автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и модели информационно-навигационного обеспечения аварийно-спасательных формирований МЧС России

На правах рукописи

Филиппов Александр Геннадьевич

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО-НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ФОРМИРОВАНИЙ

МЧС РОССИИ

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 пСЯ ¿013

Санкт-Петербург - 2013

005537449

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Научный руководитель:

Терехин Сергей Николаевич

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Моторыгин Юрий Дмитриевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, кафедра криминалистики и инженерно-технических экспертиз профессор;

Мажников Павел Викторович

кандидат технических наук, доцент, ФГКВОУ ВПО Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, кафедра № 63, старший преподаватель.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО

государственный

университет

Санкт-Петербургский политехнический

Защита состоится 21 ноября 2013 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.04 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.04 кандидат военных наук, доцент

В.В. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность мероприятий по ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера напрямую связана с эффективностью функционирования Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС), которая в свою очередь, зависит в том числе, и от качества решения задач навигации, позиционирования, а также мониторинга потенциально-опасных и критически важных объектов.

В настоящее время в рамках формирования концепции единого информационного пространства органов управления МЧС России с использованием существующих средств и технологий, созданы информационно-навигационные комплексы обеспечения аварийно-спасательных формирований МЧС России (АСФ МЧС). Однако, несмотря на внушительный технический прорыв в данной области исследований, научно-методическое сопровождение в области информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС требует своего дальнейшего развития.

Перспективным направлением в этой области является разработка методик построения систем спутникового мониторинга с функциями позиционирования и отслеживания действий АСФ МЧС, эксплуатация которых в настоящее время ограничена рядом проблем, обусловленных наличием районов с большими углами закрытия (трюмы кораблей, подвальные помещения, шахты и т.д.), где условия приема сигналов являются проблематичными.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная научно-методическому сопровождению построения систем информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС России при ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) в сложных навигационных условиях, является актуальной научной задачей.

Цель диссертационного исследования состоит в повышении качества информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях.

п (1

» ! X

Необходимость решения выявленного противоречия между существующим и требуемым положением дел в области информационно-навигационного обеспечения АСФ МЧС при ликвидации ЧС обусловила формулировку главной научной задачи диссертации — разработка научно-методического аппарата построения систем информационно-навигационного обеспечения АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих частных задач:

1) анализ современных технологий мониторинга и прогнозирования ЧС, места и роли информационно-навигационного обеспечения в системе управления МЧС России;

2) обоснование алгоритмов обработки РОМА-сигналов и СЭМА-сигналов для определения координат подвижных объектов и органов управления АСФ МЧС;

3) разработка методик построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях с использованием псевдолитов.

Объект исследования система информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС.

Предмет исследования методы и модели информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях с использованием псевдолитов.

Методы исследования. Работа базируется на методах математического моделирования, теории экспертных оценок, теории вероятностей и математической статистики, статистических методах принятия решений, методе системных матриц, комбинаторных методах принятия решений, теории сверхширокополосной технологии обработки сигнала, методах ретрансляции данных и измерительной информации, псевдодальномерных и радиально-скоростных методах измерения.

В процессе исследования обосновывались и выбирались рациональные методы, тактические принципы управления и технические решения по обоснованию информационно-навигационного обеспечению органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС на критически важных и потенциально-опасных объектах в сложных навигационных условиях на основе ретрансляции РОМА-сигналов и СОМА-сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС (ГНСС ГЛОНАСС).

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Структурный анализ ретрансляции РОМА-сигналов и СОМА-сигналов для позиционирования подвижных объектов и органов управления аварийно-спасательных формирований МЧС России при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности с использованием псевдолитов.

2. Методы и модели обработки РОМА-сигналов и СОМА-сигналов для определения аварийно-спасательных формирований МЧС России при проведении спасательных операций на потенциально-опасных объектах промышленности в сложных навигационных условиях.

3. Методы и модели построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга в деятельности АСФ МЧС.

Научная новизна результатов заключается в разработке и обосновании методов и моделей информационно-навигационного обеспечения для определения координат подвижных объектов и органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности в сложных навигационных условиях с использованием псевдолитов; организацию построения и применения радиотехнических технологий позиционирования подвижных объектов АСФ МЧС и управления ими в условиях экстренного реагирования на ЧС.

В этом случае, ключевые научные вопросы, исследуемые в диссертации, являются следующие:

- обоснование технических требований к средствам навигации и системам спутникового мониторинга со стороны АСФ МЧС;

- выбор и обоснование критерия эффективности средств навигации и систем спутникового мониторинга в решении задач аварийно-спасательных формирований МЧС России;

- алгоритмы обработки РЭМА-сигналов и СЭМА-сигналов для решения задач аварийно-спасательных формирований МЧС России в условиях экстренного реагирования на ЧС;

- рекомендации по практической реализации разработанных методов и моделей.

Теоретическая значимость заключается в разработке автором научно-методического аппарата, позволяющего учитывать требования по обеспечению основных показателей качества управления силами и средствами АСФ МЧС, а так же в совершенствовании научно-методического аппарата использования средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга для АСФ МЧС - выработке конкретных рекомендаций для моделирования и исследования таких систем.

Практическая значимость работы заключается в определении роли, места и задач информационно-навигационного обеспечения на различных этапах деятельности АСФ МЧС. Выявленные системные особенности ретрансляции РОМА-сигналов и СБМА-сигналов ГНСС ГЛОНАСС и предлагаемые методы обработки позволили повысить достоверность и сократить время позиционирования подвижных объектов и органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности в сложных навигационных условиях.

Реализация. Результаты диссертационного исследования реализованы в следующих организациях: ООО «Панасоник Рус», ООО «НПП «Радар».

Научные результаты диссертационного исследования, алгоритмы и методы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС

России и Уральского института Государственной противопожарной службы МЧС России.

Достоверность научных положений и выводов автора диссертации подтверждена обоснованностью исходных теоретико-методологических позиций, включающих обращение к смежным отраслям знаний, анализа опыта применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга подразделениями МЧС России в условиях экстренного реагирования на ЧС, корректно выполненными экспериментальными исследованиями, результаты которых хорошо согласуются с теоретическими выводами автора, а также апробацией материалов диссертации в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России».

Апробация исследования. Научные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на XXI Межвузовской научно-технической конференции ВМИРЭ им. A.C. Попова «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов», V Научно-практической конференции «Безопасность большого города», Научно-практической конференции «Совершенствование работы в области обеспечения пожарной безопасности людей на водных объектах» (Вытегра, Вологодская область, УСЦ «Вытегра» МЧС России); II Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы»; Научно-практическом семинаре «Гидрологические и сейсмические риски (наводнения, землетрясения и цунами - риски затопления и разрушения территорий)».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ из них 2 монографии, 5 статей в журналах, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ. Объем публикаций - 9,7 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 123 наименований. Работа содержит 135 страниц текста, в том числе 12 таблиц и 21 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы выбор темы диссертации, актуальность работы, отражены научные результаты, выносимые на защиту, и их характеристики, а также представлена информация об апробации и внедрении результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Анализ особенностей применения информационно-навигационного обеспечения в системе управления аварийно-спасательными формированиями МЧС России» проводится анализ структуры управления МЧС России, выбор методов информационно-навигационного обеспечения и их обоснование, средств и технологий информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга для АСФ МЧС.

К настоящему времени в МЧС России сформировался целый ряд направлений деятельности, основанных на применении современных информационных технологий. К ним в первую очередь можно отнести создание современных интелектуальных систем: мониторинга и прогнозирования ЧС, страхового фонда документации, информационного обеспечения управления рисками возникновения ЧС, связи и оповещения при ЧС.

Интеграционной основой этих систем является автоматизированная информационно-управляющая система ЧС (АРГУС РСЧС). Одной из важнейших задач, решаемых на каждом уровне иерархической системы управления МЧС России, является задача спутниковой навигации и мониторинга. Структура системы спутникового мониторинга приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура системы спутникового мониторинга

Основным содержанием задачи навигации (НЗ) является определение вектора состояния объекта (потребителя). Для определения вектора состояния потребителя использовались следующие пространственные координаты потребителя х, у, г, а также коррекция по временной шкале потребителя тп, ,

составляющие вектора скорости х, у, г. Важно, что эти значения не могут быть непосредственно измерены с помощью электронных средств. Поэтому, в пользовательском оборудовании ГНСС ГЛОНАСС дополнительно измеряются параметры принятого радиосигнала такие как — /•'ддоплеровский сдвиг частоты,

(время его прихода, <р фаза и разность фаз Л(Э. Искомые компоненты вектора состояния рассчитываются по следующим параметрам: дальность Я до навигационного космического аппарата (НКА), радиальная скорость Уг НКА, разность дальностей Д Я до нескольких НКА, угловая скорость угол визирования ф .

Технические средства, используемые при решении задач определения координат объектов и управления АСФ МЧС, не в полной мере решают

информационно-навигационную задачу. Так, кроме задач определения координат подвижных объектов, существует ряд задач, выполнение которых также требует навигационной поддержки, например, прием сигналов в закрытых помещениях или на местности с большими углами закрытия. В этих случаях определение координат АСФ МЧС проблематично, а порой и невозможно. Возможным путем является ретрансляция сигналов, но здесь возникают другие проблемы. Сигналы ГНСС широко отражаются от различных поверхностей, значительно ухудшая условия получения и отслеживания сигналов. Возникает проблема ограничения воздействия сигналов многолучевого распространения.

Вывод: таким образом, существует объективная необходимость в дальнейшей разработке теоретических основ решения этих задач, определяющих облик системы спутникового мониторинга и навигации, обеспечивающих работу АСФ МЧС в нестандартных ситуациях.

Во второй главе «Разработка методов и модели обработки FDMA-сигналов и CDMA-сигналов для определения координат АСФ МЧС России при проведении операций на потенциально-опасных объектах промышленности» предложены алгоритмы обработки FDMA-сигналов и CDMA-сигналов для определения координат различных объектов АСФ МЧС с помощью различных средств навигации и систем спутникового мониторинга использующие ретранслированные сигналы ГНСС ГЛОНАСС.

В ГНСС ГЛОНАСС и GPS используются радиально-скоростной и дальномерный (псевдодальномерный) методы измерений. Используются два типа навигационных сигналов: открытые с обычной точностью и защищенные с повышенной точностью.

Сигналы передаются методом расширения спектра в прямой последовательности (DSSS) и модуляцией через двоичную фазовую манипуляцию (BPSK). Все спутники используют одну и ту же псевдослучайную кодовую последовательность для передачи открытых сигналов, однако каждый спутник осуществляет передачу на разной частоте, используя 15-канальное разделение по частоте (FDMA). По предварительным данным

разработчиков, в спутниках Глонасс-К2 будут использоваться три открытых и два зашифрованных сигнала в формате CDMA. Открытый сигнал L30C передаётся на частоте 1202.25 МГц и использует двоичную фазовую манипуляцию BPSK( 10) для пилотного и информационного сигналов; псевдослучайный дальномерный код транслируется с частотой 10.23 миллионов импульсов (чипов) в секунду и модулируется на несущей частоте через квадратурную фазовую манипуляцию QPSK, при этом пилотный и информационный сигналы разнесены по квадратурам модуляции: информационный сигнал находится в фазе, а пилотный — в квадратуре. Информационный сигнал дополнительно модулирован 5-битным кодом Баркера, а пилотный сигнал— 10-битным кодом Ньюмана-Хоффмана. Открытый сигнал L10C и защищенный сигнал L1SC передаются на частоте 1600.995 МГц, а открытый сигнал L20C и защищенный сигнал L2SC — на частоте 1248.06 МГц, перекрывая диапазон сигналов формата FDMA.

Под величиной R, понимают измеренную дальность (псевдодальность) от /го навигационно-космического аппарата (НКА) до потребителя, которая отличается от величины R, (истинная дальность) на неизвестную SR величина которой постоянна за время определения навигационных параметров. Величину измеренной дальности (псевдодальности) до i-го НКА можно представить в следующем виде:

R~ = V(xc, - X)2 + (уС1 - у)2 + (zci - z)2 + стп , (1) где: 1 < i < n

Здесь: xci,yci,zci - известные на момент измерения координаты НКА

x,y,z - координаты потребител я;

с-скорость распространения радиоволн;

тп - смещение временной шкалы потребителя относительно системного

времени.

Основным навигационным параметром в псевдодальномерных методах измерения (ПДМ) является величина . При измерении положения НКА его поверхностью является сфера с радиусом величиной SR и центром в точке масс

навигационно-космического аппарата. Измерение величины Я, выводит систему трех уравнений с четырьмя неизвестными х, у, г, 5Я. при участии трех НКА. В дальнейшем при решении этой системы уравнений, возникает неопределенной параметр положения объектов, для устранения данной неопределенности проводиться дополнительное измерение, то есть измерение величины Rj до четвертого спутника. Получается система из четырех уравнений, которое имеет точное решение для определения положения, т.е. определяется точка пересечения четырех поверхностей положения НКА. Данный метод не вызывает каких-либо ограничений на значение величины дЯ, поэтому позволяет вычислить и отклонение шкалы времени для потребителя. Формальный вид навигационной функции ПДМ остается одинаковым при использовании как прямых, так и ретранслированных сигналов НКА.

Общая задержка сигнала физически будет являться сумма дальностей, поэтому в качестве дополнительного навигационного параметра (НП) может быть выбрана величина . Как и в первом случае, поверхностью положения будет являться сфера, радиус которой будет изменен на неизвестную величину

Однако кроме составляющей разность шкал времени сгп, в составе 8Яу будет присутствовать неизвестная задержка равная расстоянию Rpj от НКА до наземных пунктов приема сигналов. Уравнение для НП будет иметь вид: Я~ = Яу + ЗЯу = Яи +стп + Я0 , (2)

где; к у = л/(*" " х О1 + (У * ~ Уj)2 + ~ , «и = дА*» - х])2 + (Ун ~ У у)2 + (2н ~ 2>)2

где у, , у — координатыу'-го ретранслятора;

Хн,ун,2н — координаты наземных пунктов приема сигналов.

Метод предусматривает хранение информации о параметрах навигации по положению ретранслятора, в процессе повторного излучения, по крайней мере, от

четырех спутников на наземные станции приема сигналов. При определении точностных свойств методов позиционирования, а также при определении навигационных параметров их анализе и сравнении, использовалось понятие градиента НП и модуля градиента НП.

В системе координат модуль градиента НП имеет вид:

Для связи ошибки положения Дп с погрешностью измерения НП Ар использовалась следующая формула

где видно, что в позиционных методах местоопределения необходимо стремиться к увеличению градиента поля НП.

Кроме того, оценка разности шкалы времени и частоты генератора, полученные псевдодальномерным и псевдодоплеровским методами в приемнике наземного пункта приема сигналов, всегда будет иметь дополнительную погрешность в связи с изменением расстояния. Показано, что значения градиентов суммарно-дальномерного (суммарно-доплеровского) и угломерного методов должны определяться с учетом возможного практического положения НКА и одной или более наземных станций при определении координат и скорости ретранслятора.

Как было отмечено выше, наличие в составе наземных пунктов эталонной навигационной аппаратуры с известными координатами приемной антенны, позволяют реализовать дифференциальный режим внешнетраекторных измерений (ВТИ) этих объектов. По измеренным и предвычисленным значениям квазидальности до каждого из НКА вычисляются поправки, которые исправляются измерениями, полученными по ретранслированным сигналам ГНСС. Однако ионосферные задержки оказывают большое влияние на погрешности измерений сигналов. Предлагается метод дифференциальной коррекции сигналов ГНСС, ретранслируемых с НКА, повышающий точность

(3)

(4),

измерений за счет учета разницы ионосферных слоев для наземного пункта приема сигналов и подвижного объекта. Сущность метода заключается в выполнении следующих операций по уточнению корректирующей информации для каждого из НКА:

1. По измерениям эталонной навигационной аппаратуры потребителя (НАП) (а это должна быть 2-х частотная НАП) осуществляется декомпозиция суммарной погрешности квазидальности на составляющие в соответствии с природой их возникновения. Так, например, расчет тропосферной задержки достаточно успешно осуществляется применением в НАП моделей, учитывающих закономерности их изменения от температуры воздуха, давления и угла наблюдения НКА над горизонтом. Ионосферная погрешность в точке приема сигнала может быть определена двухчастотным методом, а эфемеридно-временная погрешность - как разница полной погрешности и составляющих ее погрешностей за задержку в ионосфере и тропосфере.

2. Эфемеридно-временная погрешность преобразуются в поправку (как соответствующие значения, принятые с обратным знаком), а тропосферная из дальнейших расчетов исключается, т.к. неадекватна условиям положения ретранслятора.

3. Выполняется уточнение ионосферной задержки редуцированием её от наземного пункта к точке расположения НКА путем уточнения параметров ионосферы по результатам измерений 2-х частотной НАП. Полученное значение задержки преобразуется в поправку.

4. Выполняется расчет дополнительной ионосферной задержки на радиотрассе применительно к несущей частоте ретранслятора. Полученное значение задержки преобразуется в поправку.

5. Вновь сформированный пакет поправок используется при обработке ретранслированных сигналов ГНСС.

Таким образом, «платой» за использование в задачах ВТИ ретранслятора на НКА является увеличение погрешностей, вызванных влиянием ионосферы.

Попытка компенсации их традиционными дифференциальными поправками внесет методическую погрешность в результаты измерений.

Вывод: Предложенный выше метод дифференциальной коррекции, учитывающий разницы ионосферных слоев для наземных пунктов приема сигналов и ретранслятора, позволяет исключить эти погрешности и существенно повысить точность измерений по сравнению со стандартными методами.

Третья глава «Методы и модели построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга в деятельности АСФ МЧС» посвящена разработке методов и модели построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга подвижных объектов АСФ МЧС.

Синхронизация часов псевдоспутника является главной характеристикой навигационной системы. В соответствии с принципом синхронизации системы навигации на основе псевдоспутников использованной в помещении, условно делятся синхронные и асинхронные системы. Поскольку существуют ошибки синхронизации, точность синхронной навигационной системы может быть хуже, чем точность асинхронной системы. Поэтому более предпочтительной является асинхронной система. Для формирования сигнала несущей Ы и псевдослучайных кодов в модуле псевдолита асинхронной навигационной системы используются независимые часы. Поэтому существует большая погрешность часов псевдоспутников. Чтобы узнать свое местоположение необходимо исключить эту погрешность. Система включает в себя контрольную станцию, модули псевдолитов и пользователя рисунок 2.

11с«Блоспутннк PRN1

Рисунок 2. Асинхронная навигационная система с использованием псевдоспутников

Если использовать необработанные данные контрольной станции можно рассчитать погрешности часов псевдолитов, при условии что известны координаты их известны. Передача данных погрешности осуществляется по беспроводной линии. Далее пользователь корректирует свои необработанные данные от контрольной станции используя при этом погрешности часов псевдолитов. Такой метод аналогичен методу применяемой при измерении фазы несущей в дифференциальной системе GPS.

Чтобы исключить погрешности часов псевдолитов в асинхронной системе необходимо измерение двух разностей. Если не происходит потеря фазовых циклов, то существует метод, который использует исходное местоположение пользователя.

Данный метод базируется на условии что точно известно положение псевдолита и контрольной станции. Используя уравнение (5) можно вычислить неоднозначность положения псевдолита, если Ru в уравнении - исходное местоположение пользователя.

= гоипс1\ —• \А

" г9 I

(5)

После разрешения неоднозначности интегрированной фазы несущей, уравнение (5) преобразовываем в уравнение (6).

(Н -К)-^'^1 гАЛ-^ -Н +(/?'■-

- (Л' - Л,) ■ е/ V' „ &rNf¡xed +' V' „ Дг£,

(6)

= - +'V-' Л £к

-II ' 1 II " /■ '' 0

Используя матричное уравнение (7) можно выразить измерения для одного значения времени.

«И -е'и -12

г23

Уи . ~ и ' — г34

<?"' 1 _ // ¿/ - /И ¡11!

2^3„д гЕф

Л г

"' V'" Д с,

и г ф

(7),

Н(х)-х = г(х) + У

где, х = Я„={хи Уа .„, Ковариационная матрица двух разностей интегрированной фазы несущей определяется уравнением (8).

И-' = соу[ГТ' =[2 <У2аат] 1 (8),

где,

Л =

1

I -1

1 -1

, о = аи<(ф)

По методу наименьших квадратов вычисление местоположения пользователя осуществляется с помощью приближенной средневзвешенной оценки.

В четвертой главе «Модель влияния многолучевости распространения сигналов на точность позиционирования подразделений АСФ МЧС»

проведены исследования с использованием сверхширокополосных сигналов для устранения эффекта многолучевости.

Имея импульсный характер и длительность в единицы наносекунд, сверхширокополосные сигналы могут реализовывать передачу информацию на фоне отраженных, это метод временной селекции прямых сигналов. Представленная на рисунке 3 модель позволяет определить возможный разброс момента прихода сигнала.

Рисунок 3. Модель влияния многолучевости сигнала В модели рассмотрены четыре варианта распространения сигнала при отражении от разных предметов и зданий, значения отображены в таблице 1.

Таблица 1- Суммарная длина расстояний, проходимых сигналом

№ траектории расстояние, м разность расстояний, м задержка, с

1 135,6 0 0

2 373,16 238 8е-7

3 244,37 109 3,6 е-7

4 291,73 135 4,5 е-7

В процессе моделирования возможность появления отраженных сигналов учитывалась. Значимым представлялась возможность наложения сигнала (импульсов не различимых во времени). Такой вариант влияет на точность работы систем позиционирования и приводит к искажению импульсов. Задержка сигнала в данной модели является случайной величиной, как и амплитуда сигнала.

Вывод: Таким образом, при использовании сверхширокополосных сигналов можно реализовать метод временной селекции прямых сигналов на фоне отраженных. При пиковой мощности излучения сигнала в 2,7 Вт на удалениях от 50 до 1000 метров, обеспечивается позиционирование подразделений на объекте (при наличии на пути 3-х кирпичных стен).

В заключении приводятся основные выводы и результаты диссертационной работы.

Вывод: в целом совокупность полученных в диссертации теоретических и практических результатов позволяет сделать вывод о том, что цель исследования достигнута. В диссертации получена совокупность технических и технологических решений, имеющая важное значение для МЧС России. Научная задача решена.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен структурный анализ принципов ретрансляции сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и информационных материалов, отражающих состояние вопроса по использованию систем спутникового мониторинга для аварийно-спасательных формирований МЧС России.

2. Представлены методы обработки ретранслированных сигналов для определения координат аварийно-спасательных формирований МЧС России.

3. Разработаны методы построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга для аварийно-спасательных формирований МЧС России.

4. Проведены теоретические исследования особенностей распространения радиоволн различных частотных диапазонов в условиях прямой видимости и затенений от объектов искусственного и естественного происхождения.

5. Разработана методика построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга для позиционирования подвижных объектов и органов управления аварийно-спасательными формированиями МЧС России при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности с использованием псевдолитов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Монографии:

1. Филиппов, А.Г. Навигационно-информационное обеспечение органов управления и подразделений пожарной охраны МЧС России при ликвидации чрезвычайных ситуаций [Текст]: монография / А.Г. Филиппов, B.C. Артамонов, С.Н. Терехин и др. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2012.-19,8/3,5 п.л.

2. Филиппов, А.Г. Защищенные информационные системы при ликвидации чрезвычайных ситуаций на объектах транспортной инфраструктуры [Текст]: монография / А.Г. Филиппов B.C. Артамонов, С.Н. Терехин и др. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2013. - 16,8/3,9 пл.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

3. Филиппов, А.Г. Вероятностный подход к построению распределенной системы мониторинга потенциально опасных объектов [Текст] / А.Г. Филиппов, Д.В. Николаев, С.Н. Терехин // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере». - 2009. - № 3. - 0,6/0,2 п.л.

4. Филиппов, А.Г. Проблемы реализации внедрения систем мониторинга потенциально-опасных объектов [Текст] / А.Г. Филиппов, Р.Г. Кузнецов, С.Н.Терехин, // Научно-аналитический журнал «Проблемы управления рисками в техносфере». - 2009. - № 4. - 0,6/0,2 п.л.

5. Филиппов, А.Г. Анализ алгоритмов обработки ретранслированных сигналов для определения координат аварийно-спасательных формирований МЧС России при проведении операций в зонах особого риска [Электронный ресурс] / А.Г. Филиппов, С.Н. Терехин // Научный электронный журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru. - 2011. - № 3. -0,7/0,2 п.л.

6. Филиппов, А.Г. Концептуальное моделирование управления доступом к информации в ключевой системе информационной инфраструктуры [Электронный ресурс]/ А.Г. Филиппов, С.А. Агеев, И.Б. Саенко // Научный электронный журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru. -2011.-№ 4.-0,5/0,1 п.л.

7. Филиппов, А.Г. Анализ факторов и закономерностей функционирования систем позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России в закрытых помещениях зданий и сооружений [Текст] / А.Г. Филиппов, A.B. Балов, С.Н. Терехин, // «Научно-технические ведомости СПбГПУ» -2011,-№4.-0,4/0,1 п.л.

Публикации в международных, всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

8. Филиппов, А.Г. Некоторые проблемы при построении современных систем мониторинга потенциально-опасных объектах [Текст] / А.Г. Филиппов, Р.Г. Кузнецов, С.Н.Терехин // «Алгоритм безопасности» — 2009. — № 3. — 0,5/0,2 п.л.

9. Филиппов, А.Г. Задачи анализа и синтеза устойчивого функционирования сетей связи [Текст] / А.Г. Филиппов, Ю.И. Синещук, С.Н. Терехин // Материалы XXI Межвузовской научно-технической конференции ВМИРЭ им. A.C. Попова «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов». Часть II. - СПб.: ВМИРЭ - 2010. - 0,3/0,1 п.л.

10. Филиппов, А.Г. Оценка риска и надежности систем противопожарной защиты на водных объектах [Текст] / А.Г. Филиппов, Ю.И. Синещук, С.Н. Терехин // Материалы научно-практической конференции «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах». - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России -2010.-0,3/0,1 п.л.

11. Филиппов, А.Г. Проблемы использования структурированных систем мониторинга в составе систем безопасности многоквартирных домов [Текст] / А.Г.

Филиппов // Материалы V Научно-практической конференции «Безопасность большого города» Санкт-Петербург - 2010 г. - 0,1/0,1 п.л.

12. Филиппов, А.Г. Варианты использования радиоканала в системах безопасности зданий и сооружений [Текст] / А.Г. Филиппов, С.Н. Терехин // «Системы безопасности». — № 4. - 2011. - 0,3/0,1 п.л.

13. Филиппов А.Г. Применение дифференциальной коррекции сигналов глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в локальной системе позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России [Текст] / А.Г. Филиппов, С.Н. Терехин // Материалы II Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» - 2011. -0,1/0,1 п.л.

14. Филиппов, А.Г. Задачи и проблемы обеспечения устойчивого функционирования сложных систем на примере эксплуатации АЭС [Текст] / А.Г. Филиппов, Ю.И. Синещук, С.Н.Терехин // Сборник трудов межвузовской НПК «Современные проблемы обеспечения пожарной безопасности атомных электростанций». Иваново. Ивановский институт ГПС МЧС России. - 2012. -0,3/0,1 п.л.

15. Филиппов А.Г. Обеспечение устойчивого функционирования зданий и сооружений на основе защищенных информационных технологий [Текст] / Ю.И. Синещук, С.Н. Терехин // Межвузовский научно-практический семинар «Гидрологические и сейсмические риски». - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России-2013,- 0,3/0,1 п.л.

Подписано в печать Печать цифровая

26.09.2013 г. Объем 1 п.л.

Формат 60><84 1/16 Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

04201455095

Наигравах рукописи

Филиппов Александр Геннадьевич

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО-НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ФОРМИРОВАНИЙ

МЧС РОССИИ

05.13.01 — системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Терехин Сергей Николаевич

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение........................................................................ 5

1. Анализ особенностей применения информационно-

навигационного обеспечения в системе управления аварийно-спасательными формированиями МЧС России........................ 11

1.1 Мониторинг и прогнозирование ЧС....................................... 11

1.2 Концепции мониторинга критически важных и потенциально опасных объектов............................................................. 16

1.3 Технологии решения задач ситуационного управления.............. 17

1.4 Навигационные спутниковые системы, как элемент системы управления аварийно-спасательными формирования МЧС

России........................................................................... 22

1.5 Локальные системы позиционирования................................. 39

2 Разработка методов и модели обработки БОМА-сигналов и СЭМА-

сигналов для определения координат АСФ МЧС России при проведении операций на потенциально-опасных объектах промышленности.............................................................. 49

2.1 Общие положения............................................................ 49

2.2 Дальномерные методы определения координат при использовании ретранслированных сигналов........................... 51

2.3 Доплеровские методы определения скорости и координат при использовании ретранслированных сигналов........................... 55

2.3.1 Псевдорадиально-скоростной метод по сигналам НКА.............. 56

2.3.2 Псевдорадиально-скоростной метод по сигналам ретранслятора.. 57

2.3.3 Разностно-доплеровский метод............................................ 58

2.3.4 Суммарно-доплеровский метод............................................ 59

2.4 Определение координат доплеровскими методами.................... 59

2.5 Интегральный доплеровский метод....................................... 60

2.6 Совместное использование прямых и ретранслированных

сигналов НКА.................................................................. 62

2.7 Прием ретранслированных сигналов на несколько НИП............ 63

2.8 Сравнительный анализ способов определения координат по

прямым и ретранслированным сигналам ГНСС........................ 64

2.9 Особенности дифференциальной коррекции сигналов ГНСС,

ретранслированных с объекта РКТ....................................... 68

Методы и модели построения и применения средств

3 информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга в деятельности АСФ МЧС............... 74

3.1 Определение и назначение псевдоспутников........................... 74

3.2 Концепции построение систем, использующих псевдоспутники... 76

3.3 Проблемы, возникающие при использовании псевдоспутников... 80

3.4 Использование навигационных систем на базе псевдоспутников

в помещении................................................................... 82

3.5 Методы повышения значений характеристик при местоопределения в помещении........................................... 84

4 Модель влияния многолучевости распространения сигналов на точность позиционирования подразделений АСФ МЧС............. 91

4.1 Распространение электромагнитных волн в однородной и неоднородной средах......................................................... 91

4.2 Предварительная оценка параметров сигнала системы позиционирования............................................................ 94

4.3 Методы локализации объектов............................................. 97

4.3.1 Особенности технологии «снятия радиоотпечатков»................. 101

4.4 Предварительный расчет мощностных и точностных

параметров..................................................................... 106

4.5 Исследование влияния многолучевости распространения

радиоволн на точность позиционирования............................................................110

Заключение..........................................................................................................................................115

Основные результаты работы............................................................................................118

Список сокращений и условных обозначений....................................................119

Список литературы......................................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Эффективность мероприятий по ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера напрямую связана с эффективностью функционирования Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС), которая в свою очередь, зависит в том числе, и от качества решения задач навигации, позиционирования, а также мониторинга потенциально-опасных и критически важных объектов. В настоящее время в рамках формирования концепции единого информационного пространства органов управления МЧС России с использованием существующих средств и технологий, созданы информационно-навигационные комплексы обеспечения аварийно-спасательных формирований МЧС России (АСФ МЧС). Однако, несмотря на внушительный технический прорыв в данной области исследований, научно-методическое сопровождение в области информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС требует своего дальнейшего развития.

Перспективным направлением в этой области является разработка методик построения систем спутникового мониторинга с функциями позиционирования и отслеживания действий АСФ МЧС, эксплуатация которых в настоящее время ограничена рядом проблем, обусловленных наличием районов с большими углами закрытия (трюмы кораблей, подвальные помещения, шахты и т.д.), где условия приема сигналов являются проблематичными.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная научно-методическому сопровождению построения систем информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС России при ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) в сложных навигационных условиях, является актуальной научной задачей.

Цель диссертационного исследования состоит в повышении качества информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях.

Необходимость решения выявленного противоречия между существующим и требуемым положением дел в области информационно-навигационного обеспечения АСФ МЧС при ликвидации ЧС обусловила формулировку главной научной задачи диссертации - разработка научно-методического аппарата построения систем информационно-навигационного обеспечения АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих частных задач:

анализ современных технологий мониторинга и прогнозирования ЧС, места и роли информационно-навигационного обеспечения в системе управления МЧС России;

обоснование алгоритмов обработки РЭМА-сигналов и СБМА-сигналов для определения координат подвижных объектов и органов управления АСФ МЧС;

разработка методик построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях с использованием псевдолитов.

Объект исследования система информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС.

Предмет исследования методы и модели информационно-навигационного обеспечения органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС в сложных навигационных условиях с использованием псевдолитов.

Методы исследования. Работа базируется на методах математического моделирования, теории экспертных оценок, теории вероятностей и математической статистики, статистических методах принятия решений, методе системных матриц, комбинаторных методах принятия решений, теории сверхширокополосной технологии обработки сигнала, методах ретрансляции данных и измерительной информации, псевдодальномерных и радиально-скоростных методах измерения.

В процессе исследования обосновывались и выбирались рациональные методы, тактические принципы управления и технические решения по обоснованию информационно-навигационного обеспечению органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС на критически важных и потенциально-опасных объектах в сложных навигационных условиях на основе ретрансляции РОМА-сигналов и СОМА-сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС (ГНСС ГЛОНАСС).

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

Структурный анализ ретрансляции БОМА-сигналов и СОМА-сигналов для позиционирования подвижных объектов и органов управления аварийно-спасательных формирований МЧС России при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности с использованием псевдолитов.

Методы и модели обработки БОМА-сигналов и СОМА-сигналов для определения аварийно-спасательных формирований МЧС России при проведении спасательных операций на потенциально-опасных объектах промышленности в сложных навигационных условиях.

Методы и модели построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга в деятельности АСФ МЧС.

Научная новизна результатов заключается в разработке и обосновании методов и моделей информационно-навигационного обеспечения для определения координат подвижных объектов и органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности в сложных навигационных условиях с использованием псевдолитов; организацию построения и применения радиотехнических технологий позиционирования подвижных объектов АСФ МЧС и управления ими в условиях экстренного реагирования на ЧС.

В этом случае, ключевые научные вопросы, исследуемые в диссертации, являются следующие:

- обоснование технических требований к средствам навигации и системам спутникового мониторинга со стороны АСФ МЧС;

- выбор и обоснование критерия эффективности средств навигации и систем спутникового мониторинга в решении задач аварийно-спасательных формирований МЧС России;

- алгоритмы обработки FDMA-сигналов и CDMA-сигналов для решения задач аварийно-спасательных формирований МЧС России в условиях экстренного реагирования на ЧС;

- рекомендации по практической реализации разработанных методов и моделей.

Теоретическая значимость заключается в разработке автором научно-методического аппарата, позволяющего учитывать требования по обеспечению основных показателей качества управления силами и средствами АСФ МЧС, а так же в совершенствовании научно-методического аппарата использования средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга для АСФ МЧС - выработке конкретных рекомендаций для моделирования и исследования таких систем.

Практическая значимость работы заключается в определении роли, места и задач информационно-навигационного обеспечения на различных этапах деятельности АСФ МЧС. Выявленные системные особенности ретрансляции FDMA-сигналов и CDMA-сигналов ГНСС ГЛОНАСС и предлагаемые методы обработки позволили повысить достоверность и сократить время позиционирования подвижных объектов и органов управления АСФ МЧС при ликвидации ЧС на потенциально-опасных объектах промышленности в сложных навигационных условиях.

Реализация. Результаты диссертационного исследования реализованы в следующих организациях: ООО «Панасоник Рус», ООО «НИИ «Радар».

Научные результаты диссертационного исследования, алгоритмы и методы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС

России и Уральского института Государственной противопожарной службы МЧС России.

Достоверность научных положений и выводов автора диссертации подтверждена обоснованностью исходных теоретико-методологических позиций, включающих обращение к смежным отраслям знаний, анализа опыта применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга подразделениями МЧС России в условиях экстренного реагирования на ЧС, корректно выполненными экспериментальными исследованиями, результаты которых хорошо согласуются с теоретическими выводами автора, а также апробацией материалов диссертации в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России».

Апробация исследования. Научные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на XXI Межвузовской научно-технической конференции ВМИРЭ им. A.C. Попова «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов», V Научно-практической конференции «Безопасность большого города», Научно-практической конференции «Совершенствование работы в области обеспечения пожарной безопасности людей на водных объектах» (Вытегра, Вологодская область, УСЦ «Вытегра» МЧС России); II Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы»; Научно-практическом семинаре «Гидрологические и сейсмические риски (наводнения, землетрясения и цунами - риски затопления и разрушения территорий)».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ из них 1 монография, 5 статей в журналах, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ. Объем публикаций - 9,7 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 123 наименований. Работа содержит 135 страниц текста, в том числе 12 таблиц и 21 рисунок.

Во введении обоснованы выбор темы диссертации, актуальность работы, отражены научные результаты, выносимые на защиту, и их характеристики, а также представлена информация об апробации и внедрении результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Анализ особенностей применения информационно-навигационного обеспечения в системе управления аварийно-спасательными формированиями МЧС России» проводится анализ структуры управления МЧС России, выбор методов информационно-навигационного обеспечения и их обоснование, средств и технологий информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга для АСФ МЧС.

Во второй главе «Разработка методов и модели обработки ГВМА-сш налов и СБМА-сигналов для определения координат АСФ МЧС России при проведении операций на потенциально-опасных объектах промышленности» предложены алгоритмы обработки РБМА-сигналов и СБМА-сигналов для определения координат различных объектов АСФ МЧС с помощью различных средств навигации и систем спутникового мониторинга использующие ретранслированные сигналы ГНСС ГЛОНАСС.

В третьей главе «Методы и модели построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга в деятельности АСФ МЧС» рассматриваются методы и модели построения и применения средств информационно-навигационного обеспечения и систем спутникового мониторинга подвижных объектов АСФ МЧС.

В четвертой главе «Модель влияния многолучевости распространения сигналов на точность позиционирования подразделений АСФ МЧС» проведены исследования с использованием сверхширокополосных сигналов для устранения эффекта многолучевости.

В заключении приводятся основные выводы и результаты диссертационной работы.

ГЛАВА 1. «АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫМИ ФОРМИРОВАНИЯМИ МЧС РОССИИ».

1.1. Мониторинг и прогнозирование ЧС.

Сущность и назначение мониторинга и прогнозирования ЧС — в наблюдении, контроле и предвидении опасных процессов и явлений природы и техносферы, являющихся источниками чрезвычайных ситуаций, динамики развития чрезвычайных ситуаций, определения их масштабов в целях предупреждения и организации ликвидации бедствий.

Деятельность по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций осуществляется многими организациями (учреждениями), при этом используются различные методы и средства. Например, мониторинг и прогноз событий гидрометеорологического характера осуществляется учреждениями и организациями Росгидромета, который, кроме того, организует и ведет мониторинг состояния и загрязнения атмосферы, воды и почвы.

Сейсмические наблюдения и прогноз землетрясений в стране осуществляются федеральной системой сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений, в которую, входят учреждения и наблюдательные сети Российской академии наук, МЧС России, Минобороны России, Госстроя России и др.

Качество мониторинга и прогноза чрезвычайных ситуаций определяющим образом влияет на эффективность снижения рисков их возникновения и масштабов.

Важность этого направления в деле защиты населения и территорий от природных и техногенных чрезвычайных ситуаций нашла свое отражение в распоряжении Президента Российской Федерации от 23 марта 2000 г . № 86-рп, опреде�