Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности судоходства и природоохранных мероприятий остается одним из основных приоритетов морского и речного флота. По многолетним данным столкновения, посадки на грунт и навалы составили до 70% всех аварий мирового флота. Такие аварии нередко сопровождались гибелью людей, большими потерями из-за повреждения судов и порчи груза, серьезными экологическими последствиями в морских и речных акваториях.
Основу большинства мероприятий, предпринимаемых с целью уменьшения навигационной аварийности, составляет оборудование районов интенсивного судоходства специализированными навигационными средствами. Практика судовождения показывает, что начатый в 40-х годах процесс широкого внедрения радиолокационной и другой навигационной техники, систем управления движением судов оказал заметное влияние на снижение числа аварий навигационного характера (посадка на мель, касание грунта и тому подобное).
Современное мореплавание характеризуется значительным возрастанием интенсивности судоходства, обусловленным увеличением объемов грузоперевозок, ростом мирового флота и повышением доли ходового времени судов в эксплуатационном периоде. Увеличение размеров судов и скоростей их движения привело к тому, что последствия столкновений судов могут привести к значительным человеческим жертвам, экономическим потерям, а также выливаться в серьезные экологические проблемы.
Отсутствие современных систем и средств обеспечения безопасного судовождения на внутренних водных путях влечет за собой создание предпосылок навигационных аварий с чрезвычайными последствиями.
Решение этой проблемы возможно с помощью береговых систем управления движением судов, оборудованных современными средствами вычислительной, радиолокационной и связной техники. Подобные системы установлены и успешно работают на ряде крупных рек Западной Европы и Северной Америки.
В Российской Федерации работа по созданию и эксплуатации современных систем управления движением судов (СУДС) на морских акваториях, внутренних водных путях проводится более 40 лет. Первая СУДС была введена в эксплуатацию в 1960 году на базе отечественной БРЛС «Раскат». Подобные же станции затем были установлены в портах Мурманск, Ильичевск, Мариуполь. В дальнейшем СУДС были созданы в портах Новороссийск, Одесса, Клайпеда, Вентспилс, Архангельск, Владивосток, Керчь, заливе Находка и в ряде других портов.
Эффективность внедрения СУДС показала целесообразность их дальнейшего развития за счет расширения зон применения, создания региональных систем, охватывающих подходы к нескольким портам или целые прибрежные районы.
Радиолокационный контроль над движением судов позволяет оценить плотность движения на фарватерах, подходах к портам и в местах схождения путей с целью избежания конфликтных ситуаций. Одновременно создаются условия для выявления случаев нарушения судами режима плавания и принятия соответствующих мер, проводки судов в условиях ограниченной видимости.
Для повышения точности и информативности процессов управления судоходством в СУДС требуется детальное исследование радиолокационных характеристик судов, особенностей и основных информационных параметров отраженных от них эхо сигналов. Известные теоретические и экспериментальные исследования позволяют получить определенные представления о них, которые, однако, недостаточны для разработки практических методов и формализованных процедур извлечения дополнительной информации из сигналов, отраженных от судов.
Постоянное возрастание интенсивности судоходства, развитие и нарастающее использование малотоннажного флота обуславливает непрерывное возрастание требований к повышению разрешающей способности береговых радиотехнических постов (РТП) СУДС, которые входят в противоречие с возможностями практической реализации крупногабаритных антенных устройств и требованиями обеспечения их эксплуатационной стабильности и надежности. Реальной альтернативой этому является перевод береговых РТП в более коротковолновую часть диапазона длин волн, но этот переход сопровождается значительными конструкторскими и технологическими проблемами, решение которых должно основываться на дополнительных научных исследованиях.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик проектирования функциональных устройств береговых РТП проводки судов.
Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
1. Проанализировать особенности функционирования и требования, предъявляемые к береговым радиотехническим постам СУДС, с учетом определения наиболее эффективных путей их совершенствования, повышения точности и информативности сигналов, отраженных от судов, повышения разрешающей способности береговых РТП.
2. Исследовать радиолокационные характеристики судов и особенности отраженных от них сигналов с целью обеспечения их идентификации и организации проводки судов в условиях ограниченной видимости.
3. Разработать методы повышения точности и информативности радиолокационных сигналов от судов и пути их реализации в СУДС путем использования нетрадиционного диапазона длин волн.
4. Исследовать влияние длительности зондирующего импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием.
5. Разработать методическое и информационно-программное обеспечение для расчета, моделирования и исследования высокочастотных функциональных устройств береговых РТП СУДС.
Методы исследования. Радиолокационные характеристики судов определялись с использованием положений. и методов статистической теории радиолокации. Аналитические модели сигналов, отраженных от надводных объектов, были синтезированы в результате применения статистической теории рассеяния электромагнитной энергии телами сложной формы. Инженерные методики проектирования функциональных устройств береговых РТП основаны на базовых постулатах геометрической теории дифракции электромагнитных волн. Исследования характеристик и информативных параметров функциональных устройств береговых РТП базировались на результатах физического моделирования, выполненных на специально созданном комплексном измерительном стенде.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:
1. Показано, что одним из наиболее эффективных путей совершенствования СУДС является увеличение точности и информативности обработки сигналов, отраженных от судов. Выявлена и использована принципиальная возможность построения СУДС, отличающихся повышенной точностью измерения координат наблюдаемых судов и вырабатывающих параметры их ориентации.
2. Получены необходимые для процессов идентификации и управления в СУДС аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов. Установлено, что импульсы пачки от сосредоточенного объекта (судна) могут различаться между собой не только амплитудой, как у точечных объектов, но и длительностью, временной задержкой, а также формой огибающей. Изучена зависимость амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных надводными объектами от их геометрических характеристик и процесса флуктуаций эффективной поверхности рассеяния наблюдаемого объекта под воздействием ветра и волнения в условиях ограниченной акватории.
3. Сформулированы конкретные рекомендации по применению в береговых РТП высокочастотных устройств с последовательным питанием. 7.
Доказано, что степень подавления приемником спектральных компонент импульса передатчика должна соответствовать требованиям к уровню ближних боковых лепестков диаграммы направленности высокочастотных устройств береговых РТП, что повышает помехоустойчивость при принятии решений в СУДС.
4. Уточнено содержание информационного обеспечения СУДС, включающее оценивание зависимости минимального импульсного объема от несущей частоты передатчика, что позволило повысить в 4 раза угловое разрешение береговых РТП при сохранении длительности зондирующего импульса.
5. Разработаны инженерные методики и информационно-программное обеспечение расчета высокочастотных устройств с последовательным питанием и их элементов, включая управление поляризацией и формирование квазикосекансной диаграммы направленности.
6. Обоснованы конструкторско-технологические рекомендации, позволившие сократить трудовые и финансовые затраты на производство и настройку функциональных устройств береговых радиотехнических постов СУДС.
Основные новые результаты, выносимые на защиту.
• аналитический обзор методов построения и структурирование комплекса технических требований, предъявляемых к автоматизированным системам управления движением судов;
• аналитические модели пространственно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС;
• инженерные методики расчета, программное обеспечение и конструкторско-технологические рекомендации по проектированию функциональных устройств береговых РТП СУДС;
• методики компенсации погрешностей функциональных устройств береговых РТП с использованием специализированного комплексного измерительного стенда;
• результаты практического использования семейства береговых РТП «Балтика» СУДС в портах Мурманск, Владивосток, Кавказ и ГБУ «Волго-Балт»;
Реализация результатов работы.
Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:
• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;
• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;
• ЗАО «Норфес» (Владивосток);
• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);
• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог». Апробация работы. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2004 г.) и Научно-практической конференции «Радиоэлектронные системы. XXI век» (Санкт-Петербург, 2004 г.).
Публикации. По результатам научных исследований автором с 2000 по 2005 г. опубликовано 8 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и включает 145 страниц основного текста, 38 рисунков, 7 таблиц. Библиографический список включает 95 наименований.
4.7. Выводы.
При выполнении конструкторско-технологических разработок, описанных в четвертом разделе диссертации, получены следующие основные результаты:
1. Разработана серия высоконаправленных антенн 8 мм диапазона длин волн, обеспечивающая требования к береговым PJIC, входящим в состав автоматизированных систем управления движением судов.
2. Разработаны инженерные методики расчета антенн и их функциональных элементов, включая формирование квазикосекансной диаграммы направленности.
3. Сформулированы конструктивно-технологические рекомендации, позволяющие реализовать успешное изготовление и настройку высоконаправленных антенн 8 мм диапазона с низким уровнем бокового излучения.
4. Разработан, изготовлен и апробирован специальный комплексный стенд для настройки и измерения характеристик остронаправленных антенн по полю в раскрыве.
5. Разработана инженерная методика и процедура настройки антенных устройств береговых PJIC.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В соответствии с целью работы в диссертации представлены возможности повышения эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик и информационно-программного обеспечения проектирования функциональных устройств береговых РТП миллиметрового диапазона длин волн.
В работе получены следующие основные результаты:
1. Установлено, что эффективность СУДС, требуемая точность определения местонахождения судна при любых навигационных и метеорологических условиях обусловлены разрешающей способностью береговых РТП по дальности и направлению.
2. Синтезированы аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС. Выявлена зависимость структуры эхо-сигналов судов от их геометрических характеристик и ракурса, существенно отличающая эти объекты наблюдения от точечных, свойства которых положены в основу принципов обработки информации в существующих СУДС.
3. 3. Получены аналитические выражения, позволяющие анализировать и моделировать пространственно-временные характеристики излучения береговых РТП. Проведено моделирование влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности, определены зависимости коэффициентов расширения луча, импульса от соотношения длины антенны и длительности импульса, получено выражение для минимально достижимого импульсного объема.
4. Разработаны инженерные методики и программное обеспечение проектирования функциональных устройств береговых РТП, включая формирование квазикосекансной диаграммы направленности.
5. Сформулированы конструктивно-технологические рекомендации, позволяющие реализовать успешное изготовление и настройку остронаправленных высокочастотных устройств 8 мм диапазона с низким УБЛ.
6. Разработан комплексный стенд для настройки и измерения характеристик остронаправленных антенн по полю в раскрыве, разработана инженерная методика и процедура настройки высокочастотных устройств береговых РТП.
Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:
• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;
• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;
• ЗАО «Норфес» (Владивосток);
• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);
• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог».
