Рассмотрение возможности использования слабонаправленных антенн для транспондеров в системах мониторинга подвижных объектов

Во всех системах мониторинга подвижных объектов позиционная информация является основой для комплексного анализа данных при принятии управленческих решений, в том числе для верификации сопутствующей отчётной информации. В настоящее время во многих информационных системах для получения позиционной информации используются данные Автоматической идентификационной системы АИС, (англ. AIS Automatic Identification System) и SAT AIS (спутниковый АИС).

Ранее в 2021 на примере позиционных данных в отраслевой системе мониторинга водных биологических ресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов (далее — ОСМ), показано, что при работе используемых в настоящее время транспондеров АИС, информация о положении зарегистрированных в системе мониторинга объектов становится доступной любой развитой спутниковой системе. Например, в спутниковой группировке Lemur (США) непрерывно функционирует более ста спутников АИС. Ранее было также показано, что анализ позиционной информации позволяет в значительной мере восстановить ежедневный вылов судна. Таким образом, усилия по обеспечению информационной безопасности в системе мониторинга подвижных объектов кардинально обесцениваются при использовании АИС в современной конфигурации.

Доступность сигналов транспондеров АИС для спутниковых приёмников объясняется использованием круговых всенаправленных антенн. В 2021 г. нами приведены оценки необходимой горизонтальной направленности передающей антенны транспондера, для существенного повышения защищённости позиционной информации от внешних спутниковых группировок. По вышеуказанным оценкам достаточно добиться расходимости в «горизонтальные» 0,2 радиана.

Геометрически направленность излучения антенны, обеспечивается например использованием конструкции Янга-Уда (волновой канал), имеющей характерные размеры длины волны. Для частот, используемых в АИС длина волны несколько меньше двух метров. В принципе установка слабонаправленных антенн габаритами порядка двух метров, весом менее ста килограмм и малой парусностью возможна на рыболовные суда длиной пятьдесят метров и более, которыми обеспечивается вылов более 90 % объёма морской рыбы в Российской Федерации.

Но, несомненно, желательно уменьшить габариты обсуждаемых антенн. Самый прямой путь уменьшения габаритов антенн это увеличение частоты транспондеров. Кроме этого необходимо рассмотреть возможность использование новых материалов и оптимизация геометрии передающей антенны транспондеров. В 2022 г. нами был проведен анализ литературы по данным двум направлениям.

В последние тридцать лет успешно используют метаматериалы в конструкциях малогабаритных слабонаправленных антенн. Под метаматериалами в контексте использования в антеннах понимают микроконструкции из объёмной или плоской последовательности повторяющихся ячеек из обычных материалов. С помощью метаматериалов моделируются требуемые свойства на длинах волн значительно превышающих размер составляющих ячеек. Для передающих антенн метаматериалы в большинстве случаев обеспечивают эффективные отрицательные диэлектрическую и магнитную проницаемости.

На основе анализа литературы можно сделать вывод, что ощутимое уменьшение размеров антенн достигается для антенн, окружённых метаматериалом или выполненных непосредственно из метаматериала, при этом минимально возможный размер антенны, с метаматериалом составляет λ/50. Однако необходимо отметить, что указанная выше оценка не учитывает размер экрана. Размер, которого в некоторых случаях на порядок больше размера антенны.

Кроме этого следует отметить, что до сих пор для многих схем построения антенн из метаматериалов, не удалось воспроизвести теоретически полученные характеристики на практике.

В литературе также не удалось найти описания конструкции метаматериалов для частот ниже гигагерц. Вопрос для уменьшения частот состоит в том, как меняется диэлектрическая проницаемость составляющих материалов при понижении частоты электрического поля, что требует дополнительного исследования.

В целом можно отметить, что основные успехи в развитии конструкций малогабаритных слабонаправленных антенн связаны с увеличением КПД.

В настоящее время существенного продвижения в улучшении направленности антенн на основе метаматериаллов не отмечено.

В отношении оптимизация геометрии в литературе указывают соотношение 2πa/λ = 0,6 для предельно достижимого минимального размера a антенных устройств, реализованных на обычных материалах (для длины волны 2м характерный размер менее полуметра). Но такие размеры заведомо не обеспечивают наших, пусть и невысоких требований по направленности. Сравнение предлагаемых конструкций показывает, что характерный размер, обеспечивающий требуемую направленность антенны, составляет D = 5λ/2.

В литературе отмечается, что КПД и диаграммы направленности важны прилегающие к антенне конструкции (особенно металлические), поэтому считаем, что для оптимизации геометрии необходимо провести моделирование с измерениями направленности на частоте нескольких ГГц с учётом масштабирования и меньших затрат при меньших габаритах на моделирование формы антенны, её возможной многоэтажности и окружающих экранов.

В силу проведённого анализа и вышесказанного, поэтому основным направлением решения проблемы информационной безопасности позиционных данных является кардинальное организационное увеличения рабочей частоты транспондеров.