Инфокоммуникационные технологии электромагнитной защищённости информационных каналов в автоматизированных системах управления движением судов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Инфокоммуникационные технологии электромагнитной защищённости информационных каналов в автоматизированных системах управления движением судов

Специальность:05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

Вишневский Юрий Георгиевич

Санкт - Петербург 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Сикарев А.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нырков А.П.

доктор технических наук, профессор Арефьев И.Б.

доктор технических наук, профессор Семёнова Е.Г.

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество «Холдинговая компания «Ленинец».

Защита состоится «25» декабря2008 г. в « 14 » часов на заседании диссертационного совета Д223.009.03 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 « 19 » сентября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Барщевский Е.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Стремительное нарастание процессов глобализации экономики повышает роль и значение различных средств коммуникации, что сопровождается высокими темпами развития инфокоммуникационных технологий, ставших одним из главных государственных ресурсов.

При этом автоматизированные цифровые системы радиосвязи и спутниковые системы связи и радионавигации составляют техническую основу управления транспортным процессом на море и внутренних водных путях (ВВП), обеспечивающего безопасность плавания. Высокая надежность техники, помехоустойчивость и электромагнитная защищенность информационных каналов являются гарантией эффективного использования автоматизированных систем управления движением судов (АСУДС).

Возрастание сложности задач управления движением судов приводит к разработке и внедрению новых инфокоммуникационных технологий. Технический уровень и темпы развития информационно-телекоммуникационных систем зарубежных государств, устремляющихся на внутренние водные пути России, заставляют пересмотреть оценки и пути развития отечественных АСУДС на организационном, техническом и функциональном уровнях. Тенденция к интегрированию помехозащищенных средств УКВ-радиосвязи наземного и космического базирования, средств сотовой и транкинговой связи, а также спутниковых радионавигационных систем с целью формирования общего информационного пространства и обеспечения единства управления движением судов обуславливает необходимость рассмотрения протоколов обмена информацией в АСУДС, а также количественного обоснования принимаемых инженерных решений в области защищенности функционирования информационных каналов в условиях взаимных и индустриальных помех.

Опыт реализации, мониторинга и управления в АСУДС на ВВП, полученный в странах Европы, США, Канады и России, свидетельствует о том, что подобные автоматизированные системы обычно имеют в своём составе такие информационные подсистемы телекоммуникаций и мониторинга, как подсистемы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, автоматизированные идентификационные системы (АИС), системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля. Координация функционирования указанных систем обеспечивается центром управления движением судов, важнейшей составляющей которого является информационно-диспетчерская служба. Для регионов с крупными озёрами или озёрными объединениями (например, Ладожское и Онежское озеро в России, объединение Великих озёр в США и Канаде) возможно включение в состав речной АСУДС так называемых Речных региональных спасательно - координационных центров (РРСКЦ), обеспечивающих приём от судов сигналов бедствия и организацию оперативных поисково-спасательных работ. Помимо отмеченного, вся структура речной АСУДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/GPS и его подсистему высокоточных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/DGPS.

Электромагнитная защищённость каналов передачи информации различного целевого назначения от радиопомех представляет собой одну из важнейших проблем, возникающих как при разработке, так и при использовании радиоэлектронных средств в системах радиосвязи, радиолокации, радионавигации. С момента открытия радио нашим великим соотечественником А. С. Поповым и до настоящего времени постоянно имела и имеет место необходимость решения указанной проблемы.

Рассмотрение электромагнитной эащищённости информационных каналов (ЭМЗИК) всех отмеченных выше систем в структуре АСУДС на ВВП и прилегающих морских и озёрных акваториях, а также каналов их радионавигационного обеспечения представляется актуальным и своевременным.

Научная проблема. Повышение эффективности речных АСУДС на основе совершенствования инфокоммуникационных технологий многоуровневой электромагнитной защищённости информационных каналов УКВ-сетей связи и обсервации в условиях влияния непреднамеренных помех.

Данная проблема направлена на развитие информационных и телекоммуникационных технологий в АСУДС и требует нового методологического подхода к исследованию защищённости функционирования информационных каналов.

Центральным моментом этой проблемы является совершенствование технологий построения информационных каналов в УКВ-сетях радиосвязи и радионавигации, входящих в АСУДС, на основе диалектического преобразования введённой профессором А. А. Сикаревым количественной оценки в виде коэффициента взаимного различия сигналов и помех в такой конструктивный комплексный показатель, каким является поле поражения сигнала.

При этом требуется системный анализ и системный подход к формированию моделей и алгоритмов, которые отражали бы влияние частотно-временных структур (ЧВС) сигналов и помех на ЭМЗИК и доминирующее влияние последней на общую эффективность АСУДС, включающую, кроме того, и структурную эффективность, и своевременность доставки информации.

Многоуровневая качественная защищенность функционирования информационных каналов УКВ-радиолиний в условиях непреднамеренных помех в речных АСУДС может быть достигнута на основе минимизации площади поля поражения сигнала (ПППС) -S_r и максимизации коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов К_эмз на физическом, канальном и сетевом уровнях, что будет способствовать повышению помехоустойчивости и эффективности АСУДС в целом.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих аргументированную оценку качества информационных каналов, способствующую улучшению их электромагнитной защищённости за счёт адаптивной минимизации площади поля поражения сигнала (ПППС) и максимизации коэффициента электромагнитной защищённости (К_эмз) на физическом, канальном и сетевом уровнях для повышения функциональной эффективности речной АСУДС.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Разработаны, сформулированы и обоснованы критерии оценки качества сигналов в информационных сетях АСУДС в виде поля поражения сигналов и коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов, отличающиеся научной новизной.

2. Реализована концепция системного подхода при теоретическом обосновании инфокоммуникационных технологий для моделирования многоуровневой электромагнитной защищённости информационных каналов в АСУДС.

3. Разработано математическое обеспечение моделирования и оптимизации частотно-временных структур (ЧВС) сигналов при воздействии взаимных помех по критерию минимума площади поля поражения сигнала S_r.

4. Предложен комплекс математических моделей и алгоритмов оценки эффективности использования оптимальных по размерам поля поражения сложных сигналов и оценки электромагнитной защищённости информационных каналов в АСУДС.

5. Разработана имитационная модель электромагнитной защищённости информационных каналов в речных АСУДС в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

6. Разработана методика оценки общей эффективности АСУДС с использованием частных показателей: коэффициента электромагнитной защищённости информационных каналов, своевременности прохождения информации и структурной эффективности.

7. Внедрены новые научно-обоснованные технические и технологические решения по использованию инфокоммуникационных технологий ЭМЗИК в речных АСУДС.

Объектом исследования являются информационные каналы в АСУДС, функционирующие в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех, а также инфокоммуникационные технологии обеспечения их электромагнитной защищённости, включающие применение оптимальных ЧВС сигналов.

Предметом исследования являются технологические процессы электромагнитной защиты информационных каналов в АСУДС с учётом тенденции к интегрированию помехозащищённых средств УКВ-радиосвязи наземного и космического базирования, средств сотовой и транкинговой связи, а также спутниковых радионавигационных систем (СРНС) с целью формирования общего информационного пространства и обеспечения единства управления движением судов.

Методы исследования. Методологической и общетеоретической основой исследования являются положения, базирующиеся на сочетании основных оптимизационных принципов статистической теории связи и аппроксимации взаимных и других сосредоточенных помех радиосредств квазидетерминированными случайными процессами, что позволяет одновременно учитывать влияние вероятностных характеристик, структуры и интенсивности полезных применяемых сигналов и воздействующих вместе с флюктуационными сосредоточенных помех.

Теоретической основой развития и повышения эффективности информационных сетей в АСУДС и самих АСУДС являются системология, теория сигналов, статистическая теория связи, теория оценок, теория алгоритмов, теория математического и, в частности, имитационного моделирования, математическая теория надёжности, теория графов, теория игр, теория массового обслуживания, теория принятия решений. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментально при физическом моделировании и при проведении научно-исследовательских работ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований осуществлено теоретическое, экспериментальное и модельно-прогнозируемое обоснование и решение ключевых задач проблемы, имеющей важное значение для экономики страны, - создание комплекса инфокоммуникационных технологий ЭМЗИК подсистем УКВ и транкинговой связи, дифференциальных подсистем, подсистем АИС, а также систем спутниковой связи и местоопределения в речных АСУДС.

Электромагнитная эффективность (ЭМЭ) АСУДС оценивается по ряду параметров, важнейшими из которых является площадь поля поражения сигнала и коэффициент ЭМЗИК. Через К_эмз определяется и своевременность (оперативность) прохождения навигационной и другой информации. Показано доминирующее влияние ЭМЭ на общую эффективность речных АСУДС. Разработан метод количественных оценок структурной эффективности АСУДС.

Рассмотрены роль и значение ЧВС сигналов, используемых в информационных сетях связи и обсервации.

Осуществлён синтез оптимальных и квазиоптимальных сложных сигналов, используемых в АСУДС.

Исследованы возможности применения СРНС GPS и ГЛОНАСС в речных АСУДС при воздействии взаимных и индустриальных помех.

Произведено уточнение определения потенциального количества совместимых линий связи и обсервации. Разработаны основные способы ЭМЗИК в АСУДС на ВВП при воздействии взаимных и индустриальных помех в УКВ-диапазоне на физическом, канальном и сетевом уровнях при использовании семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Основные результаты, полученные в работе и выносимые на защиту:

1. Разработаны, сформулированы и обоснованы новые, конструктивные критерии оценки качества сигналов и информационных каналов в речных АСУДС - поле поражения сигнала и коэффициент ЭМЗИК (электромагнитной защищённости информационных каналов) - К_эмз.

2. Концепция системного подхода при теоретическом обосновании инфокоммуникационных технологий для моделирования многоуровневой ЭМЗИК в речных АСУДС.

3. Математическое обеспечение моделирования и оптимизации частотно-временных структур (ЧВС) сигналов при воздействии взаимных помех по критерию минимума площади поля поражения сигнала S_r .

4. Комплекс математических моделей и алгоритмов оценки эффективности использования оптимальных по размерам поля поражения сложных сигналов и оценки при этом ЭМЗИК в речных АСУДС.

5. Имитационная модель ЭМЗИК речных АСУДС в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.

6. Методика оценки общей эффективности АСУДС с использованием частных показателей: коэффициента ЭМЗИК, своевременности прохождения информации и структурной эффективности.

7. Новые научно-обоснованные технические и технологические решения по использованию новых инфокоммуникационных технологий ЭМЗИК в речных АСУДС.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при разработке и производстве процессорных устройств для оценки сигналов в ФГУП «НИИ «Рубин», в фирме спутниковой связи «Комин». Оценка и учёт взаимного влияния УКВ - радиолиний при воздействии на них индустриальных помех используются в БУС ГБУ «Волго-Балт».

Материалы диссертационной работы реализованы в «Концепции создания и использования дифференциальных подсистем ГЛОНАСС / GPS на речном транспорте», разработанной в соответствии с Федеральной целевой программой по использованию Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, утвержденной Постановлением Правительства РФ от 15 ноября 1997 г. №1435, Санкт-Петербургским государственным университетом водных коммуникаций. Кроме того, результаты диссертационной работы использованы в СПГУВК при подготовке специалистов по направлениям 180402.65.

Апробация работы. Основные положения работы по мере её выполнения пред-ставлялись на Всесоюзных и Международных конференциях, семинарах, в т.ч.:

- на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Автоматизированные системы декаметровой радиосвязи», Куйбышев, ноябрь 1988г.

- на Всесоюзной НТК «Развитие и внедрение новой техники радиоприёмных устройств и обработки сигналов», Горький,1989г.

- на Международной НТК «Транском -97», СПб,1997г.

- на Международной НТК «Транском-99»,СПб,1999г.

- на Международной НТК «Транском-2004»,СПб,2004г.

- на Научно-методической конференции-98,СПб, СПГУВК,1998г.

- на НМК, посвящённой 190-летию транспортного образования, СПб, СПГУВК, 1999г.

- на постоянно действующем семинаре НТО РТЭ им. А.С.Попова;

- на научно-технических конференциях военных училищ связи и Военной академии связи, Киев-1980,1983,1987,Ленинград - 1980,1981, СПб - 1998,1999.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 66-ти научно - технических изданиях, в том числе, в двух монографиях, двух учебниках: «Радиотехника» и «Морская радиосвязь и телекоммуникации», 9-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в 3-х изобретениях (имеются авторские свидетельства), в 28-ми статьях (кроме «ваковских»), в 5-ти учебных пособиях и 17-ти докладах (труды Всесоюзных, Международных и отраслевых научно - технических и научно-методических конференций).

Структура и объём работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, шести глав и заключения. Общий объём работы составляет 391 страниц, в т.ч. 103 рисунка, 62 таблицы и список используемых источников из 244наименований.

Содержание работы

В 1-й главе проводится с системных позиций анализ современного состояния и вектора развития как информационных сетей связи и обсервации, составляющих основу АСУДС, так и собственно АСУДС.

Иерархическая структура информационных сетей связи, в т.ч. автоматизированных, для обеспечения морского и речного транспортных процессов приняла вид, показанный на рис. 1.

Рис. 1

Важно подчеркнуть, что представленные здесь системы пяти уровней обеспечивают управление и безопасность морских судов и судов смешанного «река-море» плавания. Характерно, что практически все системы речного флота третьего, четвертого и пятого уровней строятся как наземные УКВ сотовые сети, а в некоторых случаях они дублируются наземно-космической сотовой сетью, в которой используются ИСЗ на геостационарной орбите.

С появлением Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС - GPS и ГЛОНАСС) начинают интенсивно интегрироваться информационные сети связи третьего, четвертого и пятого уровней с информационными сетями обсервации указанной ГНСС.

Возникновение интегрированных сетей обусловлено требованиями высокой точности обсервации (СКП=2ч5 м) для безопасного судоходства в прибрежных морских районах, проливах, на реках, каналах и озерах внутренних водных путей.

Этой цели служит применение дифференциального режима DGPS и ДГЛОНАСС.

Топологически возможны различные методы интеграции: сетевой, широкозональный и комбинированный.

Процессы интеграции сетей связи и обсервации получили дальнейшее развитие после ввода в эксплуатацию спутниковых систем радионавигации и связи (ССРНС) третьего поколения (например, Globalstar). Здесь возможно применение различных методов передачи диффпоправок.

Активно ведутся разработки ССРНС четвертого поколения, представляющих комплекс услуг высокоскоростной передачи данных, доступ к широкополосным интерактивным услугам служб мультимедиа, услуги персональной радиотелефонной связи. Региональные информационные сети связи и обсервации могут состоять из нескольких локальных информационных сетей, составляющих основу автоматизированных систем управления движением судов (АСУДС).

В работе анализируются причины создания СУДС, их функции, состав, нормативные документы и т.д. Анализ показал, что основными причинами создания и функционирования СУДС различных категорий являются, с одной стороны, стремление повысить навигационную безопасность и технико-эксплуатационную эффективность работы флота и портов, снизить аварийность и предупредить экологические бедствия, а с другой стороны, - развитие материальной технической базы, внедрение новых технологий в процесс управления водным транспортом, рост профессионализма обслуживающего персонала.

В последние годы в качестве обобщающего понятия для любых систем связи и информационных систем, использующихся на ВВП, сформировались термины КРИС и РИС (корпоративные речные информационные системы и речные информационные службы), которые представляют собой управляемую совокупность АСУДС со своими зонами действий и центрами управления движением судов (ЦУДС) для каждой из них. Система УКВ-радиосвязи в структурах каждой КРИС и АСУДС решает задачи обеспечения радиосвязи на частотах бедствия, безопасности и вызова; передачи циркулярных сообщений, путевой и гидрометеорологической информации; оперативного управления работой флота (диспетчерское регулирование судоходного процесса); передачи данных для систем управления движением судов; передачи на суда по специально выделенным каналам сигналов дифференциальных поправок радионавигационной системы DGPS или ДГЛОНАСС; передачи общественной информации.

В рамках процедуры управления движением судов на ВВП автоматизированная система решает два класса задач: контроль и регулирование движения судов.

В п.1.4 рассматриваются системотехнические аспекты построения АСУДС.

Можно построить наиболее рациональную структуру АСУДС. Состав ее обусловлен адекватностью решаемым задачам, что видно на примере автономно развивающейся отечественной АСУДС «Нева - 2000», включенной в Федеральную программу «Внутренние водные пути России». Возможная топологическая структура такой АСУДС представлена на рис.2. Пути развития АСУДС вытекают из задач, решаемых этой системой, из ее структурных особенностей, а также из возможностей оптимизации функционирования при учете различных факторов (в т.ч. и совершенствования инфокоммуникационных технологий электромагнитной защищенности информационных каналов) с целью повышения общей эффективности системы.

Таким образом, проведенный в 1-й главе анализ современного состояния информационных сетей связи и обсервации, используемых в АСУДС, и анализ становления и развития АСУДС позволили:

1) установить устойчивую тенденцию к применению интегрированных систем навигации и связи наземно-космического базирования АСУДС как на море, так и на внутренних водных путях, что повышает оперативность управления транспортным процессом и безопасность плавания;

2) проследить пути развития АСУДС, основу которых составляют информационные сети;

3) определить широкое использование новых инфокоммуникационных технологий формирования информационных сетей любого уровня как важную закономерность информационного обеспечения процессов судовождения;

4) выявить связь между совершенствованием инфокоммуникационных технологий, затрагивающих информационные потоки в создаваемых информационных полях, и обеспечением безопасности плавания;

5) наметить в качестве объектов исследования электромагнитную защищенность информационных каналов в АСУДС и частотно-временные структуры сигналов, используемых в них.

Во второй главе указывается на необходимость рассмотрения внешней и внутренней электромагнитной обстановки (ЭМО). Информация о внешней ЭМО и источниках электромагнитных помех (ЭМП) необходима для пространственно-частотно-временного распределения радиочастотного ресурса (РЧР).

Знание внутренней ЭМО необходимо для определения условий обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) достаточно сложных систем и комплексов. В комплексах радиоэлектронных средств (РЭС) судов можно обнаружить почти все виды ЭМП, излучаемых антеннами и распространяющихся в дальних и ближних зонах. При анализе внутренней ЭМО широко используются математические модели источников ЭМП.

Системный подход не получил еще должного развития в области обеспечения ЭМС судовых РЭС, поскольку факторы системного подхода в этой области еще не выявлены в должной мере.

Параметры судовых РЭС и радиоаппаратуры контрольно-корректирующих станций (ККС) для обеспечения ЭМС должны соответствовать определенным нормам, указанным в нормативно-технической документации (НТД) по обеспечению ЭМС.

Опережающие стандарты имеют важное значение для решения проблемы ЭМС судовых РЭС, функционирование которых прямо или косвенно связано с РЧР.

В работе рассматриваются некоторые международные, национальные и отечественные стандарты, например, МЭК - 60945, 461 В и 462 (США), РД 31.64.26-00(Методы обеспечения ЭМС судовой РЭА),ГОСТ Р 51317.4.3. - 99.

В случае нарушения ЭМС радиолиний дифференциальной подсистемы, (например, локальной дифференциальной подсистемы - ЛДПС) и АИС возможна выдача ложных сигналов в системах навигации и управления для высокоточного местоопределения положения судов.

ЭМС превратилась в новое самостоятельное научно-техническое направление, проникающее во все существенные области радиоэлектроники и имеющее системный характер. Одним из разделов этого нового направления являются теория и методы оценки ЭМС радиолиний. Актуальность проведения исследований в данной области подтверждается постоянным увеличением ассигнований на решение проблемы ЭМС РЭС во всем мире.

В работе исследовано влияние частотно-временных структур сигналов, используемых в информационных сетях связи и обсервации, на электромагнитную защищённость информационных каналов в АСУДС в условиях воздействия помех. При этом рассмотрены классификация сложных сигналов в телекоммуникационных комплексах АСУДС, а также источники возможных радиопомех. Кроме того, выбраны математические модели сигналов и помех на физическом уровне, поступающих на вход демодулятора.

С учетом выбранной модели сигналов и помех при решении задач анализа и синтеза структуры сигналов, оптимальной в условиях воздействия взаимных помех, используется количественная оценка структурного различия сигналов и помех, представляемая коэффициентом взаимного различия, введенным проф. А.А. Сикаревым.

Коэффициентом взаимного различия (КВР) структур полезных сигналов и взаимных помех в частотно-временной области называется нормированная величина, пропорциональная мощности процесса на выходе фильтра или квадратурной схемы, согласованной с сигналом Z_ri(t), при прохождении через них помехи Z_пk(t).

КВР измеряет относительную величину перекрытия в частотно-временной области полезного сигнала и взаимной помехи.

Существенно то, что во всех случаях вероятность ошибки поэлементного приема находится в функциональной зависимости от КВР.

Электромагнитная совместимость, например, радиолиний ЛДПС, входящей в АСУДС, в направлениях «ККС - судно», «КА - ККС» и «КА - судно», зависит от ЧВС сигналов и взаимных помех, количественное различие которых оценивается с помощью КВР.

Ввиду того, что дифференциальные поправки от ККС передаются на судно радиоимпульсами радиомаяка, приведен расчет нормированного КВР радиоимпульса и взаимной (ретранслированной) узкополосной помехи в частотно-временной области.

Пользуясь пакетом прикладных программ MathCad, были произведены расчеты по формулам:

(1)

здесь:

(2)

В результате получена поверхность двухмерного нормированного КВР радио-импульса и взаимной (ретранслированной) помехи. Она представлена на рис 3.

Рис. 3

КВР сигналов и взаимных помех, указывая на качественное ухудшение ЭМС радиолиний в АСУДС, не дает, однако, количественной оценки их электромагнитной защищенности. Конструктивным показателем ЭМЗИК радиолиний в АСУДС является «поле поражения сигнала», позволяющее объединить в одном критерии структурные различия полезных сигналов и взаимных помех, статистические параметры канала связи и оценку решающей схемы приемника. В отличие от ЭМС, электромагнитная защищенность линий радиосвязи и местоопределения базируется на топологических вариациях проекций сечений КВР применяемых в АСУДС, в частности, в ЛДПС, полезных сигналов в условиях воздействия взаимных помех.

Во-первых, обращает на себя внимание тот факт, что от законов распределения {µ_i},{ш_ri},{м_пk},{ш_пk}, определяемых статистическими свойствами каналов связи, и от вида применяемого в приемнике демодулятора зависит функциональный вид выражений для вероятности ошибки поэлементного приёма. Кроме того, в качестве аргументов этих выражений во всех случаях фигурируют hІ_ri и hІ_пk - среднестатистические значения отношений энергии i-той составляющей сигнала и k-той составляющей помехи к спектральной плотности белого шума нІ, а также gІ_0rik - среднестатистические значения коэффициентов взаимного различия в частотно-временной области структуры Z_ri(t) и Z_rk(t, Дt_rп, ДЩ_rп).

Если Z_ri(t) для любого «i» формируются из одного класса сложных сигналов, то имеет место:

gІ_0rik=gІ_0r=¦G_0r¦І=const(i,k) (3)

Вторым исходным положением служит то, что во всех случаях выражения для указанных вероятностей ошибок монотонно зависят от произведения либо: , либо , ухудшаясь с увеличением последних и наоборот.

Величина д₁ характерна для систем, оптимальных и субоптимальных в каналах с шумами, но работающих в условиях одновременного воздействия шумов и взаимных помех, д₂ - для систем, рассчитанных на совокупность последних. Определяем допустимое значение КВР:

 (4), либо: , (4а)

при превышении которого вероятность ошибки в системе недопустимо ухудшается. Например, p ? pдоп = 10-2.

Пусть далее значения определены всюду в области:

?trп [?t-1,?t1], ?Щrп [?щ-1,?щ1].

Назовём i-тым частичным полем поражения r-го варианта сигнала площадь S_ri той части области, в пределах которой для любых ?t_rп, ?Щ_rп имеет место:

(?t_rп, ?Щ_rп)?; (5)

Результирующее же поле поражения r-го варианта сигнала можно представить таким образом:

(6)

где м - число составляющих (субсигналов),

Sri-частичное поле поражения i-той составляющей r-того варианта сигнала.

Поле поражения сигнала (или площадь поля поражения сигнала) является мерой суждения о качестве не только используемых в радиолиниях АСУДС сигналов, но и о качестве радиолинии и самой АСУДС, ее электромагнитной защищённости. Приведём вычисление площади поля поражения уже рассматриваемого радиоимпульса, а также параллельных, последовательных и последовательно-параллельных сложных сигналов, которые могут использоваться в АСУДС, в частности, в АИС и ЛДПС. На основе критерия «поле поражения сигнала» проанализируем качество узкополосных и сложных сигналов, сформированных с помощью наиболее часто применяемых кодовых последовательностей Баркера, Лежандра, Хаффмена и Хэмминга. В дальнейшем, рассматривая частичные поля поражения и субсигналы, слово «частичные», приставку «суб» и индекс «i» в ряде случаев для простоты будем опускать.

Будем полагать далее, что в радиолинии имеют место независимые рэлеевские замирания узкополосных составляющих сложного сигнала Z_r(t) и ретранслированной помехи, а также число составляющих (радиоимпульсов) M=3 (см. рис. 4). В этом случае, согласно выражению для вероятности ошибки, получаем:

(7)

где - величина h², необходимая для обеспечения в канале только с флюктуационным шумом требуемого значения вероятности ошибки P_треб. Полагая P_треб?10^-4, что соответствует =40, а также Р_доп=10^-2, из (7) имеем: д_1доп?3.

Тогда на основании (4), считая =10,30,100, получаем соответствующие уровни горизонтальных сечений:

g²_0rдоп=0,3; (8), g²_0rдоп=0,1; (9), g²_0rдоп=0,03 (10).

В таблице 1 представлены значения площадей полей поражения радиоимпульса для (8), (9), (10).

Таблица 1

Nr	Площадь поля поражения Sr радиоимпульса
I	Sr 0,3	Sr 0,1	Sr 0,03
	84	224	312

На рис. 5 изображены поля поражения одиночного радиоимпульса для (8) - пунктирная кривая, (9) - штрих - пунктирная кривая и (10) - сплошная кривая.

Из Таблицы 1 и Рисунка 5 видно, что с понижением уровня горизонтального сечения двухмерного коэффициента взаимного различия, т.е. с ростом , величина площади поля поражения увеличивается.

Площадь поля поражения сигнала вычисляется по методу механических квадратур (метод Гомори), заключающемуся в том, что в частотно-временной области, разбитой как бы на 400 квадратов с шагом по X и по Y, равном 0,1, (X-1; +1; Y-1;+1) или на 441 точку (это - S_{r max}), определяется число точек, спроецированных от уровней КВР, где С ? gІ_{or доп}. (оцениваемая S_r).Иначе говоря, если шаг равен 1 см, то S_{r max} = 400 см²; если определение площади осуществляется по точкам, то S_{r max}= 441 условной единице (у.е.).В дальнейшем единицы измерений будем опускать.

В работе детально рассмотрены поля поражения параллельных, последовательно-параллельных сложных сигналов при воздействии взаимных помех типа ретранслированных (РП) и узкополосных (УП).

Дана сопоставительная оценка свойств различных классов сложных сигналов в условиях воздействия взаимных помех по критерию «поле поражения сигнала».

При представлении полей поражения так называемым «крупным планом», т.е. в случае смещения взаимной помехи относительно полезного сигнала в частотно-временной плоскости в пределах (по оси времени) и (по оси частот) получены формулы для вычисления КВР различных классов сигналов. В таблице 2 приведены значения площадей полей поражения сложных сигналов, сформированных с помощью кодовых последовательностей «1» ( код Баркера), «2» (код Хэмминга), «3» (код символов Лежандра), «4» (код Хаффмена), параллельной, последовательной и последовательно-параллельной двухчастотной структуры при N_r=7, gІ_or=0,3 в зависимости от вида кодовой последовательности при представлении полей поражения “крупным планом”.

Наглядно сравнить конфигурацию полей поражения рассматриваемых сигналов позволяет рис.6, на котором представлены поля поражения различных классов сигналов, формируемых с помощью кодовой последовательности Баркера {d_rk}:0001101 (или: 111-1-1-11-1), при N_r=7 для g²_0rдоп =0,3.



Рис. 5

Таблица 2

Класс сложного сигнала	Nr	{drk}	Площадь поля поражения Sr
Параллельный /КВР из (2.6.1)/	7	1 2 3 4	70 77 105 105
Последовательный /КВР из (2.6.3)/	7	1 2 3 4	50 50 47 47
Последовательно-параллельный двухчастотный /КВР из (2.5.20)/	7	1 2 3 4	110 88 112 112

Горизонтальному сечению КВР из (2.6.1) соответствует кривая “a”, горизонтальному сечению КВР из (2.6.3)-кривая “б” и сечению КВР из (2.5.20)-кривая “в”(см. Таблицу 2). Из Рисунка 6 и Таблицы 2 видно, что наименьшим полем поражения в рассматриваемом случае обладают последовательные сигналы (S_r ? 50), наибольшим - последовательно-параллельные (S_r ? 110), параллельные занимают промежуточное положение, имея S_r ? 70.

Сопоставление результатов таблицы позволяет, кроме того, сделать и такие выводы:

для принятых условий величина полей поражения последовательных сигналов практически не зависит от вида кодовой последовательности;

для других классов сигналов S_r зависит от вида {d_rk,}, причём эта зависимость ярче проявляется в классе параллельных сложных сигналов;

Рис. 6

в классах параллельных и последовательно-параллельных сигналов существуют кодовые последовательности, минимизирующие величину поля поражения, т.е. в этих классах сигналов возможно решение задачи min S_r. Для рассмотренных {d_rk,} решение такой задачи обеспечивают кодовая последовательность Баркера - в классе параллельных и последовательность Хэмминга - в классе последовательно-параллельных двухчастотных сигналов;

в случае, когда g²_0rдоп.=0,3, площади полей поражения определяются в основном областями ”сильной” корреляции автокорреляционных функций сигналов, однако для последовательно-параллельных сигналов на формирование S_r уже значительное влияние оказывают боковые пики двухмерного КВР.

Далее в работе сравниваются поля поражения сигналов параллельной, последовательной, последовательно-параллельной двухчастотной структуры и узкополосного сигнала (радиоимпульса) при смещении взаимной помехи относительно сигнала по оси времени в пределах -Т??t?Т, а по оси частот - на . В этом случае среднестатистическое значение коэффициента взаимного различия в частотно-временной области структуры параллельного сложного сигнала Z_rk(t) и помехи Z_rn (t, ?t_rn, ?Щ_rn) определяем так:

gІ_or(x,y)=, (11)

где

x[-1;1], y[0;1] (12) ; x=, y= ; щ₀= (13)

a_rk=exp(jШ_rk), a^*_rn=exp(-jШ_rn). (14)

При y[-1;0] имеем:

gІ_or(x,-y)=gІ_or(-x,y) (15),

т.е. имеет место симметрия.

Ввиду громоздкости формул для вычисления КВР последовательных и последовательно-параллельных сигналов, в автореферате они не показаны.

В таблице 3 представлены значения площадей полей поражения сложных сигналов параллельной, последовательной и последовательно-параллельной двухчастотной структуры для пятиэлементных и семиэлементных (N_r=5, N_r=7) кодовых последовательностей Баркера ("1"), Хэмминга ("2") и Лежандра ("3") на трех уровнях горизонтальных сечений КВР: 0,3; 0,1; 0,03.

Увеличение базы сигналов приводит к уменьшению ПППС. Для принятых условий в классе параллельных сложных сигналов S_r существенно зависит от вида кодовой последовательности {d_rk}, для последовательно-параллельных сложных сигналов эта зависимость менее значительна, а для последовательных сложных сигналов S_r практически мало зависит от вида {d_rk}. Причем, эти свойства полей поражения более ярко проявляются при N_r=7, а также при увеличении h²_п, т.е. при понижении уровня горизонтального сечения двухмерного КВР. Следовательно, в классе параллельных сложных сигналов и в классе последовательно-параллельных двухчастотных сложных сигналов существуют кодовые последовательности {d_rk}, минимизирующие величину поля поражения, т.е. возможно решение задачи min S_r.

При рассмотрении воздействия на радиолинии АСУДС узкополосных взаимных помех в качестве примера рассмотрена оптимальная для каналов с флюктуационным шумом двоичная система когерентного приема противоположных сигналов, для которых z₁(t) = -z₂(t) и h²_r = h² = const(r). Для простоты ограничимся случаем N_п=1, когда частичное и результирующее поля поражения совпадают, а для z_п(t) воспользуемся типичным представлением узкополосной сосредоточенной помехи в форме

(16)

Таблица 3

№ п/п	Nr	Код {drk}	Площадь поля поражения Sr	Примечание
			Класс сложных (широкополосных) сигналов
			параллельные	последовательные	послед.-паралл. двухчастотные
			Sr 0,3	Sr 0,1	Sr 0,03	Sr 0,3	Sr 0,1	Sr 0,03	Sr 0,3	Sr 0,1	Sr 0,03
1	5	"1"	18	88	213, 5 (143)	8,5	26	140	38	74 (54)	243 (220)	В скобках указаны площади сечений центральных пиков двухмерного КВР при влиянии на формирование Sr сечений боковых пиков
2		"2"	18 (15)	91 (26)	190,5 (36,5)	9,5	27	136	45 (20)	154 (104)	263 (120)
3		"3"	24	62,5 (38,5)	223,5	8,5	24	150	30 (23)	123 (35)	268 (238)
4	7	"1"	10	28	232 (60)	8	13	72	16 (9)	81 (40)	236 (154)
5		"2"	11	25,5 (20)	124,5	8	11	58	16 (7)	89 (40)	250 (140)
6		"3"	17	45 (28)	224 (80)	8,5	13,5	60	16 (9)	80 (40)	258 (174)

В работе при формировании z_r(t) на основе сложных сигналов структура передаваемых сигналов и соответствующие им зависимости имеют вид:

а) в классе параллельных сложных сигналов

(17)

Где

, , , , ( 18)

- кодовая последовательность r-го варианта сигнала,

, (19)

Здесь , , , , , , , , ;

б) в случае последовательных сложных сигналов

,, (20)

где , -- длительность элементарного сигнала; Ш₀ -- некоторая начальная фаза,

а значение введено в соотношении (18),

(21),

где , ;

в) в случае последовательно-параллельных сигналов -- для разновидности двухчастотных сигналов с разрывом начальной фазы

, (22)

соответственно имеем

(23),

где , .

Далее, при незамирающих противоположных сигналах и замирающей сосредоточенной помехе вероятность ошибки в рассматриваемом случае определяется выражением: электромагнитный автоматизированный судно

, (24)

где - функция Крампа. Из этого выражения следует

, (25)

Здесь - функция, обратная ; - величина , необходимая в канале только с флюктуационным шумом для получения требуемого значения вероятности ошибки р_треб. полагая р_треб = 5 х 10^-6, что соответствует = 10, а также р_доп=10^-1 на основании (25) имеем =10. Считая =10², по (4) получаем уровень сечения, равный =0,1.

На рис. 7 показана конфигурация для такого уровня сечения при N=7 c кодовой последовательностью Баркера, когда {}: 0001101. Рис. 7а соответствует случаю (19), рис. 7б - (21), рис. 7в - (23). Из рисунков следует, что в рассматриваемом случае наименьшим полем поражения обладают последовательные сигналы , наибольшим - последовательно-параллельные , параллельные занимают промежуточное положение .

Рис. 7

В Таблице 4 приведены значения полей поражения для сигналов z_r(t) при различных значениях числа их субэлементов и различных законах кодирования.

Таблица 4

N		Сигналы	N		Сигналы
		посл.	парал.	посл.- парал			посл.	парал.	посл.- парал
7	1 2 3 4	22 18 18 18,6	26 14 74 112	40 54 70 70	13 15	1 2 3 4	4 2,2 6 6	18 1,2 0,2 -	14,8 8,2 7 8

В главе 3 формулируется задача синтеза сложных ( широкополосных) сигналов по критерию минимума площади поля поражения сигналов (ПППС) в условиях воздействия взаимных (ретранслированных или узкополосных) помех.

При рассмотрении задачи анализа выяснилось, что площади полей поражения последовательных сложных сигналов незначительно зависят от вида кодовых последовательностей при одних и тех же N_r и уровнях сечений gІ_{r доп}. Несмотря на то, что величины S_r оказываются в этом случае меньше, чем при использовании других сигналов, следует учитывать при обработке и требуемые скорости передачи сигналов. При высоких скоростях работы структура последовательного сложного сигнала может "развалиться". В то же время в классе последовательно-параллельных и особенно параллельных сигналов наблюдается существенная зависимость площади поля поражения сигнала от вида кодовой последовательности. Анализ полей поражения параллельных сложных сигналов показывает наличие частотно-временных зон, не подверженных воздействию непреднамеренных помех, что позволяет рассчитывать на высокую верность приема.

Таким образом, задача синтеза формулируется так: в классе параллельных сложных сигналов при N_r=3ч7 необходимо выбрать сложные сигналы, сформированные с помощью таких кодовых последовательностей {a_rk}, которые обеспечивают min S_r и пикфактор П?2, реализуя локальное решение задачи академика Л.И.Мандельштама.

Синтез оптимальных параллельных сигналов, используемых в информационных сетях связи и обсервации АСУДС при воздействии взаимных помех, осуществлялся прямым перебором половины всех возможных кодовых комбинаций {a_rk} при наличии ограничений по пикфактору П?2 для N_r=3,5,7 на трех уровнях горизонтальных сечений двухмерного коэффициента взаимного различия .

Таблица 5 построена таким образом, что для N_r =7 площади поля поражения сигнала на самом низком уровне горизонтального сечения (0,03), где значителен вклад боковых выбросов, расположены в порядке возрастания их величин.

Как видно из Таблицы 5, с точки зрения решения задачи min S_r, при g²_0rдоп.= 0,03 и N_r =7 наименьшую площадь поля поражения (S_r =188, S_r =190) обеспечивают кодовые последовательности

{a_k}₅: I I I - I I I - I и {a_k}₆: - I I I - I I I I.

При этом пикфактор П=1,973.

На двух других допустимых уровнях горизонтальных сечений нормированного двухмерного коэффициента взаимного различия g²_0rдоп=0,1 и g²_0rдоп.=0,3 оптимальной оказывается кодовая последовательность Баркера:

{a_k}₁₂: I I I - I - I I - I и, кроме того, {a_k}₁₁: I - I I I - I - I - I,

которые при g²_0rдоп.=0,1 обеспечивают S_r =29,2, а при g²_0rдоп.=0,3 - S_r =11,2.

Значения пикфактора в данном случае оказываются также наименьшими: П=1,658. На уровне g²_0rдоп.=0,03 кодовая последовательность Баркера обеспечивает некоторое промежуточное значение площади поля поражения S_ri =239,2, поэтому здесь ее можно считать квазиоптимальной. К квазиоптимальным кодовым последовательностям на уровне g²_0rдоп.=0,03 можно, по-видимому, так же отнести такие: {a_k}₇, {a_k}_8, {a_k}₉ и {a_k}₁₀

Следует отметить, что в Таблице 5 не приводятся инвертированные по отношению к указанным кодовые последовательности, обеспечивающие идентичные значения и пикфактора, и площади поля поражения. Итак, примерно одинаковые площади полей поражения и одинаковые пикфакторы имеют сигналы, сформированные с помощью кодовых последовательностей, являющихся либо инвертированным, либо зеркальным, либо зеркально-инвертированным отображением друг друга.

Таблица 5

№	Код {ak}	П	Площадь поля поражения
			Sr 0,03	Sr 0,1	Sr 0,3
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.	I-I-I -I-I I -I I-I-I-I I I I-I I I I I-I I I-I -I I I-I I I I -I I-I I I-I-I -I-I I I-I I-I I-I I-I-I-I-I I I I I-I I-I I-I I I-I-I-I I I I-I-I I-I I-I I I I-I-I I I-I-I-I I-I -I I I-I-I-I-I -I-I-I-I I I-I	1,826 1,826 1,897 1,897 1,973 1,973 1,943 1,943 1,931 1,931 1,658 1,658 1,973 1,973 1,943 1,943	305 305 232 232 188 190,4 190,8 190,8 220 220 239,2 239,2 242,8 242,8 255,5 262	220 220 76 76 65,2 63,6 58,8 58,8 59,2 59,2 29,2 29,2 32 32 39,2 37,6	40 40 19,2 19,2 16,4 15,6 22 22 15,2 15,2 11,2 11,2 16,4 16,4 14,4 13,6

Следовательно, можно сделать вывод о том, что одна кодовая последовательность порождает еще три кодовые последовательности, имеющие одинаковые по полям поражения и по пикфакторам свойства.

Таким образом, в классе параллельных сложных сигналов, используемых в качестве сигналов УКВ радиосвязи, например, для АИС и ЛДПС в АСУДС, возможен выбор таких кодовых последовательностей, определяющих фазовую структуру сигнала, при которых площадь поля поражения S_r будет минимальной. При этом обеспечивается небольшое значение пикфактора.

В том случае, когда в информационных сетях связи и обсервации в АСУДС в качестве, например, адресных сигналов используются последовательно-параллельные сложные сигналы, имеющие частотно-временную матрицу, в которой число частотных и временных интервалов равно семи (N_r=7), а число субсигналов, представляющих собой, в свою очередь, сложные сигналы параллельной структуры, равно трем (n=3), число рациональных адресов можно определить по формуле:

(26)

Тогда, в определенном случае, выбор рационального ансамбля сигналов А определяется следующим образом:

A=N_рац.Q, (27)

где Q - число оптимальных, с точки зрения минимума S_{r ,} кодовых последовательностей.

В рассматриваемом случае, когда N_рац. =91 и Q=4, ансамбль сигналов составляет 364 рациональных сигнала. Очевидно, что ансамбль сигналов может быть увеличен, с одной стороны, за счет увеличения числа частотных и временных интервалов в частотно-временной матрице (ЧВМ), а с другой стороны, - за счет использования квазиоптимальных кодовых последовательностей, обеспечивающих близкие к минимальным площади полей поражения.

Синтез оптимальных параллельных сложных сигналов при воздействии узкополосных помех осуществляется с использованием алгоритма, аналогичного случаю воздействия взаимных помех, прямым перебором половины возможных кодовых комбинаций {a_k} при ограничении по пикфактору П?2 для N_r=3,5,7 на тех же допустимых уровнях горизонтальных сечений двухмерного коэффициента взаимного различия , определяемого формулой (19).

Выбор ансамбля сигналов для радиолиний в условиях непреднамеренных узкополосных помех, как видим, зависит от алгоритма приема, определяющего предельно допустимый уровень коэффициента взаимного различия. Осуществляться этот выбор может по той же методике, что и в случае взаимных ретранслированных помех. Оптимальный ансамбль также составляет 364 рациональных сигнала, сформированных для N_r=7 на уровне =0,1 с помощью кода {a_к}`<sub>9</sub> и трех от него производных при П=1,943. С учетом квазиоптимальных сигналов объем ансамбля может быть расширен: например, для =0,1 с учетом {a<sub>к</sub>}`₅ и {a_к}`₁₁ он составит 1092 сигнала при выбранной ЧВМ.

В условиях одновременного воздействия узкополосной и ретранслированной непреднамеренных помех выбор рациональных сигналов следует производить, очевидно, ориентируясь либо на оптимальные для обоих случаев помех кодовые последовательности, либо на оптимальные для одного из них и квазиоптимальные - для другого.

Эффективность использования сложных сигналов параллельной структуры, оптимизированных по критерию минимума площади поля поражения, может быть оценена на основании расчета энергетического выигрыша Э и выигрыша по помехоустойчивости В_р. При С₁=0,1 кодовая последовательность {a_k}₁₁ обеспечивает S_r, в то время как {a_k}₆ обеспечивает S_r?64. Для того, чтобы обеспечить S_r, используя {a_k}₆, следует либо снизить требования к помехоустойчивости системы связи, либо ожидать уменьшения интенсивности ретранслированной помехи. При этом уровень горизонтального сечения двухмерного КВР С₂=0,2. Тогда энергетический выигрыш от использования оптимального кода {a_k}₁₁ при С₁=0,1 естественно определять соотношением:

...