автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Повышение достоверности локационной информации в критичных условиях радиолокационных наблюдений

На правах рукописи

СУСЛОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ В КРИТИЧНЫХ УСЛОВИЯХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

И 3 МАЙ 2010

Мурманск - 2010

004602078

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Меньшиков Вячеслав Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сикарев Александр Александрович кандидат технических наук, доцент Позняков Сергей Иванович

Ведущая организация: ФГУП "Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича"

Защита диссертации состоится .¿¿¿»Л 2010 г. в часов

на заседании диссертационного совета К 307.009.02 в Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ¿ХАувяЗ- 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент [р А. Б. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важнейшей частью инфраструктуры экономического комплекса Крайнего Севера и связующим звеном между российским Дальним Востоком и западными районами страны является Северный морской путь (СМП). Для большинства районов арктической зоны России только использование морских судов на СМП в установленных международными морскими конвенциями рамках безопасности мореплавания позволяет решить как проблему жизнеобеспечения населения, так и проблему дальнейшего экономического освоения этих районов. Решающую роль при обеспечении безопасного судовождения в морских акваториях Крайнего Севера играет радиолокационная информация, получаемая от конвенционных судовых радиолокационных систем. Однако даже современные судовые радиолокационные станции в критичных условиях плавания судов в районе Крайнего Севера при наличии прогноза не всегда оказываются способными своевременно и достоверно обнаружить опасные для навигации препятствия, измерить их параметры и обеспечить безопасную проводку судов. Достаточно большое количество навигационных опасностей, в том числе ледовые образования, являются источниками стабильного (во многих случаях - весьма интенсивного) радиотеплового излучения, которое при эксплуатации на судах радиотеплолокаторов позволяет идентифицировать опасности, производить оценку их параметров и осуществлять безопасную проводку судов. Практическое использование радиотеплолокаторов совместно с судовыми радиолокационными станциями при плавании в критичных условиях будет способствовать принятию правильных управленческих решений, которые, отвечая требованиям "хорошей морской практики", позволят обеспечить как безопасность мореплавания, так и безопасную эксплуатацию судна. Таким образом, задачу обеспечения безопасной эксплуатации судна в критичных условиях плавания за счет внедрения методов обработки теплолокационной информации, способных повысить чувствительность радиотеплолокаторов и позволяющих реализовать комплексирование локационной информации, можно считать актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение уровня безопасности мореплавания при плавании судна в критичных условиях радиолокационных наблюдений судовых РЛС за счет вне-

дрения методики обработки теплолокационной информации, направленной на повышение чувствительности навигационных радиотеплолокаторов, и их комплексирования с судовыми радиолокаторами.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать возможность применения на судах системы мониторинга радиотеплового излучения навигационных объектов на фоне радиоизлучения окружающей среды и выделить те ее элементы, которые способны достоверно идентифицировать навигационные риски;

- разработать методы идентификации навигационной информации из принимаемого радиотеплового сигнала и структуру оптимального навигационного радиотеплолокатора в рамках критерия максимального правдоподобия;

- предложить методы обработки теплолокационной информации, направленные на устранение причин, ограничивающих чувствительность радиотеплолокаторов, и оценить эффективность предлагаемых мер с помощью имитационного математического моделирования;

- выработать минимальные требования к техническим параметрам судового радиотеплолокатора, обеспечивающие его соответствие Международной конвенции СОЛАС-74 и национальным требованиям, сформулированным Российским морским регистром судоходства;

- подтвердить, что при совместном использовании судового навигационного радиолокатора и радиотеплолокатора повышается достоверность локационной информации и снижается риск принятия судоводителем неправильных управленческих решений.

Объектом исследования являются радиотеплолокатор, соответствующий требованиям Международной конвенции СОЛАС-74 к средствам локации, национальным требованиям, сформулированным Российским морским регистром судоходства, и обеспечивающий безопасность мореплавания в критичных условиях функционирования судовой РЛС, когда информационные возможности радиолокационных средств существенно ограничены.

Предметом исследования является процесс обработки информации в радиотеплолокаторе, который комплексирован в судовой навигационный радиотехнический комплекс для информационной поддержки процесса судовождения в условиях малой эффективности радиолокационных средств.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм оптимальной обработки радиотеплового сигнала, исключающий его подавление мощным внутренним шумом приемника радиотеплолокатора;

- предложен метод обработки теплолокационной информации позволяющий повысить чувствительность радиотеплолокатора за счет прямого преобразования частоты и предварительной нелинейной обработки радиотеплового сигнала;

- сформулированы принципы комплексирования радиолокационной и теплолокационной аппаратуры, которые способны повысить уровень безопасности мореплавания за счет повышения эффективности решения задач обнаружения, идентификации и классификации навигационных целей.

Практическая значимость работы. Результаты исследований в виде рекомендаций, направленных на повышение потенциала радиотехнического комплекса обеспечения навигации при внедрении на судах радиотепло-локаторов, переданы для практического использования в рыболовные компании Северного бассейна. Кроме того, эти рекомендации могут быть использованы в учебном процессе при подготовке курсантов по специальности "Судовождение", а также при переподготовке специалистов на факультетах повышения квалификации морских и рыбопромысловых академий.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях в Мурманском государственном техническом университете (20082009 гг., г. Мурманск).

Личный вклад автора. Результаты диссертационной работы были опубликованы в десяти печатных работах; при этом восемь из указанных работ написаны соискателем лично и две работы в соавторстве с другими специалистами в области морской радиолокации. Вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, составляет 50 %.

Достоверность результатов. Результаты, изложенные в диссертации, были получены в ходе выполнения вычислительного эксперимента, с соблюдением требований к параметрам математических моделей, используемых для исследования переходных процессов в электронных технических системах. При этом математические модели исследуемых систем

были построены на основе известных физических законов, описывающих функционирование основных составных узлов судовых локационных навигационных систем, что позволяет считать указанные модели адекватными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе одна статья опубликована в журнале из перечня ВАК и две статьи -в материалах международных научно-технических конференций.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 78 наименований, и приложения. В приложении приведены данные о структуре имитационных моделей, использованных при проведении математического эксперимента, и акты внедрения, подтверждающие фактическое использование результатов исследования в учебном процессе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и приведен перечень задач исследования.

В первой главе показаны основные информационные недостатки, присущие современным судовым радиолокаторам, и предложен путь их устранения за счет дополнительного использования в процессе судовождения радиотеплолокаторов.

Достоверность информации, поступающей судоводителю от системы отображения радиолокатора, напрямую определяется интенсивностью отраженного от цели сигнала. При этом основным фактором, оказывающим влияние на интенсивность отраженного от цели радиосигнала, является эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели оц. Поэтому при анализе достоверности информации, поступающей судоводителю от системы отображения судовой радиолокационной станции (РЛС), необходимо учитывать зависимость параметра ац от условий окружающей морской среды. К таким условиям в первую очередь следует отнести гидрометеорологические условия, в которых осуществляется плавание судна.

Процессы, протекающие на поверхности моря и в прилегающих к ней слоях атмосферы, оказывают заметное влияние на достоверность представляемой судоводителю радиолокационной информации. Так, оц сущест-

венно зависит от состояния поверхности моря. Поверхность моря является распределенной целью, и отраженный сигнал зависит от площади облученного участка поверхности моря. Для универсализации решения задачи радиолокационного обнаружения значение оц преобразовывают в относительную величину а0, которая выражается через эффективную площадь рассеяния, отнесенную к единице облученной площади:

где а - ЭПР участка моря площадью 5„.

Экспериментальные наблюдения, проведенные в радиолокационном диапазоне частот при малых углах скольжения, показывают, что величина а0 быстро возрастает с увеличением высоты волны, однако после того, как высота волны достигнет примерно 0,6-0,9 м, такой рост становится незначительным либо совсем прекращается. При изменении угла скольжения величина о0 изменяется в больших пределах (на 30-60 дБ).

Влияние явлений, происходящих в тропосфере (микропульсаций коэффициента преломления среды), на достоверность обнаружения радиолокационных целей связано с различными видами замираний отраженного сигнала. Радиус пространственной корреляции замираний в горизонтальном направлении достаточно велик, и морские цели могут довольно долго находиться в зоне замираний. При этом опасны замирания, длительность которых соответствует нескольким периодам обзора РЛС, так как при этом затруднен режим автозахвата и непрерывного автосопровождения цели. Работа РЛС в этих режимах необходима при решении задачи по обеспечению безопасности мореплавания в части расхождения судна с подвижными и неподвижными целями.

Угловое положение кажущегося источника эхосигнала сложных целей зависит от относительных амплитуд и фаз составляющих эхосигналов и их угловых положений. Движение сложной цели вызывает блуждание кажущегося источника эхосигнала в плоскости этой цели относительно ее физического центра. Блуждание кажущегося источника эхосигнала ухудшает точность радиолокационных измерений. Несмотря на то, что абсолютные отклонения (вариации) движения цели невелики, их влияние на достоверность радиолокационной информации может оказаться весьма существенным. Например, изменение дальности до цели на половину длины волны способно вызвать изменение фазы на 360°.

Если принять отмеченные информационные недостатки современных судовых радиолокационных станций, то возникает задача повышения достоверности информации, поступающей на мостик судна. Повысить достоверность информации и тем самым обеспечить поддержание принятого уровня безопасности мореплавания, можно, например, путем расширения технического оснащения мостика судна за счет привлечения радиотепло-локатора. При этом повышение уровня безопасности мореплавания будет заключаться в том, что в критичных для РЛС ситуациях носителем информации будет являться не отраженный радиосигнал, а собственное тепловое радиоизлучение целей, которое отличается высокой стабильностью и относительно высокой мощностью в сантиметровом диапазоне длин волн.

В общем случае в качестве модели сигнала радиотеплового излучения можно использовать случайные флуктуационные процессы. При приеме таких сигналов с полосой частот приемного устройства, равная нескольким процентам от среднего значения частоты рабочего диапазона, можно выделить огибающую флуктуационного процесса. При этом одномерное распределение мгновенных значений сигналов имеет нормальный характер:

I

V2ткти

а одномерное распределение огибающей подчиняется закону Релея:

VI

<

Обычно интенсивность теплового радиоизлучения цели характеризуют радиояркостной температурой Т", которая определяется как температура эквивалентного абсолютно черного тела, имеющего яркость, равную:

тЧт,

где у - коэффициент поглощения вещества цели; Т - действительная термодинамическая температура цели.

Интенсивность излучения цели, принимаемого радиотеплолокатором, определяется антенной температурой, которая характеризует величину спектральной плотности излучения, выделяемого согласованной нагрузкой в полосе частот Д/:

Р.

т =-л АДГ

где к- постоянная Больцмана.

При этом:

О *2*

Т. =— | |Г'(ф1а)/г(ф,а)51Пф£/фа'а =

о;

где 7,"(ф, а) - эффективная яркостная температура в функции зенитного Ф и азимутального а углов, определяющих направление прихода радиотеплового излучения;

^ср, а) - диаграмма направленности антенны.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что контраст радиояркостных температур земных объектов, принимаемых за навигационные цели, в подавляющем большинстве случаев превышают 10 К и достигают величин порядка 100 К. Источниками такого мощного радиотеплового излучения являются именно навигационные цели, которые достаточно часто состоят из веществ, плохо отражающих радиоволны. Для веществ со слабой излучательной способностью наблюдаемый радио-яркостной контраст между целями в первую очередь зависит от поляризации принимаемого радиотеплового сигнала. Поэтому при незначительных величинах контраста радиояркостных температур эффект обнаружения теплового радиоизлучения навигационных целей на фоне излучения взволнованной морской поверхности будет существенно выше при использовании антенн с горизонтальной поляризацией.

По точности измерения угловых координат обзорные радиотеплоло-каторы эквивалентны обзорным радиолокаторам. Однако радиотеплолока-торы превосходят обзорные радиолокаторы в случае использования ин-терферометрических методов измерения или антенных систем типа "крест". Точность же следящих радиотеплолокаторов превосходит точность следящих радиолокаторов, так как на радиотеплолокаторы не влияет эффект "мерцания".

Таким образом, в широком спектре критичных в навигационном плане ситуаций при информационных отказах радиолокаторов можно наблюдать снижение качества обнаружения навигационных опасностей и точности измерения параметров, характеризующих их состояние. При использовании радиотеплолокаторов решение этих задач является более эффективным.

Во второй главе предложены алгоритм оптимальной обработки радиотеплового сигнала приемником радиотеплолокатора и метод повышения его чувствительности.

Практика современного мореплавания показывает, что, несмотря на внедрение новых технических средств судовождения, безопасность мореплавания продолжает оставаться острейшей проблемой на морском транспорте, а предупреждение навигационной аварийности - злободневной практической задачей.

Одной из постоянно действующих причин аварий судов выступает "человеческий фактор", проявляющийся в неспособности судоводителя обнаружить, идентифицировать и классифицировать навигационные опасности, используя данные, получаемые с помощью современных навигационных PJIC. Поэтому мероприятия по предупреждению аварийности должны включать разработку не только новых технических средств судовождения, но и методов обработки информации, направленных на совершенствование технико-эксплуатационных характеристик этих средств.

Одной из важнейших задач, которую должен решать радиотеплоло-катор при обеспечении безопасности мореплавания, является обнаружение радиотеплового сигнала, излучаемого целью. Задачу обнаружения целей следует сформулировать следующим образом.

Пусть на интервале времени (0, Т) в радиотеплолокаторе наблюдается напряжение u(t), которое является либо помехой n(t), либо суммой сигнала и помехи s(t) + n(t). Если далее учитывать случайный характер помехи и возможные флуктуации параметров полезного сигнала, то решение, которое должен принять обнаружитель при наблюдении за напряжением u(t), может быть как правильным, так и ошибочным.

В общем случае возможны следующие ситуации:

- приs(i) ф 0 принимается правильное решение "сигнал есть" - Ап;

- при i(i) Ф 0 принимается неправильное решение "сигнала нет" - Ам;

- при s(t) = 0, т. е. при отсутствии сигнала на входе приемника принимается правильное решение "сигнала нет" - А0о;

- при s(t) = 0, т. е. при отсутствии сигнала на входе приемника принимается неправильное решение "сигнал есть" - A0i.

Для заданных ситуаций качество обнаружения сигнала (как часто принимаются правильные и ошибочные решения) будем характеризовать условными вероятностями:

- вероятностью правильного обнаружения сигнала Рц при 5(с) Ф 0;

- вероятностью пропуска сигнала Р^ при ф 0;

- вероятностью правильного необнаружения сигнала Ре при ,у(<) = 0;

- вероятностью ложного обнаружения сигнала Р? при = 0.

Далее можно считать, что при радиотеплолокационных наблюдениях

априорная вероятность наличия сигнала неизвестна. Тогда в качестве критерия оптимальности целесообразно использовать максимум вероятности правильного обнаружения сигнала Р0 при фиксированной вероятности ложного обнаружения Рр. Выбранный критерий оптимальности называют критерием Неймана-Пирсона, а соответствующий ему обнаружитель - обнаружителем, оптимальным по критерию Неймана-Пирсона.

Автоматический обнаружитель выполняет действия над входным сигналом, по результатам которых наблюдаемая реализация входного напряжения и{{) классифицируется либо как "сигнальная", либо как "несигнальная". "Сигнальная" реализация отличается от "несигнальной" распределением. Вероятностной мерой того, является реализация "сигнальной" или "несигнальной", может служить совместная плотность вероятностей, вычисленная для п отсчетов реализации входного напряжения м(/) исходя из того, что эта реализация представляет собой сумму сигнала и шума или является только шумом. Вероятностная мера определяет, во сколько раз наблюдаемая реализация и{() более вероятна при наличии сигнала, чем при его отсутствии.

При решении задачи обнаружения одиночных сигналов функция правдоподобия имеет всего два значения, которые соответствуют вероятностям гипотез №сш(иии2,..., ип) наличия и (и ¡, и2>..., и„) отсутствия сигнала в наблюдаемой реализации и (г). Решение о наличии сигнала в этом

случае может приниматься путем сравнении значений (щ, и2.....ип)

и 1ГШ (щ, иг.....м„) между собой или путем сравнения отношения этих значений с пороговой величиной К0. В этом случае критерий обнаружения можно записать в виде неравенства:

К,(Ц>»2> ->"„)

Если значения щ, щ, ...,ип являются независимыми случайными величинами, то коэффициент правдоподобия приобретает вид:

К(и„и2,при » е Х-

При сравнении значений функций Жст(щ,и2.....и„) и ...,и„)

можно использовать не только коэффициент правдоподобия, но и значения, получаемые при его монотонном преобразовании, например, с помощью операции логарифмирования коэффициента правдоподобия, т. е.:

ЬД«.....

К («I. •"Л

Обнаружение радиотеплового сигнала, излучаемого целью, осуществляется на фоне помех, как внешних, так и внутренних. Источниками внешних естественных помех в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) являются излучения земных покровов, атмосферы и космические излучения.

Распределенные фоновые излучения характеризуются многомерной функцией распределения мгновенных значений радиояркости по области наблюдения. В условиях допустимости нормальной (гауссовой) аппроксимации вариаций радиояркости помехи могут характеризоваться средним значением радиояркости, эффективным значением вариации радиояркости и корреляционными коэффициентами вариаций - пространственной (угловой) и временной функциями корреляции.

Регулярной внешней помехой радиотеплолокатора, снижающей эффективность обнаружения навигационных целей, является тепловое излучение тропосферы. Причиной вариаций радиояркости тропосферы являются локальные вариации температуры и влажности. При этом величины радиояркостной температуры тропосферы в частотной области сантиметровых радиоволн охватывают диапазон от единиц до сотен градусов. Вариации величин радиояркостной температуры составляют несколько процентов от среднего значения. Радиус пространственной корреляции вариаций яркости достигает 50-200 м. Величина интервала временной корреляции превышает 10 сек.

При таких условиях прием радиотепловых сигналов от морских целей на средних дальностях (10-15 мор. миль) будет осуществляться на фоне коррелированного во времени и пространстве теплового излучения атмосферы. Следовательно, задача обнаружения такого излучения сводится

к обнаружению сигнала на фоне помех с ненулевой межэлементной корреляцией. В этом случае ожидаемую форму сигнала можно представить в виде вектора:

5 = (а1,а2, ...,а„),

где а,- (/ = 1, п) - ожидаемые значения интенсивности радиотеплового сигнала в г'-м элементе строки, а помехи - в виде однородной случайной совокупности величин с матрицей межэлементной корреляции ||/?,Л и единичной дисперсией.

Выражения для функций правдоподобия в принятых условиях имеют

вид:

1 -ЙЖда-чХи,-«,)

рст(иииг,...,и„)=

{Щ'фЩи

' Г**"«,

1

где \\Qij || - матрица, обратная матрице межэлементной корреляции помех.

Тогда логарифм коэффициента правдоподобия гипотезы о наличии сигнала в наблюдаемой реализации и(1) определится так:

1пК{и„и2,..., =

Алгоритм оптимального обнаружения использует операцию весового суммирования напряжения С/) по всем элементам г с перебором комбинаций», к при б., к ФО.

Технической характеристикой радиотеплолокатора, которая определяет его обнаружительную способность, является чувствительность или минимальный температурный контраст между сигналом от цели и помехой, способный восприниматься приемником радиотеплолокатора. При этом предельно достижимая чувствительность ограничивается внутренним шумом приемника радиотеплолокатора, величина которого оказывается больше уровня радиотеплового сигнала, воспринимаемого его антенной.

Повышение чувствительности приемника радиотеплолокатора оказывается возможным в результате специальной обработки радиотеплового сигнала приемником. Особенностью обработки является переход от супер-

гетеродинной схемы к прямому преобразованию частоты и устранению приема сигналов из побочных частотных каналов (увеличивающих внутренние шумы). При этом исключается эффект подавления полезного сигнала внутренним шумом устройства и уменьшается уровень внутреннего шума самого приемника. Данный метод обработки применим как в корреляционных, так и в модуляционных радиотеплолокаторах. Кроме того, предварительная нелинейная обработка сигнала, включающая его преобразование из двуполярного в однополярный, способна дополнительно повысить чувствительность модуляционного радиотеплолокатора. Такое повышение чувствительности становится возможным благодаря тому, что в процессе обработки используются обе квадратурные компоненты полезного сигнала.

В третьей главе описывается вычислительный эксперимент, выполненный с целью оценки эффективности предложенного метода обработки радиотеплолокационной информации.

Для реализации вычислительного эксперимента радиотеплолокатор принимался за некую динамическую систему. При этом универсальным методом описания процесса функционирования радиотеплолокатора является система дифференциальных уравнений.

Для минимизации системы дифференциальных уравнений были приняты следующие допущения:

- радиотеплолокатор - это техническая информационная система, состоящая из элементарных звеньев, для которых выполняются условия однонаправленности сигнала и взаимонезависимости работы звеньев;

- радиотеплолокатор принимает сигналы, длина волны которых многократно превышает линейные размеры функциональных блоков, из которых состоит приемник устройства;

- ширина спектра теплового радиоизлучения объектов многократно превосходит полосу пропускания приемного устройства.

Для принятых допущений анализ эффективности предлагаемого метода обработки радиотеплолокационной информации можно реализовать с помощью решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений при входном воздействии типа "белого" шума.

В уравнениях (1)-{29) функции si(t)-s29(t) соответствуют сигналам в приемнике модуляционного радиотеплолокатора, а коэффициенты ai-an определяют чувствительность устройства.

*4(0 = «,(0. если/=^0;^и, «е2 (1) ¡¿1)=5г(1), п^г (2)

(3) ■*«(') = №'>! (4)

а/ ш

(5) 0 0 (б)

513(0 = 0, если у12(г)<0 (7) •Г„(0 = ад2(0, если л,2(г) г 0 (8)

(9) (10)

1 ! 0 0 (") *1о(0 = 0> если 5,(0 <0 (12)

*ю(0 = ад>(0> если 5,(/)>0 (13) = (0-^(0 (14)

(15) *7(0 = Я7л,5ш4я/0г (16)

(17) Г Г 0 0 (18)

«в(0 = 0, если 522(г)<0 (19) ■угз(0 = если 5„(г) > 0 (20)

(21) (22)

Г ! (0 + Л,2 ри (')Л = °13 р2о ОМ' 0 0 (23) 5го(0 = 0, если$„(0<0 (24)

*2о(0 = «Л(')> если (02 0 (25) *19(0 = *,8(0-*25(0 (26)

*,„(0 = *,7(<)-*,6(0 (27) (28)

¿'¿•„(О (29)

При моделировании работы радиотеплолокатора использовался метод Рунге-Кутта, который, позволяя достичь высокой точности, обеспечивает необходимую скорость вычислительного процесса. Результаты моделирования в виде контрольных вычислительных экспериментов представлены на рис. 1-5.

-1-ПГ-1-Г"

! Л ;

0.1

/../...":..... | Л... .1......X . 1 ...

Л ! !

5а

100

150

300

350

400

450

200 250

Время, с

Рис. 1. Выходные сигналы корреляционного радиометра-супергетеродина с понижением частоты входного сигнала

■5

. хЮ

Время, с

Рис. 2. Выходные сигналы корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты

500

к 10"

s

о X

9

Q.

Я 1 а

i*

0,8 17 0,6 0,5 0,4 0,3 0.2 0,1

I

О

И л Ю

/ / : V; \ :

' 'У'..........'...........!....................>т.......ГЧ""";........... / : i xcpi i 1 та I

50

100

150

300

350

400

450

200 250

Время, с

Рис. 3. Выходные сигналы модуляционного радиометра-супергетеродина с понижением частоты входного сигнала

500

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Время, с

Рис. 4. Выходные сигналы модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты

На рис. 1-5 кривая 1 соответствует выходному напряжению радиометра (приемника радиотеплолокатора) при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 10 % от мощности внутреннего шума. Выходное напряжение радиометра при увеличении мощности входного сигнала до 30% от уровня внутреннего шума представлено кривой 2.

200 250 300 350 400 450 500 Время, с

Рис. 5. Выходные сигналы модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты при использовании предварительной нелинейной обработки радиотегшового сигнала Кроме того, вычислительный эксперимент показал, что прямое преобразование частоты в корреляционном радиотеплолокаторе увеличивает его чувствительность приблизительно в два раза, а в модуляционном радиотеплолокаторе - в два раза. При дополнительной нелинейной обработке радиотеплового сигнала чувствительность рассматриваемых технических средств увеличивается приблизительно в четыре раза.

В четвертой главе формируются минимальные требования к технче-ским параметрам судового радиотеплолокатора, обеспечивающие его соответствие международным требованиям к средствам морской локации, а также рекомендации по комплексированию судовых радиолокаторов и радиотеплолокаторов в единый навигационный радиотехнический комплекс, обеспечивающий информационную поддержку решения задачи обеспечения безопасности мореплавания.

Чувствительность радиотеплолокатора определяет его обнаружи-тельную способность, а также скорость, с которой просматривается пространство. В свою очередь, эта характеристика радиотеплолокатора определяется интервалом времени, в течение которого цель находится в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенны приемника.

Минимальный контраст воспринимаемых за время х радиотеплолока-тором радиояркостных температур составляет:

где - ДТА тш - воспринимаемый устройством радиояркостной контраст за время I = 1 сек.

Современные приемники радиотеплового излучения обладают чувствительностью порядка 0,05 К/сек. Согласно требованиям, предъявляемым к навигационным РЛС, период обзора пространства должен составлять не более 3 сек при разрешающей способности по азимуту не более 3°. При таких требованиях точечный объект будет находится внутри главного лепестка диаграммы направленности антенны приемника в течение промежутка времени, равного т = 0,025 сек. Соответственно минимально воспринимаемый радиотеплолокатором радиояркостной контраст составляет величину ДТ- 0,31 К. Поскольку большинство земных объектов обладают радиояркостными температурами, различающимися не менее чем на 10 К, то чувствительность навигационных радиотеплолокаторов должна быть не меньше 1,6 К/сек.

Для обеспечения необходимой разрешающей способности по азимуту радиотеплолокатор должен работать в сантиметровом диапазоне длин волн. Коротковолновую часть этого диапазона для этих целей использовать нельзя, поскольку на частотах более 30 ГГц происходит резкое увеличение затухания электромагнитной энергии радиоволн на трассе распространения. Диапазон частот ниже 10 ГГц также неприемлем, поскольку при его использовании необходимо увеличивать размеры антенной системы. Оптимальным участком частотного спектра является область частот, внутри которой длина волны составляет 3 см. На этом участке обеспечивается защита от помех, создаваемыми активными радиолокаторами. Кроме того этот участок спектра не пересекается с областью резонансного теплового излучения паров воды и кислорода.

Для обеспечения минимально необходимой разрешающей способности радиотеплолокатора по дальности его антенная система должна состоять из нескольких пространственно разнесенных приемных антенн. При этом каждая антенна должна формировать несколько лучей, которые охватывают область обзора и пересекаются с лучами смежных антенн. Оптимальной конфигурацией антенной системы радиотеплолокатора является четырехэлементная система, приемные пункты которой расположены в вершинах квадрата со стороной, длина которой в сто раз превышает длину волны радиотеплолокатора, а диагональ этого квадрата ориентирована вдоль диаметральной плоскости судна.

При использовании на судах радиотеплолокатора на судоводителя возлагается задача использования этого устройства в составе единого навигационного радиотехнического комплекса. Эффективная эксплуатация радиотеплолокатора определяется правильной интерпретацией данных, получаемых с его помощью за счет дополнительной информации, поступающей от навигационной РЛС.

Преимущества, которые необходимо учитывать при комплексирова-нии радиолокатора и теплолокатора, заключаются в следующем:

- скорость обзора пространства теплолокатора в несколько раз превышает аналогичный параметр РЛС;

- земные объекты, плохо отражающие радиоволны, являются источниками повышенного радиотеплового излучения, и наоборот - объекты, являющиеся хорошими отражателями, распространяют слабый радиотепловой сигнал;

- разрешающая способность радиотеплолокатора по дальности ниже аналогичного параметра РЛС;

- разрешающая способность радиотеплолокатора по азимуту превосходит аналогичный параметр РЛС.

Первоначальная обработка данных, поступающих от радиолокатора и радиотеплолокатора, сводится к оптимальной динамической фильтрации информационных потоков рассматриваемых устройств для формирования оценки основных параметров обнаруженных ими объектов (пеленга и дальности). При этом алгоритм фильтрации должен быть инвариантным относительно параметров движения наблюдаемых целей. В этом случае алгоритм фильтрации значительно упрощается и снижаются требования к необходимому объему априорных данных.

Дальнейшее комплексирование информационных потоков рассматриваемых устройств локационного комплекса судна осуществляет оператор -человек с учетом специфики ситуации в каждый момент локационного наблюдения.

Принимая во внимание особенности комплексирования локационной информации, можно предложить следующие рекомендации по практической реализации этой операции:

- при решении задачи обнаружении цели судоводитель должен использовать данные, полученные с помощью радиотеплолокатора;

- при решении задач обнаружения и идентификации навигационных целей информация от радиотеплолокатора должна доминировать при выборе и принятии решения;

- при решении задачи идентификации цели судоводитель должен иметь в виду, что разрешающая способность радиотеплолокатора не зависит от используемой шкалы дальности;

- при решении задачи расхождения судов в море в критичных условиях локационных наблюдений (данные, предоставляемые радиолокатором и радиотеплолокатором, существенно различаются), судоводитель должен определять пеленг судна по радиотепло локатору, а дальность -с использованием навигационной РЛС.

Таким образом, комплексирование радиолокационной и теплолокаци-онной информации способно уменьшить влияние недостатков, присущих судовым РЛС, и повысить достоверность информационного обеспечения процесса судовождения. Кроме того, комплексирование радиолокационной и теплолокационной информации позволит судоводителю принимать правильные управленческие решения, лежащие в рамках "хорошей морской практики" и обеспечивающие на заданном уровне как состояние безопасности мореплавания, так и состояние безопасной эксплуатации судна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Для максимального повышения достоверности локационной информации в критичных условиях локационных наблюдений необходимо комплексировать радиолокатор и радиотеплолокатор в единый локационный комплекс судна, поскольку информационные недостатки, свойственные каждому из указанных устройств, полностью либо частично компенсируются в устройствах комплекса.

2. Комплексирование должно осуществляться с соблюдением правил эргономики и инженерной психологии, поскольку принимать окончательное решение по результатам анализа данных, предоставляемых локационным комплексом судна, должен судоводитель с учетом специфики работы каждого из устройств, входящих в состав данного комплекса.

3. В условиях гауссовою распределения вариаций радиояркости фонового излучения атмосферы обнаружение объектов в радиотешго-локаторе можно осуществить с достижением максимальной вероятности правильного обнаружения целей при фиксированной вероятности ложного срабатывания решающего устройства в случае линейного выделения амплитуды принятого сигнала.

4. Повышение чувствительности радиотеплолокаторов возможно за счет привлечения в указанные устройства прямого преобразования частоты, которое исключает эффект подавления слабого полезного сигнала сильным внутренним шумом, при этом указанный способ обработки радиотеплового сигнала возможно реализовать при любой структурной схеме приемника радиотеплолокатора.

5. Достигаемое улучшение чувствительности радиотеплолокатора является значительным, что позволяет в случае применения предложенного метода обработки радиотеплового сигнала существенно повысить скорость обзора пространства радиотеплолокатором при полном сохранении достоверности предоставляемой им информации.

6. Оптимальной структурой приемника морского радиотеплолокатора является модуляционная схема с прямым преобразованием частоты и предварительной операцией вычисления абсолютного значения принимаемого радиотеплового сигнала. В этом случае достигаемое улучшение чувствительности сочетается с конструктивной простотой устройства по сравнению с радиотеплолокатором модуляционного типа.

7. Максимальная скорость обработки информационных потоков, поступающих от радиотеплолокатора и судовой РЛС, обеспечивается при использовании алгоритма оптимальной динамической фильтрации, инвариантной относительно параметров движения объекта. При этом вектор состояния каждого устройства, входящего в локационный комплекс судна, должен состоять только из параметров, непосредственно ими измеряемых, т. е. дальности до обнаруженного объекта и его углового положения.

8. Минимизация возможных ошибок судоводителя при эксплуатации локационного комплекса будет достигаться только в том случае, если в его составе предусмотрена система управления информационными потоками в соответствии с особенностями восприятия информации человеком одновременно от разных источников.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Суслов, А. Н. Исследование эффективности использования в модуляционных радиометрах прямого преобразования частоты / А. Н. Суслов // Естественные и технические науки. - 2007. - № 5. - С. 201-202.

2. Суслов, А. Н. Исследование вклада шумов гетеродина в шум преобразователя частоты при прямом преобразовании частоты / А. Н. Суслов // Естественные и технические науки. - 2007. - № 6. - С. 200-201.

3. Суслов, А. Н. Исследование улучшения чувствительности корреляционных радиотеплолокаторов при использовании прямого преобразования частоты У А. Н. Суслов // Естественные и технические науки. - 2007. -№ б. - С. 202-203.

4. Суслов, А. Н. Сравнительный анализ уровня шума преобразователя частоты сигнала с преобразованием частоты "вверх" и преобразователя частоты сигнала с прямым преобразованием частоты / А. Н. Суслов // Естественные и технические науки. - 2007. - № 6. - С. 204-206.

5. Суслов, А, Н. Исследование возможности повышения безопасности мореплавания при использовании на судах радиотеплолокаторов / А.Н. Суслов // Наука и образование - 2008 [Электронный ресурс]: материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 2—10 апреля 2008 / МГТУ. -Электрон, текст, дан. (18 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2008. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 784-787. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320800238, св. 7081 от 04.05.2008 г.

6. Суслов, А. Н. Повышение помехоустойчивости морских навигационных радиолокаторов против помех, вызванных отражениями зондирующих импульсов от пространственно распределённых целей / А. Н. Суслов // Наука и образование - 2009 [Электронный ресурс]: материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апреля 2009 / МГТУ. - Электр, текст.

.1

\/

дан. (181 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2009. - 1 электрон, опт. Диск (CD-ROM). - С. 998-1001. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170, св. 7081 от 04.05.2009 г.

7. Суслов, А. Н. Исследование повышения чувствительности модуляционных радиометров с прямым преобразованием частоты при использовании предварительной нелинейной обработки радиотеплового сигнала /

A. Н. Суслов // Естественные и технические науки. - 2008. - № 2. - С. 402403.

8. Суслов, А. Н. Повышение безопасности мореплавания во льдах при использовании на судах радиотеплолокаторов / А. Н. Суслов // Естественные и технические науки. - 2008. - № 2. - С. 520-521.

9. Суслов, А. Н. Сравнительный анализ эффективности использования судовых радиолокаторов и радиотеплолокаторов при обеспечении безопасности мореплавания / В И. Меньшиков, А. Н. Суслов, В. В. Ковальчук // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 11, № 3. -С. 491-492.

10. Суслов, А. Н. Пути повышения достоверности навигационной информации с использованием единых комплексных средств локации /

B. И. Меньшиков, В. И. Серов, А. Н. Суслов // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. - 2009. - № 49 (333). - С. 171-176.

Издательство МГТУ. 183010 Мурманск, Спортивная, 13. Сдано в набор 08.04.2010. Подписано в печать 13.04.2010. Формат 60x84'/i6. Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 0,97. Заказ 80. Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Характеристика методов и систем морской локации.

1.1. Анализ эффективности функционирования судовых навигационных радиолокаторов в критичных условиях локационных наблюдений.

1.2. Исследование возможности повышения достоверности локационной информации методами пассивной локации.

Выводы к первой главе.

Глава 2. Разработка оптимальных методов преобразования сигнала в приемнике морского радиотеплолокатора.

2.1. Согласованная фильтрация радиотеплового сигнала на фоне помех.

2.2. Типы радиометрических приемников и их предельная флуктуационная чувствительность.

2.3. Вторичная обработка информации в радиотеплолокаторах.

Выводы ко второй главе.

Глава 3. Исследование эффективности использования в радиотеплолокаторах прямого преобразования частоты сигнала.

3.1. Разработка математических моделей корреляционных и модуляционных приемников радиотеплового излучения.

3.2. Вычислительный эксперимент.

3.3. Интерпретация результатов математического эксперимента.

Выводы к третьей главе.

Глава 4. Исследование методов совместного использования навигационных радиолокаторов и радиотеплолокаторов в составе единого судового локационного комплекса.

4.1. Разработка минимальных требований к основным техническим характеристикам радиотеплолокаторов, обеспечивающих их соответствие нормам международных конвенций и национальным требованиям.

4.2. Оптимальная динамическая фильтрация данных локационного комплекса судна.

4.3.Комплексирование информационных потоков устройств локационного комплекса судна.

4.4. Особенности деятельности судоводителя в интерфейсе судоводитель - локационный комплекс".

Выводы к четвертой главе.

Важнейшей частью инфраструктуры экономического комплекса Крайнего Севера и связующим звеном между российским Дальним Востоком и западными районами страны является Северный морской путь (СМП). Для большинства районов арктической зоны России использование морских судов на СМП в установленных международными морскими конвенциями рамках безопасной эксплуатации, - единственный способ решения проблемы жизнеобеспечения населения этих районов.

На современном этапе экономического развития России начинается активная интеграция СМП в мировую транспортную систему в качестве самостоятельного евроазиатского транспортного коридора. В течение последних 30 лет круглогодичную навигацию в районе Арктики обеспечивает атомный ледокольный флот, являющийся основой надежного функционирования Арктической морской транспортной системы. Цели развития СМП определены Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года [59], основными из них являются:

-транспортное обеспечение освоения арктических береговых и шельфо-вых месторождений углеводородного сырья и морского экспорта нефти и газа;

-развитие потенциальных крупномасштабных экспортных, транзитных и каботажных перевозок и "северного завоза" социально значимых грузов; формирование самоокупающейся, приносящей доход Арктической морской транспортной системы; развитие и совершенствование навигационно-гидрографического и гидрометеорологического обеспечения мореплавания, средств связи, поисково-спасательной службы; предотвращение загрязнения морской среды.

Формирование рыночных отношений оказывает положительное влияние на развитие СМП: происходит трансформация звеньев СМП и хозяйствующих субъектов в различные формы собственности. Несмотря на снижение объема грузоперевозок по СМП (с 6,7 до 2,0 млн т), сокращение транспортного флота ледового плавания в арктической инфраструктуре, существующая в настоящее время Арктическая морская транспортная система обеспечивает сократившиеся потребности страны в арктических грузоперевозках. На трассах СМП действуют 10 линейных ледоколов (из них шесть атомных, в том числе атомный ледокол "50 лет Победы", построенный в 2007 году) и более 60 транспортных судов ледовых категорий [55].

Возрождение транспортной инфраструктуры в западном районе Арктики, связанное с морским экспортом нефти и газового конденсата, а также более чем четырехкратное сокращение грузовой базы из-за свертывания производства в восточном районе Арктики определяют современное состояние СМП. В России накоплен уникальный опыт проведения морских операций в Арктике, подготовлены кадры ледовых капитанов, операторов ледокольного флота, полярных гидрографов, ледовых разведчиков и прогнозистов-гидрометеорологов. Несмотря на трудности, с которыми Россия столкнулась в процессе проводимых реформ, сохранена эффективная система специального морского образования.

Правовой основой национальных правил плавания по трассам СМП является Международная конвенция ООН по морскому праву 1982 г. (статья 234 "Покрытые льдом районы"). Согласно этой конвенции прибрежное государство имеет право в пределах исключительной экономической зоны устанавливать в районах, покрытых льдами большую часть года, национальные законы и правила плавания в целях защиты морской среды от загрязнений с судов. В пределах акватории СМП действуют специальные Правила плавания по трассам СМП. В настоящее время эти Правила пересматриваются и будут представлены на утверждение в Правительство РФ. Зона действия этих Правил будет расширена: она будет распространена на покрытые льдом большую часть года районы восточной части Баренцева (Печорское море) и западной части Берингова моря. Печорское море является районом активного судоходства в Арктике, связанного с началом широкомасштабного экспорта нефти из Тимано-Печорского и Приразломного месторождений, общий объем которого составит к 2015 году

20 млн т в год. В целом объем грузоперевозок по СМП к 2015-2020 годам составит 35—40 млн т в год. С учетом увеличения грузопотока предусматривается развитие всей транспортной инфраструктуры СМП и формирование самоокупающейся, приносящей доходы Арктической морской транспортаюйсистемы [33].

Развитие транспортного флота осуществляется по планам и за счет средств ресурсодобывающих компаний. Государственные средства в виде субсидий направляются на уплату части процентной ставки по кредитам российских банков на строительство судов на российских верфях. До 2020 года ожидается поставка около 60 судов, в том числе 18 танкеров. Для вывоза нефти от терминала Ва-рандей в Печорском море по заказу ОАО "Лукойл" в декабре 2007 года построен головной (в серии из трех) челночный танкер "Василий Динков" дедвейтом 70 тыс. т ледового класса Агсб [53].

Для обслуживания буровой платформы на шельфовом месторождении "Приразломное" в Печорском море по заказу компании "Газпром" к 2010 году будут построены еще два челночных танкера дедвейтом 70 тыс. т ледового класса Агсб. В целях ледокольного обеспечения платформы построены два ледокола-снабженца - "Юрий Топчев" и "Вячеслав Стрижов" мощностью 20 МВт. По заказу компании "Роснефть" начато строительство серии челночных танкеров дедвейтом 30 тыс. т ледового класса Агсб для вывоза нефти и нефтепродуктов из портов Архангельск и Витино на Белом море; головной танкер "РН Архангельск" был принят в эксплуатацию в 2008 году.

Экономическая эффективность работы танкеров ледовых классов будет существенно повышена при использовании их в режиме челноков. Данный режим предусматривает доставку нефти на рейдовый перегрузочный терминал в порту Мурманск, дальнейшую ее перекачку в танкер-накопитель, а из него — в океанские танкеры дедвейтом 150-300 тыс. т, в которых нефть будет экспортироваться в порты Европы и США. Важнейшей стратегической задачей Арктической морской транспортной системы в течение ближайших 3-5 лет является обеспечение деятельности ОАО «ГМК "Норильский никель"», что возможно при условии круглогодичной навигации на Дудинском направлении. Для решения указанной проблемы по заказу ОАО «ГМК "Норильский никель"» в 2006 году построен головной (в серии из пяти) контейнеровоз "Норильский никель" дедвейтом 15 тыс. т высшего ледового класса Агс7. Завершить строительство всей серии контейнеровозов планируется до конца 2009 года. Результаты ходовых испытаний головного контейнеровоза показали, что данные контейнеровозы в состоянии при толщине льда до 1,5 м осуществлять самостоятельное безледокольное плавание на линии Дудинка — Мурманск при специальном гидрометеорологическом обеспечении.

Для осуществления завоза в Арктику социально значимых грузов планируется поставка четырех судов-снабженцев водоизмещением 1500—2000 т ледового класса Агс7 в рамках Федеральной целевой программы "Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)". Транзитные перевозки по СМП были прекращены в 2001 году. Для восстановления транзита по СМП требуется принятие комплекса мер. По оценке зарубежных экспертов, потенциальный объем транзитных грузов по СМП в восточном направлении составляет 5-6' млн т, в западном - 2-3 млн т. Наблюдаемые в последние годы потепление климата и уменьшение площади ледяного покрова в Арктике позволят в обозримом будущем осуществлять транзит в высоких широтах при легком типе ледовых условий. Вместе с тем существует альтернативное мнение, согласно которому преждевременно говорить о наступлении глобального потепления: на смену легким ледовым условиям могут прийти суровые; изменения климатических и ледовых условий цикличны. Выполненные в связи с этим расчеты стоимости транзитных перевозок контейнеров по СМП между портами Иокогама и Гамбург на контейнеровозах вместимостью 2500 TEU ледового класса Агс7 показывают, что при легком и среднем типе ледовых условий они более предпочтительны по сравнению с транзитом по южному варианту через Суэцкий канал на традиционных контейнеровозах вместимостью 2556 TEU. Продолжительность ходового времени при легком типе ледовых условий на СМП, которые будут иметь место в случае потепления, будет меньше в течение всего года, при среднем типе ледовых условий - в течение 8-9 месяцев. В автономном плавании контейнеровозов вместимостью 2500 TEU ледового класса Агс7 по СМП преимущество в продолжительности ходового времени по сравнению с южным вариантом сокращается при потеплении до 8-9 месяцев и при среднем типе ледовых условий - до 6 месяцев. Себестоимость транспортировки одного контейнера в зимний период навигации на СМП при легком типе ледовых условий в среднем на 25-27 % выше, чем по южному пути. При этом в летний период навигации перевозки по СМП по этому показателю в среднем на 33—35 % дешевле доставки контейнеров через Суэцкий канал. В автономном плавании контейнеровоза себестоимость перевозки в среднем на 13 % ниже себестоимости доставки контейнеров южным путем. Однако при автономном плавании контейнеровоза по СМП невозможно гарантировать своевременность (точно в срок) доставки грузов. Выполненные исследования дают основания сделать оптимистичный вывод о том, что перевозки контейнеров по СМП при прогнозируемом изменении климата могут составить достойную конкуренцию южному варианту через Суэцкий канал и обеспечить в среднем за год меньший уровень затрат [65].

Россия, будучи заинтересованной в развитии международного судоходства по СМП, обеспечивает на СМП выполнение требований стандартов безопасности мореплавания и сохранения окружающей среды, соответствующих международному уровню. Развитие системы безопасности судоходства (средств навигации, гидрографии, гидрометеорологии, поиска и спасания) по мере увеличения объемов бюджетного финансирования к 2020 году будет определяться следующими показателями:

- по навигации:

- совершенствование системы передачи судам информации по безопасности мореплавания путем модернизации спутниковой системы SafetyNET и оборудования береговых станций НАВТЕКС для передачи и автоматического приема на судах навигационных предупреждений, метеосообщений и информации по поиску и спасанию;

- повышение точности судовождения (до ± 10 м) за счет ввода в действие 11 береговых контрольно-корректирующих станций глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/вРЗ [1], обеспечивающих работу систем в дифференциальном режиме; поддержание на уровне современности 747 морских навигационных карт, в том числе 194 карт на английском языке, 19 руководств для плавания, включая "Руководство для сквозного плавания по Северному морскому пути" на русском и английском языках, а также лоций на все арктические моря; создание электронных карт на основе коллекции бумажных карт; по гидрографии: выполнение площадной съемки устьевых участков рек Енисей, Хатанга, Анабар, Колыма, Лена в объеме 10 ООО км2; выполнение промеров для оперативного обеспечения "северного завоза" грузов морскими судами на лимитирующих участках и вблизи обнаруженных навигационных опасностей на протяжении 60 ООО км;

-поддержание состава гидрографических судов (14 ед.) за счет поставки новых судов; по гидрометеорологии: создание к 2015 году группировки полярно-орбитальных гидрометеорологических спутников (3 ед.) с радиолокационным обзором ледовой обстановки; совершенствование технологии анализа ледовых условий и передачи годовых, сезонных и краткосрочных прогнозов ледовых условий потребителям;

-внедрение на ледоколах судового программного комплекса ДЕКАРТ-АИС-НАВИГАТОР, совмещающего на мониторе компьютера ледовую обстановку с электронной навигационной картой;

-создание 38 автоматизированных гидрометеорологических станций со спутниковым каналом передачи данных; по поиску и спасанию:

-размещение 12 станций аварийного радионаблюдения в арктических портах; развитие аварийно-спасательной материальной базы в г. Мурманске, Архангельске и Певеке;

-приобретение и переоборудование средств ликвидации разливов нефти для ФГУП "Мурманское БАСУ" и Экспедиционного отряда аварийноспасательных и подводно-технических работ ОАО "Северное морское пароходство"; строительство по одному буксиру-спасателю и по одному морскому водолазному судну для портов Нарьян-Мар и Певек.

Многолетний опыт эксплуатации судов на трассе СМП показывает, что относительная вероятность гибели судов во льдах в 10 раз меньше, чем в открытых водах Мирового океана. Вероятность получения тяжелых водотечных ледовых повреждений корпуса не превышает 2 % от количества судов, плавающих по СМП. С таким же уровнем вероятности происходят столкновения судов в прибрежных водах Мирового океана. При этом аварий, связанных с разливом нефти с танкеров ледового класса, за последние 30 лет их эксплуатации не отмечалось.

Атомные и дизельные линейные ледоколы за 50-летний период эксплуатировались на СМП безаварийно. Радиационная обстановка на атомных ледоколах находилась в пределах технических норм. Страхование судов, используемых на СМП, выполняется Российским Пулом взаимного страхования. Данный Пул создан в 1997 году, в его составе действуют 14 ведущих российских страховых компаний. Ответственность Пула защищена договором перестрахования с тремя западными страховыми компаниями. Пул, имея собственную сеть в 600 портах мира, может взять на себя страхование иностранных судов, используемых на СМП. Приведенная выше информация о морских рисках и страховании на СМП является более объективной, чем информация, которая бытует на Западе, и может быть полезной для иностранных судовладельцев, намеревающихся использовать свои суда на СМП.

Обеспечение национальных интересов Российской Федерации в отношении Северного морского пути, централизованное государственное управление этой транспортной системой, ледокольное обслуживание и предоставление равноправного доступа заинтересованным перевозчикам, в том числе иностранным, являются основными принципами, согласно которым осуществляется совершенствование системы управления судоходством на СМП в соответствии с Морской доктриной Российской Федерации.

Решающую роль при обеспечении безопасного судовождения в морских акваториях СМП играет радиолокационная информация, получаемая от конвенционных судовых радиолокационных систем. Однако даже современные судовые радиолокационные станции в критичных условиях плавания, характерных для районов СМП, при наличии прогноза не всегда оказываются способными своевременно и достоверно обнаружить опасные для навигации препятствия, измерить их параметры и обеспечить безопасную проводку судов. Достаточно большое количество навигационных опасностей, в том числе ледовые образования, являются источниками стабильного (во многих случаях — весьма интенсивного) радиотеплового излучения, которое при эксплуатации на судах радиотеплолокаторов позволяет идентифицировать опасности, производить оценку их параметров и осуществлять безопасную проводку судов. Использование радиотеплолокаторов совместно с судовыми радиолокационными станциями при плавании в критичных условиях СМП будет способствовать принятию правильных управленческих решений, которые, отвечая требованиям "хорошей морской практики", позволят обеспечить как безопасность мореплавания, так и безопасную эксплуатацию судна. Таким образом, задачу обеспечения безопасной эксплуатации судна в критичных условиях плавания на СМП за счет внедрения методов обработки теплолокационной информации, способных повысить чувствительность радиотеплолокаторов и позволяющих реализовать комплексирование локационной информации, можно считать актуальной.

Для дальнейшего совершенствования приемов поддержания безопасности навигации как при освоении запасов углеводородного сырья и условиях интенсификации морского транспортного сообщения в акватории Северного Ледовитого океана необходимо расширение информационной поддержки судовождения.

Целью исследования является повышение уровня безопасности мореплавания при плавании судна в критичных условиях радиолокационных наблюдений судовых РЛС за счет внедрения методики обработки теплолокационной информации, направленной на повышение чувствительности навигационных радиотеплолокаторов, и их комплексирования с судовыми радиолокаторами.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

- исследовать возможность применения на судах системы мониторинга радиотеплового излучения навигационных объектов на фоне радиоизлучения окружающей среды и выделить те ее элементы, которые способны достоверно идентифицировать навигационные риски; разработать методы идентификации навигационной информации из принимаемого радиотеплового сигнала и структуру оптимального навигационного радиотеплолокатора в рамках критерия максимального правдоподобия;

-предложить методы обработки теплолокационной информации, направленные на устранение причин, ограничивающих чувствительность радиотепло-локаторов, и оценить эффективность предлагаемых мер с помощью имитационного математического моделирования;

- выработать минимальные требования к техническим параметрам судового радиотеплолокатора, обеспечивающие его соответствие Международной конвенции СОЛАС-74 и национальным требованиям, сформулированным Российским морским регистром судоходства; подтвердить, что при совместном использовании судового навигационного радиолокатора и радиотеплолокатора повышается достоверность локационной информации и снижается риск принятия судоводителем неправильных управленческих решений.

Решение перечисленных выше задач последовательно излагается в главах диссертационной работы и в соответствующем порядке выносится на защиту.

Выводы к четвертой главе

1. Для предотвращения взаимного воздействия помех радиолокатор и ра-диотеплолокатор должны работать в смежных участках радиочастотного спектра. Такое разнесение позволяет использовать данные, поступающие от радио-теплолокатора, для оценки суммарной мощности помех, действующих на приемник судовой навигационной РЛС.

2. Соответствие эксплуатационных и технических характеристик радиоте-плолокатора международным требованиям, предъявляемым к локационным средствам судна, достигается только при многоканальной структуре приемника устройства. Минимальная чувствительность каждого канала должна обеспечивать возможность выполнения операций, возложенных на радиотеплолокатор, при использовании минимального количества (т. е. двух) каналов устройства. В то же время многоканальная структура приемника радиотеплолокатора гарантирует значительно более высокую надежность устройства по сравнению с навигационной РЛС.

3. Антенная система радиотеплолокатора должна содержать не менее четырех разнесенных элементов, каждый из которых представляет собой фазированную антенную решетку. В этом случае измерение дальности разностно-дальномерным методом можно производить с использованием антенн с небольшими апертурами, что позволяет применять радиотеплолокаторы на малых судах.

4. Максимальная скорость обработки информационных потоков, поступающих от радиотеплолокатора и судовой РЛС, обеспечивается при использовании алгоритма оптимальной динамической фильтрации, инвариантного относительно параметров движения объекта. При этом вектор состояния каждого устройства, входящего в локационный комплекс судна, должен состоять только из параметров, непосредственно ими измеряемых, т. е. дальности до обнаруженного объекта и его углового положения.

5. Реализация алгоритма оптимальной оценки навигационных параметров, инвариантного относительно параметров движения обнаруженного объекта, обеспечивается в том случае, когда исходными данными для вычисления оценок являются значения навигационного параметра, снимаемые с устройства с минимальной погрешностью, и погрешность измерения этого же параметра смежным устройством комплекса.

6. В случае возникновения критических условий локационных наблюдений (данные, предоставляемые радиолокатором и радиотеплолокатором, существенно различаются) оценка данных об объектах на основе предложенного алгоритма оптимальной динамической фильтрации оказывается неэффективной. В этом случае оператор локационного комплекса должен осуществлять локационную прокладку на основе разделения задач обнаружения объектов и измерения их параметров; при этом для обнаружения объектов и измерения их углового положения должен применяться радиотеплолокатор, а измерение дальности до целей должно производиться с использованием радиолокатора.

7. Минимизация возможных ошибок судоводителя при эксплуатации локационного комплекса будет достигаться только в том случае, если в его составе предусмотрена система управления информационными потоками в соответствии с особенностями восприятия информации человеком одновременно от разных источников.

125

Заключение

Как следует из диссертационной работы, объектом исследования являются радиотеплолокатор, соответствующий требованиям Международной конвенции СОЛАС-74 к средствам локации, национальным требованиям, сформулированным Российским морским регистром судоходства, и обеспечивающий безопасность мореплавания в критичных условиях функционирования судовой РЛС, когда информационные возможности радиолокационных средств существенно ограничены.

Предметом исследования является процесс обработки информации в ра-диотеплолокаторе, который комплексирован в судовой навигационный радиотехнический комплекс для информационной поддержки процесса судовождения в условиях малой эффективности радиолокационных средств.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

-разработан алгоритм оптимальной обработки радиотеплового сигнала, исключающий его подавление мощным внутренним шумом приемника радио-теплолокатора;

- предложен метод обработки теплолокационной информации, позволяющий повысить чувствительность радиотеплолокаторов за счет прямого преобразования частоты и предварительной нелинейной обработки радиотеплового сигнала; сформулированы принципы комплексирования радиолокационной и теплолокационной информации, позволяющие повысить уровень безопасности мореплавания за счет повышения эффективности решения задач обнаружения, идентификации и классификации целей.

Результаты исследований в виде рекомендаций, направленных на повышение потенциала радиотехнического комплекса обеспечения навигации при внедрении на судах радиотеплолокаторов, переданы для практического использования рыболовным компаниям Северного бассейна. Кроме того, эти рекомендации могут быть использованы в учебном процессе при подготовке курсантов по специальности "Судовождение", а также при переподготовке специалистов на факультетах повышения квалификации морских и рыбопромысловых академий.

Основные положения, и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях в Мурманском государственном техническом университете (2008-2009 гг., г. Мурманск).

127

1. ТЛОНАСС" для нас // Аргументы и факты. - 2008. - № 1. - С. 6.

2. Акимов, П. С. Обнаружение радиосигналов / П. С. Акимов, Ф. Ф. Евст-ратов, С. X. Захаров ; под ред. А. А. Колосова. М. : Радио и связь, 1989. -288 с.

3. Атлас, Д. Успехи радарной метеорологии : пер. с англ. / Д. Атлас ; под ред. К. С. Шифрина. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 280 с.

4. Бабушка, И. Численные процессы решения дифференциальных уравнений : пер. с англ. / И. Бабушка, Э. Витасек, М. Прагер. М. : Мир, 1969. - 368 с.

5. Бакулев, П. А. Методы и устройства селекции движущихся целей / П. А. Бакулев, В. М. Степин. М. : Радио и связь, 1986. - 288 с.

6. Бакут, П. А. Обнаружение движущихся объектов / П. А. Бакут. М. : Сов. радио, 1980.-316 с.

7. Баранов, Ю. К. Использование радиотехнических средств в морской навигации / Ю. К. Баранов. М. : Транспорт, 1978. - 230 с.

8. Беляевский, Л. С. Точность радиоэлектронных измерительных систем / Л. С. Беляевский, П. Г. Черкашин. Киев : Техника, 1981. - 136 с.

9. Березин, И. С. Методы вычислений. В 2 т. Т. 1 / И. С. Березин, Н. П. Жидков. М.: Физматгиз, 1962. - 632 с.

10. Брызгин, Н. Я. Использование радиолокатора для предупреждения столкновений судов / Н. Я. Брызгин, А. Ф. Мацюто, В. И. Факторович. М. : Мор. транспорт, 1962. - 104 с.

11. Брылев, Г. Б. Радиолокационные характеристики облаков и осадков / Г. Б. Брылев. — Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -231 с.

12. Бунимович, В. И. Флюктуационные процессы в радиоприемных устройствах / В. И. Бунимович. М. : Сов. радио, 1951. - 360 с.

13. Бусленко, Н. П. Моделирование сложных систем / Н. П. Бусленко. -М.: Наука, 1978.-399 с.

14. Вайнштейн, Л. А. Выделение сигналов на фоне случайных помех / Л. А. Вайнштейн, В. Д. Зубаков. М. : Сов. радио, 1960.-447 с.

15. Валитов, Р. А. Методы измерения основных характеристик флуктуа-ционных сигналов / Р. А. Валитов, К. И. Палатов, Л. Е. Черный. Харьков : Изд-во ХГУ, 1961.-140 с.

16. Вудворд, Ф. М. Теория вероятностей и теория информации с применениями в радиолокации / Ф. М. Вудворд. М.: Сов. радио, 1955. - 128 с.

17. Высоковский, Д. М. Некоторые особенности расчета радиорефракции / Д. М. Высоковский // Радиотехника и электроника. 1956. - Т. 1, № 3. - С. 274276.

18. Гарнакерьян, А. А. Радиолокация морской поверхности / А. А. Гарна-керьян, А. С. Сосунов. Ростов н/Д : Изд-во РГУ, 1978. - 144 с.

19. Давидан, И. Н. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс / И. Н. Давидан. Л. : Гидрометеоиздат, 1978. - 256 с.

20. Демидович, Б. П. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения / Б. П. Демидович, И. А. Марон, Э. 3. Шувалова. М. : Наука, 1967. - 368 с.

21. Дубина, А. И. Тепловое радиоизлучение водной поверхности с мелкомасштабным волнением / А. И. Дубина, Ю. А. Пирогов // Солнечно-земная физика. 2004. - Вып. 5. - С. 74-76.

22. Дубина, А. И. Тепловое радиоизлучение возмущенных поверхностей / А. И. Дубина, Ю. А. Пирогов // Вестн. Моск. ун-та. Серия 3, Физика. Астрономия. 2003. - № 1. - С. 25.

23. Жуковский, А. П. Автономные комплексированные устройства и системы управления / А. П. Жуковский, В. В. Расторгуев. — М. : МАИ, 1981. 67 с.

24. Загородников, А. А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов/А А Загородников.-Л.: Гидрометеоиздат, 1978. — 239 с.

25. Зельдис, В. С. Исследование флюктуационных характеристик акустических сигналов, рассеянных волнующейся морской поверхностью / В. С. Зельдис // Акустический журнал. 1974. - Т. 20, вып. 3. - С. 402-408.

26. Ибрагимов, И. А. Асимптотическая теория оценивания / И. А. Ибрагимов, Р. 3. Хасминский. М.: Наука, 1979. - 527 с.

27. Канарейкин, Д. Б. Морская поляриметрия / Д. Б. Канарейкин, В. А. По-техин, И. Ф. Шишкин. Л. : Судостроение, 1968. - 328 с.

28. Канарейкин, Д. Б. Поляризация радиолокационных сигналов / Д. Б. Канарейкин, Н. Ф. Павлов, В. А. Потехин. М. : Сов. радио, 1966. - 440 с.

29. Караваев, В. В. К теории радиоинтерферометра / В. В. Караваев,

30. B. В. Сазонов. Радиотехника и электроника. - 1971. - Т. 16, № 12. - С. 23032308.

31. Кинкулькин, И. Е. Фазовый метод определения координат / И. Е. Кин-кулькин, В. Д. Рубцов, И. А. Фабрик. М. : Сов. радио, 1979. - 280 с.

32. Китайгородский, С. А. Физика взаимодействия атмосферы и океана /

33. C. А. Китайгородский. Л. : Гидрометеоиздат, 1970. - 524 с.

34. Кокрофт, А. Н. Толкование МППСС-72 : пер. с англ. / А. Н. Кокрофт, Дж. Н. Ф. Ламейер ; под ред. Н. Я. Брызгина / М.: Транспорт, 1981. 465 с.

35. Концепция развития Северного морского пути / под ред. Л. М Гранко-ва // Мор. флот. 2004. - № 1. - С. 16-19.

36. Корячко В. П. Теоретические основы САПР / В. П. Корячко, В. М. Ку-рейчик, И. П. Норенков. М. : Энергоатомиздат, 1987. - 399 с.

37. Котик, М. А. Краткий курс инженерной психологии / М. А. Котик. — Таллин : Валгус, 1971. -308 с.

38. Кравцов Ю. А. Критические явления при тепловом излучении периодически неровной поверхности / Ю. А. Кравцов, Е. М. Мировская, А. Е. Попов // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. - Т. 14, № 7. - С. 733-739.

39. Кравцов, Ю. А. Наблюдения океана из космоса при помощи микроволновых радиометров / Ю. А. Кравцов // Соросовский образовательный журнал. -1999.-№7.-С. 103-107.

40. Красюк, Н. П. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС / Н. П. Красюк, В. Л. Коблов, В. Н. Красюк. М. : Радио и связь, 1988.-216 с.

41. Красюк, Н. П. Корабельная радиолокация и метеорология / Н. П. Красюк, В. И. Розенберг. Л. : Судостроение, 1970. - 325 с.

42. Латинский, С. М. Девиация судовых радиолокационных станций / С. М. Латинский. Л.: Судостроение, 1966. - 159 с.

43. Левин, Б. Р. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления / Б. Р. Левин, В. Шварц. — М. : Радио и связь, 1985. — 312 с.

44. Леонтьев, А. Н. О применении теории информации и конкретно психологических исследованиях / А. Н. Леонтьев, Е. П. Кринчик // Вопр. психологии. 1961. -№ 5. - С. 25-Ц6.

45. Линник, Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю. В. Линник. М. : Физматгиз, 1958. - 334 с.

46. Ломов, Б. Ф. Человек и техника / Б. Ф. Ломов. М. : Мир, 1966. - 464 с.

47. Математическая теория планирования эксперимента / под ред. С. М. Ермакова. М. : Наука, 1983. - 391 с. - (Справочная математическая библиотека).

48. Математические методы описания и исследования сложных систем / под ред. В. А. Путилова. Апатиты : КНЦ РАН, 2001. - 162 с.

49. Монин, А. С. Изменчивость Мирового океана / Л. : Гидрометеоиздат, 1974.-185 с.

50. Небабин, В. Г. Методы и техника радиолокационного распознавания / В. Г. Небабин, В. В. Сергеев. М. : Радио и связь, 1984. - 152 с.

51. Невельсон, М. Б. Стохастическая аппроксимация и рекуррентное оценивание / М. Б. Невельсон, Р. 3. Хасминский. М. : Наука, 1972. - 304 с.

52. Никитин, Я. Ю. Правила последетекторного обнаружения слабых сигналов в негауссовских шумах неизвестной мощности / Я. Ю. Никитин, Р. П. Филимонов // Радиотехника и электроника. 1984. - Т. 29, № 5. - С. 914— 919.

53. Николаев, А. Г. Пассивная радиолокация / А. Г. Николаев, С. В. Пер-цов. М.: Сов. радио, 1964. - 335 с.

54. Пеньковская, К. В. Живучесть структур безопасности мореплавания с учетом человеческого фактора : автореф. дис. . канд. техн. наук / К. В. Пеньковская. Мурманск, 2006. - 23 с.

55. Первый арктический челночный танкер / под ред. Л. М. Гранкова // Мор. флот.- 2008. -№ 1.-С. 21-22.

56. Пери, А. X. Система океан атмосфера : пер. с англ. / А. X. Пери, Дж. М. Уокер ; под ред. Б. А. Когана, Д. В. Чаликова / Л. : Гидрометеоиздат, 1979.-391 с.

57. Перспективы ледокольно-транспортного флота / под ред. С. В. Казанцева//Эко.-2001.-№ 12.-С. 8-13.

58. Поздняк, С. И. Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн / С. И. Поздняк, В. А. Мелитицкий. М. : Сов. радио, 1974. - 479 с.

59. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах / под ред. Ю. М. Казаринова. М. : Сов. радио, 1975. - 296 с.

60. Полушкин, В. А. К вопросу об определении информации / В. А. По-лушкин // Язык и мышление / под ред. А. К. Фигурнова. — М. : Наука, 1967. — 312 с.

61. Развитие и реформирование морского транспорта / под ред. С. В. Казанцева // Мор. флот. 2004. - № 1. - С. 12-14.

62. Разевиг, В. Д. Цифровое моделирование многомерных динамических систем при случайных воздействиях / В. Д. Разевиг // Автоматика и телемеханика. 1980.-№4. -С. 177-186.

63. Ривкин, С. С. Статистическая оптимизация навигационных систем / С. С. Ривкин, П. И. Ивановский, А. В. Костров. Л. : Судостроение, 1976. -280 с.

64. Розенберг, В. И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами / В. И. Розенберг. Л. : Гидрометеоиздат, 1972. -348 с.

65. Розов, А. К. Нелинейная фильтрация сигналов / А. К. Розов. СПб. : Политехника, 1994.-381 с.

66. Садовский, И. Н. Поляризационные радиотепловые методы в исследованиях параметров морского волнения : автореф. дис. . канд. техн. наук / И. Н. Садовский. М., 2007. - 28 с.

67. Северный морской путь международная транспортная магистраль / под ред. С. В. Казанцева//Эко. - 2001. -№ 12. -С. 13-16.

68. Селекция и распознавание на основе локационной информации / А. Л. Горелик, Ю. Л. Барабаш, О. В. Кривошеев, С. С. Эпштейн ; под ред. А. Л. Горелика. М. : Радио и связь, 1990. - 240 с.

69. Соненберг, Г. Д. Радиолокационные и навигационные системы : пер. с англ. / Г. Д. Соненберг. Л. : Судостроение, 1982. - 398 с.

70. Сосулин, Ю. Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов / Ю. Г. Сосулин. М. : Сов. радио, 1978. - 320 с.

71. Трохимовский, Ю. Г. Модель радиотеплового излучения взволнованной водной поверхности / Ю. Г. Трохимовский // Исследование Земли из космоса.-1997,-№ 1.-С. 39-49.

72. Фалькович, Е. Е. Оценка параметров сигнала / Е. Е. Фалькович. — М. : Сов. радио, 1970.-334 с.

73. Фалькович, С. Е. Прием радиолокационных сигналов на фоне флюк-туационных помех / С. Е. Фалькович. М. : Сов. радио, 1961. -311 с.

74. Фельдман, Ю. И. Сопровождение движущихся целей / Ю.-И. Фельдман, Ю. Б. Гидаспов, В. Н. Гомзин. -М. : Сов. радио, 1978.-287 с.

75. Фельдман, Ю. И. Теория флуктуаций локационных сигналов, отраженных распределенными целями / Ю. И. Фельдман, И. А. Мандуровский ; под ред. Ю. И. Фельдмана. М. : Радио и связь, 1988. - 272 с.

76. Цапенко, М. П. Измерительные информационные системы / М. П. Ца-пенко. М. : Энергия, 1974. - 320 с.

77. Цуриков, В. Л. Использование радиолокации при ледовых наблюдениях с судов / В. Л. Цуриков. М. : Наука, 1965. - 76 с.

78. Ширман, Я. Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех / Я. Д. Ширман, В. Н. Манжос. М. : Радио и связь, 1981.-416 с.

79. Ширяев, А. Н. Статистический последовательный анализ / А. Н. Ширяев. -М. : Наука, 1976. 271 с.

80. Эткин, В. С. Обнаружение критических явлений при тепловом радиоизлучении периодически неровной водной поверхности / В. С. Эпсин, Н. К Ворсин, Ю. А. Кравцов // Изв. вузов. Радиофизика. 1978. - Т. 21, № 3. - С. 454— 456.