Розроблення методологічних засад та принципів побудови радіонавігаційного забезпечення на внутрішніх водних шляхах України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розроблення методологічних засад та принципів побудови радіонавігаційного забезпечення на внутрішніх водних шляхах України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми досліджень обумовлена нездатністю існуючого навігаційного устаткування річкових суден забезпечити необхідну точність визначення місцезнаходження судна, а також відсутністю напрямків сучасної теорії, що вирішує проблему побудови ефективних радіонавігаційних систем (РНС), які забезпечують безпеку судноводіння на внутрішніх водних шляхах (ВВШ) України. В даний час ця важлива народногосподарська проблема вирішується шляхом застосування радіолокаційного обладнання, що не задовольняє вимогам з точності. Тому відродження українського торгового флоту доцільно починати з оснащення суден супутниковою радіонавігаційною апаратурою з диференціальним режимом роботи, здатною забезпечити підвищений рівень безпеки судноводіння на ВВШ України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводились в НДІ «Квант-Навігація» в рамках проекту «Мережа» (№ГР 0100U002131), виконаному за державним контрактом с Національною агенцією морських досліджень і технологій при КМ України №11.11/12 від 01.04.97, проекту «Навігація» (№ГР 0100U006012), виконаному за контрактом з АТ НДIРВ №3.33-98/20-98 від 01.08.98, а також в Київській державній академії водного транспорту за планом НДР на тему «Дослідження інтегрованих моделей навігаційно-гідрографічного забезпечення судноплавства на внутрішніх водних шляхах України» (№ГР 0100V006773), виконаному в рамках проекту «Розвиток системи навігаційного обладнання прибережних районів Чорного та Азовського морів» шифр «ЗНО», код 11.11/9 відповідно Державної програми «Створення системи і технологій навігаційного, картографічного і гідрографічного забезпечення мореплавства» 2000 року.

Метою досліджень є розвиток теоретичних основ побудови радіонавігаційних систем для рішення науково-прикладної задачі підвищення точності радіонавігаційного визначення місцезнаходження суден на ВВШ України.

В процесі досліджень вирішено наступні задачі:

Розроблено концепцію створення комплексу радіонавігаційних засобів в Україні на базі використання диференціального режиму супутникових РНС (СРНС) другого покоління ГЛОНАСС-НАВСТАР, які забезпечують підвищення безпеки руху на ВВШ України.

Синтезовано логіко-інформаційну модель і структуру системи радіонавігаційного забезпечення безпеки руху на внутрішніх водяних шляхах України.

Розроблено рішення по удосконалюванню технічних і технологічних характеристик інформаційних каналів диференціальної системи радіонавігаційного забезпечення.

Розроблено теоретичні засади розрахунку зон і радіусів дії контрольно-коректуючих станцій системи радіонавігаційного забезпечення для діапазонів середніх і ультракоротких хвиль.

Розроблено топологічну структуру системи контрольно-коректуючих станцій на внутрішніх водяних шляхах країни.

Розроблено способи побудови, стратегії використання, розвитку й вдосконалення локальних і регіональних диференціальних підсистем, а також державної диференціальний РНС в інтересах річкового флоту України.

Об'єкт дослідження - система організаційних заходів і сукупність технічних засобів, на яких базується процес управління рухом на ВВШ України і якими визначається рівень безпеки судноплавства.

Предмет дослідження - супутникові радіонавігаційні системи, які призначені для створення цілісного радіонавігаційного поля на внутрішніх водних шляхах України із застосуванням диференційних підсистем (діференційні РНС) для підвищення точності визначення координат судна.

Вирішувана проблема - побудування ефективного радіонавігаційного забезпечення безпеки руху на внутрішніх водних шляхах України.

Наукова новизна дисертації полягає в тому, що у ній вперше, на відміну від існуючих методів навігаційного забезпечення руху суден на ВВШ України, що здійснюються за допомогою традиційних електро - та радіонавігаційних приладів (компас, ехолот, радіолокатор та т. п.), проблема підвищення ефективності радіонавігаційного забезпечення вирішена шляхом наукового обґрунтування нового принципу управляння рухом на ВВШ України на основі диференціальної радіонавігаційної системи, що використовує можливості СНС ГЛОНАСС і НАВСТАР і забезпечує підвищення точності місцевизначення та рівня безпеки руху судна.

В межах реалізації нового принципу і в розвиток теорії проектування радіонавігаційних систем одержано нові наукові результати:

1. Нова логіко-інформаційна модель диференціальної радіонавігаційної системи забезпечення безпеки плавання на ВВШ України, що комплексно враховує характеристики, параметри та обмеження трьох основних факторів: судна, як об'екта керування; засобів позиціонування, що забезпечують зовнішній зворотній зв'язок, та особливостей внутрішніх водних шляхів.

2. Нові рішення з удосконалення технічних характеристик інформаційних каналів в диференціальних РНС, які відрізняються тим, що для підвищення надійності передачі диференціальних поправок необхідно використовувати лише поверхневі хвилі певних діапазонів, враховувати вплив рельєфу, що загороджує, та законів розподілу кореспондентів на місцевості.

3. Теоретичні засади і результати розрахунку зон і радіусів дії контрольно-коректуючих станцій (ККС) диференціальної радіонавігаційної системи для діапазонів середніх та ультракоротких хвиль, що опирається на вирішення отриманих вперше трансцендентних рівнянь.

4. Вперше отримано топологічну структуру побудови ККС на ВВШ країни в діапазонах середніх та ультракоротких хвиль.

5. Вперше отримано способи та шляхи створення, стратегічного використання, розвитку та удосконалення сучасних інформаційних локальних, регіональних та державної радіонавігаційних систем в інтересах річкового флоту України.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений у дисертаційній роботі комплекс моделей, алгоритмів, програм і рекомендацій дозволив запропонувати для ВВШ України топологічну структуру ККС, що забезпечує ефективне судноводіння з високим рівнем безпеки.

Результати проведених досліджень впроваджені в розробках Центрального науково-дослідного інституту навігації і управління. Форма реалізації - технічні пропозиції щодо структури мережі ККС для ВВШ України і способи передачі диференціальних поправок у мережі ККС, диференціального режиму станцій Азовсько-Чорноморського басейну. Факт реалізації результатів роботи підтверджується відповідним актом впровадження.

Конкретна особиста участь автора в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації, полягає у постановці цілей і задач досліджень, одержанні експериментальних даних, проведенні натурних досліджень і випробувань, побудові логіко-інформаційних моделей, дослідженні диференціальних поправок для ККС, удосконаленні технічних характеристик інформаційних каналів і засобів радіонавігаційних систем, побудови структури ККС на ВВШ країни. Всі наукові результати одержані автором самостійно.

Апробація роботи. Результати досліджень доповідалися і обговорювались на науково-технічній конференції «Освіта і безпека судноводіння» (Київ, 2001 р.), Міжнародній конференції «Транспорт-ХХІ ст.» (Одеса, 1998 р.), ІІІ міжнародній науково-технічній конференції «АВІА-2001» (Київ, 2001 р.), наукових конференціях науково-педагогічного персоналу Київської державної академії водного транспорту в 1999-2003 рр. і Санкт-Петербурзького державного університету водних комунікацій у 1998-1999 рр.

Публікації. Зміст і основні результати дисертації опубліковані в 24 роботах, в тому числі одній монографії.

Структура і обсяг роботи: Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та 3-х додатків і має загальний обсяг - 294 стор. Список використаних джерел складається із 125 найменувань.

Зміст роботи

технологічний радіонавігація інформаційний

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано науково-технічну проблему, мету і задачі досліджень.

В першому розділі представлено огляд літератури і аналіз сучасного стану радіонавігаційних систем. Представлено результати дослідження зовнішнього доповнення для системи, що створює суцільне радіонавігаційне поле на ВСШ України, що дозволило раціонально виділити таку систему з метасистеми глобальних і регіональних радіонавігаційних систем.

Тут (п. 1.1) проаналізовано можливості з точки зору виконання вимог ІМО до точності судноводіння, по-перше, глобальних і регіональних радіонавігаційних систем першого покоління, по-друге, глобальних супутникових радіонавігаційних систем другого покоління - типу «НАВСТАР» і «ГЛОНАСС» і, по-третє, супутникових систем зв'язку і радіонавігації типу «ГЛОБАЛСТАР», «ІРIДIУМ», «СИГНАЛ». У п. 1.2 встановлено оцінку можливостей використання радіонавігаційного поля на внутрішніх судноплавних шляхах України. В даний час вимоги до точності судноводіння в зонах обмеженого плавання і прибережних зонах, характерних для ВСШ, є дуже високими і складають, наприклад, в акваторії портів, гаваней 5…20 м, у вузьких каналах і фарватерах (шириною 100…200 м) - 0,15 ширини каналу, тобто 15…30 м, у фарватерах шириною 2…20 кабельтових - 0,2 ширини, у системах поділу руху - 0,2 ширини смуги руху тощо.

Тому з усіх існуючих і перспективних навігаційних систем найбільш прийнятні для створення суцільного радіонавігаційного поля на ВСШ України глобальні СРНС другого покоління «НАВСТАР» і «ГЛОНАСС». Точність місцевизначення суден у цих системах складає: для системи «ГЛОНАСС» - 45 м (з імовірністю 0,95). У системах «ГЛОБАЛСТАР», «ІРИДИУМ», «СИГНАЛ» точність місцевизначення дорівнює R_c - радіусу стільникової зони наземної стільникової системи і для малих зон обслуговування складає не менше 1,5…10 км, що значно гірше точності систем другого покоління. Разом з тим останні також не відповідають вимогам ІМО до точності місцевизначення на ВСШ і в прибережному плаванні, що й обумовлює необхідність створення спеціалізованої РНС із поліпшеними точними характеристиками.

У другому розділі проведено аналіз і узагальнення усталених у сучасній вітчизняній і закордонній науково-технічній літературі основних поглядів, принципів і прийомів для проведення концептуальних досліджень складних організаційно-технічних систем. У п. 2.1 основну увагу приділено ланці «метасистема - система». Виходячи з прийнятої в роботі узагальненої схеми шляхів підвищення ефективності функціонування таких складних систем (мал. 1) встановлені принципи вичленовування системи з метасистеми на основі підходу Геделя, проаналізовано існуючі методи оцінки ефективності систем, а також фактори, що визначають цю ефективність (мал. 2), такі, як умови функціонування системи, способи її використання й основні властивості: стійкість (R-якість), керованість (C-якість), здатність (A-якість), самоорганізація (L - якість).

У п. 2.2 розкрито й узагальнено шляхи сучасної системної інженерно - кібернетичної методології опису як узагальненої схеми, так і характеристик етапу концептуальних досліджень у термінах S_О-системи, властиві дослідженню операцій і структури складних технічних систем на третьому системному рівні «організація - поведінка», розташованим між другим - агрегативним і четвертим - метасистемним рівнями. У термінах зазначеного рівня сформульовано погляди на мети, прийоми і результати концептуальних досліджень.

У спрощеному вигляді ціль концептуальних досліджень можна сформулювати так. Для вирішення проблемної ситуації необхідно досягти мети A_О. Активних засобів досягнення цієї мети немає. Однак виділені чи ті, що

можуть бути виділені, матеріальні засоби для розробки чи виробництва постачання технічної системи, використання якої в операції як активного засобу дає можливість вирішити поставлену задачу, тобто досягти мети. Потрібно вибрати раціональний варіант структури системи, спроектувати процес її організації у відповідний термін так, щоб потенційна ефективність цієї системи в операції, спрямованої на досягнення мети, була б по можливості максимальною. Закінчуються концептуальні дослідження звичайно формулюванням раціональних вимог до системи. При цьому вибір цих раціональних вимог здійснюється на основі оцінювання ефективності різних варіантів вимог, що може досягатися і залученням глибинних операційних і детальних досліджень технічного і техніко-економічного характеру.

У п. 2.3 проведено аналіз і узагальнено особливості цілепокладання під час проведення концептуальних досліджень і вибору показників ефективності для складних організаційно-технічних систем. Розглянуто основні принципи цілепокладання, такі як причинності, комутативності, «від загального до частки», мінімізації витрат при синтезі системи, системності, опису робочих функцій, повноти і точності викладу мети.

З позицій таких принципів розглянуто можливості основних трьох класів критеріїв: по-перше, адаптивності, що включає принцип селекції, волі вибору рішень, самоорганізації; по-друге, придатності, що включає критерії

результатів, припустимої гарантії і припустимого гарантованого результату; і, по-третє, оптимальності найбільшого результату, що включає критерії,

найбільшого середнього результату, найбільшої імовірності гарантії і найбільшого гарантованого результату.

Визначено загальні умови практичної застосовності цих критеріїв, обґрунтовано ефективність застосування критерію найбільшого середнього результату під час дослідження складної технічної системи для створення суцільного радіонавігаційного поля на внутрішніх судноплавних шляхах країни.

Синтез логіко-інформаційної моделі системи радіонавігаційного забезпечення безпеки плавання на ВСШ України представлений у розділі 3. У п. 3.1 розроблено структуру логіко-інформаційної моделі, що враховує основні характеристики, параметри й обмеження трьох основних факторів: по-перше, судна як об'єкта керування, що має інерційні характеристики, судна і регулятора, коефіцієнт передачі судна по керуючому впливу, коефіцієнт передачі регулятора і коефіцієнти передачі блоків формулювання закону керування рухом судна; по-друге, внутрішніх водних шляхів, що характеризуються параметрами: B_cx - шириною суднового ходу, R_cx - радіусом кривизни суднового ходу, УП - кутом повороту, глибиною суднового ходу, напрямком і швидкістю плину тощо; по-третє, засобів позиціонування, що забезпечують зовнішній зворотний зв'язок, з такими елементами як навігаційний ШСЗ і контрольно-коригувальна наземна станція (ККС) для передачі диференціальних поправок і судновий прийомоіндикатор таких поправок.

У рамках представленої моделі визначено такі найважливіші характеристики, що визначають безпеку судноплавства на ВСШ і є конкретними модифікаціями критерію найбільшого (найменшого) середнього результату, як: _упр - похибка керування, B_у - ширина безпечної смуги водного шляху і - величина зони навігаційної безпеки.

У п. 3.2 обґрунтовано і розроблено вимоги щодо точності і дискретності позиціонування диференціальних підсистем СРНС, що забезпечують безпеку плавання на ВСШ при сформульованих у п. 3.1 вимогах.

Характерною рисою руху річкових суден в умовах обмеженої видимості, а також у системах автоматичного керування курсом (річкових автостернових) є застосування покажчиків швидкості повороту (УСП). Отже, для плавання по обчисленню на ВСШ використовується інформація про кутову і лінійну швидкості судна. За наявності на УСП зони нечутливості w_min під час

проходження прямолінійним маршрутом судно зміщатиметься з осі суднового ходу.

На криволінійних ділянках суднового ходу, коли вирішується задача руху судна з заданим радіусом повороту R_зад, що знімається з карти під час здійснення маршруту, величина похибки зсуву з осі суднового ходу Y дорівнюватиметься похибці R, обумовленій різницею між заданим дійсним радіусом повороту

У такий спосіб під час руху на ВСШ повинні бути сформульовані вимоги не тільки до точності маршрутної координати Y, що визначає зсув судна перпендикулярно осі суднового ходу, але і до подовжньої координати Х. Причому вимоги до точності визначення координат Х и Y рівнозначні.

Аналіз на основі логіко-інформаційної моделі показує, що радіальна похибка позиціонування (з імовірністю 0,95) повинна складати на озерах і водоймищах 25…45 м, на вільних ріках 5…10 м, на каналах 2…5 м.

Отже, на ВСШ України за винятком особливо утруднених ділянок радіальна похибка позиціонування не повинна перевищувати 10 м (Р = 0,95) при дискретності обсервації 5…10 с з використанням засобів числення і 1…2 с під час безпосереднього керування судном за сигналами РНС (індикаторний режим). При ширині суднового ходу 80…100 м і більш така точність позиціонування цілком достатня для забезпечення високої імовірності відсутності навігаційної події (більша, ніж 0,997), коли критерій безпеки руху безумовно виконаний.

У п. 3.3. аналітично досліджено і визначено робочу зону диференціальної підсистеми «НАВСТАР» і «ГЛОНАСС» для забезпечення зазначеної точності обсервації.

При використанні диференціальних методів позиціонування точність поправок у робочій зоні буде визначатися:

- випадковими погрішностями в контрольній точці та у місці прийому на судні;

- ростом погрішностей у залежності від дистанції до контрольної точки, у якій вони були визначені;

- змінами погрішностей у часовій області.

Показано, що випадкові похибки першої групи, які обумовлені нестабільністю еталона часу і навігаційної підсистеми, тропосферною погрішністю, шумами приймача, багатопроміневістю тощо, призводять до результуючої похибки визначення координат (у горизонтальній площині) у 4 м при геометричному факторі рівному трьом.

Похибки третьої групи переважно обумовлені змінами іоносферної і тропосферної затримок. Показано, що при віці дифпоправок до 10…15 с зміни швидкостей цих затримок не мають істотного значення для точності позиціонування.

У п. 3.4 розглянуто результати випробувань диференціальної підсистеми СРНС «НАВСТАР» для ККС на ст. Горьківська Ленінградської області. Основні характеристики ККС: потужність випромінювання 60 Вт, несуча частота 300 кГц, швидкість передачі даних 100 біт. У якості прийомоіндикатора на т/х «Норильськ» Ладозької технічної ділянки використовувалася модель Т-200Д фірми Jrimble Navigation, що забезпечує точність визначення місця від 3 до 10 м, швидкості до 0,1 вузла з імовірністю 0,95. Маршрут випробувань Петрофортеця - Нова Ладога - Свириця - Петрофортеця.

Результати випробувань підтвердили, що на дистанціях 500…550 км від ККС точність позиціонування може бути забезпечена з круговою погрішністю 10 м (Р=0,95). Отже, при такому віддаленні судна від ККС деградація дифпоравок буде цілком задовільною для позиціонування на більшій частині ВСШ України. Проблема полягає у надійній передачі дифпоправок по каналу зв'язку ККС-судно в будь-який час доби і року.

У цих діапазонах основну увагу було приділено поверхневим (земним) хвилям і сукупностям адитивних і мультиплікативних перешкод. Різного типу просторові хвилі (відбиті: однократні і багаторазові іоносферні, тропосферні тощо) за своєю фізичною природою непридатні для передачі диференціальних поправок.

Установлено, що у діапазоні СВ для передачі таких поправок можна використовувати поверхневі хвилі з дальністю зв'язку до 1000 км. Оскільки час передачі разової диференціальної поправки не перевищує 20..30 с, то мультиплікативні перешкоди у вигляді часових завмирань сигналів можна практично не враховувати. Що ж до різновиду таких перешкод у вигляді селективних завмирань, що руйнують частотну структуру сигналів, то ширина спектра радіосигналів дифпоправок не повинна перевищувати 400…500 Гц, що обмежує максимальні швидкості передачі поправок.

У діапазоні КВ при передачі диференціальних поправок поверхневі хвилі за умовами поширення можливі лише до 200 км. У цьому діапазоні на відміну від СВ необхідно враховувати вже і часові завмирання рівнів сигналів, що відповідають узагальненому релеївському чи просто релеївському законам розподілу імовірностей рівнів. З погляду подолання селективних завмирань краще використовувати робочі частоти у верхній частині діапазону (25…30 мГц), де ширина спектрів радіосигналів дифпоправок може складати величину до 1…2 кГц. Найточнішого прийому сигналів поправок у всьому діапазоні можна досягти лише при застосуванні спеціальних засобів боротьби з зосередженими й імпульсними перешкодами.

Для передачі диференціальних поправок у діапазонах метрових і дециметрових ультракоротких хвиль можна використовувати тільки поверхневі тропосферні хвилі з граничною дальністю зв'язку, обумовленою значеннями

Для забезпечення найточнішого прийому сигналів поправок у цьому діапазоні необхідно враховувати сильний вплив на правильність профілю рельєфу, що загороджує, між ККС і судном-абонентом. Для апроксимації властивостей реальних рельєфів найбільш придатні в умовах України:

а) показовий закон щільності імовірності висот рельєфу характерний для рельєфів у рівнинній частині басейну Дніпра, Причорномор'я, Дунайської низовини тощо,

б) нормальний закон з одномірною щільністю висот рельєфу, який характерний для Прикарпаття.

Правильність прийому дифпоправок в УКВ діапазоні значною мірою залежить від характеру переміщення суднових прийомоіндикаторів щодо передавача ККС. Виходячи з того, що в будь-який момент прийомоіндикатори приймають сигнали дифпоправок, знаходячись на різних відстанях від ККС, що не перевищують граничної відстані Д_пред, у теоретичних і інженерних розрахунках розміщення суден-абонентів описують через функції розподілу чи щільності імовірності відстаней, на яких ведеться зв'язок. Практично найбільш уживані:

а) релеївський закон щільності імовірності взаємних відстаней ККС і суден-абонентів,

б) закон розподілу Максвела, у якому щільність розподілу симетрична щодо середнього значення відстаней.

Точність прийому диференціальних поправок у розглянутому діапазоні істотно залежить від статистичних характеристик амплітудних коефіцієнтів передачі в каналі ККС - судно - абонент. Одномірні щільності амплітудних коефіцієнтів у загальному випадку визначаються чотирьох-параметричним розподілом або трьох-параметричним розподілом Бекмана. У практичних важливих ситуаціях, коли має місце симетрія каналу передачі по дисперсіях квадратурних складових , його одномірна щільність зображається узагальненим релеєвським (райсовським) розподілом.

Експериментальні виміри на УКВ трасах, що існують у науково-технічній літературі, показують, що при далекому тропосферному поширенні радіохвиль зустрічаються як райсівські, так і релеївські розподіли з помітною питомою вагою останніх. При цьому завмирання сигналів носять як гладкий, так і селективний характер. Останні починають виявлятися при частотних розносах гармонійних складових сигналів, що перевищують 1…2 мГц, що дозволяє ефективно використовувати складні сигнали.

З адитивних перешкод для розглянутих ділянок УКВ діапазону характерні флюктуаційні шуми, взаємні перешкоди одночасно працюючих радіозасобів і імпульсні перешкоди промислового походження. Останні особливо помітні в районах великих транспортно-промислових вузлів. Разом з тим рівень адитивних перешкод у цій області частот безумовно нижче, ніж у діапазоні коротких хвиль.

У п. 3.6 досліджено можливості передачі дифпоправок в обраних областях частот ДВ, СВ і УКВ діапазонів сигналами різної структури, як простими, так і складними. Під простими в роботі приймаються двоїсті дискретні або цифрові сигнали.

Звичайно в складних сигналах величина F_rТ, яка названа базою сигналу, складає від декількох десятків до тисячі і більше одиниць.

Таблиця 1. Залежність числа сегментів K_c від кодової послідовності N_r

Nr	7	15	31	63
Кс	8747	3749	1749	846

Така кількість варіантів кодових послідовностей уже цілком достатня для організації мережі ККС на загальнодержавному рівні України.

Аналіз формування дифпоправок показує, що при триразовому повторенні повідомлення поправки за 30 с параметри _о і F_r фазокодованих сигналів набувають значення, що наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Тривалість елементарних сигналів

Nr	7	15	31	63
о, мс	3,671	1,713	0,829	0,408
Fr, кГц	0,545	1,156	2,412	4,901

Збільшення чутливості приймача до значення 6,2510^-8 Вт дозволяє зменшити потужність передавача при тому ж значенні r_c до 50 Вт.

Наявність значних масивів лісу навколо ККС неприпустимо знижує дальність дії ККС при кожній із зазначених робочих частот, що висуває додаткові вимоги щодо розміщення антен ККС поза лісовими масивами. Можна стверджувати, що ліс повинен бути відсутній навколо антени ККС у радіусі не менш л, тобто не менш 1200 м і 666,7 м.

У розділі 5 проведено аналіз зон і радіусів дії ККС, що створюють суцільне електронавігаційне поле дифпоправок у діапазоні УКВ на ВСШ України.

Із збільшенням висоти антен і потужності передавача характер кривих в околиці максимуму стає більш плавним і r_c^опт зростає.

У цій частині дисертації отримано також рішення рівняння (42) для релеївського закону щільності імовірності взаємних віддалень ККС і суден-абонентів.

У п. 5.4 представлені результати дослідження залежності r_c^опт ККС при передачі дифпоправок у дискретній і цифровій формі від параметрів радіоканалу й основних експлуатаційно-технічних характеристик ККС, а також порівняльний аналіз особливостей побудови зон при передачі дифпоправок в аналоговій і цифровій формі. Побудовані графіки при взаємодії взаємних перешкод. Показано, що наявність перешкод зменшує значення оптимального радіуса у півтора та більше разів.

У розділі 6 викладено пропозиції по створенню системи єдиного диференціального радіонавігаційного поля на ВСШ України, що забезпечує завдяки використанню диференціальних поправок СРНС надійну високоточну інформаційну підтримку річкового транспортного процесу взагалі і судноводія кожного річкового судна зокрема.

У п. 6.1 запропоновано конкретні варіанти топологічної структури системи контрольно-коригувальних станцій, що утворять зазначене поле, у двох діапазонах хвиль, використовуваних річковим флотом України. По-перше, у діапазоні СВ на частоті національного НАВТЕКСа 250 кГц і, по-друге, в УКВ діапазоні стільникових радіомереж типу GSM і NMT-450 тощо.

Показано, що у відповідності з пропонованою структурою ККС для створення суцільного електромагнітного поля влітку з урахуванням 5…20% перекриття полів потрібно 12 ККС, розміщених у містах Києві, Черкасах, Кременчуці, Дніпропетровську, Запоріжжі, Горностаївці, Миколаєві, Одесі, Маріуполі, Бердянську, Сімферополі. Ці станції включають і дві ККС морської радіомаячної служби портів Одеси і Маріуполя. Взимку дальність дії ККС зростає у середньому у 3,5 рази. Тому можна залишити діючими лише 4 ККС, розміщені в Києві, Дніпропетровську, Одесі і Маріуполі. До того ж дві останні станції належать морській міжнародній радіомаячній службі.

Для УКВ діапазону, з огляду на розвинуту інфраструктуру річкових шляхів України, відповідно до розрахунків розділу 5 можна рекомендувати крок дистанціонування

2r_c = 100…200 км,

причому для районів великих промислово-транспортних вузлів цей крок може бути знижений до величини

2r_c= 40…50 км.

Ця рекомендація, як це випливає з вивчення існуючої обстановки для УКВ радіомереж (типу GSM чи NMT-450), вписується в структуру таких стільникових мереж. При цьому необхідно до діючої додати додаткові мережі, що дозволяють створити суцільне радіонавігаційне поле в басейнах Дніпра і Дунаю.

У п. 6.2 сформульовано основні вимоги, проаналізовані структура і техніко-організаційні особливості локальних, регіональних і загально-державної диференціальних радіонавігаційних систем, що базуються на зазначеній системі ККС.

Базовою диференціальною підсистемою (ДПС) повинні стати локальні ДПС із радіусом робочої зони дії 500…600 км. До складу локальної ДПС, крім ККС, варто включити станцію контролю (СК) цілісності ДПС і СРНС. З огляду на інтереси споживачів інших відомств, наприклад, авіаційний транспорт, за узгодженням з ними можна додатково мати в складі локальної ДПС станцію псевдосупутника. Об'єднання ККС локальних ДПС у регіональну ДПС дозволить створити більш рівномірне поле диффпоправок з точністю 3…5 м за рахунок зменшення деградації поправок у міру віддалення від ККС.

Проаналізовано можливості застосування на основі системи ККС так званої широкозональної ДПС, що використовує для передачі диффпоправок супутники зв'язку на геостаціонарній орбіті.

Зроблено висновок про доцільність розробки Загальнодержавної Програми по створенню в Україні державної диференціальної підсистеми GPS/ГЛОНАСС з метою найбільш повного урахування вимог річкового флоту й інших відомств.

У п. 6.3 запропонована стратегія використання диференціального режиму СРНС другого покоління, що передбачає сукупність послідовних або послідовно-рівнобіжних часових етапів, що охоплюють усе більшу частину ВСШ України і структурно-визначальний перехід від локальних диференціальних підсистем до регіональної і, у завершенні, до єдиної державної системи ДПС.

Така сукупність включає чотири етапи:

- перший: етап використання споживачами річкового флоту диференціального режиму ГЛОНАСС/GPS морської дифпідсистеми;

- другий: етап розширення можливостей морської дифпідсистеми ГЛОНАСС/GPS для споживачів річкового флоту;

- третій: етап розгортання мережі ККС на ВСШ для ділянок, забезпечених навігаційними картами в проекції Меркатора;

- четвертий: етап розгортання регіональних (Дніпровської і Дунайської) і державної диференціальної підсистеми ГЛОНАСС/GPS на ВСШ України.

Висновок

Аналіз систем, методів і засобів інформаційного й інструментально-технологічного забезпечення судноводіння і керування флотом на ВСШ України показав, що є достатні резерви підвищення ефективності і безпеки судноплавства річкового флоту за рахунок впровадження надійної високоточної інформаційної підтримки судноводія річкового судна з використанням інструментальних методів проводження й автоматизації керування рухом судна по заданій траєкторії практично на всьому протязі ВВШ на основі розгортання диференціальних підсистем супутникових радіонавігаційних систем другого покоління ГЛОНАСС-НАВСТАР.

Тому в роботі сформульована науково-технічна проблема, що має важливе народногосподарське значення - побудова ефективних радіонавігаційних систем, які забезпечують безпеку судноплавства на ВСШ країни.

Рішення цієї проблеми в рамках даного наукового напрямку дозволило визначити мету досліджень дисертаційної роботи. Відповідно до них отримане теоретичне обґрунтування і практична реалізація системних методів, математичних моделей і алгоритмів прийняття рішень при проектуванні, використанні й оцінці стану складної організаційно-технічної системи по радіонавігаційному забезпеченню безпеки плавання суден на ВСШ із використанням диференціального режиму СРНС.

В результаті досліджень отримано таке:

1. Методологія створення й експлуатації високоефективної диференціальної системи з радіонавігаційного забезпечення безпеки плавання на ВСШ країни з використанням СРНС другого покоління на основі системного інженерно-кібернетичного підходу до структурної, алгоритмічної, об'єктно-орієнтованої реалізації і нових інформаційних технологій.

Такий підхід включає:

- аналіз стану сучасної наукової методології концептуальних досліджень предметної області на рівні метасистеми і визначенню підходів до структури системи і критеріїв її ефективності;

- сукупність теоретичних, експериментальних і модельно-передбачувальних прийомів, рішень, результатів, рекомендацій для обґрунтування тонкої структури, топології, інформаційної технології і технічних принципів побудови диференціальної радіонавігаційної системи на ВСШ;

- концептуальні положення стратегії впровадження і використання споживачами річкового флоту диференціального режиму СРНС другого покоління.

2. Логіко-інформаційна модель системи радіонавігаційного забезпечення безпеки плавання на ВСШ України, що враховує в термінах S_О-системи комплекс характеристик, параметрів і обмежень трьох основних факторів: судна, як об'єкта керування; засобів позиціонування, що забезпечують зовнішній зворотний зв'язок, і особливості внутрішніх водних шляхів країни, що дозволила визначити:

- вимоги до точності і дискретності позиціонування диференціальних підсистем СРНС за критерієм мінімальної радіальної похибки позиціонування судна щодо осі суднового ходу;

- вимоги до величини робочої зони диференціальної підсистеми.

3. Комплекс рішень з удосконалення технічних і технологічних характеристик інформаційних каналів і засобів для задоволення вимог щодо точності, дискретності і величині робочої зони в диференціальній системі радіонавігаційного забезпечення, що включає:

- аналіз можливостей передачі диференціальних поправок у різних діапазонах радіохвиль з урахуванням комплексу статистичних характеристик і параметрів сигналів дифпоправок і перешкод, обґрунтування і вибір оптимальних діапазонів - середніх хвиль і ультракоротких хвиль;

- результати дослідження частотно-часових і кодових характеристик і параметрів найбільш прийнятних для таких каналів сигналів складної структури - фазокодованих і дискретно-частотноманіпульованих, що визначають вимоги і структуру модемів таких сигналів у радіопередавачах ККС і суднових прийомоіндикаторах.

4. Теоретичні основи і результати розрахунку зон і радіусів дії ККС диференціальної радіонавігаційної системи:

- для діапазону середніх хвиль за методом М.В. Шулейкіна і Ван-дер-Поля, за методом В.А. Фока, за методом просторово-орієнтованого випромінювання радіохвиль;

- для діапазону ультракоротких хвиль за методом А.В. Доровських і А.А.Сікарєва, що найбільш повно враховує одночасний вплив таких найважливіших факторів як статистичні властивості радіоканалів, випадкові зміни рельєфу на лінії «ККС-судно» і імовірнісний характер переміщення судна відносно ККС, а також основної експлуатаційно-технічної характеристики працюючої при цьому приймально-передаючої апаратури дифпоправок.

5. Результати дослідження впливу основних експлуатаційно-технічних характеристик ККС на їхній радіус і зони дії.

6. Результати і рекомендації з вибору зон дії ККС на ВВШ України в діапазонах середніх і ультракоротких хвиль.

7. Способи і шляхи створення, стратегію використання, розвитку й удосконалювання сучасної диференціальної радіонавігаційної системи в інтересах річкового флоту України, що включають у себе:

- топологічну структуру систем ККС на ВСШ України в діапазонах СВ і УКВ;

- структуру і напрямки технічної реалізації локальних, регіональних і державної диференціальних радіонавігаційних систем в інтересах річкового флоту;

- концептуальні положення стратегії розгортання, використання і розширення локальних, регіональних і державної дифсистем як дифпідсистеми ГЛОНАСС-НАВСТАР на ВСШ України.

Отримані результати підтвердили ефективність і практичну реалізованість системної інженерно-кібернетичної методології, висунутої в дисертації, для конструктивної побудови і розвитку таких складних організаційних систем, якою є диференціальна радіонавігаційна система на ВСШ України.

Література

1. Михайлов В.С. Радионавигация на внутренних водных путях Украины: Монография. - К.: КДАВТ, 2001. - 84 с.

2. Михайлов В.С. Разработка логико-информационной модели системы радионавигационного обеспечения безопасности плавания на ВСП Украины // Судовые энергетические установки. - Одесса: ОГМА, 1998. - №2. - С. 80-86.

3. Михайлов В.С. Определение радиуса действия контрольно-корректирующих станций в диапазоне средних волн. // Тема: Науково-технічний журнал. - Одеса: ОДМУ, Українська міжнародна академія оригінальних ідей, 1999. - №1. - С. 21-28.

4. Михайлов В.С. Организация концептуального и операционального исследования при решении научно-технической проблемы. // Тема: Науково-технічний журнал. - Одеса: ОДМУ, Українська міжнародна академія оригінальних ідей, 1999. - №4. - С. 92-97.

5. Михайлов В.С. Предложения по созданию радионавигационного поля в целях повышения безопасности судовождения на внутренних судоходных путях Украины. // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем. - Донецьк: ДонДТУ. - 1999. - №10. - С. 271-275.

6. Михайлов В.С. Топологическая структура системы контрольно-корректирующих станций для внутренних водных путей Украины. // Судноводіння. - Одеса: ОДМА. - 2000. - Вип. 2. - С. 141-150.

7. Михайлов В.С. Определение рабочей зоны дифференциальной подсистемы СРНС «НАВСТАР» и «ГЛОНАСС» // Автоматизация судових технических средств. - Одесса: ОГМА, -1999. - Вып. 3. - С. 101-105.

8. Михайлов В.С. Результаты испытаний дифференциальной подсистемы СРНС «НАВСТАР». // Судовые энергетические установки. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып.3. - С. 83-84.

9. Михайлов В.С. Определение радиуса действия контрольно-корректирующей станции в диапазоне ультракоротких волн. // Судовые энергетические установки. - Одесса: ОГМА, 1999. - Вып. 4. - С. 73-75.

10. Михайлов В.С. Обобщенная схема и характеристика концептуального исследования. // Судовые энергетические установки. - Одесса: ОГМА, 2000. - Вып. 5. - С. 68-72.

11. Михайлов В.С. Исследование зоны действия контрольно - корректирующей станции радионавигационной системы на внутренних водных путях // Космічна наука і технологія. - НКАУ - НАНУ. - Київ: 2001. - Т.7. - №4. - Спецвипуск. - С. 89-93.

12. Михайлов В.С. Вимоги до точності і дискретності позиціонування диференційних підсистем супутникових радіонавігаційних систем // Вісник ЦНЦ ТАУ - К., 2001, - №. 4 - С. 56-58.

13. Михайлов В.С. Исследование возможностей структуры радиосигналов для передачи дифференциальных поправок в радионавигационных спутниковых системах // Судовождение. - Одесса: ОГМА. - 2001. - Вып.3. - С. 122-130.

14. Михайлов В.С. Анализ параметров последовательно-параллельных сигналов с дискретно-частотной манипуляцией. // Нові технології навчання. Науково-методичний збірник. Міносвіти. - №34. - Київ. - 2003. - С. 329 - 335.

15. Михайлов В.С. Особливості формулювання мети в дослідженні складних організаційно-технічних систем. // Проблеми інформатизації та управління: Збірник наукових праць: вип. 8.-К.:НАУ, 2003. - С. 182 - 188.

16. Михайлов В.С. Перспектива развития радионавигационного обеспечения судоходства на внутренних судоходных путях Украины // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка. - Донецьк: ДонДТУ, - 2002. - №39. - С. 243-244.

17. Михайлов В.С. Анализ возможностей передачи дифференциальных поправок в радионавигационных системах волнами различных диапазонов длин // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Проблеми моделювання та автоматизації проектування. - Донецьк: ДонДТУ, - 2002. - №52. - С. 113-118.

18. Михайлов В.С. Определение дальности действия контрольно-корректирующих станций спутниковых навигационных систем. // Водний транспорт. Збірник наукових праць Київської державної академії водного транспорту. - К.: КДАВТ, 2002. - №3. - С. 6-12.

19. Михайлов В.С. Зависимость оптимального радиуса зоны действия контрольно-корректирующей станции от параметров радиоканала и заграждающего рельефа. // Проблеми інформатизаціїї та управління: Збірник наукових праць: вип. 7. - К.: НАУ, 2003. - С. 10-13.

20. Михайлов В.С. Оптимизация радиуса действия контрольно-корректирующих станций при передаче дискретных и цифровых сообщений. // Проблеми підвищення ефективності інфраструктури. Збірник наукових праць: вип. 8. - К.: НАУ, 2002. - С. 120-122.

21. Михайлов В.С., Тарасюк В.И. Человеческий фактор в безопасности судовождения. // Проблеми освіти. Науково-методичний збірник. Міносвіти. - №31, - Київ, 2003. - С. 347 - 356.

22. Михайлов В.С. Повышение безопасности судовождения путем использования инфракрасного диапазона волн. // Судовые энергетические установки, вип. 1: - Одесса: ОГМА, 1998. - С. 8 - 11.

23. Михайлов В.С. Особливості формулювання мети в дослідженні складних організаційно-технічних систем. // Проблеми інформатизації та управління: Збірник наукових праць: вип. 8. - К.: НАУ, 2003. - С. 182-188.

24. Михайлов В.С. Расчет пределов рабочей зоны дифференциальных подсистем. // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка, вип. 6: - Донецьк: ДонДТУ, 1999. - С. 288-293.

Размещено на Allbest.ru

...