Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам

Методология создания локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

 

Терехин Сергей Николаевич

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ МЧС РОССИИ НА ОСНОВЕ РЕТРАНСЛЯЦИИ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной

противопожарной службы МЧС России

Научный консультант

доктор военных наук, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ

Артамонов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Иванов Александр Юрьевич;

доктор технических наук, профессор

Дюк Вячеслав Анатольевич;

доктор технических наук, доцент

Пророк Валерий Ярославович

Ведущая организацияа

ЗАО лАргус-Спектр

Защита состоится 22 декабря 2011 года в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.04 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан ааоктября а2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессора ааС.В. Шарапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Современные действия МЧС характеризуются решительностью целей, высокой динамичностью и маневренностью сил, широким применением новых технических средств. В настоящее время состояние и перспективы развития системы управления являются важнейшим показателем готовности МЧС, уровня их организационного и технического совершенства. Повышение качества, совершенствование форм, методов и организационных структур управления невозможно без использования последних достижений науки и техники, автоматизации всех основных управленческих процессов. Основным направлением совершенствования управления является широкое использование ГНС в составе систем мониторинга и навигации.

Глобальная навигационная система (ГНС) ГЛОНАСС, являясь национальным достоянием России, в ходе своего развития и совершенствования становится основой координатно-временного обеспечения нашего государства. Одновременно с мероприятиями по модернизации космической группировки ведутся работы по развитию наземного сегмента системы, в том числе средства функционального дополнения ГНС.

Существует широкий спектр задач координатно-временного и навигационного обеспечения для подразделений МЧС России, условий и областей применения навигационных технологий, в которых определения координат места и времени по ГНС невозможны или имеются высокие риски их срыва. В первую очередь это касается случаев затенений и отсутствия видимости навигационных космических аппаратов (сложный рельеф местности, городская застройка, тоннели, закрытые помещения, подводная и подземная среда), а также сложной электромагнитной обстановки, характерной для локальных зон и обусловленной радиопомехами индустриального и природного происхождения.

Отсутствие резервных по отношению к системе ГЛОНАСС (и другим ГНС) средств в указанных выше экстремальных условиях создает предпосылки для снижения безопасности транспортных операций и оперативности выполнения поисково-спасательных работ, сохранит риски в проведении других критически важных мероприятий.

В соответствии с Концепцией федеральной целевой программы Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012Ц2020 годы (ФЦП ГЛОНАСС-2020) предполагается развитие дополнительных подсистем, расширяющих свойства систем мониторинга мобильных объектов при неблагоприятных условиях наблюдения. Одной из таких подсистем является локальная система позиционирования. Своевременность создания предлагаемых средств определяется тем, что их серийное производство и внедрение в эксплуатацию может быть увязано по времени с обновлением орбитальной группировки системы ГЛОНАСС космическими аппаратами Глонасс-К и введением новых навигационных сигналов с кодовым разделением.

Несмотря на внушительный научный задел в указанной области исследований, методологические основы построения локальных систем позиционирования и применения ее в структуре системы управления МЧС России. В настоящее время не разработаны и находятся в стадии становления. Тем не менее, для создания таких основ сложились объективные предпосылки, к числу которых следует отнести: формирование общей концепции единого информационно-функционального пространства органов управления МЧС России; наличие обширного арсенала средств и технологий, обеспечивающих работу мобильных пользователей в информационно-телекоммуникационных сетях.

В совокупности это определяет актуальность темы настоящего диссертационного исследования, ав котором рассмотренаа проблема, имеющая значение для предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. В ходе исследования обосновывались и выбирались рациональные методы, принципы и технические решения по созданию локальных систем позиционирования на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная методологии создания локальных систем позиционирования на основе ретрансляции сигналов ГНС с помощью псевдоспутников (ПС), в интересах обеспечения действий подразделений пожарной охраны МЧС России, является актуальной.

Цель диссертационного исследованиясостоит в совершенствовании систем мониторинга и навигации подразделений пожарной охраны МЧС России

Проблема диссертационного исследования определяется несоответствием между существующим и требуемым положением дел в области навигационно-информационного обеспечения органов управления пожарной охраны МЧС России.

Решаемая в диссертации научная проблема - разработка методологических основ построения локальных систем позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России, применение которых позволит разрешить противоречие между потребностями должностных лиц органов управления МЧС в своевременном получении информации о позиционировании объектов в динамически изменяющейся обстановке и ограниченными возможностями существующей системы мониторинга и навигации.

Решению поставленной проблемы посвящена общая научная задача диссертации Ц разработка прикладной теории управления процессами и объектами в Государственной противопожарной службе МЧС России.

Для достижения сформулированной цели поставлены следующие основные задачи.

1. Анализ технологий мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций (ЧС), задач управления в системе МЧС России, отражающих состояние вопроса по использованию систем с ретрансляцией навигационных данных и навигационных систем на базе псевдоспутников.
2. Разработкаа алгоритмов обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов.
3. Обоснование принципов разработки и применения навигационных систем на базе псевдоспутников в интересах управления подразделениями пожарной охраны МЧС России.
4. Разработка предложений и организационно-технических решений по проведению натурного эксперимента с использованием псевдоспутников для решения навигационной задачи.

Объект исследования: Системы мониторинга и навигации подразделений пожарной охраны МЧС России.

Предмет исследования: методы позиционирования мобильных объектов на основе обработки ретранслированных сигналов ГНС.

Методы исследования:при выполнении работы применялись методы ретрансляции данных и измерительной информации, псевдодальномерные и радиально-скоростной методы измерения, методы ретрансляции навигационных данных для построения ретрансляторов для сигналов ГНСС с кодовым разделением, методы математического моделирования, теория вероятностей, теория сверхширокополосной технологии обработки сигнала, теория распространения сигналов в закрытых помещениях.

В ходе исследования обосновывались и выбирались рациональные методы, принципы и технические решения по созданию локальных систем позиционирования на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС.

Результатами диссертационного исследования, полученными автором лично и выносимыми на защиту в форме научных положений, являются следующие.

1. Системные особенности ретрансляции сигналов ГНСС ГЛОНАСС и особенностей распространения радиоволн различных частотных диапазонов в условиях прямой видимости и затенений от объектов искусственного и естественного происхождения.
2. Методы обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов пожарной охраны МЧС России.
3. Методологические принципы построения и применения локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России с применением ретрансляторов на основе псевдоспутников.
4. Методика разработки макета системы позиционирования са ретрансляцией сигналов ГНСС на базе псевдоспутников для подразделений пожарной охраны МЧС России и проведение натурных экспериментов для решения навигационных задач.

Научная новизна. Новизна работы заключается в том, что автор впервые разработал и обосновал методологию применения радиотехнических систем позиционирования подразделениями пожарной охраны МЧС России в закрытых помещениях. При этом к ключевым научным вопросам, исследованным в диссертации, следует отнести:

- выбор и обоснование критерия эффективности локальных систем позиционирования в решении задач ГПС МЧС России;

- анализ влияния эффекта многолучевости на точность определения места в закрытых помещениях и путей его компенсации;

- обоснование технических требований к системам позиционирования со стороны ГПС МЧС;

- рекомендации по практической реализации разработанных методов и методик.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов определяется острой необходимостью построения локальных систем позиционирования, их применения в структуре системы управления МЧС России и заключается в развитии высокоточных и экономичных средств поддержки системы ГЛОНАСС, обеспечивающих локальную поддержку её пользователей в зонах ответственных применений глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), в совершенствовании научно-методического аппарата создания локальных систем позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России на основе псевдоспутников - выработке конкретных практических рекомендаций по моделированию и исследованию таких систем, во внедрении научных результатов в практическую деятельность профильных научно-исследовательских и производственных организаций, в возможности расширения разработанных средств на другие практические приложения и другие области применения.

Реализация. Результаты диссертационного исследования реализованы в следующих организациях: Институт проблем транспорта имени Н.С. Соломенко Российской Академии Наук, ЗАО Аргус-Спектр, ООО Научно-производственное предприятие Спецпроект.

Научные результаты и разработанные в рамках диссертационного исследования: модели, методы и алгоритмы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России и Военно-морского института радиоэлектроники им. А.С. Попова (филиал ВУН - ВМФ ВМА).

Результаты диссертационного исследования могут быть использованы в опытно-конструкторских работах Ретранслятор и Псевдоспутник, включенных в перечень мероприятий проекта ФЦП ГЛОНАСС-2020.

Достоверность основных научных результатов диссертацииа обеспечивается: корректной постановкой и проведением исследования, правильным использованием системного подхода при анализе предметной области, корректным применением апробированного научно-методического аппарата, непротиворечивостью результатов экспертным оценкам и результатам других исследований.

Достоверность научных результатов подтверждается: достаточной апробацией основных положений диссертации, внедрением результатов диссертационных исследований в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Обоснованность научных результатов определяется строгой аргументацией основных положений и выводов, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследований, точным соответствием разработанных моделей требованиям руководящих документов.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на десяти международных и шести общероссийских научно-практических конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 1 монография, 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 34 сообщения в материалах научных конференций, научных журналах и сборниках научных трудов.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав и заключения общим объемом 280 страниц, включая список литературы, 98 рисунков, 21 таблиц.

Во введении обосновывается выбор темы диссертации, ее актуальность, цели, задачи, объект исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, апробация и результаты исследования, выносимые на защиту.

В первой главе произведен выбор и обоснование методов, принципов и технических решений ретрансляции сигналов ГНСС для обеспечения процессов управления МЧС России.

Во второй главе разработаны методы обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов пожарной охраны МЧС России.

В третей главе сформулированы методологические принципы построения локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России с ретрансляторами и особенности применения.

В четвертой главе предложена технология разработки локальной системы позиционирования подразделений МЧС России в закрытых помещениях зданий и сооружений.

В пятой главе разработаны методические рекомендации по разработке макета системы позиционирования са ретрансляцией сигналов ГНСС.

В заключении приводятся основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы диссертации, ее актуальность, цели, задачи, объект исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, апробация и результаты исследования, выносимые на защиту.

В первой главе Выбор и обоснование методов, принципов и технических решений ретрансляции сигналов ГНСС для обеспечения процессов управления МЧС России апроводится анализ структуры системы управления МЧС России,а осуществлен выбор и обоснование методов, принципов и технических решений ретрансляции сигналов ГНСС. Показано, что современные действия МЧС характеризуются решительностью целей, высокой динамичностью и маневренностью сил, широким применением новых технических средств.

В этих условиях резко увеличивается количество информации, которую должны перерабатывать органы управления для обеспечения обоснованности принимаемых решений.

Информационное обеспечение органов управления МЧС России осуществляется с использованием автоматизированной информационно-управляющей системы единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (АИУС РСЧС). Целями развития АИУС являются повышение оперативности, надежности, обоснованности и качества принятия управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС в России на основе развития информатизации и интеграции информационных ресурсов, широкой и всесторонней автоматизации процессов управления силами и средствами РСЧС.

Учитывая специфику МЧС России, как координатора, обеспечивающего взаимодействие органов государственного управления при решении задач в условиях чрезвычайных ситуаций, АИУС РСЧС должна занимать центральное место, объединяя информационные ресурсы автоматизированных систем МЧС России, осуществляющих сбор информации на всей территории Российской Федерации.

Единая дежурно-диспетчерская служба (ЕДДС) предназначены для приёма сообщений о пожарах, авариях, катастрофах, стихийных бедствиях и других чрезвычайных ситуациях от населения и организаций, оперативного реагирования и координации совместных действий ведомственных дежурно диспетчерских служб (ДДС), поисково-спасательных, аварийно-спасательных и противопожарных сил постоянной готовности в условиях чрезвычайных ситуаций, что позволяет обеспечить единое информационное пространство в звене РСЧС, повысить оперативность и эффективность реагирования на чрезвычайные ситуации.

Для эффективного решения задач ЕДДС используют средства автоматизации процессов передачи и обработки информации, организованные в виде территориально распределенной компьютерной сети.

В качестве абонентов сети выступают Национальный и региональные центры управления в кризисных ситуациях, ЕДДС субъектов Российской Федерации. Национальный и региональные центры управления в кризисных ситуациях имеют в своем составе локальные вычислительные сети, а ЕДДС может рассматриваться как компьютерная сеть регионального уровня.

Расширение круга задач РСЧС на современном этапе и увеличение требований к качеству их решения, необходимость повышения эффективности межведомственного и межгосударственного взаимодействия по вопросам ЧС, обусловили переход к новым технологиям управления, к концепции автоматизации управления РСЧС на основе центров управления в кризисных ситуациях. Система этих центров имеет иерархическую структуру (рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Система управления АУИС РСЧС

Важную роль при угрозе или возникновении ЧС играют дежурные и дежурно-диспетчерские органы городских (районных) служб. Дежурно-диспетчерские службы функционируют, как правило, в круглосуточном режиме и находятся в постоянной готовности к действиям по проведению необходимых экстренных мер по защите населения в ЧС. На этапе возникновения и в ходе ликвидации масштабной чрезвычайной ситуации возрастает необходимость координации действий дежурно-диспетчерских служб, а через них - действий сил и средств городского (районного) звена РСЧС, привлекаемых к аварийно-спасательным работам. Эта координация осуществляется в рамках единых дежурно-диспетчерских служб.

Рисунок 2 - Программно-аппаратный комплекс ЕДДС

Одной из важнейших задач, решаемых на каждом уровне иерархической системы управления МЧС России, является задача навигации и мониторинга. В общем случае навигационные системы используются в деятельности мобильных патрульных нарядов, пожарных и дежурных автомобилей, машин скорой помощи, боевых машин различного назначения, мобильных радиотехнических и радиоэлектронных систем, автотранспорта, воинских подразделений, а также одиночных сотрудников милиций и военнослужащих. Основными задачами навигации являются определение параметров положения и движения подвижных объектов и моментов времени, к которым они относятся, а также управление их движением для достижения конкретных целей оперативных служб. Однако существует ряд задач, выполнение которых осуществляется в закрытых помещениях, требует навигационной поддержки, но прием сигналов в этих условиях проблематичен, а порой и невозможен. Показано, чтоа наиболее перспективным направлением в этом случае является спутниковая навигация. Необходимость использования космических навигационных систем обусловлена в первую очередь недостатками традиционных систем, использовавшихся для этих целей. Так, методы навигации по естественным магнитным и гравитационным полям характеризуются относительно невысокой точностью. Астронавигационные системы подвержены возмущающему воздействию метеорологических факторов. Кроме того, при их использовании возникают трудности, связанные с автоматизацией процессов поиска, идентификации и слежения за звездами.

Космические навигационные системы обеспечивают глобальное непрерывное оперативное навигационно-временное определение параметров подвижных объектов на земной и водной поверхностях, в воздушном и ближнем космическом пространстве. Помимо задач определения параметров положения и движения подвижных объектов навигационные системы успешно решают задачи мониторинга территорий и различных технологических объектов.

Глобальные навигационные спутниковые системы при сегодняшних темпах развития информационных технологий и технических средств их воплощения имеют высокие тактико-технические и эксплуатационные характеристики.

В то же время глобальные навигационные спутниковые системы наряду с очевидными преимуществами - глобальностью и высокой точностью определения местоположения объектов - обладают существенными недостатками.

Один из недостатков систем ГНСС заключается в ограниченной возможности использования этих систем в условиях, когда исключена прямая видимость спутников - в городских условиях, в глубоких горных выработках, в закрытых помещениях, в зданиях, в тоннелях и т.д. Поэтому важныма направлением являются исследования возможности применения систем навигации в перечисленных областях применения с использованием псевдоспутников. Повышение точности и надежности местоопределения при использовании псевдоспутников обеспечивается за счет ретрансляции адаптированного к конкретным условиям распространения сигнала и отсутствие эфемеридных и ионосферных погрешностей. В главе рассмотрены принципы ретрансляции сигналов и их использование в спутниковой радионавигации.

В общем случае назначение псевдоспутников заключается в создании в локальном районе с ограниченным доступом сигналов спутников ГНСС дополнительных источников информации, позволяющих при совместной обработке с доступными сигналами ГНСС обеспечить навигационные определения или мониторинг конкретных объектов.

Технические средства, используемые в настоящее время подразделениями МЧС при ликвидации ЧС внутри зданий и сооружений в условиях задымлений и разрушений, решение задач позиционирования в полном объеме не выполняют. С учетом задач, решаемых в рамках МЧС России, а также технических возможностей аппаратуры потребителей ГНСС, к настоящему времени, сформировалось три основных метода ретрансляции навигационных данных:

1. метод ретрансляции данных с полной обработкой измеряемых параметров;
2. метод ретрансляции данных без обработки измеряемых параметров;
3. метод ретрансляции данных без обработки измеряемых параметров с совмещением их в едином канале с другой измерительной информацией.

Рассмотрены также основные принципы и технические решения ретрансляции сигналов ГНСС на примере их технической реализации в GPS-приложениях. С учетом определенных особенностей, схемы построения ретрансляторов для сигналов ГНСС с кодовым разделением могут быть применены и для ГНС с частотным разделением сигналов.

Таким образом, разработка теоретических основ, определяющих облик систем позиционирования подразделений МЧС России в закрытых помещениях зданий и сооружений, является актуальной задачей.

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам