АППАРАТУРА МЕТЕОРНОЙ СВЯЗИ
METEORIC COMMUNICATION EQUIPMENT

Настоящее изобретение относится к системам метеорной связи и может быть использовано в системах метеорной связи.
В радиолиниях метеорной связи передача и прием дискретной информации осуществляется во время появления информационных следов с достаточной интенсивностью радиоотражений, при этом полезное время работы радиолинии составляет 2-4% общего времени работы.
Метеорный радиоканал (МРК) образуется в результате отражения радиоволн метрового диапазона от ионизированных метеорных следов, которые хаотически возникают в верхних слоях земной атмосферы на высотах 80-110 км в результате сгорания мелких частиц космического происхождения. Каждый метеорный след, представляющий собой столб ионизированного воздуха радиусом около метра и длиной до нескольких десятков километров, после сгорания метеорной частицы существует от сотых долей секунды до единиц секунд. В течение этого непродолжительного времени он может исполнить роль естественного пассивного ретранслятора радиосигналов и обеспечить направленное зеркальное отражение метровых радиоволн, создавая возможность радиосвязи между удаленными пунктами. Метеорный радиоканал представляет собой прерывистый канал с рядом случайных параметров, таких как время и место появление метеора, численность метеорных радиоотражений, длительность существования и электронная плотность метеорного следа. Несмотря на прерывистость и относительно небольшую среднюю пропускную способность (до нескольких десятков, сотен битов в секунду), метеорная связь имеет целый ряд преимуществ, выгодно отличающих ее от других традиционных видов связи.
Импульсный характер работы метеорных радиолиний и использование отражений от ионизированных следов метеоров, появляющихся в различных областях пространства, позволяет производить прием и передачу информации в нескольких направлениях одним комплектом приемо-передающей аппаратуры, на каждом из N пунктов, объединенных в систему. [Сидоров В.В., Мерзакреев P.P., Эпиктетов JI.A. и др. Аппаратура метеорной синхронизации и связи. 5-й Российский симпозиум "Метрология времени и пространства". Труды МВТ 94. - 1994. - С. 405-410].
Известен способ увеличения пропускной способности радиолинии за счет использования передачи сигнала сразу в нескольких ортогональных поляризационных плоскостях (Радиомост Motorola РТР 600, 600. php).
Известен способ увеличения пропускной способности радиолинии. Патент РФ №2535507 от 10.12.2014 г. За счет использования нескольких ортогональных поляризаций и нескольких каналов.
Также известен способ увеличения пропускной способности радиолинии за счет одновременного использования двух ортогональных линейных поляризаций сигналов (Слюсар В.И., Зинченко А.А. Метод N-OFDM с ортогонально поляризованными сигналами. Материалы международной конференции «Телекоммуникационные технологии и сети (МКТТС 2005)», - Харьков, 19-23 сентября 2005 г. стр. 232-234).
Известны и патенты: США №4277845, Кл. 455/52, 1981 г., США №4630314, кл. 455/52, опубл. в 1986 г. А.с. СССР 1832392, кл. Н04В 7/22, опубл. в 1993 г.
Недостатки этих способов и устройств - недостаточная пропускная способность радиолинии. Это особенно важно в случае ограниченного свободного частотного диапазона в ряде регионов страны.
Известна аппаратура метеорной связи ТЦ1.100.011.ТУ 2003 г. фиг. 1, разработанная ОАО НИИ «Нептун». Россия, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 7-я линия, д. 80, корп. 1, литера А. Она состоит из приемо-передатчика, антенны и блока питания. Структурная схема ее приведена на фиг. 2, а блок-схема на фиг. 3.
-8
Аппаратура успешно прошла испытания на трассах: Санкт-Петербург - пос. Купавна (Московской обл.) протяженностью 800 км. Эта аппаратура предназначена для приема и передачи данных (цифробуквенной информации) и для высокоточной синхронизации шкал времени радионавигационных станций и может использоваться в радионаправлениях (радиолиниях), также в сетях метеорной радиосвязи. Общие характеристики аппаратуры метеорной синхронизации и связи: дальность связи при работе в радионаправлениях 20-1800 км; диапазон рабочих частот 47-58 МГц; относительная нестабильность частоты не хуже 2×10; выходная мощность импульсного излучения не менее 300 Вт; режим работы - симплексный, пакетный; вид модуляции - РАМ (амплитудно-фазовая модуляция с изменением фазы П/2 радиан); тип антенны - логопериодическая (ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости - 70°). Программное обеспечение изделия позволяет организовать обмен, как на радиолинии, так и в сети метеорной радиосвязи, построенной по радиально-узловой архитектуре. При обмене информацией предусмотрен режим обмена файлами. Вся передаваемая и принимаемая информация записывается на диске и может быть выведена на принтер. О возможности этого вида связи и уровне внедрения говорят работающие в настоящее время системы на базе метеорной связи.
Недостатком аппаратуры метеорной связи (прототипа) является то, что при появлении сигнала в одном из каналов обработки входы других каналов блокируются до того момента, пока на формирователь сигнала «сброс» не поступит сигнал об окончании информационной части сообщения. Сигнал «сброс» переводит устройство в исходное состояние, т.е. в состояние готовности к приему сообщения в другом канале. Что приводит к потере информации из-за возможного совпадения моментов прихода сообщений по двум или более каналам вследствие одновременного появления ионизированных следов метеоров на нескольких трассах.
Если на интервале времени, меньшем чем сутки, появление ионизированных следов метеоров рассматривать как стационарный процесс, а n потоков в каждом пункте считать взаимно-независимыми, то, учитывая, что совпадения по 2, 3, …к, n-l, n метеоров составляют группу несовместных событий, вероятность совпадения к метеоров из n потоков на i-том пункте будет иметь вид:
Совпадение к метеоров не исключает возможности использования для связи одного из них.
В то же время, если на одном из концов радиолинии аппаратура перешла в режим передачи, на другом конце она может быть занята приемом сообщений от одной из (n-1) других станций. Занятость аппаратуры приемом информации на каждом из n пунктов радиолинии есть независимые события, поэтому для радиолинии, объединяющей i и j пункты, вероятность использования метеора для передачи информации будет равна:
Относительное уменьшение пропускной способности из-за совпадений моментов появления метеоров определяется как
Выражение (3) определяет степень влияния совпадения моментов появления метеоров на пропускную способность радиолинии, работающей в системе метеорной связи.
Из выражений (1)÷(3) следует, что при интенсивных потоках метеоров и большом количестве станций в системе метеорной связи прием сигналов ограничивает пропускную способность системы связи, что является его существенным недостатком.
Целью изобретения является повышение пропускной способности канала метеорной связи.
Поставленная цель достигается тем, что аппаратура метеорной связи, состоящая из приемопередатчика, антенны и блока питания, включено устройство, содержащее n каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных формирователя импульсов фронтов (ФИФ) и селектора, первого ключа, блока буферной памяти (ББП), второго ключа, а также блока управления, элемента ИЛИ, бистабильного элемента, блока совпадения, задающего генератора, второго ключа, делителя частоты, датчика кодовой комбинации (ДКК), блока сравнения, интегратора, элемента ИЛИ формирователя сигналов «сброса», анализатора конца принимаемого сообщения, вход формирователя импульсов фронтов соединен с сигнальным входом ключа, управляющий вход которого соединен с выходом селектора и соответствующим входом блока управления, а выход ключа соединен со входом блока буферной памяти, выход которого подан на сигнальный вход второго ключа, управляющий вход ключа соединен с управляющим входом блока буферной памяти и соответствующим выходом блока управления, а выход ключа соединен с соответствующим входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу блок совпадения и входу анализатора конца принимаемого сообщении, при этом выход блок управления подключен ко входу бистабильного элемента и к управляющему входу ключа, сигнальный вход которого подключен к выходу задающего генератора, а выход ключа подан на вход делителя частоты, выход которого соединен со входом датчика кодовой комбинации, выход которого соединен со входом блока сравнения, а управляющий вход датчика кодовой комбинации соединен с выходом бистабильного элемента и другим входом блока совпадения, выход которого подключен ко входу блока сравнения, выход которого соединен со входом интегратора, выход интегратора соединен со входом элемента ИЛИ, другой вход которого подключен ко второму выходу интегратора и входу формирователя сигнала «сброс», второй вход которого соединен с выходом анализатора конца принимаемого сообщения, а выход формирователя сигнала «сброс» соединен с другим входом интегратора, третьим входом ключа и (n÷1)-м входом блока управления, выход элемента ИЛИ подключен к другому входу бистабильного элемента.
Новым свойством совместного применения введенного устройства в отличие от накопителей, используемых в существующих линиях связи для согласования скоростей источника (приемника) сообщений и канала связи, является возможность хранения сообщения, состоящего из служебной комбинации (фазового пуска) и информационной последовательности, поступившего в канал обработки устройства в период его занятости приемом сообщения от другого корреспондента, а также управление записью и считыванием информации по сигналам с выхода канала обработки и блока управления.
На фиг. 4 приведена структурная схема предлагаемого устройства.
Она содержит n каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных формирователей импульсов фронтов 5 и селектора 6, первого ключа 7, блока буферной памяти 8, ключа второго 9, а также блок управления 10, элемент ИЛИ 11, бистабильный элемент 12, блок совпадения 13, задающий генератор 14, второй ключ 9, делитель частоты 15, датчик кодовой комбинации 16, блок сравнения 17, интегратор 18, элемент ИЛИ 19, формирователь сигнала «сброс» 20, анализатор конца принимаемого сообщения 21.
Вход формирователя импульсов фронтов 5 соединен с сигнальным входом первого ключа 7, управляющий вход которого соединен с выходом селектора 6 и соответствующим входом блока управления 10, а выход ключа 7 соединен со входом блока буферной памяти 8, выход которого подан на сигнальный вход ключа 9, управляющий вход ключа 9 соединен с управляющим входом введенного блока буферной памяти 8 и соответствующим выходом блока управления 10, а выход ключа 9 соединен с соответствующим входом элемента ИЛИ 11. Выход элемента ИЛИ 11 подключен к первому входу блока совпадения 13 и входу анализатора конца принимаемого сообщения 21. Выход блока управления 10 подключен ко входу бистабильного элемента 12 и к управляющему входу ключа 9, сигнальный вход которого подключен к выходу задающего генератора 14, а выход ключа 9 подан на вход делителя частоты 15; выход которого соединен со входом датчика кодовой комбинации 16. Выход датчика 16 соединен со входом блока сравнения 17, а управляющий вход датчика 16 соединен с выходом бистабильного элемента 12 и другим входом блока совпадения 13, выход которого подключен ко входу блока сравнения 17, выход которого соединен со входом интегратора 18. Выход интегратора соединен со входом элемента ИЛИ 19, другой вход которого подключен ко второму выходу интегратора 18 и входу формирователя сигнала «сброс» 20, второй вход которого соединен с выходом анализатора конца принимаемого сообщения 21, а выход формирователя сигнала «сброс» 20 соединен с другим входом интегратора 18, третьим входом ключа 9 и (n÷1)-м входом блока управления 10. Выход элемента ИЛИ 19 подключен к другому входу бистабильного элемента 12.
Устройство работает следующим образом.
С выходов анализируемых каналов сигналы в виде импульсной последовательности, состоящей из синхронизирующих импульсов для установления синхронизма по посылкам, импульсов специальной пусковой комбинации (адрес) и информационных импульсов, одновременно поступают на входы n каналов обработки сигналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных формирователя импульсов фронтов 5 и селектора 6, а также ключа 7 и блока буферной памяти 8, причем сигнальные входы ключей 7 соответствующих каналов объединены со входами формирователей импульсов фронтов 5.
В том случае, когда фронты синхроимпульсов следуют друг за другом через интервал времени τ, равный длительности элементарной посылки с погрешностью ±δ, формирователь импульсов фронтов 5 вырабатывает импульс. Если погрешность превысит ±δ, то импульс на его выходе не появится.
Выработанный импульс поступает на вход селектора 6, который осуществляет счет числа поступивших на его вход синхроимпульсов на заданном временном интервале. Величина интервала счета и количество импульсов в пачке выбирается исходя из продолжительности синхроинтервала принимаемого сигнала и количества синхроимпульсов. На выходе селектора 6 импульс появляется в момент поступления на его вход последнего импульса пачки. Если количество импульсов на интервале счета оказывается меньше зачетного, селектор 6 осуществляет сброс набранного количества импульсов. Очередной счет импульсов начинается с момента поступления первого импульса после сброса.
При наличии сигнала в одном из каналов на выходе селектора 6 этого канала вырабатывается импульс, который поступает на управляющий вход нормально закрытого ключа 7, открывает его и разрешает тем самым прохождение информации для записи в блок буферной памяти 8. Одновременно импульс с выхода селектора 6 поступает на соответствующий вход блока управления 10. Блок управления 10 вырабатывает сигнал, который подается на управляющий вход ключа 9 и на управляющий вход блока буферной памяти 8 этого же канала. Ключ 9 открывается и разрешает считывание информации, записанной в блок буферной памяти 8, на вход элемента ИЛИ 11. При этом блок управления 10 блокирует ключи 9 и в других каналах, предотвращая тем самым одновременное считывание информации, записанной с блоков буферной памяти 8 других каналов.
Кроме того, с отдельного выхода блока управления 10 на управляющий вход (n+1) ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов от задающего генератора 14 на вход делителя 15 частоты, на выходе которого появляется периодическая последовательность импульсов, фронты которых совпадают с фронтами посылок принимаемого сигнала с точностью ±δ.
С выхода делителя частоты 15 импульсная последовательность (напряжение тактовой синхронизации) поступает на вход датчика кодовой комбинации 16.
Сигнал с отдельного выхода блока 10 управления поступает также на вход бистабильного элемента 12, под действием которого последний переводится в одно из двух устойчивых состояний, характеризуемое выдачей разрешающего сигнала на второй вход блока 13 совпадения, последний открывается, и принимаемый сигнал поступает на вход блока 17 сравнения. Одновременно напряжение с выхода бистабильного элемента 12 запускает датчик 16 кодовой комбинации, с выхода которого на второй вход блока 17 сравнения под действием тактовой частоты начинает поступать кодовая комбинация устройства. Блок 17 сравнения осуществляет поимпульсное сравнение пусковой комбинации сигнала (адреса) с кодовой комбинацией устройства. Совпадение каждой пары импульсов фиксируется в интеграторе 18, постоянная времени которого выбирается равной длительности пусковой комбинации. Если результат сравнения пары импульсов отрицательный (т.е. пусковая комбинация не совпадает с кодовой комбинацией устройства), то со второго интегратора 18 через второй элемент ИЛИ на бистабильный элемент 12 подается импульсный сигнал, под действием которого последний переходит в другое устойчивое состояние, которое характеризуется подачей сигнала запрета на блок 13 совпадения и датчика 16 кодовой комбинации. С первого выхода интегратора 18 через второй элемент ИЛИ на бистабильный элемент 12 подается импульсный сигнал который формирует сбросовый импульс, обеспечивающий перевод (n+1) ключа 9, блока 10 управления и интегратора 18 в исходное положение. Анализ данного канала прекращается и устройство переходит в исходное состояние. Если результаты предварительного сравнения положительны, т.е. пусковая комбинация сигнала начинает совпадать с кодовой комбинацией устройства, то со второго выхода интегратора 18 через второй элемент ИЛИ на бистабильный элемент 12 импульсный сигнал не подается, и он остается в том устойчивом состоянии, которое характеризуется подачей разрешающего сигнала на блок 13 совпадения и датчик 16 кодовой комбинации. Анализ данного канала продолжается. По истечении времени, необходимого для полного интегрирования пусковой комбинации, на первом выходе интегратора появляется импульс, соответствующий началу приема информационной части сообщения, которое поступает далее во внешнее устройство, осуществляющее регистрацию принимаемых сообщений. Одновременно этот же сигнал через второй элемент ИЛИ 19 поступает на бистабильный элемент 12 и переводит его в состояние, характеризуемое выдачей запрещающего сигнала на блок 13 совпадения и датчик 16 кодовой комбинации. Сравнение прекращается, но продолжается выработка напряжения тактовой синхронизации, которое используется для работы внешнего устройства, осуществляющего прием сообщений.
С выхода первого элемента ИЛИ 11 сигнал поступает также на внешнее устройство и анализатор 21 конца принимаемого сообщения, который после окончания сеанса связи вырабатывает сигнал, поступающий на вход формирователя 20 сигнала «сброс». Анализ данного канала прекращается, и устройство переходит в исходное состояние.
Если в момент анализа пусковой комбинации и регистрации сообщения, принимаемого по одному из каналов, например i-му, (ключи 9 остальных каналов заблокированы) за счет совпадения метеоров появится сигнал в другом канале обработки, например j, то сигналом с выхода селектора 6 этого канала откроется ключ 7 и следующая за синхроимпульсами импульсная последовательность, состоящая из импульсов пусковой комбинации и информационных импульсов, поступит в соответствующий блок буферной памяти 8. Считывание информации с блоков 8 и ее дальнейшая обработка осуществляется по сигналам блока управления последовательно по мере обработки сигналов фазового пуска и информации в блоках 9÷21 по вышеописанной схеме.
Таким образом аппаратура позволяет осуществлять прием и регистрацию одним внешним устройством сообщений, поступающих одновременно по двум или более каналам обработки при совпадении метеоров на различных направлениях, с их предварительной записью в блок буферной памяти, что позволяет сократить потери пропускной способности метеорной связи.
Технико-экономический эффект от использования предложения заключается в повышении пропускной способности системы метеорной связи за счет записи и последовательной обработки (по мере освобождения внешнего устройства) сигналов фазового пуска и сообщений, поступающих на станцию от нескольких корреспондентов системы при появлении метеоров на нескольких трассах одновременно. Общий коэффициент использования радиоаппаратуры при приеме информации от n станций, характеризующий увеличение пропускной способности аппаратуры по сравнению с радиолинией, использующей метод приема без запоминания информации при «занятости» внешнего устройства (прототипа) с учетом выражений (1) - (3) равен
Оценка по формуле (4) относительного повышения пропускной способности системы метеорной связи при использовании предлагаемого устройства показывает, что при значениях Р=0,03; μ=0,1 Гц; τ=0,3 с и количестве станций в системе n=6 составляет 15%. При n=25 пропускная способность системы связи используется полностью
Таким образом, в результате применения заявляемого устройства достигается существенное повышение пропускной способности системы метеорной связи.