автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Методологические основы построения помехоустойчивой речной дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАСС/GPS

На правах рукописи

ШАХНОВ Сергей Федорович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЙ РЕЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ГНСС ГЛОНАСС/СРБ

Специальность: 05.12.14 - радиолокация и радионавигации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 2 ИЮЛ 2015

005570886

Санкт-Петербург - 2015

005570886

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флот имени адмирала С.О. Макарова» на кафедре «Инфокоммуникационные системы морского и речного флота»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Сикарев Александр Александрович

Официальные оппоненты: Привалов Андрей Андреевич,

доктор военных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I», профессор

Татарникова Татьяна Михайловна,

доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», профессор

Хохлов Николай Степанович,

доктор технических наук, профессор, ФГКОУ ВПО «Воронежский институт министерства внутренних дел Российской Федерации», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский

политехнический университет Пегра Великого».

Защита диссертации состоится 10 ноября 2015 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.06 при ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд.257.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»:

http://www.gumrr.ru/naudejal_dissov_zd22300906.html Автореферат разослан « (-¿^ЛЛ. 2015 г.

Ученый секретарь „ ^^

диссертационного совета в.В. Каретников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Повышение уровня безопасности плавания при навигации на внутренних водных путях (ВВП) России в настоящее время является одной из важнейших задач, стоящих перед внутренним водным транспортом. Для информационного и технического обеспечения этой задачи н настоящее время на ВВП России разворачивается корпоративная речная информационная система (КРИС) и ее подсистемы: речные информационные службы (РИС) и автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС). Необходимым условием их эффективного функционирования является наличие сплошного высокоточного радионавигационного поля, которое на ВВП России обеспечивается сопряжением радионавигационного поля, создаваемого глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС) ГЛОНАССЛЗРЗ, с комплексным полем дифференциальной поправки (ДП).

Расчет топологии поля дифференциальных поправок, создаваемых дифференциальными подсистемами ГНСС ГЛОНАС'С/СР8, без учета влияния взаимных, а также индустриальных помех, характерных при плавании на ВВП, может привести к потере целостности сплошного поля ДП. В связи с этим возникает необходимость создания методов и алгоритмов анализа помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем и методов повышения их устойчивости к помехам.

Степень разработанности. Основы теории помехоустойчивости заложены и развиты в фундаментальных трудах многих выдающихся отечественных и зарубежных ученых, таких как В. А. Котельников, Л. М. Финк, А. А. Харкевич, Л. К. Варакин, Д. В. Агеев (теория потенциальной помехоустойчивости); Ф. Ланге (корреляционный анализ); Д. Мидцлтон, Ю. Н. Бабанов (статистическая теория помехоустойчивости); Р. Л. Стратанович, В. И. Тихонов (использование аппарата марковских процессов) и других. Наиболее полно в этих работах исследовано влияние шумоподобных помех. Для учета влияния взаимных и индустриальных сосредоточенных помех наиболее конструктивным представляется подход, предложенный в трудах А. А. Сикарева, на теоретических положениях которого и базируется данное исследование.

Целью диссертационной работы является решение проблемы повышения уровня безопасности плавания на ВВП. Заявленная цель достигается путем решения следующего круга задач: анализа структуры взаимных помех при различных видах кодирования и модуляции; исследования характера, параметров и уровней индустриальных помех, присутствующих на ВВП; анализа параметров подстилающей поверхности и их влияния на структуру поля ДП; учета влияния взаимных и индустриальных помех на целостность поля ДП; разработки методов исследования помехозащищенности и устойчивости радиоканалов диффе-

ренциальных подсистем; разработки стратегии повышения помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальных подсистем.

Методология построения помехоустойчивых дифференциальных подсистем базируется на исследовании коэффициента взаимного различия (КВР) ква-зидетерминированных сигналов и помех в частотно-временной области с учетом их мощности на входе приемника, а также на оценке вероятности ошибки поэлементного приема цифровою сообщения в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

Научная новизна диссертации заключается в решении актуальной научной проблемы по созданию методов расчета помехозащищенности и устойчивости радиолиний речных локальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ. Впервые предложен метод, позволяющий количественно оценить помехозащищенность радиоканалов контрольно-корректирующих станций (ККС) ЛДПС при воздействии на них индустриальных помех.

Также разработан метод оценки помехозащищенности радиоканалов базовых станций автоматизированной идентификационной системы (БС АИС) при использовании их для передачи дифференциальной поправки.

Предложен метод количественной оценки помехозащищенности радиоканалов ЛДПС при воздействии на них нескольких взаимных помех, а также метод количественной оценки помехозащищенности данных радиоканалов при совместном воздействии взаимной и индустриальной помехи.

В работе также получены научно-обоснованные предложения по повышению помехозащищенности и устойчивости радиоканалов ЛДПС.

Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории формирования сплошных высокоточных нолей ДП ГНСС ГЛ01 (АСС/ОРЯ с учетом взаимных и индустриальных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению дальности передачи корректирующей информации в радиоканалах, подверженных воздействию взаимных и индустриальных помех. Совокупность разработанных теоретических положений представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, прямо связанное с обеспечением безопасности судоходства на ВВП России, повышением качества мониторинга и управления транспортным процессом.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в разработке на базе теоретических исследований инженерных приложений и программного обеспечения, создании инструментария, предназначенных для учета влияния взаимных и индустриальных помех при создании и мониторинге высокоточных радионавигационных полей ДП в структурах ЛДПС.

Реализация результатов работы. Прикладные результаты проведенных исследований, вошедшие в соответствующие отчеты по НИР, выполненных в

рамках Федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 — 2020 годы», успению внедрены при разработке и создании ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ, формирующих высокоточное радионавигационное поле в бассейнах Волги, Оби, Иртыша, Енисея и Амура, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Научные положения, выносимые на защиту: 1 Концепция построения высокоэффективной ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ОР8, обеспечивающей целостное высокоточное поле дифференциальной поправки.

2. Методология оценки помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАССЛЗРЗ.

3. Вероятностные модели и алгоритмы расчета помехозащищенности радиоканалов речных ККС СВ/ДВ диапазона и БС АИС УКВ диапазона в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

4. Научно-обоснованные предложения по изменению топологии комплексных функционально-устойчивых речных локальных дифференциальных подсистем на ВВП России с использованием алгоритмов расчета помехозащищенности радиоканалов в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

5. Стратегия использования сложных сигналов для повышения помехозащищенности и устойчивости радиоканалов дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/СРБ.

Достоверность сформулированных научных положений подтверждается: системностью исследования и решения поставленных проблем и задач; использованием апробированного общенаучного математического аппарата, специальных, формальных и неформальных методов; выбором корректных, полных и объективных исходных данных; проведением сопоставительного анализа результатов программно-компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных систем передачи корректирующей информации СВ/ДВ и УКВ диапазона; корректностью и достаточным совпадением результатов теоретических расчетов с данными, полученными в ходе многолетних экспериментальных исследований и сопоставимостью этих результатов с данными, опубликованными известным учеными и специалистами в данной предметной области.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: IX международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 28-29.12.2014); международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (Москва, 30.12.2014); международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке и образовании» (Москва, 25-28.02. 2015) а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры инфокоммуника-

ционных систем Морскою и Речного флота Государственного университета Морского и Речного флота имени адмирала С.О. Макарова в 2010-2015 годах.

Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 22-х научно-технических изданиях, в том числе в трех монографиях, в 15-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в статьях и тезисах докладов Международных и Российских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, приложение и состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения, содержит 287 страниц текста, в том числе 106 рисунков, 72 таблицы. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе в соответствие с первым пунктом, выносимым на защиту, представлена концепция построения и функционирования речных дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/СРБ, их роль и место в разворачиваемой в настоящее время на ВВП России иерархической триады: КРИС -РИС - АСУ ДС. Выявлено, что важнейшим условием успешного функционирования АСУ ДС, обеспечивающим решение задачи повышения безопасности плавания на ВВП при инструментальном режиме проводки судов, является создание сплошного высокоточного радионавигационного поля ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ. Данная задача решается путем сопряжения радионавигационного поля ГНСС с полем ДП ее дифференциальной подсистемы. Установлено, что только использование дифференциального режима позволяет обеспечить метровую точность позиционирования (1н-5 м), необходимую при плавании в речных условиях.

Концептуальные исследования базировались на системном подходе. Необходимость концептуального исследования обусловлена потребностью в описании основных свойств проектируемой подсистемы. Проведенный анализ показал, что заявленная в работе цель - повышение безопасности судоходства обеспечивается на уровне АСУ ДС, по отношению к которой КРИС является метасистемой. При этом возникает необходимость в выделении системы (АСУ ДС), в которую входит дифференциальная подсистема, из метасистемы (КРИС) с обоснованием ее облика и свойств, определяющих потенциальную эффективность при достижении глобальной цели создания системы.

При проведении теоретических исследований, направленных на повышение эффективности функционирования систем, по характеру решаемых задач последние подразделяются на три класса (рисунок 1). Синтез речных дифференциальных подсистем на ВВП относится ко второму классу задач, для решения которых производилась выработка вариантов построения системы, в

Рисунок 1. Классификация задач повышения эффективности функционирования информационных систем которой поставленная цель достигается при минимуме погребных ресурсов. В нашем случае под ресурсом подразумевается мощность и количество передатчиков, необходимый частотный диапазон, численность и квалификация обслуживающего персонала и т. д.

Выявлено, что среди факторов, определяющих условия функционирования системы, при проектировании речных дифференциальных подсистем на ВВП наибольшее значение имеют состояние и возможности инфраструктуры (наличие населенных пунктов, дорог), обеспеченность квалифицированной рабочей силой и ограничения по использованию частотного ресурса.

Концептуальные исследования осуществлялись на чрех уровнях. На агре-гативном уровне рассматривались структура и функции дифференциальной подсистемы. Здесь на уровне «структура - функции» исследовались операции по передаче контрольно-корректирующей информации по радиоканалам ККС -судно, БС АИС - судно. На системном уровне анализировались организация и поведение АСУ ДС и оценивалась ее эффективность при различных вариантах построения дифференциальной подсистемы. Наконец, на метасистемном уровне производилось согласование поведение системы с целями деятельности метасистемы.

Проанализированы основные технологии высокоточного позиционирования, строящиеся на базе ГНСС ГЛОНАСС/GPS, исследованы структура и параметры сигналов, используемых в их радиоканалах, а также рассмотрены варианты их широкозональпых, региональных и локальных дифференциальных подсистем, используемых в ведущих странах Америки и Европы. Проведенный анализ и обобщение мирового и отечественного опыта по созданию дифференциальных подсистем показал, что из трех вариантов их структурирования наиболее эффективным для ВВП России является вариант использования ЛДПС.

Установлено, что но способу определения поправки для ВВП России наиболее эффективен самый простой в реализации режим с коррекцией координат. Хотя дальность его действия ограничена зоной, в которой пользователь (судно) и ККС используют одно созвездие навигационных космических аппаратов (НКА) ГНСС, но как показали исследования, размер этой зоны для большинства регионов ВВП России вполне сопоставим с дальностью действия ККС в СВ диапазоне частот.

Локальные дифференциальные подсистемы строятся на базе одной ККС, работающей в СВ/ДВ диапазоне. Типовая структурная схема речной ЛДПС изображена на рисунке 2.

Как видно из рисунка, ЛДПС имеет три радиоканала. Информационный канал НКА - судно, предназначенный для передачи параметров, необходимых для вычисления в НАП координат судна. Информационный канал НКА - ККС, служащий для передачи параметров, необходимых для определения ДП. Канал передачи ДП в направлении ККС - судно. Кроме того, в результате исследования способов передачи корректирующей информации в ЛДПС была выявлена возможность комплексирования высокоточного поля ДП посредством использования для этих целей БС АИС.

Для передачи ДП в информационном канале ККС - судно выбран диапазон частот морской радиомаячной службы (283.5 ^ 325.0 кГц), а для канала БС - судно используются стандартные международные каналы (161.975 МГц и 162.025 МГц).

Исследованы особенности распространения радиоволн СВ диапазона, а также влияние электрических параметров подстилающей поверхности для различных видов почв на ВВП России на функцию ослабления и'(7?Л входящую в выражение для напряженности поля сигнала Е(Я), определяемую формулой

|£(Л)| = _3_10%/Р|и<я}| МКВ/М5 (1)

где Р - мощность передатчика в кВт; Я - расстояние от источника сиг нала в км.

Установлено, что для излучения на границе СВ/ДВ-диапазонов, на расстояниях, при которых допустима аппроксимация сферической поверхности плоской, большинство влажных и средне влажных почв без большой потери точности можно рассматривать как идеально проводящие и функцию ослабления при вычислении напряженности поля ДП принимать равной единице.

Также установлено, что для всех видов почв, характерных для ВВП России, дальность действия ККС лежит в пределах 200 ■*■ 400 км. Причем нижняя граница соответствует сухим почвам, характерным для среднего и нижнего течения Волги, а верхняя - прибрежным и устьевым акваториям, а также болоти-

стым почвам, преобладающим в среднем и нижнем течении рек Сибири и Дальнего Востока.

Выявлено, что значительная дальность действия ККС в СВ диапазоне частот, даже с учетом большой протяженности ЕГС Европейской части России и рек Сибири и Дальнего Востока, делает экономически обоснованным использование цепочек ККС ЛДГ1С с перекрытием зон их действия, что позволяет обеспечить сплошное поле ДГ1.

Для вышеуказанных дальностей при расчете функции ослабления обоснован выбор уравнения Хаффорда для сферической поверхности вида

imA, v) = i + ij^^jim ч) ö)ctQ, (2)

где 5 - импеданс радиотрассы, определяемый выражением 8 = е" 5; в - комплексная диэлектрическая проницаемость; Эд - сферический угол между передатчиком и приемником; 9 - сферический угол между передатчиком и текущей точкой интегрирования; а - радиус Земли.

Исследовано влияние ионосферы на распространение радиоволн на границе СВ/ДВ диапазонов. Выявлено, что ионосферные замирания в зонах действия ККС речных ЛДПС будут отсутствовать, а многолучевость определяется только тропосферной рефракцией.

Изучены виды и характеристики помех, воздействующих на радиоканалы различных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS. Установлено, что основными видами помех, воздействующих на радиоканалы речных ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ GPS, являются квазидетерминированные взаимные помехи от соседних ККС, импульсные (индустриальные) помехи и флуктуационные помехи, представляемые в виде гауссового белого шума.

Во втором разделе в соответствие со вторым пунктом, выносимым на защиту, обобщен мировой и отечественный опыт исследования влияния помех на радиолинии и сформулирована методология оценки помехозащищенности радиоканалов речной ЛДПС, базирующаяся на комплексе принципов, подходов и методов, развитых в научной школе профессора A.A. Сикарева. В свою очередь, данные принципы и методы опираются на положения теории потенциальной помехоустойчивости, теории оптимального приема, статистической теории помехоустойчивости и корреляционного анализа, развитых в трудах В.А. Ко-тельникова, Л.М. Финка, Ф. Вудворта, Д. Миддлтона, Л.К. Варакина, Д.В. Агеева и многих других.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время вышеназванные теории развиты достаточно полно и позволяют успешно решать задачи устойчивого выделения полезного сигнала на фоне флуктуационных помех и помех, аппроксимированных гауссовым шумом, при их представлении в виде случайных процессов, описываемых статистическими параметрами.

При исследовании детерминированных и квазидетермпнированных процессов, к которым относятся, в частности, взаимные помехи, возникающие при работе ККС речных ЛДПС', предложена методология, определяющаяся сочетанием основных оптимизационных принципов статистической теории связи и аппроксимацией сосредоточенных помех квазидетерминированными процессами, что позволяет одновременно учитывать влияние вероятностных характеристик, а также структуру и интенсивность применяемых полезных сигналов и воздействующих сосредоточенных помех. При зтом исследуется коэффициент взаимного различия (КВР) сигнала и помехи, определяющий относительную величину перекрытия сигнала и помехи в частотно-временной области.

В соответствие с подходами, принятыми в научно-технической литературе, КВР сигнала и помехи, определяющий относительную величину перекрытия сигнала и помехи в частотно-временной области, в общем случае определяется выражением

где 2пк(1) - структуры /-ого варианта сигнала и ¿/-й сосредоточенной помехи; 2ПД/) - функция, сопряженная с 5„Д/) по Гильберту; Кп - нормирующий множитель.

Нормирующий множитель Л() определяется из условия нормировки

где цл, (1„< - амплитудные коэффициенты передачи сигнала и сосредоточенной помехи соответственно; Р,- мощность сигнала; Т- длительность посылки.

Тогда КВР сигнала и сосредоточенной помехи в канале с белым шумом можно представить в виде

(3)

(4)

(5)

(5)

здесь ¡^ - нормированный КВР, не зависящий от мощности сигнала и помехи и изменяющийся в пределах 0 < < 1; Иг, А,,*. энергетика сигнала и помехи

соответственно, определяемая выражением

(6)

где V" - спектральная плотность белого шума, которым аппроксимируется флуктуационная помеха.

Коэффициент взаимного различия в данном случае не имеет статистического смысла, но позволяет рассматривать как совершенно различные по своей структуре сигналы и помехи, так и случаи, когда помеха является точной копией сигнала, отличаясь ог него только сдвигом по времени или по частоте.

Таким образом, понятие коэффициента взаимного различия в указанном выше смысле позволяет уже па этане проектирования учесть взаимное влияние ККС и оптимизировать структуры используемых сигналов. При этом предполагается, что помехи {г„ к (/),' известны на приеме, что имеет место при исследовании влияния взаимных помех от соседних ККС на высокоточное поле дифференциальной поправки в речных ЛДПС ГЛОНАСС/ОР8.

Сформированы математические модели сигналов и взаимных помех. Для передачи сообщений в речных дифференциальных подсистемах ГНСС ГЛО-ПАСС/СРЭ предлагаются двоичные цифровые сигналы с фазовой манипуляцией несущей, которые относятся к классу узкополосных сигналов. При использовании узкополосных сигналов дисперсионными свойствами среды можно пренебречь. Тогда можно принять |ц(/ш)| = ц =со/?.у/(со). При представлении сигнала и взаимной помехи квазидетерминированными процессами, случайными параметрами будут начальная фаза ф,,». и запаздывание А/„4 помехи относительно сигнала. Тогда смесь сигнала и помех на входе приемника будет описываться выражением

"ц

+ + о</<7\ (7)

где гнк(Г) - детерминированная функция, характеризующая форму А-ой помехи; Nn - число сосредоточенных помех на входе приемника; £,(') - белый флуктуа-ционный шум.

В этом случае фазоманипулированные сигнал и взаимные помехи на входе приемника можно представить в виде

= Ц2г(Г,ф) = рЛ,(со5ау + фг) „

У „*(') = „*) = М„Дсо8юп<(/ + Д/и4) + Ф„*Г '

При этом следует отметить, что величина со,,* = шг + Ц,А. в данном случае не является случайной. Здесь И11к - расстройка несущей частоты сигнала и помехи. Полученный в работе для этого случая КВР будет определяться выражением

В качестве одного из критериев оценки помехозащищенности радиолинии предложен коэффициент электромагнитной защищенности /\-,мч,

Кт, =1 -Бг/ Бппах (10)

где 5,. - площадь поля поражения сигнала в частотно-временной области; Бгпшх -максимально возможная площадь поражения (рисунок 3).

Рисунок 3. Трехмерный рельеф нормированного КВР фочоманипулированных радиоимпульсов сигнала и взаимной помехи

Здесь л- ^ , у- т , со0- т .

Уровень сечения графика, определяющий площадь поля поражения, и соответствующий предельно допустимому значению нормированною КВР, в свою очередь, зависит от энергетики помехи h~„k и параметра радиолинии 8одоп.

Для систем, оптимальных в каналах с флуктуационными шумами, но работающих при одновременном воздействии шумов и взаимных помех, связь между вышеперечисленными параметрами определяется соотношением

g'ofc'WN = Зодои ! h~„k. (11)

Метод, основанный на определении коэффициента электромагнитной защищенности, рассчитываемого по сечениям поля поражения сигнала сосредоточенной помехой, наиболее эффективен при использовании сложных сигналов, имеющих сложную структуру тела КВР сигнала и помехи. В этом случае появляется возможность уменьшить поле поражения путем изменения структуры сложного сигнала и, соответственно, амплитуды боковых пиков его КВР.

Однако, использование этого критерия возможно только при наличии одной сосредоточенной помехи, что характерно для областей перекрытия двух

зон действия соседних ККС. При наличии двух и более помех, что имеет место в области перекрытия зон действия трех соседних ККС, необходимо использовать другие критерии.

В этом случае в качестве критерия обеспечения помехозащищенности радиоканала предлагается непосредственно использовать допустимую вероятность ошибки поэлементного приема цифрового сообщения рот . Тогда условие обеспечения помехозащищенности примет вид

Рош < Ро

(12)

В соответствие с третьим пунктом, выносимым на защиту, рассмотрены вероятностные модели радиоканалов дифференциальных подсистем и разработаны методы и алгоритмы расчета их помехозащищенности и функциональной устойчивости.

Для радиоканала ККС - судно при длине волны X = 1000 м влиянием заграждающего рельефа на ВВП России можно пренебречь. При наличии стационарных взаимных помех от соседних ККС, в наиболее тяжелом случае: незами-рающий сигнал - замирающая по релсевскому закону помеха, при некогерентном приеме двоичных цифровых фазоманипулированных сигналов и взаимных помех, обоснован выбор выражения для вероятности ошибки поэлементного приема цифрового сообщения, которая будет определяться формулой

/>..,„ = -0.5ехр

(13)

где (¿- функция Маркума; /0(Я(/;~) - модифицированная функция Бесселя первою рода, пулевого порядка; к] - эквивалентная энергетика сигнала в канале с

/у

несколькими взаимными помехами; /?0 = 5 / (1 - 8); 8 = У—

Для противоположных незамирающих сигналов можно принять

/г = /г

исй. , , 1 + /Г.

= //-(1-6),

(14)

где N — число взаимных помех.

Для радиоканала БС - судно при длине волны порядка 2 м влиянием заграждающего рельефа пренебрегать нельзя. Источниками же взаимных помех здесь будут являться мобильные станции различных ведомств российского служебного диапазона частот (136 + 174 МГц).

Установлено, что для ВВП России наиболее характерен показательный закон распределения рельефа с плотностью вероятности

И/(//) = аехр(-а//), (15)

где а - параметр распределения высот (для ЕГС европейской части России лежит в пределах 0.01 -^0.1); //-высоты рельефа.

Для описания распределения источников взаимных помех был использован наиболее жесткий релеевский закон с плотностью вероятности

Яп 2а1

(16)

где Яп - расстояние от источника помехи до судового транспондера. Тогда усредненная вероятность ошибки поэлементного приема будет равна

(17)

С учетом формул (15) - (17), получено модифицированное выражение для усредненной вероятности ошибки поэлементного некогерентного приема

Яд

2а;

-ехр

X/,

л/х Хп 5т(лГ2Г)

гЮ

Ь1 -аН -

2ДС4

Хп ( зтХлОП)

К

2о2_

2 Л„Ч яП 7" )

№ япг

с1Яс1Н-

(18)

_а Г. 2

11 "2а2„

-а Н

Ух л/хп БтлРГ

Я в' ' лОГ

<нг„

где Яу) - функция, учитывающая форму экранирующего препятствия; Н - минимальный просвет между радиолучом и препятствием; Ъ\ = 0.5^/ХЯ/3 -

первая зона Френеля; у = Я4/( 1 - коэффициент профиля трас-

сы; к = / Л; Л, - расстояние до максимального препятствия; х .Хп - энергетические параметры полезного сигнала и помехи.

Энергетические параметры в УКВ диапазоне определяются выражениями

X =

_ -РАсЛ кг^тЛ Же + Ф Ут + Ф

2 Р,

пр. Ш1П

2 , ;2ч

2Р„.

(19)

(20)

где Рс, Ра- мощности передатчиков сигнала и помехи соответственно; Ссс, С? и Лес, Лт - коэффициенты усиления антенн и к.п.д. антенно-фидерных трактов БС и судового транспондера соответственно; 1Бо 1т - высоты антенн БС и судового транспондера; /0 - поправка на сухую почву; Ою Г1п, и /п - коэффициент усиления антенны, к.п.д. антенно-фидерного тракта и высота антенны источника помех; Рщ, т!п - порог чувствительности приемника.

В результате проведенных исследований влияния индустриальных помех на помехоустойчивость радиоканалов дифференциальных подсистем установ-

лено, что на вышеуказанные каналы наибольшее влияние будут оказывать импульсные помехи: от коронных разрядов ЛЭП в районах их воздушных переходов; от контактной сети электротранспорта в районах железнодорожных мостов; от систем зажигания автомобильных двигателей в районах автомобильных мостов и на автомобильных набережных крупных городов.

Выявлено, что спектр помех от систем зажигания находится в полосе частот 25-1000 МГц, в то время как основная мощность помех от сетей электротранспорта и коронного разряда ЛЭП сосредоточена в полосе частот до 1 МГц. Следовательно, на радиоканалы ККС — судно СВ-диапазона основное влияние будут оказывать помехи от коронного разряда ЛЭП и от контактной сети электротранспорта, а на радиоканалы БС - судно УКВ диапазона - помехи от систем зажигания автомобилей.

Вскрыты особенности структуры импульсных помех. Выявлено, что форма импульсов помех от ЛЭП и контактной сети электротранспорта близка к прямоугольной, а их длительность составляет порядка 1^-100 не, в то время как период следования лежит в пределах от сотен мке до десятков мс. Поэтому скважность этих импульсов очень велика и их спектральная плотность мощности близка к спектральной плотности мощности одиночного прямоугольного импульса (рисунок 4). Таким образом, в полосе частот сигнала от ККС, с достаточной для практических целей точностью спектральная плотность этих помех может быть принята постоянной. Аналогичным образом, в полосе частот узкополосного УКВ сигнала БС АИС спектральная плотность импульсных помех от систем зажигания автомобилей также будет практически постоянна. Следовательно, индустриальные помехи в полосе частот сигнала могут быть аппроксимированы белым шумом £,„(().

Тогда смесь сигнала и помех на входе приемника с учетом выражения (7) можно представить в виде

^(0 = у,(0+£у„*(0 +«0 + ^(0,. о<(<т. (21)

к=\

С учетом выявленных особенностей структуры импульсных индустриальных помех разработан метод учета их влияния на помехозащищенность радиоканалов дифференциальных подсистем. Влияние этих помех будет учитываться при вычислении энергетики сигнала из модифицированной формулы (6), которая теперь будет определяться выражением

РТ

62(г) = Ц 2 ' 2 , (22)

где у](г) - спектральная плотность индустриальной помехи, определяемая выражением у^(г)= Ри-/К; г - расстояние от источника помехи до расчетной точки; Р„ - мощность помехи на входе приемника; Г - полоса частот сигнала.

спектр прямоугольного импульса спектр коронного разряда ЛЭ11

Рисунок 4. Спектр импульсов короны (сухая погода, Л')П-220) в сравнении со спектром прямоугольного импульса

Для мощности помехи на входе приемника получено выражение, которое для опт имальной на данной частоте антенны примет вид

г2 с

р = (23)

120л: 1 ;

где 5эфф - эффективная площадь приемной антенны на данной частоте. Входящая в выражение (23) напряженность поля помехи в точке приема будет определяться эмпирическим выражением

£(г) = £0 + 20*Ц^, (24)

где £■(/■) - напряженность поля помехи в расчетной точке, дБмкв/м; Е{) - напряженность поля помехи в базовой точке, дБмкв/м; к коэффициент затухания в поперечном направлении; г0 - расстояние от источника помех до базовой точки, м. Здесь базовая точка - это точка, для которой в справочной литературе приводится значение напряженности поля от различных индустриальных помех.

В таблице I приведен пример значений напряженности поля помех в базовой точке от коронного разряда ЛЭП различного номинала при различных погодных условиях.

Энергетика сигнала, полученная по формуле (22) с учетом влияния флук-туационных и индустриальных помех, через выражение (14) учитывается при

вычислении вероятности ошибки поэлементного приема (формула 13) при одновременном воздействии взаимных и индустриальных помех.

Таблица 1. Базовые параметры радиопомех от коронных разрядов ЛЭП

Напряжение ЛЭИ, кИ Напряженность поля помех от коронного разряда на базовом расстоянии 20 м, дБмкВ/м

Сильный дождь Сухая погода

1 10 50 30

220 69 49

330 73 53

500 76 56

750 Я) 61

Сформулированы критерии оценки функциональной устойчивости дифференциальных подсистем. Получены выражения для коэффициентов относительной чувствительности, определяющих количественную оценку вариационно-параметрической и вариационно-функциональной устойчивости размеров зон действия ККС ЛДПС и радиусов действия БС АИС. Выражения получены для случая не замирающий сигнал - замирающая по релеевскому закону помеха и имеют вид

S =dRm* hl =__n sJlüiL.

^ * 2 + /7ng(, ' (25)

= --0.5 ,, (26) v- + v-

-0.5 ,, (27) 2 + hjsi

с _ Хм - f| Tg X M& u (~>Q\

^ я ' (28)

т А. ПС» U

2

S . = """'j" »= -0.25 }"g!> ,. (30)

dg» inax(KM) 2Rl + Xng- 1 >

Здесь коэффициенты вида (25) и (26) определяют вариационно-параметрическую чувствительность размера зоны действия ККС к вариациям энергетики взаимной помехи /;,; и спектральной плотности мощности индустриальной помехи v;,(/-) соответственно, а коэффициент (27) определяет вариационно-функциональную чувствительность размера зоны действия ККС к вариациям структуры сигнала и помехи в частотно- временной области. Коэффициенты вида (28) и (29) определяют вариационно-параметрическую чувствительность радиуса действия БС АИС к вариациям энергетического параметра

^maMKM)

Öv ;;(/•) tfmaMKMJ

dRm, gl

' dgl n ша.ч(км)

X и

¿X„ ^шамкм)

R«

iio

взаимной помехи х„ 11 расстояния до взаимной помехи Кп соответственно, а коэффициент (30) определяет вариационно-функциональную чувствительность радиуса действия БС ЛИС к вариациям структуры сигнала и помехи в частотно- временной области.

В третьем разделе в соответствие с четвертым пунктом, выносимым на защиту, получены алгоритмы и программное обеспечение расчета помехоустойчивости дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/ОР8 и представлены научно-обоснованные предложения но изменению топологии комплексных функционально-устойчивых речных локальных дифференциальных подсистем на ЕГС Европейской части России в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

Разработан алгоритм и программное обеспечение численного решения сферического уравнения Хаффорда (2), которое для расстояний порядка 200-К500 км может быть представлено в упрощенном виде

I_ , „¡Л Я

Щ

-НвШ^-

■■ ¿/.V. (31)

Ул(Я-л)

где Л - расстояние от источника сигнала до расчетной точки; .V расстояние до текущей точки интегрирования.

Выражение (31) представляет собой интегральное уравнение Волыерры второго рода

я

= 1 + Р |)К(а)А'(7?,Л-К/Л- . (32)

и

Решение уравнения (32) было получено численным интегрированием с помощью квадратурного метода с учетом тою, что ядро уравнения К(И,х) имеет особенности на концах из-за знаменателя х{К - л).

Для реализации полученного алгоритма для поликомпонентной кусочно-однородной подстилающей поверхности разработано программное обеспечение в программной оболочке МАТНЬАВ.

Для тестирования полученного алгоритма и разработанной программы было получено решение задачи для трассы, состоящей из двух участков (хорошо проводящая почва и море), аналитическое решение и экспериментальные данные но которой приведены в работе Фейнберга П. Л. (Распространение радиоволн вдоль земной поверхности: монография. Изд. 2 / Е. Л. Фейнберг. - М.: Наука. Физматлит, 1999. -496 е., стр. 310). Результаты тестирования приведены на рисунке 5.

Исходные данные для расчета: мощность излучателя Р — 10 кВт; длина волны излучения ^ =- 96 м; относительная диэлектрическая проницаемость почвы е

80; удельная электропроводность морской воды о = 4-1010 с ; длина участка моря -116 км.

/,', мкВ/м

1о\

В

- i \

2 7»- ГЕ ■ZyJ

=

Море

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 кы

аналитическое решение & - эксперемент (1 серия измерений)

- численное интегрирование х - эксперемент (2 серия измерений)

Рисунок 5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных с результатами численного интегрирования

Как видно из графика, разработанный алгоритм численного интегрирования уравнения Хаффорда дал хорошее совпадение с аналитическим решением для сферической поверхност и и результатами эксперимента. Также был разработай алгоритм и программное обеспечение в среде MATHLAB для расчета помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем при воздействии взаимных помех в областях пересечения зон действия соседних ККС и в локальных зонах действия индустриальных помех.

Разработанные алгоритмы и программы использовались для оптимизации топологии поля дифференциальной поправки в зоне ответственности ФБУ «Администрация водных путей Волжского бассейна». Расчет помехозащищенности производился на наиболее сложном с точки зрения помеховой обстановки участке водного пути в области пересечения зон действия трех соседних ККС (участок Волги между Ьалаково и Ульяновском, рисунок 6).

В качестве источника коррект ирующей информации на этом участке принимаем ККС Самара. Источниками взаимных помех выступают ККС Саратов и ККС Казань. Мощности передатчиков всех ККС принимаем равными 400 Вт. Скорость передачи цифровой информации составляет 100 бод. Тогда длительность посылки сигнала Тс составит 10 мс.

Допустимая вероятность ошибки при наличии флуктуационных и сосре доточенных помех рош.доп принимается равной 10"2. Спектральная плотность бе лого шума на входе приемника, определяемая свойствами тропосферы в бас сейне Волги, составляет 10~ш Вт-с. Расстройку частоты для ККС Саратов прини маем П, = 2я-6000 рад/с, для ККС Казань -0.2 = 2п-11000 рад/с.

/ 9« Зшя <и Яу4(ыти

млмры

У«дорч»

„

|0?» С»наПф«ЙГ Зв1лрыис**5 Рудники

шаг \\\ 1

Сгдрая МайяаЛБО

УЛЬЯНОВСК*

МшиккА

Кр«*«* УльлиевппсО с.

""* IIЛБ Ш«до'«Ъч / II Г Л Цемешны* Завод

Тургенев а

1/1149 ^

Чу!»««»* Сус««м Н73

Русс««« 6екгя*Лс%г р:';.

Кр»сяы* Яр 31

Л II КЗО. ОкШрьсс

К*юп«р

Лгр»в1ио«

|6а.1*ко»о 1593

Рисунок 6. Участок Волжского бассейна с двойным перекрытием зон ККС

Результаты расчета приведены на рисунке 7. Как видно из графика, помехозащищенность радиоканала передачи ДП по критерию требуемой вероятности ошибки поэлементного приема обеспечена на всем протяжении исследуемого участка водного пути, что объясняется значительной расстройкой несущих частот сигнала и взаимных помех, обеспечивающей малую величину нормированного КВР сигнала и каждой взаимной помехи.

10* рош. Юп.

10" Дш. Р-

10"'

и?

10"

10* /

10* /

10"* /

.40 5 60 ««

гс„ ,км

х га

к о. £ *

Рисунок 7. Вероятность ошибки поэлементного приема на расчетном участке пути

Расчетный участок характеризуется наличием большого числа индустриальных помех (ж/д и автомобильных мостов, воздушных переходов ЛЭП). Так как индустриальные помехи характеризуются быстрым затуханием, то есть носят локальный характер, то для каждого источника индустриальных помех производится отдельный расчет.

Для расчета вероятности ошибки поэлементного приема в условиях одновременного воздействия взаимных и индустриальных помех, также разработано программное обеспечение в среде МАТНЬАВ, реализующее формулу (13) с учетом выражения (22).

Пример расчета помехозащищенности радиоканала ККС в районе комбинированного ж/д и автомобильного моста в Ульяновске приведен на рисунке 8.

Из графика на рисунке 8 видно, что из-за воздействия индустриальных помех в районе комбинированного моста в Ульяновске наблюдается нарушение

целостности поля ДП по критерию допустимой вероятности ошибки поэлементного приема. При этом размер разрыва составляет около 4 км, что требует комплексирования поля ДП путем установки в этом районе БС' АИС.

Однако в районах комбинированных мостов каналы БС АИС будут подвержены воздействию индустриальных помех от систем зажигания автотранспорта. Поэтому для проверки эффективности их работы были проведены исследования помехозащищенности этих радиоканалов, для чего разработано программное обеспечение в среде MATHLAB, реализующее формулу (18).

lö1

lö' р 'ОН ДОП.

J0J

10* 1 эш.тр.

3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 О 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Рисунок 8. Вероятность ошибки поэлементного приема в районе ж/д моста в Ульяновске

ош

Рисунок 9. Вероятность ошибки поэлементного приема в каналах БС АИС в районе комбинированного моста в Ульяновске

На рисунке 9 представлены результаты расчета помехозащищенности радиоканала ЬС - судно в районе комбинированного моста в Ульяновске.

Из графика видно, что размеры участков, в которых помехозащищенность каналов БС АИС при воздействии комбинации взаимных и индустриальных помех не обеспечивается, составляет менее 20 м, что меньше длины судна. Следовательно, можно сделать вывод, что использование БС АИС для передачи дифференциальной информации в зонах действия индустриальных помех позволяет восстановить целостность высокоточного поля ДП.

На графиках (рисунки 10 и 11) представлены результаты расчета вариационно-параметрической устойчивости размера зоны действия ККС.

о-1« i

/ ' *

/ / .А =103 —- __

1 г t / / —- "

— — — — — — — 8г3 =1.15 ----

1- - --- - -

О 40 80 120 160 200 240 280 320

Рисунок 10. Зависимость относительной чувствительности размера зоны действия ККС от энергетики взаимной помехи

Как видно из графиков, чувствительность к вариациям спектральной плотности мощности индустриальной помехи значительно выше, чем чувствительность к вариациям энергетики взаимной помехи при условии рационального выбора несущих частот соседних ККС.

На графике (рисунок 12) представлены результаты расчета вариационно-функциональной устойчивости размера зоны действия ККС.

Как видно из графика, чувствительность к вариации частотно-временной структуры из-за разноса частот несущих имеет существенное значение только при минимально возможном разносе частот (500 Гц). Уже при 3000 Гц чувствительность к вариациям частоты резко снижается и становится значительно ниже чувствительности к вариациям энергетических параметров помехи.

Рисунок 11. Зависимость относительной чувствительности размера зоны действия ККС от спектральной плотности мощности индустриальной помехи

Рисунок 12. Зависимость относительной чувствительности размера зоны действия ККС от частотно-временного различия сигнала и помехи

На графиках (рисунок 13) представлены результаты расчета вариационно-параметрической устойчивости радиуса действия БС. Из графиков видно, что радиоканалы БС АИС малочувствительны к вариациям мощности источников взаимных помех, что объясняется малым значением нормированного КВР даже при минимально возможной расстройке несущих частот передатчика АИС и передатчиков мобильной ведомственной связи. При вариации расстояний до источни-

ков взаимных помех, относительная чувствительность достигает существенных значений только при расстояниях до источников помех менее 200 м.

На рисунке 14 представлен результат расчета вариационно-функциональной устойчивост и радиуса действия БС АИС.

V

V V N \ \

\ \ \

\\ N \ ч ч

-— ч ч N г 1 21

\ ч ч ч V 1 п

Ч Ч

г N ч гГ г-. Г т

1 П А 131 г

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 м

Рисунок 13. Зависимость относительной чувствительности радиуса зоны действия ВС' АИС от расстояния до взаимной помехи

от вариации КНР сигнала и взаимной помехи

Из графика видно, что при вариации КВР из-за нестабильности несущей частоты передатчиков и приемника, даже при максимально больших значениях энергетических параметров взаимных помех, чувствительность радиуса зоны действия БС АИС к этим вариациям невелика. А при среднестатистических значениях энергетических параметров помехи относительная чувствительность практически стремится к нулю.

В четвертом разделе в соответствие с четвертым пунктом, выносимым на защиту, представлены научно-обоснованные предложения по изменению топологии комплексных функционально-устойчивых речных локальных дифференциальных подсистем в бассейнах рек Сибири и Дальнего Востока в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

В качестве объекта для реализации разработанной методики исследовалась помехозащищенность перспективных цепочек ККС ЛДПС в зонах ответственности ФБУ «Енисейречгране», ФБУ «Амурводпуть», ФБУ «Администрация Обь-Иртышского бассейна внутренних водных путей» и ФБУ «Администрация Обского бассейна вну тренних водных путей».

Вскрыты особенности подстилающей поверхности данного региона, существенно влияющие на дальность действия ККС. Выявлено, что для большинства бассейнов среднего и нижнего течения рек Сибири и Дальнего Востока характерно наличие значительного процента очень влажных и заболоченных почв и открытых болот с высокими электропроводящими свойствами, размеры зон действия ККС в которых значительно превышают аналогичные зоны на ЕГС Европейской части Р^ 400 км. Так для создания сплошного поля ДГ1 в зоне ответственности ФБУ «Администрация Обь-Иртыше кого бассейна», занимающую территорию практически всей Западной Сибири, понадобилось всего 11 станций. При этом наиболее сложный с точки зрения помехозащищенности участок, характеризуемый двойным пересечением зон действия соседних ККС, охватывает бассейн реки Конды, являющейся притоком Иртыша (рисунок 15).

Здесь в качестве источника сигнала рассматривается ККС Ханты-Мансийск, а источниками взаимных помех выступают ККС Тобольск и ККС У рай.

Результаты расчета приведены на рисунке 16. Как видно из графика, помехозащищенность радиоканала передачи ДГ1 по критерию требуемой вероятности ошибки поэлементного приема при работе от ККС Ханты-Мансийск обеспечена на всем протяжении исследуемого участка водного пути, за исключением небольшого отрезка от Пеньи до Тобольска. Для восстановления помехозащищенности на этом отрезке достаточно перейти на прием поправки от ККС Тобольск.

Рисунок 15. Области перекрытий зон действия цепочки «КС /ош

«инты тесню ШгаК* Т«

!в ч«иг V®

4fe.it !(М!0Г?р1

.^♦бйи?'. Я р.

\ еошнтъ

_Л «а;

Ямшаи Слтки¡а ¡БжьмЯк* асам

Ж-1р»Ш11 «гг&

Источниками индустриальных помех на рассматриваемом участке водного пути для радиоканалов ККС ЛДПС являются помехи контактной сети электротранспорта на железнодорожном мосту в Тобольске и крупные ЛЭП, пересекающие водный путь.

Для БС АИС УКВ диапазона индустриальные помехи будет создавать автомобильный мост в Ханты-Мансийске и мост восточнее Тобольска.

Наиболее сильные помехи создает воздушный переход ЛЭП-500 в районе Батово. Результаты расчетов помехозащищенности при воздействии взаимных и индустриальных помех приведены на рисунке 17. Из графика видно, что размер зоны, в которой нарушается целостность поля ДП, составляет 1800 м. Для восстановления целостности поля ДП в этом районе целесообразно устанавливать БС АИС.

1200 1000 ООО S00 400 zoo 0 200 ICO ООО ООО IOOO 1200

Рисунок 17. Вероятность ошибки поэлементного приема в районе ЛЭП у Батово

В пятом разделе в соответствие с пятым пунктом, выносимым на защиту, рассмотрена стратегия использования сложных сигналов для повышения помехозащищенности речных дифференциальных подсистем.

Сформулирована классификация сложных сигналов на основе анализа их частотно-временной матрицы. Установлено, что в условиях ограниченного частотного ресурса наибольший интерес представляют последовательно-параллельные сигналы.

Выявлено, что для повышения помехозащищенности радиоканалов речных ЛДПС при воздействии взаимных и индустриальных помех набольший интерес представляют сигналы с дискретной частотной модуляцией несущей (ДЧМн) с линейной частотной манипуляцией (ЛЧМ), описываемые выражением

?r(0 = £ un,rcc t С - (к ~ 1)т„) С O S (ov + Фо),

(33)

Здесь t0— длительность элементов сиг нала; срн - начальная фаза сигнала; Nr-число составляющих сигнала; 0)(í = 0)н + (drk - ¿/(1)Ао)0; шн - несущая частота; Асо,, - шаг квантования по частоте, du - некоторое целое число, drk - манипулирующая последовательность {1,2. JV}.

Получено выражение для КВР ДЧМн J14M сигнала и аналогичной взаимной помехи, имеющий вид

8Í = K'n

J

2л х

1

Ь

+

27t(x-l)L 4¿fC

(34)

Как показали исследования, использование ДЧМн ЛЧМ сигналов при незначительном увеличении частотного ресурса позволяет существенно увеличить помехозащищенность радиоканалов ККС ЛДПС и добиться восстановления целостности высокоточного поля ДГ1 на небольших локальных участках вокруг источников индустриальных помех, в случае, если по экономическим соображениям использование БС АИС для передачи ДП не целесообразно.

Для борьбы с помехами типа ретранслированных или «шумовых» предложены ДЧМн сигналы с псевдослучайной перестройкой частоты (ППРЧ) с разрывной структурой вида

(35)

где {Xгк} - множество коэффициентов разрыва, выбираемых для каждого к генератором случайных чисел из множества {0,1}.

Получен КВР сигнала с ППРЧ и ретранслированной помехи, равный -> п

So

4N~

(36)

Здесь п - число элементов сигнала с не нулевым Хгк. Из выражения (36) следует, что КВР ДЧМн сигнала с ППРЧ при воздействии ретранслированной помехи зависит только от соотношения параметров самого сигнала. То есть, подбирая параметры N и п, всегда можно добиться требуемой величины нормированного КВР. Это свойство делает эту структуру сигнала весьма перспективной для обеспечения помехозащищенности радиолиний при воздействии ретранслированных помех.

Получено выражение для полной вероятности ошибки поэлементного приема сигнала с Г1ПРЧ при воздействии «шумовой» помехи и двух взаимных помех, имеющее вид

3/, П (2 + 5,^,7) Н т) (2 + /72+Л„2^) '

Рои

2ш \ т!

1

2т\' _т) (/г + 2) т

(2 + И2 + И,у-)

где т < М - число разрешенных частот, не пораженных шумовой помехой; М-общее число нарезанных частот в выделенном диапазоне (М= 166).

Получена зависимость полной вероятности ошибки поэлементного приема элемента сигнала от длины манипуляционной последовательности т (рисунок 18, для оценки сверху примем =1). Как видно из графика, помехозащищенность радиоканала с ДЧМн ППРЧ и разрывной структурой при воздействии «шумовой» помехи в диапазоне частот радиомаячной службы достигается уже при разрешенной длине манипулирующей последовательности т =20, то есть даже при поражении помехой 88 % частотного диапазона. Таким образом, использование ДЧМн сигналов с ППРЧ с разрывной по времени и частоте структурой для обеспечения помехозащищенности радиоканалов при воздействии «шумовых» помех, по-видимому, является весьма перспективным.

Рисунок 18. Зависимость рош от размера манипулирующей последовательности ДЧМн сигнала с ППРЧ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное значение для экономики страны — повышение безопасности судоходства путем создания на ВВП России сплошного комплексного высокоточного радионавигационного поля ДП в СВ/ДВ и УКВ-диапазонах с учетом воздействия взаимных и индустриальных помех.

Выполнен анализ новых инфокоммуникационных технологий, реализуемых при развертывании на ВВП России глобальной гриадно-иерархической структуры «КРИС - РИС - АСУ ДС».

Получено теоретическое обоснование и практическая реализация системных методов, математических моделей и алгоритмов при проектировании, использовании и оценке помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ на ВВП России.

Научные результаты, полученные в работе, содержат решение следующих актуальных задач:

1. Создание концепции построения высокоэффективной речной дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАСС/СРБ, отличающейся обеспечением целостности высокоточного поля дифференциальной поправки.

2. Создание методологии оценки помехоустойчивости радиоканалов речной ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ОР8, отличающейся учетом комплекса аддитивных помех: шумов, взаимных и индустриальных помех, включающей анализ современного состояния исследований в этой области и выработку критериев оценки помехозащищенности и функциональной устойчивости речных дифференциальных подсистем в указанных условиях.

3. Построение вероятностных моделей радиоканалов ККС речных ЛДПС и БС АИС и алгоритмов расчета их помехозащищенности в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех, включающих разработку метода оценки помехозащищенности радиоканала ККС при воздействии индустриальных и нескольких взаимных помех на основе определения вероятности ошибки поэлементного приема сообщения; разработку метода расчета помехозащищенности радиоканала БС АИС с учетом законов распределения расстояний до мобильных источников взаимных помех и распределения высот рельефа, разработку методики оценки функциональной устойчивости основных характеристик систем передачи дифференциальной информации на базе полученных в работе коэффициентов относительной чувствительности.

4. Разработка научно-обоснованных предложений по изменению топологии комплексных функционально-устойчивых речных ЛДПС на ВВП России с использованием алгоритмов и программ расчета помехозащищенности радиоканалов в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех, включающих исследование подстилающей поверхности зон действия цепочек ККС

ЛДПС на ЕГС Европейской части России, а также па реках Сибири и Дальнего Востока, определение в вышеназванных регионах источников индустриальных помех и их характеристик и определение участков с наиболее сложной помехо-вой обстановкой.

5. Формирование стратегии использования сложных сигналов для повышения помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/СРБ в условиях воздействия взаимных, индустриальных, ретранслированных и шумовых помех, включающей обоснование выбора структуры ДЧМп ЛЧМ сигналов при воздействии взаимных и индустриальных помех и обоснование выбора ДЧМн сигнала с ППРЧ с разрывной структурой, как наиболее перспективных для борьбы с ретранслированными и шумовыми помехами.

Результаты проведенных исследований использовались в НИР Минтранса РФ в рамках федеральной целевой программы ««Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 - 2020 годы» при развертывании цепочек ККС на ВВП России в зонах ответственности ФБУ: «Администрация Волжского бассейна внутренних водных путей», «Администрация Обь-Иртышского бассейна внутренних водных путей», «Администрация Обьского бассейна внутренних водных путей», «Амурводпуть» и «Енисейречтранс» для оптимизации топологии поля ДП в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии

1. Шахиов С.Ф. Помехозащищность и устойчивость радиолиний речных дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/СРЯ: монография / С. Ф. Шахнов. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2015. - 170 с.

2. Автоматизация судовождения: учебник - Изд. 2-е, искр, и доп. / В. В. Каретников, А. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов. - СПб.: ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2014. - 239 с.

3. Технические средства судовождения: учебник / В. В. Каретником, 10. Н.Лысенко, С. Ф. Шахнов [и др.], под общ. ред. А. А. Сикарева - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - 316 с.

Публикации, предусмотренные «Перечнем нзданий ВАК»

4. Шахнов С.Ф. Влияние размера мертвой зоны ионосферной волны на помехоустойчивость радиолиний локальной дифференциальной подсистемы ГЛО-НАСС/СРБ / И. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов, В. И. Романова // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. - 2014. - Вып. 2. - С. 67-72.

5. Шахнов С.Ф.К расчету напряженности поля в радиоканалах речной локальной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/СРБ средневолнового диапазона / А. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов // Вестник ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова. -2014,- Вып. №3(25). - С. 27-32.

6. Шахнов С.Ф. Расчет помехозащищенности (ПЗ) радиоканалов речной локальной дифференциальной подсистемы (ЛДПС) автоматизированных систем управления (АСУ) движением судов (ДС) (на примере ФБУ «Администрация Волжского бассейна») / В. В. Каретников, И. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов. // Речной транспорт (XXI век). - 2014. - №6. - С. 54-57.

7. Шахнов С.Ф. К расчету помехозащищенности радиоканалов речной ЛДПС при использовании детерминированных сигналов и взаимных помех / С. Ф. Шахнов // Вестник государственного университета морского и речного транспорта им. адм. С.О. Макарова, -2014. - Вып.6(28). - С. 24-28.

8. Шахнов С.Ф. Концепция построения и оценка помехозащищенности дифференциальных подсистем АСУ движением судов в бассейне Енисея / С.Ф. Шахнов // Транспортное дело России. - 2014. - №6 (115). - С. 99-102.

9. Шахиов С.Ф. Расчет помехозащищенности радиоканалов речной локальной дифференциальной подсистемы автоматизированной системы движением судов в бассейне Оби / С. Ф. Шахнов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2014. - №4. - С. 122-124.

10. Шахнов С.Ф. Особенности учета подстилающей поверхности при определении функции ослабления в радиоканалах речной локальной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/СРБ / И. А. Сикарев, С.Ф. Шахнов, Г. В. Киселевич // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. - 2015 -Вып. №1. - С. 83-87.

11. Шахнов С.Ф. Расчет помехозащищенности дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/СРЗ в бассейне Амура / С. Ф. Шахнов, Г. В. Киселевич, И. Г. Куз-

нецов // Естественные и технические науки. - 2015. - №1С. 57-62.

12. Шахнов С.Ф. Расчет топологии поля речной локальной дифференциальной подсистемы автоматизированной системы управления движением судов в бассейне Иртыша с учетом помехозащищенности ее радиоканалов / В. В. Каретников, С. Ф. Шахнов // Речной транспорт (XXI век). - 2015. - № 1. -С. 44-47.

13. Шахнов С.Ф. Расчет функции ослабления поля контрольно корректирующих станций с учетом влияния подстилающей поверхности / С. Ф Шахнов // Вестник государственного университета морскою и речного транспорта им. адм. СО. Макарова.-2015.-Вып. 1(29).-С. 116-123.

14. Шахнов С.Ф. Алгоритм оценки помехозащищенности радиоканалов подсистемы АИС речной АСУ движением судов при воздействии взаимных помех /С. Ф. Шахнов//Транспортное дело России. -2015. -№ 1(116).-С. 135-138.

15. Шахнов С.Ф. Виды индустриальных помех и их влияние на радиолинии дифференциальных подсистем речных АСУ ДС / С. Ф. Шахнов // Информатизация и связь. - 2015. - №1. - С. 33-36.

16. Шахнов С.Ф. Методология расчета помехозащищенности радиоканалов речной локальной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/СРБ / И. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов, Г. В. Киселевич // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. -2015. - Вып. №1. - С. 88-93.

17. Шахнов С.Ф. Расчет помехозащищенности базовых станций речной АИС при воздействии индустриальных помех / С. Ф. Шахнов, Г. В. Киселевич, // Естественные и технические науки. - 2015. - №2. - С. 119-121.

18. Шахнов С.Ф. Функциональная устойчивость параметров речных локальных дифференциальных подсистем АСУ движением судов / С. Ф Шахнов // Вестник государственного университета морского и речного транспорта им. адм. С.О. Макарова. - 2015. - Вып.2(30). - С.225-231.

В других изданиях

19. Шахнов С.Ф. К вопросу обеспечения электромагнитной защищенности каналов передачи информации речной дифференциальной подсистемы ГЛО-НАСС/ОРБ / В. В. Каретников, С. Ф. Шахнов, И. Г. Кузнецов // Морская радиоэлектроника. - 2014. - Вып. 1(47). - С.53-55.

20. Шахнов С.Ф. Оценка помехозащищенности дифференциальных подсистем АСУ ДС / С.Ф. Шахнов. // Евразийский Союз Ученых. -2014. - № 9, ч.2. -С.44-47.

21. Шахнов С.Ф. Расчет помехозащищенности дифференциальных подсистем АСУ ДС при воздействии взаимных и индустриальных помех / С. Ф. Шахнов // Перспективы развития науки и образования: Сб. науч. тр. по материалам международной научно- практ. конф. 30 декабря 2014 г.: в 8 частях. 4.4. - М.: «АР-Консалт», 2015. - С. 139-142.

22. Шахнов С.Ф. Стратегия использования сложных сигналов для повышения помехозащищенности радиоканалов подсистем АСУ ДС / С. Ф. Шахнов // Современные тенденции в науке и образовании: сб. науч. тр. по материалам меж-дунар. научно- практ. конф. 28 февраля 2015 г.: в 5 частях. Ч. 3. - М.: «АР-Консалт», 2015.-С. 103-107.

Huaie.'ibcrbo ГУМРФ им. am С'.О. Макарова 19X035, C"anKi-IIcicpó>|-n , Межевой какал. 2 Tc.'i. SI 2-748-07-19. 74«-97-23 с-mail:i/dat;/ry mnrf.ru

Ф»1>маг 60а90/|6. Ус.i. иеч. 2.25. Тираж 100 Ж1. Зак«н№ 396-2015