Національний авіаційний університет

УДК 621.396.967

Михайлов Василь Сергійович

РОЗРОБЛЕННЯ МЕТОДОЛОГІЧНИХ ЗАСАД

ТА ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ РАДІОНАВІГАЦІЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НА ВНУТРІШНІХ ВОДНИХ шляхаХ

УКРАЇНИ

Спеціальність 05.12.04 – Радіолокація і радіонавігація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Центральному науково-дослідному інституті навігації

і управління,

м. Київ

Науковий консультант: Член-кореспондент НАНУ, заслужений діяч науки України, лауреат державної премії України, доктор технічних наук, професор

В.П.Бабак

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук професор, завідуючий кафедри радіоелектронних комплексів НАУ Прокопенко І.Г.

Доктор технічних наук професор кафедри авіаційних і космічних радіотехнічних систем та комплексів Харківського авіаційного університету Волосюк В.К.

Доктор технічних наук професор, головний науковийо співробітник НДІ “Квант - радіолокація” Кузьмін С.З.

Провідна організація: Військово-морський інститут ім. Нахімова Міністерства оборони України, м. Севастополь.

Захист відбудеться “22“ лютого 2005 року на засіданні спеціалізованої ради Д.26.062.01 із захисту дисертацій на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук в Національному авіаційному університеті за адресою: м. Київ, проспект космонавта Комарова, 1

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НАУ.

Автореферат дисертації розісланий “22 “січня 2005 року

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради __________канд. техн. наук Єременко В.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми досліджень обумовлена нездатністю існуючого навігаційного устаткування річкових суден забезпечити необхідну точність визначення місцезнаходження судна, а також відсутністю напрямків сучасної теорії, що вирішує проблему побудови ефективних радіонавігаційних систем (РНС), які забезпечують безпеку судноводіння на внутрішніх водних шляхах (ВВШ) України. В даний час ця важлива народногосподарська проблема вирішується шляхом застосування радіолокаційного обладнання, що не задовольняє вимогам з точності. Тому відродження українського торгового флоту доцільно починати з оснащення суден супутниковою радіонавігаційною апаратурою з диференціальним режимом роботи, здатною забезпечити підвищений рівень безпеки судноводіння на ВВШ України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводились в НДІ “Квант-Навігація” в рамках проекту “Мережа” (№ ГР 0100U002131), виконаному за державним контрактом с Національною агенцією морських досліджень і технологій при КМ України № 11.11/12 від 01.04.97, проекту “Навігація” (№ ГР 0100U006012), виконаному за контрактом з АТ НДIРВ № 3.33-98/20-98 від 01.08.98, а також в Київській державній академії водного транспорту за планом НДР на тему “Дослідження інтегрованих моделей навігаційно-гідрографічного забезпечення судноплавства на внутрішніх водних шляхах України” (№ ГР 0100V006773), виконаному в рамках проекту “Розвиток системи навігаційного обладнання прибережних районів Чорного та Азовського морів” шифр “ЗНО”, код 11.11/9 відповідно Державної програми “Створення системи і технологій навігаційного, картографічного і гідрографічного забезпечення мореплавства” 2000 року.

Метою досліджень є розвиток теоретичних основ побудови радіонавігаційних систем для рішення науково-прикладної задачі підвищення точності радіонавігаційного визначення місцезнаходження суден на ВВШ України.

В процесі досліджень вирішено наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об’єкт дослідження - система організаційних заходів і сукупність технічних засобів, на яких базується процес управління рухом на ВВШ України і якими визначається рівень безпеки судноплавства.

Предмет дослідження - супутникові радіонавігаційні системи, які призначені для створення цілісного радіонавігаційного поля на внутрішніх водних шляхах України із застосуванням диференційних підсистем (діференційні РНС) для підвищення точності визначення координат судна.

Вирішувана проблема - побудування ефективного радіонавігаційного забезпечення безпеки руху на внутрішніх водних шляхах України.

Наукова новизна дисертації полягає в тому, що у ній вперше, на відміну від існуючих методів навігаційного забезпечення руху суден на ВВШ України, що здійснюються за допомогою традиційних електро- та радіонавігаційних приладів (компас, ехолот, радіолокатор та т.п.), проблема підвищення ефективності радіонавігаційного забезпечення вирішена шляхом наукового обґрунтування нового принципу управляння рухом на ВВШ України на основі диференціальної радіонавігаційної системи, що використовує можливості СНС ГЛОНАСС і НАВСТАР і забезпечує підвищення точності місцевизначення та рівня безпеки руху судна.

В межах реалізації нового принципу і в розвиток теорії проектування радіонавігаційних систем одержано нові наукові результати:

1. Нова логіко-інформаційна модель диференціальної радіонавігаційної системи забезпечення безпеки плавання на ВВШ України, що комплексно враховує характеристики, параметри та обмеження трьох основних факторів: судна, як об’екта керування; засобів позиціонування, що забезпечують зовнішній зворотній зв’язок, та особливостей внутрішніх водних шляхів.

2. Нові рішення з удосконалення технічних характеристик інформаційних каналів в диференціальних РНС, які відрізняються тим, що для підвищення надійності передачі диференціальних поправок необхідно використовувати лише поверхневі хвилі певних діапазонів, враховувати вплив рельєфу, що загороджує, та законів розподілу кореспондентів на місцевості.

3. Теоретичні засади і результати розрахунку зон і радіусів дії контрольно-коректуючих станцій (ККС) диференціальної радіонавігаційної системи для діапазонів середніх та ультракоротких хвиль, що опирається на вирішення отриманих вперше трансцендентних рівнянь.

4. Вперше отримано топологічну структуру побудови ККС на ВВШ країни в діапазонах середніх та ультракоротких хвиль.

5. Вперше отримано способи та шляхи створення, стратегічного використання, розвитку та удосконалення сучасних інформаційних локальних, регіональних та державної радіонавігаційних систем в інтересах річкового флоту України.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений у дисертаційній роботі комплекс моделей, алгоритмів, програм і рекомендацій дозволив запропонувати для ВВШ України топологічну структуру ККС, що забезпечує ефективне судноводіння з високим рівнем безпеки.

Результати проведених досліджень впроваджені в розробках Центрального науково-дослідного інституту навігації і управління. Форма реалізації – технічні пропозиції щодо структури мережі ККС для ВВШ України і способи передачі диференціальних поправок у мережі ККС, диференціального режиму станцій Азовсько-Чорноморського басейну. Факт реалізації результатів роботи підтверджується відповідним актом впровадження.

Конкретна особиста участь автора в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації, полягає у постановці цілей і задач досліджень, одержанні експериментальних даних, проведенні натурних досліджень і випробувань, побудові логіко-інформаційних моделей, дослідженні диференціальних поправок для ККС, удосконаленні технічних характеристик інформаційних каналів і засобів радіонавігаційних систем, побудови структури ККС на ВВШ країни. Всі наукові результати одержані автором самостійно.

Апробація роботи. Результати досліджень доповідалися і обговорювались на науково-технічній конференції “Освіта і безпека судноводіння” (Київ, 2001 р.), Міжнародній конференції “Транспорт-ХХІ ст.” (Одеса, 1998 р.), ІІІ міжнародній науково-технічній конференції “АВІА-2001” (Київ, 2001 р.), наукових конференціях науково-педагогічного персоналу Київської державної академії водного транспорту в 1999-2003 рр. і Санкт-Петербурзького державного університету водних комунікацій у 1998-1999 рр.

Публікації. Зміст і основні результати дисертації опубліковані в 24 роботах, в тому числі одній монографії.

Структура і обсяг роботи: Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та 3-х додатків і має загальний обсяг – 294 стор. Список використаних джерел складається із 125 найменувань.

ЗМіст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано науково-технічну проблему, мету і задачі досліджень.

В першому розділі представлено огляд літератури і аналіз сучасного стану радіонавігаційних систем. Представлено результати дослідження зовнішнього доповнення для системи, що створює суцільне радіонавігаційне поле на ВСШ України, що дозволило раціонально виділити таку систему з метасистеми глобальних і регіональних радіонавігаційних систем.

Тут (п. 1.1) проаналізовано можливості з точки зору виконання вимог ІМО до точності судноводіння, по-перше, глобальних і регіональних радіонавігаційних систем першого покоління, по-друге, глобальних супутникових радіонавігаційних систем другого покоління - типу “НАВСТАР” і ”ГЛОНАСС” і, по-третє, супутникових систем зв'язку і радіонавігації типу “ГЛОБАЛСТАР”, “ІРIДIУМ”, “СИГНАЛ”. У п. 1.2 встановлено оцінку можливостей використання радіонавігаційного поля на внутрішніх судноплавних шляхах України. В даний час вимоги до точності судноводіння в зонах обмеженого плавання і прибережних зонах, характерних для ВСШ, є дуже високими і складають, наприклад, в акваторії портів, гаваней 5…20 м, у вузьких каналах і фарватерах (шириною 100…200 м) - 0,15 ширини каналу, тобто 15…30 м, у фарватерах шириною 2…20 кабельтових - 0,2 ширини, у системах поділу руху - 0,2 ширини смуги руху тощо.

Тому з усіх існуючих і перспективних навігаційних систем найбільш прийнятні для створення суцільного радіонавігаційного поля на ВСШ України глобальні СРНС другого покоління “НАВСТАР” і “ГЛОНАСС”. Точність місцевизначення суден у цих системах складає: для системи “ГЛОНАСС”- 45 м (з імовірністю 0,95). У системах “ГЛОБАЛСТАР”, “ІРИДИУМ”, “СИГНАЛ” точність місцевизначення дорівнює Rc – радіусу стільникової зони наземної стільникової системи і для малих зон обслуговування складає не менше 1,5…10 км, що значно гірше точності систем другого покоління. Разом з тим останні також не відповідають вимогам ІМО до точності місцевизначення на ВСШ і в прибережному плаванні, що й обумовлює необхідність створення спеціалізованої РНС із поліпшеними точними характеристиками.

У другому розділі проведено аналіз і узагальнення усталених у сучасній вітчизняній і закордонній науково-технічній літературі основних поглядів, принципів і прийомів для проведення концептуальних досліджень складних організаційно-технічних систем. У п. 2.1 основну увагу приділено ланці “метасистема – система”. Виходячи з прийнятої в роботі узагальненої схеми шляхів підвищення ефективності функціонування таких складних систем (мал. 1) встановлені принципи вичленовування системи з метасистеми на основі підходу Геделя, проаналізовано існуючі методи оцінки ефективності систем, а також фактори, що визначають цю ефективність (мал. 2), такі, як умови функціонування системи, способи її використання й основні властивості: стійкість (R-якість), керованість (C-якість), здатність (A-якість), самоорганізація (L - якість).

У п. 2.2 розкрито й узагальнено шляхи сучасної системної інженерно - кібернетичної методології опису як узагальненої схеми, так і характеристик етапу концептуальних досліджень у термінах SО–системи, властиві дослідженню операцій і структури складних технічних систем на третьому системному рівні “організація – поведінка”, розташованим між другим - агрегативним і четвертим - метасистемним рівнями. У термінах зазначеного рівня сформульовано погляди на мети, прийоми і результати концептуальних досліджень.

Рис.1. Схема шляхів підвищення ефективності великих систем

У спрощеному вигляді ціль концептуальних досліджень можна сформулювати так. Для вирішення проблемної ситуації необхідно досягти мети AО . Активних засобів досягнення цієї мети немає. Однак виділені чи ті, що

можуть бути виділені, матеріальні засоби для розробки чи виробництва постачання технічної системи, використання якої в операції як активного засобу дає можливість вирішити поставлену задачу, тобто досягти мети. Потрібно вибрати раціональний варіант структури системи, спроектувати процес її організації у відповідний термін так, щоб потенційна ефективність цієї системи в операції, спрямованої на досягнення мети, була б по можливості максимальною. Закінчуються концептуальні дослідження звичайно формулюванням раціональних вимог до системи. При цьому вибір цих раціональних вимог здійснюється на основі оцінювання ефективності різних варіантів вимог, що може досягатися і залученням глибинних операційних і детальних досліджень технічного і техніко-економічного характеру.

У п. 2.3 проведено аналіз і узагальнено особливості цілепокладання під час проведення концептуальних досліджень і вибору показників ефективності для складних організаційно-технічних систем. Розглянуто основні принципи цілепокладання, такі як причинності, комутативності, “від загального до частки”, мінімізації витрат при синтезі системи, системності, опису робочих функцій, повноти і точності викладу мети.

З позицій таких принципів розглянуто можливості основних трьох класів критеріїв: по-перше, адаптивності, що включає принцип селекції, волі вибору рішень, самоорганізації; по-друге, придатності, що включає критерії

результатів, припустимої гарантії і припустимого гарантованого результату; і, по-третє, оптимальності найбільшого результату, що включає критерії,

найбільшого середнього результату, найбільшої імовірності гарантії і найбільшого гарантованого результату.

Проведено порівняльний аналіз критерію найбільшого середнього результату

, (1)

u U

де u і u* - відповідно, стратегія й оптимальна стратегія,

y(u) - випадковий результат операції,

M [] - математичне очікування (середнє),

U - область припустимих стратегій,

із критерієм найбільшої імовірності гарантії

U* : max P {y(u) = ytp} , (2)

u U

де y tс - припустимий рівень гарантованого результату з імовірністю ,

Рис. 2. Фактори, що визначають ефективність функціонування

технічних систем

і критерієм найбільшого гарантованого (імовірно-гарантованого) результату

U* : max yб (u) , (3)

u U

де yб(·) – рівень, не нижче якого буде отриманий реальний результат із заданою імовірністю, тобто

б = ? {y(u) = yб (u)}. (4)

Визначено загальні умови практичної застосовності цих критеріїв, обґрунтовано ефективність застосування критерію найбільшого середнього результату під час дослідження складної технічної системи для створення суцільного радіонавігаційного поля на внутрішніх судноплавних шляхах країни.

Синтез логіко-інформаційної моделі системи радіонавігаційного забезпечення безпеки плавання на ВСШ України представлений у розділі 3. У п. 3.1 розроблено структуру логіко-інформаційної моделі, що враховує основні характеристики, параметри й обмеження трьох основних факторів: по-перше, судна як об'єкта керування, що має інерційні характеристики, судна і регулятора, коефіцієнт передачі судна по керуючому впливу, коефіцієнт передачі регулятора і коефіцієнти передачі блоків формулювання закону керування рухом судна; по-друге, внутрішніх водних шляхів, що характеризуються параметрами: Bcx - шириною суднового ходу, Rcx - радіусом кривизни суднового ходу, УП - кутом повороту, глибиною суднового ходу, напрямком і швидкістю плину тощо; по-третє, засобів позиціонування, що забезпечують зовнішній зворотний зв'язок, з такими елементами як навігаційний ШСЗ і контрольно-коригувальна наземна станція (ККС) для передачі диференціальних поправок і судновий прийомоіндикатор таких поправок.

У рамках представленої моделі визначено такі найважливіші характеристики, що визначають безпеку судноплавства на ВСШ і є конкретними модифікаціями критерію найбільшого (найменшого) середнього результату, як: упр- похибка керування, Bу- ширина безпечної смуги водного шляху і - величина зони навігаційної безпеки.

Похибка керування

упр = 2у , (5)

де у - середньоквадратична похибка відхилення судна від осі суднового ходу.

Всх(36/Rcx+0,076) – під час руху вниз по річці

y= (6)

Всх(32/Rcx+0,068) – під час руху вгору по річці

З цього співвідношення видно, що рух униз по річці є менш сприятливим у порівнянні з рухом вгору по ріці. Остаточно для розрахунку ширини безпечної смуги водного шляху можна прийняти співвідношення

Ву= BХП + упр , (7)

де: BХП - ширина ходової смуги, зайнятої судном.

Співвідношення характеристик водних шляхів і судна дозволяють зробити розрахунок зон навігаційної безпеки і зробити оцінку імовірності відсутності навігаційної події

Pонп = 2Ф0 (Д/у1) , (8)

де Ф0 (*) - функція Лапласа,

1 - середньоквадратична похибка місця судна за напрямком, перпендикулярним осі ходу судна.

Завдаючи у відповідності з НШС-84 для фарватерів шириною 100...250 м імовірність

= 0,997 , (9)

одержимо

у1доп=?/2,95 . (10)

При двосторонньому русі основними судноплавними шляхами України припустима СКП при безупинному позиціонуванні складе 3 м для суден типу “Волго-Дон”.

У п. 3.2 обґрунтовано і розроблено вимоги щодо точності і дискретності позиціонування диференціальних підсистем СРНС, що забезпечують безпеку плавання на ВСШ при сформульованих у п. 3.1 вимогах.

Характерною рисою руху річкових суден в умовах обмеженої видимості, а також у системах автоматичного керування курсом (річкових автостернових) є застосування покажчиків швидкості повороту (УСП). Отже, для плавання по обчисленню на ВСШ використовується інформація про кутову і лінійну швидкості судна. За наявності на УСП зони нечутливості wmin під час

проходження прямолінійним маршрутом судно зміщатиметься з осі суднового ходу. Якщо yдоп - припустима за умовами плавання величина такого зсуву, то час, через який судно зміститься на цю величину, дорівнює

(11)

де V- лінійна швидкість судна.

При цьому похибка пройденої відстані вздовж осі суднового ходу x визначається виразом

Для цих значень tдоп , розрахованих по (11) при використанні як покажчик кутової швидкості УСП - 200, у якого

wmin= 5о/хв.,

величина похибки (12) не перевищить 0,4 м і практично може не враховуватися.

На криволінійних ділянках суднового ходу, коли вирішується задача руху судна з заданим радіусом повороту Rзад, що знімається з карти під час здійснення маршруту, величина похибки зсуву з осі суднового ходу Y дорівнюватиметься похибці R, обумовленій різницею між заданим дійсним радіусом повороту

_________________

Y=Rзад v (?w / w)2 + (?v/ v)2 , (13)

де w і V - похибки кутової швидкості і швидкості судна, відповідно.

УСП-90 і УСП-200 мають

w /w 0,1.

Припускаючи, що

V/V 0,1,

одержимо

Y 0,14Rзад. (14)

Тоді, наприклад при

Rзад=Rсх= 800 м

маємо

Y 112 м.

Отже, на відміну від морських умов на ВСШ під час руху на криволінійних ділянках інформація тільки від засобів обчислення не забезпечує безпеки плавання. Крім того, апроксимація маршруту відрізками прямих ліній на ВСШ недостатня. У формах шляхових точок повинен закладатися радіус повороту, кут повороту і маршрутні координати X початку повороту.

Якщо поворот судна зроблений у часі з погрішністю t, то зсув точки повороту уздовж осі суднового ходу

X=Vt . (15)

Тоді зсув із траєкторії руху дорівнює

і може розглядатися як первісна похибка під час повороту судна. Максимальне значення похибки буде при повороті на 90о. Тоді

Ymax= X . (17)

У такий спосіб під час руху на ВСШ повинні бути сформульовані вимоги не тільки до точності маршрутної координати Y, що визначає зсув судна перпендикулярно осі суднового ходу, але і до подовжньої координати Х. Причому вимоги до точності визначення координат Х и Y рівнозначні.

Аналіз на основі логіко-інформаційної моделі показує, що радіальна похибка позиціонування (з імовірністю 0,95) повинна складати на озерах і водоймищах 25…45 м, на вільних ріках 5…10 м, на каналах 2…5 м.

Отже, на ВСШ України за винятком особливо утруднених ділянок радіальна похибка позиціонування не повинна перевищувати 10 м (Р = 0,95) при дискретності обсервації 5…10 с з використанням засобів числення і 1…2 с під час безпосереднього керування судном за сигналами РНС (індикаторний режим). При ширині суднового ходу 80…100 м і більш така точність позиціонування цілком достатня для забезпечення високої імовірності відсутності навігаційної події (більша, ніж 0,997), коли критерій безпеки руху безумовно виконаний.

У п. 3.3. аналітично досліджено і визначено робочу зону диференціальної підсистеми “НАВСТАР” і “ГЛОНАСС” для забезпечення зазначеної точності обсервації.

При використанні диференціальних методів позиціонування точність поправок у робочій зоні буде визначатися:

- випадковими погрішностями в контрольній точці та у місці прийому на судні;

- ростом погрішностей у залежності від дистанції до контрольної точки, у якій вони були визначені;

- змінами погрішностей у часовій області.

Показано, що випадкові похибки першої групи, які обумовлені нестабільністю еталона часу і навігаційної підсистеми, тропосферною погрішністю, шумами приймача, багатопроміневістю тощо, призводять до результуючої похибки визначення координат (у горизонтальній площині) у 4 м при геометричному факторі рівному трьом.

Установлено, що похибка другої групи в основному визначається зміною Е кута узвишшя супутника Ео. При цьому відносна похибка дорівнює

сtg ЕоcosecЕоE при E 10,

/tp= (18)

cosec(Eо+E) при E 15.

Приведено графічну залежність /tp від Ео і S-віддалення судна від контрольної точки при

R0 = 6378 км

і

Нор = 19100 км,

що показує суттєво нелінійний характер зміни похибок. Для дотримання порядку системи при віддаленні понад 500 км від контрольної точки, необхідно обмежити використання супутників з кутами узвишшя менше 10°. При збільшенні дальності від контрольної точки (від ККС) з 100 км до 500 км деградація похибки збільшується в 5 разів при кутах узвишшя супутників 5°…80°.

Похибки третьої групи переважно обумовлені змінами іоносферної і тропосферної затримок. Показано, що при віці дифпоправок до 10…15 с зміни швидкостей цих затримок не мають істотного значення для точності позиціонування.

У п. 3.4 розглянуто результати випробувань диференціальної підсистеми СРНС “НАВСТАР” для ККС на ст. Горьківська Ленінградської області. Основні характеристики ККС: потужність випромінювання 60 Вт, несуча частота 300 кГц, швидкість передачі даних 100 біт. У якості прийомоіндикатора на т/х “Норильськ” Ладозької технічної ділянки використовувалася модель Т-200Д фірми Jrimble Navigation, що забезпечує точність визначення місця від 3 до 10 м, швидкості до 0,1 вузла з імовірністю 0,95. Маршрут випробувань Петрофортеця - Нова Ладога - Свириця - Петрофортеця.

Результати випробувань підтвердили, що на дистанціях 500…550 км від ККС точність позиціонування може бути забезпечена з круговою погрішністю 10 м (Р=0,95). Отже, при такому віддаленні судна від ККС деградація дифпоравок буде цілком задовільною для позиціонування на більшій частині ВСШ України. Проблема полягає у надійній передачі дифпоправок по каналу зв'язку ККС-судно в будь-який час доби і року.

В п. 3.5 проведено аналіз можливостей надійної передачі дифпоправок у різних діапазонах хвиль: середніх

f = 300 …3 мГц,

= 100 ...1000 м,

коротких

f = 3 ...30 мГц,

= 10…100 м ,

ультракоротких метрових

f = 30 …300 мГц,

= 1…10 м

і нижньої частини дециметрових

f = 300…3000 мГц,

= 0,1…1 м

хвиль.

У цих діапазонах основну увагу було приділено поверхневим (земним) хвилям і сукупностям адитивних і мультиплікативних перешкод. Різного типу просторові хвилі (відбиті: однократні і багаторазові іоносферні, тропосферні тощо) за своєю фізичною природою непридатні для передачі диференціальних поправок.

Установлено, що у діапазоні СВ для передачі таких поправок можна використовувати поверхневі хвилі з дальністю зв'язку до 1000 км. Оскільки час передачі разової диференціальної поправки не перевищує 20..30 с, то мультиплікативні перешкоди у вигляді часових завмирань сигналів можна практично не враховувати. Що ж до різновиду таких перешкод у вигляді селективних завмирань, що руйнують частотну структуру сигналів, то ширина спектра радіосигналів дифпоправок не повинна перевищувати 400…500 Гц, що обмежує максимальні швидкості передачі поправок.

У діапазоні КВ при передачі диференціальних поправок поверхневі хвилі за умовами поширення можливі лише до 200 км. У цьому діапазоні на відміну від СВ необхідно враховувати вже і часові завмирання рівнів сигналів, що відповідають узагальненому релеївському чи просто релеївському законам розподілу імовірностей рівнів. З погляду подолання селективних завмирань краще використовувати робочі частоти у верхній частині діапазону (25…30 мГц), де ширина спектрів радіосигналів дифпоправок може складати величину до 1…2 кГц. Найточнішого прийому сигналів поправок у всьому діапазоні можна досягти лише при застосуванні спеціальних засобів боротьби з зосередженими й імпульсними перешкодами.

Для передачі диференціальних поправок у діапазонах метрових і дециметрових ультракоротких хвиль можна використовувати тільки поверхневі тропосферні хвилі з граничною дальністю зв'язку, обумовленою значеннями

, (18, а)

де h1 і h2 - висоти підйому передавальної і приймаючої антени, відповідно,

А = 3,57103 або 4,12103 - при нормальній тропосферній рефракції.

Для забезпечення найточнішого прийому сигналів поправок у цьому діапазоні необхідно враховувати сильний вплив на правильність профілю рельєфу, що загороджує, між ККС і судном-абонентом. Для апроксимації властивостей реальних рельєфів найбільш придатні в умовах України:

а) показовий закон щільності імовірності висот рельєфу характерний для рельєфів у рівнинній частині басейну Дніпра, Причорномор'я, Дунайської низовини тощо,

б) нормальний закон з одномірною щільністю висот рельєфу, який характерний для Прикарпаття.

Правильність прийому дифпоправок в УКВ діапазоні значною мірою залежить від характеру переміщення суднових прийомоіндикаторів щодо передавача ККС. Виходячи з того, що в будь-який момент прийомоіндикатори приймають сигнали дифпоправок, знаходячись на різних відстанях від ККС, що не перевищують граничної відстані Дпред, у теоретичних і інженерних розрахунках розміщення суден-абонентів описують через функції розподілу чи щільності імовірності відстаней, на яких ведеться зв'язок. Практично найбільш уживані:

а) релеївський закон щільності імовірності взаємних відстаней ККС і суден-абонентів,

б) закон розподілу Максвела, у якому щільність розподілу симетрична щодо середнього значення відстаней.

Точність прийому диференціальних поправок у розглянутому діапазоні істотно залежить від статистичних характеристик амплітудних коефіцієнтів передачі в каналі ККС – судно - абонент. Одномірні щільності амплітудних коефіцієнтів у загальному випадку визначаються чотирьох-параметричним розподілом або трьох-параметричним розподілом Бекмана. У практичних важливих ситуаціях, коли має місце симетрія каналу передачі по дисперсіях квадратурних складових , його одномірна щільність зображається узагальненим релеєвським (райсовським) розподілом.

Експериментальні виміри на УКВ трасах, що існують у науково-технічній літературі, показують, що при далекому тропосферному поширенні радіохвиль зустрічаються як райсівські, так і релеївські розподіли з помітною питомою вагою останніх. При цьому завмирання сигналів носять як гладкий, так і селективний характер. Останні починають виявлятися при частотних розносах гармонійних складових сигналів, що перевищують 1…2 мГц, що дозволяє ефективно використовувати складні сигнали.

З адитивних перешкод для розглянутих ділянок УКВ діапазону характерні флюктуаційні шуми, взаємні перешкоди одночасно працюючих радіозасобів і імпульсні перешкоди промислового походження. Останні особливо помітні в районах великих транспортно-промислових вузлів. Разом з тим рівень адитивних перешкод у цій області частот безумовно нижче, ніж у діапазоні коротких хвиль.

У п. 3.6 досліджено можливості передачі дифпоправок в обраних областях частот ДВ, СВ і УКВ діапазонів сигналами різної структури, як простими, так і складними. Під простими в роботі приймаються двоїсті дискретні або цифрові сигнали, для яких

Fr T= 1…10, r = 1; 2, (19)

де Fr - умовна смуга частот, займана сигналом,

Т-тривалість елементарної посилки.

Водночас складними є двоїсті дискретні або цифрові сигнали, у яких

Fr T 1, r = 1; 2. (20)

Звичайно в складних сигналах величина FrТ, яка названа базою сигналу, складає від декількох десятків до тисячі і більше одиниць.

Установлено, що з трьох відомих класів сигналів: рівнобіжної, послідовної і послідовно-рівнобіжної структури для передачі дифпоправок придатні, очевидно, лише останні два. Тому, насамперед, проаналізовані частотно-часові і кореляційні властивості і розкриті можливості послідовних фазокодованих сигналів виду:

Nr

Zr(t)=УUm rect[t-(k-1)фo]cos(щн t + Шo + Шrk), (21)

k=1

де r = 1;2 t [0;T]

Т = Nr фo ;

фo, - тривалість елементарного сигналу,

Um - амплітуда,

щн – несуча частота,

Шo – деяка початкова фаза,

1, при (к-1)?o ? t ? kфo

rect [t-(k-1)фo] = (22)

0, при (к-1)?o > t > kфo ,

Шrk = drk ?р, drk [0;1] . (23)

Як кодові послідовності розглянуті М-послідовності Хаффмена, а також сегменти таких послідовностей, що найбільш широко використовуються на практиці.

Установлено, що для сигналів (20) база дорівнює

Fr T = 2Nr , (24)

а кількість ортогональних варіантів сигналів для М-послідовностей однакового періоду

Nr = 2 n - 1

визначається співвідношенням

1

КN = — Ф (2n – 1), (25)

n

де Ф(*) – функція Ейлера, що визначає кількість чисел у ряді 1, 2,...(Nr - 1) взаємно простих з числом Nr.

При виборі структури аналізованих сигналів для передачі дифпоправок доцільно орієнтуватися на кодові послідовності порівняно невеликої довжини, що містять Nr = 7; 15; 31; 63 двоїстих символів (n = 3; 4; 5; 6 відповідно). Вони порівняно нескладно генеруються, у той же час вирішують задачу досить ефективного придушення перешкод. Разом з тим для таких n число варіантів сигналів обмежене. Це число може бути істотно збільшене за рахунок утворення сегментів М-послідовностей. Розбиваючи М-послідовність великої тривалості L на сегменти тривалості

Nr L

при сегментах, що не перекриваються, маємо їхнє число

L

К с = ———. (26)

Nr – 1

Вибираючи необхідну тривалість L, завжди можна забезпечити необхідне Кс. Наприклад, виберемо

L = 219-1 = 524287.

Тоді одержимо число сегментів, що наведене в табл. 1.

Таблиця 1

Залежність числа сегментів Kc від кодової послідовності Nr

Nr | 7 | 15 | 31 | 63 | Кс | 8747 | 3749 | 1749 | 846 |

Така кількість варіантів кодових послідовностей уже цілком достатня для організації мережі ККС на загальнодержавному рівні України.

Аналіз формування дифпоправок показує, що при триразовому повторенні повідомлення поправки за 30 с параметри о і Fr фазокодованих сигналів набувають значення, що наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Тривалість елементарних сигналів

Nr | 7 | 15 | 31 | 63 | о , мс | 3,671 | 1,713 | 0,829 | 0,408 | Fr, кГц | 0,545 | 1,156 | 2,412 | 4,901 |

Порівнюючи значення Fr із припустимою шириною спектрів радіосигналів за умовою відсутності селективних завмирань, можна зробити висновок, що в діапазоні СВ застосовані фазокодовані сигнали при Nr 7, у діапазоні КВ - при Nr 15, в УКВ діапазоні застосовані всі розглянуті значення Nr. У класі послідовно-рівнобіжних сигналів досліджено двоїсті сигнали з дискретно-частотною маніпуляцією (ДчМн) виду

N

Zr(t) = У Um rect[t-(k-1)фо] cos (щrk t + Ш rk+ Шо), (27)

к=1

де r = 1;2, t [0,T],

Т = N о, (28)

о - тривалість елементарного сигналу, що визначає крок квантування за часом,

(29)

= rk - r(к-1)- мінімальний частотний зсув несучої, який визначає

крок квантування по частоті.

В послідовності, що маніпулює,

{ rk } {1, 2, ... N. (30)

N визначається М-послідовністю, тобто

N = 2 n - 1 . (31)

Значення уо визначається за формулою

, (32)

що забезпечує симетричне розташування спектра сигналу щодо несучої частоти н.

В дисертації представлені приклади оптимальних послідовностей, що маніпулюють, при яких бічні максимуми автокореляційної функції сигналу (27) не перевищують значення 1/N.

Розширення ряду послідовностей, що маніпулюють, досягається побудовою квазіоптимальних ДчМн сигналів, оптимізованих за рівнем не авто-, а взаємно кореляційної функції, коли максимальні рівні її “викидів” не перевищують 1/N.

Послідовності, що маніпулюють, дозволяють синтезувати досить широкий ряд ДчМн сигналів при

N=5;7,

необхідний для створення мережі ККС, значно менший за обсягом, ніж можливий ряд фазокодованих послідовностей сигналів для цих же значень N.

Незважаючи на привабливість ДчМн сигналів, що полягає в розвитку ідей частотної телеграфії стосовно складних сигналів, на їхню застосовність у радіоканалах ДВ-СВ, КВ і УКВ накладаються досить тверді обмеження через селективні завмирання. У дисертації представлені результати розрахунку параметрів о, N і Fr для деяких ДчМн сигналів в умовах формування сигналів дифпоправок, що наведені у табл. 2.

За умовою відсутності селективних завмирань із ДчМн сигналів для СВ діапазону застосовані лише сигнали для

N = 3; 5,

причому

N = 5

для верхньої частини СВ діапазону 1…3 мГц. У КВ каналах застосовані сигнали при

N = 5,

а для верхніх частот 25…30 мГц і при

N = 7.

Розділ 4 містить результати кількісного аналізу радіусів і зон дії ККС, що створюють електромагнітне поле дифпоправок у діапазонах ДВ (верхня частина) і СВ на ВСШ України. Переважна увага приділена частотам:

f = 250 кГц

= 1200 м

основній частоті і

f = 450…490 кГц

= 667…638 м

розширювальним частотам національного НАВТЕКСа.

У п. 4.1 на основі методу М.В.Шулейкіна, Б.Ван-дер-Поля отримане трансцендентне рівняння, рішення якого дозволяє визначити радіус rc і зону дії кожної ККС у структурі дифпідсистеми. Це рівняння має вигляд

(33)

де W(rc) - множник ослаблення, що є функцією параметра с,

і - діелектрична проникність і провідність земної поверхні.

Постійна енергопотенціалу канал ККС-судно-абонент Вэ дорівнює

де Ризл - потужність передавача ККС,

Рпрmin - чутливість приймача суднового прийомоіндикатора,

Gпр, Gпер і ін, пер - коефіцієнти підсилення антен і к.к.д. фідерних трактів приймача і передавача, відповідно.

В п. 4.1 побудовані залежності відстані зв’язку rc від Ризл, отримані рішенням рівняння (33). Як параметри кривих були використані типові значення

Gпр = Gпер = 1,

пр= пер = 0,9,

= 666,67 м,

= 15,

= 100.

Із графіків випливає, що для досягнення rc = 500 км чутливість суднових приймачів диференціальних поправок повинна бути не менше 2,510-7 Вт. У цьому випадку зазначений радіус дії ККС досягається при потужності її передавача

Ризл = 200 Вт.

Збільшення чутливості приймача до значення 6,2510-8 Вт дозволяє зменшити потужність передавача при тому ж значенні rc до 50 Вт.

Рівняння (33) може бути ефективно використане для розрахунку rc на відстанях до 1000 км. Для великих відстаней, у тому числі області півтіні електромагнітних хвиль, доцільно використовувати підхід В.А.Фока (п. 4.2), на підставі якого рівняння для перебування радіуса зони дії ККС отримано в формі

rс

-5/6? —————

(Rо ? л /р) 1/3 1

rcI 10 = —— Bэ , (36)

де Rо = 6,37106 м - радіус Землі.

З урахуванням прогнозованої дальності дії ККС до 500…550 км перевага надалі віддана рівнянню (36).

У п. 4.3 проведено аналіз зон дії ККС на ВВП України з урахуванням впливу особливостей поверхні, що підстилає, і експлуатаційно-технічних характеристик передавача ККС на радіус їхньої дії. Для кожного i-того пеленга рівняння (33) представлено у вигляді

де rci - радіус дії ККС по i-тому пеленгу,

Wi і Вэi визначені співвідношеннями (34), (35) з відповідною заміною , на i,i і Gпер на Gперi c урахуванням спрямованих властивостей антени ККС.

Для антени передавача ККС враховані два характерних з погляду практики випадки.

Перший, коли

Gперi = Gпер = 1, (38)

що є характерним для вертикальної “штирьової” антени з круговою діаграмою спрямованості в горизонтальній площині.

Другий випадок, якщо

р р

Gперi = Gпер [1+cos(± — + ц i)] = 1 ·[1+cos(± — + ц i )] , (39)

2 2

ц i (0, 2р),

що являє собою діаграму спрямованості типу “кардіоїда” у горизонтальній площині.

По осі максимального випромінювання тут забезпечується

Gпер ?/2;3/2р =2,

а в перпендикулярному напрямку

Gпер 0;р =1.

В роботі приведено значення дальності дії ККС для різних видів земної поверхні і різних пір року, отримані на основі рішення рівняння (37), аналізуючи які можна зробити такі висновки:

1. Діапазон частот

f = 250 кГц (л = 1200 м),

який використовується національним НАВТЕКСом України і морською радіомаячною службою, більш сприятливий за дальністю дії за інших рівних умов, ніж діапазон

f = 450 кГц (л= 666,7 м)

мінімальної розширювальної частоти національного НАВТЕКСа. Перехід від

f = 450 кГц

до

f = 250 кГц

збільшує дальність у 1,9 рази для великих водних басейнів і сухого ґрунту, у майже 4 рази для умов вологого ґрунту, у 2,3 рази - для великих лісових масивів.

2. Влітку для регіонів з характерним сухим ґрунтом (середній плин і дельта Дніпра) дальності дії ККС за інших рівних умов менше, ніж для вологого ґрунту (верхній плин Дніпра, судноплавні шляхи Дунаю тощо). Так, при

f = 450 кГц ( = 666,7 м)

варто очікувати в останніх районах скорочення rc ККС у середньому в 1,9 рази. Для частоти

f = 250 кГц (л = 1200 м)

цей ефект виявляється більш виразно. В цьому випадку радіус зменшується у 2,3...4,5 разів.

3. Взимку умови поширення радіохвиль для

f = 250 кГц

і

f = 450 кГц

не відрізняються від умов поширення над покритими льодом водними поверхнями озер і рік. Відповідно зберігається і дальність дії ККС. Умови ж мерзлого ґрунту істотно кращі у порівнянні, наприклад, з сухим ґрунтом, тому що rc у першому випадку приблизно вдвічі більше, ніж у другому. Однак, глибокий сніговий покрив істотно знижує величину rc у порівнянні з випадком сухого ґрунту (у 1,7…2 рази).

4. Наявність значних масивів лісу навколо ККС неприпустимо знижує дальність дії ККС при кожній із зазначених робочих частот, що висуває додаткові вимоги щодо розміщення антен ККС поза лісовими масивами. Можна стверджувати, що ліс повинен бути відсутній навколо антени ККС у радіусі не менш л, тобто не менш 1200 м і 666,7 м.

У розділі 5 проведено аналіз зон і радіусів дії ККС, що створюють суцільне електронавігаційне поле дифпоправок у діапазоні УКВ на ВСШ України. Особливу увагу приділено морському

f = 156,8 мГц

л = 1,913 м

і річковому

f = 300…336 мГц

л = 0,893…1 м

наборам частот цього діапазону. У п. 5.1 представлено найбільш загальні з відомих у сучасній науково-технічній літературі рішення, що враховують при розрахунку радіусів і зон ККС стохастичну природу каналів радіозв'язку, змін рельєфу, що загороджує, і процесу переміщення суден-абонентів відносно ККС. У зв’язку з цим вирішено задачу оптимізації радіуса зони