Возможность создания глобальной системы мониторинга рыбопромысловых судов на основе спутниковых станций автоматической идентификационной системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396:639.2.06

ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ СТАНЦИЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Ал. И. Кулинич

Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский,683003

e-mail:hatremadn@mail. ru

Рассматривается возможность построения глобальной системы мониторинга рыбопромысловых судов на основе спутниковых станций автоматической идентификационной системы, размещенных на низкоорбитальных спутниках, что позволяет решить задачу мониторинга для 950 судов, сосредоточенных в зоне радиусом 2667 км, за время одного пролета спутника.

Ключевые слова: автоматическая идентификационная система, автоматизированная система

мониторинга, спутниковая станция, слот, транспондер.

Possibility of constructing global fisher monitoring system based on satellite stations of automatic identification system. Al.I. Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)

The possibility of constructing global fisher monitoring system based on satellite stations of automatic identification system placed on low-orbit satellites is considered. It allows accomplishing monitoring task for 950 ships concentrated on 2667 km - radius zone in one satellite time over.

Key words: automatic identification system, automated monitoring system, satellite station, slot, transponder.

Международная глобальная система дальней идентификации и контроля местоположения судов (LRIT) при решении задачи позиционирования и приема данных идентификации судов в Мировом океане использует данные национальных центров мониторинга.

Данные мониторинга рыбопромысловых судов в России поступают в глобальный национальный центр автоматизированной системы мониторинга и связи с судами ВИКТОРИЯ (Москва), а также в региональные центры связи и мониторинга (Мурманск, Петропавловск-Камчатский). Кроме названных систем и центров на побережье Балтийского моря работает межгосударственная региональная система мониторинга HELCOM (Helsinki Communication), построенная на основе цепи береговых базовых станций автоматической идентификационной системы (АИС) с участием России и ряда европейских государств. В зоне действия базовых станций на удалении до 50 м.м. от береговой черты обеспечивается позиционирование и идентификация проходящих судов.

Начиная с 2005 г. широко обсуждается предложенная специалистами Норвегии перспектива создания глобальной системы мониторинга судов на основе спутниковых станций АИС. В этой системе станции АИС размещаются на низкоорбитальных спутниках с высотой круговой околополярной орбиты ~ 600 км и работают только на прием. Система способна в течение суток с помощью одного спутника четырежды собирать данные со всех судов в Мировом океане и затем передавать их в центр мониторинга для дальнейшей обработки. Учитывая высокую эффективность такой системы, представляется важным рассмотреть особенности построения и

функционирования системы, построенной на основе сети спутниковых станций АИС.

Для определения радиуса подспутниковой зоны обслуживания (рис. 1) необходимо учитывать, что спутниковые станции АИС выводятся на круговые околополярные низкоорбитальные орбиты высотой йш = 600 км и углом наклонения орбит - 98° [1].

Период обращения спутников Торб вокруг

Земли определяется с помощью выражения (1):

Рис. 1. Радиус подспутниковой зоны обслуживания

14

14л1 Л

орб

см

(1)

где Лорб = 11, +/7СП - радиус орбиты спутника: 11, = 6378 км - радиус Земли; /гсп = 600 км - высота

орбиты спутника; О = 6,672-10 11 м3/кг с2 - гравитационная постоянная Земли; М = = 5,976 • 10 кг - масса Земли.

Так как йорб = 600 км, то Горб = 5801,1 с = 97,7 мин = 1 ч 36,7 мин.

Скорость движения спутниковой станции АИС (2):

_ 2к(Я +Асп)

Т

■ = 7.56 км/с.

(2)

орб

Максимальный радиус подспутниковой зоны обслуживания Я30Ш1М по поверхности Земли определяется из соотношения (3):

Я,

= ЯЗ агссоэ утах = Яз агссо8(

Я

Я + к

-) = 2664,1 км = 1438,6 м.м.

(3)

Максимальный угол ^тах = 24,5° = 0,43 рад, минимальное время задержки сигнала -2000 мкс, максимальное время задержки 9690 мкс.

Максимальное время видимости спутника (4):

Т =-

ВИД

2Я

= 704,8 с = 11,7 мин. (4)

Рассмотрим подспутниковые зоны

обслуживания одним спутником системы, взятые с интервалом 10 мин для двух последующих оборотов спутника [2] (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что подспутниковые зоны обслуживания перекрываются на 50% при последующем обороте спутника. Таким образом, при наличии одного спутника в системе за каждые сутки каждая точка Мирового океана обслуживается четырежды: дважды с интервалом Горб = 1 ч 36,7 мин

и еще дважды с тем же интервалом через 12 ч.

Если в системе будет два спутника, то в течение суток можно получить судовые данные судна

восемь раз.

В АИС сигналы излучаются на двух международных частотах [2]: = 161,975 МГц и

/2 = 162,625 МГц. Сообщения передаются 8битовым кодом, скорость передачи В = 9600 бит/с, вид модуляции - М8К (частотная модуляция без разрыва фазы), индекс модуляции - 0,5. При таком индексе " 1" кода передается на частоте - 2400 Гц (или /, - 2400 Гц), а "0" кода - на частоте / + 2400 Гц (или /, + 2400 Гц). Частотный

разнос Л/ = 4800 Гц. Ширина полосы частот при М8К-модуляции Д/^|п | =0,5 В = 0,5 • 9600 = 4,8

кГц.

На каждом частотном канале применяется временное разделение передаваемых сообщений в кадре сигнала. Длительность кадра 60 с, кадр делится на 2250 слотов (временных окон). Длительность слота - 26,67 мс, пакет передаваемой информации в слоте содержит 256 бит. В конце каждого слота имеется буферная зона из 12 бит, обеспечивающая автоматический прием сообщений, задержанных во времени [3].

Суда периодически с интервалом от 2 с до 6 мин в зависимости от скорости хода и угла поворота передают сообщение № 1 - свои статические и динамические данные: идентификатор ММ81, навигационный статус, угловую скорость поворота, скорость относительно грунта, характеристику точности местоположения, долготу, широту, путевой угол, истинный курс, время

переданного сообщения.

Перед началом работы судовой транспондер АИС просматривает кадр и для передачи сообщения выбирает незанятый (номинальный) слот. Обмен сообщениями между судами производится с помощью самоорганизующегося доступа с временным разделением каналов -SOTDMA (Self-Organizing TDMA).

Судовые транспондеры АИС изучают сигналы с линейной вертикальной поляризацией радиоволн. Поляризация сигналов на входе антенн спутниковой станции АИС остается линейной, но направление вектора поляризации в зависимости от положения судна может быть разным. Поэтому приемная антенна на спутниковой станции выполняется в виде двух взаимноперпендикулярных диполей. При энергетическом расчете радиолинии судовой транспондер АИС - спутниковая станция АИС коэффициент усиления спутниковой антенны Gcn а = 0 дБ (1). Здесь и далее после приведенных значений в дБ то же значение в разах указано в скобках. Поляризационные потери из-за эффекта Фарадея !пол = -3 дБ (0,5) [3].

Выходная мощность передатчика судового транспондера АИС ^ьк = 41 дБмВт (12,5 Вт). Антенна судового транспондера АИС выполнена в виде полуволнового вибратора (диполя) или заземленного вибратора. Максимальный коэффициент усиления судовой антенны Gc а = 2 дБ (1,6). Диаграмма направленности судовой антенны в вертикальной плоскости имеет вид (5)

cos(— cos|3)

----21S—. (5)

sin |3

где в - угол места.

Трехмерное изображение диаграммы направленности приведено на рис. 3.

Следует отметить, что если спутник находится в зените (в = 90°), то коэффициент усиления судовой

антенны G a W а = 0.

В подспутниковой зоне обслуживания из-за низкой энергетики образуется центральное необслуживаемое пятно с радиусом 40 м.м.

На удалениях R > 40 м.м. имеет место

превышение мощности сигнала над мощностью собственного шума приемника спутниковой станции АИС. При

R = 300 м.м. превышение мощности сигнала над шумом составляет 13 дБ (20).

Следует отметить, что чувствительность приемника спутниковой станции АИС должна быть высокой. Если требуемую чувствительность приемника Е представить в мкВ, то Е = 0,08 мкВ.

Для сравнения отметим, что чувствительность приемника судового транспондера АИС равна 4,5 мкВ [3].

Временная синхронизация осуществляется с помощью встроенного в транспондер АИС приемника ГНСС. Максимальная погрешность временной синхронизации по сигналам ГНСС составляет ± 321 мкс (± 3 бита). Основная рассинхронизация сообщений происходит из-за временной задержки распространения сигналов на дистанции между судами, на которых установлены транспондеры АИС. Из-за рассинхронизации происходит частичное наложение сигналов 7-го слота (на передающей стороне) на i + 1 слот (на приемной стороне). Расчеты показывают, что на дистанции 202 м.м. суммарная временная задержка перекрывает 12 бит следующего слота. В каждом слоте предусмотрено буферное пустое поле из 12 бит, позволяющее устранить взаимные помехи из-за временной рассинхронизации.

При использовании спутниковой станции АИС минимальное время задержки т = 2000 мкс при высоте спутника йш = 600 км.

При удалении судов от центральной точки подспутниковой зоны обслуживания т возрастает и достигает максимальной величины 9690 мкс на краю зоны.

Время задержки при изменении у (рис. 4.3) определяется в виде (6):

_ фі; +(Яъ+кш)2 -211,(11, +/гш)со5у Тзад 300000 '

Расстояние по поверхности Земли судна от центра подспутниковой зоны обслуживания Я = В3у [3].

Для приема сообщений АИС со всех судов в подспутниковой зоне обслуживания с радиусом Д30Ш1 м = 2664 км необходимо, чтобы приемник спутниковой станции АИС формировал 6 кадров с временными задержками: 2000; 3250; 4500; 5750; 7000; 8250 мкс, которые отличаются друг от друга на тбуф = 1250 мкс.

При наличии этих задержек будет производиться автоматический прием сообщений АИС в шести зонах при удалении судов от центральной точки зоны по поверхности Земли соответственно на: 0...730 км; 730... 1300 км; 1300... 1700 км; 1700...2060 км; 2060...2400 км; 2400...2664 км.

Если все суда находятся в организованной зоне, то есть сосредоточены вокруг центральной точки с радиусом 20 м.м., то, благодаря самоорганизующемуся многостанционному временному доступу 80ТБМА, сообщения судов размещаются в разных слотах: взаимные помехи отсутствуют.

Если суда размещены в подспутниковой зоне обслуживания с радиусом ^зоны м = 2664 км, то в

этой зоне существует большое число организованных зон. В каждой организованной зоне слоты для передачи сообщений выбираются независимо и возможен выбор разными судами слотов с одинаковыми номерами. Принятые спутниковой станцией АИС сообщения в слотах с одинаковыми номерами накладываются друг на друга: возникают взаимные помехи.

Подводя итог, следует отметить, что:

1. При использовании спутниковых станций АИС будет решена задача мониторинга для 950 судов, сосредоточенных в зоне с радиусом 2667 км (1440 м.м.), за время одного пролета спутника.

2. Спутниковые станции АИС используют частоты 161,975 и 162,625. Спутниковая система связи ГОНЕЦ-Д1 работает на частотах 200.300 МГц, спутниковая система связи ОРБКОММ - на частотах 148.150 МГц. Возможно размещение перспективных спутниковых станций АИС на спутниках систем ГОНЕЦ-Д1, ОРБКОММ. Принятые судовые данные спутниковыми станциями АИС в этом случае будут ретранслироваться на действующие узловые станции систем ГОНЕЦ-Д1, ОРБКОММ. Таким образом, может быть обеспечен скорейший ввод в действие перспективных спутниковых станций АИС.

Литература

1. Использование судовой аппаратуры автоматической идентификационной системы: Учеб. пособие / С.С. Антипов, А.Н. Маринич, А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2006. - 64 с.

2. Глобальная система мониторинга судов на основе спутниковых станций АИС / В.В. Афанасьев, А.И. Кулинич, А.Н. Маринич, Ю.М. Устинов // Эксплуатация морского транспорта: Ежеквартальный сб. науч. ст. ГМА им. адм. С.О. Макарова. - 2009. - № 3. - С. 20-24.

3. Судовая автоматическая идентификационная система / А.Н. Маринич, И.Г. Проценко, В.Ю. Резников, Ю.М. Устинов, А.Р. Шигабутбинов. - СПб.: Судостроение, 2004. - 189 с.