автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему: Методологические основы построения помехоустойчивой речной дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАСС/GPS

Автореферат диссертации по теме "Методологические основы построения помехоустойчивой речной дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАСС/GPS"

На правах рукописи

ШАХНОВ Сергей Федорович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЙ РЕЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ГНСС ГЛОНАСС/СРБ

Специальность: 05.12.14 - радиолокация и радионавигации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флот имени адмирала С.О. Макарова» на кафедре «Инфокоммуникационные системы морского и речного флота»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Сикарев Александр Александрович

Официальные оппоненты: Привалов Андрей Андреевич,

доктор военных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I», профессор

Татарникова Татьяна Михайловна,

доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», профессор

Хохлов Николай Степанович,

доктор технических наук, профессор, ФГКОУ ВПО «Воронежский институт министерства внутренних дел Российской Федерации», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский

политехнический университет Пегра Великого».

Защита диссертации состоится 10 ноября 2015 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.06 при ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд.257.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»:

http://www.gumrr.ru/naudejal_dissov_zd22300906.html Автореферат разослан « (-¿^ЛЛ. 2015 г.

диссертационного совета в.В. Каретников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Повышение уровня безопасности плавания при навигации на внутренних водных путях (ВВП) России в настоящее время является одной из важнейших задач, стоящих перед внутренним водным транспортом. Для информационного и технического обеспечения этой задачи н настоящее время на ВВП России разворачивается корпоративная речная информационная система (КРИС) и ее подсистемы: речные информационные службы (РИС) и автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС). Необходимым условием их эффективного функционирования является наличие сплошного высокоточного радионавигационного поля, которое на ВВП России обеспечивается сопряжением радионавигационного поля, создаваемого глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС) ГЛОНАССЛЗРЗ, с комплексным полем дифференциальной поправки (ДП).

Расчет топологии поля дифференциальных поправок, создаваемых дифференциальными подсистемами ГНСС ГЛОНАС'С/СР8, без учета влияния взаимных, а также индустриальных помех, характерных при плавании на ВВП, может привести к потере целостности сплошного поля ДП. В связи с этим возникает необходимость создания методов и алгоритмов анализа помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем и методов повышения их устойчивости к помехам.

Степень разработанности. Основы теории помехоустойчивости заложены и развиты в фундаментальных трудах многих выдающихся отечественных и зарубежных ученых, таких как В. А. Котельников, Л. М. Финк, А. А. Харкевич, Л. К. Варакин, Д. В. Агеев (теория потенциальной помехоустойчивости); Ф. Ланге (корреляционный анализ); Д. Мидцлтон, Ю. Н. Бабанов (статистическая теория помехоустойчивости); Р. Л. Стратанович, В. И. Тихонов (использование аппарата марковских процессов) и других. Наиболее полно в этих работах исследовано влияние шумоподобных помех. Для учета влияния взаимных и индустриальных сосредоточенных помех наиболее конструктивным представляется подход, предложенный в трудах А. А. Сикарева, на теоретических положениях которого и базируется данное исследование.

Целью диссертационной работы является решение проблемы повышения уровня безопасности плавания на ВВП. Заявленная цель достигается путем решения следующего круга задач: анализа структуры взаимных помех при различных видах кодирования и модуляции; исследования характера, параметров и уровней индустриальных помех, присутствующих на ВВП; анализа параметров подстилающей поверхности и их влияния на структуру поля ДП; учета влияния взаимных и индустриальных помех на целостность поля ДП; разработки методов исследования помехозащищенности и устойчивости радиоканалов диффе-

ренциальных подсистем; разработки стратегии повышения помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальных подсистем.

Методология построения помехоустойчивых дифференциальных подсистем базируется на исследовании коэффициента взаимного различия (КВР) ква-зидетерминированных сигналов и помех в частотно-временной области с учетом их мощности на входе приемника, а также на оценке вероятности ошибки поэлементного приема цифровою сообщения в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

Научная новизна диссертации заключается в решении актуальной научной проблемы по созданию методов расчета помехозащищенности и устойчивости радиолиний речных локальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ. Впервые предложен метод, позволяющий количественно оценить помехозащищенность радиоканалов контрольно-корректирующих станций (ККС) ЛДПС при воздействии на них индустриальных помех.

Также разработан метод оценки помехозащищенности радиоканалов базовых станций автоматизированной идентификационной системы (БС АИС) при использовании их для передачи дифференциальной поправки.

Предложен метод количественной оценки помехозащищенности радиоканалов ЛДПС при воздействии на них нескольких взаимных помех, а также метод количественной оценки помехозащищенности данных радиоканалов при совместном воздействии взаимной и индустриальной помехи.

В работе также получены научно-обоснованные предложения по повышению помехозащищенности и устойчивости радиоканалов ЛДПС.

Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории формирования сплошных высокоточных нолей ДП ГНСС ГЛ01 (АСС/ОРЯ с учетом взаимных и индустриальных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению дальности передачи корректирующей информации в радиоканалах, подверженных воздействию взаимных и индустриальных помех. Совокупность разработанных теоретических положений представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, прямо связанное с обеспечением безопасности судоходства на ВВП России, повышением качества мониторинга и управления транспортным процессом.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в разработке на базе теоретических исследований инженерных приложений и программного обеспечения, создании инструментария, предназначенных для учета влияния взаимных и индустриальных помех при создании и мониторинге высокоточных радионавигационных полей ДП в структурах ЛДПС.

Реализация результатов работы. Прикладные результаты проведенных исследований, вошедшие в соответствующие отчеты по НИР, выполненных в

рамках Федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 — 2020 годы», успению внедрены при разработке и создании ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ, формирующих высокоточное радионавигационное поле в бассейнах Волги, Оби, Иртыша, Енисея и Амура, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Научные положения, выносимые на защиту: 1 Концепция построения высокоэффективной ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ОР8, обеспечивающей целостное высокоточное поле дифференциальной поправки.

2. Методология оценки помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАССЛЗРЗ.

3. Вероятностные модели и алгоритмы расчета помехозащищенности радиоканалов речных ККС СВ/ДВ диапазона и БС АИС УКВ диапазона в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

4. Научно-обоснованные предложения по изменению топологии комплексных функционально-устойчивых речных локальных дифференциальных подсистем на ВВП России с использованием алгоритмов расчета помехозащищенности радиоканалов в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

5. Стратегия использования сложных сигналов для повышения помехозащищенности и устойчивости радиоканалов дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/СРБ.

Достоверность сформулированных научных положений подтверждается: системностью исследования и решения поставленных проблем и задач; использованием апробированного общенаучного математического аппарата, специальных, формальных и неформальных методов; выбором корректных, полных и объективных исходных данных; проведением сопоставительного анализа результатов программно-компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных систем передачи корректирующей информации СВ/ДВ и УКВ диапазона; корректностью и достаточным совпадением результатов теоретических расчетов с данными, полученными в ходе многолетних экспериментальных исследований и сопоставимостью этих результатов с данными, опубликованными известным учеными и специалистами в данной предметной области.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: IX международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 28-29.12.2014); международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (Москва, 30.12.2014); международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке и образовании» (Москва, 25-28.02. 2015) а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры инфокоммуника-

ционных систем Морскою и Речного флота Государственного университета Морского и Речного флота имени адмирала С.О. Макарова в 2010-2015 годах.

Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 22-х научно-технических изданиях, в том числе в трех монографиях, в 15-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в статьях и тезисах докладов Международных и Российских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, приложение и состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения, содержит 287 страниц текста, в том числе 106 рисунков, 72 таблицы. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 138 наименований.

В первом разделе в соответствие с первым пунктом, выносимым на защиту, представлена концепция построения и функционирования речных дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/СРБ, их роль и место в разворачиваемой в настоящее время на ВВП России иерархической триады: КРИС -РИС - АСУ ДС. Выявлено, что важнейшим условием успешного функционирования АСУ ДС, обеспечивающим решение задачи повышения безопасности плавания на ВВП при инструментальном режиме проводки судов, является создание сплошного высокоточного радионавигационного поля ГНСС ГЛОНАСС/ОРБ. Данная задача решается путем сопряжения радионавигационного поля ГНСС с полем ДП ее дифференциальной подсистемы. Установлено, что только использование дифференциального режима позволяет обеспечить метровую точность позиционирования (1н-5 м), необходимую при плавании в речных условиях.

Концептуальные исследования базировались на системном подходе. Необходимость концептуального исследования обусловлена потребностью в описании основных свойств проектируемой подсистемы. Проведенный анализ показал, что заявленная в работе цель - повышение безопасности судоходства обеспечивается на уровне АСУ ДС, по отношению к которой КРИС является метасистемой. При этом возникает необходимость в выделении системы (АСУ ДС), в которую входит дифференциальная подсистема, из метасистемы (КРИС) с обоснованием ее облика и свойств, определяющих потенциальную эффективность при достижении глобальной цели создания системы.

При проведении теоретических исследований, направленных на повышение эффективности функционирования систем, по характеру решаемых задач последние подразделяются на три класса (рисунок 1). Синтез речных дифференциальных подсистем на ВВП относится ко второму классу задач, для решения которых производилась выработка вариантов построения системы, в

Рисунок 1. Классификация задач повышения эффективности функционирования информационных систем которой поставленная цель достигается при минимуме погребных ресурсов. В нашем случае под ресурсом подразумевается мощность и количество передатчиков, необходимый частотный диапазон, численность и квалификация обслуживающего персонала и т. д.

Выявлено, что среди факторов, определяющих условия функционирования системы, при проектировании речных дифференциальных подсистем на ВВП наибольшее значение имеют состояние и возможности инфраструктуры (наличие населенных пунктов, дорог), обеспеченность квалифицированной рабочей силой и ограничения по использованию частотного ресурса.

Концептуальные исследования осуществлялись на чрех уровнях. На агре-гативном уровне рассматривались структура и функции дифференциальной подсистемы. Здесь на уровне «структура - функции» исследовались операции по передаче контрольно-корректирующей информации по радиоканалам ККС -судно, БС АИС - судно. На системном уровне анализировались организация и поведение АСУ ДС и оценивалась ее эффективность при различных вариантах построения дифференциальной подсистемы. Наконец, на метасистемном уровне производилось согласование поведение системы с целями деятельности метасистемы.

Проанализированы основные технологии высокоточного позиционирования, строящиеся на базе ГНСС ГЛОНАСС/GPS, исследованы структура и параметры сигналов, используемых в их радиоканалах, а также рассмотрены варианты их широкозональпых, региональных и локальных дифференциальных подсистем, используемых в ведущих странах Америки и Европы. Проведенный анализ и обобщение мирового и отечественного опыта по созданию дифференциальных подсистем показал, что из трех вариантов их структурирования наиболее эффективным для ВВП России является вариант использования ЛДПС.

Установлено, что но способу определения поправки для ВВП России наиболее эффективен самый простой в реализации режим с коррекцией координат. Хотя дальность его действия ограничена зоной, в которой пользователь (судно) и ККС используют одно созвездие навигационных космических аппаратов (НКА) ГНСС, но как показали исследования, размер этой зоны для большинства регионов ВВП России вполне сопоставим с дальностью действия ККС в СВ диапазоне частот.

Локальные дифференциальные подсистемы строятся на базе одной ККС, работающей в СВ/ДВ диапазоне. Типовая структурная схема речной ЛДПС изображена на рисунке 2.

Как видно из рисунка, ЛДПС имеет три радиоканала. Информационный канал НКА - судно, предназначенный для передачи параметров, необходимых для вычисления в НАП координат судна. Информационный канал НКА - ККС, служащий для передачи параметров, необходимых для определения ДП. Канал передачи ДП в направлении ККС - судно. Кроме того, в результате исследования способов передачи корректирующей информации в ЛДПС была выявлена возможность комплексирования высокоточного поля ДП посредством использования для этих целей БС АИС.

Для передачи ДП в информационном канале ККС - судно выбран диапазон частот морской радиомаячной службы (283.5 ^ 325.0 кГц), а для канала БС - судно используются стандартные международные каналы (161.975 МГц и 162.025 МГц).

Исследованы особенности распространения радиоволн СВ диапазона, а также влияние электрических параметров подстилающей поверхности для различных видов почв на ВВП России на функцию ослабления и'(7?Л входящую в выражение для напряженности поля сигнала Е(Я), определяемую формулой

где Р - мощность передатчика в кВт; Я - расстояние от источника сиг нала в км.

Установлено, что для излучения на границе СВ/ДВ-диапазонов, на расстояниях, при которых допустима аппроксимация сферической поверхности плоской, большинство влажных и средне влажных почв без большой потери точности можно рассматривать как идеально проводящие и функцию ослабления при вычислении напряженности поля ДП принимать равной единице.

Также установлено, что для всех видов почв, характерных для ВВП России, дальность действия ККС лежит в пределах 200 ■*■ 400 км. Причем нижняя граница соответствует сухим почвам, характерным для среднего и нижнего течения Волги, а верхняя - прибрежным и устьевым акваториям, а также болоти-

стым почвам, преобладающим в среднем и нижнем течении рек Сибири и Дальнего Востока.

Выявлено, что значительная дальность действия ККС в СВ диапазоне частот, даже с учетом большой протяженности ЕГС Европейской части России и рек Сибири и Дальнего Востока, делает экономически обоснованным использование цепочек ККС ЛДГ1С с перекрытием зон их действия, что позволяет обеспечить сплошное поле ДГ1.

Для вышеуказанных дальностей при расчете функции ослабления обоснован выбор уравнения Хаффорда для сферической поверхности вида

imA, v) = i + ij^^jim ч) ö)ctQ, (2)

где 5 - импеданс радиотрассы, определяемый выражением 8 = е" 5; в - комплексная диэлектрическая проницаемость; Эд - сферический угол между передатчиком и приемником; 9 - сферический угол между передатчиком и текущей точкой интегрирования; а - радиус Земли.

Исследовано влияние ионосферы на распространение радиоволн на границе СВ/ДВ диапазонов. Выявлено, что ионосферные замирания в зонах действия ККС речных ЛДПС будут отсутствовать, а многолучевость определяется только тропосферной рефракцией.

Изучены виды и характеристики помех, воздействующих на радиоканалы различных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS. Установлено, что основными видами помех, воздействующих на радиоканалы речных ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/ GPS, являются квазидетерминированные взаимные помехи от соседних ККС, импульсные (индустриальные) помехи и флуктуационные помехи, представляемые в виде гауссового белого шума.

Во втором разделе в соответствие со вторым пунктом, выносимым на защиту, обобщен мировой и отечественный опыт исследования влияния помех на радиолинии и сформулирована методология оценки помехозащищенности радиоканалов речной ЛДПС, базирующаяся на комплексе принципов, подходов и методов, развитых в научной школе профессора A.A. Сикарева. В свою очередь, данные принципы и методы опираются на положения теории потенциальной помехоустойчивости, теории оптимального приема, статистической теории помехоустойчивости и корреляционного анализа, развитых в трудах В.А. Ко-тельникова, Л.М. Финка, Ф. Вудворта, Д. Миддлтона, Л.К. Варакина, Д.В. Агеева и многих других.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время вышеназванные теории развиты достаточно полно и позволяют успешно решать задачи устойчивого выделения полезного сигнала на фоне флуктуационных помех и помех, аппроксимированных гауссовым шумом, при их представлении в виде случайных процессов, описываемых статистическими параметрами.

При исследовании детерминированных и квазидетермпнированных процессов, к которым относятся, в частности, взаимные помехи, возникающие при работе ККС речных ЛДПС', предложена методология, определяющаяся сочетанием основных оптимизационных принципов статистической теории связи и аппроксимацией сосредоточенных помех квазидетерминированными процессами, что позволяет одновременно учитывать влияние вероятностных характеристик, а также структуру и интенсивность применяемых полезных сигналов и воздействующих сосредоточенных помех. При зтом исследуется коэффициент взаимного различия (КВР) сигнала и помехи, определяющий относительную величину перекрытия сигнала и помехи в частотно-временной области.

В соответствие с подходами, принятыми в научно-технической литературе, КВР сигнала и помехи, определяющий относительную величину перекрытия сигнала и помехи в частотно-временной области, в общем случае определяется выражением

где 2пк(1) - структуры /-ого варианта сигнала и ¿/-й сосредоточенной помехи; 2ПД/) - функция, сопряженная с 5„Д/) по Гильберту; Кп - нормирующий множитель.

Нормирующий множитель Л() определяется из условия нормировки

где цл, (1„< - амплитудные коэффициенты передачи сигнала и сосредоточенной помехи соответственно; Р,- мощность сигнала; Т- длительность посылки.

Тогда КВР сигнала и сосредоточенной помехи в канале с белым шумом можно представить в виде

здесь ¡^ - нормированный КВР, не зависящий от мощности сигнала и помехи и изменяющийся в пределах 0 < < 1; Иг, А,,*. энергетика сигнала и помехи

соответственно, определяемая выражением

где V" - спектральная плотность белого шума, которым аппроксимируется флуктуационная помеха.

Коэффициент взаимного различия в данном случае не имеет статистического смысла, но позволяет рассматривать как совершенно различные по своей структуре сигналы и помехи, так и случаи, когда помеха является точной копией сигнала, отличаясь ог него только сдвигом по времени или по частоте.

Таким образом, понятие коэффициента взаимного различия в указанном выше смысле позволяет уже па этане проектирования учесть взаимное влияние ККС и оптимизировать структуры используемых сигналов. При этом предполагается, что помехи