Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
РЕФЕРАТ
Магістерська дисертація: 106 с., 44 рис., 24 табл., 2 додатки, 19 джерел Актуальність теми зумовлена потребою автоматизації методів порятунку життя членів екіпажу яхти при випадінні за борт та відсутності ефективних аналогів.
Метою роботи є підвищення ефективності пошуково-рятувальних заходів у випадку екстремальних умов яхтингу за рахунок створення апаратно- програмного комплексу, засади якого були покладені в попередній роботі.
Для досягнення поставленої мети розв’язуються такі завдання:
дослідження концепції розшуку членів екіпажу; розробка архітектури комплексу;
моделювання роботи програмно-апаратного комплексу; вдосконалення роботи архітектури комплексу, на основі отриманих результатів досліджень; розробка програмної складової комплексу; інтеграція розробленого алгоритму в алгоритми роботи яхти; створення інтерфейсу користувача.
Об’єктом дослідження є позиціонування члену екіпажу в умовах яхтингу.
Предметом дослідження є виявлення місцезнаходження і факту випадіння члену екіпажу в умовах яхтингу
Методами дослідження є методи математичного аналізу – для вибору моделі архітектури комплексу, та математичної статистики – для обробки результатів;
Наукова новизна одержаних результатів полягає у побудові архітектури взаємодії складових частин апаратно-програмного комплексу
Практичне значення одержаних результатів. Архітектура запропонованого комплексу дозволяє провести ефективні автоматизовані пошуково-рятувальні заходи у випадку випадіння члену екіпажу за межі яхти при екстремальних умовах, на відміну від не працездатних в більшості випадків аналогічних рішень
Ключові слова: яхтинг, екстримальні умови, NanoLOC, програмно- апаратний комплекс, пошуково-рятувальні дії, локальне позиціонування.
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
ABSTRACT
Master's dissertation: 106 pages, 44 figures, 24 tables, 2 attachments, 19 sources The urgency of the topic is determined by the necessity in method automation of saving the life of the yacht crew members, when they falling down, out from the board and lack of effective counterparts.
The purpose of this work is to increase the effectiveness of search and rescue methods in the event of extreme conditions of yachting through the creation of hardware and software complex, the basis of which was laid in the previous work
To achieve this goal, the following tasks are solved: research of the positioning concept of crew members; architecture development of the complex; work simulation of the software and hardware complex; improvement of the complex architecture, based on the results of research; development of software component of the complex;
integration of the developed algorithm in the algorithms of the yacht; creating a user interface.
The object of research is the positioning a crew member in yachting conditions.
The subject is identification of the location and the fact of a crew member falling in yachting conditions.
Methods of research There are methods of mathematical analysis - for choosing the model architecture of the complex, and mathematical statistics - for the processing of results;
The scientific novelty of the obtained results is the architecture construction of the components interaction inside the developed hardware and software complex.
The practical value of the results. The architecture of the proposed complex allows to carry out effective automated search and rescue actions in the event of the loss of a crew member outside the yacht under extreme conditions, in contrast to the non-able-bodied similar solutions, in most cases.
Key words yachting, extreme conditions, NanoLOC, software and hardware complex, search and rescue actions, local positioning
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до магістерської дисертації
на тему: «AПАРАТНО-ПРОГРАМНИЙ КОМПЛЕКС РОЗШУКУ ЧЛЕНІВ ЕКІПАЖУ У ВИПАДКУ
ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВ ЯХТИНГУ»
Київ 2018 року
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
ЗМІСТ
Скорочення та умовні позначення ... 8
Вступ ... 10
1 Особливості концепції розшуку і порятунку членів екіпажу в умовах яхтингу ... 11
1.1 Огляд проблематики ... 11
1.2 Апаратна складова комплексу ... 14
1.3 Розробка структурної схеми архітектури комплексу ... 20
2 Дослідження та моделювання програмно-апаратного комплексу ... 24
2.1 Розрахунок комплексу ... 24
2.1.1 Час розповсюдження сигналу ... 24
2.1.2 Розрахунок дальності дії комплексу ... 25
2.2 Створення концепії моделі поведінки сигналу комплексу, всередині яхти... 31
2.3 Моделювання комплексу ... 37
2.3.1 Застосування в реальних умовах... 37
2.3.2 Вдосконалення моделі ... 41
2.3.3 Застосування розробленої моделі ... 43
2.4 Висновки до розділу ... 52
3 Розробка алгоритму фунціонування програмного забезпечення роботи комплексу ... 53
3.1 Особливості алгоритмів локального позиціонування об’єктів у просторі. ... 53
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
3.2 Програмна складова комплексу розшуку і порятунку членів
екіпажу... 63
3.2.1 Програма керування протоколами роботи БС ... 63
3.2.2 Інтеграція в систему керування яхтою... 66
3.3 Інтерфейс користувача ... 72
4 Розробка стартап-проекту ... 81
4.1 Опис ідеї проекту(товару, послуги, технології)... 81
4.2 Технологічний аудит ідеї проекту ... 84
4.3 Аналіз ринкових можливостей запуску стартап проекту ... 84
4.4 Розробка ринкової стратегії стартап проекту ... 92
4.5 Розроблення маркетингової програми ... 95
4.6 Висновки до розділу ... 97
5 Охорона праці та безпека у надзвичайних ситуаціях... 98
1.1 Визначення основних потенційно небезпечних та шкідливих ви- робничих факторів при виконані науково-дослідної роботи ... 98
5.1 Технічні рішення та організаційні заходи з безпеки і гігієни праці та виробничої санітарії ... 99
5.1.1 Електробезпека ... 99
5.1.2 Відповідність параметрів робочого приміщення діючим санітарним нормам... 101
5.1.3 Мікроклімат робочої зони ... 102
5.1.4 Освітленя робочого місця ... 103
5.1.5 Заходи щодо нормалізації умов праці ... 106
5.2 Безпека у надзвичайних ситуаціях ... 108
5.2.1 Вимоги щодо організації ефективної роботи систем оповіщення персоналу у разі виникнення небезпечної ситуації ... 108
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
5.2.2 Обов’язки та дії персоналу уразі виникнення надзвичайної
ситуації. ... 110
5.2.3 Пожежна безпека ... 111
Висновки ... 114
Перелік джерел посилань... 116
ДОДАТОК А ... 119
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
СКОРОЧЕННЯ ТА УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ БС — Базова станція
ДС — Досліджуваний сигнал
ЛЧМ — Лінійно частотна модуляція
МШХВ — Міжнародна Шкала Хвилювання Води НП — Носимий Пристрій
ПМР — Потенційне місце розташування
СЛП — Системи локального позиціонування ТВ — Точка входу
ТЗ — Технічне завдання;
УКХ — Ультра короткі хвилі
AI — Air Interface — бездротовий інтерфейс
AIS — Automatic Identification System — Система автоматичної ідентифікації
API — application programming interface — Інтерфейс прикладного програмування
CSMA — Carrier Sense Multiple Access — Багаторівневий доступ
CSS — Chirp Spread Spectrum — Спектральний розсіювальний спектр FDMA — Frequency Division Multiple Access — множинний доступ з поділом каналів по частоті
GPS —Global Positioning System — система глобального позиціонування MAC — Message authentication code — код аутоіндифікації повідомлень RISC — Reduced Instruction Set Computing — обчислення зі скороченим набором команд
RSSI — Received signal strength indicator — індикатор потужності прийнятого сигналу
RTLS — Real time location services — Сервіси локального позиціонування в реальному часі
Rx — Receiving Data — приймач
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
SDSTWR — Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging — симетричний подвійни двхустороннії
TDMA — Time Division Multiple Access — багаторівневий доступ з рознесенням у часі
TDOA — time difference of arrival — різниця часу прибуття TOA — time of arrival — час прибуття (сигналу)
TX — Transmiting data — передавач
UWB — Ultra Wide Band — Ультраширокий діапазон
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
ВСТУП
Все більше людей починають цікавитись яхтингом. У наш час досі існує проблема з небезпекою членів екіпажу, у випадку випадіння за борт в умовах шторму.
Поточний ринок систем локалізації об’єктів у просторі доволі насичений різноманітними моделями з різними функціональними можливостями, проте в більшості випадків такі системи, або мають зовнішніх характер дії, тобто локалізують положення людини в глобальній системі координат, що призводить до великої похибки, мають доволі не компактне виконання і не мають інтеграції з яхтою, або призначені для наземного використання. З іншого боку комплексні, інтегровані системи по розшуку, локалізації або локального порятунку членів екіпажу в умовах яхтингу відсутні на ринку взагалі, саме тому актуальним є розроблення універсальної малогабаритної, високо функціональної інтеграційної системи локалізації членів екіпажу.
У моїй попередній роботі [1] була проведена апаратна розробка компактного індивідуального пристрою члену екіпажу, що повинен завжди бути на зап'ясті, проводити локалізацію свого місце положення у просторі відносно яхти. Ідея даної розробки полягала у наступному: бортовий комп’ютер яхти відстежує положення людини і коли людина потрапляє за борт, вмикає гучну сирену і сповіщає про це інших членів екіпажу.
Метою даної магістерської дисертації, є підвищення ефективності пошуково-рятувальних заходів у випадку екстремальних умов яхтингу за рахунок створення апаратно-програмного комплексу засади якого були покладені в попередній роботі.
Під час виконання магістерської дисертації передбачено розроблення програмного алгоритму локалізації і позиціонування на базі попередньо розробленої апаратної бази, комп’ютерне моделювання системи з її подальшим аналізом і вдосконаленням, розробка програм и інтеграції алгоритму в бортові прилади яхти, проектування інтерфейсу користувача.
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
1 ОСОБЛИВОСТІ КОНЦЕПЦІЇ РОЗШУКУ І ПОРЯТУНКУ ЧЛЕНІВ ЕКІПАЖУ В УМОВАХ ЯХТИНГУ
1.1 Огляд проблематики
Як вже було виявлено і продемонстровано в моїй попередній роботі [1], у більшості випадків в умовах яхтингу єдиний метод порятунку членів екіпажу, які потрапили за борт досі залишаються зусилля решти людей, які залишилися на судні.
Згідно з результатами дослідів, у випадку шторму 6–7 балів за Міжнародною шкалою хвилювання води (МШХВ) у членів екіпажу є приблизно 2–3 секунди для того, щоб поміти людину і запам’ятати її місцезнаходження, що є надзвичайно малим проміжком часу. В іншому випадку шанси на порятунок потопаючого падають майже до нуля.
Також існує і інша проблема. При довгих (океанічних) переходах, завжди повинен бути один вахтовий, що слідкує за курсом судна, коли інша команда спить. Якщо вахтовий випаде у воду при даних обставинах це майже гарантована смерть людини, оскільки пропажу зазвичай помітять лише через декілька годин, яких людина скоріш за все може не пережити у холодній воді.
Само тому, була розроблена концепція архітектури комплексу, яка полягає у наступному:
1.Кожний член екіпажу носить прив’язаний до конкретної яхти прилад на зап’ясті.
2. На борту яхти встановлюються базові станції, які вимірюють відстань, на якій знаходяться ці пристрої, відносно базових станцій і відповідно проводять локалізацію пристрою на борту яхти.
3. Інформація, про місцезнаходження потрапляє до бортового комп’ютера яхти і за допомого попередньо визначених програмних рамок яхти визначається, чи знаходиться член екіпажу на борту.
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
4. Якщо система реєструє випадіння за борт, вона вмикає систему оповіщення і встановлює мітку у системі глобальної навігації.
Принцип архітектури розробленої системи наведено на рис.1.1.
Рисунок 1.1 — Розроблена модифікація системи
Данна концепція архітектури була розроблена виходячи з багатьох факторів і складових. Система повинна містити 4 основних компонента:
1. базові станції прийому передачі «Anchor»;
2. переносні портативні пристрої прийому передачі;
3. система керування і обробки даних;
4. система оповіщення.
Оптимальне розташування базових станцій прийому передачі (трансиверів), системи оповіщення та системи керування і обробки даних наведено на рис. 1.2
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Місця розташування вибрані не випадково. По перше в ці місця проведені кабелі живлення для систем яхти, тобто нема потреби тягнути інші дроти. По друге це найвіддаленіші точки системи, що дозволяє охопити
максимальну площу покриття. Місце встановлення системи обробки даних Рисунок 1.2 — Оптимальне розташування основних вузлів системи
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
обрано із за того, що уся розводка яхти зазвичай у цьому місці, там же знаходиться система навігації і пульт керування яхтою.
1.2 Апаратна складова комплексу
Головною метою попередньої роботи, була розробка апаратної складової даної системи. По результатам досліджень було прийнято рішення базувати систему на методі вимірювання відстаней, за часом поширення радіосигналу.
Цей метод дозволяє одночасно знизити і час вимірювання і похибку.
При цьому похибка вимірювання знижується при збільшенні ширини спектра сигналу. В даний час відомо два типи широкосмугових приймачів, призначених для вимірювання відстані, які описані стандартом IEEE 802.15.4-2011. Це приймачі, що використовують кодування CSS — Chirp Spread Spectrum , що працюють в діапазоні 2,4 ГГц і приймачі діапазону UWB— Ultra Wide Band [2], що використовують частоти 3,5–9,5 ГГц.
Приймач діапазону UWB мають найширшу смугу — 500 або 1000 МГц. На жаль, для приймачів UWB дозволені дуже малі потужності передачі.
Кодування CSS базується на внутрішньо імпульсній лінійно-частотної модуляції, яка, як відомо, дозволяє найбільш ефективно використовувати частотний спектр. Наприклад рис.1.3, як це реалізовано в чіпах компанії nanoton. Приймачі Nanotron, використовуючи узгоджений фільтр на вході.
[3]
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Рисунок 1.3 — Метод виміру відстані чипами nanotron
перетворюють ЛЧМ-імпульси в дуже вузькі за часом SYNC-імпульси і визначають час надходження вхідного сигналу з наносекундной точністю Переваги часового методу:
- швидкодія;
- вартість.
Недоліки часового методу:
- погана точність у закритих приміщеннях за рахунок відображення сигналу від стін.
Було прийнято рішення базувати всю апаратну базу на чіпах NanoLOC.В основу технології NanoLOC покладений розроблений компанією Nanotron метод вимірювання дистанцій Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging(SDSTWR).
Цей метод полягає в тому, що при системі, що складається з двох об'єктів, для отримання даних про відстані між цими об'єктами, відбувається обмін пакетами певної інформації між двома цими об'єктами. Так, перший об'єкт запитує у другого вимірювання відстані з фіксацією часу відправки пакета даних. Другий об'єкт після отримання інформації висилає першому підтвердження, час отримання якого також фіксується в першому об'єкті.
Далі відбувається обробка інформації та аналіз різниці часу між пересиланням підтвердження і часу, необхідного для обробки інформації.
Розподілом отриманих даних на два, перший об'єкт визначає час, за який радіосигнал доходить до другого об'єкта. Знаючи швидкість проходження
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
радіохвиль за допомогою отриманих даних можна визначити відстань. Для більшої точності при цьому процедуру можна повторити кілька разів.
Принцип даної технології продемонстровано на рис. 1.4, де round1 — це цикл прийому передачі пакетів між переносним пристроєм (Tag ), який відправляє запит (Time sending Poll) і базовою станцією (Anchor), яка приймає запит (Time receiving poll), оброблює і відсилає зворотній пакет (Time sending answer) за цикл обробки(Reply1), після чого переносний пристрій приймає сигнал (Time receiving answer), після чого оброблює пакет за цикл обробки (reply 2) і повертає фінальний пакет, який закриває цикл (Time sending Final) і базова станція приймає цей пакет(Time receiving final), робить останні розрахунки відстані і відсилає відповідь до пристрою (Report).
На основі цього методу, був розроблений переносний пристрій. Схема електрична принципова цього пристрою, наведена на рис. 1.5, а зовнішній вигляд плати розробленого пристрою на рис. 1.6.
Рисунок 1.4 — Принцип дії методу SDSTWR
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Важливо відмітити, що головними компонентами у даному пристрої виступають:
1.Чіп Nanotron nanoLOC TRX Transceiver(NA5TR1), який працює на частоті прийомо-передачі 2,4 ГГц, на трьох частотних каналах з чутливість приймача в -97 дБм @ 250 кбіт / с. І розрахунковою похибкою виміру відстаней поза приміщенням в 0,2-1 м.
Що також дуже немаловажно, даний чіп здатен працювати за двома схемами: TOA (Time Of Arrival) і різниця часу прибуття TDOA (Time Difference Of Arrival). Перший метод було описано вище, за допомогою технології SDSTWR. У другому випадку мобільний вузол, розташування якого необхідно визначити, регулярно випромінює широковещательне повідомлення-маяк, а стаціонарні синхронізовані вузли визначають різницю часу надходження до них сигналу-маяка.
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
2. ATmega644P - малопотужний 8-розрядні КМОП-мікроконтролер, виконані на основі удосконаленої RISC-архітектури AVR. За рахунок виконання інструкцій за один період синхронізації мікроконтролер, ATmega644P досягає продуктивності 1 мільйон інструкцій в секунду на мегагерцових частотах синхронізації, що дозволяє розробникам оптимізувати співвідношення споживаної потужності і швидкодії. До важливих особливостей можна віднести:
- продуктивність до 20 мільйонів інструкцій у секунду на частоті 20 МГц;
- дійсна підтримка читання під час запису;
- зносостійкість: 100 тис. циклів запису / стирання;
- інтерфейс JTAG (сумісний зі стандартом IEEE 1149.1);
Рисунок 1.5 — Схема принципова носимого пристрою
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
3.Чіп антена «Chip Antena 2285» працює на частотному діапазоні 2400—2500 МГц і має кутову діаграму, яка вказана на рис.1.7. До важливих особливостей можна віднести
- коефіцієнт стоячої хвилі: 2;
- імпеданс: 50 ОМ;
- коефіцієнт підсилення антени: 0,5 дБ;
Інші апаратні особливості, не будуть оглянуті в даній роботі, оскільки всі інші компоненти і сам процес розробки були освічені в попередній роботі.
Резюмуючи можна додати, що розроблений апаратний пристрій повністю задовільнив усім потребам. Компактний, енергоефективний, простий в експлуатації.
У даному випадку, це було дуже важливим фактором, оскільки в процесі яхтингу людина знаходиться в рухливому стані. І саме базуючись на попередньо розроблених принципах, проведених дослідженнях і розробленій апаратній базі була проведена розробка програмного забезпечення і її подальше дослідження.
Рисунок 1.6 — Зовнішній вигляд розробленої апаратної складової
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
1.3 Розробка структурної схеми архітектури комплексу
На базі того, що було приведено в попередніх розділах на рис.1.8.
наведена приблизна структурна схема розроблюваного апаратно- програмного комплексу по розшуку членів екіпажу, на прикладі функціонування комплексу в режимі конфігурації трьох носимих пристроїв і трьох базових станцій.
Рисунок 1.7 — Кутова діаграма використаної антени
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Рисунок 1.8 — Структурна схема програмно-апаратного комплексу
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Розглянемо конфігурацію роботи «Блок керування і обробки даних», оскільки конфігурація Базових Станцій (БС) та Носимих Пристроїв (НП) була розглядана раніше.
З «БС_1», «БС_2», «БС_3» на порт « Global Rx/Tx Ethernet port»
приходить інформація в режимі онлайн про відстань від цих БС до «НП_1»,
«НП_2», «НП_3». Ця інформація проходить крізь плату «Ethernet board», яка структуру з якої БС надійшла інформація, про який НП і далі надсилає до онлайн змінних з відповідним адресом. « Наприклад «Відстань НП_1-
>БС_1». Адреси вона отримує з блоків алгоритму «Кількість НП» та
«БС_№(x,y,z)»,які попередньо вказується користувачем.
Далі інформація про відстань потрапляє до алгоритму «abs_Координата НП_№(x,y,z)», разом з абсолютними координатами базових станцій, які попередньо обраховуються, через складову «Abs_система координат(x,y,z)», яка в свою чергу обраховується через «Інтерфейс користувача для введеня та виведення постійних величин та їх редагування», за допомогою «Пристрій введення інформації» та «Пристрій виведення інформації».
За допомогою цієї інформації алгоритм «abs_Координата НП_№(x,y,z)»
обраховує координату кожного носимого пристрою в заданій системі координат. На виході з даного алгоритму отримуємо три координати кожного НП. Надалі ці координати потрапляють «Rel_координата НП_№(x,y)». Цей алгоритм в режимі реального часу перетворює координату кожного НП на проекцію яхти, оскільки нам необхідно зафіксувати факт випадіння члену екіпажу за борт. Отож координата «z», нам необхідна лише для точності позиціонування. Всі подальші логічні маніпуляції ми виконуємо на основі проекції точки на площині.
Алгоритм «НП_№Внутри границ?» виконує порівняння попередньо обрахованих границь площини яхти, які вказуються користувачем крізь інтерфейс користувача і обраховуються у алгоритмі «Abs_borders(x,y,z)» та координатами проекції точки на площині, отриманими з «Rel_координата НП_№(x,y)».
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Коли алгоритм «НП_№Внутри границ?» виконує повертання «TRUE», що свідчить про те, що проекція НП_№ знаходиться всередині заданих границь, тобто людина знаходиться на борту яхти, у системі нічого не відбувається і вона надалі продовжує працювати без жодних змін.
При цьому, порівняння відбувається лише у випадку, коли у інтерфейсу користувач увімкнув усі НП через «Стан НП_№ (ON/OFF)»та відбулась перевірка алгоритмом «НП_№ ON TRUE». Це зроблено, на випадок, коли яхта зупиняється, та члени екіпажу виходять з яхти.
У тому ж випадку, коли алгоритм порівняння «НП_№Внутри границ?»
повертає «FALSE», що свідчить про те, що член екіпажу потрапив за борт, подається сигнал на «Систему оповіщення», для негайного звертання уваги на це усіх інших членів екіпажу. Надалі, через алгоритм «Встановити глобальну мітку НП_№ в нинішньому місцеположенні» передається інформація на порт «Global RX port» якій передає цю команду на «GPS модуль» та на інтерфейс користувача, для оповіщення інших членів екіпажу про те, хто потрапив за борт та його приблизне місцерозташування.
Уся структурна схема наведена для трьох базових станцій та трьох носимих пристроїв. Так як можна побачити, увесь комплекс масштабується без жодних труднощів, до десяти носимих пристроїв та п’яти базових станцій.
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
2 ДОСЛІДЖЕННЯ ТА МОДЕЛЮВАННЯ ПРОГРАМНО- АПАРАТНОГО КОМПЛЕКСУ
2.1 Розрахунок комплексу
Для виявлення працездатності усього комплексу, необхідно провести розрахунки і дослідження взаємодії системи за умови впливу реального оточуючого середовища з урахування усіх можливих завад в умовах яхтингу, оскільки усі технології, що використовуються, розроблялись для наземного і внутрішнього використання.
2.1.1 Час розповсюдження сигналу
При використанні методу симетричного двостороннього двонаправленного вимірювання відстаней кожен пристрій здійснює вимір часу проходження сигналу в прямому і зворотному напрямках, а також часу формування відповідного повідомлення, як вже було вказано на рис.1.4. При цьому, час розповсюдження сигналу розраховується за формулою, яка вказана у [4].
̂ ̂ ̂ ̂ ̂
Де знак «^» позначує оціночне значення, котре обраховується в рамках відхилень часових розгорток.
Вплив відхилень часових розгорток eA, eB описано наступними рівняннями:
̂ ̂ ̂ ̂ ̂ ̂ ̂ ̂
Аналіз цих рівнянь у відповідності з [4] приводить до рівняння:
̂ ( )
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Якщо визначається, як максимальне можливе значення і ,
| ̂ | | |
Оскільки, при обміні пакетами даних, з підтвердженням, час формування відповідного повідомлення відомий і фіксований, його похибка наведена у стандарті протоколу IEE 02.15.4a-2007 [5]. При цьому, якщо різниці між часом формування відповідних повідомлень менше, ніж 1 мкс, то помилка оцінки часу розповсюдження сигналу, буде менше, ніж 100пс.
Детальніша інформація наведена у табл.2.1
d,см
10 ±0,012 ±0,12 ±1,2 ±12
100 ±0,012 ±0,12 ±1,2 ±12
1000 ±0,05 ±0,12 ±1,2 ±12
10000 ±0,4 ±0,4 ±1,2 ±12
100000 ±4 ±4 ±4 ±12
1000000 ±40 ±40 ±40 ±40
2.1.2 Розрахунок дальності дії комплексу
Основні втратами при поширенні сигналу у вільному просторі визначаються виразом [6]:
Частота роботи нашої системи становить , загальні втрати можливо знайти, якщо відома потужність випромінення і мінімальна потужність отримання :
Потужність системи, розрахуємо виходячи з характеристик системи:
Таблиця 2.1 — Стандартні помилки, при визначенні відстані
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Звідки, втрати будуть складати
Якщо, нам відомі втрати, стає можливим розрахувати дальність роботи системи:
В умовах, більш наближених, до реальних, значення стандартної девіації залежить від частоти і зовнішніх умов [7]. Типові значення девіації, для площі 500 х 500м, описуються наступним чином:
де це значення девіації, це імперичо розрахований коефіцієнт затухання в певному середовищу. Так, наприклад, для приміської місцевості цей коефіцієнт становить , у випадку з розповсюдженням сигналу у морській місцевості, коефіцієнт 4,2.
Згідно, з [8] коєфіціент затухання у штормових умовах, в залежності від стану шторму наведено в табл. 2.2.
Висота хвилі при цьому наведено, оскільки існують різноманітна варіації МШХВ. Данні наведені , згідно конвенції ООН по морському праву від 1984 року.
При цьому, в таблиці наведено показники який являє собою мінімальний середньо очікуваний показник, , це максимальний середньо очікуваний показник, та , це середньо очікуваний показник.
МШХВ, балл
Висота хвилі
1 0 3,21 3,84 3,525
2 0—0,1 3,32 3,67 3,495
3 0,1—0,5 3,82 3,93 3,875
4 0,5—1,25 4,12 4,22 4,17
Таблиця 2.2 — Імперично розрахований показник 𝐾, в залежності від МШХВ
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
5 1,25—2,50 4,31 4,61 4,46
6 2,5—4,0 5,32 5,64 5,48
7 4—6 5,56 5,92 5,74
8 6—9 6,22 6,45 6,335
9 9—14 6,33 9,18 7,755
На основі наведених даних, проведемо розрахунки очікуваного значення девіації в морських умовах, для нашого апаратно програмного комплексу.
Данні розрахунку наведені у табл. 2.3.
Позначення в таблиці значення девіації мінімально середньо
очікуваному показнику, зачення девіації при максимально середньо очікуваному показнику, , значення девіації при загально очікуваному показнику. Результати розрахунків агреговані у вигляді графіка залежності розрахованої девіації, від МШХВ зображено на рис. 2.1.
МШХВ, балл
1 3,70 4,33 3,84
2 3,81 4,16 3,67
3 4,31 4,42 3,93
4 4,61 4,71 4,22
5 4,80 5,10 4,61
6 5,81 6,13 5,64
7 6,05 6,41 5,92
8 6,71 6,94 6,45
9 6,82 9,67 9,18
Таблиця 2.3 — Розраховані значення девіації, в залежності від МШХВ Продовження Таблиці 2.2
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Для оцінки відстаней роботи системи при заданих параметрах, в умовах шторму, приймаємо розраховану девіацію значення частоти в умовах шторму, за максимальне значення відхилення. Звідки можемо розрахувати приблизну відстань роботи систем, яка наведена у табл. 2.4
Таблиця 2.4 — Розраховані значення відстані дії системи, в залежності від МШХВ
МШХВ, балл
1 0,46 0,43 0,44
2 0,45 0,44 0,44
3 0,43 0,42 0,43
4 0,41 0,41 0,41
5 0,41 0,39 0,40
6 0,36 0,35 0,35
7 0,35 0,34 0,34
8 0,33 0,32 0,32
9 0,32 0,23 0,27
Рисунок 2.1 — Розрахована залежність девіації, від МШХВ
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Результати розрахунків відстані роботи систему у відкритому просторі агреговані у вигляді графіка залежності розрахованої відстані, від МШХВ зображено на рис. 2.2
Оскільки, середньостатистична яхта має доволі об’ємні внутрішні приміщення, як вказано на рис. 2.3, необхідно провести оцінку девіації всередині приміщення яхти.
Зміна напруженості електромагнітного поля, всередині приміщень, відбувається в результаті затухання поля в приміщенні. Тобто, зміна напруженості поля, для приймання сигналу всередині приміщення, це комбінований результат зміни напруженості поля у просторі ( ), та змінення поля, за рахунок приймання всередині приміщення( ). Ці значення, судячи з усього не корелюють між собою. Таким чином, стандартну девіацію для приймача сигналу всередині приміщення обчислюють, як квадратний корінь із суми квадратів окремих значень стандартної девіації.
√
Рисунок 2.2 — Розрахована залежність відстані роботи комплексу, від МШХВ
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
В якості значення використаємо значення , а для поточного розрахунку отримаємо, з [9]де вказане приблизне значення для різних частот, при потраплянні в середину приміщення, як вказано в табл.2.5
f, ГГц Сердне значення
(дБ)
Стандартна девіація частоти (дБ)
0,6 9 3
1,5 11 6
2.4 11 6
Відповідно, маємо наступні значення , для різних показників шторму, які наведені в таблиці 2.6.
Рисунок 2.3 — Візуалізація внутрішніх приміщень середньостатистичної яхти
Таблиця 2.5 — Приблизні втрати, при потряплянні сигналу, до приміщення, згідно рекомендаціій
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
МШХВ(бали) МШХВ(бали)
1 0,016363529 6 0,354058495
2 0,444964147 7 0,343617299
3 0,425917044 8 0,320866975
4 0,411694457 9 0,27247397
5 0,398175945
На жаль, данні результати, нас не задовольняють, оскільки нам потрібна точна оцінка похибок на досліджуваному комплексу. Саме тому, надалі буде наведено розрахунок проходження сигналу, крізь яхту та оцінка результатів.
2.2 Створення концепії моделі поведінки сигналу комплексу, всередині яхти
Доволі очевидно, що найбільші втрати сигналу, будуть присутні, коли сигнал буде проходити крізь перешкоди на самій яхті. Зазвичай яхти будуються с пластмаси, карбону та деревини (внутрішній інтер’єр), саме тому, для оцінки працездатності комплексу, необхідно провести моделювання сигналу всередині яхти.
Як відомо сигнал поводить себе, при проходженні перешкод, як хвиля.
Оцінку затухання радіосигналу при цьому. На рис. 2.4 схематично зображено загальний випадок проходження радіосигналу, через перешкоду.
Таблиця 2.6 — Приблизні втрати, при потраплянні сигналу, до приміщення, відносно простору
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
В загальному випадку, із джерела А з потужністю РА під кутом до поверхні. Припустимо, що джерело А буде розповсюджуватися всередині сфери R1.
Тоді на зовнішньою поверхню перешкод в точці Б буле падати сигнал з потужністю[10]:
де — затухання сигналу у вільному просторі
де — довжина хвилі, що розповсюджується.
Тоді,
В залежності від характеристик поверхні, на котру відбувається падіння, частина сигналу буде заломлюватися під кутом , за допомогою
де — коефіціент заломлення сигналу від перешкоди (коефіціент Френеля, для нормальної поляризації) [11]
Рисунок 2.4 — Загальний випадок проходження сигналу, крізь перешкоду
(1)
(2)
(3)
(4)
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
де — характеристичний опір Середовища_1, та Середовище_2, відповідно
√
√
де — діелектрична і магнітна проникність (відповідно) матеріала Середовища_1 та Середовища_2. Оскільки кожна сучасна яхта, складається сугубо з діелектриків, тому що вони набагато легші, основними матеріалами при будуванні яхт виступають пластик, деревина, карбон та інші. Отже, має сенс розглядати частковий випадок, коли Середовище_1 є повітрям
( , а Середовище_2 це немагнітний ( ) діелектрик з відносною діелектричною проникністю , то формула (4) приймає наступний вигляд:
√
Величина потужності сигналу на внутрішній границі перешкоди Б’
буде наступною:
В залежності, від того, з якого матеріалу складається перешкода, сигнал іде до точки С’ на внутрішню границю перешкоди пі певним кутом . Кут не складно знайти, використавши закон Снелліуса [12] .
де — показники заломлення Середовища_1 та Середовища_2 відповідно. √ , √ . Базуючись на цьому використаємо формулу (7) та отримаємо:
(5)
(6)
(7)
(8)
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
√
√
√
√
Для виконання розрахунків сигналу, що проходить від точки Б’ під кутом в точку С, використаємо логаріфмічну одиницю — погонне затухання в середовищі.[13] наприклад кабелю, або діелектрику.
Вимірюється в (дБ/м) і визначається по формулі:
або
Що вимірюється в (1/м), що набагато простіше, де — це тангенс кута діелектричних втрат в Середовище_2.
В Середовищі_2 сигнал проходить відстань по траєкторії , яку можна виразити через :
(10)
Затухання в діелектрику дорівнює:
При цьому потужність сигналу в точці С( ), якщо використати формули (9) і (10) буде мати вигляд:
Хвиля, котра потрапить на внутрішню границю поверхні перешкоди, буде переломляться під кутом :
де — коефіціент приломлення сигналу від внутрішньо границі перешкоди:
(9)
(11)
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Кут знаходимо так само, а допомогою закону Снеліуса [14]
Тоді, базуючись на формулах (11) та (8) робимо висновок, що
Що свідчить про те, що кут дорівнює куту . Тоді потужність сигналу на зовнішній поверхні буде дорівнювати:
Сигнал в точці С’, за допомогою буде розповсюджуватися у вигляді напівкулі, над поверхнею перешкоди у Середовищі_3, с затуханням:
Тоді, хвиля в точці Д, котра з’явиться, як перелолмений від джерела в точці С’, буде мати потужність:
Надалі, враховуючи формули (14), (13), (12) і (11) ми отримаємо:
√
√ √
√ √
√
Виходячи з формули (15) ми дуже легко визначаємо відношення вихідного сигналу, до кінцевого, при проходженні крізь перешкоду, тобто затухвання сигналу у даному випадку можна визначити, як:
(11) (12)
(13)
(14)
(15)
(16)
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
√
√ √
√ √
√
Як вже було вказано раніше, при побудові яхти використовують лише майже діелектричні матеріали, саме тому існує сенс перетворити вирази (15) і (16) з загального випадку для даної ситуації, до більш частного, оскільки в нащій ситуації всі переходи відбуваються з повітря, до діелектрику, а потім знову до повітря. Саме тому, базуючись на (5) створюємо фінальний вигляд формули розрахунку:
√ √
√
√ √
√ √
√
√ √
Розроблена модель, безумовно задовольняє постановці задачі, та для нас вона не є повною, оскільки вона оперує лише прямим сигналом, який проходить крізь перешкоди всередині яхти по найкоротшому маршруту. Та, для модифікування цієї моделі, необхідно спочатку дослідити її і провести розрахунки відносно реального середовища і реальної яхти. Після чого, на основі отриманих результатів, створимо вдосконалення моделі.
(17)
(18)
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
2.3 Моделювання комплексу
Для дослідження розробленої моделі проведемо моделювання на основі реальної яхти і вдосконалимо розроблену модель
2.3.1 Застосування в реальних умовах
Перенесемо розроблену модель до середовища MathCad. Для розрахунків візьмемо одну, з середньостатистичних яхт. Наприклад: «Grand Large 430»
від компанії «DUFOUR». Зовнішній вигляд наведено на рис.2.5
Із сайту виробника[14] відомо, що довжина яхти складає 13,24 м. Ширина складає 4,30 метри в найширшому місці. Згідно з відомими технічними данми матеріал корпусу складає суміш пластиків та пенополіурітана. Нажаль майже неможливо назвати точний склад матеріалу корпусу, оскільки це комерційна таємниця.
Рисунок 2.5 — Зовнішній вигляд «Grand Large 430»
Сі ніч ен ко , О . С . РІ -72 мп , 2018
Для початку розташуємо три базові станції, як було запропоновано в попередньому проекті. Місцерозташування трьох базових станцій (БС_1,БС_2 і БС_3) для першого моделювання зображені на рис.2.6.
Для моделювання обрано два найгірших випадки.
1. Базова Станція_3(БС_3) вимірює відстань до Носимого Пристрою_1(НП_1), за допомогою Досліджуваного Сигналу_1(ДС_1).
При цьому ДС_1 перетинає корпус яхти в точці входу 1.1.
2. Базова Станція_2(БС_2) вимірює відстань до Носимого Пристрою_2(НП_2), за допомогою Досліджуваного Сигналу_2(ДС_2).
При цьому ДС_2 перетинає корпус яхти в точці входу 2.1.
У першому випадку ДС_1 доходить до Точки входу1.1(ТВ_1.1) через R1.1=4,794 м. Зустріч з перешкодою відбувається під кутом . Товщина перешкоди складає . Матеріал перешкоди – пенополіурітан у суміщі з пластиком. Приблизна діелектрична проникність , а тангенс кута діелектричних втрат, складає приблизно . Нажаль точніше визначити ці параметри майже неможливо, оскільки нема точних даних, про хімічний склад, тому були середні показники, для подібних матеріалі.
Рисунок 2.6 — Зовнішній вигляд «Grand Large 430» з візуалізацією досліджуваного випадка
