Методы построения радионавигационных полей для информационного обеспечения автоматизированных систем управления движением судов (15.07.2011)

Автор: Каретников Владимир Владимирович

Методы определения как первичных, так и вторичных зон уверенного приема, а также выявления зон нелинейных переходов, расчета максимальной дальности передачи корректирующей информации в информационном канале АИС с учетом взаимных помех, моде–лирования топологии зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне с учетом воздействия на полезный сигнал взаимных помех.

Алгоритмы определения топологии дифференциальных полей, учитывающие влияние взаимных помех в СВ и УКВ диапазонах, а также участие поликомпонентной подстилающей поверхности в распространении радиоволн СВ диапазона.

Рациональная топология зон действия ККС, работающие в СВ диапазоне для формирования сплошного высоко–точного радионавигационного поля и алгоритмы рационального топологического распределения базовых станций АИС на ВВП ЕГС России для управления в структуре КРИС;

Концептуальные положения стратегии использования дифференци–альных полей в СВ и УКВ диапазонах на ЕГС ВВП России для нужд внутреннего водного транспорта.

Необходимость разработки указанных научных положений обусловлена отсутствием методологических основ, анализа и синтеза дифференциальных высокоточных радионавигационных полей СВ и УКВ диапазона на ВВП России и предполагает решение следующих научно-технических задач:

проведение системного анализа, направленного на создание комплекса средств мониторинга, радионавигации и управления на базе внедрения диф–ференциальных дополнений высокоточных систем местоопределения ГЛОНАСС/GPS на внутреннем водном транспорте;

систематизация подходов к формированию методологических основ ре–шения многопараметрических задач, оптимизирующих топологию сервисных зон контрольно-корректирующих станций, работающих в СВ диапазоне;

разработка теоретических основ расчета дальности и формы периметра зоны действия контрольно корректирующей станции, при передаче диф–ференциальных поправок поверхностной волной СВ диапазона над поликом–понентной подстилающей поверхностью с учетом воздействия взаимных по–мех;

разработка комплекса математических моделей, позволяющих находить радиусы зон дифференциальных полей, формируемых в УКВ диапазоне базовыми станциями АИС и форм периметров зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне с учетом воздействия взаимных помех;

выработка концептуальных положений распределения и стратегии ис–пользования внутренним водным транспортом дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона на ЕГС ВВП России;

разработка методики и проведение расчетов зависимостей минимального уровня энергетики полезного сигнала и минимального уровня напряженности поля в зависимости от расстояния, параметров проводимости подстилающей поверхности и параметров приемопередающего оборудования.

Только в случае выполнения этих условий появляется возможность по–строить качественные высокоточные системы местоопределения СРНС ГЛОНАСС/GPS, работающие для нужд внутреннего водного транспорта России, что позволит начать крупномасштабное внедрение инструменталь–ного метода судоходства на ВВП, повысить уровень безопасности и опти–мизировать транспортный процесс на ВВП России.

Теоретической основой исследования послужили методы системного анализа, математической логики, инженерно-кибернетического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслу–живания, теории прогнозирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации, статистической теории связи, теории распространения радио–волн, теории оценок, алгоритмов, теории принятия решений и методы моде–лирования на ЭВМ.

Научная новизна диссертации заключается в том, что решена акту–альная научная задача, имеющая важное хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-пред–сказательное обоснование методов построения топологии высокоточных радионавигационных полей местоопределения в АСУ движением судов на ВВП России.

Впервые предложена модель, позволяющая определять топологию формы зоны действия речной ККС работающей в СВ диапазоне, с учетом влияния поликомпонентной подстилающей поверхности, параметров приемопередающей аппаратуры и воздействия взаимных помех, что в дальнейшем позволило на основании системного анализа выработать методику качественной и количественной оценки дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона в АСУ движением судов.

Разработанная методика наложения полей полезных сигналов и помех, позволяет учесть влияние взаимных помех на дальность передачи корректирующей информации в АСУ движением судов при формировании сплошного высокоточного радионавигационного поля дифференциальной поправки.

Метод качественного и количественного определения рациональной топологии зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне, используемых для формирования сплошного высокоточного радионавигационного поля на внутренних водных путях России, отличается комплексным учетом дальности передачи дифференциальных данных в информационном канале АИС при воздействии на него взаимных помех и деформаций периметра зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне, вследствие наличия зон нелинейных пере–ходов граничных областей поликомпонентной подстилающей поверхности.

Метод синтеза, алгоритмы и решения для структуры комбинированного высокоточного радионавигационного поля, образованного смешением диф–ференциальных полей СВ и УКВ диапазонов на Европейской части единой глубоководной системы ВВП России, отличаются применением ориги–нального подхода к организации структуры и стратегии использования дифференциальных полей указанных диапазонов в структуре АСУ движением судов в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех, что позволяет оптимизировать процессы мониторинга и управления внутреннего водного транспорта и повысить уровень безопасности судоходства на ВВП России.

В работе получены научно-обоснованные предложения по способам вариации топологии и стратегии использования высокоточных радио–навигационных полей дифференциальной поправки на Европейской части единой глубоководной системы ВВП России в структуре информационных триад внутреннего водного транспорта, с целью повышения качества, эффективности мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП страны в условия взаимных помех.

Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории формирования и исполь–зования сплошных высокоточных полей дифференциальной поправки спут–никовых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS на основе новой кон–цепции конструктивного построения таких систем. На этом пути им разрабо–таны методы и алгоритмы, позволяющие найти топологию комплексных радионавигационных полей дифференциальной поправки СВ и УКВ диапа–зонов в условиях воздействия взаимных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению дальности передачи корректирующей информации и формы зоны действия контрольно-корректирующих станций, работающих в СВ диапазоне, для нужд внутреннего водного транспорта. Совокупность разработанных теоретических положений представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, напрямую связанное с обеспечением безопасности судоходства, повышением качества мониторинга и управления транспортным процессом на внутренних водных путях России.

Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждается: использованием системного подхода, использованием апробированного общенаучного математического аппарата при решении поставленных проблем и задач; проведением сопоставительного анализа результатов программно-компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных систем передачи корректирующей инфор–мации СВ и УКВ диапазона; корректностью и достаточным совпадением результатов теоретических расчетов с данными, полученными в ходе многолетних экспериментальных исследований и сопоставимостью этих ре–зультатов с данными, опубликованными известным учеными и специалистами в данной предметной области.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в получении на основании выполненных теоретических исследований конкретных приложений практической направленности, предназначенных для разработки, создания и мониторинга высокоточных радионавигационных полей дифференциальной поправки в структурах инфокоммуникационных триад внутреннего водного транспорта, для обеспечения высокого уровня безопасности судоходства, мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП России. Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций дает возможность найти конструктивное решение для топологического распределения ком–плексных дифференциальных полей, создаваемых в СВ и УКВ диапазоне, а также концепции использования таких полей на акватории ВВП России.

Прикладные результаты проведенных исследований могут быть успешно внедрены при конкретной разработке и создании речных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS, формирующих радионавигационное поле в СВ и УКВ диапазонах.

Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации сплошных радионавигационных полей высокоточного местоопределения, формируемых локальными диф–ференциальными подсистемами ГЛОНАСС/GPS в СВ и УКВ диапазонах в структурах инфокоммуникационных триад КРИС, РИС, АСУ ДС на ВВП России.

Личный вклад. Весь спектр результатов, составляющих основное со–держание работы, получен автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, реализованные в НИОКР, получены с коллективом разработчиков, в которых автор является ответ–ственным исполнителем.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты приняты к реализации в ОАО НПФ «Меридиан» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО «ТРАНЗАС» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО Российский институт радионавигации и времени (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, при исследовании высокоточных радионавигационных полей местоопределения и процессов передачи корректирующей информации в информационном канале АИС в Федеральных НИОКР «Испытание-Река» и «Управление-Река» РОСМОРРЕЧФЛОТА, что подтверждено актами внедрения.

Материалы диссертационной работы использованы в «Концепции создания и использования дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS на речном транспорте», разработанной в соответствии с Федеральной целевой программой по использованию Глобальной навигационной спутниковой системой ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, утвержденной Постановлением Правительства РФ от 15 ноября 1997 г. №1435, «Концепции оснащения внутренних водных путей России автоматическими информационными системами», а также ряда научно-исследовательских работ, выполненных под эгидой Федерального агентства морского и речного транспорта, исполненных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 20.08.2001 № 587 «О федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система» и приложение 1 Мероприятия федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система», подпрограммы 3 «Внедрение и использование спутниковых навигационных систем в области транспорта» (с учетом изменений, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 14.07.2006 № 423), Постановления Правительства Российской Федерации от 12.09.2008 № 680 «О внесении изменений в Федеральную целевую программу «Глобальная навигационная система», Постановления Правительства Российской Федерации от 30.04.2008 № 323 «Об утверждении Положения о полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию, развитию и использованию Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны и безопасности государства, социально-экономического развития Российской Федерации и расширения международного сотрудничества, а также в научных целях».

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы по мере её выполнения докладывались, обсуждались и были одобрены на: Международной НПК молодых ученых, студентов и аспирантов. «Анализ и прогнозирование систем управления» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), Международной НТК «Транском – 2004», (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), пятой международной НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), Международной НТК посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), экспертном совете Федерального агентства морского и речного транспорта (г. Москва, 2009 г.), Международной НТК «Связь на море и реке» (г. Москва, 2010 г.), XIII Международном семинаре Российского морского регистра судоходства «Человек и море: долгий путь к гармонии» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России инновационный путь развития» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры Технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в 2001 - 2011 годах.

Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 49-ти научно-технических изданиях, в том числе, в пяти монографиях, 17-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в 15-ти статьях и 11-ти тезисах докладов Международных и Российских научно-технических конференциях. Помимо указанных, результаты диссертационной работы были использованы и опубликованы в 12-ти отчетах о научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, приложения и состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 333 страниц текста, в том числе 87 рисунка, 15 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 159 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе 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.

Основное внимание в данном разделе было уделено принципам построения современных речных инфокоммуникационных систем и систем высокоточного позиционирования. Проанализированы существующие методы создания триадно-иерархических структур речных инфокоммуникационных систем типа: корпоративная речная информационная система (КРИС) – речная информационная служба (РИС) – автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС), а также вскрыт основной ряд факторов, определяющих эффективность указанных систем.

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 указанных принципов рассмотрены возможности основных трёх классов критериев. В качестве критериев была рассмотрена возможность адаптивности, пригодности и оптимальности указанных систем в целом, а также их сегментов и функциональных дополнений в отдельности.

Проведён анализ и обобщение мирового и отечественного опыта разработки, внедрения и использования речной иерархической триады КРИС – РИС – АСУ ДС и систем высокоточного местоопределения, строящихся на базе дифференциальных дополнений спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС, GPS, который свидетельствует о том, что в настоящее время системы управления движением судов и системы высокоточного местоопределения, задействованные в процессе обеспечения безопасности судоходства, получили достаточно широкое распространение на внутренних водных путях многих Европейских стран, Азии и Северной Америки. Подобные системы в настоящее время также активно используются для осуществления качественного мониторинга и управления транспортным процессом на акваториях внутренних водных путей. Разработка, внедрение и информационное сопровождение инфокоммуникационных триад КРИС – РИС – АСУ ДС и высокоточных систем местоопределения на ВВП стран Евросоюза осуществляется в соответствии с Концепцией «Речных информационных служб», принятой в Европейском Союзе и подтвержденной Международной Ассоциацией маячных служб, что, несомненно, свидетельствует об актуальности внедрения таких систем и на ВВП России.

Выполнен анализ современных подходов, путей, принципов создания и архитектуры высокоточных систем местоопределения, строящихся на ис–пользовании дифференциальных дополнений спутниковых радионавигации–онных систем ГЛОНАСС, GPS, работающих для нужд внутреннего водного транспорта.

Проведен анализ современных основ создания и информационного обеспечения корпоративных речных информационных систем при ис–пользовании сетевого и комбинированного методов интеграции в случае её построения на ЕГС ВВП России. Здесь также рассматриваются весьма конструктивные алгоритмы и методы построения высокоточных систем местоопределения, а именно: сетевой метод интеграции, широкозональный метод интеграции, комбинированный метод (сетевой–сотовый–транкинго–вый), комбинированный метод (широкозональный–сотовый–транкинговый).

Рассмотрены основные принципы построения высокоточных систем местоопределения, строящихся на основе спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения ГЛОНАСС/GPS. Здесь детально были проанализированы точностные характеристики и контроль целостности указанных СРНС с точки зрения их использования в решении навигационной задачи на ВВП России. Здесь также детально рассмотрены главные направления и пути решения задачи повышения точности навигационных местоопределений. С этой точки зрения исследованы физические основы реализации дифференциального режима. Причем было показано, что при реализации дифференциального режима на ВВП России удвоенная среднеквадратическая радиальная ошибка определения координат подвиж–ного объекта при использовании навигационных сигналов СРНС ГЛОНАСС может составлять

при вероятности 95%, а при использовании навигационных сигналов СРНС GPS


загрузка...