Анализ влияния взаимных помех в автоматизированных и идентификационных системах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СУДОВОЖДЕНИЕ И БЕЗОПАСНОСТЬ НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

УДК 656.61.052: 621.396.6: 530.1

Д. А. Голубцов,

аспирант,

СПГУВК;

А. М. Тихоненко,

аспирант,

СПГУВК

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

THE ANALYSIS OF THE MUTUAL INTERFERENCES INFLUENCE IN AUTOMATIC AND IDENTIFICATION SYSTEMS

Целью данной работы является анализ одного из наиболее тяжелых случаев для электромагнитной защищенности АИС, который имеет место при замирающих как полезном цифровом сигнале, так и сосредоточенной помехе.

The purpose of this work is the analysis of the most hard case of electromagnetic protection of AIS, which can take place during dying either useful digital signal or concentrated interference.

Ключевые слова: электромагнитная защищенность, автоматизированные идентификационные системы, сосредоточенная помеха.

Key words: electromagnetic protection, automatic identification systems, concentrated interference.

зопасности, мониторинга и динамики управления движением судов. Вместе с тем эффективность работы АИС, как класса АИС-1, так и класса АИС-2, существенно определяется верностью приема цифровых сообщений в их информационных каналах.

На последнюю наряду с флюктуационным шумом существенное влияние оказывают взаимные, или сосредоточенные по спектру, помехи, причиной которых в основном являются соседние работающие радиостанции в диапазоне речных АИС 155-160 МГц. Такие помехи, как отмечалось, могут значительно снизить дальность связи на линии «судовой транспондер-базовая станция»

Будем полагать, что имеет место некогерентный прием ЧТ сигналов, имеющих по существу неперекрывающиеся спектры. Тогда вероятность ошибки поэлементного приема цифрового сообщения определяется соотношением

РИМЕНЕНИЕ на внутренних водных путях Российской Федерации сети базовых станций АИС, составляющих неотъемлемую часть систем управления движением судов — Корпоративной речной информационной системы, обеспечивает высокую степень бе-

(СТ-БС).

hi sin

где g]

(2)

Выпуск 2

Выпуск 2

— коэффициент взаимного различия сигнала и помехи; ш П — несущая частота помехи; Т — длительность элемента цифрового сигнала.

0(Ьк£г) = | %ехр

Нг

10(кк)сЬс

(3)

где Q — функция Маркума; 10() — модифицированная функция Бесселя первого рода, нулевого порядка;

>2 _ уРиТ ,2 _

у2 5 П~ V2

(4)

— отношения энергии принимаемого транспондером полезного сигнала и сосредоточенной помехи к V2 спектральной плотности белого шума, которые можно представить в форме следующих энергетических характеристик:

К

я

(5)

п

где Я и ЯП — расстояния от БС и передатчика помех до судового транспондера соответственно, а величины х и хП — энергетические параметры полезного сигнала и взаимной помехи, которые из (5) преобразуются к виду:

х = -

2 Р.

пртгп

г п =

шЪЛАЧг к,+%)к+%)

2 Р

(6)

(7)

пртгп

Здесь Р — мощность передаваемого полезного сигнала в канале только с флюктуационным

.2 1 ..2

шумом; Рш = V • —; V — спектральная плотность флюктуационного шума, Т — длительность

элементарной посылки («1» или «0»); к1 и к2 — высоты антенн БС и СТ; Щ — некоторая поправка для сухой почвы, обычно около 5 м, G1 и G2 — коэффициенты усиления антенн БС и транспондера; П1, п2— КПД антенно-фидерных трактов БС и СТ; G — коэффициент усиления антенны источника помех; т|1я — КПД системы передачи энергии от передатчика помех к передающей антенне; Рип — мощность передатчика помех; к — высота антенны передатчика помех; Яп — расстояние до источника помех; g0 — нормированный коэффициент взаимного различия. Всегда имеет место

Хп = п • & п > 0.

(8)

Подставляя, получим:

п 1 1

Рш = —+ —ехр

«ж 2 2

X х„ { • п'т/] вш /2 2' Л УІХИ, 4е ( [х • ПгТ/2) X БШ 72

2Д4 2К\ агтА \ г /1) 0,%} і л4’і

(9)

При Я

Р = 4, а при Яг

ош ’ ґ П

го следует

Рош = ехр / 2Р4 )

(10)

то есть совпадает с выражением для канала БС-СТ без сосредоточенных помех.

Можно несколько упрощающе положить, что помеха синусоидальна на частоте реализа-

ции сигнала.

Тогда

П Ж

= 0,5

(11)

Кроме того, будем полагать в (8)

п = 1,

(12)

что отражает достаточно тяжелую помеховую ситуацию воздействия «равномощностнои» сигналу помехи.

Тогда, обозначая

X = Хп

представим

„ 1 1

Р = — +—ехр

ош 2 2

Ґ \ 1 X Т X 4е ( 1 і Л X 2. X 2

{ 2я4 2Я4п) іо І*1^} [л2’

(13)

(14)

Учтем далее влияние на Рош случайного характера перемещения судового транспондера относительно базовой станции (и источника помех). При этом ограничимся весьма характерным для СевероЗападного региона водных путей рэлеевским законом плотности вероятности ЩЯ). В этом случае

Ж(Д) = 4-ехр а

(Г(Д,) = %ехр

О.

Ґ

Я

2 Л

V 2ст0/

V 2а'п;

, Я>0,

. Д,*0,

(15)

(16)

где

а усредненная вероятность ошибки равна:

оо оо

Р.. =Ц И'-(йтЛ„)Р,ш(Я,Лш)гШ1п.

(17)

О о

Подставляя в соотношения, получим следующее окончательное выражение для вероятности ошибки

р -

ош 2

-« 00 00 4+Я

Ш

О О

2а%

С П

X

Я2Я2пЛ

Л г ехр

X

X

Я2

я

2 Л

V

2ІГ 2 я: 2а. 2а

аяаяп-

п у

со оо

О о

2а2

с п

2а; а:

ехр

Д2

ч 2апу

X 2. х’2

І?2 ’ Л2

ч у

(18)

На рис. 1 и 2 представлены построенные по (18) зависимости вероятности ошибки Рош от энергетического параметра % для Я = 4 км (рис. 1) и Я = 8 км (рис. 2) при расстояниях от мешающей станции 4 км (кривая 1), 8 км (кривая 2) и 16 км (кривая 3). На этих же рисунках пунктиром представлены построенные кривые вероятности ошибки в отсутствие сосредоточенных помех.

Как видно из рисунков, сосредоточенные помехи наносят существенный урон защищенности АИС. Так, для наиболее благоприятных случаев удаленного на 16 км источника помех (кривая 3) энергетический проигрыш системы составляет при Рош = 10-4 величину 4 дБ в первом случае и 9 дБ — во втором.

Выпуск 2

Выпуск 2

Электромагнитная защищенность АИС от сосредоточенных помех существенно зависит также от удаленности источника помех от судового транспондера по сравнению с удаленностью БС. При ЯП < Я (кривая 1 на рис. 1 и кривые 1, 2 на рис. 2) система становится практически нерабо-тоспособной. При этом, конечно, отсутствует решение оптимизационного уравнения для радиуса действия базовой станции

К-1 =аг8|/„,(й,Д„)^,4

(19)

где Ртреб — требуемая вероятность ошибки в системе, например 10 4.

Единственно возможным выходом в такой ситуации является поиск возможностей синтеза оптимальных и по помехоустойчивости, и по функциональной устойчивости структур АИС при воздействии сосредоточенных, и прежде всего взаимных, помех.

Рис. 1. Зависимость вероятности ошибки Р

~ ош

от энергетического параметра х для Я = 4 км £

/с'

■/о

ю

ю

-г

Ю

Г 5

ю: «с* Ю* Ю* Юй {0Г

л

— \ х •д

!

\

7777 * / *71 ггг> 1

гглг , 1 1

1

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки Р

ош

от энергетического параметра х для Я = 8 км

Максимальная дальность зоны действия БС АИС определяется соотношением

R = arg[P (R) = P 1.

max оL err / reg'

(20)

где Р = 102 - 10-6 — требуемая вероятность ошибки при приеме цифровой двоичной единицы сообщения АИС; Рош(Яс) — вероятность ошибки приема в информационном канале АИС двоичной цифровой информации при расстоянии БС - СТ = Яс.

При воздействии помех решение может принимать следующие формы:

1. Замирающий по рэлеевскому закону сигнал — незамирающая помеха

1.2 Г

Р =-

Kg 2

1 —

h

2 + h

exp

г,2„2 Л П ёг

h2 +2

r = 1, 2,

(21)

К h2

X

о ä г о2, ä 1

P =-2

1 —

X +2

r4+i

exp

XnSo

X + 2 p4 Rn

Rmax = arg

P =

reg 2

1 —

V^+2

exp

Ґ 2 N

Xngor

Rn

R

R

n

2.Замирающий по релеевскому закону сигнал — замирающая помеха

Р =-

** 2

h2

(h2 +2)

1 + hg2r

¥+2))

r = 1, 2,

Р =-2

А2 (¡г2 +2)

_ (й2 + 2) (fe2+ 2 + /42j_

Р =-■

reg 2

1

1 +

/г

= 1 +

2Р

reg

' л \

r:

2 р

V У

2 + А5^ h1

2 + ^п£ог h2

2 + Kgl

R =

max

x

ip

V У

Xggo, Ä

2 Л

п у

(22)

(23)

(24)

Выпуск 2

Выпуск 2

При использовании выражения (24) для рассматриваемого случая можно построить семейство номограмм для разных соотношений Ри и РиИ с учетом номеров значений коэффициента взаимного различия g0r2, представленных в табл. 1.

Рис. 3. Номограммы для различных максимумов £о2г : а — для случая Ри = 12 Вт, Рип = 2 Вт; б — Ри = Рип = 2 Вт

Из значений четной непериодической функции (sin х/х)2 в табл. 1 выделены необходимые для расчетов значения нормированного коэффициента взаимного различия gor2.

Выражения (22) и (24) обладают достаточной общностью и позволяют анализировать влияние на Rc различных классов взаимных помех, в том числе и таких, как различного рода побочные излучения, взаимные помехи одновременно работающих радиосредств, преднамеренные помехи, включая ретранслированные.

Таблица 1

Значения функции

Q Г 0 п/2 3п/Т 5п/Т 7п/Т 9п/Т 11п/Т

№ кривой расчета (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

g2 öor 1 0,4053 0,0472 0,0165 0,00834 0,00503 0,00336

Как видно из рис. 3, вариации расстояния взаимной помехи от транспондера существенно влияют на размеры зоны БС. Так, например, в случае АИС-2 при Яи = 5 и 20 км радиус зоны составляет 7,61 и 30,43 км соответственно, а в случае АИС1 при тех же Яи радиус равен 4,81 и 19,25

км соответственно. Графики рисунка позволяют достаточно точно установить взаимную зависите опт п

мость К$с от ЯП.

Таким образом, в данной статье были проанализированы алгоритмы расчета и помехоустойчивость речных автоматизированных идентификационных систем при влиянии взаимных помех, а также было проведено исследование влияния сосредоточенных по спектру помех на размер рабочей зоны автоматизированных идентификационных систем.

Список литературы

1. Сикарев А. А. Оптимальный прием дискретных сообщений / А. А. Сикарев, А. И. Фаль-ко. — М.: Связь, 1978.

2. Петухов Ю. В. Электромагнитная защищенность базовых станций речных автоматизированных информационных систем в условиях взаимных помех / Ю. В. Петухов, И. А. Сикарев // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. — № 2.

3. Сикарев И. А. Анализ электромагнитной защищенности АИС на ВВП при воздействии сосредоточенных помех / И. А. Сикарев // ТССиС на морских и ВВП: сб. науч. тр. — СПб.: СПГУВК, 2005. — Вып. 6.

4. Сикарев И. А. Помехоустойчивость и функциональная устойчивость автоматизированных идентификационных систем мониторинга и управления на речном транспорте / И. А. Сикарев. — СПб.: СПГУВК, 2010.

УДК 629.12.001 М. Э. Францев,

канд. техн. наук, АО «Нептун-Судомонтаж»

ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВМЕСТИМОСТИ И ОБИТАЕМОСТИ СУДОВ ИЗ КОМПОЗИТОВ DESIGN DROUNDS OF THE RATIONAL PROVISION OF CAPACITY AND HABITABILITY CHARACTERISTICS OF VESSELS MADE OF COMPOSITES

В статье излагаются принципы рационального обоснования характеристик вместимости и обитаемости, применяемые при проектировании современных судов из композиционных материалов. Рассмотрены основные составляющие вместимости. Приведены примеры параметрических способов определения величин для отдельных статей вместимости. Предложены способы определения удельной кубатуры пассажирских помещений и определения максимальной вместимости грузовых трюмов для промысловых судов суточного лова. Описан функциональный состав эксплуатационного качества — обитаемости.

The article outlines the principles of rational justification of capacity and habitability characteristics used in the design of modern ships made of composites. The main components of capacity are considered. There are the examples of methods for determining the parametric values for the items of capacity. In this article the method of determining the specific cubic capacity of passenger space and the method of determining the maximum capacity of the cargo holds offishing vessels for the daily catch are also proposed. The functional structure of the operational quality — habitability is described.

Ключевые слова: проектирование, рациональное обоснование, вместимость, обитаемость, судно из композиционных материалов.

Key word: design, rational justification, capacity, habitability, vessel made of composites.

ФОРМА малого судна образует неразрывное композиционное единство с организацией его внутреннего пространства. В большинстве случаев суда из композитов имеют многоуровневую ступенчатую компоновку, при которой помещения располагаются в корпусе

00

ST