Функционально-устойчивые автоматизированные идентификационные системы для мониторинга и управления движением судов на речном транспорте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Функционально-устойчивые автоматизированные идентификационные системы для мониторинга и управления движением судов на речном транспорте

05.13.06: Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические системы)

доктора технических наук

Сикарев Игорь Александрович

Санкт-Петербург, 2010

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Нырков Анатолий Павлович;

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бескид Павел Павлович;

доктор технических наук, профессор Гатчин Юрий Арменакович;

доктор физико-математических наук, профессор Чехонин Константин Александрович

Ведущая организация: ОАО НПФ «Меридиан», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "23" сентября 2010 года в 14 ч.00мин.

на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская., д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « »__________2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.Г. Барщевский

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем речного флота является обеспечение безопасности судоходства как при смешанном река-море плавании, так и при плавании на внутренних водных путях (ВВП) страны. Объясняется это весьма высоким уровнем аварийности флота. Действительно, навигационная аварийность судов на ВВП составляет в настоящее время значительную величину и тенденция её снижения за последние 10 лет наблюдается незначительной. Так такие виды аварийности судов, как столкновения составляют 18% - 20%, посадка на мель 13% - 30%, удары составляют от 40% до 70% от общего числа транспортных происшествий на ВВП.

Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях России требует постоянного развития и совершенствования технических средств и систем, занятых в данном процессе. Кроме того, все более возрастает потребность в обмене информацией между сторонами, связанными с судоходством по внутренним водным путям, 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 сектором внутреннего водного транспорта сейчас стоит задача связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей определенную совместимость и эффективное взаимодействие.

Для решения такой задачи одной из наиболее перспективных и конструктивных в настоящее время является инфокоммуникационная технология, получившая название «Корпоративная речная информационная система (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 (АСУДС)», которые, как об этом свидетельствует опыт таких стран как США, Канада, 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 АСУДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/GPS и его подсистемы высокоточных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/DGPS.

В последние 5-7 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа XX-XXI 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.

Вхождение АИС в состав АСУДС предполагает не только наличие на судах и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, состоящего, в первую очередь, из цепи береговых станций АИС, включающей базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи АИС в структурах АСУДС и РИС. При этом для эффективных мониторинга и управления движением судов на ВВП одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия БС АИС, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего для Единой Глубоководной системы (ЕГС) Европейской части России, являющейся её важнейшей транспортной системой. Однако решения такой проблемы в современных информационных каналах неизбежно наталкивается на комплексное воздействие в них различного рода аддитивных (шумы, взаимные, промышленные, преднамеренные и др.) помех и мультипликативных (замирания: быстрые, медленные, селективные и т. п.) помех. Наличие указанных помех, во-первых, существенно сказывается на помехоустойчивости радиолиний АИС и, во-вторых, на их функциональной устойчивости. Поэтому возникает необходимость преодолеть искажающие действия такого рода факторов на стохастические вариации и уменьшение дальности зон действия базовых станций функционально устойчивых информационных идентификационных систем, теоретически обобщить и решить комплекс задач по повышению мониторинга и безопасности судоходства на ВВП России. Все это подтверждает актуальность и своевременность постановки проблемы диссертационного исследования.

В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы является повышение безопасности управления движением судов на основе развития методологии построения функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем для речного транспорта с учетом влияния на безопасность передачи информации взаимных помех.

Объектом исследования в работе является процессы синтеза и анализа АИС речного транспорта, функционирующих в условиях взаимных помех.

Предметом исследования - модели, методы и способы контроля и обеспечения заданного уровня безопасности информации в системах АИС, функционирующих в условиях взаимных и преднамеренных помех.

С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, решаемая в работе: на основе создания единого методологического подхода к внедрению и развитию различных методов и способов построения функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем на речном транспорте, теоретически обобщить и решить комплекс задач по повышению мониторинга и безопасности судоходства на внутренних водных путях России.

Решение подобной проблемы в настоящее время стало возможным лишь благодаря научному фундаменту, заложенному трудами и исследованиями отечественных и зарубежных ученых и специалистов, таких как: Берг А.И., Н.Винер, К. Шеннон, Агеев Д.В., Тихонов В.И., Бабанов Ю.Н., 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:

1. Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях страны.

2.Метод синтеза и алгоритмы адаптивных функционально устойчивых когерентных и некогерентных автоматизированных идентификационных систем.

3. Алгоритмы оценки электромагнитной защищенности автоматизированной идентификационной системы от воздействия взаимных помех.

4. Алгоритмы оценки устойчивости автоматизированной идентификационной системы в условиях воздействия взаимных помех.

5. Модель и алгоритмы анализа и оценки функциональной устойчивости автоматизированных идентификационных систем различных классов в УКВ диапазоне.

6. Алгоритмы вариации структуры и принципы использования современных сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах в условиях взаимных помех для речного транспорта России.

Необходимость разработки данных научных положений обусловлена отсутствием методологических основ анализа и синтеза структуры функционально устойчивых АИС и предполагает решение следующих научно-технических задач:

проведение анализа направлений создания комплекса средств мониторинга, радионавигации и управления на базе использования адаптивных функционально устойчивых автоматизированных идентификационных систем, обеспечивающих качественно новый уровень решения проблемы повышения безопасности судоходства на ВВП страны;

систематизация подходов к формированию методологических основ решения многопараметрических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций автоматизированных идентификационных систем при воздействии взаимных помех;

разработка методической базы и алгоритмов оценки электромагнитной защищенности АИС и проведение расчетов зависимостей их зон действия для различных классов систем от расстояния до источника помех, а также энергетических параметров помех и различия частотно-временной структуры сигналов и взаимных помех для диапазона УКВ;

разработка теоретических основ и алгоритмов расчета функциональной устойчивости основных характеристик АИС при воздействии взаимных помех;

разработка алгоритмов расчета вариационно-параметрической, вариационно-функциональной и среднеквадратической чувствительности АИС от энергетических параметров и различия частотно-временной структуры взаимных помех и полезных сигналов;

разработка метода синтеза функционально устойчивых АИС на основе адаптивных методов.

Лишь при таких условиях появляется возможность создать надежную высокоточную информационную поддержку судоводителю речного судна с использованием инструментальных методов проводки и реализовать переход к автоматическому управлению движением судна по заданной траектории практически на всём протяжении ВВП. Это расширяет возможности судоводителя для наблюдения за окружающей обстановкой и позволит качественно повысить безопасность на ВВП.

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 борьбы, 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 значение для экономики страны и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-предсказательное обоснование и решение ключевых задач проблемы повышения эффективности мониторинга и безопасности судовождения на ВВП России, которые в свою очередь, позволили разработать методы и способы построения адаптированных функционально-устойчивых АИС. алгоритм идентификационный помеха чувствительность

Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и обеспечения безопасности судовождения на ВВП страны отличается тем, что впервые качественно и количественно определены многофакторные взаимосвязи состояний источников информации системы обеспечения и контроля безопасности, требования пользователя к уровню защиты информации и устойчивости основных характеристик АИС в условиях взаимных помех, что позволяет сформировать множество допустимых вариантов структур функционально защищенных и устойчивых АИС.

Метод синтеза, алгоритмы и решения для структуры адаптивных функционально устойчивых когерентных и некогерентных АИС отличается применением оригинального подхода к организации структуры и стратегии использования современных сложных сигналов для оптимальных адаптивных АИС, работающих в условия комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех, что позволяет оптимизировать процессы мониторинга и управления движением судов на ВВП страны в условиях взаимных помех.

Алгоритмы оценки электромагнитной защищенности АИС в условиях воздействия взаимных и преднамеренных помех отличается комплексным учетом дальности и зоны 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.

Алгоритмы оценки устойчивости АИС в условиях взаимных и преднамеренных помех, отличаются, тем, что впервые количественно учитывают помимо функциональной защищенности еще и функциональную чувствительность АИС различных классов от расстояния до источников взаимных и преднамеренных помех, их энергетических параметров и различия частотно временной структуры от полезных сигналов.

Модель и алгоритмы анализа и оценки функциональной устойчивости автоматизированных идентификационных систем различных классов в УКВ диапазоне позволяют рационально выбрать и гармонизировать функционирование существующих АИС.

Алгоритмы вариации структуры и принципы использования современных сложных сигналов для адаптации функционально устойчивых АИС, отличаются тем, что впервые по признакам функционально экономической целесообразности осуществлена классификация классов и подклассов сложных сигналов для информационной защиты АИС, разработаны структуры эффективных функционально устойчивых АИС, что позволяет, применительно к Корпоративной речной информационной системе и ее Речным информационным службам осуществить эффективный мониторинг и управление судоходством на ВВП страны в условиях взаимных помех.

Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории адаптивных функционально устойчивых АИС на основе новой концепции конструктивного построения таких систем. На этом пути разработаны методы количественного анализа и контроля таких АИС в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению функциональной устойчивости АИС, которые в значительной мере развивают решение проблем подобного типа при контроле и обеспечении информационной безопасности АИС. Разработаны теоретические положения, совокупность которых представляет новое решение научной проблемы, имеющей важное значение для экономики страны: повышение эффективности мониторинга и управления судоходством на ВВП страны на основе адаптивных функционально устойчивых АИС.

Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждена: системностью исследования и решения поставленных проблем 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 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 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 по мониторингу и радионавигационному обеспечению безопасности плавания судов, в том числе и с использованием дифференциального режима СРНС второго поколения (типа ГЛОНАСС и GPS).

Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций позволяет сформулировать рациональные решения по топологической структуре АИС речного флота 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 и судовых транспондеров.

Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации автоматизированных идентификационных 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.

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 ОАО НПФ «Меридиан» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО «ТРАНЗАС» (г. Санкт-Петербург), на Научно-производственном предприятии «Маринерус» (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском Государственном университете водных коммуникаций, при исследовании влияния взаимных помех на 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, Санкт-Петербургским государственным университетом водных коммуникаций (СПбГУВК). Кроме того, результаты диссертационной работы использованы в СПбГУВК при подготовке специалистов по направлениям 180402.65 и 090105.65.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: Международной научно-технической конференции "ТРАНСКОМ-2004" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), на Международной научнотехнической конференции «Радиолокация, навигация, связь (RLNC' 2007)» (г. Воронеж, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Москва, 2006 г), на Международной конференции "Региональная информатика" (г. Санкт-Петербург, 2004-2009), на VII-й Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), на Международной конференции "Новые информационные технологии в системах связи и управления" (г. Калуга, 2009 г.), на Международной научно-практической конференции "Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление" (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на XVIII-й Научно-технической конференции "Методы и технические средства обеспечения безопасности информации" (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры «Комплексного обеспечения информационной безопасности» Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций в 2003 - 2009 годах.

Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в восьми монографиях, 31-ой статье, в том числе 14 в изданиях, рекомендованных "Перечнем" Высшей аттестационной комиссии, шести отчетах о НИОКР.

Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, и состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 234 страницы текста, в том числе 50 рисунка, 17 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 144 наименования.

Содержание работы

В первой главе проведены анализ и обобщение установившихся в современной отечественной и зарубежной научно-технической литературе основных взглядов, принципов и приемов для проведения концептуальных исследований сложных организационно-технических систем для управления движением судов на речном транспорте.

Основное внимание 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 по подходу Геделя, проанализированы существующие методы оценки эффективности систем, а также факторы, определяющие эту эффективность, такие как условия функционирования системы, способы её использования и основные свойства: устойчивость, управляемость, способность самоорганизации.

Вскрыты и обобщены введенные современной системной инженерно- кибернетической методологией пути описании характеристик этапа концептуальных исследований в терминах S_o --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, приёмы и результаты концептуальных исследований.

Проведен анализ и обобщены особенности целеполагания при проведении концептуальных исследований и выбора показателей эффективности для сложных организационно-технических систем. Рассмотрены основные принципы целеполагания, такие как: причинности, коммутативности, «от общего к частному», минимизации затрат при синтезе системы, системности, описания рабочих функций, полноты и точности изложения цели.

С позиции таких принципов рассмотрены возможности основных трёх классов критериев: во-первых, адаптивности, включающего критерии селекции, свободы выбора решений, самоорганизации; во-вторых, пригодности, включающего критерии приемлемого результата, допустимой гарантии и допустимого гарантированного результата; и, в-третьих, оптимальности, включающего критерии наибольшего результата, наибольшего среднего результата, наибольшей вероятности гарантии и наибольшего гарантированного результата.

Проведён сопоставительный анализ критерия наибольшего среднего результата с критериями наибольшей вероятности гарантии и наибольшего гарантированного результата. Вскрыты общие условия практической применяемости этих критериев, обоснована эффективность применения критерия наибольшего среднего результата при исследовании сложной технической системы для образования сложного для АИС поля на внутренних судоходных путях страны.

Проведён анализ и обобщение мирового и отечественного опыта по современному уровню разработки и внедрению, а также перспективам развития метасистемы в иерархической триаде «КРИС-РИС-АСУ ДС (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 речного и смешанного «река-море» плавания (судоходства). 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, что несомненно говорит об актуальности внедрения таких систем на ВВП ЕГС Европейской части России. Выполнен анализ современных основ создания и информационного обеспечения в корпоративных речных информационных системах по иерархическому уровню «КРИС-РИС -- АСУДС (СУДС)», отмечены особенности КРИС при возможном её построении на ЕГС. Рассмотрен достаточно конструктивный вариант структуры КРИС на ЕГС, включающей 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 (Рис.1).

Анализ канонической структурной схемы и особенностей информационного функционирования АСУДС (Рис.2) свидетельствует о необходимости сосредоточить, в первую очередь, внимание на задачах построения обеспечивающей высокую эффективность мониторинга и управления АИС (Рис.3). На основе анализа в терминах современного инженерно-кибернетического подхода (обобщенных S_o -систем) сформулированы и выделены для последующего исследования в границах локальных РИС на этапе построения для них концептуальной модели сети АИС ряда характеристик.

На системном уровне («организация - поведение») такой характеристикой является топологическая структура зон действия береговых базовых станций АИС.

Применительно к агрегативному уровню («структура - функции») такой характеристикой является зона действия базовой станции, определённая с учётом технико-эксплуатационных параметров судового транспондера и БС, а также основных стохастических факторов на трассе «судно - базовая станция».

При анализе мирового научно-технического опыта по решению проблемы устойчивости информационных систем в условиях комплексного воздействия различного рода мультипликативных и аддитивных помех, прежде всего взаимных, рассмотрены основные из предлагавшихся подходов, такие как робастность, устойчивость статистических процедур, инвариантность характеристик помехоустойчивости, чувствительность качества демодуляции сигналов и др.

Показано, что применительно к таким информационным системам, как АИС наиболее приемлемым является понятие функциональной устойчивости, как их способность удерживать значения характеристик устойчивости в заданных пределах при изменении статистических характеристик случайных параметров, а также при вариациях формы и параметров сигналов и помех, в том числе и взаимных.

В заключении главы обоснована целесообразность и возможность формулирования комплексного критерия эффективности АИС, включающего требования минимизации вероятности ошибки поэлементного приема цифрового сообщения и удержании в требуемых (заданных) пределах функциональной устойчивости при воздействии взаимных помех.

Решению указанных задач при воздействии таких помех посвящены последующие главы диссертации.



Рис. 1. Организация зон РИС на ВВП Европейской части России

Рис. 2. Типовая конфигурация Центра СУДС



Рис. 3. Принцип функционирования АИС.

Во второй главе представлены результаты исследования комплекса задач и алгоритмы по анализу электромагнитной защищенности АИС при воздействии взаимных помех.

На основе анализа организации информационных радиоканалов в АИС и особенностей структуры передачи цифровых сообщений в системах АИС 1-го и 2-го классов сформулирована структурно-логическая (Рис.4) 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 серьёзный вид - преднамеренные помехи:

(1)

где N_п - число сосредоточенных помех; г_k = z_k(t, И_k), z_r(t) и z_k(t) - детерминированные функции времени, характеризующие в частотно временной области, соответственно, форму сигналов и взаимных помех; , j=1,2, … J ; , s=1, 2, … S - случайные параметры помех; - белый гауссовский шум; Т - длительность элемента цифрового сообщения АИС.

Рис. 4. Структурная схема АИС

ИС и ПС - источник и получатель сообщения, соответственно; КД и ДК - соответственно, кодер передатчика базовой станции и декодер судового транспондера; М и ДМ - соответственно, модулятор передатчика БС и демодулятор приемоиндикатора СТ; СР - среда распространения; ИП - источники помех.

Предложенная модель учитывает вероятностные особенности в информационных каналах АИС основных групп факторов, влияющих на верность передачи сообщения на трассе «судовой транспондер - базовая станция», а также распространение УКВ радиоволн с учётом технико-эксплуатационных параметров приемо-передающих трактов аппаратуры, изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией и судовым транспондером, процесс перемещения судового транспондера относительно БС.

Для информационного канала «судовой транспондер - базовая станция» исследованы возможности моделей мультипликативной помехи, коэффициента передачи м полезного сигнала четырех-параметрического, Бекмана, Релея-Райса, Релея и модели канала с постоянными параметрами.

Для условий АИС обоснован выбор последних двух, а именно:

(2)

Из (2 ) следует, что W(м) превращается в дельта-функцию для

м=м_p (3)

что соответствует весьма типичному случаю канала с постоянными параметрами и регулярным значением коэффициента передачи м_{p .}

Влияние заграждающего рельефа высотой H исследовано для трёх 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, а именно:

(4)

где m_H и - среднее значение и дисперсия рельефа трассы между корреспондентами, и

W(H)=б•e^-бH, H?0 (5)

где б=0,01-0,1 - параметр распределения высот.

Влияние перемещения судового транспондера относительно базовой станции АИС предложено отразить равномерным, релеевским и максвелловским законами плотности вероятности коэффициентов передачи сигналов. Два последних из них наиболее характерны для РИС на ЕГС Европейской части России и имеют, соответственно, вид:

, R?0 (6)

где

, R?0 (7)

где у²=р/8•R_ср², R_ср - среднее значение R.

С другой стороны, для описания свойств взаимных помех предложено использовать серьёзно 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:

(8)

r=1,2;…,N_п

где

(t) - функция, сопряженная по Гильберту с z_Пi(t).

где

(9)

причем левый предел соответствует ортогональным в усиленном смысле и , а правый - ретранслированной помехе, совпадающей с сигналом по несущей частоте и тактам (времени).

Сформулированная статистическая модель, как это подтверждается исследованиями последующих разделов, весьма конструктивна для решения задач анализа и синтеза АИС по таким показателям, как помехоустойчивость и функциональная устойчивость в условиях воздействия взаимных помех

Для решения таких задач анализа разработаны прежде всего методика и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач количественной оценки помехоустойчивости информационных каналов АИС в условиях комплекса статистических факторов, в том числе взаимных 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 приёма, моногармонические помехи, ретранслированные частотно манипулированным(ЧМ) передачам помехи на помехоустойчивость и радиус зоны действия БС АИС.

Установлено, что максимальный радиус зоны БС в этом случае, получаемый из решения уравнения R_max=arg[P_err(R)=P_reg] равен:

для незамирающего сигнала - незамирающей помехи

(10)

где I₀(•) - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка;

(11)

функция Маркума.

А при незамирающем сигнале и помехе, замирающей по релеевскому закону:

(12)

В соотношениях (10) и (12) ч и ч_П - энергетические параметры, соответственно, полезного сигнала и взаимной помехи, определяемые соотношениями:

(13)

(14)

где Pu-мощность передатчика базовой станции,Pпрmin -чувствительность приемника судового транспондера, h₁ и h2 - высоты антенн БС и СТ; h²₀ - некоторая поправка для сухой почвы, обычно около 5 м; G₁ и G₂ - коэффициенты усиления антенн БС и транспондера, соответственно; з₁ и з₂ - к.п.д. антенно-фидерных трактов БС и СТ; G_1n - коэффициент усиления антенны источника помех; з_1п - коэффициент полезного действия системы передачи энергии от передатчика помех к передающий антенне; P_Un - мощность передатчика помех; h_п- высота антенны передатчика помех; R_n - расстояние до источника помех.

На (Рис.5) представлены номограммы R_max от R_П для различных максимумов g_or² из Табл. 1

Таблица 1.

№	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)
	1	0,4053	0,0472	0,0165	0,00834	0,00503	0,00336

Из рисунка видно, что при увеличении мощности передатчика БС (АИС-1) в шесть раз и неизменной мощности передатчика помех (АИС-2) рабочая зона БС АИС-1 значительным образом увеличивается, причем, в случае g_Or²=0, составляет 13,0 км. для мощности передатчика 2 Вт. и 19,6 км. для мощности 12 Вт. Необходимо отметить, что выражение (12) является явным аналитическим решением относительно R_max= R_max (g²_or), а также оценкой сверху для случая (10).



Рис. 5. Номограммы по (12) для различных максимумов g_or² :а) для случая Р_u=12 Вт, Р_uП=2 Вт; б) Р_u=Р_uП= 2 Вт

Далее в главе проанализированы: зависимость радиуса зоны действия от основных параметров радиоканала (отсутствия или наличия замираний, мощности полезного сигнала, высот антенны 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.).

Важным выводом, имеющим экономические последствия при проектировании и строительстве БС АИС, является довольно умеренная зависимость радиуса зоны их действия от мощности передатчиков и высоты антенн, но весьма высокая зависимость от наличия источников взаимных помех. В этом случае оптимальный радиус зоны оказывается уменьшенным в раз по сравнению с потенциально достижимым и оказывается существенно зависящим от ч_П, , R_{П .}

Полученные в главе результаты важны, во-первых, потому, что достаточно полно описывают тенденции и количественный характер поведения радиуса зоны действия БС АИС при изменении важнейших параметров радиоканала и при воздействии взаимных помех. Во-вторых, они свидетельствуют о настоятельной необходимости исследований функциональной устойчивости радиолиний АИС.

Третья глава направлена на разработку методов качественного и количественного исследования функциональной устойчивости основных характеристик зон действия, прежде всего максимальной дальности действия АИС при воздействии взаимных помех. Для этого разработана методика оценки функциональной устойчивости и найдены основные количественные соотношения для расчёта и анализа вариационно-параметрической устойчивости максимального радиуса зоны действия базовой станции АИС по отношению к энергетическому параметру взаимной помехи и её расстоянию до транспондера, а также вариационно-функциональной устойчивости максимальной дальности действия по отношению к коэффициенту взаимного различия применяемых сигналов и воздействующих взаимных помех.

Показано, что при R={R₁, …, R_n}, R_П={R_П1, ..., R_Пm}, g_or²={g_or1², g_or²,…,g_orN0²} - соответственно, множества параметров сигналов, помех и параметров их взаимодействия в частотно-временной области и для рабочих вероятностей ошибок P<0,1, а не области P?0,5, где характеристики помехоустойчивости, как правило, малочувствительны, но информационные системы не пригодны для приема информации, функциональная устойчивость АИС может быть охарактеризована величиной чувствительности в форме коэффициентов:

вариационно-параметрической устойчивости

(15)

и вариационно-функциональной устойчивости:

(16)

либо коэффициента среднеквадратичной чувствительности:

(17)

Для практически важных случаев незамирающего сигнала - замирающей по релеевскому закону взаимной помехи и замирающего сигнала - замирающей помехи, для замкнутых решений относительно максимальной дальности, получены аналитические выражения для относительных чувствительностей по энергетическому параметру, расстоянию до БС и коэффициенту взаимного различия помехи, а также их среднеквадратической чувствительности.

Для первого из этих случаев:

(18)

(19)

Из (18) следует, что вариационно-параметрическая устойчивость максимальной дальности и зоны действия базовой станции АИС по энергетическому параметру помехи ч_П и вариационно-функциональная - по коэффициенту взаимного различия имеют одинаковые знак и величину. Что же касается вариационно-параметрической устойчивости то она имеет противоположный знак и в четыре раза больше. Кроме того:

(20)

Это выражение весьма удобно для прикладных расчетов результирующей чувствительности замкнутого решения для вероятности ошибки р как меры ее функциональной устойчивости.

Выполнен анализ вариационно-параметрических чувствительностей и от энергетического параметра источника помех (мощности передатчика помех) и расстояния от источника помех до судового транспондера как для базовых станций АИС-1, так и АИС-2.

Установлена существенная зависимость и ее графо-аналитический вид для вариационно-параметрической устойчивости. Доказано, что при прочих равных условиях АИС-2 менее чувствительна, а, следовательно, и более устойчива по сравнению с АИС-1 примерно в 4 раза по критерию . По критерию же АИС-2 по отношению к одной и той же взаимной помехе устойчивее порядка в 2 раза по сравнению с АИС-1. Наконец, из (20) и (18) следует, что среднеквадратическая устойчивость с точностью до постоянного множителя ? 1,06 совпадает с устойчивостью .

Проведен анализ вариационно-функциональной чувствительности R_max от различия частотно-временной структуры сигналов АИС-1 и АИС-2 от взаимных помех. Получены аналитические соотношения для , r = 0;1, и для случаев моногармонических и полигармонических помех, в том числе и ретранслированных. Исследованы зависимости от коэффициента взаимного различия (Рис.6).

Рис. 6. Зависимость от

Показано, что и по критерию АИС-2 также более устойчива по сравнению с АИС-1. Вместе с тем, обеспечение работоспособности АИС-1 и АИС-2 в условиях взаимных помех требует поиска специальных мер борьбы со взаимными помехами.

В четвертой главе разработан метод построения функционально устойчивых АИС при воздействии взаимных помех, базирующийся на последовательном выполнении двух требований. Во-первых, синтеза транспондера АИС по критериям 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 N_П взаимных помех минимизируется

Для этих условий дана строгая математическая формулировка задачи синтеза оптимального транспондера в лини «базовая станция - транспондер», а также сформулирована методика последовательности решаемых операций для получения гарантированного результата.

(21)

Это правило последовательно и органично сочетает в себе решения задач статистического синтеза оптимальных транспондеров и наилучшего согласования применяемых сигналов {z_r(t)} со взаимными помехами в информационных каналах АИС. При этом обеспечивается минимальная чувствительность синтезированных алгоритмов к различию частотно-временных структур сигналов и воздействующих взаимных помех.

Методика решения задачи (21):

1. По первому уравнению для сигналов произвольной структуры отыскивают алгоритм транспондера.

2. Для из заданного класса (ортогональные или противоположные) устанавливают функциональный вид выражения для вероятности ошибки P и проверяют выполнение условий монотонно возрастающей зависимости P и S_У от .

3. Для заданной частотно-временной структуры из выбранного класса и установленного (прогнозируемого) типа взаимных помех определяют и их функциональную зависимость от амплитудных, частотных и фазовых параметров.

4. При ограничениях постоянства мощностей сигналов и помех

(22)

решают задачи

(23)

и определяют структуру наилучшим образом согласованных сигналов в канале со взаимными помехами:

(24)

По такой методике в главе, во-первых, синтезированы алгоритмы и проанализирована структура функционально устойчивых когерентных АИС с внутренним и внешним кольцами обратной связи для противоположных и ортогональных используемых сигналов. (Рис. 7). Синтезированы также алгоритмы когерентных АИС и проанализирована их структура для случаев адаптивных транспондеров на согласованных фильтрах в форме единой и блочной реализаций. (Рис. 8).

На этих рисунках ОГ- опорный генератор, ВУ- вычитающее устройство, БКСП- блок выработки команд, СС-схема сравнения, СИ-изменения, СВК- схема выработки команд.

Получены и проанализированы алгоритмы и соответствующие им структуры некогерентных функционально устойчивых адаптивных идентификационных систем с внутренним и внешним кольцами обратной связи, которые обладают несколько меньшей верностью приема цифровых сообщений, однако имеют ряд выгодных технологических и экономических показателей.

Рассмотрены варианты некогерентных АИС с транспондерами как для простых (Рис. 9), так и сложных (Рис. 10) сигналов, в том числе и для единой и блочной структуры на АСФ. При единой реализации отличие от схемы (Рис. 8) состоит лишь в наличии нелинейного элемента с характеристикой lnI₀(.), стоящего после адаптивного согласованного фильтра (АСФ).

Подобные когерентные и некогерентные функционально-устойчивые идентификационные системы особенно эффективны при использовании в них сложных сигналов, анализу чего посвящена пятая глава диссертации.



Рис. 7. Структура алгоритма функционально устойчивой АИС с когерентным транспондером

Рис. 8. Структура алгоритма функционально устойчивой АИС с единой реализацией транспондера на адаптивном согласованном фильтре (АСФ)



Рис. 9. Структура алгоритма функционально устойчивой АИС узкополосных ЧТ сигналов с некогерентным транспондером.

Рис.10. Структура блока выработки команд в АИС с некогерентным функционально устойчивым транспондером

В пятой главе проведено исследование принципов и получены алгоритмы использования современных сложных сигналов, возможности 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, например, является значение в каждом из них указанных коэффициентов. По всем каналам коэффициенты образуют некоторый вариационный ряд. Для работы выбирается канал с минимальным где j=1,2,...,N, N- 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 с третьим 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 , j=1,2,...,N, N - число каналов, а во-вторых, процедуры сочетания алгоритма выбора канала с процедурой оптимизации структуры сигнала.

Для обеспечения адаптации в разделе достаточно подробно рассмотрены различные методы оценивания величины . Это, прежде всего, метод максимального правдоподобия для точечных и интервальных оценок коэффициента взаимного различия. Существенное внимание уделено методам непараметрического оценивания: методу порядковых статистик и методу приближенного восстановления плотности вероятности.

Представлены результаты анализа способов вариации структуры современных сложных сигналов для обеспечения процесса адаптации. Рассмотрены и даны решения и рекомендации для всех трех основных классов сложных сигналов: параллельных, последовательных фазокодированных и последовательно-параллельных - подкласса ДЧМн сигналов.

Завершена глава расширением на конкретные прикладные решения и рекомендации по построению сравнительно несложных некогерентных адаптивных транспондеров АИС. Здесь рассмотрены: некогерентный адаптивный транспондер ЧТ, транспондер с ДЧМн сигналами и транспондеры с последовательными сигналами. Здесь представлены алгоритмы для процедур, во-первых, перестройки канала только по значениям коэффициента взаимного различия, 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 всех трёх основных классов сложных сигналов: параллельных, последовательных фазокодированных и последовательно-параллельных - подкласса ДЧМН сигналов.

Заключение

Анализ триадно-иерархических инфокоммуникационных систем «Корпоративная речная информационная система-Речные информационные службы-АСУ движением судов», методов и средств телекоммуникационного и инструментально-технологического обеспечения мониторинга и управления флотом на внутренних водных путях России показал, что имеются достаточные резервы повышения эффективности и безопасности судоходства речного флота за счет внедрения надежной высокоточной информационной поддержки судоводителя речного судна с использованием электронных карт, инструментальных методов проводки и автоматизации управления движением судна по заданной траектории на всем протяжении ВВП на основе развертывания новый информационной технологии обеспечения судоходства, возникшей на рубеже ХХ-ХХI веков и получивший название - автоматизированная идентификационная система.

Поэтому в работе сформулирована научно-техническая проблема, имеющая важное значение для экономики страны - повышение эффективности мониторинга и безопасности судоходства на ВВП страны на основе создания единого методологического подхода к внедрению и развитию методов и способов построения функциональных устойчивых автоматизированных идентификационных систем.

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 по автоматизированному идентификационному обеспечению мониторинга и безопасности плавания судов на ВВП.

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

1. Развитие методологии построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и 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: