Проблемы улучшения электромагнитной защищённости информационных каналов (ЭМЗИК) широкозонных дифференциальных подсистем (ШДПС) в АСУДС

НА ГЛАВНУЮ

Фам Ки Куанг,

аспирант Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

На точность радиосигнала ШДПС в автоматизированной системе управления движением судов (АСУДС) влияет множество факторов. Они связаны с характеристиками используемых сигналов, среды распространения, исходных данных и т. д. Радиоволны, проходя через земную атмосферу, претерпевают заметное поглощение. При этом на разных частотах поглощение различное.

Суммарное ослабление энергии радиосигнала ШДПС L_∑ состоит из ослабления сигналов в свободном пространстве L₀ и дополнительных потерь L_доп в атмосфере Земли.

(1)

Ослабление L₀ зависит от длины волны λ и расстояния r между передающей и приемной антеннами.

(2)

Ослабление радиоволн в атмосфере Земли обусловлено относительно постоянным поглощением энергии молекулярным кислородом и водяным паром, а также сильно изменяющимся поглощением атмосферными осадками (туман, дымка, дождь) и поглощением энергии свободными электронами в атмосфере. Дополнительные потери L_доп в атмосфере Земли определяются по формуле [1]:

(3)

где γ_к и γ_в - коэффициенты поглощения в кислороде и водяных парах (дБ/км); γ_r - удельное поглощение дождем (туманом, дымкой); r₁ и r₂- эффективные протяженности трассы через атмосферу, которые зависят от толщины атмосферы, угла места γ и высоты земной станции h.

Поглощение на низких частотах обусловлено влиянием возмущенного Солнца в средних широтах. Минимум поглощения находится в диапазоне частот от 100 МГц до 6 ГГц, что практически совпадает с «радиоокном» по шумам. Полное совпадение имеет место для частот, соответствующих середине «окна», - 4-6 ГГц. На этих частотах поглощением в атмосфере можно пренебречь и считать, что затухание энергии сигнала между Землей и спутником определяется условиями распространения радиоволн в свободном пространстве.

Одной из особенностей систем космической связи через спутник-ретранслятор является возникновение эффекта Доплера из-за движения спутника относительно наземной станции. В результате этого в точке приема наблюдается деформация спектра сигнала и изменение несущей частоты. Доплеровское смещение частоты Δf_д = f - f₀, где f₀ - частота излучаемых колебаний, f - частота принимаемых колебаний:

Вследствие высоких скоростей движения спутника может быть значительным доплеровский сдвиг частот, который необходимо учитывать при определении полосы пропускания земных и бортовых приемников. В системах связи через спутник сигнал проходит большое расстояние, это приводит к его задержке или запаздыванию. Эта задержка изменяется во времени и определяется по формуле [2]:

(4)

где R - радиус Земли, Н - эффективные протяженности трассы через атмосферу, С - скорость света.

В спутниковых системах связи может использоваться частотное и временное разделение сигналов. При этом возможны взаимные и импульсные помехи. Основными причинами появления взаимных помех являются:

1) погрешность при формировании сигналов заданной формы на передающем конце;

2) искажения сигналов, вносимые самой линией;

3) несовершенство разделяющих устройств.

При частотном разделении сигналов исходят из того, что сигнал данного канала занимает ограниченную полосу частот и что на приемном конце имеется фильтр, способный выделит эту полосу. Но реальный сигнал всегда имеет конечную длительность и, следовательно, должен иметь спектр бесконечной протяженности. Таким образом, локализация спектра сигнала конечной длительности в конечной полосе частот принципиально невозможна. Если же искусственно ограничить спектр сигнала, то появятся искажения. Кроме того, реализовать идеальный фильтр, т.е. фильтр с бесконечно большим затуханием вне полосы пропускания, практически невозможно [3].

При временном разделении сигналов предполагается, что каждый элемент сигнала локализован по времени в пределах некоторого интервала и имеет вид импульса, равного нулю вне этого интервала. Но импульс конечной длительности имеет бесконечно широкий спектр, который не может быть передан по каналу связи с ограниченной полосой пропускания. Результатом ограничения спектра является расплывание импульсов во времени. При этом часть энергии импульса попадает в соседние интервалы. Таким образом, и при этом способе разделения сигналов возникают переходные помехи. Для обеспечения хорошего качества передачи приходится оставлять интервалы как по частоте, так и по времени с тем, чтобы снизить переходные помехи до допустимого уровня.

В целях обеспечения ЭМЗИК ШДПС радиолиний используются метод пространственно-временного разделения сообщений и соответствующий ему метод многостанционного доступа к ретранслятору отдельных наземных станций.

С точки зрения ЭМЗИК ШДПС чрезвычайно важно обеспечить минимальный поток излучения в обоих направлениях. Для этой цели используются два ретранслятора. Первый тип обеспечивает передачу только тех сигналов, которые содержат заранее определенную кодовую комбинацию. Этим достигаются три цели: устраняются посторонние абоненты, исключается бесполезный расход мощности передатчика спутника, очищается электромагнитная обстановка в линии “спутник-Земля”. Такой ретранслятор используется в случае большого числа наземных станций. Второй тип ретранслятора обеспечивает переключение сигналов, при котором каждый вход и выход связаны со своим лучом многолучевой антенны, а экранировка между лучами обеспечивается за счет применения волн с различной поляризацией. Это позволяет работать в одном и том же частотном диапазоне нескольким антеннам. Наименьшее расстояние, на которое можно разносить лучи двух антенн при допустимом уровне взаимных помех, зависит от формы луча и уровня боковых лепестков [3].

Информация может передаваться блоками или в свои временные окна, или комбинированным способом. Очевидно, что те области, где сосредоточено наибольшее количество станций, должны получать пространственный ресурс раньше и на более длительный срок. При этом необходимо располагать картиной распределения станций по обслуживаемой спутником области, что возможно в результате обработки данных о местоположении отдельных станций с помощью управляющей асинхронной системы. При определенном насыщении станциями всей обслуживаемой данным спутником области их следует разнести по частотным стволам, отдавая каждому свой луч от многолучевой фазированной антенной решетки (ФАР). К основному достоинству больших ФАР относится безынерционное качание луча. Для ФАР активно используются возможности взаимокорреляционной обработки сигналов от отдельных датчиков, в частности, используется схема с перемножением.

Можно отметить следующие основные направления помехоустойчивости спутниковой аппаратуры судов [2, 3]:

- использование внешних или внутренних обнаружителей помех;

- создание специальных схем подавления помех (фильтров, развязок и т.д);

- использование алгоритмов сглаживания кодовых измерений с привлечением измерений несущей фазы;

- использование управляемой пространственной избирательности синтезируемых антенных систем, в том числе с “нулями” в направлении на помеху;

- использование информации автономных и других систем на борту судов для сужения полосы пропускания следящих трактов приемников в спутниковой радионавигационной системе (СРНС);

- интегранция аппаратуры СРНС с такими автономными средствами, как интерциальная навигационная система и т.д;

- построение с помощью методов мажоритарной логики новых кодов для перспективных широкополосных сигналов, позволяющих повысить помехоустойчивость системы.

Литература

1. Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1993. - 406 с.

2. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения - М.: Эко-Трендз, 2003. - 326 c.

3. Вишневский Ю.Г., Пащенко И.В. Обеспечение электромагнитной защищённости информационных каналов (ЭМЗИК) спутниковых радиолиний в АСУДС на ВВП. - Межвуз. cб. науч. трудов. Вып. 5. под ред. д.т.д. проф. А. А. Сикарева. - СПб.: СПГУВК, 2004.- С.49-55.

Поступила в редакцию 24.11.2008 г.