Разработка сети мониторинга поездной радиосвязи ОАО «РЖД»

• Введение
• 1. Состояние и перспективное развитие средств беспроводной связи на железнодорожном транспорте
• 2. Система управления технологической сетью связи
• 3. Обзор и анализ технических средств радиомониторинга
• 3.1 Организация мониторинга
• 3.2 Системы мониторинга
• 3.3 Интеграция разнотипного измерительного оборудования
• 3.4 Унифицированный протокол управления аппаратурой
• 4. Обзор и анализ существующих систем радиомониторинга
• 4.1 Состав и структурная схема станции радиомониторинга
• 4.2 Основные технические требования к функциональным узлам систем радиомониторинга
• 4.3 Сравнительный анализ комплексов радиомониторинга
• 4.4 Автоматизированный измерительный комплекс контроля параметров каналов поездной радиосвязи (АИКПРС). Состав и структура
• 4.5 Алгоритм функционирования измерительного комплекса АИКПРС
• 4.6 Описание комплекса АИКПРС
• 4.7 Программные комплексы мониторинга
• 5. Оборудование сети мониторинга поездной радиосвязи
• 5.1 Характеристика проектируемого участка
• 5.2 Технические параметры радиостанций ПРС
• 5.3 Структурная схема мониторинга
• 5.4 Обоснование необходимости измерительного вагона в контуре системы радиомониторинга
• 5.5 Энергетический расчёт длины регенерационного участка ВОЛС. Определение показателей ошибок для сетевых трактов
• 6. Безопасность и экологичность решений проекта
• 6.1 Охрана труда
• 6.2 Охрана окружающей среды
• 7. Экономическая часть проекта
• 7.1 Общая характеристика проектируемого объекта с экономической точки зрения
• 7.2 Определение капитальных вложений
• 7.3 Определение эксплуатационных затрат
• Заключение
• Список использованных источников

Радиосвязь занимает одно из ведущих мест в общей системе экономического обеспечения страны. Она довольно проста в построении, оперативна в организации, экономически эффективна и в большинстве случаев является единственным способом обмена информацией с подвижными объектами. В условиях растущей общей технической оснащённости железнодорожного транспорта внедрение радиосвязи с подвижными объектами стало насущной необходимостью. Многолетний опыт применения радиосвязи на транспорте позволил значительно повысить производительность труда, оперативность, чёткость и безопасность проведения работ, эффективность использования локомотивного и вагонного парков.

Высокие требования к качеству технологической радиосвязи в плане обеспечения безопасности перевозок предусматривает непрерывный контроль параметров каналов с целью мониторинга их состояния и профилактики сетей.

Постоянно повышающийся спрос на информацию означает, что все большое число систем радиосвязи претендуют на ограниченный природный ресурс, каким является радиочастотный спектр. Кроме того, нехватка спектра связана не только с ростом числа потребителей этого ресурса, но и несовершенством передающей и приемной аппаратуры, заключающимся в следующем: наличие внеполосных и побочных излучений у передатчиков, побочных каналов приема у радиоприемников, ограниченным динамическим диапазоном приемников. Высокое качество радиосвязи может быть достигнуто только в случае, когда все передающие станции работают в соответствии с международными рекомендациями, издаваемыми Международным союзом электросвязи (МСЭ) и национальными нормами и правилами, издаваемыми соответствующими регулирующими органами.

поездная радиосвязь мониторинг сеть Целью дипломного проекта является разработка сети мониторинга поездной радиосвязи, которая позволяет дистанционно оценивать:

— предотказные состояния стационарных радиостанций поездной радиосвязи путем мониторинга радиостанций поездных кругов из единого диспетчерского центра управления;

— состояние волноводных направляющих линий поездной радиосвязи путем измерения соотношения «сигнал/ шум» ;

— предотказные состояния локомотивных радиостанций путем мониторинга из автоматических контрольных пунктов;

— контролировать все радиоэлектронные средства с автоматическим предоставлением результатов тестирования в Единую систему мониторинга и администрирования сетей связи ОАО «РЖД» (ЕСМА).

1. Состояние и перспективное развитие средств беспроводной связи на железнодорожном транспорте

Развитие сети связи ОАО «РЖД» РФ осуществляется по единой идеологии построения первичных сетей связи на основе волоконно-оптических линий связи ВОЛС с использованием цифровых систем передачи и коммутации.

К настоящему времени создана цифровая сеть связи протяженностью свыше 47 тыс. км. Волоконно-оптический кабель (ВОК), применяемый для цифровой сети содержит 16 или 24 волокна, из них 4 волокна с ненулевой смещенной дисперсией с перспективой использования технологии DWDM, а остальные волокна 12 (20) по стандартной технологии с длиной волны 1,33 или 1,55 мкм. ВОК подвешивается на опорах контактной сети или укладывается в землю (в виде бронированного кабеля или в специальных трубках).

Одновременно реализованы и развиваются резервирующие основную магистральную сеть — сети спутниковой и радиорелейной связи. Сеть магистральной спутниковой связи объединяет 17 узловых станций, расположенных в городах Управлений железных дорог и абонентские станции, устанавливаемые в крупных железнодорожных узлах, в отделениях железных дорог, станциях-портах и т. д. Современная протяженность радиорелейных линий связи составляет около 10 тыс. км.

На основе волоконно-оптического кабеля созданы магистральный и технологический уровни систем цифровой связи. Магистральный уровень имеет протяженность свыше 45 тыс. км и обеспечивает организацию цифровых потоков на основе мультиплексоров STM-16 и STM-4 по основным направлениям перевозок (скорость передачи до 2,5 Гбит/с). Технологический уровень реализован на 4-х волокнах ВОК. Этот уровень обеспечивает организацию каналов связи и передачи данных на каждой станции сети дорог преимущественно на основе аппаратуры синхронной цифровой иерархии STM-1, STM-4 российского производства. На сегодня построено свыше 30 000 км каналообразующих систем интегрированных с существующими аналоговыми сетями технологической связи. На медных кабелях для организации первичной сети на малодеятельных направлениях и резервирования каналов на кабельных магистралях с ВОЛС используются системы HDSL со скоростью передачи 2 Мбит/с.

Если создание магистральной сети связи по основным направлениям перевозок практически завершено и требуется, в основном, «умощнение» цифровых потоков по ряду участков, то технологический сегмент в настоящее время интенсивно развивается.

Магистральные и дорожные сети передачи данных объединяют Главный вычислительный центр МПС и вычислительные Центры железных дорог, абонентские терминалы информационно-управляющих систем, Центры диспетчерского управления железных дорог. Сеть передачи данных строится на стандартной технологии с использованием современных технических средств и протоколов. В качестве основного протокола принят протокол TCP/IP. Сеть передачи данных магистрального уровня имеет 17 дорожных сегментов, включает в себя магистральный центральный узел (основной и резервный) ГВЦ МПС России и региональные узлы Управлений железных дорог при дорожных ИВЦ или узлах связи.

Сети оперативно-технологической (диспетчерской) связи строятся на специализированных системах коммутации отечественного производства со следующими организационными принципами:

— обеспечение взаимодействия с существующей аналоговой сетью оперативно-технологической связи;

— локальность сети ОТС, обеспечивающая доступ в неё ограниченного круга абонентов;

— организация диспетчерских связей в соответствии с принятой структурой управления эксплуатационной работой железнодорожного транспорта (коллективная связь с избирательным вызовом, отсутствие отказов в установлении соединений и др.);

— резервирование диспетчерских связей.

Для организации оперативно-технологической связи в цифровой сети на участке железной дороги используется один или несколько каналов Е1, выделяемых с помощью систем передачи технологического сегмента. Система оперативно-технологической связи строится по кольцевому принципу с использованием обходных каналов Е1 дорожной или магистральной сети.

Цифровые сети оперативно-технологической связи являются важнейшим звеном централизации управления перевозками для обеспечения взаимодействия диспетчерского аппарата с абонентами, действия которых непосредственно влияют на безопасность движения (дежурные по станциям, машинисты поездов), а также в условиях появления новых видов диспетчерского руководства с высокой надежностью и быстродействием. В настоящее время цифровыми сетями ОТС охвачено более 17 тыс. км железных дорог и их развитие продолжается.

Магистральная и технологические сети связи являются взаимоувязанными и дополняющими друг друга структурами единой цифровой сети связи. Их взаимодействие обеспечивает возможности резервирования каналов связи, решение проблем «последней мили», организации подсистем мониторинга и администрирования. Синхронизация всех сетей технологической связи достигается за счет использования синхросигналов магистральной сети с выходов первичных эталонных генераторов (ПЭГ) или вторичных задающих генераторов (ВЗГ), обеспечивающую относительную погрешность частоты не более 10^-12 (при норме 10^-11).

Сети технологической радиосвязи (поездная, станционная и ремонтно-оперативная) охватывает всю сеть Российских железных дорог и эксплуатируется преимущественно на основе использования отечественных специализированных аналоговых радиосредств, производимых на российских предприятиях (кроме носимых радиостанций). Ряд требований, связанных с повышением производительности труда работников транспорта и безопасности движения поездов, развитием сервисных услуг пассажирам и др. определяют необходимость комплексного решения этих задач на основе многоканальной цифровой системы технологической радиосвязи. Создаваемые на основе ВОЛС цифровые системы передачи являются базовыми структурами развития цифровой системы технологической радиосвязи. Развертывание цифровых сетей радиосвязи в режимах радиотелефонной связи и передачи данных должно обеспечить на основе единой технологии решение задач автоматизации управления движением поездов и повышения на этой основе безопасности движения, информационного обеспечения всех работников ОАО «РЖД» и других ведомств, связанных с перевозочным процессом. Виды и услуги технологической радиосвязи ОАО «РЖД» приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Виды и услуги технологической радиосвязи ОАО «РЖД»

Системы радиосвязи построены в основном на аналоговом малоканальном оборудовании, работающем в гектометровом и метровом диапазонах по принципу «одна частота — один канал». Задачи управления перевозками и обеспечения безопасности движения решаются в основном за счет высокой избыточности радиосредств и громоздкой системы эксплуатации.

Сложившаяся исторически структура построения радиосвязи имеют известные недостатки, а именно:

— наличие «группового» радиоканала (режим полупостоянного соединения), принципа «говорит один — остальные слушают», избыточность регламентируемых переговоров на крупных железнодорожных узлах и грузонапряженных участках привели к информационной перегрузке не только каналов радиосвязи, но и персонала.

— отсутствие избирательного вызова и возможности автоматической идентификации вызывающего или говорящего абонента;

— низкое качество связи и высокие затраты на содержание оборудования гектометрового диапазона;

— сложность внедрения на существующих средствах систем удаленного мониторинга и администрирования и, как следствие, низкая надежность систем радиосвязи;

— отсутствие каналов передачи данных, отвечающих требованиям систем обеспечения безопасности, управления перевозочным процессом, содержания объектов инфраструктуры и подвижного состава.

Усугубляет положение большой физический и моральный износ оборудования радиосвязи, слабое развитие антенно-мачтового хозяйства для перехода с 2 МГц на более высокочастотные диапазоны, отсутствие у ОАО «РЖД» радиочастотных ресурсов для развития цифровых систем радиосвязи общепринятых железнодорожных стандартов и, как следствие, невозможность интеграции российских систем железнодорожной связи и автоматики с системами других государств.

Рост объема перевозок вызывает потребность в увеличении пропускной способности участков железных дорог. Наиболее экономичным путем решения данной задачи является сокращение межпоездных интервалов, увеличение веса и длины поезда, сокращение времени на обработку поездов, грузовые операции без дополнительного путевого развития. Однако его реализация возможна только при условии внедрения новых систем обеспечения безопасности движения и информационных технологий. Это требует, в первую очередь, создания надежной, с достаточной пропускной способностью, безопасной подвижной телекоммуникационной среды для связи объектов инфраструктуры с подвижным составом и подвижного состава между собой.

Использование радиочастотных диапазонов, выделенных на вторичной основе, накладывает существенные ограничения на системы управления и безопасности, в первую очередь, из-за отсутствия их защиты от блокирования другими радиоэлектронными средствами и промышленными радиопомехами.

Все перечисленное свидетельствует о том, что отсутствие цифровой сети радиосвязи ограничивает развитие современных технологий организации эксплуатации железных дорог, систем автоматического управления движением и безопасности и, как следствие, сдерживает увеличение пропускной способности железных дорог.

Именно поэтому нужна цифровая сеть радиосвязи, отвечающая всем современным требованиям.

Департамент связи и вычислительной техники для реализации этой сети считает необходимым рассмотреть принятие в качестве основной системы технологической радиосвязи для планируемых участков скоростного и высокоскоростного движения, основных транспортных магистралей системы цифровой радиосвязи стандарта GSM-R. На остальных участках железных дорог осуществлять поэтапный переход с аналоговых систем гектометрового диапазона на цифровые системы радиосвязи АРСО-25 (или аналогичные) метрового (160 МГц) радиочастотного диапазона.

В программах ОАО «РЖД» планируется развить инфраструктуру радиосвязи, в первую очередь, антенно-мачтовых сооружений.

Осуществить корректировку частотно-территориального плана, предусмотрев в нем полосы частот для систем поездной, станционной, ремонтно-оперативной связи и информационно-управляющих систем. На его основании перенастроить технические средства радиосвязи железных дорог.

Привлечь предприятия-изготовители к разработке универсальных многодиапазонных (трех — и более) локомотивных радиостанций технологической радиосвязи для работы в диапазонах 2, 160 МГц (цифроаналоговая), 330 МГц (дуплексная), 460 МГц (TETRA), 900 МГц (GSM-R).

Так же возможно построение сетей технологической радиосвязи на базе «публичных» сетей подвижной связи стандарта GSM. Для этого должны быть пересмотрены технические требования к цифровой системе радиосвязи ОАО «РЖД». Совместно с коммерческими операторами стандарта GSM следует разработать технические решения по организации технологической радиосвязи с использованием инфраструктуры «публичных» сетей.

Для внедрения системы мониторинга и администрирования локомотивных и стационарных радиостанций, систем мониторинга подвижного состава, автоматизированных систем управления сортировочными станциями целесообразно на первом этапе обеспечить реализацию систем широкополосного беспроводного доступа (ШБД) (WiMax, MESH и др.) на станциях, ориентируясь на требования международного стандарта IEEE 802.16е или более высоких версий. Внедрение систем следует производить по зоновому принципу.

Предстоит разработать технические решения для организации поездной диспетчерской связи, каналов передачи данных (в том числе для информационно-управляющих систем) с помощью систем спутниковой и радиорелейной связи на малодеятельных линиях.

Для организации «последней мили» к информационным системам и снижения инвестиционной нагрузки следует использовать широкополосные системы беспроводного доступа, радиорелейную и подвижную радиосвязь, в том числе сторонних операторов.

2. Система управления технологической сетью связи

Система управления технологической сетью связи ОАО «РЖД» представляет собой иерархическую систему, в которой предусматривается распределение функций оперативного мониторинга и управления между уровнями системы, а также подчиненность нижестоящих уровней управления вышестоящим уровням.

Система управления сетью связи ОАО «РЖД» (рисунок 2.1) имеет в своем составе следующие уровни:

— корпоративный уровень (уровень сетевого управления) — Основной центр управления сетями связи, организованный на базе Центральной Станции Связи ОАО «РЖД» (г. Москва) и Резервного центра управления сетями связи (г. Хабаровск);

— региональный уровень (уровень управления сегментом сети) — Центры технического управления (ЦТУ) сетями связи, организованные на основе Дирекций связи 17-ти Железных Дорог;

— зоновый уровень (уровень управления участком сети).

Рисунок 2.1 — Организационная структура системы управления сетью связи

Корпоративный уровень управления имеет в своем составе центр управления технологической сетью связи (ЦУ ТСС) ОАО «РЖД» (основной и резервный) и осуществляет управление сетями связи ОАО «РЖД» на сетевом уровне (управление в масштабах сети связи ОАО «РЖД»). Основной ЦУ ТСС является структурным подразделением ЦСС — филиала ОАО «РЖД» .

Региональный уровень управления на каждой из железных дорог имеет в своем составе основной и резервный центр технического управления сетью связи железных дорог (ЦТУ) службы связи и вычислительной техники железной дороги (с 1.07.2006г. — дорожной дирекции связи) и осуществляет управление сетью связи ОАО «РЖД» на региональном уровне (управление сегментом сети связи ОАО «РЖД» в масштабах железной дороги — филиала ОАО «РЖД»).

Зоновый уровень управления имеет в своем составе центры технического обслуживания (ЦТО), осуществляющие обслуживание участков сети связи ОАО «РЖД» в зоне своей ответственности.

Система управления сетью связи технологического сегмента создается прежде всего как дорожная модель управления, где нижний уровень — системы управления сетями связи различного назначения последовательно обобщая текущую информацию о состоянии ресурсов сети связи предоставляют верхнему уровню — единой системе мониторинга и администрирования (ЕСМА) картину функционирования сети электросвязи технологического сегмента с обеспечением возможности управления сетью от оператора Центра управления дороги.

Внедрение «ЕСМА» направлено на достижение следующих целей:

— сбор и анализ информации о функционировании сети связи и оборудования сети связи (по информации поступающей из систем управления);

— повышение эффективности использования ресурсов сети связи;

— улучшение управляемости сети связи за счет организации оперативного доступа к информации при принятии решений сотрудниками;

— повышение степени координации работ между подразделениями на этапах сопровождения и планирования сети связи за счет использования единой информационной базы;

— внедрение на сетевом и дорожном уровне технологий управления процессами эксплуатационной деятельности.

С учетом масштабности технологической сети связи ОАО «РЖД» в целом, наличия в сети разнородного телекоммуникационного оборудования многочисленных производителей, использующих различные технологии, стандарты и сервисы управления, целесообразно использовать многоуровневую систему управления.

Данная система управления базируется на применении:

— современных моделей комплексного управления сетью связи, с точки зрения предоставляемых сервисов (рисунок 2.2);

— автоматизированных средств управления, обладающих необходимой функциональностью для реализации соответствующих моделей.

Рисунок 2.2 — Уровни управления системы мониторинга и администрирования (на примере первичной сети)

Таким образом, система мониторинга включается в единую систему управления технологической связью как звено контроля элементов первичной сети связи. Разрабатываемая в данном дипломном проекте система мониторинга (рисунок 2.3) призвана осуществлять мониторинг поездной радиосвязи — радиомониторинг.

Рисунок 2.3 — Система мониторинга и администрирования технологической радиосвязи

С научной точки зрения радиомониторинг (РМ) является одним из видов извлечения информации на основе анализа сигналов источников радиоизлучений. РМ отличается от таких видов извлечения информации, как радиотехническая разведка (пассивная радиолокация), радиоразведка (радиоконтроль) по таким признакам, как:

— назначение и размещение исследуемых источников радиоизлучений;

— количество одновременно обслуживаемых источников радио-излучения;

— пространственные, временные, частотные и статистические характеристики исследуемых радиоизлучений;

— номенклатура оцениваемых параметров сигналов;

— ограничения на весо-габаритные характеристики аппаратуры и ее энергопотребления;

— используемые критерии эффективности. [3]

Информация, получаемая в результате радиомониторинга, накапливается в единой базе данных.

В настоящее время на железнодорожном транспорте ремонтом радиоэлектронных средств занимаются контрольно-ремонтные пункты. Но эффективность их деятельности недостаточно высока. Это связано с отсутствием централизованной координации действий и четкой информации о состояниях РЭС.

Введение

системы мониторинга поездной радиосвязи повысит эффективность обслуживания радиостанций, упростит контроль параметров и тем самым значительно обезопасит применение поездной радиосвязи.

Сбор информации о технических параметрах позволит проводить аналитические расчеты, прогнозировать дальнейшие изменения характеристик радиостанций, своевременно обнаруживать предотказные состояния и заблаговременно отправлять радиостанции на ремонт.

Наличие единой базы данных позволит эффектно распределять радиочастотные ресурсы, выделяемые государственными службами радионадзора, а также своевременно производить регистрацию вновь вводимых радиостанций и перерегистрацию уже используемых на производстве.

3. Обзор и анализ технических средств радиомониторинга

3.1 Организация мониторинга

Активное развитие служб радиосвязи, радиовещания, телевидения, систем беспроводной передачи данных, радиолокации и навигации требует совершенствования методов управления радиочастотным ресурсом. Радиочастотный ресурс является ограниченным природным ресурсом и его рациональное использование имеет такое же значение для страны, как и другие ресурсы, например земельный или водный. Управление радиочастотным ресурсом должно стимулировать эффективное использование систем радиосвязи, беспроводных систем коммуникаций, внедрение новейших радиоэлектронных технологий, развивать экономику и содействовать обеспечению обороны страны и правопорядка, охране жизни и здоровья граждан. Достижение перечисленных целей невозможно без наличия стройной государственной системы управления, функции которой заключаются в планировании, регламентировании и лицензировании использования радиочастотного ресурса и радиоэлектронного оборудования, стандартизации и международного сотрудничества, проведении исследований в области методов использования и управления спектром. К важнейшим функциям системы управления радиочастотным ресурсом относится радиомониторинг.

Методы радиомониторинга непрерывно совершенствуются вслед за развитием его объектов, к которым относится совокупная электромагнитная обстановка, включая загруженность радиодиапазонов и номиналов радиочастот, действующие радиоэлектронные средства, высокочастотные промышленные, медицинские и научные установки, источники индустриальных и естественных помех. Радиомониторинг это фактически «глаза и уши» процесса управления, он необходим, поскольку в реальной жизни даже санкционированное применение радиоэлектронных средств не всегда гарантирует достижение запланированных результатов ввиду сложностей учета всех особенностей радиоэлектронного оборудования и возможных взаимных влияний.

Управление радиочастотным ресурсом и радиомониторинг должны быть тесно связаны между собой, поскольку:

— отсутствие избирательного вызова и возможности автоматической идентификации вызывающего или говорящего абонента;

— управление устанавливает официальный список присвоенных частот для контроля излучений;

— управление дает сведения относительно полос частот, подлежащих мониторингу, и задач по контролю;

— радиомониторинг принимает от системы управления заявки на выполнение конкретных задач, например поиска и идентификации радиопомех;

— в результате мониторинга проверяется занятость частот, подлежащих присвоению;

— в ходе мониторинга измеряются параметры, проверяется техническое соответствие передатчиков установленным нормам, обнаруживаются и локализуются нелицензированные передатчики или передатчики, параметры которых не соответствуют нормам.

3.2 Системы мониторинга

Справиться с возрастающим потоком все более сложных задач без увеличения численности работающего персонала можно только путем использования современных технологий автоматизации управления. В настоящее время наиболее эффективные системы радиомониторинга представляют собой иерархию национальных, федеральных, региональных, фиксированных, удаленных и подвижных станций радиомониторинга, объединенных в единую компьютерную сеть, работа которой происходит в реальном времени, с применением сложного программного обеспечения, использующего технологию клиент-сервер. Использование автомати-зированных систем повышает скорость и точность выполнения измерительных задач, освобождает операторов от выполнения рутинных работ, повышает производительность труда. Кроме того, улучшается коэффициент использования измерительного оборудования благодаря возможности постановки и решения многих задач в автоматическом фоновом режиме, например задач по контролю загрузки радиодиапазона, поиску радиопередатчиков, работающих без лицензии, проверке параметров зарегистрированных средств. В автоматизированной системе для осуществления радиомониторинга могут использоваться три типа станций:

— стационарные (фиксированные);

— подвижные (мобильные);

— портативные (носимые).

Стационарные станции радиомониторинга являются центральным элементом системы, как правило, они предназначены для работы в крупных населенных пунктах или городах. В своей рабочей зоне стационарные станции позволяют проводить все измерения без ограничений на площадь под рабочие места, неподходящие условия для установки антенн или ограниченное электропитание. Обычно в пределах одного крупного населенного пункта разворачивается несколько стационарных станций. При этом одна из них назначается центральной и работает под управлением операторов, а другие станции являются дистанционно управляемыми и не требуют постоянного присутствия операторов.

Главный недостаток стационарных станций — это сам факт, что их местоположение строго определено, фиксировано, а по финансовым причинам обычно эти станции нельзя установить в достаточном количестве. Поэтому стационарные станции дополняют подвижными станциями, которые в зависимости от назначения могут оборудоваться измерительными приемниками или радиопеленгаторами. Подвижные станции контроля предназначены для проведения операций по контролю, где малая мощность передатчиков, высокая направленность передающих антенн, удаленность источника радиоизлучения делают невозможным проведение измерений стационарными станциями.

К тому же в состав системы могут входить портативные средства, которые используются на стационарных или временных постах, оборудованных или не оборудованных электропитанием, а также на открытой местности. Небольшие масса и габариты портативных станций позволяют доставлять их вручную в места, недоступные для автомобилей, например во внутренние помещения или на крышу зданий. Такие станции необходимы для определения точного местоположения источника помехи или для проверки на месте жалобы на помехи от радиооборудования. Одна из возможных структур автоматизированной системы представлена на рисунке 3.1 Обмен данными между стационарными постами системы осуществляется по высокоскоростным радиоканалам, проводным или оптоволоконным линиям. Для обмена данными с мобильными станциями применяются низкоскоростные системы радиосвязи. Представленная на рисунке 3.1 система может входить составной частью в более сложную иерархическую систему, охватывающую несколько городов, федеральный округ или страну в целом. Очевидно, что в любом случае структура управления в автоматизированной системе должна соответствовать организации управления в административной службе, в интересах которой она функционирует.

Рисунок 3.1 — Структура автоматизированной системы радиомониторинга

В Российской Федерации в соответствии с основными положениями Федерального закона «О связи» радиоконтроль за радиоэлектронными средствами гражданского назначения осуществляется радиочастотной службой. Во всех федеральных округах РФ организованы и действуют радиочастотные центры (РЧЦ) федеральных округов. Деятельность радиочастотных центров направлена на обеспечение надлежащего использования радиочастот, радиоэлектронных средств (РЭС) и высокочастотных установок (ВЧУ) промышленного или медицинского назначения. Радиочастотные центры обеспечивают рациональное частотно-территориальное планирование, производство и учет радиочастотных присвоений, РЭС, ВЧУ и пользователей радиочастот, решают задачи радиоконтроля согласно зонам территориальной ответственности действующих в их составе подразделений радиоконтроля. Радиочастотные центры федеральных округов имеют филиалы, расположенные, как правило, в крупных городах — центрах субъектов РФ. В состав филиалов РЧЦ помимо административных структур входят станции радиомониторинга (радиоконтрольные пункты), оснащенные оборудованием для проведения радиоизмерений. Таким образом, инфраструктура радиочастотной службы построена по иерархическому принципу, как показано на рисунке 3.2 На верхнем уровне находится федеральный РЧЦ, ниже филиалы РЧЦ в регионах, а еще ниже — отдельные станции радиомониторинга.

Рисунок 3.2 — Структурная схема организации РЧЦ федерального округа

Для обеспечения централизованного управления автоматизированная система также должна подчиняться иерархическому принципу, при котором каждый нижний уровень системы работает под управлением узла вышестоящего уровня. Система должна быть масштабируемой, способной работать при появлении новых узлов или уровней. Программное обеспечение узла — сервер радиоконтроля (РК), расположенный на более высоком уровне, должен иметь возможность получения информации, хранящейся на подконтрольных серверах РК, а также оперативный доступ к их аппаратуре радиоконтроля (при наличии канала связи с достаточной пропускной способностью). При этом для обеспечения быстрого реагирования на местные условия должна сохраняться возможность выполнения задач радиоконтроля, инициированных на нижних уровнях иерархии, с возможностью контроля результатов их выполнения на верхнем уровне.

Структура управления в автоматизированной системе представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 — Структурная схема автоматизированной системы мониторинга

Возможны три варианта управления в системе — по первому варианту вышестоящий сервер РК управляет только подчиненными серверами, по второму варианту сервер РК управляет только подключенной к нему измерительной аппаратурой, наконец, по третьему варианту сервер радиоконтроля должен управлять подчинёнными серверами и подключенной к нему аппаратурой, Например, сервер РК, территориально размещенный в центральном здании филиала РЧЦ, управляет серверами PK, расположенными на стационарных станциях радиомониторинга. В свою очередь, сервер РК стационарной станции управляет измерительной аппаратурой, находящейся на станции. Кроме того, стационарной станции могут быть приданы мобильные или носимые средства радиомониторинга. В этом случае сервер РК стационарной станции помимо подключенной к нему измерительной аппаратуры управляет сервером РК мобильной или носимой станции.

Основные функции сервера РК:

— выполнять задачи радиоконтроля в ручном (интерактивном), автоматическом (программном) и фоновом режимах;

— предоставлять пользовательский интерфейс для постановок задач радиоконтроля, контроля процесса их выполнения, отображения результатов, формирования отчетов по результатам работы;

— осуществлять постановку типовых задач РК на дистанционно управляемых постах радиоконтроля в рамках иерархической системы;

— управлять измерительным оборудованием на стационарных, мобильных и портативных станциях радиоконтроля.

Чтобы повысить унификацию программного обеспечения, упростить развертывание, сопровождение и обслуживание автоматизированной системы, целесообразно применять на всех ее узлах однотипные унифицированные серверы РК. В состав каждого сервера РК должна входить типовая база данных радиоконтроля (БД РК), которая является универсальным средством хранения данных в системе радиомониторинга. Структура типовой БД РК едина для всех серверов, но ее наполнение зависит от уровня иерархии, на котором находится сервер. База данных обеспечивает передачу результатов вверх по иерархической лестнице от удаленных серверов на верхние уровни системы, содержит информацию о территориально частотном плане для данного района, необходимую для выполнения задач радиомониторинга. Наличие БД РК позволяет серверу РК выполнять задачи радиоконтроля, поставленные сервером РК более высокого уровня, даже в тех случаях, когда между ними нет постоянно действующей линии электронного обмена данными.

Помимо БД РК в составе сервера РК имеются программные подсистемы (блоки), основными из которых являются:

— администрирования;

— оперативной работы;

— типовых задач радиоконтроля;

— формирования отчетов;

— картографии и навигации;

— сбора данных.

Структурная схема сервера РК представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — Структурная схема сервера РК

Блок администрирования обеспечивает редактирование полей, таблиц и справочников БД РК. задание сценария работы сервера РК, определяемого уровнем его иерархии, доступной аппаратурой и соединениями с другими серверами.

Блок оперативной работы предоставляет оператору доступ к выбранной измерительной аппаратуре, подключенной к данному серверу РК или другим серверам, обеспечивает выполнение измерений и визуализирует их результаты в реальном времени, сохраняет задания и результаты измерений в базе данных.

Блок типовых задач радиоконтроля обеспечивает формирование заданий на типовые задачи радиоконтроля и планирование их выполнения; отправку заданий на подчиненные серверы РК и измерительную аппаратуру; контроль выполнения заданий; поддержку многозадачной работы по приоритетам, включая фоновый режим; отображение и редактирование результатов; обмен информацией с базой данных.

Блок формирования отчетов предоставляет интерактивный интерфейс формирования отчетов и осуществляет формирование типовых отчетов по результатам выполнения задач в формате MS-Word, при этом имеется возможность настройки форм отчетов.

Блок картографии и навигации обеспечивает визуализацию на карте результатов решения типовых задач радиоконтроля: обнаруженных источников радиоизлучения, распределения напряженности поля и т. д., отображает местоположения станций радиомониторинга и источников радиоизлучения в реальном времени.

Блок сбора данных предназначен для контроля и анализа результатов выполнения задач радиомониторинга на серверах РК нижних уровней для случаев, когда они инициировались непосредственно на этих уровнях.

Количество блоков, входящих в состав сервера, может меняться, модульное построение программного обеспечения допускает добавление новых модулей с новыми функциональными свойствами.

3.3 Интеграция разнотипного измерительного оборудования

Проблемой, препятствующей созданию масштабной территориально-распределенной автоматизированной системы радиоконтроля, является использование радиочастотной службой радиоизмерительного оборудования разных производителей, которое не только различается по своим техническим и метрологическим характеристикам, но и имеет различные протоколы управления. Программное обеспечение, поставляемое производителем аппаратуры, как правило, позволяет решать задачи радиоконтроля применительно только к «своему» виду оборудования. В то же время в радиочастотных службах на данный момент имеется парк вполне работоспособных приборов, приобретенных у различных производителей и, следовательно, необходима интеграция разнотипных средств измерений в структуре автоматизированной системы. Кроме того, подобная интеграция дает возможность использования сильных сторон той или иной аппаратуры, снижает опасность монополизма конкретного производителя.

Возможный вариант построения системы с разнотипным оборудованием основан на обмене данными между модулем программного обеспечения — драйвером аппаратуры и остальной системой через БД РК. Задачи на измерения поступают в БД РК, драйвер аппаратуры должен сканировать БД РК в ожидании поступления новых задач. Результаты выполнения поставленных задач также сохраняются в БД РК. Таким образом, модуль драйвера аппаратуры работает непосредственно с БД РК, при появлении новой задачи он выполняет необходимые для ее решения действия с аппаратурой, результаты своей работы драйвер также заносит в БД РК.

К сожалению, у предложенного варианта имеется несколько существенных недостатков:

— каждый производитель драйвера аппаратуры обязан знать структуру БД РК. В базе данных должны иметься записи, предназначенные для обработки и хранения данных, полученных от определенной аппаратуры. Использование аппаратуры новых производителей вызовет появление дополнительных промежуточных таблиц, структура БД будет усложняться;

— при любом изменении структуры БД, например при появлении новых типовых задач радиомониторинга, потребуется обращение к производителю драйвера аппаратуры для внесения изменений в код драйвера, что может быть не всегда возможным;

— предоставление информации о структуре БД сторонним организациям не всегда желательно;

— обмен данными с аппаратурой производится через БД, что неизбежно снижает производительность системы, и реализовать такие возможности, как наблюдение спектра сигнала в реальном времени, становится вовсе проблематичным.

Более перспективный подход основан на разделении процессов работы с аппаратурой и с БД РК. Работой аппаратуры по-прежнему непосредственно управляет драйвер аппаратуры, но работу с БД осуществляет другое программное обеспечение — модуль транслятора задач. При этом, учитывая территориально распределенный характер системы, транслятор задач передает запросы в драйвер аппаратуры и получает результаты измерения по сетевому протоколу.

В этом случае производитель драйвера аппаратуры обязан обеспечить работу своего модуля по данному протоколу, который не привязан непосредственно к структуре БД, а зависит только от измерительных задач. По сути, драйвер аппаратуры в этом случае только лишь исполняет роль конвертора команд, переводящего запросы транслятора задач во внутренние команды обмена с аппаратурой по протоколу производителя.

Структура управления аппаратурой представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — Структура управления аппаратурой

При такой организации системы модуль транслятора задач может обращаться к разным модулям драйверов аппаратуры, используя один и тот же унифицированный протокол. В этом случае при изменении структуры БД РК или при появлении новых типовых задач необходимо будет внести изменения только в модуль транслятора задач, изменить комбинацию запросов к модулю драйвера аппаратуры, необходимую для решения задачи. Изменения в сам драйвер аппаратуры при этом не вносятся, необходимости обращения к производителю драйвера аппаратуры не возникает.

Модуль транслятора задач осуществляет сканирование БД РК в ожидании появления новых задач. Транслятор задач РК осуществляет постоянный мониторинг БД РК. При появлении новой задачи радиоконтроля транслятор считывает ее параметры из БД РК и формирует последовательность команд унифицированного протокола, соответствующую поступившей задаче. При получении результатов измерений от драйвера аппаратуры транслятор задач записывает значения измеренных параметров БД РК.

При необходимости работы с быстродействующей аппаратурой в реальном времени (например, при контроле особенностей спектра сигнала) модуль транслятора задач предоставляет возможность блоку оперативной работы отправлять запросы в драйвер аппаратуры и получать от него ответы. При этом БД РК не используется, а управление производится по унифицированному протоколу (рисунок 3.5).

В задачи сервера РК входит предоставление оператору пользовательского интерфейса для постановки типовых задач радиоконтроля, запись этих задач в БД РК, обработка результатов проведенных измерений для их решения. На этом уровне производятся: расчет всех статистических величин, расчет загруженности радиочастот, идентификация ИРИ по параметрам излучаемых ими сигналов и т. п. Взаимодействие сервера РК с другими узлами сводится к синхронизации БД РК на данном пункте РК и на других узлах. Синхронизация производится с помощью программного обеспечения сервера РК. Кроме того, для непосредственного управления радиоизмерительной аппаратурой ПО сервера РК предоставляет другим узлам канал прямого управления радиоизмерительной аппаратурой по унифицированному протоколу через транслятор задач.

Такой подход обеспечивает возможность однотипного управления аппаратурой различных производителей, упрощает построение и сопровождение автоматизированной системы.

3.4 Унифицированный протокол управления аппаратурой

Для того чтобы разработать унифицированный протокол управления радиоизмерительной аппаратурой, необходимо выделить типовые измерительные задачи, которые должна выполнять аппаратура. При этом следует стремиться, чтобы эти задачи были как можно более простыми, тогда задача разработчика программного обеспечения драйвера аппаратуры также упростится.

Основными задачами измерений на станциях радиомониторинга являются следующие:

— измерение напряженности поля или плотности потока мощности;

— измерение частоты;

— измерение ширины полосы;

— определение вида и измерение параметров модуляции сигналов;

— измерение занятости спектра (оценка загруженности канала);

— радиопеленгация.

К результатам радиотехнических измерений, как правило, прилагаются дополнительные данные, например географические координаты места проведения измерений, время и дата проведения измерений, высота подвеса измерительной антенны, азимут главного лепестка диаграммы направленности в случае использования направленной антенны и т. д.

Измерение напряженности поля проводится с использованием измерительных калиброванных антенн, в случае отсутствия калиброванных антенн измеряется уровень сигнала на входе приемника. Методика измерений напряженности поля сигнала и его гармоник одинакова. Поэтому операции измерения параметров поля на частоте несущей или на гармониках можно свести к одной типовой измерительной задаче — измерению напряженности поля в заданной полосе на заданной частоте и заданным методом. Измерение ширины полосы данного излучения сводится к опять же одной измерительной задаче — измерению ширины полосы заданным методом, например методом ХдБ.

Задачи измерения параметров модуляции сигнала: измерение глубины модуляции, девиации фазы и частоты — сводятся к более общей задаче определения вида модуляции и измерения её параметров.

Для решения задачи занятости спектра необходимо получение спектрограмм сигналов в заданном диапазоне или измерение уровней сигналов на заданных частотах и в заданной полосе. При этом спектрограммы сигнала могут соответствовать полосе обработки сигнала при данной частоте настройки радиоприемной аппаратуры или «сшиваться» из кусков при последовательной перестройке приемника.

Задача радиопеленгования может выполняться как для одного выбранного сигнала, так и для сигналов в заданной полосе частот. При этом вместе с пеленгами возможно определение других необходимых параметров сигналов, например частоты, вида модуляции и т. д.

К тому же к основным задачам измерений следует добавить измерение поляризации сигналов, поскольку поляризация относится к параметрам, которые регламентируются в территориально частотном плане. Таким образом, на основе основных задач измерений можно сформировать список первичных измерительных задач:

— измерение напряженности поля сигнала (напряженности поля гармоник и субгармоник);

— измерение уровня сигнала (уровней гармоник и субгармоник);

— измерение частоты излучения;

— определение вида и параметров модуляции сигнала;

— измерение пеленга;

— измерение ширины полосы излучения;

— получение спектрограммы сигнала;

— получение временной выборки сигнала (модулированного или на промежуточной частоте);

— измерение поляризации сигнала.

Как указывалось выше, главной задачей протокола является передача команд управления от транслятора, который преобразует типовые задачи радиоконтроля в более простые первичные измерительные задачи для драйвера аппаратуры. Управление драйвером аппаратуры осуществляется путем типовых запросов (команд), которые являются формализацией типовых измерительных задач. Протокол также должен обеспечивать передачу результатов измерений и служебной информации.

При выполнении последнего требования, к сожалению, не все оборудование будет работать с максимально возможным быстродействием. Поэтому протокол должен быть расширяемым, то есть в нем должна иметься возможность добавления дополнительных команд, без изменения уже имеющихся операций и обрабатывающих их программных модулей. То есть если имеется настоятельная необходимость использования каких-либо полезных свойств быстродействующей аппаратуры, то в протокол могут быть добавлена дополнительные команды. При этом оптимизация работы конкретного оборудования должна производиться драйвером аппаратуры.

Для организации сетевого взаимодействия компонентов распределенной системы радиоконтроля требуется определение способа обмена данными между модулями распределенной системы. В настоящее время наиболее удобным является сетевой протокол передачи данных TCP/IP, поскольку он наиболее распространен и позволяет обмениваться данными в территориально распределенных системах. Протокол TCP/IP является стандартным протоколом в операционных системах Widows, Unix, Linux и т. п.

Поскольку протокол предназначен для управления как стационарными, так и мобильными средствами радиоконтроля, то пропускная способность каналов связи может сильно различаться. Поэтому для увеличения эффективности обмена данными протокол должен иметь по возможности минимальную длину команд.

Следующее важное требование — протокол должен обеспечивать работу аппаратуры в реальном времени, иметь механизмы контроля процессов выполнения задач драйвером аппаратуры.

Информационная безопасность обмена данными может обеспечиваться средствами защиты сетевого соединения, например протокола SSL, построением частной виртуальной сети или другими подобными способами.

С учетом отмеченного в протоколе целесообразно использовать формат записей, который позволяет варьировать длину команды в зависимости от её содержимого, при этом любая запись должна содержать однозначные сведения о её длине. Указание о длине в зависимости от объема передаваемых в команде данных само может занимать разное количество разрядов.

В зависимости от кода команды байты данных могут содержать как непосредственно данные (к примеру, уровень сигнала), так и вложенные (подчинённые) записи.

Подытоживая сказанное, перечислим основные свойства команд унифицированного протокола:

— все команды протокола имеют одинаковый вид в форме записей;

— в качестве записей могут выступать как физические величины, например частота настройки, ширина полосы, так и действия, например «измерить частоту», «измерить напряженность поля» ;

— каждая запись состоит из заголовка и тела. В заголовке указывается код записи и код длины ее тела;

— записи могут вкладываться друг в друга, то есть каждая запись может содержать другие записи;

— если в данной записи нет записи с необходимым значением, то это значение берется из ближайшей записи верхнего уровня, где оно найдено.

Такие правила для построения записей обеспечивают расширяемость протокола, то есть в протокол можно добавлять новые записи. Если драйвер аппаратуры встречает команду с неизвестной ему записью, то поскольку длина записи указана в заголовке, эта запись игнорируется, происходит переход к следующей записи. Результаты каждого цикла измерений сохраняются в БД РК (при достаточном быстродействии). Помимо специфических для конкретной задачи результатов измерения параметров радиосигналов для каждого цикла сохраняются условия проведения измерений, например:

— географические координаты точки проведения измерений (долгота, широта, градусы, минуты, секунды);

— время проведения измерений (дата, час, минута, секунда, доля секунды);

— азимут угла направленности приемной антенны (градусы);

— высота подвеса приемной антенны (метры).

Для обеспечения централизованного управления автоматизированная система радиомониторинга должна иметь иерархические уровни, каждый нижний уровень системы должен управляться вышестоящим узлом. Система должна быть масштабируемой, способной работать при появлении новых узлов или уровней. Сервер РК, расположенный на более высоком уровне, должен иметь возможность получения информации, хранящейся на подконтрольных серверах РК, а также оперативный прямой доступ к подконтрольной ему аппаратуре. Система должна разрешать выполнение задач радиоконтроля, инициированных на нижних уровнях иерархии, с возможностью контроля результатов их выполнения на верхнем уровне.

В целях обеспечения унификации, упрощения развертывания и сопровождения системы во всех ее узлах следует применять однотипные унифицированные программные пакеты — серверы РК. Серверы РК обеспечивают управление аппаратурой радиоконтроля, подчиненными узлами, получают команды от вышестоящих уровней и отправляют им результаты работы. В состав сервера РК должны входить подсистемы администрирования, оперативной работы, выполнения типовых задач радиоконтроля, формирования отчетов, картографии и навигации, управления измерительной аппаратурой.

Унификация процессов управления разнотипным радиоизмерительным оборудованием в автоматизированной системе достигается с помощью использования унифицированного протокола управления. При этом аппаратурой непосредственно управляет программный драйвер аппаратуры, работу с базой данных осуществляет транслятор задач, который из типовых задач радиоконтроля формирует последовательность типовых измерительных задач и передает запросы аппаратуре по унифицированному протоколу. При такой организации системы модуль транслятора задач может обращаться к модулям драйверов оборудования различных производителей, используя один и тот же протокол. К достоинству предложенного способа построения системы относится то, что при изменении структуры базы данных РК или появлении новых типовых задач радиоконтроля не возникает необходимость в модификации драйвера аппаратуры. Кроме того, соблюдается требование информационной безопасности, поскольку в этом случае не требуется открытой структуры базы данных.