Математическая модель цифровых информационных каналов речных автоматизированных информационных систем при воздействии взаимных помех Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.5.031-52; 629.122

С. В. Рудых,

канд. техн. наук, докторант, СПГУВК;

Т. А. Волкова,

аспирант,

СПГУВК;

А. М. Тихоненко,

аспирант,

СПГУВК

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦИФРОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ РЕЧНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ MATHEMATICAL MODEL OF DIGITAL INFORMATION CHANNELS OF RIVER AUTOMATED INFORMATION SYSTEMS UNDER THE INFLUENCE OF MUTUAL INTERFERENCE

Целью настоящей работы является анализ математической стохастической модели автоматизированных идентификационных систем (АИС) и функциональных возможностей АИС для мониторинга и управления движением судов (АСУ ДС), техническим и вспомогательным флотом (АСУ ТВФ) на внутренних водных путях России при воздействии взаимных помех.

The aim of thus paper is to analyze the mathematical stochastic model of automated identification system (AIS) as well as AIS functional capabilities of monitoring and control of the vessel traffic and of the technical and auxiliary fleet (ACS TAF) in Russian inland waterway under the influence of mutual interference.

Ключевые слова: автоматизированная идентификационная система (АИС), автоматизированная система управления движением судов технического и вспомогательного флота (АСУ ДС, АСУ ТВФ), корпоративная речная информационная система (КРИС), речная информационная служба (РИС), взаимные помехи.

Key words: automated identification system (AIS), automated vessel-traffic control system of technical and auxiliary fleet (AVTCS, ACS TAF), corporate river information system (CRIS), river information service (RIS), mutual interference.

НАСТОЯЩЕЕ время автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС), техническим

судами, так и для контроля и регулирования движения судов береговыми службами.

Используемые на внутренних водных путях АИС представляют собой специальные системы УКВ-связи, которые имеют каноническую структурную схему, представленную на рис. 1.

и вспомогательным флотом (АСУ ТВФ) как подсистемы речных информационных сиси-тем в иерархической триаде «КРИС-РИС-АСУ ДС, АСУ ТВФ», по-видимому, должны организовываться с использованием в своей основе многофункциональных автоматизированных идентификационных систем (АИС). Системы АИС позволяют в значительной степени повысить уровень безопасности судоходства за счет своевременного обмена информацией в направлениях «судно-судно» и «судно-берег» как для предупреждения столкновений между

КД и ДК — соответственно кодер передатчика базовой станции и декодер судового транспондера;

ИС и ПС — источник и получатель сообщения соответственно;

М и ДМ — соответственно модулятор передатчика БС и демодулятор приемоинди-катора;

Здесь введены обозначения:

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Рис. 1. Каноническая структурная схема системы АИС

122]

СР — среда распространения;

ИП — источник помех.

Как видно из представленной на рис. 1 схемы, на сигналы при прохождении линии связи (среды распространения) воздействуют источники помех. В результате сигнал под воздействием аддитивных и мультипликативных помех претерпевает искажения и уже на входе судового транспондера представляет собой результат взаимодействия сигнала и совокупности помех [1, с. 100-106].

В этом случае представляется вполне очевидным, что одной из наиболее сложных задач, решение которой в значительной мере повлияет на эффективность системы мониторинга, является проблема определения топологии зон действия базовых станций (БС) АИС при воздействии различного вида помех. Несмотря на то что размеры зон действия БС исследовались уже в целом ряде работ [1; 2], их зависимость от влияния взаимных помех, характерных для АСУ ТВФ, остается в значительной мере открытой.

Для решения задачи оптимизации радиуса действия и размеров зон действия БС АИС, как правило, применяется сформированный в последние 15-20 лет подход, основанный на использовании стохастических моделей информационных каналов, учитывающих вероятностную природу трех основных групп факторов, влияющих на верность передачи сообщений:

1) распространение УКВ-радиоволн с учетом параметров приемопередающих трактов аппаратуры;

2) изменение заграждающего рельефа между береговой (базовой) станцией и судовым приемником (приемоиндикатором или транспондером);

3) процесс перемещения судового приемника (приемоиндикатора) относительно береговой (базовой) станции.

1. В АИС, используемых на внутренних водных путях, распространение УКВ-радио-волн и передача сообщений между береговой станцией и судном, как правило, ограничиваются предельными дальностями:

(1)

Я + ^2[м] ),

где ^ и h — соответственно высоты передающей и приемной антенны в метрах на линии «береговая (базовая)-судовая радиоустановки».

В этих условиях одномерную плотность распределения коэффициента передачи информационного канала можно представить в виде распределения Релея:

Ґ 2 Л

ж(и)=_ТехР

2ст

(2)

где ц — амплитудный коэффициент передачи информационного канала; о — дисперсия.

2. Для определения степени влияния заграждающего рельефа между береговой (базовой) станцией и судовым приемником (транспондером) используются различные модели для описания аналитических вероятных зависимостей высот рельефа Н.

При аппроксимации различных рельефов методами математической статистики широко используют нормальный (гауссовский) закон распределения высот рельефа:

Г чЛ

1

^¡2

гехр

(Н~тн)

2 сг!

(3)

где тн и о2 н — среднее значение и дисперсия рельефа трассы между корреспондентами.

При использовании (3) или его «усеченных» определенным интервалом высот (относительно тн) вариантов необходимо учитывать также площади, для которых определяют законы распределения высот рельефа, так как небольшие изменения площадей приводят к изменению параметров тн и о2 н а более значительные — даже к изменению характера Ж(Н) [2].

Наиболее близкими к фактическим данным оказываются также закон равномерной местности с одномерной плотностью вероятности:

1

Ж(#) =

Н -Н

н < н < н

(4)

и показательный закон с однородной плотностью вероятности:

Ж(#)=а-е““я, Н > 0,

(5)

где а = 0,01 - 0,1 — параметр распределения высот.

Последний закон характерен для районов Прибалтики Северо-Запада России, в том числе Волго-Балтийского водного пути, для ряда районов юга России, в том числе ВолгоДонского судоходного канала.

3. Вероятностные модели процесса перемещения судна относительно береговой (базовой) станции.

Существенное влияние на верность передачи сообщений в информационных каналах АИС оказывают случайные расстояния Я между судном (судовым приемником, прие-моиндикатром, транспондером) и береговой (базовой) станцией.

Для описаний таких расстояний укоренилась практика использования, во-первых, закона Максвелла с одномерной плотностью вероятности:

1Г(Я)=

12 Я2 ( я2Л

1 тот3 ехр 1 2°3)

Я > 0,

(6)

где ст =

ср

8

Я — среднее значение Я.

Этот закон характерен для регионов ВВП России с интенсивным судоходством, таких как Волго-Балтийский водный путь, особенно в его Невско-Ладожской части.

Наряду с (6), но существенно реже встречаются модели на основе Рэлеевского закона:

)2 Л

Я

1Г(Я) = — ехр

Я*

2с?

Я > 0,

(7)

2я:

где а = ■

п

а также равномерного закона 1

IV {Я)--

-Я,.

Я < Я < Я

(8)

Последний используют тогда, когда какие-либо статистические данные о движении судов в транспортном процессе отсутствуют.

Эффективность функционирования АИС в значительной степени зависит от комплексного воздействия аддитивных и мультипликативных помех на канал трассы: «базовая станция-судовой транспондер». Значительную долю таких помех составляют шумы, взаимные помехи радиосредств, внеполосное излучение линий электропередач и различных промышленных установок, различного рода моногармонические и полигармоничес-кие помехи. Для их учета используют понятия коэффициента взаимного различия (КВР) структур полезных сигналов и взаимных помех в частотно-временной области, определяемого как нормированная величина, пропорциональная мощности процесса на выходе фильтра или квадратурной схемы ^.(0, при

прохождении через них помехи гпк(): т I2 Гг

]Ч,-(*К*(0л +

о J |_о

ч /

где (г) — функция, сопряженная с гп(), по Гильберту; Т — длительность сигнала;

2 Т

Рг. = — мощность принимаемо-

Т о

го г-го варианта полезного сигнала в 7-й вет-^ -\2

ви; К0 =

ё2п

-Кп

(9)

2 2 Р-п^пк

— постоянная, не зависящая

ТР.

. П .

от структур сигнала и помехи; цп, цпк — соответственно амплитудные коэффициенты передачи 7-й составляющей г-го варианта сигнала и к-й составляющей помехи.

Также вводится понятие комплексного коэффициента взаимного различия:

Выпуск 4

¡Выпуск 4

где нормирующая постоянная

2й(0=*.*(0-Д.*(0 — функция, комплексно сопряженная с гпк(). Таким образом, комплексный коэффициент взаимного различия связан с простым коэффициентом взаимного различия соотношением

ё2=\с-\ о п п

(11)

А также понятие поля поражения сигнала, равного площади проекции сечения

двухмерного нормированного КВР на часто-

/

тно-временную плоскость, определяемое допустимой и требуемой вероятностью ошибки в информационном канале и энергетикой взаимной помехи: м

«,= и«„, (12)

¡■=1

где £„■ — площадь /-го частичного поля поражения г-го варианта сигнала в пределах

-2 > -2

К —

средне-

124]

которой g0r г g0rдoп, ^ =-тгГн

пк

статистические значения коэффициентов взаимного различия; И2 и — соответственно среднестатистические значения отношений энергии /-й составляющей сигнала и к-й составляющей помехи к спектральной плотности белого шума V2.

Известно, что максимальная дальность зоны действия БС АИС определяется соотношением

(13)

где Р = 102 - 10-6 — требуемая вероятность ошибки при приеме цифровой двоичной единицы сообщения АИС; Регг(Я1) — вероятность ошибки приема в информационном канале АИС двоичной цифровой информации при расстоянии от базовой станции до судового транспондера, равном Яс.

При воздействии указанных выше помех решение может принимать следующие формы:

1. Незамирающий сигнал и незамирающая помеха:

1

-езф

1

+-

( г Хп г1' г л/хь '

1 2К J 0 „2 &г V /

г 1-0

л V

(14)

где /0(») — модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

х=

Хп

2 Р .

пртт

+К)(% +^)

2 Р_

(15)

(16)

X и хП — энергетические параметры сигнала и помехи, причем Ри и РиП — соответственно передатчика БС АИС и источника помехи (ИП); Р — чувствительность приемника судово-

Иршт А •'

го транспондера АИС; Н1, Н2 и НП — высоты антенн БС, СТ и ИП; G1, G2 и GП — коэффициенты полезного действия антенн БС, СТ и ИП; П1, П2 и пП — соответственно КПД антеннофидерных трактов БС, СТ и ИП; ЯП — расстояние между ИП и БС.

X Г (х2 +а2)

1л: ехр Р V / 2

10(ах^х.

(17)

Выражение Q(a, в) является функцией Маркума [5].

2. Незамирающий сигнал и помеха, замирающая по рэлеевскому закону распределения:

РТР =-ехр

2 +

2 Л %пёп,

К

, г = 1, 2. (18)

3. Замирающий по рэлеевскому закону сигнал и незамирающая помеха:

,2

Яшах =аГ§

1 —

_Х_

я:

-ехр

- + 2

ХпВт

К

- + 2

= Р

. (19)

4. Замирающий по рэлеевскому закону сигнал и замирающая по рэлеевскому закону распределения помеха:

Ятах =

2 Р

V геи

— 1

2 +

Хп 8о1

Я

■П У

(20)

Рассмотренная модель является эффективным средством качественного и количественного учета ЭМЗ АИС с шумами и взаимными помехами.

Список литературы

1. Сикарев И. А. Методика оценки электромагнитной защищенности информационных каналов автоматизированных информационных систем на ВВП при воздействии взаимных помех / И. А. Сикарев // ТССиС на морских и внутренних водных путях: межвуз. сб. науч. тр. / СПГУВК. — СПб., 2004. — Вып. 5.

2. Айвазян С. А. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных / С. А. Айвазян, И. С. Енюков, Л. Д. Мешалкин. — М.: Финансы и статистика, 1983. — 471 с.

3. Сикарев А. А. Оптимальный прием дискретных сообщений / А. А. Сикарев, А. И. Фаль-ко. — М.: Связь, 1978. — 328 с.

4. Вишневский Ю. Г. Поля поражения сигналов и электромагнитная защищенность информационных каналов в АСУ ДС / Ю. Г. Вишневский, А. А. Сикарев. — СПб.: Судостроение, 2006. — 356 с.

5. Сикарев И. А. Обеспечение безопасности телекоммуникационных систем / А. А. Сикарев. — СПб.: СПГУВК, 2005. — 10 с.

УДК 681.3 О. И. Кутузов,

д-р техн. наук, профессор, СПбГЭТУ (ЛЭТИ)

СОПОСТАВЛЕНИЕ СХЕМ СОБЫТИЙ И ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДИСПЕТЧЕРСКОЙ СЛУЖБЫ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ COMPARISON OF SCHEMES OF EVENTS AND PROCESSES IN THE SYSTEMS INFORMATION FOR CONTROL SERVICES ON INLAND WATERWAYS

Предлагается подход к сравнению числа обращений к календарю событий, который используется при реализации моделирующих алгоритмов, выполненных по схеме событий и по схеме процессов в системах диспетчерской службы автоматизированного управления движением судов на ВВП.

The treatment of comparison of the number of references to a calendar of the events is offered. The calendar is in use at the time of realization of the modeling algorithms. This algorithms are run under the scheme of events and under the scheme of processes systems in an automated monitoring service vessel traffic on GDP.

Ключевые слова: моделирующий алгоритм, схема событий, схема процессов, календарь событий.

Key words: modeling algorithm, scheme of event, scheme ofprocesses, calendar of the event.

СИСТЕМАХ имитационного моде- событийное моделирование и мультиагент-

лирования потоков, обеспечиваю- ный подход [1-5].

щих комплексную информационную В дискретно-событийноммоделировании

безопасность и выбор аппаратного обеспече- функционирование системы представляется

ния в центрах управления движением судов как хронологическая последовательность собы-

на ВВП, возможны два подхода: дискретно- тий [1; 2]. Событие происходит в определенный

Выпуск 4