Математическое и информационное обеспечение спутниковых систем связи и радионавигации для мониторинга и управления судоходством на внутренних водных путях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Пшеницын, Кирилл Владимирович

• Пшеницын, Кирилл Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пшеницын, Кирилл Владимирович

Введение

Глава 1. Структуры информационных систем управления движением судов внутреннего водного транспорта России.

1.1.1 Корпоративная речная информационная система (КРИС) ЕГС России.

1.1.2. Речная информационная служба (РИС).

1.1.3. Каноническая структурная схема речной АСУДС. 18 1.2 Современные спутниковые системы радионавигации и связи (ССРНС)

1.2.1. Принципы построения и информационного функционирования спутниковой системы связи и радионавигации «Глобалстар»

1.2.2. Методы построения спутниковых автоматизированных сетей мониторинга и управления движением судов на внутренних водных путях на основе системы «Globalstar»

Выводы по главе

Глава 2. Анализ особенностей построения информационных сигналов спутниковой системы CDMA Globalstar в интересах мониторинга и управления движением судов на внутренних водных путях.

2.1. Системы сложных сигналов для мобильной связи CDMA Globalstar

2.1.1 Сложные (широкополосные) сигналы

2.1.2. Примеры связи корреляционной функции и спектральной плотности

2.1.3. Структура, частотные и временные характеристики последовательных сложных сигналов с фазовой модуляцией (коды для построения фазокодированного сигнала, последовательность Голда, Касами, циклические системы последовательностей, система Уолша, производная система сигналов)

2.1.4.Последовательность Голда.

2.2. Частотные планы и зоны радиопокрытия системы Globalstar 64 2.2.1. Частотные планы

2.2.2. Множественный доступ с кодовым разделением

2.2.2.1. Прямая линия CDMA

2.2.2.2. Обратная CDMA линия

2.2.2.3. Качество CDMA линий передачи 76 2.3. К вопросу о классификации случайных стационарных процессов

2.4. Определение ширины спектра широкополосного сигнала.

Выводы по главе

Глава 3. Разработка математического обеспечения и алгоритмов информационных потоков каналов CDMA на основе марковских процессов.

3.1. Количественные характеристики приближения однородной цепи Маркова к условиям стационарности

3.1.1. Определение

3.1.2. Роль дискретности

3.1.3. Классические цепи Маркова

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 2006г. «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 оценивания- случайных процессов позволяют выполнить количественную- оценку 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 плотностей; сокращением времени поиска, сигнала в условиях случайного окружения и оценка потерь информации в условиях мультипликативных помех, в частности, при наличии окон- пропусков 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 рационального; информационного, алгоритмического обеспечения систем; управлениям движением судов: • •

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

1. , Теоретическое обоснование модели; структуры информационных потоков.: спутниковой; системы. CDMA «Globalstar»' в интересах более рационального мониторинга- ш управления движением судов на- внутренних' 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 сигналов; CDMA.

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 стационарных; случайных 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 интересах- более 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 окон- пропусков, 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 информации- в 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 России; С.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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Пшеницын, Кирилл Владимирович

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.