Функциональная устойчивость параметров речных локальных дифференциальных подсистем автоматизированных систем управления движением судов

Шахнов Сергей Федорович

11. Ландэ Д. В. Основы интеграции информационных потоков / Д. В. Ландэ. — Киев: Инжиниринг, 2006. — 240 с.

12. Яковлев А. Н. Введение в вейвлет-преобразования: учеб, пособие / А. Н. Яковлев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. — 104 с.

13 .Дьяконов В. П. MATLAB. Полный самоучитель/В. П. Дьяконов. —М.: ДМК Пресс, 2012. —768 с.

14. ГОСТ 54149-2010. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

15. Мищенко В. Ф. Использование дискретного вейвлет-анализа в среде MatLab для расчета показателя искажения синусоиды напряжения судовой силовой сети питания / В. Ф. Мищенко, И. В. Сафронов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. —№5 (27). — С. 34-39.

УДК 656.628:621.396: 629.12.018(075.8)

С. Ф. Шахнов.

канд. техн. наук, проф.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ РЕЧНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ

FUNCTIONAL STABILITY PARAMETERS OF THE RIVER LOCAL DIFFERENTIAL SUBSYSTEMS OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM VESSEL TRAFFIC

Рассматривается методика оценки вариационно-параметрической и вариационно-функциональной устойчивости размеров зон действия контрольно-корректирующих станций речных локальных дифференциальных подсистем автоматизированных систем управления движением судов к вариациям параметров взаимных и индустриальных помех. Для количественной оценки функциональной устойчивости используются коэффициенты относительной чувствительности. Получены выражения для коэффициентов относительной чувствительности при вариациях мощности, дальности и структуры взаимной помехи, а также мощности индустриальной помехи. Приводится расчет устойчивости размеров зон действия контрольно-корректирующих станций при вариации параметров взаимных и индустриальных помех на примере цепочки станций в зоне ответственности Администрации Волжского бассейна. Оценивается влияние вариаций различных параметров помех на функциональную устойчивость параметров контрольно-корректирующих станций.

The methodology of evaluation of1variational and parametric and variational functional stability of the sizes of areas of the control and correction stations ofthe river local differential subsystem of the automated control system vessel traffic to •variations of the parameters of mutual and industrial disturbances. For the quantitative evaluation offunctional stability coefficients of relative sensitivity. The expressions for the coefficients of relative sensitivity due to •variations of the power, range and patterns of mutual disturbances and power industrial disturbances. Given the stability calculation of the sizes of areas of the control and correction stations •with -variations of the parameters of mutual and industrial disturbances on the sample chain of the control and correction stations in the area of responsibility of the Administration of the Volga basin. Assesses the impact of •variations in different parameters of interference on the functional stability of the parameters of the control and correction stations.

Ключевые слова: коэффициенты чувствительности, вероятность ошибки поэлементного приема, коэффициент взаимногоразличия, энергетика помехи.

Key words: sensitivity coefficient, probability of the error of piece-by-piece method, coefficient of mutual difference,power engineering of interference.

Выпуск 2

|Выпуск 2

ВЕСТНИК

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

ОВЫШЕНИЕ интенсивности судоходства на внутренних водных путях (ВВП) России и связанное с ним требование к повышению безопасности и эффективности навигации привело к необходимости внедрения современных инфокоммуникационных технологий,

создающих базу для развертывания автоматизированных систем управления движением судов (АСУ ДС), предназначенных для обеспечения эффективного управления и мониторинга [1].

Работа АСУ ДС сопряжена с использованием систем позиционирования, каковыми являются спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ЕЛОНАСС/GPS. Однако для обеспечения требуемой точности позиционирования в речных условиях их радионавигационное поле обязательно должно сопрягаться с полем дифференциальной поправки (ДП) [2].

Исследования, проведенные по заказу Минтранса в рамках федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ЕЛОНАСС на 2012 - 2020 годы», показали, что для создания дифференциальных подсистем, обеспечивающих высокоточное радионавигационное поле на ВВП России, с экономической точки зрения наиболее перспективным является использование локальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) на базе цепочки контрольнокорректирующих станций (ККС), работающих в диапазоне частот морской радиомаячной службы (283,5 - 325 кЕц) [3].

Вопросы топологии поля ДП подробно рассмотрены в работе [4]. Важнейшим условием оптимизации топологии данного поля является исследование помехозащищенности и функциональной устойчивости радиоканалов ККС. В данной работе рассматриваются проблемы функциональной устойчивости параметров радиоканалов ККС. Под функциональной устойчивостью информационных систем понимается их способность удерживать основные эксплуатационные характеристики в заданных пределах при вариациях случайных параметров сигналов и помех, а также вариациях их частотно-временной структуры. Соответственно функциональная устойчивость подразделяется на вариационно-параметрическую, т. е. устойчивость по отношению к вариациям параметров сигналов и помех, и вариационно-функциональную, т. е. устойчивость по отношению к вариациям формы сигналов и помех.

Методология оценки функциональной устойчивости при воздействии взаимных помех базируется на исследовании вероятности ошибки поэлементного приема цифрового сигнала. При некогерентном приеме фазоманипулированных (ФМ) сигналов и взаимных помех, для случая: незамирающий сигнал, замирающая по закону Релея помеха, вероятность ошибки поэлементного приема цифрового сообщения _рош будет определяться выражением [5]

где h2, h2 — энергетика сигнала и £-ой помехи соответственно; g2 — нормированный коэффициент взаимного различия (КВР) сигнала и помехи в частотно-временной области.

Расчет помехозащищенности радиоканалов ЛДПС при воздействии взаимных и индустриальных помех рассмотрен в ряде работ, например в [6]. В общем случае, полная вероятность ошибок поэлементного приема дискретных сигналов определяется соотношением

где Q, <2п — множество варьируемых параметров сигнала и помех; Осп — множество КВР сигналов и помех в частотно-временной области.

^ Для получения количественной меры функциональной устойчивости системы воспользу-

6 емся общими методами теории чувствительности [7]. Разложим функциональные зависимости в формуле (2) в ряд Тейлора и учтем только члены с производными первого порядка. Тогда приращение вероятности ошибки будет равно

p = 0,5ехр -h

2 1

(1)

(2+hng 0)_

P=f(Q, Qn, GcJ,

(2)

k

2

(3)

Относительное приращение ошибки будет определяться выражением

Др ~ V s ^ + V

P qi q

Д qt

Д qn

P

qt

М

i=i г2

n

m

s

q

i=1

(4)

где n, m — число варьируемых параметров сигнала и помехи соответственно; к — число варьируемых параметров КВР сигнала и помехи; S= { 5г} — множество коэффициентов относительной чувствительности, определяемых выражением

sl ~—pp / , l e{l,2,...(n + m + k)}

(5)

Относительное приращение вероятности ошибки и определяет количественное выражение чувствительности характеристики помехоустойчивости. Выражение (4) устанавливает связь между функциональной устойчивостью информационных систем и чувствительностью их характеристик помехоустойчивости. Следовательно, коэффициенты относительной чувствительности S, определяемые выражением (5), можно рассматривать как количественную меру функциональной устойчивости информационных систем.

При этом коэффициенты относительной чувствительности вида

sqj = /^-, i — 1,2,... п;

Q Р Qi

Ар / АОш

s =±±p/-

^ p

i — 1,2,... m

(6)

определяют количественную оценку вариационно-параметрической устойчивости информационной системы, а коэффициенты

_ Ap / Ag±

— ' -)

g

i —1,2,... к

s

(7)

— вариационно-функциональную.

При наличии взаимных помех от соседних ККС параметрами, определяющими вариационно-параметрическую устойчивость подсистемы и варьируемыми с целью оптимизации топологии поля ДП, являются: энергетика сигнала, зависящая от мощности передатчика, и энергетика помехи, зависящая от расположения источника помехи и мощности ее передатчика. Тогда п и т в выражении (6) равны единице.

КВР в формуле (7) будет определяться выражением [8]

чЛ2 , 2

(8)

g =

h2

sin(0,5 QT)

0,5 QT

h2 g0 ’

где Q — расстройка частоты несущих сигнала и помехи.

Тогда £ в выражении (7) также будет равно единице, т. е. единственным варьируемым параметром будет Q.

Рассмотрим функциональную устойчивость такой характеристики как дальность действия ККС. Максимальная дальность действия ККС Rmsx в азимутальном направлении определяется соотношением

= arg{ pam(h2, h?, g2) = p reg), (9)

где ^ — требуемая вероятность ошибки поэлементного приема сообщения.

Для случая «незамирающий сигнал — замирающая по релеевскому закону помеха» зависимость Rmax отр1е при некогерентном приеме ФМ сигналов может быть получена в явном виде. Энергетика сигнала или взаимной помехи определяется выражением

h2 = Ц-, (10)

v

где Р — мощность сигнала или взаимной помехи на входе приемника, Вт; Т— длительность посылки элемента сигнала, с; v2 — спектральная плотность флуктуационного шума, Втс.

Мощность в точке приема определяется выражением

Выпуск 2

Р =

Е 2l2

P

(11)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где E — напряженность поля в точке приема, В/м; /д— действующая высота антенны, м; р — выходное сопротивление, Ом.

Напряженность поля определяется формулой [9]

E(R)

o,3jF~

’ у пер

R

w(R) [В/м],

(12)

где Р — мощность передатчика, кВт; w(R) — функция ослабления подстилающей поверхности; R — расстояние от источника сигнала или помехи до точки приема, км.

Среди индустриальных помех наибольшее воздействие на радиоканалы ККС средневолнового диапазона частот оказывают импульсные помехи от коронного разряда линий электропередач (ЛЭП) и помехи от контактной сети электротранспорта. В полосе частот, выделенных ЛДПС, спектральная плотность этих помех практически постоянна, и их можно рассматривать как белый гауссовский шум. Тогда для энергетики сигнала получим

h 2(г) = -

РТ

v2(r)+ V2 ’

пv '

где г — расстояние от источника индустриальной помехи, м; v^( г) мощности индустриальной помехи.

Тогда, с учетом выражений (10) - (13), формула (1) примет вид

(13)

спектральная плотность

preg = 0,5ехр

B

пер

R1 [v2

max |_

w (R)2

1

(2 + Hg о2) '

(14)

где В =

0,09/7

P

Так как для большинства влажных почв функция ослабления w(R) на расстояниях порядка 100 - 200 км близка к единице [10], то при анализе функциональной устойчивости ее изменением можно пренебречь. Тогда выражение (14) окончательно примет вид

Preg = 0,5ехР

-B-

р

c_v2 + v^(r)](2 + hlgt)

R2

Теперь зависимость R от р может быть выражена в явном виде

А max 1 гец А

R

шах(км)

BP nep 1

_ H2PreJl v2 + v2(r) П v ' _ (2 + tig 02)

-|1/2

1

(15)

(16)

В этом случае вариационно-параметрическая устойчивость Rmax будет зависеть от вариации параметров Риер, v^(г) и й2, а вариационно-функциональная — от вариации g2. Количественно функциональная устойчивость будет определяться коэффициентами относительной чувствительности следующего вида:

8R,

__ max

Р

BP R ' пер тах(км)

. dRmax h2 _

5 h2 R v max (km)

d Rmax v n(r) _

Bv2{r) R R max (km)

d Rmax 2 g 0

d g o2 R vmax(icM)

R

'тах(км)

2 2 ^Qhn § 0

[v2 + v2(r)]~1/2(2 + h?g О)

-1/2

— = - 0,5 (v 2 + vj(r) )-1/2 ( 2 + h2§ Q2)

тах(км) 2

XQV

R

2 + h2g Q

тах(км)

- o,5 (v 2+v;;(r))-1/2 (2 + h2ng o2 )

v max (km)

3/2

Sh„ =

- 3/2

-1/2

v

s

g

(17)

(18)

(19)

(20)

Здесь

1/2

С 0 =

bp„

ln(2P reg)

(21)

Проанализируем вариационно-параметрическую устойчивость радиоканалов ККС в зоне ответственности ФБУ «Администрация Волжского бассейна» путем исследования чувствительности размера зоны действия ККС к вариациям параметров взаимной и индустриальной помехи на примере ККС «Самара». В качестве источника взаимных помех будем рассматривать ККС «Саратов».

Мощности всех передатчиков составляют 400 Вт и варьированию не подлежат. Требуемая вероятность ошибки поэлементного приема сообщенияд^ составляет 10 4; длительность посылки сигнала Т= 0,01 с; спектральная плотность белого шума v2 = 1010 Втс [11].

Подставляя выражения (16) и (21) в формулу (18), получим

^ =

д R

h„

д h R

= - 0.5-

hng 0

(22)

lmax(ic м) 2 + hug о

Этим же выражением будет описываться и коэффициент S . Аналогично, из выражения (19)

имеем

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

S, = - 0,5

2 2 v2 + v;

2

v

(23)

Таким образом, коэффициент относительной чувствительности S, исследуется путем варьирования энергетики взаимной помехи при различных фиксированных значениях нормированного КВР, а коэффициент Sg — путем варьирования нормированного КВР при различных фиксированных значениях энергетики помехи. Коэффициент Sv исследуется при варьировании спектральной плотности мощности индустриальной помехи.

На рис. 1 представлена зависимость коэффициента относительной чувствительности S, от вариации энергетики взаимной помехи для различных значений нормированного КВР сигнала и взаимной помехи, а на рис. 2 — зависимость коэффициента относительной чувствительности 5^ от вариации нормированного КВР в пределах заданного диапазона несущих частот радиомаячной службы для различных значений энергетики взаимной помехи, построенные согласно выражению (22).

Рис. 1. Зависимость относительной чувствительности размера зоны действия ККС

от энергетики взаимной помехи

Выпуск 2

|Выпуск 2

ю

ч /

h п 0 Г"

—Н 9 =20

ч

ьчч *5

ч

Рис. 2. Зависимость относительной чувствительности размера зоны действия ККС от нормированного КВР сигнала и помехи

На рис. 3 представлена зависимость коэффициента относительной чувствительности Sv от вариации спектральной плотности мощности индустриальной помехи, построенная согласно выражению (23).

Рис. 3. Зависимость относительной чувствительности размера зоны действия ККС от спектральной плотности мощности индустриальной помехи

Из выражений (22) и (23) следует, что функции Sh и Sv имеют экстремум, равный 1/2. Так как нормированный КВР может изменяться только в пределах 0-1, функция Sg при различных фиксированных значениях h экстремума не имеет.

Вариации частотно-временной структуры сигнала и взаимной помехи при изменении разноса несущих частот рассматриваются в широком диапазоне: от минимально возможного шага нарезки частот в 500 Гц, что соответствует значению нормированного КВР 10 3, до 6000 Гц — реально выбранный разнос несущих частот между ККС «Самара» и ККС «Саратов»

(£о=1°-5)-

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- чувствительность размера зоны действия ККС к вариациям уровня энергетики взаимной помехи при значениях h > 40 невелика. В то же время она сильно зависит от величины нормированного КВР сигнала и помехи;

- чувствительность к вариациям спектральной плотности мощности индустриальной помехи значительно выше, чем чувствительность к вариациям энергетики взаимной помехи при условии рационального выбора несущих частот соседних ККС;

- при рациональном распределении частотного ресурса между различными ККС ЛДПС одного региона, что всегда возможно осуществить в силу незначительного числа станций (6 - 7), обеспечивающих сплошное поле ДП в пределах региона, вариации нормированного КВР сигнала и взаимной помехи практически не оказывают влияния на размер зоны действия ККС;

- чувствительность параметров ККС к вариациям спектральной плотности мощности индустриальной помехи велика, но в силу локальности индустриальные помехи не могут оказывать влияние на размер зоны действия ККС, а могут лишь создавать локальные разрывы сплошного поля ДП.

Список литературы

1. Сикарее И. А. Помехоустойчивость и функциональная устойчивость автоматизированных идентификационных систем мониторинга и управления на речном транспорте: монография / И. А. Сикарев. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. — 142 с.

2. Каретников В. В. К вопросу обеспечения электромагнитной защищенности каналов передачи информации речной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS / В. В. Каретников, И. Г. Кузнецов, С. Ф. Шахнов // Морская радиоэлектроника. — 2014. — Вып. № 1 (47). — С. 53-55.

3. Проведение в соответствии 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, И. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов [и др.]. — СПб.: ООО Инфоком, 2014. — 272 с.

4. Каретников В. В. Топология дифференциальных полей и дальность действия контрольно-коррек-тирующих станций высокоточного местоопределения на внутренних водных путях / В. В. Каретников, А. А. Сикарев. — 2-е изд. — СПб.: ГУМРФ, 2013. —525 с.

5. Шахнов С. Ф. К расчету помехозащищенности радиоканалов речной ЛДПС при использовании детерминированных сигналов и взаимных помех / С. Ф. Шахнов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 6 (28). — С. 24-30.

6. Шахнов С. Ф. Расчет помехозащищенности радиоканалов речной локальной дифференциальной подсистемы автоматизированной системы движением судов в бассейне Оби / С. Ф. Шахнов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2014. — № 4. — С. 122-124.

7. Городецкий Ю. И. Функции чувствительности и динамика сложных механических систем: учеб, пособие / Ю. И. Городецкий. — Н. Новгород: ННГУ, 2006. — 236 с.

8. Шахнов С. Ф. Расчет функции ослабления поля контрольно-корректирующих станций с учетом влияния подстилающей поверхности / С. Ф. Шахнов // Вестник Государственного университета морского и речного транспорта имени адмирала С. О. Макарова. — 2015. — Вып. 1 (29). — С. 116-123.

9. Каретников В. В. Расчет помехозащищенности радиоканалов речной локальной дифференциальной подсистемы автоматизированных систем управления движением судов (на примере ФБУ «Администрация Волжского бассейна») / В. В. Каретников, И. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов // Речной транспорт (XXI век). — 2014. —№ 6. — С. 54-57.

10. Сикарев А. А. К расчету напряженности поля в радиоканалах речной локальной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS средневолнового диапазона / А. А. Сикарев, С. Ф. Шахнов II Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — Вып. № 3 (25). — С. 27-32.

11. Доровских А. В. Сети связи с подвижными объектами: монография / А. В. Доровских, А. А. Сикарев. — Киев: Техника, 1989. — 155 с.

СП

Выпуск 2

|Выпуск 2

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Авдеев Борис Александрович

Аспирант

Научныйруководитель: Голиков Сергей Павлович, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет» [email protected]

Андреева Марина Юрьевна

Кандидат экономических наук, доцент НОУ «МФПУ «Синергия» [email protected]

Андрюшечкин Юрий Николаевич

Кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» [email protected]

Барышников Сергей Олегович

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» rector@gumrf. ru

Бухарметов Максим Радикович

Аспирант

Научныйруководитель: Нырков

Анатолий Павлович, доктор технических наук

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала

С. О. Макарова»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шахнов Сергей Федорович

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Шахнов Сергей Федорович