WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

 

На правах рукописи

КАРЕТНИКОВ Владимир Владимирович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ

Специальность 05.13.06

Автоматизация и управление технологическими  процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Сикарев Александр Александрович;

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки РФ

Варжапетян Артемий Георгиевич;

доктор технических наук, профессор

Гатчин Юрий Арменакович;

доктор физико-математических наук, профессор

Береславский Эдуард Наумович;

Ведущая организация – ОАО «НПФ «Меридиан»

Защита диссертации состоится "____" ______ 2011 года в_____ч  мин

на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при  Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская., д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «  »__________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент                                Е.Г. Барщевский        

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение надлежащего уровня безопасности плавания при навигации как в прибреж–ных морских районах, так и акватории внутренних водных путей (ВВП) Рос–сии, при соответствующем уровне организации транспортного процесса в целом.

Объясняется это ежегодным ростом интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрением современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения, причем в качестве основного метода судовождения штурманский состав в основном отдает предпочтение лоцманскому методу судоходства, который не поз–воляет в полной мере обеспечить надлежащий уровень безопасности судоходства на ВВП России в соответствии с общепринятыми мировыми стандартами. В качестве конструктивного решения указанной комплексной задачи может выступать переход от лоцманского к инструментальному ме–тоду плавания на ВВП, базирующимися на использовании систем электронной картографии в сочетании с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных системы ГЛОНАСС/GPS и, конечно, создании и внедрении новых инфокоммуникационных систем водного транспорта.

В настоящее время значительный интерес у специалистов водного тран–спорта вызывают вопросы, связанные с внедрением на внутреннем водном транспорте Российской Федерации инфокоммуникационных систем типа: корпоративная речная информационная служба (КРИС); речная информационная система (РИС) и автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС). Однако полноценное функционирование указанных систем невозможно без формирования в их зоне действия сплошного высокоточного радионавигационного поля. На акватории ВВП России такое радионавигационное поле может быть сформировано путем комплексирования полей дифференциальной поправки, вырабатываемых в СВ диапазоне контрольно-корректирующими станциями (ККС) локальной дифференциальной подсистемы (ЛДПС) ГЛОНАСС/GPS и базовыми станциями (БС) автоматизированной идентификационной системы (АИС) в УКВ диапазоне. Таким образом, для обеспечения высокого уровня безопасности судоходства, эффективного мониторинга и управления тран–спортным процессом на ВВП одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия ККС ЛДПС и БС АИС, используемых для передачи корректирующей информации в СВ и УКВ диапазоне, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего, для единой глубоководной сис–темы (ЕГС) Европейской части России, которая, учитывая ее стратегическое расположение, является одним из основных транспортных коридоров страны.

Реализация указанной задачи напрямую связана с учетом влияния параметров приемопередающего оборудования и свойств подстилающей по–верхности на процесс передачи корректирующей информации поверхностной волной СВ диапазона, а также на комплексное воздействие взаимных помех и шумов различного происхождения на дальность передачи дифференциальных поправок в СВ и УКВ диапазоне. Присутствие показанных проблем, во-первых, приводит к нарушению целостности сплошного радионавигацион–ного поля дифференциальной поправки, во-вторых, к деформации формы периметра зоны действия ККС ГЛОНАСС/GPS, работающей в СВ диапазоне, в-третьих, к снижению дальности передачи корректирующих данных в информационном канале АИС.

Поэтому, при построении практически любых речных инфокоммуника–ционных систем типа КРИС, РИС, АСУ ДС и их функциональных дополне–ний, имеет место необходимость качественного определения топологии ком–плексного радионавигационного поля высокоточного местоопределения с учетом частных вариаций зон действия всех ККС ЛДПС и БС АИС, прини–мающих участие в создании такого комплексного поля, а также теоретически обобщить и решить комплекс задач, напрямую связанных с обеспечением безопасности судоходства и оптимизации транспортного процесса на ВВП России. Все это подтверждает актуальность и своевременность постановки проблемы диссертационного исследования.

В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы являются исследования проблем и развитие методологии формирования сплошных высокоточных радионавигационных полей в СВ и УКВ диапазоне на ВВП России с учетом влияния поликомпонентной подсти–лающей поверхности, параметров приемопередающего оборудования при воздействии взаимных помех.

Объектом исследования в работе являются речные ЛДПС спутниковых радионавигационных систем второго поколения ГЛОНАСС/GPS, использую–щиеся для передачи корректирующей информации СВ и УКВ диапазоне, а также топология их зон действия.

Предмет исследования - модели, методы и алгоритмы определения дальности передачи корректирующей информации в речных ЛДПС ГЛОНАСС/GPS для СВ и УКВ диапазона, а также форм периметров зон действия как отдельных ККС, так и их цепей с учетом неоднородности подстилающей поверхности и воздействия взаимных помех.

С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, кото–рая решена в работе: на основе создания единого методологического подхода определения топологической структуры систем ЛДПС, работающих для нужд внутреннего водного транспорта России, теоретически обобщить и вырабо–тать концептуальные положения стратегии использования дифференци–альных полей СВ и УКВ диапазона на ЕГС ВВП России для обеспечения безопасности судоходства и мониторинга и управления транспортным процессом.

Решение такой научной задачи в настоящее время стало возможным лишь благодаря научному вкладу, образовавшему базу для последующих изысканий отечественных и зарубежных ученых и специалистов, таких как: Введенский, Б. А., Шулейкин, М. В., Сикарев А.А., Кашпровский, В. Е. Ван дер Поль, Д. Миддлтон, Фок В.А., Фейнберг Е.Л., Финк Л.М., Варакин Л.Е., Гаскаров Д.В., Кулибанов Ю.М. и многих других.

В данной постановке научная проблема формулируется впервые, и ее решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:

  1. Концепция системного подхода к моделированию рабочих зон действия как отдельных ККС, так и их цепей, работающих для нужд внутреннего водного транспорта.
  2. Методы определения как первичных, так и вторичных зон уверенного приема, а также выявления зон нелинейных переходов, расчета максимальной дальности передачи корректирующей информации в информационном канале АИС с учетом взаимных помех, моде–лирования топологии зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне с учетом воздействия на полезный сигнал взаимных помех.
  3. Алгоритмы определения топологии дифференциальных полей, учитывающие влияние взаимных помех в СВ и УКВ диапазонах, а также участие поликомпонентной подстилающей поверхности в распространении радиоволн СВ диапазона.
  4. Рациональная топология зон действия ККС, работающие в СВ диапазоне для формирования сплошного высоко–точного радионавигационного поля и алгоритмы рационального топологического распределения базовых станций АИС на ВВП ЕГС России для управления в структуре КРИС;
  5. Концептуальные положения стратегии использования дифференци–альных полей в СВ и УКВ диапазонах на ЕГС ВВП России для нужд внутреннего водного транспорта.

Необходимость разработки указанных научных положений обусловлена отсутствием методологических основ, анализа и синтеза дифференциальных высокоточных радионавигационных полей СВ и УКВ диапазона на ВВП России и предполагает решение следующих научно-технических задач:

проведение системного анализа, направленного на создание комплекса средств мониторинга, радионавигации и управления на базе внедрения диф–ференциальных дополнений высокоточных систем местоопределения ГЛОНАСС/GPS на внутреннем водном транспорте;

систематизация подходов к формированию методологических основ ре–шения многопараметрических задач, оптимизирующих топологию сервисных зон контрольно-корректирующих станций, работающих в СВ диапазоне;

разработка теоретических основ расчета дальности и формы периметра зоны действия контрольно корректирующей станции, при передаче диф–ференциальных поправок поверхностной волной СВ диапазона над поликом–понентной подстилающей поверхностью с учетом воздействия взаимных по–мех;

разработка комплекса математических моделей, позволяющих находить радиусы зон дифференциальных полей, формируемых в УКВ диапазоне базовыми станциями АИС и форм периметров зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне с учетом воздействия взаимных помех;

выработка концептуальных положений распределения и стратегии ис–пользования внутренним водным транспортом дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона на ЕГС ВВП России;

разработка методики и проведение расчетов зависимостей минимального уровня энергетики полезного сигнала и минимального уровня напряженности поля в зависимости от расстояния, параметров проводимости подстилающей поверхности и параметров приемопередающего оборудования.

Только в случае выполнения этих условий появляется возможность по–строить качественные высокоточные системы местоопределения СРНС ГЛОНАСС/GPS, работающие для нужд внутреннего водного транспорта России, что позволит начать крупномасштабное внедрение инструменталь–ного метода судоходства на ВВП, повысить уровень безопасности и опти–мизировать транспортный процесс на ВВП России.

Теоретической основой исследования послужили методы системного анализа, математической логики, инженерно-кибернетического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслу–живания, теории прогнозирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации, статистической теории связи, теории распространения радио–волн, теории оценок, алгоритмов, теории принятия решений и методы моде–лирования на ЭВМ.

Научная новизна диссертации заключается в том, что решена акту–альная научная задача, имеющая важное хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-пред–сказательное обоснование методов построения топологии высокоточных радионавигационных полей местоопределения в АСУ движением судов на ВВП России.

Впервые предложена модель, позволяющая определять топологию формы зоны действия речной ККС работающей в СВ диапазоне, с учетом влияния поликомпонентной подстилающей поверхности, параметров приемопередающей аппаратуры и воздействия взаимных помех, что в дальнейшем позволило на основании системного анализа выработать методику качественной и количественной оценки дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона в АСУ движением судов.

Разработанная методика наложения полей полезных сигналов и помех, позволяет учесть влияние взаимных помех на дальность передачи корректирующей информации в АСУ движением судов при формировании сплошного высокоточного радионавигационного поля дифференциальной поправки.

Метод качественного и количественного определения рациональной топологии зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне, используемых для формирования сплошного высокоточного радионавигационного поля на внутренних водных путях России, отличается комплексным учетом дальности передачи дифференциальных данных в информационном канале АИС при воздействии на него взаимных помех и деформаций периметра зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне, вследствие наличия зон нелинейных пере–ходов граничных областей поликомпонентной подстилающей поверхности.

Метод синтеза, алгоритмы и решения для структуры комбинированного высокоточного радионавигационного поля, образованного смешением диф–ференциальных полей СВ и УКВ диапазонов на Европейской части единой глубоководной системы ВВП России, отличаются применением ориги–нального подхода к организации структуры и стратегии использования дифференциальных полей указанных диапазонов в структуре АСУ движением судов в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных и преднамеренных помех, что позволяет оптимизировать процессы мониторинга и управления внутреннего водного транспорта и повысить уровень безопасности судоходства на ВВП России.

В работе получены научно-обоснованные предложения по способам вариации топологии и стратегии использования высокоточных радио–навигационных полей дифференциальной поправки на Европейской части единой глубоководной системы ВВП России в структуре информационных триад внутреннего водного транспорта, с целью повышения качества, эффективности мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП страны в условия взаимных помех.

Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории формирования и исполь–зования сплошных высокоточных полей дифференциальной поправки спут–никовых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS на основе новой кон–цепции конструктивного построения таких систем. На этом пути им разрабо–таны методы и алгоритмы, позволяющие найти топологию комплексных радионавигационных полей дифференциальной поправки СВ и УКВ диапа–зонов в условиях воздействия взаимных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению дальности передачи корректирующей информации и формы зоны действия контрольно-корректирующих станций, работающих в СВ диапазоне, для нужд внутреннего водного транспорта. Совокупность разработанных теоретических положений представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, напрямую связанное с обеспечением безопасности судоходства, повышением качества мониторинга и управления транспортным процессом на внутренних водных путях России.

Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждается: использованием системного подхода, использованием апробированного общенаучного математического аппарата при решении поставленных проблем и задач; проведением сопоставительного анализа результатов программно-компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных систем передачи корректирующей инфор–мации СВ и УКВ диапазона; корректностью и достаточным совпадением результатов теоретических расчетов с данными, полученными в ходе многолетних экспериментальных исследований и сопоставимостью этих ре–зультатов с данными, опубликованными известным учеными и специалистами в данной предметной области.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в получении на основании выполненных теоретических исследований конкретных приложений практической направленности, предназначенных для разработки, создания и мониторинга высокоточных радионавигационных полей дифференциальной поправки в структурах инфокоммуникационных триад внутреннего водного транспорта, для обеспечения высокого уровня безопасности судоходства, мониторинга и управления транспортным процессом на ВВП России. Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций дает возможность найти конструктивное решение для топологического распределения ком–плексных дифференциальных полей, создаваемых в СВ и УКВ диапазоне, а также концепции использования таких полей на акватории ВВП России.

Прикладные результаты проведенных исследований могут быть успешно внедрены при конкретной разработке и создании речных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS, формирующих радионавигационное поле в СВ и УКВ диапазонах.

Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации сплошных радионавигационных полей высокоточного местоопределения, формируемых локальными диф–ференциальными подсистемами ГЛОНАСС/GPS в СВ и УКВ диапазонах в структурах инфокоммуникационных триад КРИС, РИС, АСУ ДС на ВВП России.

Личный вклад. Весь спектр результатов, составляющих основное со–держание работы, получен автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, реализованные в НИОКР, получены с коллективом разработчиков, в которых автор является ответ–ственным исполнителем.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты приняты к реализации в ОАО НПФ «Меридиан» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО «ТРАНЗАС» (г. Санкт-Петербург), в ЗАО Российский институт радионавигации и времени (г. Санкт-Петербург),  в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, при исследовании высокоточных радионавигационных полей местоопределения и процессов передачи корректирующей информации в информационном канале АИС в Федеральных НИОКР «Испытание-Река» и «Управление-Река» РОСМОРРЕЧФЛОТА, что подтверждено актами внедрения.

Материалы диссертационной работы использованы в «Концепции создания и использования дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS на речном транспорте», разработанной в соответствии с Федеральной целевой программой по использованию Глобальной навигационной спутниковой системой ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, утвержденной Постановлением Правительства РФ от 15 ноября 1997 г. №1435, «Концепции оснащения внутренних водных путей России автоматическими информационными системами», а также ряда научно-исследовательских работ, выполненных под эгидой Федерального агентства морского и речного транспорта, исполненных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 20.08.2001 № 587 «О федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система» и приложение 1 Мероприятия федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система», подпрограммы 3 «Внедрение и использование спутниковых навигационных систем в области транспорта» (с учетом изменений, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 14.07.2006 № 423), Постановления Правительства Российской Федерации от 12.09.2008 № 680 «О внесении изменений в Федеральную целевую программу «Глобальная навигационная система», Постановления Правительства Российской Федерации от 30.04.2008 № 323 «Об утверждении Положения о полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию, развитию и использованию Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны и безопасности государства, социально-экономического развития Российской Федерации и расширения международного сотрудничества, а также в научных целях».

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы по мере её выполнения докладывались, обсуждались и были одобрены на: Международной НПК молодых ученых, студентов и аспирантов. «Анализ и прогнозирование систем управления» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), Международной НТК «Транском – 2004», (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), пятой международной НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), Международной НТК посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), экспертном совете Федерального агентства морского и речного транспорта (г. Москва, 2009 г.), Международной НТК «Связь на море и реке» (г. Москва, 2010 г.), XIII Международном семинаре Российского морского регистра судоходства «Человек и море: долгий путь к гармонии» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России инновационный путь развития» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и  заседаниях кафедры Технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в 2001 - 2011 годах.

Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 49-ти научно-технических изданиях, в том числе, в пяти монографиях, 17-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в 15-ти статьях и 11-ти тезисах докладов Международных и Российских научно-технических конференциях. Помимо указанных, результаты диссертационной работы были использованы и опубликованы в 12-ти отчетах о научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, приложения и состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 333 страниц текста, в том числе 87 рисунка, 15 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 159 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе проведены анализ и обобщение установившихся в современной отечественной и зарубежной научно-технической литературе основных взглядов, принципов и приемов для проведения концептуальных исследований сложных организационно-технических систем.

Основное внимание в данном разделе было уделено принципам построения современных речных инфокоммуникационных систем и систем высокоточного позиционирования. Проанализированы существующие методы создания триадно-иерархических структур речных инфокоммуникационных систем типа: корпоративная речная информационная система (КРИС) – речная информационная служба (РИС) – автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС), а также вскрыт основной ряд факторов, определяющих эффективность указанных систем.

Проведен анализ и обобщены особенности целеполагания при проведении концептуальных исследований и выбора показателей эффективности для сложных организационно-технических систем. Рассмотрены основные принципы целеполагания, такие как: причинности, коммутативности, «от общего к частному», минимизации затрат при синтезе системы, системности, описания рабочих функций, полноты и точности изложения цели.

С позиции указанных принципов рассмотрены возможности основных трёх классов критериев. В качестве критериев была рассмотрена возможность адаптивности, пригодности и оптимальности указанных систем в целом, а также их сегментов и функциональных дополнений в отдельности.

Проведён анализ и обобщение мирового и отечественного опыта разработки, внедрения и использования речной иерархической триады КРИС – РИС – АСУ ДС и систем высокоточного местоопределения, строящихся на базе дифференциальных дополнений спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС, GPS, который свидетельствует о том, что в настоящее время системы управления движением судов и системы высокоточного местоопределения, задействованные в процессе обеспечения безопасности судоходства, получили достаточно широкое распространение на внутренних водных путях многих Европейских стран, Азии и Северной Америки. Подобные системы в настоящее время также активно используются для осуществления качественного мониторинга и управления транспортным процессом на акваториях внутренних водных путей. Разработка, внедрение и информационное сопровождение инфокоммуникационных триад КРИС – РИС – АСУ ДС и высокоточных систем местоопределения на ВВП стран Евросоюза осуществляется в соответствии с Концепцией «Речных информационных служб», принятой в Европейском Союзе и подтвержденной Международной Ассоциацией маячных служб, что, несомненно, свидетельствует об актуальности внедрения таких систем и на ВВП России.

Выполнен анализ современных подходов, путей, принципов создания и архитектуры высокоточных систем местоопределения, строящихся на ис–пользовании дифференциальных дополнений спутниковых радионавигации–онных систем ГЛОНАСС, GPS, работающих для нужд внутреннего водного транспорта.

Проведен анализ современных основ создания и информационного обеспечения корпоративных речных информационных систем при ис–пользовании сетевого и комбинированного методов интеграции в случае её построения на ЕГС ВВП России. Здесь также рассматриваются весьма конструктивные алгоритмы и методы построения высокоточных систем местоопределения, а именно: сетевой метод интеграции, широкозональный метод интеграции, комбинированный метод (сетевой–сотовый–транкинго–вый), комбинированный метод (широкозональный–сотовый–транкинговый).

Рассмотрены основные принципы построения высокоточных систем местоопределения, строящихся на основе спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения ГЛОНАСС/GPS. Здесь детально были проанализированы точностные характеристики и контроль целостности указанных СРНС с точки зрения их использования в решении навигационной задачи на ВВП России. Здесь также детально рассмотрены главные направления и пути решения задачи повышения точности навигационных местоопределений. С этой точки зрения исследованы физические основы реализации дифференциального режима. Причем было показано, что при реализации дифференциального режима на ВВП России удвоенная среднеквадратическая радиальная ошибка определения координат подвиж–ного объекта при использовании навигационных сигналов СРНС ГЛОНАСС может составлять

(1)

при вероятности 95%, а при использовании навигационных сигналов СРНС GPS

(2)

Принимая во внимание выражения (1) и (2), в данном разделе выполнен анализ основных реализаций дифференциального режима, что позволило с учетом принятой в мировой практике классификации дифференциальных дополнений исследовать архитектуру и особенности информационного фун–кционирования локальной дифференциальной подсистемы (ЛДПС) (рис. 1),

Рис. 1. Принципиальная схема построения ЛДПС.

что свидетельствует о необходимости сосредоточить, в первую очередь, внимание на задачах формирования сплошных дифференциальных полей высокоточного местоопределения для АСУ движением судов на ВВП России.

На основе анализа в терминах современного инженерно-кибернети–ческого подхода в данном разделе сформулированы и выделены для последующего исследования основные технологии высокоточного позиционирования, строящиеся на базе глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS, или их объединенной группировки, где рассмотрены реализации дифференциальной технологии этих Глобальных навигационных спутниковых систем, функционируюих при помощи геостационарных космических аппаратов и получивших название широкозональные и региональные дифференциальные подсистемы глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS, здесь же изучены локальные дифференциальные подсистемы этих глобальных навигационных спутниковых систем, строящиеся на базе контрольно-корректирующих станций, используемых на водным транспорте в крупнейших странах Европы, Америки и России.

При анализе мирового научно-технического опыта по решению проблемы формирования радионавигационных полей дифференциальной поправки в зонах действия АСУ движением судов и других инфокоммунакационных систем водного транспорта показаны основные проблемы определения топологии форм периметров зон действия ККС работающих в СВ диапазоне, в границах инфокоммуникационных триад внутреннего водного транспорта

В заключении раздела обоснованы целесообразность и необходимость дальнейшего исследования локальных дифференциальных подсистем Глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS, строящиеся на базе цепи контрольно-корректирующих станций, а также топология высокоточных полей дифференциальной поправки, формируемых поверхностной волной диапазона средних волн, излучаемой такими контрольно-корректирующими станциями и в ультракоротковолновом диапазоне информационного канала, формируемого базовой станцией автоматизированной информационной системы.

Решению указанных задач посвящены последующие разделы диссертации.

Во втором разделе представлены результаты исследования комплекса задач анализа математического обеспечения определения дальности и форм зон действия контрольно-корректирующих станций локальной дифференциальной подсистемы.

В случае, когда приемная и передающая антенны подняты над поверхностью Земли, а расстояние между ними незначительно, тогда кривизной Земли можно пренебречь. Здесь предполагается, что подстилающая поверхность гладкая и однородная на протяжении всей радиотрассы. При таких условиях с помощью модели Шулейкина–Ван-дер-Поля можно определить напряженность электромагнитного поля, создаваемого передающим устройством ККС в СВ диапазоне:

(3)

где Р – мощность передатчика, W – нелинейный множитель ослабления, r – удаленность от передатчика.

Множителем ослабления W является функцией численного расстояния , которое представляет собой безразмерный параметр. Численное расстояние можно определить следующим образом:

(4)

где – диэлектрическая проницаемость подстилающей поверхности.

Для определения W при известном можно пользоваться графиками, составленными Берроузом, где в логарифмическом масштабе по оси абсцисс отложены различные значения , на оси ординат расположены искомые значения W для двух видов поляризации и разных значений параметра . Модуль множителя ослабления также можно определить аналитическим путем по приближенной формуле

(5)

При > 25 выражение (5) примет вид

(6)

Данная модель достаточно актуальна при сравнительно малых расстояниях от передатчика, когда влиянием кривизны земной поверхности можно пренебречь.

В случае, когда дальность распространения поверхностных волн СВ диапазона составляет порядка нескольких сотен километров, необходимо учитывать кривизну земной поверхности. Для решения такой задачи можно использовать модель В.А. Фока. В указанной модели связь между функциями ослабления V и W для освещенной части поверхности можно записать так

(7)

После определенных математических преобразований можно показать, что функция ослабления примет вид

(8)

Тогда, при выполнении , когда , а

выражение для W дает формулу (9), следовательно, им можно пользоваться для освещенной области.

       Для области полутени, когда положительное или отрицательное число порядка единицы, т. е. область полутени, где явление дифракции играет главную роль. Для определения функции ослабления в области полутени можно использовать соотношение

(9)

где ,  q – параметр, характеризующий свойства почвы. 

В случае, когда величины х и у достаточно велики, причем пусть конечна. Величина z представляет приведенное расстояние, считаемое не от источника, а от геометрической границы тени. В области геометрической тени z > 0, в «видимой» области – z < 0.

Для положительных (не слишком малых) z будет справедливым

(10)

Ряд (10) сходится тем быстрее, чем больше z. При больших положительных z его сумма практически сводится к первому члену. Для отрицательных z ряд перестает сходиться.

Для области геометрической тени (z > 0) можно записать степенной ряд

(11)

Представленный ряд (11) вполне пригоден для практического использования и может быть достаточно просто использован для определения множителя ослабления в теневой области.

Показанные модели позволяют выполнять вычисления только для однородных подстилающих поверхностей. Для определения напряженности поля с учетом неоднородности подстилающей поверхности можно использовать модель Фейнберга. Если трассой распространения радиоволн является первая зона Френеля, которая в случае z0 = zA = 0 имеет вид вытянутого эллипса с корреспондирующими точками в качестве его фокусов. Такая трасса может быть разбита на число участков N, каждый из которых обладает постоянными параметрами проводимости, причем переходные области между участками малы по сравнению с размерами самих участков. Тогда для z0 = 0, y0 = y(s0) когда будет

(14)

где k – абсолютная величина волнового вектора.

Разбивая такую подстилающую поверхность на однородные участки, по своим электромагнитным свойствам, это уравнение можно переписать так:

(15)

где xj–1 и xj – границы j-го участка, x0 = 0, xN = D.

Функция ослабления является сложной функцией расстояния от источника. При переходе каждой границы между участками может меняться и характер ее поведения. Поэтому, закрепив положение источника, особенно удобно на каждом участке обозначать ее определенным символом.

Для определения поля в любой точке необходимо выполнить интегрирование только по области значений x, лежащей между источником и точкой. Для первого участка функция ослабления известна, это нормальная функция ослабления для соответствующего 0, а именно

Для функции ослабления второго участка при х1 < D будет справедливо

(16)

При условии для концевого участка

(17)

В общем случае для k-го участка при может быть показано

(18)

При использовании показанной модели в случае аппроксимации поликомпонентной подстилающей поверхности, состоящей из большого количества участков, принимая во внимание соотношение (21), могут возникать определенные затруднения вычислительного характера, связанные с определением функции ослабления каждого из участков. Для аппроксимации подобных подстилающих поверхностей могут быть использованы аппроксимационные модели сложных импедансов.

Модель средневзвешенного импеданса

(19)

Модель обобщенного среднегеометрического импеданса

(20)

Модель квазипозиномиального импеданса

(21)

где

(22)

где W1, W2, W3, Wn – неоднородные множители ослабления каждого из участков подстилающей поверхности; L1, L2, L3, Ln – протяженность ее участков; 1, 2, 3, n – весовые коэффициенты каждого из задействованных участков подстилающей поверхности.

Для аппроксимации любых подстилающих поверхностей может быть использована аппроксимационная сегментационная модель, строящаяся на использовании сегментационной теоремы , где М = + – общее число сегментов, причем = 0, 1, 2,… – число «двоек», а = 0, 1, 2… – число «троек» участков.

Для двухкомпонентного сегмента будет 

(23)

Для трехкомпонентного сегмента можно записать

(24)

При использовании сегментационной теоремы с учетом алгоритмов оптимальности и сшивки граничных участков аппроксимационных сегментов представляется возможным достаточно просто определять нелинейный множитель функции ослабления для любого участка поликомпонентной подстилающей поверхности. 

Установлено, что вводя в общее аппроксимационное решение граничное условие, учитывающее параметры приемопередающего оборудования, в данном случае можно определить непосредственно дальность действия ККС.

(25)

где – длина волны; Рпер – мощность передатчика, Рпр min – чувствительность приемника; – коэффициент, определяющий требуемую вероятность приема, Gnp и Gnеp – коэффициент усиления соответственно приемной и передающей антенн; np и  nep – коэффициент полезного действия (к.п.д.) их антенно-фидерного тракта.

Сформулированная статистическая модель, доказанная сегментационная теорема и алгоритмы сшивки, как это подтверждается исследованиями последующих разделов весьма конструктивна для решения задач определения топологии и форм периметров зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне с учетом неоднородности подстилающей поверхности. Для решения таких задач анализа разработаны, прежде всего, методика и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач количественной оценки дальности и формы зон действия ККС, работающей в СВ диапазоне.

Далее в разделе выявлена чувствительность указанной модели к зонам, содержащим нелинейные переходы, имеющие место в граничных областях соседних участков, обладающих различными проводящими способностями поликомпонентной подстилающей поверхности.

Важным выводом, имеющим экономические последствия при проектировании и строительстве цепей ККС, является особая роль «взлетной» и «посадочной» площадки поликомпонентной подстилающей поверхности, при определении дальности и формы зоны действия контрольно-корректирующих станций, работающей в средневолновом диапазоне.

Полученные в разделе результаты важны, во-первых, потому, что достаточно полно описывают тенденции и количественный характер поведения дальности распространения и формы зоны действия ККС, работающей в СВ диапазоне.

Во-вторых, они свидетельствуют о настоятельной необходимости исследований форм периметров зон действия как отдельных ККС, так и их цепей, особенно на ВВП.

В третьем разделе для решения задачи оптимизации топологии высокоточных радионавигационных полей, формируемых ККС в СВ диапазоне для речных инфокоммуникационных систем, разработаны методика и алгоритмы определения формы периметра зоны действия ККС при использовании аппроксимационных моделей, учитывающих влияние поликомпонентной подстилающей поверхности. Показано, что используя алгоритм

(26)

где rc – дальность зоны действия ККС, W – модуль нелинейного множителя ослабления, где j – азимутальное j направление от ККС на НАП, j = 1,2,3,…,n где n – число выбранных азимутальных направлений для расчета.

В данном разделе на основе наиболее конструктивной из усредняющих обобщенных моделей – квазипозиномиального импеданса определен множитель ослабления составной трассы W1, 2 и найдены зоны

(27)

действия ККС для ряда опорных пунктов ЕГС России, а также выполнен сопоставительный анализ полученных результатов с результатом, полученным при использовании моделей (19) и (20). Также для рассмотренных случаев определены осредненные и минимальные зоны действия ККС для рассмотренных опорных пунктов (табл. 1).

Таблица 1.

Результаты осреднения расчетной формы периметра зоны действия ККС

п/п

Название опорного пункта

Осредненный радиус, км

Ближайшая ККС

1

2

3

Дистанция, км

Опорный пункт

1

Маяк Шепелевский

495.8

270.7

235.8

537

Шексна

8

Шексна

520.8

194.0

148.0

461

Нижний Новгород

11

Нижний Новгород

517.1

207.1

107.4

328

Казань

12

Казань

499.5

180.1

144.6

289

Самара

13

Самара

484.1

211.0

144.1

348

Саратов

14

Саратов

504.8

187.8

107.2

309

Волгоград

15

Волгоград

509.4

218.3

145.1

322

Астрахань

16

Астрахань

514.3

198.9

183.5

Для практически важных вариаций двух компонентных подстилающих поверхностей типа «суша-море», «море-суша» с учетом соотношения

(28)

и трехкомпонентных подстилающих поверхностей типа «суша-море-суша», «море-суша-море» с учетом выражения

(29)

выполнен аналитический расчет функции ослабления и напряженности поля, с целью выявления чувствительности модели сегментации к нелинейным переходам напряженности поля граничных областей участков подстилающей поверхности (Рис. 2.а. кривая 1), а также с результатами аппроксимаций, полученных на основе квазипозиномиальной модели (Рис. 2.а. кривая 2).

Рис. 2. Напряженность поля над поликомпанентной подстилающей поверхностью: а) двухкомпонентная подстилающая поверхность протяженностью 200 км; б) расчетная форма периметра зоны действия ККС.

С учетом алгоритмов сегментации и полученных условий показана возможность определения форм периметров зон действия ККС, работающих в СВ диапазоне с учетом параметров приемопередающего оборудования для любых поликомпонентных подстилающих поверхностей, отвечающих условию N = n+m,        N 2. (Рис. 2.б.).

Проведен сопоставительный анализ результатов аналитических расчетов, полученных с использованием теоремы сегментации N = n+m с данными натурных испытаний рис. 3. На основании чего можно сделать вывод, что предложенная модель достаточно конструктивна для определения дальности и форм периметров зон действия речных ККС.

Рис. 3. Сопоставительный анализ расчетных результатов и данных натурных испытаний: а.) СКП при нормальном распределение с вероятностью 0.95; б.) параметры ККС Кочетовского гидроузла при удалении на 96.0 км.

       Также в третьем разделе определены, нанесены на карту и исследованы, с учетом реальных условий распространения поверхностных волн средневолнового диапазона, топология осредненной (табл. 2) и уточненной зоны действия контрольно-корректирующей станции «Нижний Новгород», «Саратов», «Самара», «Казань», «Волгоград», «Астрахань», после чего была найдена и построена результирующая зона действия части цепи локальной дифференциальной подсистемы, ограниченная с севера контрольно-корректирующей станцией «Нижний Новгород», а с юга дифференциальной станцией «Астрахань» (рис 4).

Таблица 2.

п/п

Название ОП

Осредненный радиус, км.

Минимальный радиус, км.

1

Астрахань

481.6*

414*

2

Волгоград

335.2

220

3

Казань

339

182

4

Нижний Новгород

332

273

5

Самара

390

290

6

Саратов

417

363

* – в расчете принималась область в секторе 180° (запад-север-восток)

Осредненный и минимальный радиусы зоны действия ККС

Рис. 4. Форма зоны действия цепи ЛДПС состоящей из 8 ККС: а.) уточненная форма периметра; б.) минимальная форма периметра.

В четвертом разделе разработана методика и исследовано влияние взаимных помех в СВ диапазоне на особенности построения топологии дифференциальных полей.

Для решения поставленной задачи предложена методика анализа наложения полей сигналов и помех в локальных дифференциальных подсистемах ГЛОНАСС, GPS, на основе которой для цепи речных ККС, установленных от ЕЧ ЕГС России от Санкт-Петербурга до Астрахани, найдены зоны наложения дифференциальных полей (рис. 5). В общей сложности найдено 11 зон наложения, причем зоны с номерами 1 – 8 можно классифицировать, как зоны однократного наложения дифференциальных полей, а зоны, обозначенные 9 – 11, относятся к зонам многократного наложения дифференциальных полей.

Рис. 5. Зоны наложения дифференциальных полей ККС цепи ЛДПС.

Для этих условий разработана модель определения зоны действия источника взаимных помех, где напряженность поля, создаваемого передающим устройством, относительно малой мощности источника взаимных помех, определяется соотношением

(30)

где r – расстояние связи, Рип – мощность источника помех, S(, ) – максимальное значение диаграммы направленности, и – углы наблюдения (излучения), соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, 0 и 0 – углы максимального излучения.

Для определения мощности сигнала на выходе приемника НАП, согласованного с антенной, для случая вертикально поляризованных волн можно записать

(31)

где и учитывают Gнап / Gип – коэффициент усиления антенны НАП и источника помех; нап / ип – к.п.д. антенно-фидерного тракта НАП и источника помех, соответственно.

Тогда при равных численных расстояниях (пр1В = пр min) радиус зоны действия источника помех с учетом конкретных параметров НАП и источника помех.

(32)

       

Также в четвертом разделе приведены алгоритмы определения максимальной дальности передачи корректирующей информации в информационном канале автоматизированной идентификационной системы.

На ВВП используемые в АИС УКВ-радиосигналы, в общем случае могут быть представлены, как амплитудный коэффициент передачи , который можно описать четырехпараметрической одномерной плотностью вероятности:

(33)

здесь x, y – параметры распределения, причем mx, my – математическое ожидание ортогональных компонент передаточной функции радиоканала; Ik(.) – модифицированная функция Бесселя первого рода k-го порядка; Н2k(.) – полином Эрмита порядка 2k.

Очень часто при решении задачи передачи корректирующей информации в информационном канале АИС может потребоваться учет влияние заграждающего рельефа. Как свидетельствует опыт выполнения подобных расчетов, достаточно удобно использовать равномерный, показательный и нормальный законы распределения.

В случае, когда имеет место равномерный закон будет

(34)

где Нmax и Hmin – максимальная, и, соответственно, минимальная высоты заграждающего рельефа.

       Для показательного закона можно использовать соотношение

(35)

здесь – параметр распределения (обычно 0.01….0.5).

Для нормального закона будет

(36)

       При необходимости учесть относительное перемещение судового транспондера АИС относительно БС можно использовать модель, учитывающую случайный закон распределения Максвелла

(37)

где

или случайный закон распределения Релея

(38)

где

Принимая во внимание достаточно высокую насыщенность БС АИС, имеющую место в настоящее время на ЕГС ЕЧ России, необходимо определять дальность передачи корректирующих данных в информационном канале АИС с учетом влияния взаимных помех. Учитывая, что максимальная дальность передачи дифференциальных поправок БС АИС определяется соотношением

(39)

где Ртр = 10–2 – 10–6 – требуемая вероятность ошибки при приеме цифровой, Рош(Rc) – вероятность ошибки приема в информационном канале АИС двоичной цифровой информации при расстоянии БС – СТ равном Rc.

Для случая незамирающий сигнал – незамирающая помеха будет

(40)

где I0(·) – модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

Для случая незамирающий сигнал – помеха, замирающая по релеевскому закону распределения,

(41)

Для комбинации замирающий сигнал – не замирающая помеха

(42)

Для случая замирающий сигнал и замиряющая по релеевскому закону распределения помеха,

(43)

В пятом разделе проведено исследование топологической структуры системы ККС на ВВП России и стратегии использования дифференциального режима в АСУ движением судов.

При проведении указанного исследования был учтен ряд особенностей передачи корректирующей информации в зонах взаимного перекрытия дифференциальных полей. Причем для случая, когда допустима замена поликомпонентной подстилающей поверхности эквивалентной монокомпонентной, рассчитан ряд номограмм, описывающих распределение минимального уровня энергетики сигнала в пределах исследуемой радиолинии (рис. 6).

Рис. 6. Номограмма минимального уровня энергетики сигнала,

при = 0.001 сим/м и = 3.

Также для случая, когда известны параметры приемопередающего оборудования, был построен ряд номограмм позволяющих определить в зависимости от свойств проводимости подстилающей поверхности минимальный уровень напряженности поля ККС для полосы частот 283.5 – 324.0 кГц

В рамках решаемой научной проблемы проведен и описан крупномасштабный эксперимент по определению параметров высокоточного радионавигационного поля дифференциальной поправки на Европейской части Единой глубоководной системы России. В ходе эксперимента непрерывно измерялись основные параметры поля создаваемого цепью ККС от Санкт-Петербурга до Астрахани, а также проводился спектральный анализ частотного диапазона, выделенного для передачи корректирующей информации в СВ диапазоне.

Рис. 7. Натурные измерения: а) Измерение параметров сигнала ККС;

б) Спектральный анализ.

       

Также в зоне действия ККС «Шепелевский», «Шексна», «Нижний Новгород», «Казань», «Самара», «Саратов», «Волгоград», «Астрахань» в реперных точках определялась точность навигационных местоопределений.

Рис. 8. Определение точности позиционирования.

       В результате обработки данных экспериментальных изысканий (рис 7, 8), во-первых, были определены и нанесены на карту граница рабочей зоны всей цепи ККС, а также выявлены зоны перекрытия зон действия каждой из ККС в отдельности, во-вторых, были обнаружены зоны разрыва дифференциального поля цепи в целом.

Проанализированы различные варианты компенсации разрывов и зон недостаточного перекрытия дифференциальных полей. На основе выполненного анализа с учетом результатов натурных испытаний предложены конкретные рекомендации по ликвидации зоны разрыва дифференциального поля, расположенной между ККС «Шексна» и ККС «Нижний Новгород»

В этом разделе на базе математических моделей, раскрытых и описанных в предыдущем разделе, определены размеры зон передачи корректирующих данных ГЛОНАСС/GPS в информационном канале АИС для ряда опорных пунктов Европейской части Единой глубоководной системы ВВП России с учетом стандартной (–107 дБ), реализуемой в настоящее время и перспективной (–114 дБ) чувствительности приемных устройств судовых транспондеров АИС. На основании полученных результатов разработано рациональное топологическое распределение (рис. 9) базовых станций автоматизированной идентификационной системы с целью создания сплошного информационного поля в структуре корпоративной речной информационной системы Европейской части единой глубоководной системы ВВП России.

Рис. 9. Топология высокоточного радионавигационного поля дифференциальной поправки в СВ и УКВ диапазоне на акватории Горьковского водохранилища.

Завершен раздел расширением на конкретные концептуальные решения и рекомендации по стратегии использования дифференциальных полей СВ и УКВ диапазонах на всей акватории единой глубоководной системы ВВП России с целью использования их в корпоративной речной информационной системе.

Представлены результаты синтеза сплошных полей дифференциальной поправки, создаваемые путем комплексирования полей вырабатываемых речными ККС в СВ диапазоне и создаваемые при помощи БС АИС в УКВ диапазоне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ инфокоммуникационных технологий, нашедших реализацию на внутреннем водном транспорте в виде практических приложений триадно–иерархической структуры «Корпоративная речная информационная система – Речные информационные службы–АСУ движением судов», путей, методов и средств обеспечения безопасности судоходства, мониторинга и управления транспортным процессом на внутренних водных путях России, показал, что имеет место определенная недостаточность уровня безопасности судовождения, контроля и управления движением судов, обусловленная, в основном, использованием консервативного подхода к решению указанных задач, однако, положительным образом повлиять на весь процесс в целом может широкомасштабное внедрение на внутреннем водном транспорте систем высокоточной навигации, мониторинга и управления, а также переход к инструментальным методам навигации и судовождения, строящихся на использовании систем электронной картографии, высокоточных принципах автоматического местоопределения и автоматизированной идентификации.

Таким образом, в работе сформулирована научно-техническая проблема, имеющая важное хозяйственное значение – повышение безопасности судоходства путем создания на акваториях внутренних водных путей России сплошного комплексного радионавигационного поля дифференциальной поправки в СВ и УКВ диапазона. Решение показанной научной проблемы в рамках данного научного направления позволило определить цели исследований диссертационной работы. В соответствии с которыми получены теоретическое обоснование и практическая реализация системных методов, математических моделей и алгоритмов принятия решений при проектировании, использовании и оценке состояния комплексной организационно-технической системы формирования сплошного радионавигационного поля высокоточных местоопределений подвижных объектов на ВВП России.

Научные результаты, полученные в работе, содержат решения ряда актуальных задач.

1. Концепция системного подхода к моделированию рабочих зон действия как отдельных ККС, так и их цепей, предназначенных для обеспечения корректирующей информацией различных потребителей внутреннего водного транспорта. В рамках указанной концепции были выработаны:

         методика и алгоритмы определения первичных и вторичных зон уверенного приема, зон радиомолчания, а также получен комплекс решений для выявления и учета зон нелинейных переходов поля в граничных областях соседних участков подстилающей поверхности, обладающих различными проводящими способностями;

       методика моделирования форм периметров зон действия речных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS, учитывающая параметры приемопередающего оборудования, проводящие способности подстилающей поверхности, а так же воздействия на процесс передачи корректирующей информации взаимных помех;

       алгоритмическое и математическое обеспечение выявления зон взаимного перекрытия дифференциальных полей при объединении отдельных ККС в цепь с целью формирования сплошного радионавигационного поля дифференциальной поправки.

  1. Развитие методологии построения сплошных радионавигационных полей дифференциальной поправки для обеспечения безопасности судоходства, мониторинга и управления транспортным процессом в условиях воздействия взаимных помех, на основе системного подхода к структуре и алгоритмическому обеспечению современных инфокоммуникационных систем и комплексов внутреннего водного транспорта. Исследуемый подход включает:

анализ современного международного и отечественного состояния концептуальных изысканий в области разработки, создания и эксплуатации инфокоммуникационных технологий водного транспорта, базирующихся на использовании дифференциальных систем высокоточного местоопределения;

разработку совокупности рекомендаций, предложений и научного обоснования архитектуры топологической структуры высокоточных радионавигационных полей СВ и УКВ диапазона для акватории ВВП России на основе программного моделирования, аналитических и экспериментальных изысканий;

разработку концептуальных положений, решений и рекомендаций по стратегии внедрения и использования дифференциальных полей СВ и УКВ диапазона на единой глубоководной системе ВВП России с учетом неоднородности подстилающей поверхности и негативного воздействия на процесс передачи корректирующей информации взаимных помех.

       3. Теоретические и методические основы расчета дальности и форм периметров зон действия контрольно-корректирующих станций речной дифференциальной подсистемы, включают:

комплекс решений и алгоритмов, позволяющих находить минимальный уровень энергетики полезного сигнала и минимальный уровень напряженности электромагнитного поля необходимый для успешного приема дифференциальных поправок, передаваемых поверхностной волной СВ диапазона с учетом конкретных параметров приемопередающего оборудования и проводящих способностей подстилающей поверхности;

решения, позволяющие определить топологическую структуру комплексного дифференциального поля, образованного слиянием полей СВ и УКВ диапазонов, где учитывается влияние взаимных помех, а также неоднородность подстилающей поверхности, принимающей участие в процессе распространения поверхностных радиоволн СВ диапазона;

с учетом опыта математического моделирования, результатов научных изысканий и обобщения методологической базы крупнейших мировых ученых, таких как В.А. Фок, Е.Л. Фейнберг, Б. Ван-дер-Поля, М.В. Шулейкин и А.А. Сикарев, были  получены новые решения, строящиеся на использовании новой теоремы сегментации N = n + m и алгоритмах сшивки граничных участков апроксимационных сегментов, позволяющих достаточно просто выполнять аппроксимации поликомпонентных подстилающих поверхностей состоящих из любого количества однородных участков; 

выработана методика, позволяющая учитывать в общем решении воздействие взаимных помех на дальность передачи корректирующей информации в СВ и УКВ диапазонах.

4. Найден комплекс решений определения рациональной топологии зон действия ККС дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS, работающих в СВ диапазоне для формирования сплошного высокоточного радионавигационного поля, а также оптимизации топологического распределения базовых станций АИС на ВВП единой глубоководной системы России для управления в структуре корпоративной речной информационной системы.

Этот комплекс решений, методов и алгоритмов базируется на расчете дальности и форм периметров зон действия ККС, работающих в диапазоне средних волн в случае соединения их в единую цепь с целью формирования сплошного радионавигационного поля дифференциальной поправки для обеспечения безопасности судоходства, повышения качества мониторинга и управления в структуре инфокоммуникационных триад КРИС, РИС, АСУДС. Помимо того, при формировании поля дифференциальной поправки ГЛОНАСС/GPS в УКВ диапазоне для определения оптимального топологического распределения базовых станций автоматизированной идентификационной системы учитываются особенности передачи корректирующих данных в информационном канале АИС на ВВП России, причем при определении дальности передачи дифференциальных поправок в этом диапазоне учитывается не только влияние заграждающего рельефа, но и влияние сосредоточенных по спектру помех.

5. Выработаны концептуальные положения стратегии использования дифференциальных полей ГЛОНАСС/GPS в СВ и УКВ диапазонах на ЕГС ВВП России для нужд внутреннего водного транспорта, с учетом использования комплексного дифференциального поля дальнейшего использования этого поля в качестве основы при создании инфокоммуникационных систем управления, мониторинга, навигации и связи типа КРИС, РИС, АСУ ДС, работающих для нужд внутреннего водного транспорта. В этих концептуальных положениях учтены особенности передачи корректирующей информации в СВ и УКВ диапазонах на акватории ВВП России при воздействии на процесс передачи такой информации взаимных помех. На этом пути:

на основе системного подхода выполнен конструктивный анализ данных, полученных в ходе натурных испытаний нижней части длинноволнового и верхней части коротковолнового диапазона, предназначенного для передачи дифференциальных поправок с выявлением основных возможных источников взаимных помех, имеющих место на акватории Европейской части единой глубоководной системы ВВП России;

базируясь на результатах аналитического расчета и данных экспериментальных изысканий предложены конкретные рекомендации, позволяющие при соответствующей модернизации речной дифференци–альной подсистемы ГЛОНАСС/GPS на ВВП России сформировать в СВ и УКВ диапазонах сплошное комплексное поле дифференциальной поправки;

представлены решения по оцениванию качества и точности высокоточного позиционирования в автоматическом режиме речных и судов «река-море» плавания на акватории ВВП России, в том числе и при использовании речных электронных навигационных карт в решении навигационной задачи;

приведены конкретные прикладные решения и рекомендации по построению сравнительно несложной речной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS и стратегии использования внутренним водным транспортом высокоточных полей позиционирования, формируемых такой дифференциальной подсистемой.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Каретников В.В., Сикарев А.А. Топология дифференциальных полей и дальность действия конт–рольно-корректирующих станций высокоточного местоопределения на внутренних водных путях. / –СПб.: СПбГУВК, 2008. – 352с. 

2. Каретников В.В. Архитектура зон действия локальных дифференциальных подсистем, работающих для нужд внутреннего водного транспорта. / –СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2010. –178 с.

3. Замятин А.Г., Каретников В.В., Сикарев И.А. и др. Особенности использования судовой радиолокационной станции для обеспечения безопасности судоходства применительно к внутренним водным путям. /  –СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. –78 с.

4. Каретников В.В., Ракитин В.Д., Сикарев А.А. Автоматизация судовождения. / –СПб.: СПбГУВК, 2007. –264 с.

5. Каретников В.В., Сухоруков В.С., Хохлов П.П.  Использование судовых радиолокационных станций для обеспечения безопасности судовождения на внутренних водных путях. / –СПб.: СПбГУВК, 2008. –139с.

Публикации, предусмотренные «Перечнем изданий ВАК»

       6. Каретников В.В., Петухов Ю.В. Некоторые аспекты интеграции современных радиолокационных станций, судовых радионавигационных приборов и технических средств навигации. / Сборник научных статей «Вопросы радиоэлектроники. Вып. 2.» Серия РЛТ. 2009. С. 5–8.

       7. Замятин А.В., Каретников В.В., Малявченков А.В. Особенности определения дальности действия ККС работающих в СВ диапазоне. / Сборник научных статей «Эксплуатация морского транспорта». - СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2008. С. 52–56.

       8 Каретников В.В., Сикарев А.А. Современные инфокоммуникацион–ные технологии внутреннего водного транспорта. / Журнал «Речной транспорт (XXI) век». –М.: 2010. С. 65–67        

9. Каретников В.В., Сикарев И.А. К вопросу компьютерного моде-лирования форм периметров зон действия дифференциальных дополнений спутниковых радионавигационных систем / Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерныее системы», №1. - СПб.: СПбГТУ, 2009. - С.34-37.

       10. Каретников В.В., Сикарев И.А. Зависимость размеров зоны действия автоматизированной идентификационной системы от расстояния до источника взаимной помехи / Сборник научных статей «Эксплуатация морского транспорта». - СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2009. - С.50-55.

11. Замятин А.В., Каретников В.В., Сикарев И.А. К вопросу определения вертикальной составляющей электромагнитного поля, создаваемого контрольно корректирующей станцией с учетом неоднородной структуры подстилающей поверхности / Сборник научных статей «Эксплуатация морского транспорта». - СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2009. - С.58-63. 

12. Каретников В.В., Сикарев И.А. Топология зон действия локальных дифференциальных подсистем на внутренних водных путях России. / Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы», №4. - СПб.: СПбГТУ, 2009. - С.31-35.

13. Каретников В.В., Сикарев И.А. Влияние сосредоточенных по спектру помех на размер рабочей зоны автоматизированных инфор–мационных систем / Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы», №3. - СПб.: СПбГТУ, 2009. - С.42-47.

14. Каретников В.В., Сикарев И.А. Помехозащищенность автоматичес–кой информационной системы в условиях сосредоточенных помех на внут–ренних водных путях / Приложение к журналу «Мехатроника, автоматизация, управление», №10. – СПб.: «Новые технологии», 2009. - С.62-64.

15. Каретников В.В., Сикарев И.А. Помехозащищенность информации-онного канала передачи корректирующей информации речной автоматической информационной системы / Журнал «Морская радиоэлектроника», №3. - СПб.: 2009. - С.24-28.

16. Каретников В.В., Сикарев И.А. Компьютерное моделирование высокоточных радионавигационных полей позиционирования создаваемых локальной дифференциальной подсистемой ГЛОНАСС/GPS, работающий в диапазоне средних волн / Журнал «Морская радиоэлектроника», №2. – СПб.: 2009. - С.28-30.

17. Каретников В.В., Сикарев И.А., Поплескин И.А. Особенности передачи дифференциальных поправок в информационном канале автоматизированной идентификационной системы. / Журнал «Морская радиоэлектроника», №2(32). –СПб.: 2010. –С. 18–21.

       18. Бедрин И.Б., Каретников В.В., Конаржевский И.К.,  Сикарев И.А., Царев В.М. Использование спутниковых радионавигационных технологий и систем функциональных дополнений на внутренних водных путях России. / Журнал «Новости навигации», №-2. –М.: 2010. –С. 30–32.

       19. Каретников В.В., Сикарев А.А. К вопросу информационного внедрения автоматизированных идентификационных систем на внутреннем водном транспорте. / Журнал университета водных коммуникаций. №-8. –СПб.: СПбГУВК. 2010.

       20. Каретников В.В., Рудых С.В., Сикарев И.А. Влияние взаимных помех на зону действия автоматизированной идентификационной системы. /

Журнал «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы», №-3 - СПб.: СПбГТУ, 2010.

21. Каретников В.В., Сикарев А.А., Соляков О.В. Влияния поликомпонентной подстилающей поверхности Земли на форму периметра зоны действия контрольно-корректирующих станций. / Журнал «Морская радиоэлектроника», №-1(23). –СПб.: 2008. –С.22–25 .

22. Каретников В.В., Сикарев А.А. Совершенствование системы управления судами с использованием автоматизированных иденти–фикационных систем на внутренних водных путях. / Журнал университета водных коммуникаций. Вып. 3(7). –СПб. СПбГУВК. 2010. –С. 93–95.

23. Волков А.Б. Каретников В.В., Сикарев И.А. Алгоритмы определения дальности и радиуса зоны действия автоматической информационной системы работающей в условиях сложной помеховой обстановки. / Журнал «Мехатроника, автоматизация, управление». №-10(103). –М.: Новые технологии. 2009. –С. 62–63.

В других изданиях

24. Каретников В.В. К вопросу определения вертикальной составляющей напряженности электромагнитного поля радиоволн в точке приема. / Сб. научных трудов. «Информационные системы на транспорте». –СПб.: СПГУВК. 2002. –С. 136–139.

25. Каретников В.В., Сикарев А.А. О математическом обеспечении расчета параметров высокоточного поля дифференциальных поправок в диапазоне СВ. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-3. –СПб.: СПбГУВК. 2002. –С. 132–138.

26. Каретников В.В. К вопросу построения зон дифференциальных поправок для подсистемы GPS ГНСС. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-3. –СПб.: СПГУВК. 2002. –С. 27–31.

27. Каретников В.В., Сикарев А.А. К вопросу построения зон дифференциальных поправок для подсистемы GPS ГНСС. / Сб. научных трудов. «Информационные технологии в транспортных системах». –СПб.: СПбГУВК. 2000. –С. 46–58.

28. Каретников В.В. Исследование характера нелинейных переходов для вертикальной составляющей дифференциального поля в зависимости от электромагнитных свойств участков подстилающей поверхности. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-4. –СПб.: СПГУВК. 2003. –С. 94–99.

29. Каретников В.В. К вопросу определения дальности действия ККС. / Труды Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов. «Анализ и прогнозирование систем управления». –СПб.: СЗТУ. 2003. –С. 195–199.

30. Каретников В.В. Текущее состояние СРНС GPS/ГЛОНАСС и перспективы построения на их основе дифференциальных подсистем. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-4. –СПб.: СПбГУВК. 2003. –С. 100–107.

       31. Каретников В.В. Обзор возможных методов расчета радиуса действия контрольно-корректирующих станций (ККС). / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-4. –СПб.: СПбГУВК. 2003. –С. 108–111.

       32. Каретников В.В. Особенности расчета периметра зон действия контрольно-корректирующих станций (ККС) высокоточной навигационной системы ДГЛОНАСС/DGPS. / Сб. научных трудов. «Информационные технологии на транспорте». –СПб.: Политехника. 2003. –С.176–184.

       33. Каретников В.В. Об определении формы периметров зон действия ККС, предназначенных для ВВП Северо-запада России. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-5. –СПб.: СПбГУВК. 2004. –С. 70–74.

       34. Каретников В.В. Влияние проводимости участков подстилающей неоднородной поверхности на форму периметра зоны действия контрольно-корректирующей станции. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-5. –СПб. СПбГУВК. 2004. –С. 75–77.

35. Каретников В.В., Сикарев А.А. Решение задачи аппроксимации многокомпонентных подстилающих поверхностей при передаче сигналов дифференциальных поправок СРНС. / Сб. научных трудов. «Информационные технологии в транспортных системах». –СПб.: СПГУВК. 2004. –С. 46–58.

36. Каретников В.В. О выборе минимального числа аппроксимирую–щих сегментов при расчете зон действия дифференциальных сис–тем позиционирования на ВВП. / Материалы международной научно-технической конференции. «Транском-2004». –СПб.: СПбГУВК. 2004. –С. 213–214.

37. Каретников В.В. Определение формы периметра зоны действия ККС работающей в СВ диапазоне. / Межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-6. –СПб.: СПбГУВК. 2005. –С. 102–105.

38. Каретников В.В., Сухоруков В.С. К вопросу применения автоматизированных средств предупреждения столкновений при плавании по внутренним водным путям России. / Международный, межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-7. –СПб.: СПбГУВК. Судостроение. 2006. –С. 86–88.

39. Каретников В.В., Пащенко И.В. Влияние взаимных и индустриальных помех на дальность распространения земной волны СВ диапазона. / Международный межвузовский сб. научных трудов. «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях». Вып-7. –СПб.: СПГУВК. Судостроение. 2006. –С. 82–85.

40. Каретников В.В. К вопросу определения форм периметров зон действия ККС предназначенных для использования на ВВП России. / Международный межвузовский сб. научных трудов. Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях. Вып-7. –СПб.: СПбГУВК. Судостроение. 2006. –С. 78–81.

41. Каретников В.В. Особенности определения формы периметра зоны действия контрольно-корректирующей станции работающей в диапазоне средних волн. / Пятая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – СПб.: 2008. –С. 57–59.

       42. Каретников В.В., Малявченков А.В. Создание инфокоммуникационных систем связи и местоопределения различной степени интеграции. / Пятая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». –СПб.: 2008. –С. 77–79.

       43. Каретников В.В. Влияния поликомпонентной подстилающей почвы на форму периметра зоны действия ККС. / Пятая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – СПб.: 2008. –С. 80–82.

       44. Волков А.Б., Каретников В.В. Сикарев А.А. Новые инфокоммуника–ционных системы для внутреннего водного транспорта. / Журнал «Морская биржа». Вып. 1 (27). –СПб.: Изд-во. Принт-Экспо. 2009. –С. 32—33.

       45. Каретников В.В., Сикарев А.А. Особенности аналитического определения дальности и формы зоны действия ККС речной дифференциальной подсистемы. / Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительства, эксплуатация, управление». Книга-2. –СПб.: СПГУВК, 2009. –С. 38–39.

       46. Каретников В.В., Малявченков А.В., Сикарев А.А. Информационные системы внутреннего водного транспорта. / Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительства, эксплуатация, управление». –СПб.: СПГУВК, 2009. –С. 117–119.

       47. Каретников В.В., Сикарев И.А. Особенности формирования зон высокоточного радионавигационного поля на внутренних водных путях. / Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительства, эксплуатация, управление». –СПб.: СПГУВК, 2009. –С. 120–121.

       48. Каретников В.В., Курышев В.И. Топология высокоточных полей позиционирования речной дифференциальной подсистемы. / Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительства, эксплуатация, управление». Книга-2.  –СПб.: СПГУВК, 2010. –С. 39–40.

       49. Каретников В.В., Сикарев А.А. Зоны действия контролно-корректирующих станций речной дифференциальной подсистемы и автоматизированных идентификационных систем Европейской части Единой глубоководной системы ВВП России. / Международная научно-практическая конференция  «Водный транспорт России инновационный путь развития» –СПб.: СПГУВК, 2010. –С. 42–44.

_________________________________________________________________

  Подписано в печать 11.03.11         Сдано в производство 11.03.11

  Формат 60х84 1/16 Усл.-печ. Л. 2,15.  Уч.-изд. л. 1,85.

  Тираж 70 экз. Заказ № 32

______________________________________________________________________________

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская 5/7

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГУВК

198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.