CC BY
89
УДК 656.628:621.396: 629.12.018(075.8)
АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ РАДИОКАНАЛОВ ПОДСИСТЕМЫ АИС РЕЧНОЙ АСУ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ
Шахнов С.Ф., к.т.н., доцент кафедры инфокоммуникационных систем морского и речного флота, ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова,
Санкт-Петербург, Россия, e-mail: sfshah@yandex.ru
Рассматривается возможность использования подсистемы АИС в качестве дополнения к дифференциальной подсистеме СРНС ГЛОНАСС/GPS. Проанализированы источники взаимных помех в диапазоне частот АИС и их характеристики. Предложен алгоритм оценки помехозащищенности радиоканалов АИС при воздействии взаимных помех на основе исследования вероятности ошибки поэлементного приема дискретных сообщений.
Ключевые слова: помехозащищенность, вероятность ошибки поэлементного приема, энергетика помехи, взаимные помехи.
THE ALGORITHM ESTIMATES THE NOISE PROTECTION OF THE RADIO SUBSYSTEM AIS OF RIVER ASC VESSEL TRAFFIC UNDER THE INFLUENCE OF
THE MUTUAL DISTURBANCES
Shakhnov S., Ph. D. (tech), associate professor of Maritime and river fleet infocommunication systems chair, Admiral Makarov state university
of maritime and inland shipping
The possibility of using the subsystem AIS in addition to the differential subsystem of the SRNS GLONASS/GPS. Analyzed the mutual disturbances sources and their characteristics. An algorithm for estimating the noise protection of the radio AIS under the influence of mutual disturbances based on a study of the probability of the error ofpiece-by-piece method of the discrete messages.
Keywords: noise protection, probability of the error of piece-by-piece method, power engineering of interference, mutual disturbances.
Повышение безопасности навигации на внутренних водных путях (ВВП) России сопряжено с необходимостью внедрения современных инфокоммуникационных технологий, создающих базу для развертывания автоматизированных система управления движением судов (АСУ ДС) [1].
Важнейшим элементом АСУ ДС является подсистема АИС (автоматизированная идентификационная система), работающая в УКВ диапазоне частот и обеспечивающая высокое качество мониторинга движения судов.
Кроме того, как показали исследования [2], на ВВП России АИС также может быть использована в качестве дополнения к дифференциальной подсистеме ГЛОНАСС/GPS, обеспечивая целостность высокоточного поля дифференциальной поправки в локальных зонах воздействия индустриальных помех.
Использование в подсистеме АИС метода множественного доступа с временного разделением (TDMA) исключает воздействие взаимных помех от соседних базовых станций (БС). Поэтому взаимные помехи в радиоканалах БС АИС могут создаваться только УКВ радиостанциями других служб и систем.
Диапазон частот, выделенный сегодня для УКВ радиосвязи на ВВП (300 337 МГц), весьма далек от частот международных каналов АИС (161.975 МГц и 162.025 МГц). Верхняя граница FM диапазона, выделенного вещательным радиостанциям, составляет 107.5 МГц. Радиолюбительский диапазон находится в полосе 144 -:- 146 МГц при допустимой мощности передатчиков 5 Вт. Поэтому даже дальние гармоники сигналов этих служб не могут создать сколько-нибудь заметных помех сигналам БС АИС.
Однако частоты, выделенные каналам АИС, входят в так называемый российский служебный диапазон 136 174 МГц, внутри которого выделены полосы частот для многочисленных гражданских и военных ведомств, таких как ФСБ, МВД, МЧС, МО, скорая помощь и других [3]. Именно станции этих ведомств могут стать источником взаимных помех для каналов АИС. Ближайшими к частотам АИС являются: 159.2 МГц - частота сети узкополосного персонального вызова общего пользования на всей территории РФ, за исключением Мурманской, Иркутской областей и республики Коми; 163.2-164.2 МГц - полоса частот, используемых станциями подвижной службы ведомственного назначения. Таким образом, минимальная рассторойка частот несущих сигнала и помехи Щ может составить 1.2 МГц.
В УКВ диапазоне частот при длине волны порядка 2 м, неровности рельефа могут оказывать заметное воздействие на помехозащищенность радиоканала. Как показано в работе [4] для водных путей Европейской России наиболее характерен показательный закон распределения рельефа с плотностью вероятности
W(H) = aexp(-aH ),
где a - параметр распределения высот (для ЕГС европейской части России лежит в пределах 0.01 -:- 0.1). Для среднего и нижнего течения рек Сибири наиболее характерен равномерный закон распределения рельефа с плотностью вероятности вида
W H) =(н - н )
max min . (2)
Для оценки помехозащищенности радиоканалов речных АИС построим алгоритм, базирующийся на определении вероятности ошибки поэлементного приема. Рассмотрим наиболее тяжелый случай - не замирающий сигнал и не замирающая взаимная помеха. Помехи, так же как и полезный сигнал примем как цифровые с фазовой манипуляцией несущей. Кроме того, с учетом вышеприведенной оценки электромагнитной обстановки, спектры сигнала и взаимных помех можно считать неперекрывающимися. Тогда, при некогерентном приеме, вероятность ошибки поэлементного приема цифрового сообщения будет определяться выражением [5]
p ош = °-5exp
h2
T(1+g2)
10(h2g ) + 0.5[1-Q(h,hg )],
(3)
1 (h2 g ) g2
где Q - функция Маркума; 0 ' - модифицированная функция Бесселя первого рода, нулевого порядка [6]; - коэффи-
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №1 2015 | 135
Н
2
циент взаимного различия (КВР) сигнала и помехи; ' " - энергетика сигнала.
х , X
Энергетические параметры полезного сигнала и помехи
^е^БсП БСС Т' I ТУ* БС
X
в УКВ диапазоне определяются выражениями [7] РсСБСП БССТЛ Т(/БС + /о){/Т + 10)
2Р
пр.шт
2 , т2\п2
(4)
X п
_ рпопп „с г л т(/п2 + /ж + /р)
2Р
пр.шт
; СБС СТ и ПБС ПТ
(5)
где Рс, Рп - мощности передатчиков сигнала и помехи соответственно; 0БС, ОТ и 11БС, 11Т - коэффициенты усиления антенн и к.п.д. антенно-фидерных трактов БС и судового транспондера соответственно; / /Т - высоты антенн БС и судового транспондера; /0 - поправка на сухую почву;
Оп, Пп, и /п - коэффициент усиления антенны, к.п.д. антенно-фидерного тракта и высота антенны источника помех; Рпрш!п - порог чувствительности приемника.
В этом случае энергетика помехи может быть представлена в виде
Нп
Х п
Я4
(6)
где Я - расстояние от источника помехи до судового транспондера.
Произведем оценку сверху влияния взаимных помех на помехозащищенность радиолиний подсистемы речной АИС. Для этого примем временной сдвиг сигнала и взаимной помехи равным нулю ( 0), что соответствует моногармонической помехе. Тогда для вычисления КВР воспользуемся выражением
22
ё
Н1 ( Бтпотл
Н
V
пО Т
/
(7)
где Т — длительность одной посылки сигнала.
Подставив выражения (6) и (7) в уравнение (3), получим
рош _ 0.5 + 0.5ехр Ж Бт пОТ
_х___АтлОТ
2Я4 2ЯЧ пОТ
(БшпОТ \ пОТ )
х
I
2г>2
V
Кс2К
пОТ
0.50
л/х. Бт пОТ
7
Кс2' К
с п
пОТ
/
(8)
При исследовании поля дифференциальной поправки в различных точках судового хода, процесс перемещения судовых транс-пондеров относительно базовых станций является детерминированным. В то же время перемещение источников взаимных помех от мобильных станций государственных служб носит случайный характер. Для его описания воспользуемся релеевским законом распределения источников взаимных помех, как наиболее жестким из всех законов распределения. В этом случае плотность вероятности расположения источников помех будет описываться выражением
/
К (Кп) _|п-ехр
о
2
Яп \
2о п
п
о
где п - максимальное значение плотности вероятности расстояния до помехи ( источников помех.
Усредненная вероятность ошибки будет равна
2 _п К 2 п_8Кп К2
п
(9)
среднее расстояние до
Рош _ п)рош(Кп¥Яп
0
Подставив в (8) выражение (11), с учетом (9) и (10) получим
(11)
11 Г Я
Рош _ 2 + 2 ехр
X
Я'
X п
и
Ух^ Бш(пОТ)
Я 2Я2 пОТ
с п
2 Л
2Я4 2о 2 2Я „
dR
Бш(пОТ) пОТ
х
17 я
2№ехР
0 п
Я
2о 2
б
бш пОТ Я 2' Я 2 ' пОТ
dR„
136 ТКАШРОКТ БШШБББ Ш ЯиББТА | №1 2015 |
2
Следует отметить, что все параметры, входящие в выражение (12), кроме расстояний до источников помех, являются детерминированными, так как технические характеристики передатчиков, используемых соответствующими ведомствами в полосе частот 163.2-164.2 МГц на конкретном участке ВВП России считаются известными.
Таким образом, алгоритм оценки помехозащищенности радиолиний БС АИС - судно будет иметь следующий вид:
- по заданным мощностям передатчиков, коэффициентам усиления и к.п.д. антенно-фидерных трактов, высотам антенн БС АИС и станций, создающих помехи, а также по заданным высотам антенн, коэффициентам усиления и к.п.д. антенно-фидерных трактов и предельно допустимой чувствительности судовых транспондеров по формулам (4) и (5) определяют энергетические параметры ч сигналов и помех;
- по табличным значениям находим модифицированную функцию Бесселя первого рода нулевого порядка и определяем функцию Маркума;
- подставляя заданные значения: расстройки несущих сигнала и помех Щ, длительности посылки Т, расстояния от БС до точки приема, а также найденные выражения для функций Бесселя и Маркума в выражение (12), получим осредненную вероятность ошибки поэлементного приема цифрового сообщения в канале БС - судовой транспондер в условиях воздействия взаимных помех с релеевским законом распределения положения источников;
- сравниваем полученное значение вероятности ошибки с предельно допустимым значением;
- если условие ^ош ^ ош.доп выполняется, то помехозащищенность радиоканала по критерию обеспечения допустимой вероятности ошибки поэлементного приема считается обеспеченной.
Для реализации разработанной методики создано программное обеспечение в среде МАТ^АВ. На рисунке приведен результат расчета помехозащищенности для исходных данных, приведенных в таблице. При расчетах все коэффициенты всех антенн приняты равными единице.
Таблица. Исходные данные
Рс,Вт Ри, Вт Р 1 пр.мин? Вт 1вс, м /п, М /т,М МГц Т /о Рош.ррп
10 2 ю-10 20 2 10 1.2 0.0001 5 0.01
Р
1 ош
1П2
1П4
1П6 /
/
ш8 I {
/
1гГ /
/
/
1(/4 /
У Г
0 2 4 ( э 1 10 12 1.4 16 : 8 2
Рисунок. Зависимость вероятности ошибки от расстояния до БС
Анализ полученных результатов показывает, что учет взаимных помех от мобильных источников ведомственной связи существенно уменьшает дальность действия БС АИС. Так, на графике видно, что помехозащищенность обеспечивается только до расстояния от БС в 13 км. В то же время, дальность действия БС на ВВП при отсутствии взаимных помех может достигать 20 км.
Литература:
1. Шахнов С.Ф. Концепция построения и оценка помехозащищенности дифференциальных подсистем АСУ движением судов в бассейне Енисея / С.Ф. Шахнов // Транспортное дело России. 2014, №6. С.99-102
2. Проведение в соответствие с международными соглашениями и требованиями комплексных исследований использования системы ГЛОНАСС, других глобальных навигационных спутниковых систем и их функциональных дополнений в составе автоматической идентификационной системы и системы управления движением судов для обеспечения мониторинга морских и речных судов, а также для взаимного контроля судов и их безопасного расхождения: отчет о НИР (окончательный) / А.А. Сикарев А. А., И.А. Сикарев, С.Ф. Шахнов [и др.] - СПб.: ООО Инфоком, 2014. - 272 с.
3. Постановление Правительства РФ от 15 июля 2006 г. №439-23. «Об утверждении Таблицы распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации». - М.: Минсвязи, 2006.
4. Бочаров М.К. Методы математической статистики в географии: монография / М.К. Бочаров. - М.: Мысль, 1971. - 371 с.
5. Сикарев А.А. Оптимальный прием дискретных сообщений: монография /А.А. Сикарев, А.И. Фалько. - М.: Связь, 1978. - 328 с.
6. Справочник по специальным функциям. / Под ред. М. Абрамовица и И. Сиган. - М.: Наука, 1979. - 832 с.
7. Сикарев И.А. Помехоустойчивость и функциональная устойчивость автоматизированных идентификационных систем мониторинга и управления на речном транспорте: монография / И.А. Сикарев. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 142 с.
ТЯАШРОЯТ ВШШЕВВ Ш ЯШВТА | №1 2015 | 137
