Исследование влияния электромагнитной защищённости информационных каналов широкозонных дифференциальных подсистем на точность мониторинга и управления движением судов

Актуальность проблемы.

Многолетний анализ аварий судов мирового морского флота вместимостью более 3 тыс.рег.т говорит о том, что преобладают чисто навигационные виды аварийности: посадка на мель и столкновение. По этой причине вопросы навигационной безопасности мореплавания являются важнейшим требованием к эксплуатации судов, а также самыми актуальными.

Главными видами аварийности (в процентах) являются посадка на мель — 35%, столкновение судов — 21%, пожар — 20%, авария двигателя (главного) — 11%, повреждение корпуса (затопление) — 8%, а также другие виды аварий — 5% [10]. В основном, большинство навигационных аварий связано с техническими проблемами, а также с точностью и надежностью определения положения судов.

Как известно, погрешность определения местоположения спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS/TJIOHACC при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме не превышает, соответственно, 100 м и 45 м. Практически, такая погрешность удовлетворяет требованиям к навигационному обеспечению судов в части точности, доступности и рабочей зоны при плавании в открытом море.

Наиболее рациональным путем устранения указанных недостатков и улучшения основных характеристик систем GPS и ГЛОНАСС, необходимых для расширения их функциональных возможностей, является применение дифференциального режима (ДР) этих систем, что позволяет добиться повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения в рабочих зонах дифференциальных подсистем (ДПС) спутниковой навигационной системы (СНС).

В настоящее время наиболее перспективным средством обеспечения безопасности мореплавания на морях, в прибрежных водах, в узкостях, а также на внутренних водных путях (ВВП) признаны дифференциальные подсистемы глобальных спутниковых навигационных систем (ГСНС).

В мире созданы следующие широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС): Американская WAAS (Wide Area Augmentation System), Европейская EGNOS (.European Geostationary Navigation Overlay Services) и Японская MSAS {Multi-functional Satellite Augmentation System). Система ШДПС, комбинированная с элементами GNSS (Global Navigation Satellite System) и безотказным приемником GNSS, дополняет основные орбитальные группировки GPS и/или FJIOHACC, повышая точность, целостность, непрерывность и эксплуатационную готовность навигационного обеспечения в пределах большой зоны действия. С другой стороны, в случае нарушения и сбоев в работе ШДПС, которые могут произойти из-за воздействия помех, а также из-за увеличения энергетических потерь при распространении радиоволн в свободном пространстве, требуемая точность местоопределения судов не обеспечивается. Это приводит к снижению безопасности мореплавания, увеличению риска появления аварийной ситуации.

Очевидно, что точность обсервации судна не только зависит от вероятности безопасного плавания, но и в большой степени связана с качеством сигнала и с информационным каналом в радиолинии ШДПС, его электромагнитной защищённостью. Электромагнитная защищённость информационных каналов (ЭМЗИК) от радиопомех представляет собой одну из важнейших проблем, возникающих как при разработке, так и при использовании радиоэлектронных средств в системах радиосвязи, радионавигации, радиолокации.

Таким образом, выбор в качестве критериев оценки точности обсервации судна не только вероятности безопасного плавания, но и коэффициента электромагнитной защищённости радиолиний дифференциальных поправок совершенно справедлив, т.к. указанные критерии более полно отражают навигационную обстановку.

Цель работы и задачи исследования.

Цель исследования состоит в повышении точности обсервации судна и безопасности мореплавания на основе разработки методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих комплексную оценку качества информационных каналов ШДПС, способствующую улучшению их электромагнитной защищённости за счёт минимизации площади поля поражения сигнала (IIIU1C) и максимизации коэффициента ЭМЗИК (Кэмз).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проанализировать принципы построения, функционирования и обшую структуру ШДПС, которые включают в себя Американскую WAAS, Европейскую EGNOS и Японскую MSAS, а также предпосылки использования ШДПС для совершенствования радионавигационного обеспечения.

2. Использовать новые критерии оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС — поле поражения сигнала и коэффициент ЭМЗИК (Кэмз).

3. Выполнить анализ помехозащищённости (ПЗ), электромагнитной совместимости (ЭМС), электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС и разработать имитационную модель ЭМЗИК ШДПС при воздействии сосредоточенных помех.

4. Разработать методику оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на время восстановления их нормального функционированния.

5. Разработать методику оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна.

Объект исследования. В работе исследуется электромагнитная защищённость информационных каналов ШДПС, а также её влияние на точность обсервации судна.

Предмет исследования.

Предмет исследования составляют технологические процессы электромагнитной защиты информационных каналов ШДПС, их взаимосвязь с навигационным обеспечением судов при воздействии помех.

Методы исследования.

Методологической основой исследования являются системология, теория сигналов, теория оценок, теория алгоритмов, принципы системного анализа, теория систем массового обслуживания, теория управления и принятия решений, теория радиосвязи, теория математического и имитационного моделирования, математическая теория надежности.

Основные результаты. В работе получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:

1. Анализ принципов построения, функционирования и общей структуры широкозонных дифференциальных подсистем, а также их эффективности и предпосылок использования.

2. Использование новых критериев оценки качества сигналов и информационных каналов ШДПС — поля поражения сигнала и коэффициента ЭМЗИК (Кэш).

3. Имитационная модель ЭМЗИК систем ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех.

4. Методика прогнозирования времени восстановления нормального функционирования радиолиний ШДПС.

5. Методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на точность обсервации судна.

Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы состоит в использовании её результатов в совершенствовании радионавигационного обеспечения России, в том числе широкозонных дифференциальных подсистем, а также в учебном процессе кафедры при подготовке специалистов по специальности 180 402.65 «Судовождение на морских путях».

Результаты работы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций (СПГУВК) и Вьетнамского морского университета, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Полученные результаты докладывались на:

• межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России. «Водный транспорт России: история и современность» (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 2009).

• Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России. «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 2009).

• научных семинарах кафедры.

Публикация результатов работы.

По теме диссертации опубликованы 09 научных статей, дветсз статей опубликованы в издании Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырёх слав с основными выводами, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объём работы составляет 169 страниц, в том числе 136 страниц основного текста, 41 рисунка, 23 таблицы, список используемых источников из 101 наименований и 3 приложения.

Выводы по главе 4.

1. В работе разработанна имитационная модель электромагнитной защищенности информационных каналов, включающей системы ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех. Процесс исследования доказал, что имитационная модель электромагнитной защищенности информационных каналов ШДПС, обеспечивающих дифференциальный режим, повышающий точность местоопределения судов, является наиболее перспективной.

2. Решена задача прогноза времени восстановления радиолинии в системе ШДПС в зависимости от коэффицента ЭМЗИК (Кэмз), а также показал, что для уменьшения времени восстановления радиолинии в системе ШДПС надо увеличивать коэффициент ЭМЗИК (Кэмз), т. е. не только обеспечить электромагнитную совместимость радиолиний, но и повысить точность обсервации судна, а также эффективность безопасности мореплавания.

3. Точность обсервации судна зависит не только от навигационной безопасности мореплавания, но и электромагнитной защищенности линий передачи дифференциальных поправок, выражаемой коэффициентом Кэмз. В диссертации, с одной стороны, рассмотрен целесообразный выбор критериев для оценки взаимосвязи электромагнитной защищенности информационных каналов ШДПС и навигационной безопасности мореплавания, а с дргой стороны, на основании этого выбора критериев разработана методика оценки влияния ЭМЗИК ШДПС на точность обсервации судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи повышения точности обсервации судна на основе использования новых критериев оценки качества сигналов и информационных каналов в ШДПС и взаимосвязи их с навигационной безопасностью мореплавания, а также разработки имитационной модели электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС в условиях воздействия помех. В результате исследований получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ условий использования дифференциального режима СРНС GPS/ГЛОНАСС. При этом показаны достоинства и недостатки каждого дифференциального метода, а также пути реализации дифференциального режима в широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистемах. Проведенный анализ особенностей подсистем ШДПС (WAAS, EGNOS и MSAS) показал, что в основном, принципы построения, функционирования и структурная организация этих подсистем почти одинаковы. Основное различие между видами ШДПС заключается в зоне охвата и действия, а также в обеспечении различных значений среднеквадратической погрешности при местоопределении судна.

2. Обосновано использование новых, конструктивных критериев оценки качества сигналов и информационных каналов в ШДПС — поля поражения сигнала и коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов (Кэмз). При этом показаны методы улучшения электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС.

3. Предложена имитационная модель ЭМЗИК, включающая информационные каналы системы ГЛОНАСС и ИНМАРСАТ в условиях воздействия помех.

4. Разработана методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на время восстановления их нормального функционирования. Иначе говоря, решена задача прогноза времени восстановления радиолинии в системе ШДПС в зависимости от коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов (Кэмз).

5. Разработана методика оценки влияния электромагнитной защищённости информационных каналов ШДПС на точность обсервации судна.