Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Радиолинии речных дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS 12
1.1. Концепция построения и функционирования речных дифференциальных подсистем 12
1.1.1 .Системный подход к построению речной дифференциальной подсистемы на ВВП России 12
1.1.2. Синтез речной дифференциальной подсистемы на ВВП России 20
1.2. Особенности распространения радиоволн в зоне действия речных дифференциальных подсистем 28
1.2.1. Основные явления, наблюдаемые при распространении радиоволн УКВ, СВ и ДВ диапазонов 28
1.2.2. Учет влияния подстилающей поверхности на поле ДП СВ/ДВ диапазона 37
1.3.Основные характеристики радиоканалов речных ЛДПС 51
1.3.1. Технические характеристики ГНСС ГЛОНАСС и GPS 51
1.3.2. Сигналы, используемые в радиоканалах речных ЛДПС 54
1.3.3. Классификация помех, присутствующих в радиоканалах речных ЛДПС 58
Выводы по разделу 1 60
Раздел 2. Обобщенная модель радиоканалов речных дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS 62
2.1. Методология оценки помехозащищенности радиоканалов речной ЛДПС 62
2.1.1. Существующие методы оценки помехозащищенности радиоканалов
2.1.2. Критерии оценки помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем в условиях воздействия взаимных помех 67
2.1.3. Структурная схема системы передачи дискретных сообщений, модели сигналов и помех 70
2.2. Вероятностная модель функционирования радиоканалов дифференциальных подсистем при воздействии взаимных помех.. 76
2.2.1. Метод оценки помехозащищенности радиоканалов ККС речной ЛДПС в условиях взаимных помех 76
2.2.2. Метод оценки помехозащищенности радиоканалов БС АИС при воздействии взаимных помех 84
2.3. Вероятностная модель функционирования радиоканалов речной ЛДПС при воздействии индустриальных помех 89
2.3.1. Виды индустриальных помех и их влияние на радиолинии... 89
2.3.2. Метод оценки помехозащищенности радиоканалов речной ЛДПС в условиях индустриальных помех 100
2.3.3. Метод оценки помехозащищенности радиоканалов БС АИС при воздействии индустриальных помех 104
2.4. Функциональная устойчивость дифференциальных подсистем при воздействии взаимных и индустриальных помех 106
2.4.1. Критерии оценки функциональной устойчивости информационных систем 106
2.4.2. Методика оценки функциональной устойчивости основных характеристик дифференциальных подсистем...
2.4.2.1. ККС ЛДПС 111
2.4.2.2. БС АИС 114
Выводы по разделу 2 116
Раздел 3. Алгоритмы расчета помехоустойчивости дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS на ЕГС Европейской части России 118
3.1. Помехозащищенность каналов передачи корректирующей информации в условиях взаимных помех 118
3.1.1. Построение зон действия цепочки ККС с учетом влияния подстилающей поверхности 118
3.1.2. Расчет помехозащищенности радиоканалов цепочки ККС в условиях взаимных помех 126
3.2. Помехозащищенность каналов передачи корректирующей информации в условиях индустриальных помех 132
3.2.1. Анализ характера и интенсивности индустриальных помех на расчетном участке в бассейне Волги 132
3.2.2. Расчет помехозащищенности радиоканалов цепочки ККС в условиях взаимных и индустриальных помех 135
3.2.3. Расчет помехозащищенности радиоканалов речной АИС в условиях взаимных и индустриальных помех и оптимизация их топологии для целей комплексирования высокоточного поля ДП 144
3.3. Оценка функциональной устойчивости радиоканалов передачи корректирующей информации в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех 148
3.3.1. ККС ЛДПС 148
3.3.2. БС АИС 153
Выводы по разделу 3 158
Раздел 4. Алгоритмы расчета помехоустойчивости дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS в бассейнах рек Сибири и Дальнего Востока 160
4.1. Помехозащищенность каналов передачи корректирующей информации в условиях взаимных помех 160
4.1.1. Построение зон действия цепочек ККС с учетом влияния подстилающей поверхности 160 4.1.2. Расчет помехозащищенности радиоканалов цепочек ККС в условиях взаимных помех 170
4.2. Помехозащищенность радиоканалов в условиях индустриальных помех 193
4.2.1. Анализ характера и интенсивности индустриальных помех на расчетных участках в бассейнах рек Сибири и Дальнего Востока 193
4.2.2. Оценка помехозащищенности радиоканалов цепочек ККС в условиях индустриальных помех 199
4.2.3. Расчет помехозащищенности радиоканалов речной АИС в условиях индустриальных помех и оптимизация их топологии для целей комплексирования высокоточного поля ДП 226
Выводы по разделу 4 230
Раздел 5. Стратегия использования сложных сигналов для повышения помехоустойчивости дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS 232
5.1. Общий алгоритм вариации структуры рабочего сигнала при воздействии комплекса помех различного вида 232
5.2. Особенности использования ДЧМн-ЛЧМ информационных сигналов для повышения эффективности системы передачи дифференциальной информации 239
5.3. Использование ДЧМн сигналов с ППРЧ для повышения эффективности ЛДПС при воздействии ретранслированных и шумовых помех 243
Выводы по разделу 5 259
Заключение 261
Список сокращений и условных обозначений 268
Список литературы
- Синтез речной дифференциальной подсистемы на ВВП России
- Критерии оценки помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем в условиях воздействия взаимных помех
- Анализ характера и интенсивности индустриальных помех на расчетном участке в бассейне Волги
- Помехозащищенность радиоканалов в условиях индустриальных помех
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Повышение уровня безопасности плавания при навигации на внутренних водных путях (ВВП) России в настоящее время является одной из важнейших задач, стоящих перед внутренним водным транспортом. Для информационного и технического обеспечения этой задачи в настоящее время на ВВП России разворачивается корпоративная речная информационная система (КРИС) и ее подсистемы: речные информационные службы (РИС) и автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС). Необходимым условием их эффективного функционирования является наличие сплошного высокоточного радионавигационного поля, которое на ВВП России обеспечивается сопряжением радионавигационного поля, создаваемого глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS, с комплексным полем дифференциальной поправки (ДП).
Расчет топологии поля дифференциальных поправок, создаваемых дифференциальными подсистемами ГНСС ГЛОНАСС/GPS, без учета влияния взаимных, а также индустриальных помех, характерных при плавании на ВВП, может привести к потере целостности сплошного поля ДП. В связи с этим возникает необходимость создания методов и алгоритмов анализа помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем и методов повышения их устойчивости к помехам.
Степень разработанности. Основы теории помехоустойчивости заложены и развиты в фундаментальных трудах многих выдающихся отечественных и зарубежных ученых, таких как В. А. Котельников, Л. М. Финк, А. А. Харкевич, Л. К. Варакин, Д. В. Агеев (теория потенциальной помехоустойчивости); Ф. Ланге (корреляционный анализ); Д. Миддлтон, Ю. Н. Бабанов (статистическая теория помехоустойчивости); Р. Л. Стратанович, В. И. Тихонов (использование аппарата марковских процессов) и других. Наиболее полно в этих работах исследовано влияние шумоподобных помех. Для учета влияния взаимных и индустриальных сосредоточенных помех наиболее конструктивным представляется подход, предложенный в трудах А. А. Сикарева, на теоретических положениях которого и базируется данное исследование.
Целью диссертационной работы является решение проблемы повышения уровня безопасности плавания на ВВП. Заявленная цель достигается путем решения следующего круга задач: анализа структуры взаимных помех при различных видах кодирования и модуляции; исследования характера, параметров и уровней индустриальных помех, присутствующих на ВВП; анализа параметров подстилающей поверхности и их влияния на структуру поля ДП; учета влияния взаимных и индустриальных помех на целостность поля ДП; разработки методов исследования помехозащищенности и устойчивости радиоканалов диффе-
ренциальных подсистем; разработки стратегии повышения помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальных подсистем.
Методология построения помехоустойчивых дифференциальных подсистем базируется на исследовании коэффициента взаимного различия (КВР) ква-зидетерминированных сигналов и помех в частотно-временной области с учетом их мощности на входе приемника, а также на оценке вероятности ошибки поэлементного приема цифрового сообщения в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.
Научная новизна диссертации заключается в решении актуальной научной проблемы по созданию методов расчета помехозащищенности и устойчивости радиолиний речных локальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) ГНСС ГЛОНАСС/GPS. Впервые предложен метод, позволяющий количественно оценить помехозащищенность радиоканалов контрольно-корректирующих станций (ККС) ЛДПС при воздействии на них индустриальных помех.
Также разработан метод оценки помехозащищенности радиоканалов базовых станций автоматизированной идентификационной системы (БС АИС) при использовании их для передачи дифференциальной поправки.
Предложен метод количественной оценки помехозащищенности радиоканалов ЛДПС при воздействии на них нескольких взаимных помех, а также метод количественной оценки помехозащищенности данных радиоканалов при совместном воздействии взаимной и индустриальной помехи.
В работе также получены научно-обоснованные предложения по повышению помехозащищенности и устойчивости радиоканалов ЛДПС.
Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории формирования сплошных высокоточных полей ДП ГНСС ГЛОНАСС/GPS с учетом взаимных и индустриальных помех. Сформулированы качественные и количественные подходы к определению дальности передачи корректирующей информации в радиоканалах, подверженных воздействию взаимных и индустриальных помех. Совокупность разработанных теоретических положений представляет новое решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, прямо связанное с обеспечением безопасности судоходства на ВВП России, повышением качества мониторинга и управления транспортным процессом.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в разработке на базе теоретических исследований инженерных приложений и программного обеспечения, создании инструментария, предназначенных для учета влияния взаимных и индустриальных помех при создании и мониторинге высокоточных радионавигационных полей ДП в структурах ЛДПС.
Реализация результатов работы. Прикладные результаты проведенных исследований, вошедшие в соответствующие отчеты по НИР, выполненных в
рамках Федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 - 2020 годы», успешно внедрены при разработке и создании ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/GPS, формирующих высокоточное радионавигационное поле в бассейнах Волги, Оби, Иртыша, Енисея и Амура, что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Научные положения, выносимые на защиту: 1 Концепция построения высокоэффективной ЛДПС ГНСС ГЛОНАСС/GPS, обеспечивающей целостное высокоточное поле дифференциальной поправки.
-
Методология оценки помехозащищенности и функциональной устойчивости дифференциальной подсистемы ГНСС ГЛОНАСС/GPS.
-
Вероятностные модели и алгоритмы расчета помехозащищенности радиоканалов речных ККС СВ/ДВ диапазона и БС АИС УКВ диапазона в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.
-
Научно-обоснованные предложения по изменению топологии комплексных функционально-устойчивых речных локальных дифференциальных подсистем на ВВП России с использованием алгоритмов расчета помехозащищенности радиоканалов в условиях воздействия взаимных и индустриальных помех.
-
Стратегия использования сложных сигналов для повышения помехозащищенности и устойчивости радиоканалов дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS.
Достоверность сформулированных научных положений подтверждается: системностью исследования и решения поставленных проблем и задач; использованием апробированного общенаучного математического аппарата, специальных, формальных и неформальных методов; выбором корректных, полных и объективных исходных данных; проведением сопоставительного анализа результатов программно-компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных систем передачи корректирующей информации СВ/ДВ и УКВ диапазона; корректностью и достаточным совпадением результатов теоретических расчетов с данными, полученными в ходе многолетних экспериментальных исследований и сопоставимостью этих результатов с данными, опубликованными известным учеными и специалистами в данной предметной области.
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: IX международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 28-29.12.2014); международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (Москва, 30.12.2014); международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке и образовании» (Москва, 25-28.02. 2015) а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры инфокоммуника-
ционных систем Морского и Речного флота Государственного университета Морского и Речного флота имени адмирала СО. Макарова в 2010-2015 годах.
Публикации. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы опубликованы в 22-х научно-технических изданиях, в том числе в трех монографиях, в 15-ти статьях в журналах, рекомендованных ВАК для докторантов, в статьях и тезисах докладов Международных и Российских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, приложение и состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения, содержит 287 страниц текста, в том числе 106 рисунков, 72 таблицы. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 138 наименований.
Синтез речной дифференциальной подсистемы на ВВП России
Отмеченная во введении потребность в повышении безопасности и эффективности навигации на ВВП России, а также перспектива включения РФ в Европейскую систему внутренних водных путей, привела к необходимости внедрения на территории нашей страны современных инфокоммуникационных технологий, создающих базу для развертывания иерархических КРИС. Данные системы предназначены для обеспечения эффективного управления движением судов и их мониторинга, а также обмена информацией между всеми организациями, участвующими в обеспечении движения судов, причем не только информацией, связанной с безопасностью движения, но и информацией о грузо- и пассажиропотоках [1].
КРИС является сложной развивающейся целенаправленной иерархической системой, относящейся к классу эргадических систем с автоматическим управлением [2]. В свою очередь, исследуемая в данной работе речная дифференциальная подсистема является составной частью иерархической КРИС. Поэтому ее эффективный синтез возможен только при комплексном рассмотрении всей системы в целом и ее внутренних связей между различными подсистемами.
В настоящее время не существует универсальной схемы поэтапного синтеза вышеуказанных систем, однако системный инженерно-кибернетический подход позволяет сформулировать перечень положений, способствующих успешной организации исследований концептуального и операционного характера [3].
Необходимость концептуального исследования обусловлена потребностью в описании основных свойств проектируемой подсистемы. При этом возникает необходимость в выделении системы (АСУ ДС), в которую входит дифференциальная подсистема, из метасистемы (КРИС) с обоснованием ее облика и свойств, определяющих потенциальную эффективность при достижении глобальной цели создания системы.
Для решения данной задачи необходимо описать внешнее дополнение, которое позволяет вычленить исследуемую систему из метасистемы и ограничить ее до системы, реализующей целевой процесс. Внешнее дополнение согласует цели системы и ее поведение с целями деятельности метасистемы [4].
Системная инженерно-кибернетическая методология базируется на научных положениях трех уровней: аксиомы, постулаты и гипотезы. При синтезе сложных систем чаще всего используются гипотезы. Выдвижение гипотез осуществляется при исследовании метасистемы, так как только на уровне метасистемы возможно теоретическое осмысление поведения системы низшего порядка. Выдвигаемые гипотезы поведения подсистемы являются одной из составляющих внешнего дополнения метасистемы. Таким образом, внешнее дополнение исключает произвол при выборе правил поведения системы, являясь логическим замыканием, которое обеспечивает высокую эффективность исследуемой системы.
Под эффективностью сложных систем понимают наиболее общее свойство, которое раскрывается через категорию цели и объективно выражается степенью ее достижения с учетом затрат ресурсов и времени [5].
При проведении теоретических исследований, направленных на повышение эффективности функционирования систем, по характеру решаемых задач последние подразделяются на три класса (рисунок 1.1.) [6].
Синтез речных дифференциальных подсистем на ВВП относится ко второму классу задач, для решения которых производится выработка вариантов построения системы, в которой поставленная цель достигается при минимуме потребных ресурсов. В нашем случае под ресурсом подразумевается мощность и количество передатчиков, необходимый частотный диапазон, численность и квалификация обслуживающего персонала и т. д. Эффективность реализации поставленной задачи зависит от степени информированности исследователя о внешних и внутренних факторах, характеризующих условия работы системы. На рисунке 1.2. представлена классификация факторов, определяющих эффективность функционирования информационных систем [7].
Факторы, определяющие эффективность функционированиясложных систем 1 " Условия функционированиясистемы Способностииспользования системы Свойствасистемы 1 " Наличие и характер ограничений на процесс функционирования; состояние и возможности инфраструктуры; природно-климатические условия;географическое положение; обеспеченость ресурсами; возможность и характер целенаправленною проти- распределение задач и ресурсов между элементами системы; пространственно-временная последовательность работ ; способы управления и планирования; способы связи и взаимодействия между элементами системы. устойчивость; управляемость;способность; самоорганизация. водействия. Рисунок 1.2. Факторы, определяющие эффективность функционирования систем
Среди факторов, представленных на рисунке 1.2. и определяющих условия функционирования системы, при проектировании речных дифференциальных подсистем на ВВП наибольшее значение имеют состояние и возможности инфраструктуры (наличие населенных пунктов, дорог), обеспеченность квалифицированной рабочей силой и ограничения по использованию частотного ресурса. Вторая группа факторов характеризует структуру и способы применения системы для реализации целевых процессов. Наконец, к третьей группе относятся факторы, определяющие качество системы.
Важнейшим качеством системы является ее устойчивость. Применительно к дифференциальной подсистеме это будет помехоустойчивость, исследованию которой в значительной степени и посвящена данная работа.
Управляемость - это способность системы оперативно реагировать на команды управления, которая определяется наличием устойчивых прямых и обратных связей.
Способность (А-качество) - это свойство, которое определяет возможности системы решать те или иные задачи. А-качество отражает потенциальную эффективность системы.
Самоорганизация отражает возможности системы изменять свою структуру, параметры, ориентацию поведения в целях повышения эффективности своих функций.
Количество выбираемых для оценки факторов исследователь выбирает исходя из наличия информации о свойствах системы, ее целевом назначении и условиях применения.
Целью концептуального исследования является установление общих тенденций развития изучаемого процесса, разработка совокупности целей и задач, принципов применения сложных технических систем. Данное исследование проводится с позиций метасистемы [8]. Алгоритм концептуального исследования следующий:
Критерии оценки помехозащищенности радиоканалов дифференциальных подсистем в условиях воздействия взаимных помех
Для электровоза Е0 = 66 дБмкВ/м; для пригородного электропоезда Е0 = 60 дБмкВ/м; для городского электротранспорта EQ = 50 дБмкВ/м. Из формулы (2.34) видно, что максимальное значение напряженность поля помехи имеет на частоте 150 кГц, а при увеличении частоты она убывает по логарифмическому закону.
Таким образом, для радиолиний речных ЛДПС наибольшие индустриальные помехи коммутационного типа будут создаваться в районах пересечения судовым ходом автомобильных и железнодорожных мостов, а также на участках, где предприятия с интенсивным использованием сварочного оборудования выходят прямо на набережную (судоверфи, ремзоны РЭБ и т. д.). При этом следует учитывать, что если вероятность появления автомобильного транспорта при прохождении судна под мостом практически всегда равна единице, то аналогичная вероятность при прохождении под железнодорожным мостом значительно меньше. А так как данная вероятность влияет на вероятность ошибки поэлементного приема дискретного сообщения (см. формулу (2.31)), то влияние автомобильного транспорта на помехозащищенность радиолиний речных ЛДПС будет значительно выше, чем железнодорожного [98].
Особенно сильно влияние помех, порождаемых системами зажигания, проявляется на частотах, превышающих 30 МГц, где эти помехи преобладают над всеми другими коммутационными помехами. На частотах же, меньших 30 МГц, преобладающими обычно являются коммутационные помехи, порождаемые контактными сетями электротранспорта и сварочной аппаратурой. В свою очередь, на частотах менее 30 МГц, в зонах пересечения судового хода воздушными ЛЭП уровни напряженности поля помех от коронного разряда значительно превосходит все виды коммутационных помех.
Коронные разряды на поверхности проводов ЛЭП возникают в том случае, когда напряженность электрического поля на них превышает пробивную напряженность для воздуха. Хотя ЛЭП проектируются таким образом, чтобы при нормальных условиях напряженность поля на поверхности проводов не превышала пробивную, но любая неровность и повреждения на их поверхности (царапины, заусенцы, загрязнение, наличие капель воды) приводит к местному увеличению напряженности электрического поля и, как следствие, к возникновению местного коронного разряда. Пробой воздуха при этом сопровождается вызывающими потери энергии акустическими шумами и свечением, вибрацией провода, выделением озона и других веществ, а также существенными радиопомехами.
Механизм образования короны и сопутствующего ей радиошума имеет следующий вид. Когда напряженность электрического поля на проводах достигает критической величины, часть свободных электронов, непрерывно образующихся в следствие фотоионизации, в результате разгона в электрическом поле приобретают кинетическую энергию достаточную для того, чтобы при столкновении с атомами выбивать из них новые свободные электроны. Такой лавинообразный процесс возрастания числа свободных электронов называется ударной ионизацией. Критическая напряженность поля на поверхности проводника, приводящая к возникновению коронного разряда, определяется законом Пика [99] где /о - ток естественной проводимости воздуха; d - длина участка; а - первый ионизационный коэффициент Таунсенда, определяющий количество электронов, образующихся при движении единичного электрона в поле пробоя на пути в 1 см и зависящий от напряженности поля, давления и влажности воздуха и других внешних условий. Кроме того, образующиеся положительные ионы выбивают с поверхности проводника новые электроны (вторичная ионизация). Тогда общий ток коронного разряда будет определяться выражением
При столкновении с быстрым электроном атом переходит в возбужденное состояние. В дальнейшем возбужденный атом возвращается в свое нормальное состояние с выделением избытка энергии в форме свечения (видимая корона) и электромагнитных волн (радиошум).
При переменном напряжении в ЛЭП коронный разряд может существовать в промежутки времени, когда выполняется условие (рисунок 2.9)
Знак заряда ионов, движущихся из зоны ионизации во внешнюю зону, совпадает со знаком мгновенного значения напряжения на коронирующем проводе. Таким образом, в зоне коронного разряда начинают преобладать ионы, создающие все возрастающее поле объемного заряда, которое компенсирует первичное поле токов проводимости в проводах. Суммарная напряженность снижается и в определенный момент, когда будет выполняться условие разряд прекращается, теряющие скорость электроны поглощаются атомами, напряженность поля возрастает и процесс повторяется вновь.
Таким образом, коронный разряд представляет собой последовательность импульсов. При этом форма, амплитуда и частота импульсов короны зависят от формы и размеров неоднородностей на поверхности проводников, а также от амплитуды фазового напряжения в линии. Причем увеличение амплитуды напряжения повышает частоту и уменьшает амплитуду импульсов.
Так, для ЛЭП 500 кВ амплитуда тока импульсов достигает 0.25 А, частота следования лежит в пределах 200-К2000 Гц, а период следования соответственно - 5- 50 мс. При этом длительность импульса лежит в пределах 5 -100 не. Следовательно, скважность этих импульсов столь велика, что серию импульсов короны можно рассматривать как одиночные импульсы с соответствующим спектром частот (рисунок 2.10).
На рисунке показан спектр коронного разряда ЛЭП в базовой точке (20 м от проекции на землю ближайшего провода) в сравнении со спектром нормированного прямоугольного импульса длительностью т = 100 не и площадью (А-т), равной единице. Как показывают многочисленные исследования [99], спектр коронного разряда ЛЭП с достаточной для практических целей точностью совпадает со спектром прямоугольного импульса. Кроме того, в диапазоне частот до 1 МГц спектральная плотность радиопомех от коронного разряда практически соответствует спектральной плотности белого шума. {ЛЩ f, МГц
Допустимый уровень радиопомех в хорошую погоду составляет 40 дБмкВ/м на расстоянии 20 м от проекции на землю крайнего провода линии электропередачи напряжением 220 кВ и выше. Следует также отметить, что, так как одной из причин локального повышения напряженности поля на проводах являются капли воды, снежинки и льдинки, то в дождливую погоду, при обледенении и снегопаде интенсивность радиопомех по сравнению с сухой погодой значительно возрастает. В то же время пар, содержащийся в воздухе, уменьшает кинетическую энергию свободных электронов, поэтому интенсивность радиопомех во влажном воздухе значительно меньше, чем в сухом.
На частотах 30 МГц и выше сколько-нибудь существенные помехи радиоприему как правило возникают только вблизи ЛЭП с напряжением 750 кВ и выше. Эти помехи обусловлены пробоем в зазорах между незаземленными проводящими элементами ЛЭП [100]. Не соединенные между собой проводящие детали ЛЭП, находящиеся в сильном электрическом поле высоковольтных ЛЭП, электрически заряжаются. В результате возникает большая разность потенциалов между смежными проводящими деталями. При малом расстоянии между этими элементами напряженность поля в пространстве между ними может достичь критического уровня и привести к полному пробою зазора. Лавинная ионизация обусловливает появление дуги и происходит разряд в зазоре. После этого разность потенциалов между обеими сторонами зазора падает до низкого значения и дуга гаснет. Частота повторения пробоя зависит от постоянных времени заряда и разряда паразитной цепи, величины напряженности окружающего электрического поля, а также от размеров зазора. Она колебаться от сотен до нескольких тысяч Герц. Особенностью разрядных импульсов является большая крутизна переднего фронта, что и приводит к возникновению гармоник в широком диапазоне высоких частот.
Как показывают исследования [101], амплитуда напряженности поля помех от искрения в зазорах в базовой точке в полосе частот 1-И00 МГц меняется незначительно и в среднем на 10 дБ меньше амплитуды напряженности поля помех от коронного разряда. После 100 МГц она начинает резко падать и для ЛЭП-750 на частоте 1 ГГц снижается до -10 дБ/мкВ/м (рисунок 2.11).
Анализ характера и интенсивности индустриальных помех на расчетном участке в бассейне Волги
Как было установлено в предыдущем параграфе, в полосе частот на границе СВ/ДВ диапазона, в которой работают ККС речной ЛДПС, среди индустриальных помех преобладающее влияние имеют помехи от коронного разряда ЛЭП, а также коммутационные помехи контактной сети электротранспорта. Источники этих помех имеют локальный характер, располагаясь вдоль ЛЭП и железнодорожных, трамвайный и троллейбусных путей соответственно.
Основная энергия помех от сварочной аппаратуры, автомобильных систем зажигания и помех от искрения в зазорах токоведущих частей ЛЭП находится в полосе частот, расположенных в стороне от полосы, выделенной для ККС речных ЛДПС. Поэтому, с учетом незначительной начальной амплитуды помехи, в полосе 283.5 -325 кГц амплитуда напряженности поля помех данных типов будет ниже чувствительности судового приемника
Как уже отмечалось выше, вероятность появления электропоезда на железнодорожном мосту при прохождении под ним судна значительно меньше единицы, поэтому, согласно выражению (2.31) влияние данных помех на вероятность ошибки поэлементного приема цифрового сообщения будет невелико. Поэтому в ряде случаев для учета влияния индустриальных помех на защищенность радиолиний ККС ЛДПС можно ограничиться рассмотрением помех от коронных разрядов ЛЭП, однако для оценки сверху может быть рассмотрено суммарное влияние этих помех.
В нормативно-технической документации в полосе частот 0.05 -1.6 МГц на расстоянии менее чем -ту—т-, где/- частота (МГц), коэффициент затухания в поперечном направлении принят равным 1.65. На больших расстояниях он убывает к единице по логарифмическому закону. Базовая напряженность поля помех измеряется на расстоянии 20 м от проекции на горизонтальную плоскость ближайшего провода. Для частот, выделенных для ККС речной ЛДПС (300 кГц), расстояние, при котором коэффициент затухания может быть принят равным единице, составляет около 150 м.
Таким образом, подставляя значения базовой напряженности для ЛЭП различного номинала в выражение (2.35), можно найти напряженность поля радиопомехи от коронного разряда в любой расчетной точке на расстоянии R от источника помех.
Так как спектральная плотность помехи от коронного разряда в полосе частот полезного сигнала практически постоянна, то данную помеху можно рассматривать как флуктуационный белый гауссовский шум b,K(t) с плотностью вероятности v [102]. Следовательно, смесь сигнала и помех на входе приемника для радиоканала ККС-судно, с учетом выражения (2.7), можно представить в виде /г(0 = ц г( ,ф) + у„ (0 + ) + Ш, т С2-36) к=\ Тогда для расчета помехозащищенность радиоканала ККС на линии судового хода речной ЛДПС можно воспользоваться методикой, изложенной в параграфе 2.2. Только при вычислении энергетики сигнала в канале с флук-туационным и индустриальным шумами по формуле (2.3) вместо спектраль 103 ной плотности флуктуационного шума V2 необходимо использовать сумму спектральных плотностей флуктуационного шума V2H шума коронного разряда v2 (г)
Для вычисления v2(r) используется следующий алгоритм: - из таблицы 2.1. выбираем среднестатистическое значение базовой напряженности поля помехи коронного разряда Е$ для ЛЭП соответствующего номинала в условиях дождя (рассматривается худший случай); - подставляя полученное значение в формулу (2.35), находим напряженность поля помехи коронного разряда в расчетной точке водного пути Е(г); - по формулам (2.19) и (2.20) находим мощность Рк помехи от коронного разряда на входе приемника; - так как спектральная плотность помехи от коронного разряда в полосе частот полезного сигнала практически постоянна, то ее величина будет определяться выражением {r)=PWF, (2.38) где F - полоса частот сигнала. Подставляя найденное значение энергетики сигнала из формулы (2.37) в выражение (2.21), найдем вероятность ошибки поэлементного приема двоичного фазоманипулированного сигнала на фоне фазоманипулированной взаимной помехи и помехи от коронного разряда ЛЭП, а также флуктуационного шума при некогерентном приеме и незамирающем сигнале и замирающими по реле евскому закону взаимными помехами. При этом h3 будет определяться выражением hi Единственное его отличие от выражения (2.6) состоит в том, что в формуле (2.37) для энергетики сигнала теперь входит не только спектральная плотность флуктуационного белого гауссовского шума, но и спектральная плотность помехи от коронного разряда ЛЭП.
Метод оценки помехозащищенности радиоканалов ЕС АИС при воздействии индустриальных помех
В полосе частот, выделенных для радиоканалов речной подсистемы АИС, как следует из п.2.3.1, среди индустриальных помех наибольшее влияние будут оказывать помехи от систем зажигания автомобильных двигателей. Из выражения (2.33) следует, что на частоте 162 МГц напряженность поля помех от одного автомобиля на расстоянии 10 м составит 37 дБмкВ/м.
В тоже время спектры помех от коронного разряда ЛЭП, от сварочной аппаратуры и контактной электросети далеки от частотного диапазона, выделенного для радиоканалов речной подсистемы АИС, и потому не будут оказывать заметного влияния на качество приема сигнала. Напряженность поля помех от искрения в зазорах токоведущих частей ЛЭП на частоте 162 МГц снижается до 10 дБмкВ/м, то есть уровень помехи в базовой точке на расстоянии 20 м будет находиться на границе чувствительности приемника.
Помехозащищенность радиоканалов в условиях индустриальных помех
Особенностью подстилающей поверхности бассейнов среднего и нижнего течения рек Сибири, таких как Обь, Иртыш и Енисей, а также среднего и нижнего течения Амура на территориях Хабаровского края и Амурской области является наличие значительного процента очень влажных и заболоченных почв и открытых болот.
Для них при длине волны Х= 1000 м пределы изменения вещественной части относительной диэлектрической проницаемости в выражении (1.10) со-ставляют s = 20-К30, а удельная электропроводность лежит в пределах о = 10 - 10 с" , что соответствует изменению мнимой части относительной диэлек-трической проницаемости в пределах s = 2000- 7000.
Следовательно, для сильно увлажненных почв и болот относительная диэлектрическая проницаемость будет носить чисто мнимый характер, то есть токами смещения при определении вторичного электрического поля можно пренебречь и учитывать только токи проводимости. Этот факт значительно упрощает решение уравнения Хаффорда при определении функции ослабления.
Благодаря хорошему увлажнению подстилающей поверхности, размеры зон действия ККС, в которых обеспечивается устойчивых прием сигнала, в бассейнах рек Сибири и Дальнего Востока значительно превышают аналогичные зоны в бассейне рек ЕГС Европейской части Р - 400 км. Поэтому, несмотря на значительные площади судоходных бассейнов рек Сибири, сплошное высокоточное поле ДП обеспечивается практически тем же количеством станций, что и в меньших по площади судоходных бассейнах рек ЕГС Европейской части РПри вышеуказанных значениях относительной диэлектрической проницаемости, параметр s в уравнении Хаффорда будет изменяться в пределах 4 10" - 4 10" км" . При таких значениях параметра s, в значительной части диапазона расстояний от ККС до судового приемника численное расстояние будет много меньше единицы, и функция ослабления W, определяемая уравнением Хаффорда, будет стремиться к единице, что соответствует идеально проводящей почве.
Поэтому, для значительного диапазона расстояний от источника сигнала, болотистую почву можно считать идеально проводящей, а функцию ослабления равной единице, что значительно облегчает вычисление помехоустойчивости в районах действия локальных индустриальных помех на расстояниях до 100 км от источника сигнала. В то же время, для судоходной части верхнего течения Оби, Иртыша и Енисея, а также в забайкальской части Амура, в степной зоне, характерно наличие сухих и слабовлажных почв, для которых значения относительной диэлек t трической проницаемости лежат в пределах s = 5 -10, а удельной электропро 7 Я 1 водности - в диапазоне о=10 - 10 с" . В этих зонах аппроксимация подстилающей поверхности идеально проводящей почвой приводит к недопустимо большим погрешностям в определении напряженности поля ДП, поэтому даже при небольших расстояниях до источника сигнала (порядка десятков километров) для определения функции ослабления необходимо решать уравнение Хаффорда для плоской или сферической поверхности.
В качестве объекта для реализации разработанной методики исследуем помехозащищенность перспективных цепочек ККС ЛДПС в зонах ответственности ФБУ «Енисейречтранс», ФБУ «Амурводпуть», ФБУ «Администрация Обь-Иртышского бассейна внутренних водных путей» и ФБУ «Администрация Обского бассейна внутренних водных путей».
Передача корректирующей информации по каналу ККС - судно осуществляется в диапазоне частот на границе в СВ и ДВ (283.5 -К325.0 кГц). Мощности передатчиков всех ККС 400 Вт. Чувствительность судового приемника 10" Вт.
Топология цепочки ККС в зоне ответственности ФБУ «Енисейречтранс» носит линейный характер, что объясняется выраженным меридианальным направлением течения Енисея, а также малой длиной судоходной части его при 163 токов [121]. Поэтому топология поля ДП характеризуется малыми площадями областей пересечения зон действия двух соседних ККС и практически полным отсутствием областей пересечения трех зон действия станций. Исключение составляет район Ангары в зоне ее впадения в Енисей. Здесь наблюдается пересечение зон действия трех соседних станций (рисунок 4.1).
Основные индустриальные помехи сосредоточены в зоне действия ККС Красноярск. Наиболее сложная помеховая обстановка на Енисее складывается на участке водного пути от Красноярска до Енисейска и на Ангаре на участке водного пути от п. Рыбное до ее впадения в Енисей.
Перечень ККС в зоне ответственности и ФБУ «Амурводпуть» и их предполагаемые данные, полученные в работе [120], приведены в таблице 4.2. Таблица 4. № Название ККС Координаты Частота
Топология цепочки ККС в зоне ответственности ФБУ «Амурводпуть» характеризуется отсутствием областей пересечения зон действия трех соседних ККС. Области пересечения двух соседних станций невелики. Наибольшие индустриальные помехи наблюдаются на Амуре в районе Хабаровска и Комсомольска-на-Амуре. Наиболее сложная помеховая обстановка на Амуре складывается на участке водного пути от впадения в Амур Уссури до Софийска (рисунок 4.2).