автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Применение сложных сигналов для повышения помехозащищенности речных автоматизированных идентификационных систем в условиях взаимных помех

на правые рукописи

Голубцов Дмитрий Алексеевич

Применение сложных сигналов для повышения помехозащищенности речных автоматизированных идентификационных систем в условиях

взаимных помех

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 НОЯ 2014

005555461

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном ■ учреждении высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Снкарсв Игорь Александрович

Официальные оппоненты: Будко Навел Александрович,

доктор технических паук, профессор, ОАО «Иптелтех», главный научный сотрудник Платонов Владимир Владимирович,

кандидат технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» профессор кафедры «Информационная безопасность компьютерных систем»

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Защита состоится 29 декабря 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, ауд. 235а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» http://gumrf.rU/userupload.s/liles/dissovet/d22300903

Автореферат разослан «28» октября 2014 г.

1.0БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. В настоящее время на современном внутреннем водном транспорте одной из важнейших проблем является обеспечение высокого уровня безопасности плавания при навигации, как в морских районах, так и на внутренних водных путях Российской Федерации, при соответствующем уровне организации транспортного процесса в целом. Возникновение данной проблемы преимущественно объясняется ежегодным ростом интенсивности судоходства на внутренних водных путях, как следствие, введения в эксплуатацию совремишых высокоскоростных, речных судов и судов «река-море» плавания повышеппого топнажа. Особенностью навигации на внутренних водных путях Российской Федерации является предпочтение штурманским составом лоцманского метода судоходства. Данный метод, как показывает практика, не всегда позволяет в полной мере обеспечить должный уровень безопасности в соответствии с мировыми стандартами. Для кардинального решения ситуации в лучшую сторону может служить переход от лоцманского метода к инструментальному, в основе которого лежит использование электронной картографии в сочетании с автоматизированными идентификационными системами и системами высокоточного позиционирования, с вовлечением в процесс обеспечения безопасности судоходства ипфокоммуникационных систем мониторинга и управления транспортным процессом, которые строятся по иерархическому принципу.

В настоящее время большой интерес вызывают вопросы, связанные с внедрением на внутреннем водном транспорте Российской Федерации инфокоммуникационных систем: корпоративная речная информационная служба, речная информационная служба и автоматизированная система управления судов. Заметим, что данные службы, в свою очередь, включают в себя информационные подсистемы: автоматизированная идентификационная система, радиолокационного контроля, включающая локальные и удаленные РЛС, УКВ, транкинговой и сотовой радиосвязи, видеонаблюдения, хранилища данных, РРСКЦ, ККС, центр СУДС, важнейшим элементом которого является информационно-диспетчерская служба. Без вышеперечисленных подсистем полноценное функционирование инфокоммуникационных систем невозможно, и в данной диссертации внимание уделяется одной из важнейших составлющих - автоматизированной идентификационной системе, которая представляет собой информационную сеть, включающую береговые базовые станции и судовые транспопдеры, как правило, сопряженные с судовыми электронными картами.

В свою очередь, применение автоматизированной идентификационной системы на внутрешшх водных путях Российской Федерации, связано с проблемами помехозащищенности, возникающими от различных источников, по большей части расположенных вдоль судоходных путей, что напрямую сказывается на дальности действия данной системы. Поэтому при построении практически любых речных инфокоммуникационных систем типа КРИС, РИС, АСУДС, имеет место необходимость качественного приема и передачи всех сегментов АИС, с учетом различных помех. Реализация задачи повышения помехозащищенности речной автоматизированной идентификационной системы напрямую связана с применением современных сложных сигналов, которые, в свою очередь, обладают рядом свойств, что определяет их использование в перспективных средствах связи.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является повышение эффективности помехозащищенности речных автоматизированных идентификационных систем в услових взаимных помех (как наиболее сложный случай) путем исследования возможностей и способов вариации структуры современных сложных сигналов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методы построения, основные принципы функционирования речной иерархической триады «КРИС-РИС-АСУДС». Роль и место АИС. Цифровые сложные информационные сигналы АИС, их основные характеристики.

2. Алгоритмы расчета помехоустойчивости информационных каналов АИС при использовании сложных сигналов и воздействии взаимных помех.

3. Алгоритмы и способы вариации структуры современных сложных сигналов для повышения помехозащищенности АИС при воздействии взаимных помех.

4. Научно обоснованные рекомендации по стратегии использовштя сложных сигналов в речных АИС.

Методы исследования. В диссертационной работе были использованы современные методы системного анализа, теории управления, теории математического моделирования, методы решения многопараметрических стохастических задач.

Научная новизна диссертации заключается в том, что найдены алгоритмы расчета помехоустойчивости информационных каналов АИС при использован™ сложных сигпалов и воздействии взаимных помех, алгоритмы и способы вариации структуры современных сложных сигналов для повышения помехозащищенности АИС при воздействии взаимных помех, алгоритмы для процедур перестройки канала только по

значению ., 7= 1,2,...,Л7, /V— число каналов, процедуры сочетания алгоритма выбора

канала с процедурой оптимизации структуры сигнала. Представлены результаты анализа способов вариации структуры современных сложных сигналов для обеспечения процесса адаптации. Рассмотрены и даны решения и рекомендации для всех трех основных классов сложных сигналов: параллельных, последовательных фазокодированных и последовательно-параллельных сигналов.

Практическая значимость результатов состоит в том, что проведено исследование и разработан практический инструментарий для различных способов вариации современных сложных сигналов при обеспечении процесса адаптации. Рассмотрены и даны решения и рекомендации для всех трех основных классов сложных сигналов: параллельных, последовательных фазокодированных и последовательно-параллельных сигналов. Представлены алгоритмы для процедур, во-первых, перестройки

каната только по значению gf¡rJ,J-l,2,...,N, Л'- число каналов, а, во-вторых, процедуры

сочетания алгоритма выбора канала с процедурой оптимизации структуры сигнала.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты были внедрены в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования государственный университет морского и речного флота имени адмирала С О. Макарова, в ООО «Росречинфоком», в Федеральной НИР «Испытания-море-река 2014» Федеральной целевой программы «Развитие поддержания и использования системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы».

Апробация результатов. Основные положения и результаты ее выполнения докладывались, обсуждались и были одобрены на: международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: Строительство, Эксплуатация, Управление» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), конкурс Инновационных проектов Санкт-Петербургского государственного универсистета Водных Коммуникаций, номинация «Лучшая инновационная идея» (победитель) (2011 г.)

Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 5 статьях, из гак 3 в изданиях, рекомендоватшх Высшей аттетстационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 119 страница текста, список использованных источников из 99 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ проведен анализ международного и российского опыта создания инфокоммуникационных систем строящихся по иерархическому принципу и функционирующих с целью повышения безопасности судоходства на внутренних водных путях типа «КРИС-РИС-АСУДС». Рассмотрена актуальность внедрения подобных систем на ВВП Российской Федерации. Рассмотрена структура КРИС, утвержденная федеральным агентством Росморречфлот, где были выявлены типовые принципы построения таких систем.

В качестве основных принципов построения РИС выявлены гармонизированные информационные службы, содействующие управлению движением судов и перевозками в сфере внутреннего судоходства во взаимосвязи с другими видами транспорта. РИС призваны способствовать безопасному и эффективному процессу перевозок и наиболее полному использованию возможностей внутренних водных путей. Также изложена концепция построения РИС, где показано, что построение РИС может включать в себя одну или несколько речных автоматизированных систем управления движением судов, которые имеют ряд характерных, специфических особенностей, вызваштк необходимостью управления движением судов в стеснетшых условиях плавания по ВВП.

За последнее время мировое сообщество работает над глобальной проблемой повышения безопасности судоходства, большая роль в решении данной проблемы отводится информационным системам, где совершенно очевидны большие перспективы для успешного развития. Благодаря развитию данных систем может быть получена самая полная и подробная информация, и что немаловажно, в едином целом, в системе, что не только сказывается на повышении на порядок безопасности судоходства, но и на повышепии эффективности использования береговых сооружений, вспомогательного флота.

В данном разделе показаны методы построения, осповпые принципы функционирования речной иерархической триады «КРИС-РИС-АСУДС» роль и место, занимаемое автоматизированной идентификационной системой, которая, безусловно, выполняет важнейшую информационную нагрузку: идентификация судна, его статическая, динамическая информация, а также рейсовые данные. Имея столь большие

преимущества и передавая важнейшую информацию, автоматизированная идентификационная система в современных условиях комплексного воздействия шумов, а также различного рода помех, особепно при работе на внутренних водных путях в акваториях портов, нуждается в эффективной защищенности, устойчивости информационных каналов.

Совершенно очевидно, что АИС позволяет значительно повысить уровень безопасности судоходства, а также динамически (с учетом использования берегового сегмента) отслеживать важнейшие параметры как отдельно взятых судов, так и судоходной обстановки в целом.

В ходе выполненного анализа выявлена острая необходимость использования автоматизированной идентификационной системы для получения своевременной необходимой информации в современных условиях и обеспечения мониторинга и управления в иерархических триадах «КРИС»-«РИС»-«АСУДС».

ВО ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ были рассмотрены инфокоммуникационные каналы автоматизированной идентификационной системы, распространение радиоволн в канале АИС, унификация и стандартизация в Международном Регламенте Радиосвязи, синхронизация каждой станции, принципы передачи данных в слотах. Также проанализирована реальная пропускная способность канала АИС, которая зависит от особеннойстей района плавания и вероятного количества судов различного вида. Рассмотрен основополагающий принцип универсальной АИС, метод нахождения свободных слотов для передачи и избежания блокирования системы при перегрузках -множественный доступ с временным разделением. Проанализирована структура и использование различных протоколов или алгоритмов МДВР. На рисунке 1 представлена схема передачи данных в слотах канала АИС.

-Г+-

Излучение станции А

1:1111

I М М 1 II

т< т« т. ъ

Слот N (26,67 ме = 258 бит)

Излучение станции В

мм

Те - начало слота, включение передатчика Тч ■ 0,832 мс-начала сигнала синхронизации Тг ■ 3,228 мс - начало стартового флага Т> « 4,160 мс - начало передачи данных

= 21,332- конец передачи данных

■ 23,191 мс - начало стопового флага

■ 24,128 мс - выключение передатчика = Т« ♦ 1 мс - прекращение излучения

Рисунок 1 - Передача данных в слотах канала АИС

На основе специфических особенностей канала связи АИС выявлены ограничения, накладываемые на технические характеристики передающих и приемных устройств. Приведены основные параметры базовых станций и судовых транспондеров АИС. Выявлено, что для систем управления движением судов, которые охватывают большие

географические районы, обслуживаемые несколькими постами связи, требуется два дуплексных канала, для избежания взаимных помех соседними вышками. В районах, которые обслуживаются более чем двумя постами, для эффективного использования частотного спектра посты могут по очереди использовать два частотных канала. Показаны различия между судовыми станциями класса А и класса В.

Были рассмотрены и проанализированы свойства современных сложных сигналов, которые определяют их применение в перспективных средствах связи. В общем виде каждый вариант сложного сигнала может бьггь записан

■¿r(t) = ur(t) cos Kt+<pr(t)], te [О, Т] (1)

где Ur(t~) и <pr(t) - огибающая и начальная фазы - медленно меняющиеся функции времени по сравнению с cos шн t; ûj„ - несущая частота.

Благодаря хорошим автокорреляционным свойствам сложный сигнал, может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна полосе F. Важным частным случаем двумерных корреляционных функций являются взаимно- и автокорреляционная функции в сечении (т 0, il = 0), определяемые соответственно

йг(т) = ^/™0ZrC£)z,(t-r)dt. (2)

В силу этого открываются определенные перспективы эффективной борьбы с многолучевым характером распространения радиоволн в каналах связи, например таких, как KB каналы. Действительно, выбирая полосу F такой, чтобы длительность свернутого импульса была меньше времени запаздывания соседних лучей, можно осуществить раздельный прием одного или ряда запаздывающих лучей, а суммируя их энергию, повысить верность приема. Прием сложных сигналов осуществляется методами селекции по их форме в частотно-времешюй области. Это позволяет более рационально использовать отводимые радиосредствам диапазоны частот, эффективно решать при демодуляции вопросы борьбы с взаимными помехами радиосредств, значительную долю среди которых составляют сосредоточенные по спектру помехи, а также с различными импульсными помехами естествешюго и промышленного происхождения.

Все основные виды сложных сигналов можно отобразить с помощью трех частотно-временных матриц, показанных на рисунках 2, 3, 4. В соответствии с этим различают: параллельные (Рисунок 2), последовательные (Рисунок 3) и последовательно-параллельные (Рисунок 4) сложные сигналы.

/ /V

акгг<РкГ1Ю а(1сГ2-1)<Р(кГ2-1)(0

"кг^кпЮ

Рисунок 2 - ЧВМ параллельных сложных сигналов

/ Рг

Рисунок 3 — ЧВМ последовательных сложных сигналов

«кг2<г>кг2Ю

/ Рг

а

■

акГ1<Ркгг(() _А*к >|

Рисунок 4 - ЧВМ последовательно-параллельных сложных сигналов

где Д/к и соответственно полоса частот и длительность к-го элементарного сигнала, описьшаемого функцией ЯкгФкЮ-

Хорошие автокорреляционные свойства сложных сигналов позволяют более эффективно решать вопросы синхронизации работы передающих и приемных устройств линий связи, особенно в условиях воздействия сосредоточенных и импульсных помех.

Исходя из всех преимуществ современных сложных сигналов, были подробно рассмотрены их частотно-временная матрица, временные, спектральные и корреляционные свойства и приведено их математическое описание.

Во втором разделе были рассмотрены цифровые сложные информационные сигналы АИС, их основные характеристики - сигналы с полосой частот, значительно большей, чем полоса частот передаваемого сообщения. Выявлено, что формирование вариантов сложных сигналов обеспечивается выбором их частотно-временной структуры. В результате проведенных исследований было выявлено, что применение свойств современных сложных сигналов может существенно улучшить помехозащищенность автоматизированных идентификационных систем.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ приведены алгоритмы расчета помехоустойчивости информационных каналов АИС при использовании сложных сигналов в условиях воздействия взаимных помех.

Проведенный анализ зависимости оптимальной дальности действия базовой станции при передаче цифровых сообщений АИС достаточно полно описывает тенденции и количественный характер проведения оптимального радиуса зоны действия береговой базовой станции АИС при изменении важнейших параметров радиоканала, а также при воздействии взаимных помех.

Важным выводом, имеющим экономические последствия при проектировании и строительстве базовых станций АИС, является довольно умеренная зависимость Щр' от

мощности передатчиков и высоты антенн, но весьма высокая зависимость от наличия источников помех.

Рисунок 5 - Незамирающий сигнал-помеха, замирающая по релеевскому закону распределения, номограммы для различных максимумов gC1Г2:

а) для случая Рц=12 Вт, РиП=2 Вт; б) РЦ=Р„П=2 Вт

Рисунок 6 — Замирающий по релеевскому закону сигнал и замирающая по релеевскому закону распределения помеха, номограммы для различных максимумов gor2:

а) для случая Р„=12 Вт, Рц„=2 Вт; б) Ри=РцГг=2 Вт

Как видно из рисунков 5 и 6, вариации расстояния взаимной помехи от транспондера существенно влияют на размеры зоны БС. Так, например, в случае АИС-2 при 11п=5 и 20 км радиус зоны составляет 7,61 и 30,43 км соответственно, а в случае АИС1 при тех же Яп радиус равен 4,81 и 19,25 км, соответственно. Графики рисунка позволяют

г) опт т,

достаточно точно установить взаимную зависимость от Кп.

В результате исследования комплекса задач по анализу электромагнитной защищенности автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех установлены следующие научные положения:

На основе анализа организации информационных радиоканалов в АИС и особенностей структуры и передачи цифровых сообщений в системах классов АИС—1 и АИС—2 определена структурно-логическая и аналитическая статистическая модель АИС, учитывающая особенности передаваемых сигналов и комплекс одновременно воздействующих мультипликативных и аддитивных помех, включающих флюктуационные шумы и широкий класс сосредоточенных по спектру помех, среди которых значительную часть составляют взаимные помехи одновременно работающих радиосредств, а также различного рода внеполосные, промышленные излучения и весьма серьезный вид — преднамеренные помехи.

Предложенная модель, с одной стороны, учитывает вероятностные особенности в информационных каналах АИС основных групп факторов, влияющих на верность передачи сообщений на трассе «судовой транспондер-базовая станция», таких как:

• распространения УКВ радиоволн с учетом технико-эксплуатационных

параметров приемо-передающих трактов аппаратуры;

• изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией

и судовым транспондером;

• процесса перемещения судового транспондера относительно БС.

Для информационного канала «судовой транспондер-базовая станция» исследованы возможности четырех параметрических моделей: Бекмана, Релея-Райса, Релея и модели

канала с постоянными параметрами. Для условий АИС обоснован выбор последшм двух.

Влияние заграждающего рельефа исследовано для трех моделей нормального закона (в том числе усеченного), показательного закона и равномерно заграждающего рельефа. Применительно к регионам РИС Волго-Балта и Волго-Дона наиболее характерны два первых ш mix.

Влияние перемещения судового транспондера относительно базовой станции АИС предложено отразить равномерным, релеевеким и максвелловским законами плотности вероятности коэффициентов передачи сигналов. Первые два из них наиболее характерны для РИС на ЕГС Европейской части России.

С другой стороны, для описания свойств взаимных помех предложено использовать серьезно зарекомендовавшую себя в научно-технической литературе весьма конструктивную модель квазидетерминированных случайных процессов, которая, во-первых, позволяет описать достаточно эффективно статистические свойства таких помех, а, во-вторых, позволяет сформулировать количественные показатели различия в частотно-временной области полезных сигналов и взаимных помех в виде коэффициента взаимного различия.

Сформулированная статистическая модель, как это подтверждается исследованиями весьма конструктивна для решения задач анализа и синтеза АИС по таким показателям как помехоустойчивость и функциональная устойчивость в условиях воздействия взаимных помех.

Для решения задач анализа предложены методы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций автоматизированных идентификационных систем при воздействии комплекса мультипликативных и аддитивных, в том числе взаимных помех.

С помощью указанного аналитического инструментария решены задачи:

• потенциально достижимых размеров зон действия базовых станций для

цифровых сигналов с ЧМ и флюктуациопными шумами;

• исследовано влияние заграждающего рельефа и случайного перемещения

судового транспондера на потенциальные размеры зон;

• проанализирована помехоусточивость информационных каналов АИС в

условиях комплекса статистических факторов, в том числе сосредоточенных помех. Показана количественная эффективность воздействия взаимных помех на информационные каналы АИС.

Исследовано влияние сосредоточенных по спектру помех, таких как взаимные помехи, помехи по побочным каналам приема, моногармонические помехи, ретранслированные ЧМ передачам, помехи на помехоустойчивость и радиус зоны действия базовой станции АИС. Проанализированы зависимости радиуса зоны действия последней от основных параметров радиоканала (отсутствия или палпчия замирания, мощности полезного сигнала, высот антенн БС и транспондера и др.) и взаимных помех (удаления источника помехи от базовой станции, энергетического потенциала помехи, коэффициентов взаимного различия сигналов и взаимных помех и др.).

В ЧЕТВЕРТОМ РАЗДЕЛЕ представлены научно обоснованные рекомендации по стратегии использовашш сложных сигналов в речных АИС. Проведен анализ особенностей адаптивного выбора информационного каната в АИС, когда кроме

адаптации по внутреннему кольцу (в транспондере), как правило, возникает необходимость выбора наименее загруженного не только шумами, но и другими аддитивными помехами канала связи. Здесь представлены алгоритмы для процедур, во-

первых, перестройки канала только по значению glr¡,j=^,2,...,N, А' — число каналов, а, во-

вторых, процедуры сочетания алгоритма выбора канала с процедурой оптимизации структуры сигнала.

Класс параллельных сложных сигпалов

При параллельной структуре г-й вариант сложного сигнала

ZM= S 4, cos(fcv + pj, t e[0,T],

(3)

где спи --2я/Т; Т — длительность элемента сигнала; А&, — амплитуда и начальная фаза к-й гармонической составляющей г-го сигнала;

Мг=ЕгТ=кгГ-кг,+1 (4)

- число гармонических составляющих, участвующих в формировании сигнала.

При реализации таких сигналов обычно стремятся выполнить упрощающие условия: А1сг=А=сопз1(к,г), кГ2=кг= сот1(г), кгу=к^согя^)\ кгг-кг1+\= кт~Ь+1=^ЕТ=сот1(г).

(5)

где {с1л}1=к к - кодовая последовательность г-го сигнала, причем {^¿}е{0,1> и

конкретный вид кодовой последовательности выбирается из решения задачи обеспечения равномерно минимального пик-фактора сигнала на интервале [О, Т]:

min П= min maxlz (i)| LP

(6)

где Pr =^\z){t)dl.

Подставляя в

Sork

4РЛ*

соотношение (3),

с учетом (4.2), после преобразования получаем:

Sorj '

N

К2

^ cos - ) sin тгЛ^

A

(7)

Д4=(Мср.ц,-кшо)/ио; втх^пх/х. (8)

А | N=5

Л

/ ! \ Г ^

/ / > \ ! / л 4 \ \ V.

и У

...................... ................

№ I! I 2 4 Д?/

а)

А 1 1 ы~7

—Л— /1\ А |

/> Ч / /' \ /—Л \11г1 ~ч [

// ,У V \/ у |\ /

&Г-

■ ! о 1 г ■ л 4 $ 6 Д; б)

Рисунок 7 - Зависимости коэффициентов взаимного различия сложных сигналов параллельной структуры

На рисунке 7 представлены зависимости коэффициентов взаимного различия сложных сигналов параллельной структуры при Лг=5; 7 и сосредоточенной по спектру/-Й помехи от сдвига частоты помехи относительно первой составляющей сигнала для оптимального в, смысле (6), кода. При этом выбраны последовательности Лежапдра (сплошная линпя)

N=5: {агк}= 0 110 1;

(9)

Лг= 7: {¿,*}=0 0 10 111.

и Баркера (штриховая линия)

Л=5: {с!Л}= 0 0 0 1 0;

(10)

Ы= 7: [агк}=0 0 0 1 1 0 1.

Из рассмотреть рисунка можно выделить характерные особенности зависимости

13

Sao — Soi] ■

1. Вне интервала расстроек Д1;е[-1; Л] имеет место glrJ=0. Следовательно, для каждого у'е {1,2,...,Л'п} всегда существует глобальный минимум КВР, т. е. всегда существует решение задачи lnA^O; гф1\ г, 1=1, 2; при minjggrtJ по всем yts{l,2,...,Arn} А,2

=const, h^ =const, которое достигается перестройкой несущей частоты r-то сигнала по отношению к соср щ.

2. Внутри интервала расстроек Л|7е[—1; Л'] существуют точки локальных минимумов 2 2

g(tr] , в которых gûrj может быть весьма мало отличающимся от нуля. Любого из 2

локальных минимумов g0rJ можно достигнуть изменением Д^, т. е. перестройкой несущей

частоты сигнала по отношению к шср п,.

3. Третья особенность заключается в следующем. Пусть частота помехи такова, что

A i/= А1у,. Нетрудно видеть, что простое изменение вида кода при фиксированных несущей

частоте сигнала и N приводит к существенному уменьшению коэффициента взаимного различия. Например, для рисунка 7, а замена кода Лежандра па код Баркера приводит в

2 А *

точку локального минимума g0rJ. Для из рисунка 7,6 локальный минимум

достигается, наоборот, изменением кода Баркера на код Лежандра. Благодаря этой особенности можно минимизировать g^rj. за счет решения задачи

, n?in {g¡,}, (И)

I * ),- 1.-е

где Q - подмножество разрешенных с точки зрения решения задачи (6) кодов. Заметим, что наиболее просто можно решить задачу (11) при 7Vn=l. Для Л'п>2 решение не исследовалось и, по-видимому, оно затруднительно. Последовательные фазокодированные сложные сигналы

Особенности построения функционально устойчивых транспондеров для сложных сигналов последовательной структуры рассмотрим на примере сигналов с двоичной фазовой манипуляцией или фазокодированных сигналов, когда r-й вариант сигнала

zr{t) = YJUmKc\\t-{k-l)Ta]cos(mHí + (p0 + (prk), <е[0,Г], (12)

к= 1

где

T=Nr г0; (13)

то- длительность элементарного сигнала; U„- амплитуда; о)н- несущая частота; фо-начальная фаза. Срезающая функция

ге«л[)-(*-1)г0] =

[1, /6[(А-1)г0]; кт0;

(14)

[О, *е[(А-1)г0]; кт0.

Для упрощения реализации сигаалов обычно обеспечивают

(15)

Фл=жйгк, ¿/,¿£{0,1}. (16)

Последовательность, составленную из множества символов {сЗД, определяющую для любого г закон фазовой манипуляции, называют кодовой последовательностью г-го варианта сигнала.

В качестве кодовых последовательностей сигналов (12) найдены и широко используются коды Баркера, символов Лежандра, Якоби, Хаффмена (М-последовательности), нелинейные, составные, производные последовательности и др. Для анализа свойств коэффициентов взаимного различия сигналов с указанными кодами и

сосредоточенных помех подставим в £[)тк = -

4 РРт

соотношение (12) и

г/л(^~/)ягС05(шсрт?+^га), и, после несложных преобразований окончательно получим:

¿«и(яДу(2*-1 )-<рл)

(17)

- = ¿К-Ч-- -®н) = Г°"/«)•

(18)

* 0.4 0.6 0.2 '0,1 е2 Д|=5

\ /

/ п 41 1

\\! • \ 1* \

~1 -0,8 -0.6 -0,4 -0.2 О 0,2 а, 4 0.6 0,8 Д /

б)

2

Рисунок 8 - зависимости gÍSrí от Д, для последовательных сигналов

На рисунке 8 показаны построенные по (17) зависимости от Л, для N=5 (Рис. 8,

а) с кодами Лежандра {с1л)= 0 110 1 (сплошная линия) и Баркера 0 0 0 1 0

(штриховая), а также для А-7 (Рис. 8, б) с кодами Лежандра {¡1,к} = 0 0 10 111 (штриховая линия). Из рисунков видно, что и в классе последовательных сложных сигналов с двоичной фазовой манипуляцией справедливы три особенности, отмеченные в классе параллельных сигналов.

Последовательно-параллельные сложные сигналы.

Типичным представителем последовательно-параллельных сложных сигналов являются сигналы с дискретной частотной манипуляцией (ДЧМн). Они синтезируются в результате скачкообразного изменения несущей частоты по закону некоторой периодической с периодом Т последовательности при неизмененных амплитуде и шаге квантования по времени и частоте. В общем случае г-й вариант ДЧМн сигнала имеет структуру

N

где

Т=Ыго; (20)

т0- длительность элементарного сигнала, определяющая шаг квантования по времени;

a>rk=co\i+(5rk-5o)Aa>a-

(21)

Здесь Де»ц-|<в„г- corfK ¡j\ - минимальный частотный сдвиг несущей, определяющий шаг квантования по частоте. Обычно

Да>о=уй)о=у271/ го,

где у- постоянный коэффициент. При у=1. 2, 3, ортогональности каждого к-то элементарного сигнала в (19). Чаще выбирают

(22)

обеспечивается условие

7=1- (23)

В (21) дгк=\,...,М- число числовой последовательности, при этом множество чисел

{'\к К.Г7? назь1вается манипулирующей последовательностью г-то сигнала. Наконец <50 в

(4.17) — некоторое выбранное постоянное целое число. Обычно полагают

д0=(К+1)/2, (24)

что приводит к симметричному расположению спектра сигнала относительно несущей частоты й)Н, а в (4.15) <ра - начальная фаза; <рл- начальные фазы к-х составляющих г-то сигнала.

Рассмотрим влияние вида манипулирующей последовательности и фазовой структуры ДЧМн сигналов при когерентном сложении элементарных сигналов на коэффициент взаимного различия сигнала (19) и сосредоточенной помехи. Полагая справедливым соотношение (23), а также д>о=0 и подставляя (19), получаем

А'2

/V

X Sin CQ<W COS {2k~l)~ Vrk)

¿sincQ.lTj sin(Q% (2k -1) - <prk)

(25)

Qi77=TfA,-<5rt+<50), Ay=(tt)cpnj-ain)/a>o- (26)

На Рис. 9 показаны зависимости gflrJ от Д; для последовательно-параллельного

сигнала при .■¥- 3, 5 и при мапипуляцнотнгом коде вида

2,3,

и начальных фазах элементарных сигналов. На рисунке

(27)

jV=3; ЛГ=5;

О л 0 - сплошная линия; 0 0 л - штриховая линия;

0 л л 0 л - код Лежандра (сплошная линия); ООО^- код Баркера (штриховая линия).

-2 -I -0 / 4/ 9 / * Д;

Рисунок 9 - зависимости от Л, для последовательно-параллельного сигнала

Из рисунка видно, что и в случае параллельно-последовательных сигналов имеет место, во-первых, gf¡rJ = 0 вне определенной области расстроек Д,, зависящей от выбранного /V, во-вторых, наблюдается явно выраженная зависимость этой величины для фиксированных А от набора начальных фаз {<р,к\ элементарных составляющих сигналов.

Следует отметить, что в отличие от параллельных и последовательных сигналов в силу скачкообразного изменения частоты элементарных сигналов для ДЧМн сигналов появляются дополнительные возможности по борьбе с сосредоточенными помехами за счет смены вида манипуляционного кода, т. е. решением задачи

(28)

где (21 - подмножество манипулирующих последовательностей, разрешенных с точки зрения взаимного перекрытия в частотно-временной области ДЧМн сигналов.

Для иллюстрации этого положения на Рис. 10,а и 11,а представлены зависимости

Яо^от Л, для различных манипуляционных кодов {<1л), одинаковых наборов начальных

фаз {<Ргк\ элементарных сигналов в (19). При этом выбрано: приЛ^З; {<рГк}=1г 0 0;

[1 2 3 - сплошная линия; [13 2 — штриховая линия;

кл=

при Л-5; {(¡>л}=0 7и тт 0 тг;

,, 11 2 3 4 5 — сплошная линия; * [1 3 4 2 5 — штриховая линия;

а)

-? -а б)

Рисунок 10-Зависимости от для различных манипуляционных кодов {Ы,к\

а,!

я,»?

А Л!=5

и 11 | I а/ '

Л......;•/ V \\

-/ а !

а)

Ы~5

...... Ш ■\0 Щ '1 1/ Ае \ у V К! ч

-.? -2 -19(2

О)

Рисунок 11 - Зависимости glrJ от Л, для различных манипуляционных кодов {(1г!с}

Как видно из рисунков, при нахождетш сосредоточенной помехи в интервале А, г [0,1] уменьшить ее воздействие можно сменой кода:

{¡1,.к}=1 2 3 на 1 3 2 для М= 3 и кода {йгк\=1 2 3 4 5 на 1 3 4 2 5 и т. д. Наконец, при использовании ДЧМн сигналов уменьшить воздействие сосредоточе1шых помех можно и при одновременной смене манипулирующего кода {г/ль} и набора начальных фаз {<ргк) элементарных сигналов. Это положение иллюстрируется

сравнительным анализом зависимостей от Ду, представленных на Рис. 10,6 и 11,6 для

Л— 3 и 5, соответственно. При этом выбрано: приЛЧЗ;

при Л'=5;

[13 2- сплошная линия; {<ргк\=л: 0 0; [213- штриховая линия; \(ргк] = 0 ж 0;

Р ^ 4 2 5 - сплошная линия; {<ргк\ = 0 п п 0 я; г [1 5 4 3 2 — штриховая линия; {<Ргк} = 0 0 0 л- 0.

Дальнейшее повышение помехоустойчивости и функциональной устойчивости может быть получено на основе применения для передачи каждого из двоичных цифровых вариантов сигналов последовательных сложных сигналов в виде дискретпо-частотно-манипулированного их варианта. Применяемые в этих системах сигналы

м

*г(0=1!'4°'ТЪ г=1>2> <29)

/=1

где М— число составляющих гг/(1), удовлетворяющих условию 1 Г 1 Т

^ 0 о

причем гл (?) - сигнал, сопряженный по Гильберту с г^). При выполнении (30) сигналы гг(г) и 2,(1), 1&-, также ортогональны в усиленном смысле.

В качестве составляющих ¡е{1,2,...,А/}, для повышения помехоустойчивости

транспондеров используют сложные сигналы параллельной, последовательной или последовательно-параллельной структуры, а обработка гг(1) в транспондере осуществляется по ветвям для каждой составляющей раздельно с последующим некогерентным сложением выходных напряжений ветвей.

Таким образом, представлены результаты анализа способов вариации структуры современных сложных сигналов для обеспечения процесса адаптации. Рассмотрены и даны решения и рекомендации для всех трех основных классов сложных сигналов: параллельных, последовательных фазокодированных и последовательно-параллельных -подкласса ДЧМн сигналов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей диссертационной работе представлено решение новой актуальной научной задачи применения современных сложных сигналов для повышения помехозащищенности речных автоматизированных идентификационных систем в условиях взаимных помех, с учетом рассмотрения помехоустойчивости информационных каналов АИС при воздействии взаимных помех.

На основе теоретических исследований поставленной задачи, математического описания и классификации современных сложных сигналов, цифровых информационных сигналов автоматизированных идентификационных систем, с учетом роли и места АИС в

20

функционировании речной информационной триады «КРИС-РИС-АСУДС» получены еледуюище результаты:

1. На основе системного анализа основной международной и национальной нормативной базы определены и систематизированы основные методы построения автоматизированных систем обеспечет!я безопасности, мониторинга и управления транспортным процессом. Определена необходимость использования автоматизированных идентификационных систем с повышением их помехозащищенности для обеспечения качественного мошггоринга и управлешга в иерархических триадах «КРИС-РИС-АСУДС», работающих для нужд внутреннего водного транспорта. В результате проведенных исследований была выявлена необходимость адаптивного выбора информационного канала АИС, необходимость выбора наименее загруженного не только шумами, но и другими аддитивными помехами канала связи.

2. Получены алгоритмы потенциально достижимых размеров зон действия базовых станций для цифровых сигпатов с ЧМ и флюктуационными шумами; исследовано влияние заграждающего рельефа и случайного перемещетпш судового транспондера на потенциальные размеры зон; проанализирована помехоусточивость информационных каналов АИС в условиях комплекса статистических факторов, в том числе сосредоточенных помех. Показана количественная эффективность воздействия взаимных помех на информационные канаты АИС.

3. Получены алгоритмы для исследования влияния сосредоточенных по спектру помех, таких как взаимные помехи, помехи по побочным каналам приема, моногармонические помехи, ретранслированные ЧМ передачам, помехи на помехоустойчивость и радиус зоны действия базовой станции АИС. Проанализированы зависимости радиуса зоны действия последней от основных параметров радиоканала (отсутствия или наличия замирания, мощности полезного сигнала, высот антенн БС и транспондера и др.) и взаимных помех (удаления источника помехи от базовой станции, энергетического потенциала помехи, коэффициентов взаимного различия сигналов и взаимных помех и др.).

4. Представлены научно обоснованные рекомендации по стратегии использования сложных сигналов в речных АИС. Проведен анализ способов вариации структуры современных сложных сигналов для обеспечения процесса адаптации. Рассмотрены и даны решения и рекомендации для всех трех основных классов сложных сигналов: параллельных, последовательных фазокодированных и последовательно-парачлельных сигналов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК»:

1. Голубцов, Д.А. Помехоустойчивость и влияние помех на размер рабочей зоны речных автоматизнровашгых идентификационных систем//журнал Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы .М'2 2011 год/ Д.А. Голубцов, К Г. Сидоров, И.А. Сикарев с. 81-86

2. Голубцов, Д А. Помехоустойчивость адаптивных автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех// журнал Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы №2 2011

год/ Д.А. Голубцов, К.Г. Сидоров, И.А. Сикарев с. 86-90

3. Голубцов, Д.А. Анализ коэффициентов взаимного различия параллельных сложных сигналов при воздействии сосредоточенных помех// журнал Университета водных коммуникаций выпуск №11/ Д.А. Голубцов, A.M. Тихопенко с. 133-135

В других изданиях:

4. Голубцов, Д.А. Структуры информационных систем управления движением судов внутреннего водного транспорта России// Сборник Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России Водные Пути России: Строительство, Эксплуатация, Управление ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009 с. 65-68

5. Голубцов Д.А. Анализ информационного обеспечения и алгоритма функционирования автоматизированных идентификационных систем в речных АСУДС// Водный транспорт России: История и Современность книга 3 ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009 с. 97-101

Подписано в печать с оригинал-макета автора 29.10.14 Сдано в производство 29.10.14 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,27. Уч.-изд. л. 1,1. _Тираж 70 экз._Заказ № 99_

Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

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