0.91 0.92 0,93 0.94 0.95 0.96 0,97 0,98 0.99 1.00 ■РтоЗ -»-Рго4 -*-Рто5 ,

-Pro!

-Рто2

Рис. 12. Графики зависимостей Рто = 1"(КЭМЗ) при заданных различных табличных значениях Рбп.

IV. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК»:

1. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. Оценка общей эффективности автоматизированной системы управления движением судов. «Программные продукты и системы» № 2(82), Тверь, 2008, С. 59-60.

2. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг., Мисник Е.А. Анализ воздействия взаимных помех на спутниковую радионавигационную систему ГЛОНАСС. «Вопросы радиоэлектроники». Вып. 1, М., 2010, С. 117-120.

В других изданиях:

3. Фам Ки Куанг. Проблемы улучшения электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС в АСУДС. «Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов» № 12, Курск, 2008, С.70-71.

4. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. Оценка взаимосвязи навигационной безопасности мореплавания и электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС. «Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов» № 1, Курск, 2009, С. 124-125.

5. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. О выборе критериев для оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на навигационную безопасность мореплавания. «Мобильные телекоммуникации» № 1, М., 2009, С. 34-35.

6. Фам Ки Куанг., Мисник Е.А. Предпосылки использования ШДПС для совершенствования радионавигационного обеспечения России. - Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность». Книга 3.- СПб.: СПГУВК, 2009. - С. 122-125.

7. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. Оценка точности местоопределения и безопасности плавания судна в дифференциальном режиме работы. «Аспирант и Соискатель» (Спутник +), № 2, М., 2009, С. 92-94.

8. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. О влиянии электромагнитной защищённости радиолиний ШДПС на время их восстановления. «Журнал университета водных коммуникаций». Вып. 4. - СПб.: СПГУВК, 2009. - С. 154 - 157.

9. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг., Мисник Е.А. Электромагнитная защищённость информационных каналов ШДПС в условиях воздействия узкополосных помех. - Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». - СПб.: СПГУВК, 2009.-С. 105-107.

ечатается в авторской редакции

одписано к печати: 12.01.2010. ицензия № 000283 от 19.10.1998. /ч.-издл. 1,28

Сдано в производство: 12.01.2010. Формат 60x84 1/16 Усл.-печ.л. 1,3 Тираж 60 экз. Заказ № 172

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО РЕЖИМА.:.

1.1. Требования к навигационному обеспечению морских судов.

1.2. Анализ возможностей обеспечения точностных характеристик в дифференциальном режиме (ДР).

1.3. Сравнение разновидностей дифференциального режима СРНС.

1.3.1. ДР с коррекцией координат.

1.3.2. ДР с использованием псевдоспутников.

1.3.3. ДР с относительными координатами.

1.4. Анализ задачи функциональных дополнений и пути реализации диференциального режима.

1.4.1. Широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС).

1.4.2. Региональные дифференциальные подсистемы (РДПС).

1.4.3. Локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС).

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ, ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ.

2.1. Широкозональный метод интеграции информационных сетей связи и обсервации.

2.2. Международные технические требования к ШДПС и оценка их функций.

2.3. Анализ принципов построения, функционирования и структурной организации ШДПС.

2.3.1. Анализ принципов построения, функционирования и структурной организации Американской WAAS.

2.3.2. Анализ принципов построения, функционирования и структурной организации Европейской EGNOS.

2.3.3. Анализ принципов построения, функционирования и структурной организации Японской MSAS.

2.3.4. Сравнение ШДПС по эффективности с помощью среднеквадратической погрешности.

2.4. Предпосылки использования ШДПС для совершенствования радионавигационного обеспечения.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ПОМЕХОЗАЩИЩЁННОСТЬ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИЩЁННОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ ШДПС.

3.1. Анализ источников радиопомех.

3.1.1. Атмосферные помехи.

3.1.2. Промышленные помехи.

3.1.3. Флюктуационные помехи.

3.1.4. Взаимные помехи.

3.2. Радиоинтерфейсы космического сегмента.

3.2.1. Тропосферные погрешности.».

3.2.2. Ионосферные погрешности.

3.2.3. Эфемеридные погрешности.

3.3. Учёт ослабления радиосигнала в атмосфере.

3.4. Радиоинтерфейсы наземного сегмента.

3.5. Проблемы улучшения ЭМЗИК ШДПС.

3.6. Количественные критерии ЭМЗИК ШДПС.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЗАЩИЩЁННОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ ШДПС НА ТОЧНОСТЬ ОБСЕРВАЦИИ СУДНА.

4.1. Формат навигационных сообщений в спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

4.2. Электромагнитная защищённость информационных каналов ШДПС в условиях воздействия узкополосных сосредоточенных помех.

4.2.1. Воздействие ретранслированных сосредоточенных помех на радиолинии системы ГЛОНАСС.

4.2.2. Оценка зависимости электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС от изменения соотношений дистанций связи и помех.

4.3. Оценка влияния электромагнитной защищённости радиолиний ШДПС на время восстановления их нормального функционирования.

4.4. О выборе критериев для оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на навигационную безопасность мореплавания.

4.5. Влияние электромагнитной защищённости информационных каналов

ШДПС на точность обсервации судна.

Выводы по главе 4.

Актуальность проблемы

Многолетний анализ аварий судов мирового морского флота вместимостью более 3 тыс.рег.т говорит о том, что преобладают чисто навигационные виды аварийности: посадка на мель и столкновение. По этой причине вопросы навигационной безопасности мореплавания являются важнейшим требованием к эксплуатации судов, а также самыми актуальными.

Главными видами аварийности (в процентах) являются посадка на мель - 35%, столкновение судов - 21%, пожар - 20%, авария двигателя (главного) - 11%, повреждение корпуса (затопление) - 8%, а также другие виды аварий - 5% [10]. В основном, большинство навигационных аварий связано с техническими проблемами, а также с точностью и надежностью определения положения судов.

Как известно, погрешность определения местоположения спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS/TJIOHACC при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме не превышает, соответственно, 100 м и 45 м. Практически, такая погрешность удовлетворяет требованиям к навигационному обеспечению судов в части точности, доступности и рабочей зоны при плавании в открытом море.

Наиболее рациональным путем устранения указанных недостатков и улучшения основных характеристик систем GPS и ГЛОНАСС, необходимых для расширения их функциональных возможностей, является применение дифференциального режима (ДР) этих систем, что позволяет добиться повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения в рабочих зонах дифференциальных подсистем (ДПС) спутниковой навигационной системы (СНС).

В настоящее время наиболее перспективным средством обеспечения безопасности мореплавания на морях, в прибрежных водах, в узкостях, а также на внутренних водных путях (ВВП) признаны дифференциальные подсистемы глобальных спутниковых навигационных систем (ГСНС).

В мире созданы следующие широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС): Американская WAAS (Wide Area Augmentation System), Европейская EGNOS (.European Geostationary Navigation Overlay Services) и Японская MSAS {Multi-functional Satellite Augmentation System). Система ШДПС, комбинированная с элементами GNSS (Global Navigation Satellite System) и безотказным приемником GNSS, дополняет основные орбитальные группировки GPS и/или FJIOHACC, повышая точность, целостность, непрерывность и эксплуатационную готовность навигационного обеспечения в пределах большой зоны действия. С другой стороны, в случае нарушения и сбоев в работе ШДПС, которые могут произойти из-за воздействия помех, а также из-за увеличения энергетических потерь при распространении радиоволн в свободном пространстве, требуемая точность местоопределения судов не обеспечивается. Это приводит к снижению безопасности мореплавания, увеличению риска появления аварийной ситуации.

Очевидно, что точность обсервации судна не только зависит от вероятности безопасного плавания, но и в большой степени связана с качеством сигнала и с информационным каналом в радиолинии ШДПС, его электромагнитной защищённостью. Электромагнитная защищённость информационных каналов (ЭМЗИК) от радиопомех представляет собой одну из важнейших проблем, возникающих как при разработке, так и при использовании радиоэлектронных средств в системах радиосвязи, радионавигации, радиолокации.

Таким образом, выбор в качестве критериев оценки точности обсервации судна не только вероятности безопасного плавания, но и коэффициента электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок совершенно справедлив, т.к. указанные критерии более полно отражают навигационную обстановку.

Цель работы и задачи исследования

Цель исследования состоит в повышении точности обсервации судна и безопасности мореплавания на основе разработки методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих комплексную оценку качества информационных каналов ШДПС, способствующую улучшению их электромагнитной защищённости за счёт минимизации площади поля поражения сигнала (IIIU1C) и максимизации коэффициента ЭМЗИК (Кэмз).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проанализировать принципы построения, функционирования и обшую структуру ШДПС, которые включают в себя Американскую WAAS, Европейскую EGNOS и Японскую MSAS, а также предпосылки использования ШДПС для совершенствования радионавигационного обеспечения.

2. Использовать новые критерии оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС - поле поражения сигнала и коэффициент ЭМЗИК (Кэмз).

3. Выполнить анализ помехозащищённости (ПЗ), электромагнитной совместимости (ЭМС), электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС и разработать имитационную модель ЭМЗИК ШДПС при воздействии сосредоточенных помех.

4. Разработать методику оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на время восстановления их нормального функционированния.

5. Разработать методику оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна.

Объект исследования. В работе исследуется электромагнитная защищённость информационных каналов ШДПС, а также её влияние на точность обсервации судна.

Предмет исследования

Предмет исследования составляют технологические процессы электромагнитной защиты информационных каналов ШДПС, их взаимосвязь с навигационным обеспечением судов при воздействии помех.

Методы исследования

Методологической основой исследования являются системология, теория сигналов, теория оценок, теория алгоритмов, принципы системного анализа, теория систем массового обслуживания, теория управления и принятия решений, теория радиосвязи, теория математического и имитационного моделирования, математическая теория надежности.

Основные результаты. В работе получены и выносятся на защиту следующие основные результаты: \

1. Анализ принципов построения, функционирования и общей структуры широкозонных дифференциальных подсистем, а также их эффективности и предпосылок использования.

2. Использование новых критериев оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС - поля поражения сигнала и коэффициента ЭМЗИК (Кэш).

3. Имитационная модель ЭМЗИК систем ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех.

4. Методика прогнозирования времени восстановления нормального функционирования радиолиний ШДПС.

5. Методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на точность обсервации судна.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в использовании её результатов в совершенствовании радионавигационного обеспечения России, в том числе широкозонных дифференциальных подсистем, а также в учебном процессе кафедры при подготовке специалистов по специальности 180402.65 «Судовождение на морских путях».

Результаты работы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций (СПГУВК) и Вьетнамского морского университета, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Полученные результаты докладывались на:

• межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России. «Водный транспорт России: история и современность» (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 2009).

• Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России. «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 2009).

• научных семинарах кафедры.

Публикация результатов работы

По теме диссертации опубликованы 09 научных статей, дветсз статей опубликованы в издании Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх слав с основными выводами, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объём работы составляет 169 страниц, в том числе 136 страниц основного текста, 41 рисунка, 23 таблицы, список используемых источников из 101 наименований и 3 приложения.

Выводы по главе 4

1. В работе разработанна имитационная модель электромагнитной защищенности информационных каналов, включающей системы ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех. Процесс исследования доказал, что имитационная модель электромагнитной защищенности информационных каналов ШДПС, обеспечивающих дифференциальный режим, повышающий точность местоопределения судов, является наиболее перспективной.

2. Решена задача прогноза времени восстановления радиолинии в системе ШДПС в зависимости от коэффицента ЭМЗИК (Кэмз), а также показал, что для уменьшения времени восстановления радиолинии в системе ШДПС надо увеличивать коэффициент ЭМЗИК (Кэмз), т.е. не только обеспечить электромагнитную совместимость радиолиний, но и повысить точность обсервации судна, а также эффективность безопасности мореплавания.

3. Точность обсервации судна зависит не только от навигационной безопасности мореплавания, но и электромагнитной защищенности линий передачи дифференциальных поправок, выражаемой коэффициентом Кэмз. В диссертации, с одной стороны, рассмотрен целесообразный выбор критериев для оценки взаимосвязи электромагнитной защищенности информационных каналов ШДПС и навигационной безопасности мореплавания, а с дргой стороны, на основании этого выбора критериев разработана методика оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи повышения точности обсервации судна на основе использования новых критериев оценки качества сигналов и информационных каналов в ШДПС и взаимосвязи их с навигационной безопасностью мореплавания, а также разработки имитационной модели электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС в условиях воздействия помех. В результате исследований получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ условий использования дифференциального режима СРНС GPS/ГЛОНАСС. При этом показаны достоинства и недостатки каждого дифференциального метода, а также пути реализации дифференциального режима в широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистемах. Проведенный анализ особенностей подсистем ШДПС (WAAS, EGNOS и MSAS) показал, что в основном, принципы построения, функционирования и структурная организация этих подсистем почти одинаковы. Основное различие между видами ШДПС заключается в зоне охвата и действия, а также в обеспечении различных значений среднеквадратической погрешности при местоопределении судна.

2. Обосновано использование новых, конструктивных критериев оценки качества сигналов и информационных каналов в ШДПС - поля поражения сигнала и коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов (Кэмз). При этом показаны методы улучшения электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС.

3. Предложена имитационная модель ЭМЗИК, включающая информационные каналы системы ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех.

4. Разработана методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на время восстановления их нормального функционирования. Иначе говоря, решена задача прогноза времени восстановления радиолинии в системе ШДПС в зависимости от коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов (Кэмз)

5. Разработана методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на точность обсервации судна.

1. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1993. - 406 с.

2. Новик Л.И., Морозов И.Д., Соловьев В.И. Спутниковая связь на море. Л.: Судостроение, 1987. - 220 с.

3. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения. М.: Эко-Трендз, 2003. - 326 с.

4. Кодекс безопасности мореплавания ИМО. Резолюция ИМО А.529(13): 1983. "Стандарты точности судовождения".

5. Кодекс безопасности мореплавания ИМО. Резолюция ИМО А.815(19): 1995. "Глобальная радионавигационная система".

6. Кодекс безопасности мореплавания ИМО. Резолюция ИМО А.915(22): 2001. "Политика мореплавания в отношении будущей ГНСС".

7. Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения. М.: Транспорт, 1992. - 192 с.

8. Вишневский Ю.Г., Сикарев A.A. Морская радиосвязь и телекоммуникации. СПб.: СПГУВК, 2008. - 271 с.

9. Шебшаевич B.C., Григорьев М.Н и др. Дифференциальный режим сетевой СРНС// Зарубежная радиоэлектроника, 1989, № 1.

10. Лушников Е. Эффективность стандарта точности навигации ИМО// журнал «МОРСКОЙ ФЛОТ», № 3, М., 2002.

11. Бессонов A.A., Мамаев В .Я. Спутниковые навигационные системы -Учебное пособие. СПб.: 2006. - 35 с.

12. Сикарев A.A., Ракитин В.Д., Бродский Е.Л. Перспективы создания ДПС ГЛОНАСС/GPS на ВВП европейской части РФ// журнал «ИНФОРМОСТ», № 4(22), М., 2002.

13. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. - 268 с.

14. Аким Э.Л., Тучин Д.А. Апостериорная оценка точности определения вектора состояния земного наблюдателя по измерениям дальности и скорости системы GPSZ/Российская академия наук. М.: 2001. - С.5-7.

15. Виноградов В.И., Харченко И.П. Электромагнитная совместимость судового радиооборудования. Л.: Судостроение, 1987. - 232,с.

16. Виноградов В.И., Харченко И.П. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средства. Л.: Судостроение, 1987. - 246 с.

17. Прохоренко В.А., Смирнов А.Н. Прогнозирование качества смстем. -М.: Наука и техника, 1976.18. http://www.gpsportal.ru/faql/?cid=l&sid. Что такое дифференциальные подсистемы?

18. Каретников A.A., Сикарев A.A. Топология дифференциальных полей и дальность действия ККС высокоточного местоопределения на ВВП. СПб.: СПГУВК, 2008. - 353 с.

19. Каретников В.В., Ракитин В.Д., Сикарев A.A. Автоматизация судовождения. СПб.: СПГУВК, 2007. - 265 с.

20. Gerard Offermans., Arthur Helwig., Seagull Kim. Eurofix installation &

21. Checkout on FERNS Korean transmitter// International Loran Associationth

22. Annual Convertion and Technical Synposium. Korea, Sep. 2001.

23. Зурабов Ю.Г. Перспективное использование CPHC на морском флоте// журнал «ИНФОРМОСТ », № 5, М., 2006.

24. Комарович В.Ф., Липатников В.А. Многоуровневая защита радиолиний декаметровой связи. СПб.: ВУС, 2003.

25. Бородко А. О навигационном обеспечении транспортного комплекса с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS// журнал «МОРСКОЙ ФЛОТ», № 5, М., 2007.

26. Вишневский Ю.Г., Сикарев A.A. Поля поражения сигналов и электромагнитная защищённость информационных каналов в АСУДС. СПб.: Судостроение, 2006. - 356 с.

27. Поваляев Е., Хуторной С. Дифференциальные системы спутниковой навигации. Обзор современного состояния. (Источник: www.chip-news.ru/archive/chipnews/200206/2.html).

28. Бабуров В.И., Васильева Н.В., Иванцевич Н.В., Панов Э.А. Совметное использование навигационных полей СРНС и сетей псевдостутников. СПб, 2005. - 264 с.

29. Вишневский Ю.Г. Поля поражения сигналов CDMA. СПб.: СПГПУ, 2008. - 62 с.31. http://www.gpsinformation.net/exe/waas.html

30. Вишневский Ю.Г. Оценка влияния ЛЭП на радиолинию дифференциальных поправок «ККС-судно». «Морская радиоэлектроника», № 1, СПб, 2008, С.38-40.

31. Логвиненко П. Судовая радиотехника и электроника. М.: Пищеевая промышленность, 1979. - 207 с.

32. Каретников В.В., Ракитин В.Д., Сикарев A.A. Автоматизация судовождения и связи. СПб.: СПГУВК, 2008. - 320 с.

33. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф., Каблукова М.В. Космическая радиосвязь. М.: Сов. радио, 1979.

34. Вишневский Ю.Г., Мисник Е.А. Обеспечение ЭМЗИК спутниковых линий связи и обсервации. «Морская радиоэлектроника», № 4, СПб, 2007, С.36-37.

35. Международный стандарт ISO.7498 «Базовая модель взаимосвязи открытых систем».38. http://www.kowoma.de/en/gps/waasegnos.htm

36. Карамаев О.Г. Проблемы электромагнитной совместимости. М.: Знание, 1988.

37. Laurent Gauthier. EGNOS operations and their planed evolutibn. «ESA BULLETIN», № 124, November, 2005. C.57-58.

38. Фам Ки Куанг. Проблемы улучшения ЭМЗИК ШДПС в АСУДС. «Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов» № 12, Курск, 2008.-С.70-71.

39. Вишневский Ю.Г., Сикарев A.A. Электромагнитная защищенность цифровых информационных каналов системы ГЛОНАСС. «Проблемы информационной безопасности », № 2, СПб, 2008.

40. Владимиров В.И и др. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. М.: Радио и связь, 1985. - 272 с.

41. Справочник по радиолокации. М.: Сов. Радио, 1976. - Т. 1: Основы радиолокации: Пер. С англ./ Под ред. Я.С. Ицхоки. - 456 с.

42. Шебшаевича B.C. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. М.: Транспорт, 1988.46. http://www.kasc.go.jp/MSAS/indexe.html

43. Фортушенко А.Д., Аскинази Г.Б и др. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ. М.: Связь, 1970. - 332 с.48. http://www.usglobalsat.com/t-whatiswaas.aspx

44. Долуханов М.Д. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972. - 396с.

45. Бусленко Н. Моделирование сложных систем.-М.: Наука, 1978.- 399 с.

46. Бутов A.C., Кока Н.Г. Имитационное моделирование работы флота на ЭВМ. М.: Транспорт, 1987. - 111 с.

47. Венскаускас К.К и др. Системы и средства радиосвязи морской подвижной службы. Л.: Судостроение, 1986. - 432 с.53. http://www.faa.gov/about/officeheadquartersoffices/ato/serviceunits

48. Харисова В.Н., Пероваю А.И., Болдина В.А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1998. - 395 с.

49. Финк Л.М. Сигналы, Помехи, Ошибки -М.: Радио и связь, 1984.-257 с.

50. Зюко А.Г и др. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. М.: Радио и связь, 1985. - 272 с.

51. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1975.-280 с.

52. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. М.: Радио и связь, 1992. - 304 с.

53. Вишневский Ю.Г., Зуев В.Ф., Сикарев A.A. Радиотехника. СПб.: СПГУВК, 2005.-317 с.

54. Вишневский Ю.Г., Пащенко И.В. Обеспечение ЭМЗИК спутниковых радиолиний в АСУДС на ВВП. Межвуз. сб. науч. трудов. Вып.5/ Под ред. д.т.н. проф. A.A. Сикарева. - СПб.: СПГУВК, 2004. - С.49-53.

55. Колосов М.А., Арманд А.Н., Яковлев И.О. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь, 1969. - 156 с.

56. Вишневский Ю.Г., Пащенко И.В. О влиянии частотно-временных структур сигналов и помех на ПЗ и ЭМС информационных систем связи и местоопределения. Межвуз. сб. науч. трудов. Вып.З/ Под ред. д.т.н. проф. A.A. Сикарева. - СПб.: СПГУВК, 2002. - С.59-61.

57. Окунев Ю.Б., Плотников В.Г. Принципы системного подхода к проектированию в технике связи. М.: Связь, 1976. - 184 с.

58. Файнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности.- М.: Наук Физмалит, 1999. 496 с.

59. Андрианов В.А., Арманд Н.А и др. Оценка вляния рефракции радиоволн на измерения дальности и скорости ИСЗ. -Томск: Изд. Томского филиала Сибирского отделения АН СССР, 1983. -С.180-185.

60. Вишневский Ю.Г. Взаимосвязь ЭМЗИК и достоверности принимаемых сообщений. «Морская радиоэлектроника», № 4, СПб,2007. С.22-24.

61. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. Оценка общей эффективности АСУДС. «Программные продукты и системы», Вып. 2(82), Тверь,2008. С.59-60.

62. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. Оценка взаимосвязи навигационной безопасности мореплавания и ЭМЗИК ШДПС. «Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов» № 1, Курск, 2009. С. 124-125.

63. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. О выборе критериев для оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на навигационную безопасность мореплавания. «Мобильные телекоммуникации», № 1, 2009. * С.34-35.

64. Суницкий Е.И. Практическая оценка эффективности использования SBAS // журнал «ГЕОПРОФИ», № 1, 2006. С.22-23.

65. Козлов Б.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Сов. радио, 1975. - 472 с.

66. Дмитриев В.И. Обеспечение безопасности плавания. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 374 с.

67. Прохоренко Ю.Н. Имитационные системы и модели.-М.:Знание, 1990.

68. Курьянов Д.В. MathCad 14. М.: BHV, 2007. - 704 с.

69. Шенной Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. -М.: Наука, 1978. 420 с.

70. Вишневский Ю.Г., Торяник Н.Н. Об оценке эффективности АСУДС. Межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 4. СПб.: СПГУВК, 2003.- С.68-75.

71. Бусленко Н.М., Галенко Д.М., Соболь И.М. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). М.: Физматгиз, 1982.

72. Михайлов С., Кульнев В. Анализ направлений и состояния разработок функциональных дополнений к спутниковым радионавигационным системам. «Беспроводные технологии», № 4, М., 2006, С.64-71.

73. Корсунский JT.H. Распространение радиоволн при радиосвязи с искусственными спутниками Земли. М.: Сов. радио, 1971.

74. Philips R. Relative and differential GPS// System implications and innovative applications of satellite navigation, AGARD lecture series 207, NATO, 1996.

75. RTCM Recommended standards for differential GNSS service. Radio technical commission for maritime, service.- future version 2.2, Special committee, № Ю4, (RTCM SC-104, version 2.2), July 15 1998. USA.

76. Parkinson B.W., Fitzgibbon K.T. Optimal locations of pseudolites for differential GPS//Navigation (USA), № 4, Winter, 1987.

77. Beser J. Intergrated GPS/ GLONASS user equipment // AGARD lecture series 207, NATO, 1996.

78. Feairheller S. The Russian GLONASS system. US Air Force// Russian study//ION GPS-94, 1994.

79. Chiu Y.T. An improved phenomenological model of ionospheric density// J. Atmos. Terr. Phys. 1975. - Vol. 37. - P.1560-1571.

80. Henson D.J., Collier E.A. Effects of the ionosphere on GPS relative geodesy// Proc. IEEE position, PLANS'86. USA, Las Vegas, 1986.

81. Understanding GPS: Principles and application, Elliotte Kaplan editor. -Artech House Publish Ers. Boston-London, 1996.

82. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф., Каблукова М.В. Космическая радиосвязь. М.: Сов. радио, 1979.

83. Сборник мореходных таблиц МТ 2000. Адм. - СПб.: 2002. - 576 с.

84. Вишневский Ю.Г., Сикарев A.A. Оценка качества линий радиосвязи в системе оперативной связи и передачи данных на основе измерения параметров ППС. Сб. науч. трудов. - Д.: ЛИВТ, 1990. - С.42-52.

85. Венскаускас К.К и др. Системы и средства радиосвязи морской подвижной службы. Л.: Судостроение, 1986.

86. Сикарев A.A., Лебедев О.Н. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов. М.: Радио и связь, 1983.-216 с.

87. Сикарев A.A., Фалько И.А. Оптимальный прием дисретных сообщений. М.: Связь, 1978. - 328 с.

88. Кринберг И.А., Выборов В.И., Кошелев В.В., Конев В.В., Сутырин H.A. Адаптивная модель ионосферы. М.: Наука, 1986. - 132 с.

89. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. О влиянии ЭМЗИК ШДПС на время их восстановления. «Журнал университета водных коммуникаций». Вып. 4. СПб.: СПГУВК, 2009. - С. 154-157.

90. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг. Оценка точности местоопределения и безопасности плавания судна в дифференциальном режиме работы. «Аспирант и Соискатель» (Спутник +), № 2, М., 2009. С. 92-94.

91. Вишневский Ю.Г., Фам Ки Куанг., Мисник Е.А. Анализ воздействия взаимных помех на СРНС ГЛОНАСС. «Вопросы радиоэлектроники» Вып. 1,М., 2010.-С.117-120.