Анализ и синтез подсистем обмена данными в радионавигационных системах автоматических зависимых наблюдений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Келин, Тимур Георгиевич

• Келин, Тимур Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Келин, Тимур Георгиевич

Список сокращений

Введение

Глава 1. Характеристики радионавигационных систем, использующих методы АЗН

1.1 Структура и основные параметры систем АЗН

1.2 Структура и характеристики информационных сетей систем

1.2.1 Виды и характеристики радиоканалов систем АЗН

1.2.2 Характеристики сетей и протоколов, управления множественным доступом к радиоканалу.

1.3 Выводы

Глава 2. Анализ и синтез цифровых каналов с двойными видами модуляции систем АЗН

2.1 Сравнительный анализ систем с ЧМНФ0.5 и с четырехкратной

ФМ со сдвигом

2.2 Статистическая характеристика смеси сигнала и шума на выходе частотного и амплитудного детекторов

2.3 Синтез асимптотически оптимального различителя сигналов ЧМНФ0.5-ЧМ и ЧМНФо.5-АМ.

2.4 Математическое моделирование системы передачи дискретной информации с двойными видами модуляции

2.5 Выводы

Глава 3. Исследование характеристик информационных сетей множественного доступа систем АЗН

3.1 Протоколы неконтролируемого случайного множественного доступа

3.2 Анализ поведения сети с протоколом ALOHA при наличии захвата

3.3 Анализ поведения сети с протоколом случайного множественного доступа при неоднородном трафике

3.3.1 Протокол «нетактированная ALOHA» с разной длительностью пакетов

3.3.2 Протокол «тактированная ALOHA» с разной вероятностью передачи пакетов

3.4 Протоколы случайного множественного доступа с проверкой состояния канала.

3.5 Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования каналообразующей аппаратуры систем АЗН

4.1 Техническое описание модем-контроллера РМ

4.2 Методика и результаты экспериментального исследования помехоустойчивости системы передачи дискретной информации с двойными видами модуляции

4.3 Результаты трассовых испытаний каналообразующей аппаратуры систем АЗН

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и синтез подсистем обмена данными в радионавигационных системах автоматических зависимых наблюдений»

Быстрый рост количества транспортных средств, увеличение скорости их движения и дальности перевозок, а также широкое развертывание парка средств малой авиации, используемых самыми различными службами (силовыми структурами, пожарной охраной, службами медицинской помощи, ликвидации последствий стихийных бедствий и др.) делает весьма острой проблему контроля их местонахождения и определения параметров движения.

Традиционные средства контроля движения - радиолокация и радиопеленгация - не позволяют в полном объёме решить эти задачи по ряду причин, среди которых главными являются:

• наличие на территории страны обширных регионов, не охваченных федеральными службами радиолокационного и радионавигационного контроля;

• плохая наблюдаемость наземных объектов и легких летательных аппаратов с помощью радиолокаторов, обусловленная их малыми геометрическими размерами, свойствами материалов, используемых в их конструкциях, а также сложностью селекции сигналов, отраженных от маловысотных низкоскоростных объектов, на фоне мешающих отражений от местных предметов и земной поверхности;

• сложность и дороговизна традиционных средств управления движением, делающие нереальным оснащение ими в обозримом будущем всех подвижных объектов (ПО), подлежащих контролю.

С учетом сказанного ясна актуальность поиска нетрадиционных методов решения рассматриваемой проблемы, которые были бы в значительной мере свободны от указанных недостатков. Анализ мировых тенденций развития данной области техники показывает, что одним из наиболее перспективных путей решения проблемы управления движением объектов является использование спутниковых радионавигационных систем (СРНС) «ГЛОНАСС» (Россия) и/или GPS (Global Positioning System - Глобальная система позиционирования)

Navstar» (США). Обе эти системы в настоящее время введены в регулярную эксплуатацию, причем право бесплатного и безлицензионного использования их открытых (коммерческих) сигналов подтверждено соответствующими документами правительств России и США, равно как и право разработки соответствующей приемной аппаратуры [33, 58].

Создаваемое сигналами указанных СРНС глобальное навигационно-временное поле обеспечивает возможность оперативного определения местонахождения и скорости любых объектов независимо от их географических координат, времени года, суток и т.п. Среднеквадратичная ошибка (СКО) прямых координатных измерений по открытому коду «Navstar» составляет 50-100 м [36, 37], по открытому коду «ГЛОНАСС» 10-30 м, скорости - 0,1 м/с [3, 5]. Очевидно, что такие точности обеспечивают решение подавляющего большинства задач навигации и управления движением объектов, однако при необходимости они могут быть повышены примерно на порядок за счет перехода к режиму дифференциальных (относительных) измерений.

Технико-экономические показатели серийно выпускаемой бортовой навигационной аппаратуры потребителей (НАП) СРНС (стоимость порядка 1000 USD, вес не более нескольких сот грамм, энергопотребление на уровне единиц Ватт) позволяют использовать ее для оперативного определения текущих координат, высоты и скорости ПО любых типов и классов. Наличие на борту большинства ПО средств радиосвязи обеспечивает возможность передачи полученной от НАП координатной информации на диспетчерский пункт и другим потребителям, реализуя тем самым технологию автоматических зависимых наблюдений (АЗН) (см. рис. 1). Таким образом, в настоящее время имеются необходимые научно-технические предпосылки для создания принципиально новых комплексов диспетчерского контроля и управления движением.

Система АЗН состоит из двух основных модулей: бортового и диспетчерского.

Абонент системы АЗН штпшж gpllU-^llE

Абонент системы АЗН

Диспетчерский пункт ч Абонент ч \ \системыАЗН

Абонент системы АЗН

Рис. 1 Архитектура системы АЗН.

Бортовой модуль включает в себя НАП СРНС «ГЛОНАСС» и/или «Navstar», которая через встроенный последовательный порт с темпом примерно 1 с выдает текущие координаты объекта, его скорость и отсчет времени, а также, при необходимости, служебную информация о функционировании СРНС и навигационной аппаратуры. В зависимости от объема информации скорость передачи данных составляет от 1,2 до 9,6 кбит/с [36].

Текущая информация через модем-контроллер, поддерживающий соответствующий протокол обмена, поступает в радиоканал для передачи на диспетчерский пункт (ДП) и/или другим абонентам системы.

Одновременно координатно-временная информация может поступать на бортовое устройство отображения для использования экипажем в целях навигации. Устройство и способ отображения информации могут быть различными, выбор их определяется требованиями заказчика и ценой. На эти же устройства могут быть возложены функции управления режимами работы бортового модуля.

Функциональный состав аппаратуры диспетчерского модуля сходен с бортовым. Основное отличие в том, что радиостанция диспетчерского модуля должна обеспечивать связь (параллельную или в режиме разделения времени) со всеми ПО, находящимися в зоне ответственности диспетчерского пункта. Соответствующую пропускную способность должно иметь и устройства отображения и управления. Очевидно, что состав и стоимость этих элементов будет сильно различаться для ДП разных уровней. Навигационная аппаратура в составе диспетчерского модуля необходима для реализации дифференциальных и относительных методов измерения, а также в качестве датчика точного времени.

Системы АЗН могут быть использованы совместно с другими системами местоопределения, диспетчеризации и контроля. Так например, на совещании руководящего состава МО ВВС и ПВО, состоявшимся 30 октября 1998 г., была рассмотрена концепция построения информационной системы контроля воздушного движения над г. Москва, основанная на использовании информации о местоположении воздушных судов (ВС) от двух независимых и взаимодополняющих источников (подсистем):

• первый (основной) источник - подсистема сбора, обработки и передачи информации, основанная на технологии АЗН с использованием автоматически передаваемых по штатным бортовым средствам радиосвязи ВС данных (индивидуальный номер ВС, координаты, скорость, высота), получаемых от бортовой НАП СРНС ГЛОНАСС и/или GPS;

• второй (резервный) источник - подсистема сбора, обработки и передачи информации от трех маловысотных радиолокационных станций (PJIC) типа «Каста 2-2» с АМУ-50, развернутых за пределами московской кольцевой автодороги в районах городов Одинцово, Балашиха, Видное, предназначенная для контроля и управления движением летательных аппаратов в нестандартных ситуациях, а также для выявления несанкционированных полетов летательных аппаратов, не оснащенных бортовым комплектом аппаратуры основной системы.

Оба источника передают свою информацию на один или несколько диспетчерских пунктов аэропортов, с которых осуществляется контроль использования воздушного пространства и управление полетами ВС.

Ниже следует краткий обзор современного состояния разработки стандартов для АЗН. Хотя некоторые специальные требования еще требуется довести до конца (особенно технические вопросы), несколько компаний далеко продвинулись в разработке довольно сложных систем управления движением объектов, использующих технологию АЗН.

Резолюция IMO MSC.74(69), приложение 3. Рекомендации по техническим условиям на судовые универсальные системы автоматических зависимых наблюдений (АЗН) [63].

Рекомендации ITU-R М.825-3. Характеристики транспондеров, использующих аппаратуру цифрового избирательного вызова и применяемых для опознавания судна с береговых систем управления движением и с других судов [83].

Рекомендации ITU-R М.1371. Технические характеристики универсальной судовой системы автоматических зависимых наблюдений, использующей множественный доступ с временным уплотнением в полосе морской подвижной службы [82].

Проект стандарта IEC 61993-2 на испытания систем АЗН. В июле 1998 г. Рабочая группа 8А Технического комитета 80 Международной электротехнической комиссии (IEC) начала работу по разработке стандарта, устанавливающего требования на рабочие характеристики, технические данные, эксплуатационные свойства и испытательные процедуры для транспондера систем АЗН (Документ TC80/WG8-U.AIS). Этот стандарт будет разработан в кратчайшие сроки (заседания рабочей группы проводятся примерно четыре раза в год).

Действующий стандарт для транспондеров систем АЗН, использующих технологию цифрового избирательного вызова, - это стандарт IEC 61993-1 [62].

Стандарт VDL Mode 3, Mode 4. Технические характеристики универсальной авиационной системы автоматических зависимых наблюдений, использующей множественный доступ с временным уплотнением в полосе авиационной подвижной службы [29, 73, 75].

В тоже время развертывание аппаратуры, реализующей приведенные выше стандарты, для систем АЗН локального покрытия (например, в масштабах города) требует значительных затрат и в большинстве случаев экономически нецелесообразно. Это, в свою очередь, препятствует развитию отрасли, эффективному управлению движением транспортных средств и обуславливает необходимость проведения поиска и исследования эффективных видов модуляции, протоколов множественного доступа и разработки радиосредств передачи дискретной информации, ориентированных на работу в составе систем АЗН локального покрытия.

Актуальность данной работы определяется тем, что внедрение радионавигационных систем АЗН, использующих СРНС, позволяет решить задачу определения с высокой точностью координат объектов, которые не могут наблюдаться с помощью обычных методов радиолокации.

Создание систем АЗН с заданными техническими характеристиками может быть выполнено лишь при правильном выборе каналообразующей аппаратуры и протоколов множественного доступа к радиоканалу, исходя из характерной для данного случая совокупности параметров сопровождаемых объектов и радиообстановки.

Целью настоящей работы является создание и исследование методов построения эффективных информационных сетей обмена данными в радионавигационных системах АЗН локального покрытия, использующих для организации радиоканала штатные радиосредства с аналоговыми видами модуляции, предназначенные для обмена речевой информацией. Для этого проведен анализ и осуществлен выбор эффективных видов модуляции и алгоритмов обработки сигналов в низкочастотном тракте, а также протоколов множественного доступа к таким радиоканалам.

Особое внимание уделено вопросам построения математических моделей систем передачи дискретной информации и сетевых протоколов множественного доступа к радиоканалам, позволяющих проводить исследование и определение основных вероятностно-временных характеристик радиосетей систем АЗН с оценкой качества их функционирования для широкого класса помех.

В работе решаются следующие основные задачи:

1. Проведена классификация систем АЗН и сформулированы общие требования к радиотехническим системам передачи дискретной информации (РСПДИ) и методам множественного доступа к радиоканалам в системах АЗН локального покрытия.

2. Проведен анализ спектральной и энергетической эффективности различных видов модуляции и алгоритмов обработки сигналов в РСПДИ систем АЗН с передачей данных на поднесущей. Отмечена возможность использования для передачи данных штатных радиостанций с аналоговыми видами модуляции, установленных на подвижных объектах и предназначенных для обмена речевыми сообщениями.

3. Исследована помехоустойчивость и разработаны математические модели систем передачи данных на поднесущей. Предложены алгоритмы оптимальной обработки сигналов и оценена их эффективность.

4. Проведен анализ протоколов случайного множественного доступа с учетом специфики их использования для управления информационными радиосетями систем АЗН. Полученные результаты позволяют оценить характеристики радиосетей систем АЗН с учетом пространственного распределения абонентов, запаздывания передачи и эффекта захвата.

5. Предложен способ повышения пропускной способности радиосетей систем АЗН за счет управления интенсивностью передачи пакетов и мощностью сигнала в зависимости от пространственного положения подвижных объектов.

6. На основе полученных в работе результатов предложен вариант построения модем-контроллера, предназначенного для передачи навигационной и телеметрической информации на поднесущей с подвижных объектов на диспетчерский пункт при эксплуатации в составе системы АЗН.

7. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий в лабораторных условиях оценить помехоустойчивость систем передачи дискретной информации с двойными видами модуляции. Представлены экспериментальные результаты.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• анализ отечественных и зарубежных радионавигационных систем АЗН, позволивший сформулировать требования к подсистемам передачи данных, входящим в состав систем АЗН, а также анализ путей повышения их эффективности;

• выбор видов модуляции и исследование помехоустойчивости цифровых каналов передачи данных систем АЗН на поднесущей с учетом особенности использования штатных радиосредсгв (радиостанций с частотной или амплитудной модуляцией, предназначенных для передачи речевых сообщений);

• синтез алгоритмов оптимальной и квазиоптимальной обработки сигналов с выхода частотного и амплитудного детектора; выигрыш в помехоустойчивости от использования этих алгоритмов подтвержден результатами компьютерного моделирования;

• разработанные автором требования к выбору протокола множественного доступа и исследование характеристик информационных сетей систем АЗН с учетом пространственного распределения абонентов, запаздывания передачи и эффекта захвата;

• разработанные автором и защищенные патентом РФ способ и устройство управления пакетной передачей данных по радиоканалу, позволяющие повысить пропускную способность радиосетей систем АЗН за счет управления интенсивностью и мощностью передачи пакетов в зависимости от пространственного положения абонентов;

• разработанный автором с учетом результатов работы модем-контроллер РМ-12, предназначенный для передачи навигационной и телеметрической информации с подвижных объектов на диспетчерский пункт при эксплуатации в составе системы АЗН.

• методика и результаты экспериментальных исследований помехоустойчивости систем с двойными видами модуляции, а также результаты трассовых испытаний образцов каналообразующей аппаратуры, использующей двойные виды модуляции, в информационной радиосети системы АЗН.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. В первой главе приведена классификация систем АЗН по типу контролируемых объектов и по размеру зоны обслуживания. На основе анализа архитектуры построения систем АЗН сформулированы требования к основным элементам систем локального покрытия: к радиоканалу «подвижный объект - диспетчерский пункт» и к информационной радиосети, позволяющей подвижным объектам коллективно использовать этот радиоканал. Проведен анализ используемых в системах АЗН комплексов передачи дискретной информации отечественного и зарубежного производства, рассмотрены их основные характеристики, определяющие эффективность видов модуляции и методов демодуляции. В качестве возможного решения представлены системы передачи данных на поднесущей, использующие стандартные, серийно выпускаемые радиостанции. Проведен обзор протоколов множественного доступа к радиоканалу, используемых для управления радиосетями систем АЗН. В целях сокращения частотного и/или временного ресурса радиоканала, необходимого для организации радиосети, предлагается работа всех абонентских передатчиков в пакетном режиме на одной частоте под управлением протоколов случайного множественного доступа, требующих уточнения характеристик радиосети с учетом эксплуатационных

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Келин, Тимур Георгиевич

4.4. Выводы

Полученные в теоретической части работы результаты были использованы для построения действующего образца модем-контроллера РМ-12. Модем-контроллер предназначен для обмена навигационными данными при работе в составе системы АЗН, реализуя приведенные в диссертационной работе алгоритмы обработки сигналов в низкочастотном тракте, а также процедурные характеристики ряда протоколов случайного множественного доступа для обеспечения доступа в информационную радиосеть.

С использованием модем-контроллера РМ-12 получены результаты экспериментальных исследований помехоустойчивости систем с двойными видами модуляции «ЧМНФ0.5-ЧМ» и «ЧМНФ0.5-АМ». Испытания проведены с применением штатных радиостанций различных типов. Результаты эксперимента хорошо согласуются с данными, полученными в результате статистического моделирования, и подтверждают предположение о возможности использования радиомодемов с двойными видами модуляции «ЧМНФ0.5-ЧМ» и «ЧМНФ0.5-АМ» в радиоканалах с высоким отношением сигнал-шум для обеспечения физического уровня услуг передачи дискретной информации в системах АЗН.

Трассовые испытания экспериментальных образцов аппаратуры показали, что аппаратура обеспечивает надежный контроль за движением легких лета

186 тельных аппаратов над территорией до 80 км при использовании радиостанции с частотной модуляцией и выходной мощностью бортового передатчика до 25 Вт. Нижняя граница сплошного поля контроля находилась на высоте до 10 метров. Верхняя граница сплошного поля контроля - в пределах высоты полета существующих и перспективных летательных аппаратов и дальности действия бортовых средств связи. Это соответствует требованиям РРНП, предъявляемым к системам АЗН ВС.

Эти результаты подтверждают возможность использования каналообра-зующей аппаратуры с двойными видами модуляции в информационных радиосетях систем АЗН.

Заключение

Задача контроля и управления движением наземных, воздушных и морских объектов с высокой точностью должна решаться с применением технологии АЗН. Ее внедрение требует создания информационных сетей, базирующихся на использовании радиоканалов, специально созданных для этих целей или имеющихся в распоряжении для целей радиосвязи, телеметрии и передачи данных. В системах АЗН локального покрытия с ограниченной зоной действия, обеспечивающих контроль и диспетчеризацию движения средств малой авиации, транспорта, где стоимость специальной каналообразующей аппаратуры на этапе внедрения может оказаться соизмеримой со стоимостью контролируемых объектов, целесообразно использовать каналы для речевой связи, которые уже имеются в распоряжении потребителей. Поэтому актуальной задачей является построение локальных информационных радиосетей для средств АЗН, базирующихся на использовании штатных радиостанций. Поскольку их переделка в большинстве случаев недопустима, то возникает задача поиска эффективных методов модуляции, кодирования и протоколов множественного доступа к радиоканалу с передачей данных по низкочастотному речевому тракту на поднесущей.

Настоящая диссертационная работа посвящена анализу и синтезу подсистем обмена данными в радионавигационных системах АЗН локального покрытия, включая исследование методов модуляции и демодуляции в каналах с передачей данных на поднесущей применительно к радиосредствам для обмена речевыми сообщениями, а также протоколов множественного доступа к радиоканалам.

Особое внимание уделяется вопросам построения математических моделей систем передачи дискретной информации и сетевых протоколов множественного доступа, исследованию построенных математических моделей, определению основных вероятностно-временных характеристик радиосетей, учитывающих особенности, связанные с работой в составе систем АЗН.

Создание подсистем обмена данными в системах АЗН локального покрытия с применением штатных радиосредств с амплитудной или частотной модуляцией, предназначенных для обмена речевой информацией, требует применения двойных видов модуляции, т.е. использования передачи цифровых сообщений на поднесущей.

Достичь высокой эффективности использования полосы частот и энергетики канала можно за счет использования в качестве вида модуляции поднесущей ЧМНФо.5. Этот вид модуляции позволяет более эффективно использовать полосу частот по сравнению с четырехкратной ФМ и четырехкратной ФМ со сдвигом практически при той же энергетической эффективности.

Результаты, полученные при анализе систем с видами модуляции «ЧМНФ0.5-ЧМ» и «ЧМНФ0.5-АМ» с некогерентным детектированием ЧМ или AM и когерентной обработкой ЧМНФ0.5 средствами статистического моделирования показывают, что такие системы пригодны для передачи данных, но при более высоких значениях отношения сигнал-шум в радиоканале по сравнению с оптимальными методами передачи на несущей. Так для обеспечения вероятности ошибки рош =10"3 отношение сигнал-шум должно составлять 15 дБ при ЧМНФ0.5-ЧМ и 17 дБ при ЧМНФ0.5-АМ.

Синтезированы алгоритмы оптимальной обработки сигнала с ЧМНФ0.5 на выходе некогерентного амплитудного или частотного детектора радиостанции. Сложность технической реализации, связанная с необходимостью оценок параметров смеси сигнала и шума, не позволяет использовать эти алгоритмы, поэтому предложено реализовать асимптотически оптимальную обработку, состоящую в использовании нелинейного преобразования смеси сигнала и шума на входе ЧМНФ0.5 детектора. В результате проведенного статистического моделирования показано, что выигрыш от применения асимптотически оптимальных алгоритмов может достигать 2 дБ.

Наблюдение за многими объектами в системе АЗН требует организации коллективного доступа абонентов к радиоканалу, для чего предлагается работа всех абонентских передатчиков в пакетном режиме на одной частоте под управлением протоколов случайного множественного доступа, допускающих возможность возникновения конфликтных ситуаций, при которых передаваемые пакеты взаимно искажаются.

Простота технической реализации обуславливает целесообразность использования протоколов неконтролируемого случайного доступа «синхронный ALOHA» и «несинхронный ALOHA», учитывая, что для реализации протокола «синхронный ALOHA» в радиосетях систем АЗН можно использовать единый синхросигнал, поставляемый бортовыми НАП СРНС.

В системах АЗН происходит естественная дифференциация абонентов по мощности при их различном удалении от диспетчерского пункта, поэтому характеристики протоколов множественного доступа были уточнены с учетом эффекта захвата, состоящего в избирательном приеме абонентом одного из группы одновременно поступающих на его вход сигналов, и пространственного распределения абонентов. Для этого была построена геометрическая модель и получено уравнение, связывающее плотности распределения трафика и средней скорости. В общем виде это уравнение решению не поддается, поэтому были рассмотрены два практически важных частных случая: постоянная плотность трафика и постоянная плотность средней скорости передачи. Получены аналитические выражения для оценок полной средней скорости. Отмечено, что при постоянной плотности средней скорости радиосеть имеет ограниченную зону действия.

Средствами статистического моделирования получены зависимости вероятности ошибки от отношения мощностей ближнего и дальнего абонентов при фиксированном уровне шума в радиоканале для систем с поднесущей и с «двукратной ФМ», позволяющие оценить значения параметра q, характеризующего захват. Проведенный анализ позволяет утверждать, что в общем случае эффект захвата оказывает сложное влияние на характеристики радиосети и требует обязательного учета при проектировании.

Для получения заданных характеристик радиосетей разработаны процедуры адаптации интенсивности передачи пакетов и/или мощности сигнала в зависимости от местоположения абонента относительно диспетчерского пункта.

Управление интенсивностью или мощностью в зависимости от навигационных данных может быть использовано при работе системы АЗН в условиях застройки или пересеченного рельефа местности. На этот способ и реализующее его устройство было получено положительное решение на выдачу патента РФ по заявке на изобретение.

При сопровождении ПО, имеющих в своем составе в качестве источника информации не только навигационное, но и дополнительное, например телеметрическое, оборудование, а также в системах, где трафик от каждого ПО может зависеть от скорости изменения его координат, возникает задача анализа радиосети с неоднородным трафиком. Для протокола «несинхронный ALOHA» различие в длительностях пакетов уменьшает среднюю скорость передачи в сети тем сильнее, чем больше отношение этих длительностей, поэтому предпочтительным решением является разбиение длинных пакетов на несколько коротких. В случае протокола «синхронный ALOHA» при разных вероятностях передачи пакетов от групп абонентов возможно увеличение средней скорости передачи в сети.

Для несинхронных вариантов протоколов «ненастойчивый МДКН» и «1-настойчивый МДКН» получены зависимости нормированной средней скорости S от нормированного трафика G и нормированной задержки распространения а (включающей время выхода передатчика радиостанции на режим) и характеристики «задержка передачи - скорость передачи». В радиосетях с низким уровнем трафика (G<1) большая средняя скорость будет достигнута при использовании протокола «1-настойчивый МДКН», в случае же высокого уровня трафика (G>1) применение протокола «ненастойчивый МДКН» оказывается более эффективным в диапазоне значений нормированной задержки распространения от 0 до 0,8.

Синхронный протокол «^-настойчивый МДКН» также может быть использован в радиосетях систем АЗН, причем для синхронизации можно использовать единый, поставляемый бортовой НАП СРНС, синхросигнал. Для этого протокола получена аналитическая зависимость нормированной средней скорости передачи от нормированного трафика, нормированной задержки распространения и параметра процедурной характеристики р; для каждой пары значений G и а было найдено такое значение параметра р = рор1 при котором средняя скорость передачи достигала своего максимального значения.

Сравнительный анализ емкости канала с различными протоколами случайного множественного доступа показал, что значение задержки распространения а не оказывает влияние на емкость канала с протоколами ALOHA, в то время как для протоколов МДКН с увеличением задержки распространения а растет длительность периода уязвимости, что неминуемо приводит к уменьшению емкости канала; емкость канала с протоколами «ненастойчивый МДКН» и «р -настойчивый МДКН» в большей степени зависит от а нежели с «1-настойчивым МДКН»; при больших значениях а (а >0,3) протокол «синхронный ALOHA» дает выигрыш по сравнению с любым протоколом МДКН, этот результат является следствием того, что решения о свободном состоянии канала, принятые с задержкой, приводят к уменьшению средней скорости в канале.

Анализ методов модуляции, обработки сигналов и протоколов множественного доступа позволил создать модем-контроллера РМ-12, который предназначен для обмена навигационными данными при работе в составе системы АЗН, реализуя приведенные в диссертационной работе алгоритмы обработки сигналов в низкочастотном тракте, а также процедурные характеристики ряда протоколов случайного множественного доступа для обеспечения доступа в информационную радиосеть. Возможным вариантом применения модем-контроллера РМ-12 является также совместная эксплуатация с НАП СРНС, работающей в режиме дифференциальных измерений, для обеспечения радиоканала передачи дифференциальных поправок.

С использованием модем-контроллера РМ-12 был разработан лабораторный стенд и получены результаты экспериментальных исследований помехоустойчивости систем с двойными видами модуляции «ЧМНФ0.5-ЧМ» и «ЧМНФо.5-АМ». Эксперименты проведены с применением штатных речевых радиостанций различных типов. Результаты эксперимента соответствуют данным, полученным при статистическом моделировании.

192

Трассовые испытания экспериментальных образцов аппаратуры подтверждают возможность использования каналообразующей аппаратуры с двойными видами модуляции в информационных радиосетях систем АЗН. Аппаратура обеспечивала надежный контроль за движением легких летательных аппаратов над территорией с радиусом до 80 км при использовании бортовой радиостанции с частотной модуляцией и мощностью передатчика 10 Вт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Келин, Тимур Георгиевич, 2001 год

1. Агаджанов П.А., Горшков Б.М., Смирнов Г.Д. Основы радиотелеметрии. М.: Воениздат, 1971. - 248 с.

2. Бунин С.Г., Войтер А.П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. -Киев: Тэхника, 1989. -223 с.

3. Волков Н.М., Иванов Н.Е., Салищев В.А., Тюбалин В.В. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС // Успехи современной радиоэлектроники. 1997. - №1. - С. 31-46.

4. Воробьев С.В., Овчинников A.M., Сергеев С.И. Перспективные стандарты транкинговой радиосвязи. М.: ИТЦ «Мобильные коммуникации», 1999. -102 с.

5. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина, 2-е изд. исправ. М.: ИПРЖР, 1999.-560 с.

6. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. -М.: Наука, 1971. 1108 с.

7. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 1999. - 238 с.

8. Гусев Ю., Лебедев М. Перспективы развития спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и ее интеграция с зарубежными навигационными средствами // Труды Международной конференции «Глобальная радионавигация». -М., 1995.-С. 5.1-5.13.

9. Диксон Р.К. Широкополосные системы. М.: Связь, 1979. - 304 с.

10. Жуков В.П. Плотность вероятности производной фазы суммы синусоидального сигнала и гауссова шума // Радиотехника и электроника. 1962. -№7.-С. 1244-1246.

11. Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям: Точные решения. М.: Физматлит, 1995. - 560 с.

12. Заявка 2000129865/09 РФ, МПК Н 04 L 7/00. Способ и устройство управления передачей данных по радиоканалу / Калмыков В.В., Келин Т.Г., Себекин Ю.Н. (РФ). Заявлено 30.11.2000; Опубл. 20.08.2001, Бюл. 23. - С. 268-269.

13. Применение сотовых систем связи для контроля и диспетчеризации подвижных объектов / В.В. Калмыков, Т.Г. Келин, В.Б. Пудловский и др. // Мобильные системы. 1999. - № 8. - С. 39-42.

14. Калмыков В.В., Келин Т.Г., Себекин Ю.Н. Помехоустойчивость систем передачи дискретной информации с двойной частотной модуляцией // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2000. - №4. - С. 57-67.

15. Кантор Л.Я., Дорофеев B.JI. Помехоустойчивость приема ЧМ сигналов. М.: Связь, 1977. - 334 с.

16. Келин Т.Г. Исследование характеристик радиосетей для систем автоматических зависимых наблюдений (АЗН) // Тез. докладов Международного форума информатизации МФИ-2000 "Телекоммуникационные и вычислительные системы". -М., 2000. С. 174-175.

17. Келин Т.Г. Исследование характеристик цифровых радиосетей с учетом явления захвата // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2001. - №4. -С. 43-54.

18. Келин Т.Г., Себекин Ю.Н. Исследование помехоустойчивости цифровых систем с модуляцией поднесущей // Тез. докладов научно-технической конференции. 21-23 ноября 2000 г, В 2 ч, Ч. 1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - С. 86-87.

19. Келин Т.Г., Себекин Ю.Н. Оценка помехоустойчивости систем передачи дискретной информации с поднесущей // Тез. докладов Международного форума информатизации МФИ-99 "Телекоммуникационные и вычислительные системы". М„ 1999. С. 207-208.

20. Клейнорк JI. Вычислительные сети с очередями. М.: Мир, 1979. -600 с.

21. Клейнорк JI. Принципы и уроки пакетной радиосвязи // ТИИЭР. -1978. -№11. -С. 30-42.

22. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. - 832 с.

23. Кугушев A.M., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. (Линейные электромагнитные процессы). М.: Энергия, 1969. - 880 с.

24. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. В трех книгах. Книга третья. М.: Сов. Радио, 1976. - 288 с.

25. Невдяев JI. М. Мобильная спутниковая связь. М.: МЦНТИ, 1998. -155 с.

26. Немировский М.С. Помехоустойчивость радиосвязи. М.: Энергия, 1966.-296 с.

27. Обработка сигналов в радиотехнических системах: Учеб. пособие / А.Д. Долматов, А.А. Елисеев, А.П. Лукошкин и др.; под ред. А.П. Лукошкина. -Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. 400 с.

28. Овчинников А. М., Воробьев С. В., Сергеев С. И. Открытые стандарты цифровой радиосвязи. М.: МЦНТИ, 2000. - 220 с.29. Пат. 5798726 США.

29. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. М.: Радио и связь, 1987. - 184 с.

30. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. -М.: Радио и связь, 2000. 800 с.

31. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов / В.А. Борисов, В.В. Калмыков, Я.М. Ковальчук и др.; Под ред. В.В. Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.

32. Распоряжение Президента Российской Федерации №38-рп от 12.02.99 // Новости навигации, НТЦ «Интернавигация», РОИН. 1999. - №2(4). - С. 3-24

33. Российский радионавигационный план. Версия 1. М.: НТЦ «Интернавигация», 1994. - 225 с.

34. Российский радионавигационный план. Версия 2. М.: НТЦ «Интернавигация», 1997. - 260 с.

35. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. B.C. Шебшаевича. М.: Радио и связь, 1993. - 414 с.

36. Соловьев Ю. А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.-270 с.

37. Спилкер Дж, Цифровая спутниковая связь: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Маркова. М.: Связь, 1979. - 592 с.

38. Стейн С., Джонс Дж. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. Пер. с англ. / Под ред. J1.M. Финка. -М.: Связь, 1971.-376 с.

39. Тепляков И.М. Радиотелеметрия. М.: Сов. радио, 1966. - 312 с.

40. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.-320 с.

41. Тихонов В.И. Среднее число выбросов частоты и фазы // Радиотехника и электроника. 1962. - №6. - С. 940-948.

42. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио, 1982. -624 с.

43. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1991.-608 с.

44. Федеральный радионавигационный план США. МТ и МО США, 1999.-240 с.

45. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложение. М.: Мир, 1984.-Ч. 1.-527 с.

46. Цибаков Б.С., Берковский М.А. Множественный доступ с резервированием // Пробл. передачи информации. 1980. - Вып. 1. - С. 50-76.

47. Цибаков Б.С., Михайлов В.А. Верхняя граница для пропускной способности системы случайного множественного доступа // Пробл. передачи информации. 1981. - Вып. 1. - С. 90-95.

48. Цибаков Б.С., Михайлов В.А. Случайный множественный доступ. Алгоритм дробления // Пробл. передачи информации. 1980. - Вып. 4. - С. 6579.

49. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсянников и др.; под ред. М.И. Жодзишского М.: Радио и связь, 1990. - 208 с.

50. Abramson N. The Throughput of Packet Broadcasting Channels // IEEE Trans, on Communications. 1977. - Vol. COM-25, №1. - P. 117-128.

51. Amoroso F. Pulse and Spectrum Manipulation in the Minimum (Frequency) Shift-Keying (MSK) Format // IEEE Trans, on Communications. 1976. -Vol. COM-24, №3 - P. 381-384.

52. Austin M.C. Wide-Band Frequency-Shift-Keyed Receiver Performance in the Presence of Intersymbol Interference // IEEE Trans, on Communications. 1975. - Vol. COM-23, №4. - P. 453-458.

53. Bennett W.R., Davey J.R. Data Transmission. New York: McGraw-Hill, 1965.-356 p.

54. Bobilin R.T., Lindenlaub J.C. Distortion Analysis of Binary FSK // IEEE Trans, on Communications. 1971. - Vol. COM-19, №8. - P. 478-486.

55. Borchardt R.L., Ha T.T. Pseudo-Bayesian Stability of Slotted ALOHA with power capture // Computer Communications. 1989. - Vol. 12, №4. - P. 187192.

56. Edwards J.R. A Comparison of Modulation Schemes for Binary Data Transmission // The Radio and Electronic Engineer. 1973. - №9. - P. 562-568.

57. Fact Sheet. U.S. Global Positioning System Policy. The White House. Office of Science and Technology Policy. National Security Council. March 29, 1996.-23 p.

58. Feher К., Roux M., Goulet R., Morissette S. Comparison of PSK and of Multilevel AM Data Modulators // International Journal of Electronics. 1976. -Vol. 41, №2.-P. 153-158.

59. Gronemeyer S.A., McBridge A.L. MSK and Offset QPSK Modulation // IEEE Trans, on Communications. 1976. - Vol. COM-24, №8. - P. 809-820.

60. Harper R.C. Adaptive Phase and Amplitude Modulation on a Frequency Dispersive Fading Channel // IEEE Trans, on Communications. 1974. - Vol. COM-22,№6.-P. 764-776.

61. IMO Resolution MSC.74(69), Annex 3, Recommendation on Performance Standards for an Universal Shipborne Automatic Identification Systems (AIS). -IMO, 1998.-98 p.

62. Ishio H., Washio M., Inokuchi M., Sekev S. A New Multilevel Modulation and Demodulation System for Carrier Digital Transmission // Proc. EEEE International Conf. on Communications, June 1976. 1976. - P. 29-7 to 29-12.

63. Jones J.J. Filter Distortion and Intersymbol Interference Effects on PSK Signals // IEEE Trans. On Communications. 1971. - Vol. COM-19, №4. - P. 120132.

64. Jones J.J. Multichannel FSK and DPSK Reception with Three-Component Multipath // IEEE Trans, on Communications. 1968. - Vol. COM-16, №12. - P. 808-821.

65. Kleinrock L., Tobagi F. Packet Switching in Radio Channels. Part I. Carrier Sense Multiple Access Modes and Their Throughput-Delay Characteristics // IEEE Trans, on Communications. 1975. - Vol. COM-23, №12. - P. 1400-1416.

66. Kleinrock LM Tobagi F. Packet Switching in Radio Channels. Part IV. Stability Consideration and Dynamic Control in CSMA // IEEE Trans, on Communications. 1977. - Vol. COM-25, №10. - P. 1103-1119.

67. Kugler D. Terrestrial Radio Navigation Systems Facing the Future of Civil GNSS // "GNSS-97", First European Symposium of Global Navigation Satellite Systems, 21-25 April 1997. Munich, 1997. - P. 29-32.

68. KuIIstam P.A. Differentially Coherent Demodulation of BPSK and QPSK Signals in the Presence of Doppler and Phase Noise // Proc. National Telecommunications Conf. 1974. - P. 221-227.

69. Kwon S.Y., Shehadeh N.M. Analysis of Incoherent Frequency-Shift-Keyed Systems // IEEE Trans, on Communications. 1975. - Vol. COM-23, №11. -P. 1331-1339.

70. Lucky R.W., Salz J., Weldon E.J. Principles of Data Communication. -New York: McGraw-Hill, 1968. 433 p.

71. Manual on Detailed Technical Specifications for the VDL Mode 4 Data Link (Version 6.0.0). ICAO, 2000. - 203 p.

72. Mathwich H.R., Balcewicz J.F., Hecht M. The Effect of Tandem Band and Amplitude Limiting on the EB/N{) Performance of Minimum (Frequency) Shift

73. Keying (MSK) II IEEE Trans, on Communications. 1974. - Vol. COM-22, №10 -P. 1525-1540.

74. Minimum Operational Performance Specification for Airborne VDL Mode 3 Transceiver Operating in the Frequency Range 117.975-137.000 MHz. RTCA SC-172/WG3,2000. -128 p.

75. Miyagaki Y., Morinaga N., Namekawa T. Error Probability Characteristics for CPSK Signal Through m-Distributed Fading Channel // IEEE Trans, on Communications. 1978. - Vol. COM-26, №1. - P. 88-100.

76. Morais D. H., Feher K. Bandwidth Efficiency and Probability of Error Performance of MSK and Offset QPSK System // IEEE Trans, on Communications. -1979. Vol. COM-27, №12. - P. 1794-1801.

77. Oetting J.D. A Comparison of Modulation Techniques for Digital Radio I I IEEE Trans, on Communications. 1976. - Vol. COM-27, №3. - P. 1752-1762.

78. Osborne W.P., Luntz M.B. Coherent and Noncoherent Detection of CPFSK // IEEE Trans, on Communications. 1974. - Vol. COM-22, №8. - P. 10231036.

79. Prabhu V.K. Error Probability Performance of M-ary CPSK Systems with Intersymbol Interference // IEEE Trans, on Communications. 1973. - Vol. COM-21,№2-P. 97-109.

80. Ramadam M. Practical Considerations in the Design of Minimum-Bandwidth, 90 MB, 8-PSK Digital Microwave System // Proc. IEEE International Conf. on Communications, June 1976. 1976. - P. 29.1-29.6.

81. Recommendation ITU-R M.1371, Technical characteristics for a universal shipbome automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band. Geneva: ITU-R, 1999. - 47 p.

82. Recommendation ITU-R M.825-3, Characteristics of a transponder system using digital selective calling techniques for use with vessel traffic services and ship-to-ship identification. Geneva: ITU-R, 1999. - 84 p.

83. Rhodes S.A. Effect of Noisy Phase Reference on Coherent Detection of Offset-QPSK Signals // IEEE Trans, on Communications. 1974. - Vol. COM-22, №8.-P. 1046-1055.

84. Rise S.O. Statistical Properties of a Sine Wave Plus Random Noise // Bell System Technical Journal. -1948. №1. - P. 107-157.

85. Rosenbaum A.S. PSK Error Performance with Gaussian Noise and Interference // Bell System Technical Journal. 1969. - Vol. 48, №2. - P. 413-442.

86. Salwen H.C., Duncombe C.B. Performance Evaluation of Data Modems for the Aernautical Satellite Channel // IEEE Trans, on Communications. 1975. -Vol. COM-23. №7 - P. 695-705.

87. Schonhoff T.A. Symbol Error Probabilities for M-aiy CPFSK: Coherent and Noncoherent Detection // IEEE Trans, on Communications. 1976. - Vol. COM-24, №7. - P. 644-652.

88. Schwartz M., Bennett W.R., Stein S. Communication Systems and Techniques. New York: McGraw-Hill, 1966. - 618 p.

89. Shehadeh N.M., Chiu R.F. Spectral Density Function of the Carrier Amplitude Modulated by a Biphase PCM Code // IEEE Trans, on Communications. -1970. Vol. COM-18, №6. - P. 263-265.

90. Shimbo O., Celebiler M.I., Fang R.J. Performance Analysis of DPSK Systems in Both Thermal Noise and Intersymbol Interference // IEEE Trans, on Communications. 1971. - Vol. COM-19, №12. - P. 1179-1188.

91. Shimbo O., Fang R.J., Celebiler M. Performance of M-ary PSK Systems in Gaussian Noise and Intersymbol Interference // IEEE Trans, in Inform. Theory. -1973. Vol. IT-19, №1. - P. 44-58.

92. Shingo O., Hiromutsu W., Seiichiro K. Mobile Satellite Communications. Artech House inc., 1998. - 458 p.

93. Simon M.K. An MSK Approach to Offset QPSK // IEEE Trans, on Communications. 1976. - Vol. COM-24, №8. - P. 921-923.

94. Simon M.K., Smith J.G. Hexagonal Multiple Phase-and-Amplitude-Shift-Keyed Signal Sets I I IEEE Trans, on Communications. 1973. - Vol. COM-21, №10 -P. 1108-1115.

95. Simon M.K., Smith J.G. Offset Quadrature Communications with Decision-Feedback Carrier Synchronization // IEEE Trans, on Communications. 1974. -Vol. COM-22, №10. - P. 1576-1584.

96. Sunde E.D. Pulse Transmission by AM, FM, and PM in the Presence of Phase Distortion // Bell System Technical Journal. 1961. - Vol. 40, №3. - P. 353422.

97. The Ethernet. A Local Area Network. Data Link Layer and Physical Layer Specifications // Computer Communications Review. 1981. - №3. - P. 2040.

98. Thomas C.M., Weidner M.Y., Darrani S.H. Digital Amplitude-Phase Keying with M-ary Alphabets // ШЕЕ Trans, on Communications. 1974. - Vol. COM-22, №2. - P. 168-180.

99. Thompson R., Clouting D.R. Digital Angle Modulation for Data Transmission, Part 2: Performance Characteristics // Systems Technology. 1975. - Vol. 20, №2-P. 33-37.

100. Tjhiing T.T., Wittke P.H. Carrier Transmission of Binary Data in Restricted Band // ШЕЕ Trans, on Communications. 1970. - Vol. COM-18, №8. - P. 295-304.

101. Wang L. Error Probability of a Binary Noncoherent FSK System in the Presence of Two CW Tone Interferes // ШЕЕ Trans, on Communications. 1974. -Vol. COM-22, №12. - P. 1948-1949.

102. Wieseltheir J.E., Ephremides A., Michaels L.A. An Exact Analysis and Performance Evaluation of Framed ALOHA with Capture // ШЕЕ Trans, on Communications. 1989. - Vol. COM-37, №2. - P. 125-137.

103. Yue W. The Effect of Capture on Performance of Multichannel Slotted ALOHA Systems // ШЕЕ Trans, on Communications. 1991. - Vol. COM-39, №6. -P. 818-822.i t