CC BY
48
СУДОВОЖДЕНИЕ И БЕЗОПАСНОСТЬ НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ
УДК 621.391.6:656.621 В. М. Журавлев,
аспирант,
СПГУВК
ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЗОН ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМ ТРАНКИНГОВОЙ РАДИОСВЯЗИ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ
TOPOLOGICAL STRUCTURE OF COVERAGE OF TRUNKED RADIO COMMUNICATION SYSTEM ON INLAND WATER WAYS
В данной работе рассматривается задача оптимизации радиуса действия и размеров зон береговых или базовых радиостанций, используя стохастические модели информационных каналов с учетом распространения УКВ-радиоволн, изменения заграждающего рельефа между береговой станцией и приемником судна, процесса перемещения приемника судна относительно береговой станции.
The task of optimization of range and size of the shore or base radio station zones is considered using stochastic models of information channels taking into account radio wave propagation, changing of obstructing relief between shore station and receiver of the ship, movement of ship station relating to shore one.
Ключевые слова: внутренние водные пути, автоматические системы управления движением судов (АСУ ДС), транкинговые радиостанции, заграждающий рельеф, вероятность ошибки, зона действия, чувствительность приемника, корпоративные речные информационные системы (КРИС), речные информационные службы (РИС), заграждающий рельеф, распределение Рэлея.
Key words: inland water ways, automatic vessel traffic service, trunked radio stations, obstructing relief, probability of error, coverage, receiver sensitivity, corporative river information system, river information services (RIS), obstructing relief, Rayleigh distribution.
ВОДНЫЙ транспорт рассматривается как альтернатива автомобильному и железнодорожному. На основных направлениях перевозок в России дороги перегружены, а пропускная способность ВВП далеко не исчерпана. Водный транспорт считается более безопасным для человека и окружающей среды, чем другие виды транспорта.
На сегодняшний день особое внимание уделяется наблюдению и управлению транспортными потоками на ВВП. Осуществление этих задач производится с помощью береговой инфраструктуры иерархической триады: Корпоративная речная информационная система (КРИС) — Речная информационная служба (РИС) — Автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС). Основной целью КРИС является информационное обеспечение процесса управления и мониторинга транспортных потоков на ВВП. Отраслевой формой реализации этого класса информаци-
онных систем являются организационно-технические образования, получившие название Речные информационные службы (РИС), основной составляющей которых являются Автоматизированные системы управления движения судов (АСУ ДС).
В последнее время пристальное внимание специалистов вызывает анализ возможностей транкинговой радиосвязи для повышения эффективности АСУ ДС по мониторингу и управлению транспортным процессом.
Для разработки топологической структуры аналоговых информационных систем АСУ ДС весьма важное значение имеет решение задачи оптимизации радиуса действия и размеров зон береговых или базовых радиостанций, определяющих в конечном счете структуру и технологические особенности построения указанных систем. Системы транкинговой радиосвязи используют диапазоны, группирующиеся относительно 155 и 40 МГц.
Выпуск 4
|Выпуск4
В отечественной и зарубежной литературе известны различные процедуры такой оптимизации, базирующиеся как на детерминированных, так и на статистических моделях.
В последние 15-20 лет сформировался, по-видимому, наиболее общий подход к решению задачи оптимизации, использующий стохастические модели информационных каналов. Данные модели учитывают вероятностную природу трех основных групп факторов, влияющих на верность передачи сообщений:
— распространение УКВ-радиоволн с учетом параметров приемопередающих трактов аппаратуры;
— изменение заграждающего рельефа между береговой (базовой) станцией и приемником (приемоиндикатором) судна;
— процесс перемещения приемника (приемоиндикатора) маломерного судна относительно береговой (базовой) станции.
Рассмотрим вероятностные модели каналов передачи информации.
Предполагается, что в информационных УКВ-каналах АСУ ДС передача сообщений, как правило, будет ограничиваться предельными дальностями (при наличии нормальной рефракции УКВ-радиоволн коэффициент перед круглой скобкой в (1) становится равным 4,12):
-^предМ = 3> 57СДм] + ^/г2[м]), (1)
где h1 и h2 — соответственно высоты предающей и приемной антенны в метрах на линии «береговая (базовая)-судовая радиоустановки».
В этих условиях реакция УКВ-радио-канала на моногармоническое входное воздействие имеет в месте приема вероятностное описание для принимаемого многокомпонентного (многолучевого) сигнала
до=евд,
(2)
1=1
где Y(t) — комплексная амплитуда /-го луча; N — количество параллельных лучей. Обычно N > 5-10.
Тогда имеет место слабая зависимость друг от друга отдельных слагаемых в (2), а также то, что Г.(0 — величины одного порядка.
Это позволяет использовать центральную предельную теорему теории вероятностей и считать, что квадратурные составляющие у() и уДО сигнала
У(0 = Щ0|-емо, (3)
где Ц(0 = |П0| = ^2(0+Л(0
.УМ
и ф(0=аг§7(0 = -агсі§
У Лі)
(4)
соответственно огибающая и начальная фаза сигнала (3), а Г(0 и Г(0 являются гауссовскими независимыми случайными величинами с
математическими ожиданиями т и т , а так-
2 2
же дисперсиями ос и оя соответственно.
Огибающую ц(0 чаще называют коэффициентом передачи информационного канала. Тогда одномерная плотность распределения коэффициента передачи ц(ґ), зависящая от этих четырех параметров, получила название четырехпараметрического распределения. Она может быть представлена в форме
IV (її) - ^ ехр
-т.
ст
т
. і
<
1 1
с у; *<;■ о?
т1 Л
Я.
2
£^(2к)\\2
а=
т„
(5)
(6)
где Н2к(0) — полином Эрмита порядка 2к: 1к(•) — модифицированная функция Бесселя к-го порядка.
Из этого распределения следуют весьма важные для приложений случаи.
При определенном фазировании регулярной составляющей ц сигнала (2) имеет место
т = 0; и = т .
Я "Гр ■?
(7)
Тогда из (3.5) следует трехпараметрическое распределение Бекмана:
к= 0
(8)
2
2
о
о
с
Я
X
X
Дальнейшее упрощение (8) имеет место при симметрии информационного канала по дисперсиям квадратурных составляющих, когда выполняется условие
(9)
2 2 2 о = о = о
cs
Тогда из (8) следует весьма распространенное на практике распределение Райса-Рэлея, или обобщенное распределение Рэлея:
Ж(у) = -^ехр сг
2 ст2
■L
(iO)
Отсюда следуют два важнейших для приложений случая. Во-первых, при отсутствии регулярной части сигнала:
ц, = 0, (11)
из (10) получают распределение Рэлея для коэффициента передачи информационного канала:
Г(ц)=-^ехр
а
.2 Л
2 а2
(i2)
Во-вторых, при отсутствии случайных изменений квадратурный компонент сигнала (2), когда
о2 ^ 0, (13)
из (2) следует, что Щц) превращается в дельта-функцию при
(i4)
что соответствует весьма типичному случаю канала с постоянными параметрами.
Целью данной работы является исследование дальности и зон действия транкинговых радиостанций с учетом влияния указанных стохастических факторов, что позволит рационально определять топологическую структуру таких зон на речных судоходных путях.
Известно, что среди класса транкинго-вых радиостанций определенное место занимают аналоговые средства типа 8ша1!тпк II и др.
Для случая передачи аналоговых сообщений оптимальный радиус зон действия ба-
^ -трЫ
зовых станций К имеет вид
Я4* = тахР{^ > оД Я е [0,^ ] (15)
где /*{•} — вероятность события {•}; и — уровень принимаемого сигнала; и,г — заданный минимальный уровень принимаемого сигнала
(16)
и = а и .
pr з sens
Рис. 1. Транкинговая радиостанция стандарта Smartrunk II
Здесь usens — чувствительность приемника; а — заданное превышение и над и ,
’ з 1 pr sens'
обычно аз = 1-3, наконец, Лпред. определяется соотношением (1).
Для наиболее общего случая P{us > upr} может быть определена как вероятность наступления трех следующих событий: расстояние между корреспондентами не превышает предельно допустимого .Кпред. при работе на ровной поверхности Земли; случайный рельеф между корреспондентами не превышает высоты первой зоны Френеля (п < в1); ожидаемый уровень сигнала при обязательном выполнении предыдущих условий превышает upr.
Следовательно:
>»рГ}=р{к<КееЯ) х х Лл<>мгг1Я<Я^;
П < в1> (17)
Соотношения (5) и (17) представляют собой общую структуру алгоритма оптимизации топологии аналоговой информационной системы АСУ
ДС.
Аналитическое содержание входящих в (10) вероятностей определяется соответствующей используемой вероятностной моделью (табл. 1):
[ее I
Выпуск 4
Выпуск 4
Таблица 1
Вероятностные модели информационных каналов
Фактор Модель 1.1 1.2 1.3
Канал связи «БС-судовой транспондер Заграждающий рельеф Перемещение транспондера относительно БС
1 Четырехпараметрическая модель Модель нормального закона Модель равномерного закона
2 Трехпараметрическая модель Бекмана Модель равномерно- заграждающего рельефа Модель закона Рэлея
3 Двухпараметрическая модель Райса-Рэлея Модель показательного закона Модель закона Максвелла
4 Однопараметрическая модель Рэлея
5 Модель канала с постоянными параметрами
Рис. 2. Зависимость дальности связи от высот антенн
Рассмотрим примеры решения задачи оптимизации зон и радиусов действия береговых транкинговых радиостанций, работающих в диапазоне 156-162 МГц. Вместе с тем следует понимать, что определенное внимание при создании АСУ ДС должно быть уделено и каналам речной подвижной службы 300-336 МГц, а также сопоставительному анализу топологии зон действия береговых транкинговых радиостанций указанных диапазонов.
В рассматриваемой ситуации регионов Волго-Балта, Волго-Дона, Азово-Ростова в ряде случаев встречается закон Рэлея распределения расстояний между корреспондента-
ми:
JV(R) = -^-ехр
где СТ2=Л2-- (18)
2 а I л
Тогда в соответствии с (17) для алгоритма оптимизации (15) вероятность:
^пред.
Х 2 ^ред.
где 8 = -f=-—r—. л/я R
(19)
На рис. 2 по формуле (19) построены зависимости вероятности Р{К < К } от К. Зна-
г ^ пред.-*
чение предельной дальности связи определяется соотношением (1).
Значения этих высот относительно кривых (рис. 2) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значение предельных дальностей связи
№ кривой ^[м] R [км] пред.
1 10 10 22,59
2 15 20 33,38
3 15 30 39,07
Используя рэлеевский закон для нахождения вероятности Р{п < 61}, получим
(20)
где
2°p
тогда
144
2a
(21)
(22)
p о
сх^ *
1)* •—----- и интегрируя, получим
к=о к\
к + 2
к+2
0Р 4 , (23)
где 0=-р 2
/ \2 ' 12 '
аХ
v р
В этом разложении всегда можно ограничиться конечным числом членов знакопеременного ряда, причем ошибка не превышает по абсолютной величине первого из отброшенных членов. На рис. 3 представлены построенные по (23) зависимости Р{п < Ь1} от К. Для параметра ан взяты его значения: кривой 1 соответствует а = 0,10, кривой 2 — ан = 0,05, а кривой 3 — ан = 0,01.
Вероятность Р{и > и К < К , п < Ь,}
г ^ я рг пред.’ 1 1-*
определяется соотношением
и,,
Р{и5>иргК< л <^} = 1-(т)йис (24)
где
Используя разложение ехр(-ая-л:)= W(U')- exp
у \ V £/ 0^2тт У
2 а2//
Р с
(25)
(26)
тогда
Здесь
А = [Ри.01Ч1.С2.ц2.2ш + А2) (А2 + К )]2, (27)
Выпуск 4
|Выпуск4
причем Н0 — минимальная эффективная высота антенны в метрах, определяемая для параметров средних между сухой и влажной почвой;
Ри — мощность излучения передатчика; 2ВХ — входное сопротивление приемника; G1 и G2 — соответственно коэффициенты усиления приемной и передающей антенн; п и п2 — соответственно коэффициенты полезного действия систем передачи энергии от передатчика к передающей антенне и от прием-
ника к приемной антенне.
На рис. 4 построены по (26) зависимости этой вероятности от К. Принято G1 = G2 = 1; П1 = п2 = 0,9; 2ВХ = 75 Ом; ивх = 1,0 мкВ, к0 = 5 м. Задано превышение сигнала над шумом а3 = 3, длина волны X = 2 м (150 МГц).
Высоты передающей (судовой транспондер) и приемной (береговой пост) антенн, а также мощности передатчиков для соответствующих номеров кривых приведены в табл. 3.
Рис. 3. Зависимость Р от а„
н
1102^
Рис. 4. Зависимость Р от мощности передатчика Ри
Таблица 3
Высоты судовой и береговой антенн
№ кривой ^[м] ^[м] Ри (Вт)
1 10 10 7
2 10 10 15
3 10 10 25
Рис. 5. Зависимость результирующей вероятности ошибки Р от радиуса зоны действия
транкинговой радиостанции
Объединяя соотношения (19), (23) и (26), получим для случая рэлеевского распределения между корреспондентами следующее окончательное выражение вероятности (17):
рР. >и„}-
1-ехр
^ -п-2 ^
-^62 ч 16 ,
1-ехр
* ґк+ 2Л
•0/
2а2и
Р рг J
(28)
5- 2 -^пред.
о = ---------.
-Уя Л
2 , 1
■-■К*Д, = 7
71 2
12
су А,
V р у
Г(*) — полная гамма-функция.
(29)
где
Заметим, что при оптимизации по (15) и (28) во втором множителе последнего выражения всегда можно ограничиться в разложении конечным числом членов знакопеременного ряда. Ошибка при этом не превысит по абсолютной величине первого из отброшенных членов.
Для иллюстрации этого положения на рис. 5 представлены результаты демонстрационного расчета Р{и > и,г } от К.
х
X
X
X
Выпуск 4
|Выпуск4
Таблица 4
Соответствие кривых параметрам канала
№ кривой ан ^[м] ^[м] Ри (Вт)
1 0,1 10 10 7
2 0,05 10 20 15
3 0,01 15 30 25
Рис. 6. Зоны действия транкинговой радиосвязи
В соответствии с значениями кривой 3 на рис. 3 построена топологическая структура зон действия транкинговых радиостанций типа 8тагітпк II для вероятности Р = 0,8 (сплошная линия) и вероятности Р = 0,6 (пунктирная линия).
Как видно из рис. 6, уже при вероятности верного приема Р = 0,8 обеспечивается топологическая структура зон дейст-
вия транкинговых станций с достоверным уверенным приемом на всем протяжении представленного судоходного пути. Снижение верности приема до Р = 0,6 позволяет обеспечить топологическую структуру зон действия транкинговой станции с полным перекрытием всех участков судоходного пути, правда при этом несколько снижается верность приема.
Список литературы
104]
1. Доровских А. В. Сети связи с подвижными объектами / А. В. Доровских, А. А. Сикарев. — Киев: Техника, 1989. — 158 с.
2. Библиотека математических таблиц. Таблицы вероятности функций / под ред. А. С. Барк; ВЦ АН СССР. — М., 1970. — Т. II.
3. Красников В. В. О расчете дальности и зон действия речных автоматизированных идентификационных систем при рэлеевской модели взаимного перемещения судового транспондера относительно береговой станции / В. В. Красников, А. А. Сикарев, А. В Холин // Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. А. А. Сикарева. — СПб.: СПГУВК, 2006. — Вып. 6. — С. 108-112.
4. Калинин А. И. Распространение радиоволн и работа радиолиний /А. И. Калинин, Е. Л. Че-ренкова. — М.: Связь, 1971. — 440 с.
