автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Системы мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флота на внутренних водных путях России

На правах рукописи

РУДЫХ Сергей Витальевич

СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ СУДАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ФЛОТА НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ РОССИИ

Специальность 05.13.06

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

3 О ЯН8 2014

005544616

Санкт-Петербург - 2013

005544616

Работа выполнена на кафедре инфокоммуникационных систем морского и речного флота ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова».

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Сикарев Александр Александрович;

Официальные оппоненты:

Заведующий кафедрой проектирования и безопасности компьютерных систем ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», доктор технических наук, профессор Гатчин Юрий Арменакович;

профессор кафедры прикладной математики ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации», Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор физико-математических наук, профессор Береславский Эдуард Наумович;

Ведущий научный сотрудник ОАО «Интелтех» г. Санкт-Петербург доктор технических наук, профессор Будко Павел Александрович;

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Защита диссертации состоится «24» апреля 2014 года в 14 ч . 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при Государственном университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «10» января 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент^»^ГГ. Барщевскии

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение безопасности судоходства как при смешанном «река-море» плавании, так и при плавании на внутренних водных путях (ВВП) России, при надлежащем уровне организации транспортного процесса в целом. Наиболее остро эта проблема проявляется в условиях роста интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрения современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов и составов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения. При этом необходимо отметить, что в качестве основного метода судовождения штурманский состав, при плавании на ВВП России как правило, отдает предпочтение лоцманскому методу плавания, который не в полной мере обеспечивает общепринятый мировыми стандартами уровень безопасности судоходства.

Наиболее конструктивным решением вышеуказанной комплексной задачи, по-видимому, является переход от лоцманского к инструментальному методу судоходства на ВВП, базирующемуся на использовании систем электронной картографии в комплексе с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/СРЯ/СаШео, а также создании и внедрении современных инфокоммуникационных систем водного транспорта позволяющих конструктивным образом связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей их совместимость и эффективное взаимодействие. Известно, что одной из таких наиболее перспективных и динамично развивающихся инфокоммуникационных систем является технология, получившая название «Корпоративные речные информационные системы (КРИС)». Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название «Речные информационные службы (РИС)». Структурным ядром последних являются «Автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС)», которые, как об этом свидетельствует опыт таких стран как США, Канада, Россия, стран Европейского союза и др., имеют в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др. При этом вся структура речной АСУ ДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/вРЗ и его подсистемы высокочастотных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/ТЮРЗ.

В последние 15-20 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии

рубежа ХХ-ХХГ веков, получившей название «Автоматизированная идентификационная система (АИС)», ставшей уже неотъемлемой частью речных АСУ ДС. Возникновение технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном флоте радиолокационных станций или спутниковой навигации.

Однако к настоящему времени практически не исследованы в комплексе с АИС и дифференциальными подсистемами ГЛОНАСС/СР8/ОАЫЬЕО возможности автоматизированных систем управления техническим и вспомогательным флотами (АСУ ТВФ) с одновременным мониторингом средств навигационного оборудования (СНО) на внутренних водных путях, составляющими неотъемлемую систему наряду с АСУ ДС речной информационной службы.

Вхождение АИС в состав АСУ ТВФ предполагает не только наличие на судах технического и вспомогательного флотов (ТВФ) и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, обеспечивающего мониторинг судов ТВФ и мониторинг СНО, состоящего, в первую очередь, из комплекса береговых станций АИС, включая базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи АИС данных в структурах АСУ ТВФ и АСУ ДС. При этом для обеспечения эффективного управления судами ТВФ и мониторинга СНО на ВВП, включающего оценку позиционирования навигационных знаков, одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия БС АИС АСУ ТВФ, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего для Единой Глубоководной системы (ЕГС) Европейской части России, являющейся её важнейшей транспортной системой. Однако реализация такой проблемы в современных информационных каналах неизбежно наталкивается на комплексное воздействие трех стохастических факторов: влияние информационного канала и наличия в нем различного рода аддитивных (шумы, взаимные, промышленные, преднамеренные и др.) и мультипликативных (замирания: быстрые, медленные, селективные и т. п.) помех, влияние заграждающего рельефа, и наконец, влияние относительного перемещения судна относительно базовой станции. Наличие указанных факторов, во-первых, существенно сказывается на помехоустойчивости радиолиний АИС и, во-вторых, на их функциональной устойчивости. Преодоление искажающего действия такого рода факторов на стохастические вариации и уменьшение дальности зон действия базовых станций АИС лежит, по-видимому, лишь на путях использования различного рода адаптивных методов и способов построения устойчивых идентификационных систем.

Лишь при таких условиях появляется возможность создать в структуре АСУ ТВФ надежную высокоточную информационную поддержку судоводителю технического или вспомогательного судна. Это расширяет возможности по управлению техническим и вспомогательным флотами и позволит качественно повысить эффективность их функционирования на ВВП, что предусмотрено ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы

ГЛОНАСС на 2012-2020 гг. утвержденной постановлением Правительства РФ от 3 марта 2012 г. № 189.

В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы являются решение двуединой проблемы: развитие методологии построения адаптивных АИС, предназначенных для АСУ ТВФ применительно к условиям характеризующим угрозы верности передачи информации в таких АСУ и, во-вторых, обеспечивающих передачу высокоточных дифференциальных поправок для обеспечения высокой точности позиционирования знаков навигационного оборудования.

Объектом исследования в работе являются процесс синтеза и анализа адаптивных автоматизированных идентификационных систем для технического и вспомогательного флотов на ВВП и мониторинга средств навигационного оборудования, функционирующих в условиях шумов, взаимных помех, влияния заграждающего рельефа и относительного перемещения судов.

Предмет исследования - модели, методы и способы контроля и обеспечения заданного уровня верности передачи информации в системах АИС, функционирующих в условиях шумов и взаимных помех, а также влияния заграждающего рельефа и относительного движения судов технического и вспомогательного флота.

С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, исследуемая в работе: теоретическое обобщение и решение научно-технической проблемы повышения эффективности мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами на внутренних водных путях России на основе внедрения адаптивных автоматизированных идентификационных систем и дифференциальных подсистем высокоточного местоопределения как судов технического и вспомогательного флота, так и средств навигационного оборудования на ВВП, имеющей важное значение для водного транспорта и экономики страны.

В данной постановке научная проблема формулируется впервые, и ее решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:

1. Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флота и обеспечения высокоточного позиционирования знаков навигационного оборудования на внутренних водных путях России.

2. Методология построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России и структурно-логическая схема АСУ ТВФ.

3. Вероятностные модели и алгоритмы расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных помех.

4. Научно-обоснованные предложения и метод синтеза адаптивных функционально-устойчивых некогерентных автоматизированных идентификационных систем в АСУ техническим и вспомогательным флотами.

5. Стратегия использования сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/ОР5/ОА1ЛТ,НО с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ ТВФ.

Необходимость разработки данных научных положений обусловлена отсутствием концепции построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами и мониторинга средств навигационного оборудования на ВВП на втором и третьем системных уровнях «структура - функции» и «организация-поведение», заключенными между первым элементарным и четвертым метасистемным уровнями и предполагает решение следующих научно-технических задач.

Разработку методологии построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России и структурно логическая схема АСУ ТВФ для вскрытия существенно важных факторов, определяющих особенности мониторинга и управления в подобных структурах.

Создание вероятностных моделей и алгоритмов расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных помех для оценки эффективности функционирования адаптивных АИС в АСУ ТВФ, отсутствующие в настоящее время.

Научно-обоснованные предложения и метод синтеза адаптивных функционально-устойчивых некогерентных автоматизированных

идентификационных систем в АСУ ТВФ для обеспечения эффективного функционирования и защиты информации в АИС таких АСУ.

Выработку стратегий использования сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем ГЛОНАССЛЗРЗ/ОАЫЬЕО с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ техническим и вспомогательным флотами, вызванная отсутствием способов построения подобных автоматизированных идентификационных систем.

Теоретической основой исследования послужили методы системного анализа, математической логики, инженерно-кибернетического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, теории прогнозирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации, теоретические основы радиоэлектронной защиты от помех, статистической теории связи, теории распространения радиоволн, теории оценок, алгоритмов, теории принятия решений, методы моделирования на ЭВМ.

Научная новизна диссертации заключается в том, что решена актуальная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-предсказательное обоснование и решение ключевых задач проблемы повышения эффективности мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами, а также мониторинга средств навигационного оборудования на ВВП России.

Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флота и обеспечения мониторинга средств навигационного оборудования на внутренних водных путях России отличается тем, что впервые качественно и количественно определены многофакторные взаимосвязи состояний источников информации метасистемы для стратегии использования сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем rciOHACC/GPS/GALILEO с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ техническим и вспомогательным флотами, что позволяет сформировать множество допустимых вариантов структур функционально защищенных и устойчивых АИС для АСУ ТВФ.

Методология построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России, структурно логическая схема АСУ ТВФ, вероятностные модели и алгоритмы расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных помех позволяют качественно и количественно оценить защищенность и функциональные возможности указанных АИС при комплексном учете на дальность и зону действия АИС, характеристик, параметров и ограничений трех основных факторов: расстояния базовой станции АИС от источника взаимных и преднамеренных помех, их энергетические параметры и различия частотно временной структуры от структуры полезных сигналов, что позволяет решить задачу оптимального или, по крайней мере, рационального выбора режима функционирования АИС в АСУ ТВФ.

Научно-обоснованные предложения и метод синтеза адаптивных функционально-устойчивых некогерентных автоматизированных идентификационных систем в АСУ техническим и вспомогательным флотами позволяют структурно обеспечить адаптивные функционально устойчивые решения по построению АИС в АСУ ТВФ на втором системном уровне «структура — функции».

Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории адаптивных функционально устойчивых АИС па основе повой концепции конструктивного построения АСУ ТВФ. На этом пути им, разработаны методы количественного анализа и контроля таких АИС в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных помех, заграждающего рельефа

и относительного передвижения судов ТВФ, что позволило сформулировать качественные и количественные подходы к определению возможности применения сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем rJlOHACC/GPS/GALILEO с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ техническим и вспомогательным флотами.

Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждена: системностью исследования и решения поставленных проблемы и задач; использованием общенаучного, специальных, формальных и неформальных методов апробированного математического аппарата; выбором корректных, полных и объективных исходных данных; согласованностью результатов моделирования с данными, полученными при проведении исследований реальных систем АИС в АСУ ТВФ на Единой глубоководной системе Европейской части России, в ходе практической деятельности органов управления различных ведомств, учебном процессе вузов, НИОКР; сходимостью теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований; следованием принципам строгой взаимообусловленной согласованности множества структур исследуемого объекта, необходимостью эмерджентности (интегративности) свойств исследуемой системы; математической корректности поставленных задач; статистической достаточностью исходного объема анализируемых информационных источников; непротиворечивостью полученных результатов известным работам ученых и специалистов в данной предметной области.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в доведении теоретических исследований до уровня создания конкретного инструментария для разработки и внедрения на ВВП России высокоэффективной системы мониторинга и радионавигационного обеспечения управления судами технического и вспомогательного флотов с комплексной оценкой позиционирования навигационных знаков, в том числе и с использованием дифференциального режима спутниковой радионавигационной системы rjIOHACC/GPS/GALILEO.

Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций позволяет сформулировать рациональные решения по топологической структуре АИС в АСУ ТВФ на государственном, региональном и локальном уровнях, концептуальные положения о стратегии использования такой системы, обосновать решения по эффективному оперативному управлению ею и оценке её информационно-технического состояния.

Прикладные результаты исследований могут быть использованы также при конкретной разработке сети береговых базовых станций, судовых транспондеров для технического и вспомогательного флотов, транспондеров средств навигационного оборудования.

Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации систем на организационном, технологическом или техническом уровнях с учётом экономической целесообразности принимаемых решений и обеспечение выполнения предъявляемых требований к безопасности информации на различных этапах функционирования АИС в АСУ ТВФ.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, реализованные в НИОКР, получены с коллективом разработчиков, в которых автор является ответственным исполнителем.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты приняты к реализации в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ООО «Инфоком» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Маринерус» (г. Санкт-Петербург), в Государственном университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, в Федеральных НИОКР «Испытание-Река» и «Управление-Река» РОСМОРРЕЧФЛОТА, НИР «Управление- Контроль», НИР «Испытание Море-Река» МИНТРАНСА по ФЦП ГЛОНАСС, что подтверждено актами внедрения.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: Седьмом международном форуме Связь на море и реке (г. Москва 2011 г.); Восьмом международном форуме Связь на море и реке (г. Москва 2012 г.); на 20-й научно-технической конференции «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации» (Санкт-Петербург 2011 г.); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры «Технических средств судовождения и связи» Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций в 2010-2012 годах.

Публикации. Содержание и основные результаты диссертации опубликованы в 29-ти научно-технических изданиях: в том числе в трех монографиях, 26-ти статьях, в том числе 21-й статье в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссии для докторантов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, и состоит из введения, пяти разделов, заключения. Содержит 308 страниц текста, в том числе 118 рисунков, 17 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 163 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе проведен анализ и обобщение мирового и отечественного опыта по современному уровню разработки и внедрения, а также перспективам развития метасистемы в иерархической триаде «КРИС-РИС—АСУДС (СУДС)» который свидетельствует о том, что системы управления движением судов получили в настоящее время весьма широкое распространение на внутренних водных путях Европы, Азии и Северной Америки. Можно утверждать, что они сейчас являются доминантой в указанной триаде и составляют неотъемлемую часть всемирного транспортного процесса и, в особенности, частью системы мониторинга, управления и безопасности судов речного и смешанного «река-море» плавания. Их планирование, внедрение и информационное функционирование на ВВП проводится в соответствии с концепцией «Речных информационных служб», принятой в Европейском Союзе и подтвержденной Международной Ассоциацией маячных служб. Однако к настоящему времени практически не исследованы в комплексе с ними и остаются в значительной мере открытыми возможности систем управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП. Несомненна актуальность внедрения последних на ВВП ЕГС Европейской части России.

Выполненный анализ современных основ создания и информационного обеспечения корпоративных речных информационных систем по иерархическому уровню «КРИС-РИС-АСУДС», позволил выявить особенности построения КРИС на ЕГС (рисунок 1.), включающий семь зон РИС и учитывающий не только особенности информационного функционирования и обеспечения последних, но и регионально -бассейновую административную структуру существующей системы управления судоходством на ЕГС.

Вскрыты особенности эксплуатации технического и вспомогательного флотов на примере одной из самых передовых Администраций бассейнов внутренних водных путей — Администрации «Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей». Исследованы цели, решаемые флотом Администраций бассейнов внутренних водных путей с дифференциацией по решаемым задачам (рисунок 2.).

Одновременно проведен анализ средств навигационного оборудования, радиосвязи и средств постановки плавучих навигационных знаков применяемых на водных путях Администрации «Волго-Балт» (рисунок 3., рисунок 4.).

Анализ канонической структурной схемы и особенностей информационного функционирования АСУДС (рисунок 5.) свидетельствует о необходимости сосредоточить, в первую очередь, внимание на задачах синтеза наряду с ними обеспечивающей высокую эффективность мониторинга и управления автоматизированной идентификационной системы.

зона РИС-1 - зона Беломоро-Балтийского канала;

зона РИС-2 - зона ФБУ «Администрация «Волго-Балт»;

зона РИС-3 - зона Москвы и канала им. Москвы;

зона РИС^ - зона большой Волги;

зона РИС-5 - зона ФБУ «Администрация «Волго-Дого>;

зона РИС 6 - зона низовьев Дона и порта Азов;

зона РИС-7 - зона ФБУ «Администрация «Камводпуть».

Рисунок. I. Организация зон РИС на внутренних водных путях Европейской части России

Рисунок 2. Основные задачи обстановочного, технического и вспомогательного флота Администраций бассейнов внутренних водных путей

ЕЭКама-Р

ИМоЮгоНа вМ-350

□ МоЮго11а вР-ЗбО

□ Грант-2Р-24 ЭРадиома ЗСЮ 0 Ермак СР-36С И1СОМ 1С-М402А

□ Остальные

Рисунок 3. Оснащенность обстановочных судов ФБУ «Администрация «Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей» средствами связи

□ Створные знаки ЕЭ Перевальные

□ Ориентиры

□ Маяки

В Путевые огни

□ Опознавательные знаки

□ Ходовые

□ Весенние

И Информационные О Рейдовые

Рисунок 4. Состав береговых навигационных знаков Администрации «Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей»

Рисунок 5. Типовая конфигурация Центра АСУДС (СУДС)

Проведенный анализ и обобщение установившихся в современной научно-технической литературе основных взглядов, принципов и приемов для проведения концептуальных исследований сложных организационно-технических систем показывает, что основное внимание должно быть уделено звеньям «агрегативный уровень-система» и «система-метасистема» На основе обобщенной схемы путей повышения эффективности функционирования таких сложных систем установлены принципы вычленения системы из метасистемы с использованием подхода Геделя, проанализированы существующие методы оценки эффективности систем, а также факторы, определяющие эту эффективность, такие как условия функционирования системы, способы ее использования и основные свойства: устойчивость, управляемость, способность, самоорганизация.

В результате, вскрыты и обобщены введенные современной системной инженерно-кибернетической методологией пути описания, как обобщенной схемы, так и характеристик этапа концептуальных исследований в терминах Бо-системы, присущие исследованию операций и структуры сложных технических систем на втором и третьем системных уровнях «структура-функции» и «организация—поведение», заключенным между первым-элементарным и четвертым- метасистемным уровнями. В терминах указанных уровней сформулированы взгляды на цели, приемы и результаты концептуальных исследований.

Проведенный анализ и обобщение особенностей целепологания при проведении концептуальных исследований и выбора показателей эффективности для сложных организационно-технических систем позволили сформулировать основные принципы целепологания, такие как: причинность, коммутативность, от общего к частному, минимизация затрат при синтезе системы, системность описания рабочих функций, полнота и точность достижения цели.

С позиции таких принципов рассмотрены возможности основного класса критериев оптимальности, включающих критерий наибольшего среднего результата.

Проведенный анализ позволил вскрыть общие условия практической применимости такого критерия, обосновать эффективность его применения при исследовании сложной технической системы для образования сплошного информационного поля на внутренних судоходных путях страны.

На основе анализа в терминах современного инженерно-кибернетического подхода (обобщенных 80-систем) сформулированы и выделены для последующего исследования в границах локальных РИС на этапе построения для них концептуальной модели сети АИС для АСУ ТВФ следующие характеристики (рисунок 6.):

МЕТАСИСТЕМ И ЫЙ УРОВЕНЬ

Рисунок 6. Уровни анализа информационных систем

на системном уровне («организация-поведение») такой характеристикой является топологическая структура зон действия береговых базовых станций и станций АИС знаков навигационного оборудования;

применительно к агрегативному уровню («структура—функции») такой характеристикой является зона действия базовой станции или знака навигационного оборудования, определенная с учетом технико-эксплуатационных параметров судового транспондера и БС, а также основных стохастических факторов на трассах «судно-базовая станция», «судно-знак навигационного оборудования».

В заключение раздела обоснована целесообразность и возможность формулирования комплексного критерия эффективности АИС для АСУ ТВФ, включающего требования минимизации вероятности ошибки поэлементного приема цифрового сообщения и удержания в требуемых (заданных) пределах их функциональной устойчивости при воздействии комплекса аддитивных и мультипликативных помех, прежде всего шумов и взаимных помех средств инфокоммуникации.

Во втором разделе в соответствии с первым пунктом, выносимым на защиту, проанализированы системы высокоточного местоопределения позиционирования судов и знаков навигационного оборудования на внутренних водных путях, где были вскрыты закономерности интеграции этих систем с различными дифференциальными технологиями высокоточного позиционирования глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/аР8ЛЗА1ЛЬЕО.

К их числу относятся:

определена необходимость широкого внедрения современных инфокоммуникационных технологий сплошных дифференциальных полей высокоточного местоопределения и технологий автоматизированных систем идентификации при формировании информационных сетей любого уровня на внутреннем водном транспорте как важную закономерность информационного сопровождения комплексного процесса обеспечения безопасности плавания и эффективности функционирования средств навигационного оборудования на внутренних водных путях России;

проанализированы основные технологии высокоточного позиционирования, строящиеся на базе глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/ОР8/ОА1ЛЬЕО или их объединенной группировки, где рассмотрены реализации дифференциальной технологии этих глобальных навигационных спутниковых систем, функционирующей при помощи геостационарных космических аппаратов и получившей название широкозональные и региональные дифференциальные подсистемы глобальных навигационных спутниковых систем I 'Л О Н А С С/О Р5/0 А1.1Ь ЕО;

изучены локальные дифференциальные подсистемы этих глобальных навигационных спутниковых систем, строящиеся на базе контрольно-корректирующих станций, используемых на водном транспорте в крупнейших странах Европы, Америки и России;

исследованы методы передачи корректирующей информации пользователям, используемые в широкозональных, региональных и локальных дифференциальных подсистемах ГЛОНАСС/ОР8/ОА1ЛЪЕО, а также освещены и проанализированы отдельные преимущества и недостатки, присущие каждой из указанных дифференциальных технологий;

показано, что для целей работы наиболее благоприятны и подлежат дальнейшему исследованию локальные дифференциальные подсистемы (ЛДГГС) (рисунок 7.) глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/ОР8/ОА1,11 ,ГЮ строящиеся на базе цепи контрольно корректирующих станций, а также топология высокоточных полей

дифференциальных поправок, формируемых поверхностной волной диапазона средних волн, излучаемой такими контрольно-корректирующими станциями, и в ультракоротковолновом диапазоне информационного канала, формируемого базовой станцией автоматизированной информационной системы.

Рисунок 7. Принципиальная схема построения ЛДПС

Третий раздел направлен на разработку методологии построения системы управления техническим и вспомогательным флотом на ВВП России.

В нем выполнен структурно-логический синтез типовой структуры автоматизированной системы управления техническим и вспомогательным флотом (АСУ ТВФ) на внутренних водных путях России (рисунок 8.) и анализ особенностей сопряжения АСУ ТВФ в иерархической инфокоммуникационной триаде «КРИС - РИС - АСУ ДС». При этом также проведен анализ и рассмотрены особенности систем позиционирования земснарядов, применяемых при производстве землечерпательных работ на внутренних водных путях России, и выработка общих требований к автоматизированным комплексам контроля землечерпательных работ, основанным на глобальных навигационных спутниковых системах. Вскрыты основные принципы функционирования и технико-эксплуатационные характеристики автоматизированных идентификационных систем как в АСУ движением судов, так и АСУ технического и вспомогательного флотов, а также элементов АИС для мониторинга средств навигационного оборудования на внутренних водных путях (рисунок 9.).

>)>>»<;ы;» АСУ

Рисунок 8. Структурная схема АСУ ТВФ

Представлены и разработаны основные особенности организации радиосвязи в автоматизированных идентификационных системах для АСУ вспомогательным и техническим флотами и мониторинга средств навигационного оборудования.

Результаты раздела позволяют непосредственно перейти к оценке количественных характеристик и расчетам топологии зон действия как базовых станций, так и элементов АИС при оценке состояния и мониторинга АСУ ТВФ и СНО.

В четвертом разделе исследованы вероятностные модели и проведен расчет эффективности (помехоустойчивости) автоматизированных идентификационных систем при управлении техническим и вспомогательным флотами на ВВП.

В результате исследования комплекса задач по анализу зон действия базовых станций АИС и транспондеров знаков навигационного оборудования при воздействии комплекса аддитивных и мультипликативных помех сформулированы и обоснованы следующие научные положения: на основе анализа организации информационных радиоканалов в АИС для АСУ ТВФ и особенностей структуры и передачи цифровых сообщений в системах классов АИС-] и АИС-2, использующих простые сигналы с гауссовской частотной модуляцией, определена и выбрана аналитическая статистическая модель АИС, учитывающая особенности передаваемых сигналов и комплекс одновременно воздействующих мультипликативных и аддитивных помех, включающих флуктуационные 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.

Рисунок 9. Принцип функционирования АИС

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

« Распространения УКВ радиоволн с учетом технико-эксплуатационных параметров приемо-передающих трактов аппаратуры.

Здесь рассматривались модель четырехпараметрического распределения, одномерная плотность которого может быть представлена в форме

о-е<т, \ 2а, 2а;) ^{2к)\\21 [т.

1

V

(1)

где

а;<а1-^<\-а =-, (2)

■

Н2к(а) — полином Эрмита порядка 2к\ 1к{ ) — модифицированная функция Бесселя к-то порядка.

Из этого распределения следует весьма важные для приложений случаи.

При определенном фазировании регулярной составляющей Цр сигнала имеет место

т,=0; Цр=тс (3)

Тогда из (1) следует трехпараметрическое распределение Бекмана:

^ с ) ь-о к\2 ■а, -цр у ас ) Дальнейшее упрощение (4) имеет место при симметрии информационного канала по дисперсиям квадратурных составляющих, когда выполняется условие:

(5)

Тогда из (4) следует весьма распространенное на практике распределение Райса — Релея или обобщенное распределение Релея:

Отсюда следуют два важнейших для приложений случая.

Во-первых, при отсутствии регулярной части сигнала

Цр=0 (7)

из (6) получают распределение Релея для коэффициента передачи информационного канала

<8>

Во-вторых, при отсутствии случайных изменений квадратурных компонент сигнала (6), когда

ст2->0, (9)

из (6) следует, что \У(|л.) превращается в дельта-функцию при

что соответствует весьма типичному случаю канала с постоянными параметрами.

• Влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией АСУ ТВФ и судовым транспондером; между береговой базовой станцией АСУ ТВФ и знаком навигационного оборудования.

При описании влияния заграждающего рельефа между береговой (базовой) станцией и судовым приемником (транспондером) используются различные модели для описания аналитических вероятных зависимостей высот рельефа Н.

При аппроксимации различных рельефов методами математической статистики широко используют нормальный (гауссовский) закон распределения высот рельефа:

" (H-m„f 2 ai

\12яа„

(10)

где тн и а), — среднее значение и дисперсия рельефа трассы между корреспондентами. Заметим, что при использовании (10) или его «усеченных» определенным интервалом высот (относительно тн) вариантов необходимо учитывать также площади, для которых определяют законы распределения высот рельефа, так как небольшие изменения площадей приводят к изменению параметров /и# и о],, а более значительные — даже к изменению характера УУ(1Г).

Наиболее близкими к фактическим данным оказываются также закон равномерной местности с одномерной плотностью вероятности

к а I) = 1 , нт,п <н <нтах,, (П)

и показательный закон с одномерной плотностью вероятности

1¥(Н)^а-е"", //> 0, (12)

где а=0,01—0,1 — параметр распределения высот.

Последний закон наиболее часто характерен для районов Прибалтики Северо-Западной части России, в том числе Волго-Балтийского водного пути, для ряда районов юга России, в том числе Волго-Донского судоходного канала.

• Процесса перемещения судового транспондера относительно ЕС АСУ ТВФ или транспондера знака навигационного оборудования.

Здесь существенное влияние на верность передачи сообщений в

информационных каналах АИС оказывают случайные расстояния R между судном (судовым приемником, приемоиндикатором, транспондером) и береговой (базовой станцией).

Для описания таких расстояний укоренилась практика, использования, во-первых, закона Максвелла с одномерной плотностью вероятности:

^(Д)=ЖехрГ-^Дя>0, (13)

V шт ^ la J где a2=7i/8-Rcp2, Rcp - среднее значение R.

Этот закон весьма характерен для регионов ВВП России с интенсивным судоходством, таких, например, как Волго-Балтийский водный путь, особенно в его Невско-Ладожской части.

Наряду с (13), но существенно реже встречаются модели на основе Релеевского закона

= (14)

где сг2 — , а также равномерного закона

W(R)= R , К,,, <R < К«« (15)

max Vin

Последний используют тогда, когда какие-либо статические данные о движении судов в транспортном процессе отсутствуют.

Для информационного канала «судовой транспондер—базовая станция» исследованы возможности четырех моделей: Бекмана, Релея-Райса, Релея и модели канала с постоянными параметрами. Для условий АИС АСУ ТВФ обоснован выбор последних трех.

Влияние заграждающего рельефа исследовано для трех моделей: нормального закона (в том числе усеченного), показательного закона и равномерно заграждающего рельефа. Применительно к региону РИС «Волго-Балт» наиболее характерны два первых их них.

Влияние перемещения судового транспондера относительно базовой станции АИС АСУ ТВФ или знака навигационного оборудования предложено отразить релеевским и максвелловским законами плотности вероятности коэффициентов передачи сигналов. Они 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 коэффициентов

взаимного различия и полей поражения сигналов.

В соответствии с принятыми в научно-технической литературе подходами коэффициент взаимного различия (КВР) в работе введен соотношением:

^ = К о

(16)

где гXI) и гпк(0 - функции, описывающие структуры г-го варианта сигнала и к-й сосредоточенной помехи; гт(/) - функция, сопряженная с гпк(1) по Гильберту; К0 — нормирующий множитель.

Нормирующий множитель определяют из условия нормировки и во многих задачах его значение

где цг и — амплитудные коэффициенты передачи сигналов и сосредоточенной помехи; Рг — средняя мощность вариантов сигнала.

При замираниях сигналов и помех вместо /лг и /лш должны быть

подставлены их среднеквадратические значения и .

Следует отметить, что с точки зрения упрощения математических преобразований удобно представить коэффициенты взаимного различия в комплексной форме:

т

ол = к'а\гг{()Г1а!ц)л, (17)

где

2Л') = *Л') + А(0. 2,ГЬ(|) = 7П.(0-7^(0, Г6[о,7-], 74.

Сравнив (16) с (17), можно записать

(18)

Коэффициенты g имеют простой физический смысл.

Так как

т т

(0 = - ¡5г (,) -т (1)Л _

о о

где (/) — функция, сопряженная по Гильберту с гч(1), то представляют собой нормированные величины, пропорциональные мощности процесса на выходе фильтра или квадратурного устройства, согласованных с 2Г (/) при прохождении через них помехи 2Пк(1).

Коэффициенты взаимного различия измеряют относительную величину перекрытия в частотно-временной области сигналов и помех. Чем меньше этот параметр, тем меньше взаимное влияние структур хг{() и 2пк(1). Если последние ортогональны в усиленном смысле, т. е. для любых гик

т т

¡2, (0 ^ (ОЛ = 0, ¡7, (/) 7„к (1)С11 = О,

О С

то минимальное значение коэффициента взаимного различия равно = О-

Следует отметить, что термин «взаимное различие» не имеет в данном случае статистического смысла. Он до некоторой степени является аналогом используемого в радиолокации термина «параметр разрешения», но, в отличие от последнего, более содержателен, поскольку охватывает как случаи, когда 2Г{0 и г/д^/) совершенно различны по своей структуре, так и случаи, когда 2щ(7) является некоторой копией полезного сигнала, отличающейся от гг([), например, задержкой во времени, значением средней частоты и т. д.

Заметим, что в ряде случаев может оказаться удобным такой выбор нормирующей постоянной К0:

Получающееся при этом значение коэффициента взаимного различия g о не зависит от соотношения интенсивностей сигнала и помехи и связано с ¿Гк формулой

2 К 2

8ол=-щ^8нс- (20)

Очевидно, что

\1Р„Т<81к<\. (21)

В работе найдены КВР для моногармонических помех, ретранслированных помех для последовательных сложных сигналов фазокодированных кодом Хаффмена, и дискретно-частотно манипулированных (ДЧМн) сигналов с линейной частотной манипуляцией (ЛЧМ) (рисунок 10.) и (рисунок 11.).

Рисунок П. Сечения по Л1: трехмерного КВР ДЧМн ЛЧМ сигналов с прямой кодовой последовательностью

Понятие поля поражения сигнала вводится площадью проекции сечения трехмерного нормированного КВР на частотно-временную плоскость, определяемой допустимой и требуемой вероятностью ошибки в информационном канале, а также энергетикой взаимной помехи:

м

(22)

/=1

где 8п — площадь /-ого частичного поля поражения г-го варианта _ _ —

сигнала в пределах которой glr > , = - среднестатистические

'й

значения коэффициентов взаимного различия; //^ и — соответственно, среднестатистические значения отношений энергии г-ой составляющей

сигнала и к -ой составляющей помехи к спектральной плотности белого

2

шума V .

Поле поражения сигнала (или площадь поля поражения сигнала) является мерой суждения о качестве не только используемых в инфокоммуникациях АСУ ТВФ сигналов, но и о качестве самой АСУ ТВФ, ее электромагнитной защищенности. Критерий «Поле поражения сигнала» удовлетворяет требованиям представительности, единственности, однозначности и простоты. Системный подход при использовании этого критерия проявляется в том, что, во-первых, сравнение сигналов, систем в целом проводится не по отдельно взятым параметрам, а по совокупности параметров и, во-вторых, оно осуществляется на одном и том же уровне, т.е. учитывается принцип иерархичности.

Предложенная статистическая модель, как это подтверждается исследованиями, весьма конструктивна для решения задач анализа и синтеза АИС АСУ ТВФ и знаков навигационного оборудования по такому показателю как помехоустойчивость при условиях воздействия комплекса аддитивных и мультипликативных помех.

Для решения задач анализа предложены методы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций АИС АСУ ТВФ при воздействии комплекса указанных помех, мультипликативных и аддитивных, в том числе взаимных помех.

С помощью предложенного аналитического инструментария решены задачи:

определения потенциально достижимых размеров зон действия базовых станций АСУ ТВФ для цифровых сигналов с ЧМ и флуктуационными шумами в системах АИС-1, АИС-2 и АИС-В;

исследовано влияние заграждающего рельефа и случайного перемещения судового транспондера на потенциальные размеры зон действия береговых БС и транспондеров знаков навигационного оборудования;

проанализирована помехоустойчивость информационных каналов АИС АСУ ТВФ в условиях комплекса статистических факторов, в том числе сосредоточенных по спектру помех.

Исследовано влияние сосредоточенных по спектру помех, таких как взаимные помехи, помехи по побочным каналам приема, моногармонические помехи, ретранслированные помехи ЧМ передачам, на помехоустойчивость и радиус зоны действия судовых транспондеров и транспондеров знаков навигационного оборудования в АИС АСУ ТВФ. Проанализированы зависимости радиуса зоны действия последних от основных параметров радиоканала (высот антенн БС и транспондера судового или знака навигационного оборудования и др.) и сосредоточенных по спектру помех: прежде всего от удаления источника помехи от базовой станции, или знака навигационного оборудования, коэффициентов взаимного различия сигналов и сосредоточенных помех и др.).

Важным выводом, имеющим экономические последствия при проектировании и строительстве базовых станций АИС АСУ ТВФ, является довольно умеренная зависимость радиуса зоны их действия от мощности передатчиков и высоты антенн, но весьма высокая зависимость от наличия источников сосредоточенных помех.

Установлен эффект коллапса зон действия судовых транспондеров и транспондеров знаков навигационного оборудования в зависимости от Дп, ее интенсивности и коэффициентов взаимного различия при использовании простых сигналов с гауссовской ЧМ в АИС - 1, АИС - 2 и АИС - В.

Полученные в разделе результаты важны по следующим причинам:

1. Они достаточно полно описывают тенденции и количественный характер поведения радиуса зон действия транспондеров судов ТВФ и знаков навигационного оборудования при изменениях важнейших параметров радиоканала и при воздействии сосредоточенных помех.

2. Они позволили качественно и количественно исследовать топологию зон действия АИС АСУ ТВФ, в том числе АИС знаков навигационного оборудования и разработать конструктивные для практики построения таких зон результаты.

3. Результаты раздела свидетельствуют о настоятельной необходимости исследования вопросов повышения электромагнитной защищенности транспондеров АИС, судов ТВФ и знаков навигационного оборудования, лежащих на путях использования функционально устойчивых адаптивных транспондеров и применения сложных сигналов.

В пятом разделе предложена стратегия использования АИС технологий для АСУ ТВФ, а также мониторинга знаков навигационного оборудования на ВВП.

Разработаны метод и алгоритмы построения функционально устойчивых адаптивных автоматизированных идентификационных систем, базирующиеся на одновременном выполнении двух требований. Во-первых, синтезе реализуемого в транспондере АИС отношения правдоподобия, оптимального по критерию В.А. Котельникова или максимального правдоподобия. И, во-вторых, обеспечивающего в большом (на линии БС— СТ) и малом (в самом СТ) кольцах перестройки, частотно-временную структуру используемых сигналов такой, что при воздействии ]\1п взаимных помех минимизируется {¿¿Л^ ,у .

Для этих условий приведена строгая математическая формулировка задачи синтеза оптимального транспондера в линии «базовая станция -транспондер технического, вспомогательного судна или навигационного знака», а также предложена последовательность выполняемых операций для получения оптимального результата.

Проанализированы алгоритмы и соответствующие им структуры некогерентных функционально устойчивых транспондеров адаптивных идентификационных систем с внутренним и внешним кольцами обратной связи, которые обладают несколько меньшей верностью приема цифровых сообщений, однако обладающих рядом выгодных технологических и экономических показателей. Рассмотрены также варианты некогерентных транспондеров на согласованных фильтрах в виде единой или блочной реализации.

С подобными некогерентными транспондерами функционально устойчивые АИС эффективны как при использовании простых сигналов, так и особенно сложных сигналов.

Проведено исследование возможностей адаптации по внутреннему и внешнему кольцам в функционально устойчивых АИС на основе измерения коэффициентов взаимного различия применяемых сигналов и взаимных помех. Условием ранжирования рабочих каналов является значение в каждом из них указанных коэффициентов. По всем каналам коэффициенты образуют некоторый вариационный ряд. Для работы выбирается канал с минимальным , у=1Л?- число каналов. При поражении такого канала транспондер переходит на работу по внутреннему кольцу с другим вариантом сигнала и т. д. Если при этих вариациях формы коэффициент превышает второе по величине значение из вариационного ряда, то осуществляется переход на канал со вторым по величине значением коэффициента из вариационного ряда и т. д., за счет чего и осуществляется перестройка по внешнему кольцу. Возможны и другие варианты порядковой смены работы транспондера по внутреннему и внешнему кольцам.

Проведен анализ особенностей адаптивного выбора информационного канала 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 , /—1,2,..М, N — число каналов, а, во-вторых, 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 основного класса сложных сигналов: последовательно-параллельных — подкласса ДЧМн сигналов, наиболее приемлемых для рассматриваемых систем.

В разделе проведена оценка помехоустойчивости и возможностей использования как простых сигналов гауссовской ЧМ для адаптивных функционально устойчивых АИС, так и сложных сигналов из подкласса ДЧМн последовательных сигналов.

Доказано, что при использовании адаптивных транспондеров отсутствует эффект «коллапса зон» действия при воздействии сосредоточенных по спектру помех, что имело место в обычных АИС - 1, АИС - 2, АИС - В.

Показано, что как для простых, и сложных ДЧМн сигналов с базой Ъ<Ыг<1 потери в дальности действия при сосредоточенных помехах не превышают 5% -7% (рисунок 12.).

Рисунок 12. Уменьшение зоны действия транспондера ^ ¿,г->г ф 1;г,1 = 1,2

для ДЧМн сигналов

Завершен раздел расширением на конкретное приложение и оценку возможностей использования в адаптивных функционально устойчивых системах весьма перспективного типа ДЧМн - ЛЧМ цифровых сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время вопросы теоретического исследования и практического внедрения систем мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флотов на внутренних водных путях России требуют своего настоятельного развития. Если уже имеющиеся и апробированные методы повышения безопасности и эффективности судоходства транспортного флота за счет внедрения высокоточной информационной поддержки судоводителя с использованием электронной картографии и автоматизированного управления судном на базе внедренных и перспективных АСУ ДС получили свое существенное развитие, то внедрение новых инфокоммуникационных технологий, прежде всего на базе АИС, для мониторинга и управления ТВФ и обеспечения высокоэффективного мониторинга средств СНО внутренних водных путей являются чрезвычайно актуальными.

Поэтому в работе сформулирована научная проблема, имеющая важное значение для экономики страны — повышение эффективности мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами на внутренних водных путях России, на основе внедрения адаптивных автоматизированных идентификационных систем и дифференциальных подсистем высокоточного местоопределения как судов ТВФ, так и СНО на ВВП.

Решение этой проблемы в рамках данного научного направления позволило определить цели исследований диссертационной работы. В соответствии с ними получено теоретическое обоснование и практическая реализация системных методов, математических моделей и алгоритмов принятия решений при проектировании, использовании и оценке состояния сложной организационно-технической системы АСУ ТФВ.

Научные результаты, полученные в работе, содержат решения ряда актуальных задач.

1. Развитие методологии построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления ТВФ и мониторинга СНО для обеспечения безопасности судоходства на ВВП страны в условиях воздействия взаимных помех, на основе системного инженерно-кибернетического подхода к структурной, алгоритмической и объектно-ориентированной реализации новых информационных технологий при создании и исследовании сложных организационно-технических комплексов и систем.

Исследуемый подход включает:

анализ состояния современной концептуальных исследований в предметной области на уровне метасистемы КРИС как основы системного подхода к вычленению исследуемой системы из метасистемы и определению подходов к структуре системы на системном («организация-поведение») и агрегативном («структура-функции») уровнях по критериям ее эффективности;

выработку совокупностей теоретических, экспериментальных и модельно-предсказательиых приемов, решений, результатов, рекомендаций для обоснования тонкой структуры, топологии информационной технологии и технических принципов построения автоматизированных идентификационных систем на ВВП;

разработку положений, решений и рекомендаций по стратегии внедрения и использования потребителями речного флота различного рода методов и способов адаптации, в том числе на основе сложных сигналов при обеспечении функциональной устойчивости идентификационных систем в условиях воздействия взаимных помех.

2. Алгоритмы оценки электромагнитной защищенности АИС в условиях воздействия взаимных помех, учитывающие влияние на дельность и зону действия базовых станций характеристик, параметров и ограничений трех основных факторов: расстояния базовой станции до источника взаимных помех, их энергетические параметры и различия частотно-временной структуры и структуры полезных сигналов;

комплекс решений для зон действия базовых станций от указанных факторов в наиболее важном диапазоне УКВ двух основных классов систем АИС-1 и АИС-2, а также АИС (В).

3. Развитие теоретических и методических основ расчета функциональной устойчивости основных характеристик автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех, включающих:

Алгоритмы оценки вариационно-параметрической, вариационно-функциональной и среднеквадратической устойчивости АИС в условиях взаимных помех;

4. Модель и алгоритмы решений по расчету и анализу указанных вариантов устойчивости для систем АИС-1 и АИС—2 от энергетических параметров, расстояния до источника помехи и различия частотно-временной структуры взаимных помех и полезных сигналов, что позволяет рационально выбрать и гармонизировать функционирование существующих АИС.

5. Разработку метода синтеза, алгоритмов и решений по построению адаптивных функционально устойчивых некогерентных транспондеров при воздействии взаимных помех адаптивных автоматизированных идентификационных систем с внутренним и внешним кольцами обратной связи.

Метод базируется на последовательном выполнении двух требований. Во-первых, на минимизации в судовом транспондере АИС вероятности ошибки в приеме элемента цифровой комбинации по критерию В.А. Котельникова или максимального правдоподобия. Во-вторых, на обеспечении функциональной устойчивости (чувствительности) системы в заданных пределах за счет перестройки частотно-временной структуры используемых сигналов, либо в малом кольце (самом судовом транспондере), либо в большом кольце (на линии «базовая станция-судовой транспондер»). На этом пути:

получены и проанализированы алгоритмы и соответствующие им структуры реализаций некогерентных функционально устойчивых адаптивных идентификационных систем с внутренним и внешним кольцами обратной связи, которые, имея несколько меньшую верность приема, обладают рядом выгодных упрощающих технологических и экономических показателей.

Полученные решения адаптивных АИС некогерентного типа особенно эффективны при использовании в них сложных сигналов.

6. Алгоритмы вариации структуры и стратегии использования современных сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых АИС АСУ ТВФ, применительно к сложным сигналам последовательно-параллельной ДЧМн структуры, в том числе типа ДЧМн-ЛЧМ.

Для АСУ ТВФ проанализированы и даны рекомендации по адаптивному выбору информационного канала в АИС, когда кроме адаптации по внутреннему кольцу, как правило, возникает необходимость выбора наименее загруженного не только шумами, но и другими аддитивными помехами канала связи. Здесь представлены алгоритмы для двух разновидностей процедур, во-первых, перестройки канала только по значениям коэффициентов взаимного различия, что характерно для адаптивных АИС-1 и АИС-2 с простыми ЧМ сигналами, и, во-вторых, сочетания алгоритма выбора канала с процедурой оптимизации структуры сигнала, что имеет место при использовании ДЧМн сигналов с кодами Лежандра, Баркера, линейной частотной модуляции.

Доказано, что при использовании адаптивных транспондеров отсутствует эффект «коллапса зон» их действия при воздействии сосредоточенных по спектру помех, что имело место в обычных АИС - 1, АИС - 2, АИС - В.

Показано, что как для простых, и сложных ДЧМн сигналов с базой 3<ДГг<7 потери в дальности действия при сосредоточенных помехах не превышают 5% - 7%.

Полученные в диссертации результаты подтвердили эффективность и конструктивность системной инженерно-кибернетической методологии для методов и способов построения и развития таких сложных организационно-технических информационных систем, какими являются адаптивные автоматизированные идентификационные системы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии

1. Рудых, C.B. Методологические основы построения инфокоммуникацион-ных систем управления техническим, вспомогательным флотом и мониторинга средств навигационного оборудования на внутренних водных путях / C.B. Рудых - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012.- 157 с.

2. Рудых, C.B. Стратегия использования АИС технологий для автоматизированных систем управления судами технического, вспомогательного флотов и мониторинга знаков навигационного оборудования на внутренних водных путях / C.B. Рудых - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013. - 130 с.

3. Рудых, C.B. Технические средства судовождения / В.В. Каретников, Ю.Н. Лысенко, C.B. Рудых, И.А. Сикарев, П.П. Хохлов, С.Ф. Шахнов. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013. — 316 с.

Публикации, предусмотренные «Перечнем изданий ВАК»

4. Рудых, C.B. Влияние взаимных помех на зону действия автоматизированных идентификационных систем/ В.В. Каретников, C.B. Рудых, И.А Сикарев// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. — СПб.: Политехник. 2010. Вып. 3. — С. 55-57.

5. Рудых, C.B. Основные характеристики и особенности эксплуатации технического и вспомогательного флотов на внутренних водных путях России/ C.B. Рудых// Морская радиоэлектроника. - СПб., 2010 . Вып. 3-4 (33-34).-С. 6-10.

6. Рудых, C.B. Структурная схема и особенности автоматизированной системы управления техническим и вспомогательным флотом на внутренних водных путях/ C.B. Рудых// Журнал университета водных коммуникаций Вып. 9. - СПб., СПГУВК 2011. - С. 95-100.

7. Рудых, C.B. Современное состояние и уровень оснащенности судов технического и вспомогательного флотов на внутренних водных путях России/ C.B. Рудых// Журнал университета водных коммуникаций Вып.11. - СПб., СПГУВК 2011. - С. 42-49.

8. Рудых, C.B. Математическая модель цифровых информационных каналов речных автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех/ Т.А. Волкова, C.B. Рудых, A.M. Тихоненко/ Журнал университета водных коммуникаций Вып. 12 СПб., СПГУВК 2011. - С. 121-125.

9. Рудых, C.B. Синтез функционально-устойчивых когерентных Автоматизированных информационных систем/ Рудых C.B., Сидоров К.Г., Сикарев И.А.// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. - СПб., Политехник. 2011. Вып. 3. - С. 73-76.

10. Рудых, C.B. Дискретно-манипулированные сигналы с линейной частотной модуляцией в автоматизированных идентификационных системах на внутренних водных путях/ Т.А. Волкова, C.B. Рудых, А.М. Тихоненко// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. — СПб., Политехник. 2011. Вып. 4. - С. 66-69.

11. Рудых, C.B. Дискретно-манипулированные сигналы с разрывной во времени структурой в речных автоматизированных идентификационных системах/ Т.А. Волкова, C.B. Рудых, А.М. Тихоненко// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. — СПб., Политехник. 2012. Вып. 1. -С. 67-69.

12.Рудых, C.B. Алгоритмы функционально-устойчивых некогерентных Автоматизированных информационных систем/ C.B. Рудых, К.Г. Сидоров, И.А. Сикарев// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. - СПб., Политехник. 2011. Вып. 4. -С. 61-65.

13.Рудых, C.B. Мониторинг средств навигационного оборудования на внутренних водных путях/ E.JI. Бродский, C.B. Рудых// Речной транспорт (XXI век). 2012. № 1(55). - С. 82-87.

14.Рудых, C.B. Перспективы внедрения автоматизированной системы управления движением маломерных судов на примере Черноморского побережья России/ А.И. Зайцев, C.B. Рудых, A.A. Сикарев // Журнал университета водных коммуникаций. Вып. 14. СПб., СПГУВК 2012. - С. 156-163.

15.Рудых, C.B. Исследование зависимости оптимального радиуса зоны действия цифровой транкинговой станции от основных параметров радиоканала в условиях взаимных помех/ В.М. Журавлев, C.B. Рудых// Журнал университета водных коммуникаций. Вып. 15. СПб., СПГУВК 2011.-С. 154-160.

16.Рудых, C.B. Исследование судоходной обстановки «Волго-Балтийского государственного бассейнового управления водных путей и судоходства» - ГБУ «Волго-Бапт»/ C.B. Рудых// Журнал университета водных коммуникаций Вып. 16 СПб., СПГУВК, 2012. - С. 8-14.

17.Рудых, C.B. Современное состояние и перспективы оснащения НЛРВПИС ГБУ «Волго-Балт» средствами АИС для эффективного управления техническим и вспомогательным флотами и мониторинга средств навигационного оборудования/ C.B. Рудых// Морская радиоэлектроника. №4(42). - СПб., 2012. - С. 20-23.

1 Я.Рудых, C.B. Использование глобальных навигационных спутниковых систем в автоматизированных системах контроля землечерпательных работ/ C.B. Рудых// Морская радиоэлектроника. №4(42). — СПб., 2012. — С. 38-41.

i 9.Рудых, C.B. Системы ориентации земснарядов на основе глобальных навигационных спутниковых систем/ C.B. Рудых// Журнал университета водных коммуникаций Вып. 18 СПб., СПГУВК, 2013. - С. 89-95.

20. Рудых, C.B. Электромагнитная защищенность функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем с простыми сигналами при воздействии сосредоточенных по спектру помех/ Т.А. Волкова, C.B. Рудых, И.А. Сикарев// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. — СПб., Политехник 2013, №1, — С. 127-131.

21. Рудых, C.B. Оценка электромагнитной защищености при вариации структуры сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии сосредоточенных по спектру (взаимных) помех/ Т.А. Волкова, C.B. Рудых, И.А. Сикарев// Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. - СПб., Политехник 2013№2, С. 46-53.

22. Рудых, C.B. Коэффициенты взаимного различия для сложных дискретно-манипулированных сигналов с линейной частотной модуляцией/ Т.А. Волкова, C.B. Рудых, И.А. Сикарев// Журнал университета водных коммуникаций Вып.19 СПб., СПГУВК, 2013. С.105-109.

23. Рудых, C.B. Структурная схема автоматизированной системы управления техническим и вспомогательным флотами на внутренних водных путях Российской Федерации/ О.В. Петриева, C.B. Рудых, И.А. Сикарев// Морская радиоэлектроника. №1(43). - СПб., 2013. - С. 22-24.

1Л.Рудых, C.B. Особенности передачи корректирующей информации в локальных дифференциальных подсистемах / Ю.Н. Андрюшечкин, В.В. Каретников, C.B. Рудых// Морская радиоэлектроника. №1(43). - СПб., 2013. — С.32-34.

В других изданиях

25.Рудых, C.B. Обеспечение судоходных условий на баровых участках северо-востока Якутии/ C.B. Рудых // XVI пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. - СПб, СПГУВК, 2001. - С. 248-250.

26.Рудых, C.B. Гидрологические и судоходные особенности низовьев реки Оби/ C.B. Рудых// Безопасность водного транспорта. Труды международной практической конференции, посвященной 300 — летию Санкт-Петербурга. Т -2 - СПб, СПГУВК, 2003. - С. 139-141.

11 .Рудых, C.B. Гидрографическая изученность и судоходное освоение Обской и Тазовской губ/ C.B. Рудых// Безопасность жизнедеятельности на водном транспорте Сибири и Якутии. Новосибирск, 2003. - С. 126-133.

28.Рудых, C.B. Проблемы судоходства на Ямсальском баре р. Оби. / C.B. Рудьгх // Безопасность жизнедеятельности на водном транспорте Сибири и Якутии. Новосибирск, 2003.-С. 133-136.

29.Рудых, C.B. Использование транкинговой радиосвязи для мониторинга и управления транспортным процессом на внутреннем водном транспорте/ C.B. Рудых, В.М. Журавлев, И.А. Сикарев //Материалы юбилейной 20-й научно-технической конференции «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации 27 июня-1 июля 2011 г. СПб, Издательство Политехнического университета. 2011. - С. 17-20.

Подписано в печать с оригинал-макета автора 25.10.13 Сдано в производство 25.10.13 Формат 60*84 1/16 Усл.-печ. л. 2,34. Уч.-изд. л. 1,75. _Тираж 70 экз._Заказ № 130_

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

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА»

СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ СУДАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ФЛОТА НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ РОССИИ

Специальность 05.13.06. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Сикарев Александр Александрович

Санкт-Петербург

05201450804

На правах рукописи

РУДЫХ Сергей Витальевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................... 6

Раздел 1.

СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ИЕРАРХИЧЕСКИЕ ТРИАДЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ НА РЕЧНОМ ТРАНСПОРТЕ. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ФЛОТАМИ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ........................ 16

1.1. Иерархические информационные триады и

инфокоммуникационные системы на речном транспорте.................. 16

1.1.1. Корпоративная речная информационная система................... 17

1.1.2. Речная информационная служба.......................................... 19

1.1.3. Каноническая структурная схема речной автоматизированной системы управления движением судов.......................................... 28

1.2. Основные характеристики и особенности эксплуатации технического и вспомогательного флотов на внутренних водных

путях России........................................................................... 31

1.2.1. Цели, решаемые флотом Администраций бассейнов

внутренних водных путей с дифференциацией по решаемым

задачам................................................................................. 3 1

1.3. Анализ средств навигационного оборудования на внутренних

водных путях (на примере ФБУ «Администрация «Волго-Балт»)......... 41

1.3.1. Судоходная обстановка ФБУ «Администрация «Волго-Балт»...... 47

1.4. Мониторинг средств навигационного оборудования (СНО) на внутренних водных путях.......................................................... 51

1.4.1. Мониторинг СНО с использованием средств радиолокации........ 53

1.4.2. Использование АИС для мониторинга СНО........................... 53

1.4.3. Испытания системы мониторинга СНО средствами АИС в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства - филиале

ФБУ «Администрация «Волго-Балт»............................................ 58

1.4.4. Использование средств мобильной связи стандарта GSM........... 61

1.4.5. Опытная эксплуатация системы мониторинга СНО по каналам GSM в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства -филиале ФБУ «Администрация «Волго-Балт»................................. 63

1.4.6. Мониторинг СНО с использованием средств

спутниковой связи................................................................... 65

1.5. Обобщенная схема метасистемы и особенности этапов концептуального исследования инфокоммуникационных систем на речном транспорте................................................................... 69

1.6. Особенности проведения концептуальных исследований инфокоммуникационных систем. Постановка задачи

диссертационного исследования.................................................. 79

Выводы по разделу 1............................................................... 85

Раздел 2.

СИСТЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СУДОВ И СРЕДСТВ НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ.............................................. 89

2.1. Назначение, классификация, принципы построения и функционирования инфокоммуникационных систем и систем высокоточного позиционирования............................................... 90

2.2. Методы построения современных автоматизированных сетей....... 100

2.3. Высокоточные системы позиционирования, строящиеся на реализации дифференциального режима СРНС

ГЛОНАСС/GPS/GALILEO......................................................... 107

2.4. Классификация дифференциальных подсистем СРНС................. 123

2.4.1. Широкозональные дифференциальные подсистемы.................. 125

2.4.2. Региональные дифференциальные подсистемы........................ 128

2.4.3. Локальные дифференциальные подсистемы........................... 129

2.5. Формирование комплексных дифференциальных полей средневолнового и ультракоротковолнового диапазона на внутренних

водных путях.......................................................................... 133

Выводы по разделу 2............................................................... 136

Раздел 3.

МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ФЛОТОМ НА ВВП РОССИИ............................................................................... 138

3.1. Методология построения и структурно логическая схема АСУ техническим и вспомогательным флотами на ВВП........................... 13 8

3.2. Особенности АСУ ТВФ на ВВП России................................... 141

3.3. Современные инфокоммуникационные технологии, применяемые для позиционирования земснарядов и мониторинга

землечерпательных работ на внутренних водных путях..................... 143

3.4. Автоматизированные идентификационные системы на речном транспорте............................................................................. 150

3.4.1. АИС для АСУ движением судов.......................................... 150

3.4.2. АИС для АСУ техническим и вспомогательным флотами и мониторинга средств навигационного оборудования........................ 159

3.5. Организация радиосвязи в автоматизированных

идентификационных системах.................................................... 162

Выводы по разделу 3............................................................... 171

Раздел 4.

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ И РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ) АИС ПРИ УПРАВЛЕНИИ

ТЕХНИЧЕСКИМ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ФЛОТАМИ НА ВВП..... 172

4.1. Вероятностные модели АИС................................................. 172

4.1.1. Каноническая статистическая модель автоматизированной идентификационной системы. Аддитивные и мультипликативные

помехи.................................................................................. 172

4.1.2. Стохастические модели цифровых информационных каналов автоматизированных идентификационных систем........................... 1 76

4.1.3. Учет взаимного влияния в частотно-временной области сигналов и сосредоточенных помех. Коэффициенты взаимного различия.

Поля поражения сигналов......................................................... 181

4.2. Алгоритмы и расчет эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении на трассе «знак навигационного оборудования -

судовой транспондер»............................................................... 198

4.2.1. Потенциальная эффективность в условиях воздействия только флуктуационных шумов............................................................ 198

4.2.2. Эффективность АИС при воздействии заграждающего рельефа... 211

4.2.3. Эффективность АИС при движении судов технического и вспомогательного флотов.......................................................... 214

4.2.4. Эффективность АИС в условиях воздействия флуктуационных шумов и сосредоточенных по спектру помех.................................. 218

4.3. Топология зон действия базовых станций АИС АСУ ТВФ на «Волго-Балтийском водном пути» в границах Невско- Ладожского

района водных путей и судоходства............................................. 223

Выводы по разделу 4............................................................... 243

Раздел 5.

СТРАТЕГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АИС ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СУДАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО, ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ФЛОТОВ И МОНИТОРИНГА ЗНАКОВ НАВИГАЦИОННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ................ 247

5.1. Современные методы синтеза функционально устойчивых АИС

на адаптивных транспондерах при воздействии взаимных помех........ 247

5.1.1. Алгоритмы функционально устойчивых АИС на адаптивных некогерентных транспондерах.................................................... 248

5.1.2. Методика адаптивного выбора информационного канала для мониторинга судов технического, вспомогательного флотов и знаков навигационного оборудования на ВВП в автоматизированных идентификационных системах.................................................... 258

5.2. Помехоустойчивость и оценка возможностей использования простых и сложных сигналов в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии

сосредоточенных по спектру помех.............................................. 260

5.2.1. Алгоритмы оценки помехоустойчивости функционально устойчивых адаптивных некогерентных АИС................................. 260

5.2.2. Оценка возможностей использования простых сигналов для адаптации функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии сосредоточенных по спектру помех......................................................................... 263

5.2.3. Оценка возможностей и способов вариации структуры сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии

сосредоточенных по спектру (взаимных) помех.............................. 270

Выводы по разделу 5............................................................... 281

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 284

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................... 288

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................... 291

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение безопасности судоходства как при смешанном «река-море» плавании, так и при плавании на внутренних водных путях (ВВП) России, при надлежащем уровне организации транспортного процесса в целом. Наиболее остро эта проблема проявляется в условиях роста интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрения современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов и составов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения. При этом необходимо отметить, что в качестве основного метода судовождения штурманский состав, при плавании на ВВП России как правило, отдает предпочтение лоцманскому методу плавания, который не в полной мере обеспечивает общепринятый мировыми стандартами уровень безопасности судоходства.

Наиболее конструктивным решением вышеуказанной комплексной задачи, по-видимому, является переход от лоцманского к инструментальному методу судовождения на ВВП, базирующемуся на использовании систем электронной картографии в комплексе с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАССЮРЗ/СаШео, а также создании и внедрении современных инфокоммуникационных систем водного транспорта позволяющих конструктивным образом связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей их совместимость и эффективное взаимодействие. Известно, что одной из таких наиболее перспективных и динамично развивающихся инфокоммуникационных систем является технология, получившая название «Корпоративные речные информационные системы (КРИС)». Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название «Речные информационные службы (РИС)».

Структурным ядром последних являются «Автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС)», которые, как об этом свидетельствует опыт таких стран как США, Канада, Россия, страны Европейского союза и др., имеют в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др. При этом вся структура речной АСУ ДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/ОРЭ и его подсистемы высокочастотных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/БОР8.

В последние 15-20 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа ХХ-ХХ1 веков, получившей название «Автоматизированная идентификационная система (АИС)», ставшей уже неотъемлемой частью речных АСУДС. Возникновение технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном флоте радиолокационных станций или спутниковой навигации.

Однако к настоящему времени практически не исследованы в комплексе с АИС и дифференциальными подсистемами ГЛОНАССАЗР8/СА1ЛЬЕО возможности автоматизированных систем управления техническим и вспомогательным флотами (АСУ ТВФ) с одновременным мониторингом средств навигационного оборудования (СНО) на внутренних водных путях, составляющими неотъемлемую систему наряду с АСУ ДС речной информационной службы.

Вхождение АИС в состав АСУ ТВФ предполагает не только наличие на судах технического и вспомогательного флотов (ТВФ) и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, обеспечивающего мониторинг судов ТВФ и мониторинг СНО, состоящего, в первую очередь, из комплекса береговых станций АИС, включая

базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи АИС данных в структурах АСУ ТВФ и АСУ ДС. При этом для обеспечения эффективного управления судами ТВФ и мониторинга СНО на ВВП, включающего оценку позиционирования навигационных знаков, одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия БС АИС АСУ ТВФ, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего для Единой Глубоководной системы (ЕГС) Европейской части России, являющейся её важнейшей транспортной системой. Однако реализация такой проблемы в современных информационных каналах неизбежно наталкивается на комплексное воздействие трех стохастических факторов: влияние информационного канала и наличия в нем различного рода аддитивных (шумы, взаимные, промышленные, преднамеренные и др.) и мультипликативных (замирания: быстрые, медленные, селективные и т. п.) помех, влияние заграждающего рельефа, и наконец, влияние относительного перемещения судна относительно базовой станции. Наличие указанных факторов, во-первых, существенно сказывается на помехоустойчивости радиолиний АИС и, во-вторых, на их функциональной устойчивости. Преодоление искажающего действия такого рода факторов на стохастические вариации и уменьшение дальности зон действия базовых станций АИС лежит, по-видимому, лишь на путях использования различного рода адаптивных методов и способов построения устойчивых идентификационных систем.

Лишь при таких условиях появляется возможность создать в структуре АСУ ТВФ надежную высокоточную информационную поддержку судоводителю технического или вспомогательного судна. Это расширяет возможности по управлению техническим и вспомогательным флотами и позволит качественно повысить эффективность их функционирования на ВВП.

В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы являются решение двуединой проблемы: развитие методологии построения адаптивных АИС, предназначенных для АСУ ТВФ применительно к условиям характеризующим угрозы верности передачи информации в таких АСУ и, во-

вторых, обеспечивающих передачу высокоточных дифференциальных поправок для обеспечения высокой точности позиционирования знаков навигационного оборудования.

Объектом исследования в работе являются процесс синтеза и анализа адаптивных автоматизированных идентификационных систем для технического и вспомогательного флотов на ВВП и мониторинга средств навигационного оборудования, функционирующих в условиях шумов, взаимных помех, влияния заграждающего рельефа и относительного перемещения судов.

Предмет исследования - модели, методы и способы контроля и обеспечения заданного уровня верности передачи информации в системах АИС, функционирующих в условиях шумов и взаимных помех, а также влияния заграждающего рельефа и относительного движения судов технического и вспомогательного флота.

С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, исследуемая в работе: теоретическое обобщение и решение научно-технической проблемы повышения эффективности мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами на внутренних водных путях России на основе внедрения адаптивных автоматизированных идентификационных систем и дифференциальных подсистем высокоточного местоопределения как судов технического и вспомогательного флота, так и средств навигационного оборудования на ВВП, имеющей важное значение для водного транспорта и экономики страны.

В данной постановке научная проблема формулируется впервые, и ее решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:

1. Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флота и обеспечения высокоточного позиционирования знаков навигационного оборудования на внутренних водных путях России.

2. Методология построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России и структурно-логическая схема АСУ ТВФ.

3. Вероятностные модели и алгоритмы расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных