Библиографическое описание:

Тюфанова А. А. Применение генератора колебаний с хаотической несущей в технических средствах системы управления движением судов [Текст] // Актуальные вопросы технических наук: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Краснодар, февраль 2017 г.). — Краснодар: Новация, 2017. — С. 35-37. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/229/11699/ (дата обращения: 16.12.2017).



Рассмотрена возможность применения генератора колебаний с хаотической несущей в технических средствах системы управления движением судов.

Ключевые слова: динамический хаос, генератор, технические средства, система управления движением судов

Основными видами технических средств системы управления движением судов (СУДС), обеспечивающих получение информации о состоянии акватории, навигационной обстановке и судах в районе действия СУДС, а также взаимодействие СУДС с участвующими в ее работе судами, являются:

– средства голосовой ОВЧ радиосвязи с судами;

– береговые радиолокационные станции;

– автоматическая информационная (идентификационная) система;

– системы телевизионного наблюдения;

– ОВЧ пеленгаторы;

– метеорологические и гидрологические приборы;

– база данных СУДС.

Функционально структура СУДС подразделяется на подсистемы: сбора информации, дистанционного управления и передачи информации, обработки и отображения информации, связи (рис. 1).

Подсистема сбора информации играет ключевую роль в СУДС, обеспечивая получение данных о местонахождении судов, а также вспомогательной информации (гидрометеорологической, оперативной и т. п.). Основу подсистемы сбора информации формируют БРЛС, по эхо-сигналам которых определяются координаты судов и их элементы движения. Эта подсистема дополнена телевизионной системой наблюдения, а также автоматической идентификационной системой и различными информационными датчиками.

Подсистема дистанционного управления и передачи информации обеспечивает трансляцию сигналов радиолокационного изображения дистанционных БРЛС в ЦСУДС и в обратном направлении — сигналов управления этими БРЛС и другой аппаратуры. В подсистеме применяются радиорелейные линии, однако в последние годы для этой цели все чаще используются и наземные линии связи, передающие цифровой сигнал.

Рис. 1. Функциональная схема СУДС

Подсистема обработки и отображения информации выполняет первичную и вторичную обработку радиолокационных сигналов всех БРЛС, входящих в структуру СУДС, анализ навигационной ситуации, формирование синтезированного изображения окружающей обстановки и отображение этой обстановки на различных средствах индикации (дисплеи компьютеров, графические дисплеи, текстовые дисплеи, и т. п.).

Подсистема связи обеспечивает взаимодействие между судном и оператором СУДС и состоит из различной аппаратуры радиосвязи, работающей в УКВ-диапазоне [1].

На основании Приказа Министерства транспорта РФ от 23.07.15 г. № 226 «Об утверждении Требований к радиолокационным системам управления движением судов, объектам инфраструктуры морского порта, необходимым для функционирования Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности, объектам и средствам автоматической информационной системы, службе контроля судоходства и управления судоходством» в технических средствах СУДС должны быть предусмотрены меры по защите информации от потерь, повреждений и несанкционированного использования.

Таким образом, решение проблем обеспечения надежной, стабильной и устойчивой работы технических средств СУДС, возможности предсказания их поведения на сегодняшний день являются важными и актуальными.

Если несколько десятилетий назад эффект возникновения хаотических колебаний в технических средствах считался «вредным», то сейчас эффект хаотизации — научно обоснованное явление фундаментальной значимости, которое представляет собой возникновение в нелинейных динамических системах сложных непериодических колебаний с непрерывным спектром, применяемое во многих областях науки и техники: электротехнике, строительстве, гидродинамике, робототехнике, телекоммуникации, криптографии, электронике, системах управления, транспортных и медицинских системах [2].

Причинами появления хаоса в системах являются не шумы и внешние факторы, а собственная динамика нелинейной системы, поэтому существует возможность применения хаотических колебаний при создании новых технологий, в частности, применение хаотических колебаний в качестве несущих для передачи информации. Известно несколько способов введения полезного информационного сигнала в хаотическое несущее колебание, что значительно повышает степень защиты системы связи и предотвращает перехват передаваемой информации несанкционированным абонентом. При этом отсутствует необходимость использования дополнительного шифрующего устройства, так как защита передаваемой информации обусловлена особенностями самой системы связи с хаотическим несущим колебанием. В большинстве современных систем связи в качестве носителя информации используются гармонические колебания. Информационный сигнал в передатчике модулирует эти колебания по амплитуде, частоте или фазе, а в приемнике информация демодулируется. Аналогично можно промодулировать хаотический сигнал информационным сигналом. Если в случае гармонической несущей управляемых параметра всего три, то в случае хаотической несущей даже небольшое изменение параметра дает надежно фиксируемое изменение характера колебаний.

Вместе с тем, существует ряд проблем, связанных с тем, что в передатчике и приёмнике необходимо использовать прецизионные электронные компоненты, в противном случае даже при небольшом разбросе параметров элементов, резко ухудшаются характеристики системы связи, и восстановление полезного сигнала из его смеси с хаотической несущей становится весьма затруднительным. В настоящее время проводятся исследования по разработке прямохаотических систем связи и передачи информации, которые лишены указанного выше недостатка. Роль несущего сигнала в данном случае играет не непрерывный сигнал, а последовательность хаотических импульсов.

Другой перспективной областью применения колебаний с хаотической несущей является разработка радиолокационных (РЛС) и дальномерных систем с повышенным разрешением по дальности, которое может достигать нескольких миллиметров. Среди преимуществ данных типов радиолокаторов — возможность снижения мощности передатчика по сравнению с РЛС, использующими в качестве зондирующего сигнала последовательность коротких импульсов. Ширина спектра зондирующего сигнала в данном случае определяется не длительностью импульса, а характеристиками заполняющего хаотического радиосигнала. Вследствие слабой коррелированности генерируемых хаотических сигналов при незначительном изменении начальных условий, существует возможность одновременной работы нескольких РЛС в одних и тех же частотном диапазоне и области пространства при сохранении высокой электромагнитной совместимости. Важным преимуществом хаотических РЛС является сложность установления целью самого факта обнаружения и захвата, так как объект в данном случае облучается сигналом, близким по своим свойствам к случайному процессу, то есть шуму.

Ключевым элементом всех перечисленных радиотехнических систем является генератор колебаний с хаотической несущей (ГКХН). Именно он определяет подавляющее большинство интегральных параметров системы [3].

Для успешного решения каждой конкретной прикладной задачи более строгие требования предъявляются в первую очередь к тем или иным свойствам хаотического сигнала (статистическим, корреляционным, спектральным и т. д.) и параметрам самого ГКХН. Однако к устойчивости хаотического режима, равномерности шумового спектра и прочим важным параметрам источника хаотического сигнала непременно предъявляются высокие требования вне зависимости от назначения устройства.

В настоящее время источники хаотических колебаний разрабатываются на основе различных нелинейных элементов: биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, диодов с накоплением заряда, варакторов, диодов Чуа и лавинно-пролетных диодах, ферромагнитных плёнок и т. д. Достижения в области создания интегральных схем на основе высокочастотных транзисторов позволяют предположить, что в ближайшем будущем будут разработаны шумовые источники в интегральном исполнении, способные работать на частотах вплоть до 20–30 ГГц. Подобные устройства в настоящее время способны работать в частотном диапазоне вплоть до нескольких гигагерц [4], но выходная мощность таких приборов, как правило, мала, а коэффициент полезного действия (КПД) не превышает нескольких процентов.

ГКСХН являются относительно простыми устройствами, способными порождать сложные непериодические колебания, которые полностью определяются свойствами самой динамической системы. Поэтому, ГКСХН обладает следующими свойствами:

– способность в одном устройстве реализовать большое количество различных динамических режимов;

– возможность управления хаотическими режимами путём малых изменений параметров системы;

– большая информационная ёмкость;

– разнообразие методов ввода информационного сигнала в хаотический;

– увеличение скорости модуляции по отношению к модуляции регулярных сигналов;

– возможность самосинхронизации передатчика и приёмника; нетрадиционные методы мультиплексирования;

– обеспечение конфиденциальности при передаче сообщений.

Кроме того, колебания с хаотической несущей обладают рядом свойств, которые могут быть полезны при передаче и обработке информации:

– возможность получения сложных колебаний с помощью простых по структуре устройств, при этом в одном устройстве можно реализовать большое количество различных хаотических мод;

– управления хаотическими режимами путем малых изменений параметров системы;

– увеличения скорости модуляции по отношению к модуляции регулярных сигналов за счет чувствительности хаотической системы к внешним возмущениям;

– повышения уровня конфиденциальности при передаче сообщений.

Немаловажное свойство хаотических сигналов состоит в том, что в них можно вводить информационные сигналы с полосой, достигающей по ширине полосы самих хаотических сигналов, практически без изменения полосы и формы спектра последних. Тем самым, появляется возможность достаточно простой реализации не только широкополосных, но и сверхширокополосных радиотехнических систем.

Для повышения разнообразия динамических режимов ГКСХН и стойкости к взлому систем передачи данных требуется повышение сложности вида нелинейной передаточной характеристики соответствующего элемента в ГКСХН. Например, замена квадратичной (параболической) нелинейности некой комбинацией (композицией) парабол.

Очевидно, что популярность детерминированного хаоса в области прикладных исследований в дальнейшем будет возрастать. Для оптимизации процесса разработки ГКХН с требуемыми характеристиками необходим простой и точный инструмент для моделирования устройств со сложной динамикой на стадии их разработки, иначе процесс разработки сведётся к методу последовательных приближений — изготовлению нового экспериментального макета путём исследования и корректировки предыдущего.

Литература:

  1. Тюфанова, А. А. Методика анализа эксплуатационной надежности технических средств системы управления движением судов на примере порта Новороссийск/ А. А. Тюфанова. — Казань: Изд-во «Бук», 2015. — 104 C.
  2. Banerjee, S. Applications of chaos and nonlinear dynamics in engineering/ S.Banerjee, M.Mitra, L.Rondoni/ Vol.1.-Springer, 2011.-348 p.
  3. Магницкий, Н. А. Теория динамического хаоса//М.: ЛЕНАНД, 2011. — 320 С.
  4. Rondoni, L. Applications of chaos and nonlinear dynamics in engineering /S.Banerjee, L.Rondoni/ — Vol.3.-Springer, 2013.-297 p.
Основные термины (генерируются автоматически): управления движением судов, хаотической несущей, хаотических колебаний, системы управления движением, хаотических сигналов, технических средствах, системы связи, технических средствах системы, средствах системы управления, генератора колебаний, применения хаотических колебаний, возникновения хаотических колебаний, технических средствах СУДС, применение хаотических колебаний, технических средств системы, источники хаотических колебаний, средств системы управления, технических средств СУДС, случае хаотической несущей, Функциональная схема СУДС.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос