Содержание к диссертации
Введение
1. Структура и основные принципы функционирования речной информационной иерархической триады «КРИС-РИС-АСУДС». Роль и место Автоматизированной Идентификационной Системы 9
1.1 Иерархические информационные триады 9
1.1.1 Корпоративная Речная Информационная Система 10
1.1.2 Речная Информационная Служба и Речная Автоматизированная Система Управлением Судов 12
1.2 Автоматизированные Идентификационные Системы на речном транспорте 20
1.2.1 Назначение и основные функции 20
1.2.2 Использование АИС на ВВП 21
Выводы по разделу 1 34
2. Цифровые информационные сигналы автоматизированной идентификационной системы. Современные сложные сигналы, основные характеристики и свойства 36
2.1 Инофкоммуникационные каналы Автоматизированной Идентификационной Систем 36
2.2 Современные сложные сигналы, их ЧВМ, временные, спектральные и корреляционные свойства 47
Выводы по разделу 2 58
3. Помехоустойчивость информационных каналов АИС при воздействии взаимных помех 60
3.1 Исследование влияния сосредоточенных по спектру помех на размер рабочей зоны автоматизированных идентификационных систем 66
3.2 Зависимость радиуса зоны действия базовой станции автоматизированной идентификационной системы от основных параметров радиоканала и взаимных помех 73
Выводы по разделу 3 82
4. Исследование возможностей и способов вариации структуры современных сложных сигналов для повышения помехозащищенности автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех 85
4.1 Класс параллельных сложных сигналов 85
4.2 Последовательные фазокодированные сложные сигналы 90
4.3. Последовательно-параллельные сложные сигналы 92
4.4. Исследование возможностей и способов построения некогерентных адаптивных транспондеров 98
4.4.1 Некогерентный адаптивный транспондер частотной телеграфии 98
4.4.2 Адаптивный некогерентный транспондер с последовательными
сложными сигналами 101
Выводы по разделу 4 104
Заключение 105
Список принятых сокращений 107
Литература
- Корпоративная Речная Информационная Система
- Современные сложные сигналы, их ЧВМ, временные, спектральные и корреляционные свойства
- Зависимость радиуса зоны действия базовой станции автоматизированной идентификационной системы от основных параметров радиоканала и взаимных помех
- Исследование возможностей и способов построения некогерентных адаптивных транспондеров
Корпоративная Речная Информационная Система
В 80-90е годы прошлого века усилиями Международной Морской Организации (ИМО) и других организаций мирового сообщества, прежде всего Российской Федерации и США, созданы, внедрены в практику и непрерывно совершенствуются информационные сети связи и сети для местоопределения (обсервации) подвижных объектов различного целевого назначения: морских и речных судов, летательных аппаратов, автомобилей, поездов, строительной техники и т.п. Такие сети существенно необходимы для повышения эффективности и безопасности транспортного процесса и как следствие улучшения его экологии, информационного комфорта персонала, непосредственно управляющего соответствующими подвижными объектами.
Необходимость повышения безопасности судоходства на внутренних водных путях (ВВП) Российской Федерации требует постоянного развития и совершенствования технических средств и систем, занятых в процессе. Все более возрастает потребность в обмене информацией между сторонами, связанными с судоходством по ВВП, в частности, обмен информацией, связанной с безопасностью движения, информацией о грузо- и пассажиропотоках. Получателями такой информации выступают не только органы, регулирующие движение судов по ВВП и на акваториях портов, но и множество коммерческих и некоммерческих организаций, занимающихся агентированием судов, экспедированием грузов, бункеровочными и другими операциями. Перед сферой внутреннего водного транспорта сейчас стоит задача связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей определенную совместимость и эффективное взаимодействие[99]. Для решения такой задачи одной из наиболее перспективных и конструктивных, в настоящее время, является триадно-иерархическая инфокоммуникационная технология управления, получившая название «КРИС-РИС-АСУДС». Аналих опыта таких стран как США, Канада, Стран Европейского Союза и других позволяет представить в компактной форме типовые структуры информационных систем управления движением судов на ВВП в соответствии с их иерархией, применительно к каждому конкреному государству или его региону. Для исследования закономерностей такого построения ограничимся, прежде всего, весьма важным случаем водных путей Единой глубоководной системы Европейской части России (ЕГС).
Подобная структуризация КРИС на ЕГС представляется конструктивной с точки зрения ее реализации.
Заметим, что корпоративные Речные информационные системы являются подклассом более широкого класса корпоративных информационных систем, являющихся информационно-управляющими системами четвертого поколения, появившихся в последнее десятилетие. Основной целью таких систем является информационное обеспечение процесса управления.
С точки зрения использования новых инструментальных средств и дальнейшей специализации к четвертому поколению ИУС можно отнести системы со следующими характеристиками: активное использование типовых процедур и функций, выполняемых на уровне СУБД - систем управления базой данных; Рисунок 1.1- Организация зон РИС на внутренних водных путях Европейской части России использование CASE - средств для поддержки программных систем на всех этапах жизненного цикла ЕКР-системы; применение стандартных средств графического пользовательского интерфейса (в том чиле и Web); выделение в подсистемы и типизация аналитических средств поддержки принятия решений по технологии Data Warehouse, OLAP-поддержек, библиотек типовых бизнес-функций для удобства их реорганизации (BRP) в процессе эксплуатации.
Если РИС явились результатом эволюционного развития автоматизированных систем управления, то КРИС - результатом эволюции, начиная с 90-х годов XX века, концепции традиционных автоматизированных систем управления транспортным процессом (АСУ ТП).
Речная Информационная Служба и Речная Автоматизированная Система Управлением Судов
Каждая из указанных на рисунке 1.1 речных информационных служб может иметь типовую структуру, представленную на рисунке 1.2. Здесь обозначен ЦУДС — центр управления движением судов[9].
Термин «Речные Информационные службы (РИС) / River Information Services (RIS)» сформировался в последние годы в нескольких проектах Европейского Союза в качестве обобщающего понятия для любых интегрированных систем связи и информатики, использующихся на ВВП: реках, каналах, озерах и устьевых портах. Концепцией РИС предусматривается гармоничное и системное сочетание служб, обеспечивающих управление движением и транспортом в процессе судоходства на ВВП, включая взаимодействие с узлами других видов транспорта. Заметим, что термину «Речная информационная служба» в международных нормативных документах IMO/IALA соответствует термин «VTMIS» (Vessel Traffic Management and Information Services)[3].
Современные сложные сигналы, их ЧВМ, временные, спектральные и корреляционные свойства
Канал связи АИС организуется в диапазоне ОВЧ/VHF (УКВ) морской подвижной радиослужбы (частота 156,25 - 162,25 МГц, средняя длина волны 1,8 м). Канал связи АИС, включающий передающее устройство, среду распространения радиоволн и приемное устройство, в нормативных документах получил условное название VDL (VHF Data Link — канал передачи данных)[13]. В канале связи АИС используется частотная модуляция с Гауссовской минимизацией сдвига (FM/GMSK - Frequency Modulation/Gaussian Minimum Shift Keying). В упрощенном представлении это означает, что на время передачи одного бита информации, излучаемая частота несколько понижается, если передается «нуль», или несколько повышается, если передается «единица». Кодировка передаваемых символов (букв, цифр и других знаков, из которых формируется сообщение) осуществляется по шести битовому коду ASCII, в котором каждый из 64 возможных символов кодируется последовательной серией из шести «нулей» и «единиц» [74].
Радиоволны в канале связи АИС практически распространяются в пределах видимого горизонта с учетом высоты установки передающей и приемной антенн. Так, в открытом море для двух судов с высотами установки антенн до 20 м дальность действия АИС составляет 20 миль. Дальность действия береговой (базовой) станции АИС с высотой установки антенны 100 м при высоте установки судовых антенн до 20 м лежит в пределах 30 миль. В прибрежных районах радиоволны АИС распространяются не только прямолинейно, но и с учетом эффектов огибания небольших препятствий и отражений от береговых массивов. Потому, работа АИС возможна при отсутствии прямой видимости между приемной и передающей антеннами, например, в архипелагах, извилистых проливах, фиордах или на реках
В целях обеспечения унификации и стандартизации АИС в Международном Регламенте Радиосвязи закреплено для использования в целях АИС два канала: AIS-1 (87В - 161,975 МГц) и AIS-2 (88В - 162,025 МГц) [12], которые должны использоваться повсеместно, за исключением регионов с особым частотным регулированием. В ряде регионов (стран) каналы 87В и 88В традиционно используются другими радиослужбами и их освобождение для работы АИС практически невозможно. В подобных регионах предусматривается использование для работы АИС иных частот (региональных каналов АИС), выделенных для этой цели национальными или международными органами в области радиосвязи. Например, в США для целей АИС выделены канал 88В (международный канал AIS-2) и канал 87А (региональный канал с частотой 157,375 МГц в отличие от международного канала 87В с частотой 162,025 МГц). Региональные каналы АИС могут выделяться с разносом частот между соседними каналами 25 кГц и 12,5 кГц. Соответственно, каналы с разносом частот 12,5 кГц должны иметь более узкую полосу пропускания, которая определяет скорость передачи данных.
Отсюда вытекает необходимость иметь в аппаратуре АИС приемники и передатчик с переключением рабочих частот и обеспечить стандартизованные способы управления частотными каналами АИС с переходом от международных к региональным и обратно. При входе в регион с особыми каналами, судовая станция АИС должна переключиться на региональные каналы, а при выходе из такого региона - на международные каналы или на каналы смежного региона. В целях исключения потери информации при пересечении границ регионов, предусмотрены так называемые транзитные зоны, примыкающие с обеих сторон к границам регионов. При работе в транзитных зонах станция АИС передает поочередно на каналах, принадлежащим разным регионам, одновременно и параллельно принимая информацию на этих каналах.
Управление каналами АИС обеспечивается тремя способами: передачей береговыми станциями АИС специального сообщения, командой с цифровым избирательным вызовом (ЦИВ), передаваемой базовыми станциями морского района А1 ГМССБ, и ручным переключением в судовой аппаратуре.
Работа каждой станции АИС (мобильной или базовой) жестко синхронизирована по всемирному координированному времени (UTC) с погрешностью не более 10 мкс от встроенного приемника ГНСС (синхронизация АИС, используемых в Российской Федерации, осуществляется по сигналам встроенного комбинированного приемника ГНСС ГЛОНАСС/GPS). В случае отказа встроенного приемника ГНСС используются резервные варианты синхронизации по сигналам других станций АИС, обычно - базовых. Для передачи информации используются непрерывно повторяющиеся кадры длительностью 1 минута, которые разбиваются на 2250 слотов (временных интервалов) длительностью по 26,67 мс[99].
Работа станций АИС на двух частотных каналах (международных или региональных) позволяет повысить надежность канала связи АИС и увеличить его пропускную способность. Передатчик каждой станции АИС излучает поочередно на обеих частотах, а два приемника параллельно принимают и суммируют сообщения других станций на обеих частотах. Таким образом, обеспечивается возможность передачи за 1 минуту 4500 наиболее коротких сообщений, занимающих 1 слот. Некоторые виды сообщений могут занимать несколько последовательных слотов - от 2 до 5.
Скорость передачи цифровой информации в канале АИС выбрана 9600 бит/с, что обусловлено использованием как широкополосных международных каналов (с разносом частот между каналами 25 кГц), так и узкополосных каналов, выделяемых на региональной основе (с разносом частот 12,5 кГц). В принципе, если бы в АИС использовались только широкополосные каналы с разносом частот 25 кГц, скорость передачи информации и потенциальная пропускная способность системы могла быть вдвое выше. Тем не менее, выбранная скорость передачи заметно выше, чем при передаче информации по протоколу ЦИВ (1200 бит/с), и достаточна для обмена информацией. Принцип передачи данных в слотах канала АИС поясняется на рисунке 2.1 [12].
Зависимость радиуса зоны действия базовой станции автоматизированной идентификационной системы от основных параметров радиоканала и взаимных помех
В данном разделе приведены алгоритмы расчета помехоустойчивости информационных каналов АИС при использовании сложных сигналов в условиях воздействия взаимных помех. Проведенный анализ зависимости Rcpt при передаче цифровых сообщений АИС достаточно полно описывает тенденции и количественный характер проведения оптимального радиуса зоны действия береговой базовой станции АИС при изменении важнейших параметров радиоканала, а также при воздействии взаимных помех.
Важным выводом, имеющим экономические последствия при проектировании и строительстве базовых станций АИС, является довольно умеренная зависимость Rpt от мощности передатчиков и высоты антенн, но весьма высокая зависимость от наличия источников помех.
В результате исследования комплекса задач по анализу электромагнитной защищенности автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех установлены следующие научные положения:
На основе анализа организации информационных радиоканалов в АИС и особенностей структуры и передачи цифровых сообщений в системах классов АИС-1 и АИС-2 определена структурно-логическая и аналитическая статистическая модель АИС, учитывающая особенности передаваемых сигналов и комплекс одновременно воздействующих мультипликативных и аддитивных помех, включающих флюктуационные шумы и широкий класс сосредоточенных по спектру помех, среди которых значительную часть составляют взаимные помехи одновременно работающих радиосредств, а также различного рода внеполосные, промышленные излучения и весьма серьезный вид - преднамеренные помехи.
Предложенная модель, с одной стороны, учитывает вероятностные особенности в информационных каналах АИС основных групп факторов, влияющих на верность передачи сообщений на трассе «судовой транспондер-базовая станция», таких как: распространения УКВ радиоволн с учетом технико эксплуатационных параметров приемо-передающих трактов аппаратуры; изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией и судовым транспондером; процесса перемещения судового транспондера относительно БС.
Для информационного канала «судовой транспондер-базовая станция» исследованы возможности четырех параметрических моделей: Бекмана, Релея-Райса, Релея и модели канала с постоянными параметрами. Для условий АИС обоснован выбор последних двух.
Влияние заграждающего рельефа исследовано для трех моделей нормального закона (в том числе усеченного), показательного закона и равномерно заграждающего рельефа. Применительно к регионам РИС Волго-Балта и Волго-Дона наиболее характерны два первых из них.
Влияние перемещения судового транспондера относительно базовой станции АИС предложено отразить равномерным, релеевским и максвелловским законами плотности вероятности коэффициентов передачи сигналов. Первые два из них наиболее характерны для РИС на ЕГС Европейской части России.
С другой стороны, для описания свойств взаимных помех предложено использовать серьезно зарекомендовавшую себя в научно-технической литературе весьма конструктивную модель квазидетерминированных случайных процессов, которая, во-первых, позволяет описать достаточно эффективно статистические свойства таких помех, а, во-вторых, позволяет сформулировать количественные показатели различия в частотно-временной области полезных сигналов и взаимных помех в виде коэффициент взаимного различия.
Сформулированная статистическая модель, как это подтверждается исследованиями весьма конструктивна для решения задач анализа и синтеза АИС по таким показателям как помехоустойчивость и функциональная устойчивость в условиях воздействия взаимных помех.
Для решения задач анализа предложены методы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций автоматизированных идентификационных систем при воздействии комплекса мультипликативных и аддитивных, в том числе взаимных помех.
С помощью указанного аналитического инструментария решены задачи: потенциально достижимых размеров зон действия базовых станций для цифровых сигналов с ЧМ и флюктуационными шумами; исследовано влияние заграждающего рельефа и случайного перемещения судового транспондера на потенциальные размеры зон; проанализирована помехоусточивость информационных каналов АИС в условиях комплекса статистических факторов, в том числе сосредоточенных помех. Показана количественная эффективность воздействия взаимных помех на информационные каналы АИС. Исследовано влияние сосредоточенных по спектру помех, таких как взаимные помехи, помехи по побочным каналам приема, моногармонические помехи, ретранслированные ЧМ передачам, помехи на помехоустойчивость и радиус зоны действия базовой станции АИС. Проанализированы зависимости радиуса зоны действия последней от основных параметров радиоканала (отсутствия или наличия замирания, мощности полезного сигнала, высот антенн БС и транспондера и др.) и взаимных помех (удаления источника помехи от базовой станции, энергетического потенциала помехи, коэффициентов взаимного различия сигналов и взаимных помех и др.).
Исследование возможностей и способов построения некогерентных адаптивных транспондеров
Для повышения функциональной устойчивости в условиях комплексного воздействия шумов и сосредоточенных по спектру помех наиболее простым, по-видимому, решением является отказ от гауссовской частотной модуляции для каждого из двоичных цифровых вариантов сигналов и переход к ситуации, когда каждый вариант цифрового сигнала Zrft) г=1;2, формируется из двух каких-либо колебаний сигнала двойной частотной телеграфии (ДЧТ). Если для z}(t) использованы первые два, а для z2(t) - вторые два колебания, то передаваемые варианты ЧТ сигнала таковы:
На рисунке 4.7 представлена схема некогерентного транспондера таких сигналов, построенного по принципу единой реализации адаптивного согласованного фильтра в виде адаптивного многополюсного согласованного фильтра - АМСФ[33, 92]. OJ,
Этот фильтр одновременно выполняет функции и коррелятора (когерентного) и БКСП. Он включает многополюсный согласованный фильтр (МСФ), ключевые схемы Клі...Кл2, схемы измерения (СИ) интенсивности сосредоточенных помех на отводах МСФ, т. е. значения gQr, блоки управления (БУ) блоками взвешивания (БВ), сумматоры. В свою очередь БВК, помимо СИ, включает две схемы сравнения СС на выходе ключевых схем Кл5, Клб, блок опорных напряжений (БОН), хранящий информацию о и схему выработки команд (СВК), детекторы (Д) выходных напряжений в ветвях обработки обоих вариантов сигнала.
В определенные моменты от передатчика поступает сигнал команды на переключение транспондера в режим «Анализ». К тому времени он находится в режиме «Работа». Принятый сигнал проходит с МСФ через Клі...Кл4, соответствующие блоки взвешивания на сумматоры, с выходов сумматоров через ключи Кл5, Кл6, детекторы и СС и поступает на СВК, которая создает на выходе напряжение, переводящее транспондеры с помощью ключей Клі...Кл6 в режим «Анализ». В этом режиме к выходам
МОФ через Клі...Кл4 подключаются СИ g\r. Выходы СИ через БУ соединены с БВ, в которых в соответствии с результатами измерений изменяются коэффициенты передачи. Известно, что коэффициенты передачи БВ должны быть обратно пропорциональны уровням сосредоточенных помех в соответствующих отводах МСФ, т. е. на частотах a cpi...cocp4- Одновременно выходные напряжения поступают на сумматоры и через ключи Кл5, Кл6 на СС, где они сравниваются с допустимыми уровнями из БОН. Если уровень помех на обеих частотах превышает допустимый, то от СВК к передатчику поступает команда на перестройку СУСРІ,2 или а)срз,4- Одновременно должны быть перестроены и номиналы частот настройки соответствующих рабочих и защитных ветвей МСФ. После этого операции измерения уровней сосредоточенных помех, регулировки коэффициентов передачи БВ, а также оценивания уровней помех в схемах сравнения БВК повторяются. По истечении времени регулировки транспондер автоматически переводится выходным напряжением СВК в режим «Работа», в котором принимаемые сигналы через ключи Клі...Кл4, БВ, сумматоры, ключи Кл5, Кл6 поступают к Д, а затем на СС. С выхода СС решение о принятом варианте сигнала поступает по назначению (например, в декодер). Расчеты показывают, что рассмотренный транспондер на один-два порядка улучшает верность приема в условиях сосредоточенных помех по сравнению с обычным транспондером ЧТ сигналов. 4.4.2 Адаптивный некогерентный транспондер с последовательными сложными сигналами
Дальнейшее повышение помехоустойчивости и функциональной устойчивости может быть получено на основе применения для передачи каждого из двоичных цифровых вариантов сигналов последовательных сложных сигналов в виде дискретно-частотно-манипулированного их варианта. Применяемые в этих системах сигналы
В качестве составляющих zri(t), гє{1,2,...,М}, для повышения помехоустойчивости транспондеров используют сложные сигналы параллельной, последовательной или последовательно-параллельной структуры, а обработка zr(t) в транспондере осуществляется по ветвям для каждой составляющей раздельно с последующим некогерентным сложением выходных напряжений ветвей. Особенно удобна такая обработка при использовании АСФ. Можно показать, что при составляющих равной энергии каноническая структурная схема транспондера принимает вид, ппредставленный на рисунке 4.8, где показан тракт обработки r-го варианта сигнала. Для других вариантов она идентична.
Характерной особенностью транспондера является раздельное для каждой ветви обработки оценивание помеховой обстановки в БВК и возможность изменения как фазового и (или) манипуляционного кода так и несущей частоты сосргі є { cocprj J _ для каждой составляющей zri(t). При перестройке cocpri имеет место адаптивная ППРЧ (программная перестройка рабочей частоты), ставшая популярной в последние годы. Необходимо подчеркнуть, что в рассматриваемом случае речь идет о достаточно полезной адаптивной, но не случайной ППРЧ. Применимость последней в каналах с сосредоточенными помехами может оказаться сомнительной.
При появлении сосредоточенных помех в любой ветви обработки либо во всех М ветвях (обычно М=3...5) в БИЧ измеряются несущие частоты и подается напряжение, содержащее информацию об обоих значениях, по которым БУ изменяет значения d% єшЩ , т. е. начальные фазы в блоках фазо-вращателей пораженной ветви, и передает сигнал о фазовом коде в шифратор ШК. Шифратор формирует соответствующий командный сигнал, который с выхода поступает в передатчик (на базовой станции) для соответствующего изменения наборов начальных фаз zri(t). При отсутствии в памяти БУ необходимых для подавления сосредоточенной помехи фазовых (манипуляционных) кодов этот блок формирует сигнал на перестройку несущей частоты составляющей cocpri, обеспечивая тем самым адаптивную ППРЧ[96, 89, 83].
В данном разделе представлены научно обоснованные рекомендации по стратегии использования сложных сигналов в речных АИС.
Сложный сигнал из-за своих автокорреляционных свойств, может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна полосе F. В силу этого открываются определенные перспективы эффективной борьбы с многолучевым характером распространения радиоволн в каналах связи, например таких, как KB каналы. Действительно, выбирая полосу F такой, чтобы длительность свернутого импульса была меньше времени запаздывания соседних лучей, можно осуществить раздельный прием одного или ряда запаздывающих лучей, а суммируя их энергию, повысить верность приема. Прием сложных сигналов осуществляется методами селекции по их форме в частотно-временной области. Это позволяет более рационально использовать отводимые радиосредствам диапазоны частот, эффективно решать при демодуляции вопросы борьбы с взаимными помехами радиосредств, значительную долю среди которых составляют сосредоточенные по спектру помехи, а также с различными импульсными помехами естественного и промышленного происхождения. Хорошие автокорреляционные свойства сложных сигналов позволяют более эффективно решать вопросы синхронизации работы передающих и приемных устройств линий связи, особенно в условиях воздействия сосредоточенных и импульсных помех.
