Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение надлежащего уровня безопасности плавания при навигации как в прибреж–ных морских районах, так и акватории внутренних водных путей (ВВП) Рос–сии, при соответствующем уровне организации транспортного процесса в целом.
Объясняется это ежегодным ростом интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрением современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения, причем в качестве основного метода судовождения штурманский состав в основном отдает предпочтение лоцманскому методу судоходства, который не поз–воляет в полной мере обеспечить надлежащий уровень безопасности судоходства на ВВП России в соответствии с общепринятыми мировыми стандартами. В качестве конструктивного решения указанной комплексной задачи может выступать переход от лоцманского к инструментальному ме–тоду плавания на ВВП, базирующимися на использовании систем электронной картографии в сочетании с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных системы ГЛОНАСС/GPS и, конечно, создании и внедрении новых инфокоммуникационных систем водного транспорта.
В настоящее время значительный интерес у специалистов водного тран–спорта вызывают вопросы, связанные с внедрением на внутреннем водном транспорте Российской Федерации инфокоммуникационных систем типа: корпоративная речная информационная служба (КРИС); речная информационная система (РИС) и автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС). Однако полноценное функционирование указанных систем невозможно без формирования в их зоне действия сплошного высокоточного радионавигационного поля. На акватории ВВП России такое радионавигационное поле может быть сформировано путем комплексирования полей дифференциальной поправки, вырабатываемых в СВ диапазоне контрольно-корректирующими станциями (ККС) локальной дифференциальной подсистемы (ЛДПС) ГЛОНАСС/GPS и базовыми станциями (БС) автоматизированной идентификационной системы (АИС) в УКВ диапазоне. Таким образом, для обеспечения высокого уровня безопасности судоходства, эффективного мониторинга и управления тран–спортным процессом на ВВП одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия ККС ЛДПС и БС АИС, используемых для передачи корректирующей информации в СВ и УКВ диапазоне, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего, для единой глубоководной сис–темы (ЕГС) Европейской части России, которая, учитывая ее стратегическое расположение, является одним из основных транспортных коридоров страны.
Реализация указанной задачи напрямую связана с учетом влияния параметров приемопередающего оборудования и свойств подстилающей по–верхности на процесс передачи корректирующей информации поверхностной волной СВ диапазона, а также на комплексное воздействие взаимных помех и шумов различного происхождения на дальность передачи дифференциальных поправок в СВ и УКВ диапазоне. Присутствие показанных проблем, во-первых, приводит к нарушению целостности сплошного радионавигацион–ного поля дифференциальной поправки, во-вторых, к деформации формы периметра зоны действия ККС ГЛОНАСС/GPS, работающей в СВ диапазоне, в-третьих, к снижению дальности передачи корректирующих данных в информационном канале АИС.
Поэтому, при построении практически любых речных инфокоммуника–ционных систем типа КРИС, РИС, АСУ ДС и их функциональных дополне–ний, имеет место необходимость качественного определения топологии ком–плексного радионавигационного поля высокоточного местоопределения с учетом частных вариаций зон действия всех ККС ЛДПС и БС АИС, прини–мающих участие в создании такого комплексного поля, а также теоретически обобщить и решить комплекс задач, напрямую связанных с обеспечением безопасности судоходства и оптимизации транспортного процесса на ВВП России. Все это подтверждает актуальность и своевременность постановки проблемы диссертационного исследования.
В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы являются исследования проблем и развитие методологии формирования сплошных высокоточных радионавигационных полей в СВ и УКВ диапазоне на ВВП России с учетом влияния поликомпонентной подсти–лающей поверхности, параметров приемопередающего оборудования при воздействии взаимных помех.
Объектом исследования в работе являются речные ЛДПС спутниковых радионавигационных систем второго поколения ГЛОНАСС/GPS, использую–щиеся для передачи корректирующей информации СВ и УКВ диапазоне, а также топология их зон действия.
Предмет исследования - модели, методы и алгоритмы определения дальности передачи корректирующей информации в речных ЛДПС ГЛОНАСС/GPS для СВ и УКВ диапазона, а также форм периметров зон действия как отдельных ККС, так и их цепей с учетом неоднородности подстилающей поверхности и воздействия взаимных помех.
С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, кото–рая решена в работе: на основе создания единого методологического подхода определения топологической структуры систем ЛДПС, работающих для нужд внутреннего водного транспорта России, теоретически обобщить и вырабо–тать концептуальные положения стратегии использования дифференци–альных полей СВ и УКВ диапазона на ЕГС ВВП России для обеспечения безопасности судоходства и мониторинга и управления транспортным процессом.
Решение такой научной задачи в настоящее время стало возможным лишь благодаря научному вкладу, образовавшему базу для последующих изысканий отечественных и зарубежных ученых и специалистов, таких как: Введенский, Б. А., Шулейкин, М. В., Сикарев А.А., Кашпровский, В. Е. Ван дер Поль, Д. Миддлтон, Фок В.А., Фейнберг Е.Л., Финк Л.М., Варакин Л.Е., Гаскаров Д.В., Кулибанов Ю.М. и многих других.
В данной постановке научная проблема формулируется впервые, и ее решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:
-
Концепция системного подхода к моделированию рабочих зон действия как отдельных ККС, так и их цепей, работающих для нужд внутреннего водного транспорта.
-
Методы определения как первичных, так и вторичных зон уверенного приема, а также выявления зон нелинейных переходов, расчета максимальной дальности передачи корректирующей информации в информационном канале АИС с учетом взаимных помех, моде–лирования топологии зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне с учетом воздействия на полезный сигнал взаимных помех.
-
Алгоритмы определения топологии дифференциальных полей, учитывающие влияние взаимных помех в СВ и УКВ диапазонах, а также участие поликомпонентной подстилающей поверхности в распространении радиоволн СВ диапазона.
-
Рациональная топология зон действия ККС, работающие в СВ диапазоне для формирования сплошного высоко–точного радионавигационного поля и алгоритмы рационального топологического распределения базовых станций АИС на ВВП ЕГС России для управления в структуре КРИС;
-
Концептуальные положения стратегии использования дифференци–альных полей в СВ и УКВ диапазонах на ЕГС ВВП России для нужд внутреннего водного транспорта.
Необходимость разработки указанных научных положений обусловлена отсутствием методологических основ, анализа и синтеза дифференциальных высокоточных радионавигационных полей СВ и УКВ диапазона на ВВП России и предполагает решение следующих научно-технических задач:
проведение системного анализа, направленного на создание комплекса средств мониторинга, радионавигации и управления на базе внедрения диф–ференциальных дополнений высокоточных систем местоопределения ГЛОНАСС/GPS на внутреннем водном транспорте;
систематизация подходов к формированию методологических основ ре–шения многопараметрических задач, оптимизирующих топологию сервисных зон контрольно-корректирующих станций, работающих в СВ диапазоне;
разработка теоретических основ расчета дальности и формы периметра зоны действия контрольно корректирующей станции, при передаче диф–ференциальных поправок поверхностной волной СВ диапазона над поликом–понентной подстилающей поверхностью с учетом воздействия взаимных по–мех;
разработка комплекса математических моделей, позволяющих находить радиусы зон дифференциальных полей, формируемых в УКВ диапазоне базовыми станциями АИС и форм периметров зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне с учетом воздействия взаимных помех;
выработка концептуальных положений распределения и стратегии ис–пользования внутренним водным транспортом дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона на ЕГС ВВП России;
разработка методики и проведение расчетов зависимостей минимального уровня энергетики полезного сигнала и минимального уровня напряженности поля в зависимости от расстояния, параметров проводимости подстилающей поверхности и параметров приемопередающего оборудования.
Только в случае выполнения этих условий появляется возможность по–строить качественные высокоточные системы местоопределения СРНС ГЛОНАСС/GPS, работающие для нужд внутреннего водного транспорта России, что позволит начать крупномасштабное внедрение инструменталь–ного метода судоходства на ВВП, повысить уровень безопасности и опти–мизировать транспортный процесс на ВВП России.
Теоретической основой исследования послужили методы системного анализа, математической логики, инженерно-кибернетического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслу–живания, теории прогнозирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации, статистической теории связи, теории распространения радио–волн, теории оценок, алгоритмов, теории принятия решений и методы моде–лирования на ЭВМ.
Научная новизна диссертации заключается в том, что решена акту–альная научная задача, имеющая важное хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-пред–сказательное обоснование методов построения топологии высокоточных радионавигационных полей местоопределения в АСУ движением судов на ВВП России.
Впервые предложена модель, позволяющая определять топологию формы зоны действия речной ККС работающей в СВ диапазоне, с учетом влияния поликомпонентной подстилающей поверхности, параметров приемопередающей аппаратуры и воздействия взаимных помех, что в дальнейшем позволило на основании системного анализа выработать методику качественной и количественной оценки дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона в АСУ движением судов.
Разработанная методика наложения полей полезных сигналов и помех, позволяет учесть влияние взаимных помех на дальность передачи корректирующей информации в АСУ движением судов при формировании сплошного высокоточного радионавигационного поля дифференциальной поправки.
Метод качественного и количественного определения рациональной топологии зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне, используемых для формирования сплошного высокоточного радионавигационного поля на внутренних водных путях России, отличается комплексным учетом дальности передачи дифференциальных данных в информационном канале АИС при воздействии на него взаимных помех и деформаций периметра зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне, вследствие наличия зон нелинейных пере–ходов граничных областей поликомпонентной подстилающей поверхности.
Метод синтеза, алгоритмы и решения для структуры комбинированного высокоточного радионавигационного поля, образованного смешением диф–ференциальных полей СВ и УКВ диапазонов на Европейской части единой глубоководной системы ВВП России, отличаются применением ориги–нального подхода к организации структуры и стратегии использования дифференциальных полей указанных диапазонов в структуре АСУ движением судов в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех, что позволяет оптимизировать процессы мониторинга и управления внутреннего водного транспорта и повысить уровень безопасности судоходства на ВВП России.
В работе получены научно-обоснованные предложения по способам вариации топологии и стратегии использования высокоточных радио–навигационных полей дифференциальной поправки на Европейской части единой глубоководной системы ВВП России в структуре информационных триад внутреннего водного транспорта, с целью повышения качества, эффективности мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП страны в условия взаимных помех.
Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории формирования и исполь–зования сплошных высокоточных полей дифференциальной поправки спут–никовых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS на основе новой кон–цепции конструктивного построения таких систем. На этом пути им разрабо–таны методы и алгоритмы, позволяющие найти топологию комплексных радионавигационных полей дифференциальной поправки СВ и УКВ диапа–зонов в условиях воздействия взаимных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению дальности передачи корректирующей информации и формы зоны действия контрольно-корректирующих станций, работающих в СВ диапазоне, для нужд внутреннего водного транспорта. Совокупность разработанных теоретических положений представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, напрямую связанное с обеспечением безопасности судоходства, повышением качества мониторинга и управления транспортным процессом на внутренних водных путях России.
Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждается: использованием системного подхода, использованием апробированного общенаучного математического аппарата при решении поставленных проблем и задач; проведением сопоставительного анализа результатов программно-компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных систем передачи корректирующей инфор–мации СВ и УКВ диапазона; корректностью и достаточным совпадением результатов теоретических расчетов с данными, полученными в ходе многолетних экспериментальных исследований и сопоставимостью этих ре–зультатов с данными, опубликованными известным учеными и специалистами в данной предметной области.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в получении на основании выполненных теоретических исследований конкретных приложений практической направленности, предназначенных для разработки, создания и мониторинга высокоточных радионавигационных полей дифференциальной поправки в структурах инфокоммуникационных триад внутреннего водного транспорта, для обеспечения высокого уровня безопасности судоходства, мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП России. Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций дает возможность найти конструктивное решение для топологического распределения ком–плексных дифференциальных полей, создаваемых в СВ и УКВ диапазоне, а также концепции использования таких полей на акватории ВВП России.
Прикладные результаты проведенных исследований могут быть успешно внедрены при конкретной разработке и создании речных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS, формирующих радионавигационное поле в СВ и УКВ диапазонах.
Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации сплошных радионавигационных полей высокоточного местоопределения, формируемых локальными диф–ференциальными подсистемами ГЛОНАСС/GPS в СВ и УКВ диапазонах в структурах инфокоммуникационных триад КРИС, РИС, АСУ ДС на ВВП России.
Личный вклад. Весь спектр результатов, составляющих основное со–держание работы, получен 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 ответ–ственным исполнителем.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты приняты к реализации в ОАО НПФ «Меридиан» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО «ТРАНЗАС» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО Российский институт радионавигации и времени (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, при исследовании высокоточных радионавигационных полей местоопределения и процессов передачи корректирующей информации в информационном канале АИС в Федеральных НИОКР «Испытание-Река» и «Управление-Река» РОСМОРРЕЧФЛОТА, что подтверждено актами внедрения.
Материалы диссертационной работы использованы в «Концепции создания и использования дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS на речном транспорте», разработанной в соответствии с Федеральной целевой программой по использованию Глобальной навигационной спутниковой системой ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, утвержденной Постановлением Правительства РФ от 15 ноября 1997 г. №1435, «Концепции оснащения внутренних водных путей России автоматическими информационными системами», а также ряда научно-исследовательских работ, выполненных под эгидой Федерального агентства морского и речного транспорта, исполненных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 20.08.2001 № 587 «О федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система» и приложение 1 Мероприятия федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система», подпрограммы 3 «Внедрение и использование спутниковых навигационных систем в области транспорта» (с учетом изменений, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 14.07.2006 № 423), Постановления Правительства Российской Федерации от 12.09.2008 № 680 «О внесении изменений в Федеральную целевую программу «Глобальная навигационная система», Постановления Правительства Российской Федерации от 30.04.2008 № 323 «Об утверждении Положения о полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию, развитию и использованию Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны и безопасности государства, социально-экономического развития Российской Федерации и расширения международного сотрудничества, а также в научных целях».
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы по мере её выполнения докладывались, обсуждались и были одобрены на: Международной НПК молодых ученых, студентов и аспирантов. «Анализ и прогнозирование систем управления» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), Международной НТК «Транском – 2004», (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), пятой международной НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), Международной НТК посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), экспертном совете Федерального агентства морского и речного транспорта (г. Москва, 2009 г.), Международной НТК «Связь на море и реке» (г. Москва, 2010 г.), XIII Международном семинаре Российского морского регистра судоходства «Человек и море: долгий путь к гармонии» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России инновационный путь развития» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры Технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в 2001 - 2011 годах.
Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 49-ти научно-технических изданиях, в том числе, в пяти монографиях, 17-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в 15-ти статьях и 11-ти тезисах докладов Международных и Российских научно-технических конференциях. Помимо указанных, результаты диссертационной работы были использованы и опубликованы в 12-ти отчетах о научно-исследовательской работе.
Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, приложения и состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 333 страниц текста, в том числе 87 рисунка, 15 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 159 наименований.
