СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОГО ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАНИЯ
METHOD FOR MULTICHANNEL RECEPTION AND TRANSMISSION OF NAVIGATION SAFETY INFORMATION

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в морской подвижной службе для обеспечения надежного автоматического приема информации по безопасности мореплавания в коротковолновом диапазоне на борту морских судов, которые находятся в любых районах мирового океана.
Известна "Многоканальная система передачи и приема дискретной информации" (см. патент РФ №2207729 H04J 3/00, опубликован 27.06.2003), в которой распределение различного числа низкоскоростных каналов связи на входе мультиплексора между источниками дискретных сообщений, работающих с различными скоростями в процессе обмена сообщениями, осуществляется с помощью передающего коммутатора и блока управления и обратного преобразования М низкоскоростных каналов в N каналов приема информации.
Известны также "Система и способ, предназначенные для передачи и приема данных" (см. патент РФ №2338324 H04J 3/00, бюл. 31 от 10.11.2008), в которой основой является двумерный массив данных для сети широкого вещания цифрового телевидения.
Общим недостатком аналогов является требование повышенной стабильности синхронизации передаваемых сообщений. В коротковолновом диапазоне исполнение такого требования является довольно проблематичным. Многолучевое отражение от ионосферы, а потом и от земли, затем опять от ионосферы и т.д. не позволяет применять аналоги в коротковолновом диапазоне.
Наиболее близким по достигаемому техническому результату является передача информации по безопасности мореплавания посредством узкополосного буквопечатания. Передача ведется методом исправления принимаемых ошибок (Collective B-mode operation) [1] сетью береговых радиостанций различных стран по расписанию одновременно со стороны одной радиостанции на частотах 4210 кГц, 6314 кГц, 8416.5 кГц, 12579 кГц, 16806.5 кГц, 19680.5 кГц, 22376 кГц и 26100.5 кГц [2]. Передача и прием текста ведется на английском языке. Чтобы принять передаваемое сообщение по безопасности мореплавания следует удачно подобрать один из восьми каналов коротковолновой связи. Особенности передачи сообщения методом Collective B-mode operation допускают результат, при котором сообщение считается успешно принятым, если число искаженных символов не превышает 4% [3]. При этом идентификатор сообщения запоминается в памяти приемника, чтобы повторно не принимать это же сообщение в следующий срок передачи от береговой радиостанции [3].
Недостатком прототипа является появление вероятности возникновения аварийной ситуации на море, если в число допустимых ошибок попадает важная информация для безопасности мореплавания.
Целью изобретения является повышение надежности приема информации по безопасности мореплавания, передаваемой в коротковолновом диапазоне. Это позволит оказаться от 4% допустимых ошибок в тексте, что является потенциальной опасностью аварий на море.
Для достижения указанной цели в способе приема и передачи информации по безопасности мореплавания, заключающегося во введении новой интерпретации семи информационных бит в десятибитовом объеме каждого из символов во множестве символов и взаимной связи символов в модернизированном цифровом избирательном вызове, позволяющей сжимать передаваемый текст сообщения посредством использования буквенных биграмм, и триграмм, и цифровых групп посредством введения парных специализированных меток в тексте, который после его одновременной передачи на нескольких каналах коротковолнового диапазона даже при наличии ошибок на всех каналах приема восстанавливается с помощью от одного до четырех уровней операции сборка сообщения, распечатывается автоматически на бумаге на английском языке и фиксируется в памяти судового приемника в виде текста и метки глубины уровня сборки успешно принятого сообщения, при этом количество уровней операции сборка сообщения определяется путем вычисления опорной контрольной суммы сообщения и ее сравнения с фактически полученной контрольной суммой исходных принятых фрагментов или во вновь получаемых откорректированных фрагментах сообщения за счет замены искаженных символов неискаженными символами, определяемыми во множестве из шести фрагментов принятого сообщения с наименьшими количествами искаженных символов - трех в основной временной позиции и трех в резервной временной позиции.
Достигаемый технический результат - увеличение надежности приема информации по безопасности мореплавания, уменьшение времени многоканальной передачи сообщений за счет сжатия текста, совместимость предлагаемого способа с существующим уровнем использования судовых приемников-контроллеров цифрового избирательного вызова.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый способ многоканального приема и передачи информации по безопасности мореплавания существенно увеличивает надежность приема в коротковолновом диапазоне. Это позволит оказаться от 4% допустимых ошибок в тексте, то есть устранить потенциальную опасность аварии на море за счет устранения неопределенностей получаемой информации.
Новыми признаками способа многоканального приема и передачи информации по безопасности мореплавания являются возможность передачи смыслового текста в цифровом избирательном вызове сжатием передаваемого текста без потерь информации, сборки принятого сообщения, даже если сообщение принято с ошибками на всех каналах его передачи. Что касается сжатия текста, то подсчет количества символов исходного текста сообщения, который представлен на фиг.2, при его представлении посредством узкополосного буквопечатания позволит получить значение, равное 362. В этом значении также учтены символы буквенного и цифрового регистров, пробелов между словами, подъемов строк и переводов каретки [1]. Каждый из символов исходного текста посредством узкополосного буквопечатания передается дважды, а начало (32 символа при минимальной синхронизации) и окончание передачи такого текста имеют свои особенности. Поэтому время передачи исходного текста по безопасности мореплавания посредством стандартного узкополосного буквопечатания (в режиме Collective B-mode operation при минимальном по времени использовании) [1] будет равно
(32 символа+2·362 символов)·0,07 с/символ+2 с=54,92с.
Для передачи этого исходного текста, представленного на фиг.2, посредством расширенного цифрового избирательного вызова (фиг.3, фиг.4) потребуется время, равное 418 символов·0,1 с/символ+0,2с (передача пар B/Y)=42,0с. Что почти на 24% быстрее, чем передача исходного текста при помощи узкополосного буквопечатания.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата.
Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показана интерпретация символов для указателя (101) формата текстового сообщения по безопасности мореплавания;
на фиг.2 - текст типового исходного сообщения по безопасности мореплавания;
на фиг.3 - фрагмент представления исходного сообщения посредством модернизированного цифрового избирательного вызова от начала до середины;
на фиг.4 - фрагмент представления исходного сообщения посредством модернизированного цифрового избирательного вызова от середины до конца;
на фиг.5 - способ сборки ранее принятого сообщения с ошибками на каналах связи;
на фиг.6 - пример фрагмента сообщения, принятого с ошибками на всех каналах;
на фиг.7 - выбранные сообщения с меньшими количествами ошибок для обеих временных позиций;
на фиг.8 - выполнение операции "Сборка 2" в ранее принятом сообщении;
на фиг.9 - выполнение операции "Сборка 3" в ранее принятом сообщении.
Каждый из символов, используемых в обычном цифровом избирательном вызове, состоит из 10 бит двух типов - B и Y [4]. Первые семь бит являются информационными битами, а три последних бит являются битами, которые позволяют определять наличие ошибки в группе из первых семи информационных бит. В нижеприводимом тексте запись вида (99), (100) и т.п. соответствует пересчету семи первых информационных бит в их десятичное представление. В обычном (уже существующем) цифровом избирательном вызове используются 128 символов, из которых множество от (00) до (99) используются для передачи цифровой информации о местоположении судна, времени определения местоположения судна, номере канала или частоте последующей связи посредством других систем связи (радиотелефонии или узкополосного буквопечатания). Множество символов от (100) до (127) используются как командные символы, причем один и тот же такой символ интерпретируется в зависимости от типа формата сообщения [4].
Использование незадействованного ресурса введением нового указателя формата, например, в виде символа (101), позволяет указать на последующую передачу информации по безопасности мореплавания. Это позволяет ввести иную интерпретацию передаваемых символов. В любом из языков при использовании буквенного написания текста или заменителя иероглифического текста существуют устойчивые сочетания из двух букв (буквенные биграммы) и трех букв (буквенные триграммы). Использование предложенного нового формата сообщения - передача текста по безопасности мореплавания позволяет ввести иное новое отображение букв, цифр, буквенных биграмм и буквенных триграмм на множество из 125 символов (фиг.1). Это на три символа меньше 128, поскольку символы (117), (122), (127) используются только как типы окончания сообщения так же, как и в обычном цифровом избирательном вызове.
Предлагаемый символ (10) (в новом отображении на множество из 125 символов) позволит легко переходить в таблицу символов (иного) национального языка (по умолчанию), которую можно построить аналогично нижеописанному. При передаче информации по безопасности мореплавания часто используют группы цифр, обозначающие временные интервалы. Для ускорения процесса передачи цифр в этом формате (101) предлагается использовать метку @. Его применение, к примеру, будет означать, что символ (32) следует воспринимать не как букву V, а как две цифры 32. Такое условие теряет силу после повторного появления метки @. С другим указателем формата метку @ можно использовать и для других целей. Обозначение полушарий N, S, Е, W и способ представления координат морских акваторий остаются такие же, как и в обычном цифровом избирательном вызове при передаче координат. Но для этого введем метку #, которая при ее двойном использовании должна указывать на начало и окончания передачи координат каких-либо позиций по принципу, совпадающему с обычным цифровым избирательным вызовом.
Применение буквенных биграмм и триграмм, а также введение использования метки @ перед и после группы из четырех и более цифр подряд, использование пары меток # в тексте с символом указателя предлагаемого формата (101) позволяют сжимать передаваемое сообщение без потерь информации. В этом случае исходный текст (фиг.2), передаваемый посредством модернизированного цифрового избирательного вызова, будет иметь вид, который показан на фиг.3. и фиг.4.
Для совместимости с существующим опытом использования цифрового избирательного вызова сохранены без изменения начало (побитная - B/Y и посимвольная - DX/RX-i синхронизация передаваемого сообщения) и окончание любого из форматов цифрового избирательного вызова. Сохранены также и две временных позиции передачи каждого из символов и способ определения контрольной суммы, поясняемый обозначением ⊕2. Остается неизменным и способ передачи двух типов бит (B/Y), используемых для представления символов, как аналогов логического нуля и логической единицы в радиоканале. Тип окончания формата сообщения, выраженный в виде символа (127), также означает то, что прием данного сообщения не следует подтверждать при помощи цифрового избирательного вызова [4]. Поясняющие надписи на фиг.3 и фиг.4, которые подчеркнуты, идентичны обычному (уже существующему) цифровому избирательному вызову. Неподчеркнутые поясняющие надписи символов на фиг.3 и фиг.4 соответствуют новому в предлагаемом модернизированном цифровом избирательном вызове.
Передачу текстовой информации по безопасности мореплавания предлагается вести с помощью множества каналов (от трех и более) в коротковолновом диапазоне с помощью модернизированного цифрового избирательного вызова одновременно на всех каналах со стороны береговой радиостанции. Описанная выше возможность передачи текстовой информации по безопасности мореплавания позволяет предложить многоканальный алгоритм приема сообщений по безопасности мореплавания, показанный на фиг.5. Функциональные связи в работе памяти приемника показаны штрихованными стрелками. В этом алгоритме в каждом канале для обеих временных позиций присваивается своя метка, обозначающая количество ошибок (КО) в принятом фрагменте сообщения. Эта возможность появляется за счет использования трех последних проверочных бит каждого из десяти битовых символов.
В результате будут выделены три фрагмента сообщения в основной временной позиции DX и три фрагмента сообщения в резервной временной позиции RX с наименьшими значениями количества ошибок (КО). В каждой из временных позиций этим фрагментам присваивается тег (метка) очереди в возможной последующей процедуре сборки сообщения. Тегом очереди будем считать очередность в возможной последующей сборке сообщения из принятых фрагментов сообщения на разных каналах. Чем меньше количество ошибок во фрагменте сообщения, тем меньше его номер в очереди, то есть тем меньше номер тега. Нумерация номеров тега раздельная для каждой из временных позиций.
Постоянство местоположения символа переданной контрольной суммы сообщения (относительно окончания сообщения) в обеих временных позициях позволяет методом сравнения переданной и фактически вычисляемой контрольной суммы оценить наличие или отсутствие ошибок в каждом из этих лучших шести фрагментов сообщения. Принцип вычисления контрольной суммы в предлагаемом модернизированном и в обычном (уже существующем) цифровом избирательном вызове остается одинаковым - четный вертикальный паритет по первым семи бит символов в группе. В такую группу символов для подсчета контрольной суммы входят все символы от второго указателя формата (101) до первого символа типа окончания (127) включительно по каждой из временных позиций формата сообщения [4]. Переданную контрольную сумму предлагается уточнять на месте приема методом определения большинства одинаковых значений в штатных позициях ее размещения в этих шести фрагментах с наименьшими значениями КО. Если ее удается определить, то ее значение называется опорной контрольной суммой (ОКС). Теперь способ сравнивает с опорной контрольной суммой фактически получаемые контрольные суммы на всех каналах в обеих временных позициях. При их совпадении хотя бы на одном из каналов идет распечатка принятого текста и его регистрация в памяти устройства, как принятого успешно на одном из восьми каналов.
В случае несовпадения ОКС с принятой контрольной суммой в обеих временных позициях или хотя бы в одной из временных позиций у всех каналов приема, способ выбирает один из трех фрагментов сообщения с наименьшим номером очереди (тегом очереди) для временной позиции DX и один из трех фрагментов сообщения с наименьшим тегом очереди для временной позиции RX. Вновь полученная контрольная сумма в обеих позициях сравнивается с ОКС. При успешном сравнении идет распечатка принятого текста и его регистрация в памяти устройства с пометкой "сборка 1".
В случае несовпадения ОКС с вновь полученной контрольной суммой в обеих временных позициях или хотя бы в одной из временных позиций, способ пытается собрать сообщение из фрагментов. При этом из фрагмента сообщения с тегом 2-й очереди правильно принятые символы подменяют ошибочно принятые символы во фрагменте сообщения с тегом 1-й очереди. Такие действия производятся раздельно как для временной позиции DX, так и для временной позиции RX. Вновь полученная контрольная сумма в обеих позициях сравнивается с ОКС. При успешном сравнении идет распечатка принятого текста и его регистрация в памяти устройства с пометкой "сборка 2".
В случае несовпадения ОКС с вновь полученной контрольной суммой в обеих временных позициях или хотя бы в одной из временных позиций, способ пытается вновь собрать сообщение из фрагментов. При этом из фрагмента сообщения с тегом 3-й очереди правильно принятые символы подменяют ошибочно принятые символы в ранее полученных фрагментах сообщения предыдущей сборки. Вновь полученная контрольная сумма в обеих позициях сравнивается с ОКС. При успешном сравнении идет распечатка принятого текста и его регистрация в памяти устройства с пометкой "сборка 3".
В случае несовпадения ОКС с вновь полученной контрольной суммой в обеих временных позициях или хотя бы в одной из временных позиций, способ пытается собрать сообщение из двух фрагментов сообщения, которые представлены из того, что в итоге получилось. Теперь способ руководствуется взаимной подменой искаженных символов из DX и RX временных позиций. При этом обязательно учитывается, что взаимно подменяемые символы отстают во временной позиции RX ровно на четыре символа по отношению к временной позиции DX. Вновь полученная контрольная сумма в обеих позициях сравнивается с ОКС. При успешном сравнении идет распечатка принятого текста и его регистрация в памяти устройства с пометкой "сборка 4". В случае несовпадения ОКС с вновь полученной контрольной суммой в обеих временных позициях сообщение считается непринятым (фиг.5). После успешной распечатки сообщения или непринятого сообщения память судового приемника приводится в готовность для обработки следующего сообщения.
Многоканальный способ приема и передачи информации по безопасности мореплавания работает следующим образом. На фиг.6 приведен конечный фрагмент сообщения, которое выше полностью было представлено на фиг.3 и фиг.4. Сообщение принимается одновременно на восьми каналах. При этом считаем, что побитная и посимвольная синхронизация на этих каналах прошла достаточно успешно так же как и в существующем обычном цифровом избирательном вызове. То есть правильно опознаны два последовательных символа RX-n и один символ DX между ними, либо состоялся успешный прием любого из символов RX-n и двух соседних с ним символов DX, либо правильно опознаны три последовательных символа RX-n [4]. Положим, что символ указателя формата сообщения (101), которое посвящено передачи информации по безопасности мореплавания, также успешно принят, по меньшей мере, в одной из четырех попыток (по два символа указателя формата располагаются в двух временных позициях). Местоположение указателей формата строго фиксировано в форматах цифрового избирательного вызова. Символы, у которых семь информационных бит, не подтверждаются тремя проверочными бит (искажены информационные либо проверочные биты), обозначены в виде звездочки (*). Судовой приемник производит анализ записанного сообщения по восьми каналам в восьми записях своей памяти. Определяется количество ошибок в принятом сообщении, которое выражено на фиг.5 в виде значений КО раздельно для основной временной позиции DX и для резервной временной позиции RX. Верхняя часть записи сообщения каждого из каналов соответствует основной временной позиции DX, а нижняя часть записи сообщения каждого из каналов соответствует резервной временной позиции RX. Поскольку показан не весь формат сообщения, то значение количества ошибок (КО) для каждого из каналов условно определялось произведением частоты следования ошибок во фрагменте сообщения (на фиг.6) на весь объем сообщения. Опорная контрольная сумма определяется методом большинства одинаковых значений в штатных позициях ее размещения в этих шести фрагментах с наименьшими значениями КО. Таким значением является символ (59). Это символ, который располагается в третьей с конца позиции формата сообщения для временной позиции DX и первой с конца позиции формата сообщения для временной позиции RX (Фиг.6). Символ (59) получен методом оценки большинства совпадающих значений в позиции контрольной суммы. При подсчете контрольной суммы на каждом из восьми каналах ее результат не совпадает с опорной контрольной суммой ни на одном канале, ни в одной из временных позиций. В этом случае выбираются два фрагмента с наименьшим значением количества ошибок (КО) из разных временных позиций. Такими фрагментами станут - фрагмент сообщения из позиции DX с КО 28 (тег 1-й очереди) и фрагмент сообщения из позиции RX с КО 29 (тег 1-й очереди). Подсчет контрольной суммы в обеих временных позициях не будет совпадать с опорной контрольной суммой. Тогда искаженные символы во фрагменте сообщения с КО 28 заменяются из фрагмента сообщения с КО 48 (тег 2-й очереди) для временной позиции DX. Одновременно искаженные символы во фрагменте сообщения с КО 29 заменяются из фрагмента сообщения с КО 47 (тег 2-й очереди) для временной позиции RX (Фиг.8). Вновь способ производит подсчет контрольной суммы и ее сравнение с опорной контрольной суммой. Значение опорной контрольной суммы совпадает только для временной позиции DX. Поэтому продолжается сборка фрагмента сообщения в позиции RX. При этом заменяется искаженный символ в полученном промежуточном результате за счет фрагмента сообщения из позиции RX с КО 58 (тег 3-й очереди) (фиг.9). При сравнении с опорной контрольной суммой полученная контрольная сумма совпадает полностью в обеих временных позициях. В этом случае сообщение распечатывается на принтере и запоминается маркер сообщения АА25 с добавлением метки "Сборка-3" при распечатке на принтере и в памяти приемника. В дальнейшем память судового приемника подготавливается к приему следующего сообщения.
Литература
1. Recommendation ITU-R М.625-4 (03/2012). Direct-printing telegraph equipment employing automatic identification in · the maritime mobile service. http://www.itu.int/rec/R-REC-M.625-4-201203-I/en.
2. International Telecommunication Union CCIR Recommendation 688 (1990). Annex 3-5-6. Technical characteristics for a high frequency direct-printing telegraph system for promulgation of high seas and navtex-type maritime safety information.
http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/rn/R-REC-M.688-0-199006-I!!PDF-E.pdf
3. International Maritime Organization Resolution A.700 (17) (Adopted 6 November 1991). Performance standards for narrow-band direct printing telegraph equipment for the reception of navigational and meteorological warnings and urgent information to ships (MSI) by HF. http://www.imo.org/blast/blastData.asp7doc_id=10859&filename=A700(17).pdf.
4. International Telecommunication Union Recommendation ITU-R M.493-12 (2007). Digital selective-calling system for use in the maritime mobile service. http://http.7/www.itu.int/rec/R-REC-M.493-12-200703-S/en.