Математическое и информационное обеспечение спутниковых систем связи и радионавигации для мониторинга и управления судоходством на внутренних водных путях

Актуальность темы

исследования.

Процедуры мониторинга и управления судоходством на внутренних водных путях России в настоящее время и ближайшей перспективе базируется на синтезе береговой инфраструктуры иерархических информационных триад: корпоративные речные • информационные системы (КРИС), речные информационные службы (РИС) — автоматизированные системы управления движения судов (АСУДС). Доминирующую роль в этой триаде при непосредственном управлении играют речные автоматизированные системы Управления. Суда оснащены современным навигационным оборудованием и средствами связи, соответствующим международным требованиям и позволяющим работать с минимальным составом экипажа. При этом подразумевается, что и береговая инфраструктура управления судоходством соответствует международным требованиям и обеспечивает международные стандарты безопасности.

В настоящее время для средств спутниковой связи широко используется технология CDMA множественного доступа с кодовым разделением каналов. Однако, требование к точности местоопределения судов в условиях внутренних водных путей гораздо выше и требуется дальнейшее развитие технологии CDMA в рамках спутниковой системы связи и радионавигации Globalstar применительно к судоходству для передачи дифференциальных поправок. Для регионов, входящих в Единую Глубоководную Систему РФ (ЕГС РФ), в особенности для протяженных рек Сибири и Дальнего Востока и малонаселенных районов европейской части России, целесообразней с точки зрения технико-экономических затрат и безопасности судоходства внедрить оборудование спутниковой системы радионавигации и связи (ССРНС) «Globalstar». Это подтверждается постановлением Федерального агентства морского и речного транспорта Министерства транспорта РФ распоряжением от 7 июля 2006 г. «О развитии технологических сетей связи на.

ВВП" №АД~103р. Следовательно, возникает задача исследования возможности сигналов CDMA Российского сегмента Globalstar в связи с его перспективой развития-. Одним из разумных инструментов дляисследования здесь представляется теория марковских процессов, которая^ позволяет конструктивно вскрыть глубинные возможности сигналов CDMA1 для целей связи и радионавигации на внутренних водных путях, преодолевая-трудности с исследованием корреляционных функций:

Методы марковской-' теории оптимального оцениванияслучайных процессов позволяют выполнить количественнуюоценку потенциальных характеристик точности и помехоустойчивости синтезированных алгоритмов. Кроме того, на такой основе удается определить предельно допустимую (для данного класса сигналов) точность измерения1 навигационных параметров при’различных соотношениях сигнал/шум и потерь-информации в условиях-, замираний на входе приемного устройства интегрированного навигационного терминала «Globalstar».

Требуется всесторонний подход к поиску эффективных энергетических характеристик сложных фазокодированных сигналов в. виде спектральных плотностейсокращением времени поиска, сигнала в условиях случайного окружения и оценка потерь информации в условиях мультипликативных помех, в частности, при наличии оконпропусков сигнала.

Анализ мировой и отечественной литературы показывает, что в этом направлении особенно при исследовании шумоподобных сигналов, квазислучайных последовательностей, расширяющих кодов, которые составляют основу технологий CDMA, проблем, требующих своего разрешения, еще довольно много.

Цели и задачи диссертационнойработы.

Целью работы является: новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности информационного функционирования АСУДС для мониторинга и управления движения судов на ВВП Европейской части России, Сибири и Дальнего Востока с использованием ССРНС «Globalstar», на основе использования марковских процессов для более рациональногоинформационного, алгоритмического обеспечения системуправлениям движением судов: • •.

В соответствии с указанной целью в работе' сформулированы, обоснованы и поставлены следующие задачи:.. '.

1., Теоретическое обоснование моделиструктуры информационных потоков.: спутниковойсистемы. CDMA «Globalstar"' в интересах более рационального мониторингаш управления движением судов навнутренних' водных путях (ВВП);

2. Синтез алгоритмов для расчета спектральной: плотности дискретных и непрерывных сложных сигналов CDMA на основе цепей Маркова, не опирающихся на промежуточное нахождение корреляционной функции;

3. Разработка методики автоматизации поиска сигнала, при случайном окружении- (при наличии мультипликативных помех).

4. Разработка методики оценки потерь информации в условиях замираний сложных фазокодированных сигналовCDMA.

Объектом^ исследования? является информационное, математическое и алгоритмическое обеспечение ССРНС «Globalstar» стандарта CDMA для ВВП Европейской части России, районов Сибири и Дальнего Востока и других малонаселенных территориях.

Предмет исследования. Анализ информационных потоков на основе стационарныхслучайных процессов, применяемых в АСУДС.

Методы исследования. Методологической основой исследований является теория случайных процессов, теория цепей Маркова, теория информации, статистическая теория радионавигации и связи, теория сигналов, аналитические методы исследования систем, теория принятия решений.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование модели структуры информационных потоков спутниковой^ системы CDMA «Globalstar» в интересахболее рационального мониторинга и управления движением судов на внутренних-водных путях (ВВП);

2. Синтез алгоритмов^ на основе марковских цепей для количественного анализа спектральной плотности в разных вариантах информационных потоков, не опирающихся на промежуточное нахождение корреляционной функции;

3. Методика автоматизации поиска фазокодированных сигналов* в технологии CDMA при случайном окружении: посторонними сигналами и помехами.

4. Методика количественной оценки потерь информации в условиях замираний при наличии оконпропусков, кодовых элементов в регистре, позволяющая учитывать селективный характер замираний в информационных каналах CDMA.

Практическая^ ценность работы Научная и практическая ценность работы состоит в том, что сформулированные выводы и предложения могут быть использованы при реализации проектов создания комплексных систем управления движением судов и безопасности судоходства на внутренних водных путях России. Разработанные методы и модели использования ССРНС «Globalstar» могут явиться базой для модернизации существующих и построения новых АСУ ДС на различных участках внутренних водных путей, а также существенно уменьшить риски, связанные с некорректным построением информационных полей управления судоходством.

Сформулированные выводы* и рекомендации могут быть использованы при реализации федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010;2015)» в части, касающейся внутреннего водного транспорта.

Реализация и внедрение результатов Отдельные положения диссертационной работы, реализованы в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, в ООО «GMP Import», ООО НПП «МАРИНЕРУС»: при оценке потерь информациив случае замирании" полезных сигналов в информационных каналах автоматизированных индификационных систем, при* разработке алгоритмов вероятностного поиска синхросигналов для информационных каналов АСУ ДС, при анализе энергетических характеристик сигналов CDMA в приемопередающих индикаторных устройствах.

Апробация работы.

Основные положения и ожидаемые результаты диссертационной работы докладывались:

• на заседаниях кафедры технических средств судовождения и связи;

• на 2-ой Международной конференции «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании», Екатеринбург, 22−24 ноября 2007 г.;

• на Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта РоссииС. Петербург 1−2 октября 2009 г.;

• на межвузовских научно-практических конференциях студентов и аспирантов, С. Петербург 2009,2010 гг;

• на 28-й отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные работы. Вопросы проектирования, конструирования и технологии», СПб, 20−22 мая 2009 г.

Работа является победителем номинации «Лучшая инновационная идея» конкурса инновационных проектов Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, 2010 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 11 научных статей, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Выводы по главе.

1) Полученные нами формулы применимы ко многим таким информационным процессам, в которых решающую роль играет спектральная плотность, важная для анализа конкретных реализаций в передаче информации, но не раскрывающая точного вида исходного сигнала;

2) Математическим моделированием с использованием основополагающих соотношений (3.46) и (3.47) третьей главы, и (4.16) четвертой главы разработан алгоритм спектральной плотности как для дискретных, так и для непрерывных сложных сигналов для различных практических задач в области информационных процессов при прохождении сигнала при случайном окружении;

3) Приведены примеры расчета спектральной плотности для ряда практических задач без учета корреляционной функции;

4) Математическим и имитационным моделированием показана возможность количественной оценки потери информации при пропусках в цифровом сигнале CDMA;

5) Установлена общая закономерность: доля потери информации из стационарного процесса с произвольной корреляцией его звеньев не превышает доли времени с замиранием в отсутствии налагающихся помех.