СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ВОЗДУШНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
SYSTEM OF RADIOCOMMUNICATION WITH AIR OBJECTS

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано для организации информационного обмена между воздушными объектами (ВО) и наземными комплексами (НК) в каналах «воздух-земля».
Известна система радиосвязи с подвижными объектами [1], в которой принимаемые наземной радиостанцией из канала "воздух-земля" сообщения через аппаратуру передачи данных (АПД) поступают в вычислитель автоматизированного рабочего места (АРМ) на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена производится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных воздушных объектов, хранящимися в памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ВО. При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ВО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ВО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ВО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному подвижному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) воздушных объектов, может быть доставлено N-му ВО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВО, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ВО сообщения анализируются в блоке анализа типа сообщений. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ВО. В обычном режиме с НК, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ВО после прохождения через бортовые антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного воздушного объекта. Далее сообщение передается в блок анализа типа ретранслируемого сообщения, где происходит дешифрация полученного заголовка (служебной части) сообщения, и определяется, в каком режиме должна работать аппаратура ВО. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных. Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу "воздух-земля" взамен существующей речевой информации. Они предназначены для выбора элементов сообщений разрешения/информации/запроса, которые соответствуют принятой речевой фразеологии, и набора произвольного текста. Отображение набираемых и принятых сообщений осуществляется на блоке регистрации данных ВО и мониторе АРМ НК соответственно. Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ВО обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
К недостаткам аналога следует отнести:
- недостаточная помехозащищенность радиоканала MB диапазона;
- сигналы информационного обмена с ВО в каналах «воздух-земля» в MB диапазоне имеют ограниченную скорость передачи. В современных линиях передачи данных «воздух-земля» VDL-2 и VDL-4 скорость передачи составляет всего 31,5 и 19,2 кбит/с соответственно;
- для некоторых практических применений, например при передаче сигналов картографирования поверхности Земли, требуемая информационная скорость передачи информации должна составлять не менее 400 кбит/с. Радиолинию передачи данных с такой скоростью в соответствии с международными нормами можно организовать только в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ-диапазоне).
Известна "Система радиосвязи с подвижными объектами" [2], в которой во время движения подвижные воздушные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом по узкополосной и широкополосной линиям передачи данных.
Наземный комплекс содержит наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места. Первый вход вычислителя АРМ подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с соответствующим входом вычислителя АРМ. N подвижных воздушных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя. Выход бортового вычислителя подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом. Бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного воздушного объекта, второго ВО и далее до N-го ВО, а передача данных с N-го ВО на НК осуществляется в обратном порядке. Установленные на воздушном объекте бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования необходимы для создания бортового комплекта широкополосной радиолинии передачи данных. Каждый из указанных выше узлов соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя. Бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне механическими связями. Бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через эфир подключена к наземной направленной антенне. В наземном комплексе концентратор подключен через локально-вычислительные сети (ЛВС) двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной направленной антенны, наземному антенному коммутатору, наземной аппаратуре связи. Каждый из А АРМ состоит из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ. Каждый из В блоков сопряжения состоит из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, выход которого является входом/выходом системы. Наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи. Наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями. В режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го ВО соединена по эфиру с бортовой направленной антенной 2-го ВО и так далее до N-го ВО.
К недостаткам аналога следует отнести низкую помехозащищенность в случае совпадения направления на источник помех с угловым положением главного луча диаграммы направленности (ДНА) приемной антенны.
Кроме того, ввиду динамически меняющейся воздушной обстановки подвижные объекты часто выходят за пределы зоны прямой видимости, тем самым, разрывая тракт ретрансляции сообщений, уменьшая надежность связи и зону управления, увеличивая время доставки сообщения, так как необходимо дополнительное время для создания нового пути трансляции данных соответствующему абоненту. Поэтому в большинстве практических случаев широкополосная радиолиния связи наземного комплекса обслуживает только один подвижный объект, находящийся в зоне прямой (оптической) видимости.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является "Система радиосвязи с подвижными объектами" [3], которая и принята за прототип. Система радиосвязи с воздушными объектами состоит из воздушного объекта и наземного комплекса, содержащего наземную антенну, наземную радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через первую наземную аппаратуру передачи данных к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места. Второй вход/выход АРМ подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, его вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Концентратор, подключенный к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые, в свою очередь, подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной направленной антенны СВЧ-диапазона, наземному антенному коммутатору, наземной аппаратуре связи, наземному блоку горизонтирования, каждому из А АРМ для управления режимами их работы и съема с них соответствующих квитанций о выполнении команд управления и донесений о работоспособности их узлов. Каждый АРМ состоит из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ. В состав АРМ входят блоки сопряжения, причем каждый из В блоков сопряжения содержит последовательно соединенные вторую наземную аппаратуру передачи данных и устройство сопряжения с каналом связи, выход которого является входом/выходом системы. Наземная направленная антенна СВЧ-диапазона через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи. Наземный блок горизонтирования, стабилизирующий положение главного луча диаграммы направленности антенны СВЧ-диапазона, подключен к наземной направленной антенне механическими связями. В состав воздушного объекта входят бортовая аппаратура передачи данных, бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений, бортовая аппаратура связи, бортовой антенный коммутатор. Каждый из этих узлов соединен с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а отдельный его вход/выход - к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом. Бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне. Бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, первую и вторую бортовые антенны СВЧ-диапазона, через эфир подключены к наземной направленной антенне СВЧ-диапазона. Бортовое кодирующе-декодирующее устройство на ВО подключено к соответствующему входу/выходу бортового вычислителя, а в НК - наземное кодирующе-декодирующее устройство подключено к соответствующему входу/выходу вычислителя одного из АРМ.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- система работает только с одним ВО, что связано с наличием в тракте передачи направленной антенны СВЧ-диапазона, управляемой электромеханическим устройством;
- электромеханическое устройство инерциально, имеет относительно большое время и малую точность наведения главного лепестка диаграммы направленности антенны на ВО;
- малая зона управления и контроля из-за наличия с системе только одного ВО.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала технических средств, предназначенных для организации информационного обмена между ВО и НК в каналах «воздух-земля». Достигаемый технический результат изобретения - повышение помехозащищенности передачи информации, расширение зоны управления и контроля управляемыми воздушными объектами, увеличение числа управляемых ВО и, следовательно, увеличение объема информации, принимаемой на наземном комплексе и обрабатываемой на его АРМ, путем замены направленной антенны СВЧ-диапазона, управляемой электромеханическим устройством, n-сегментами фазированной антенной решетки (ФАР) с быстрым электронным сканированием по азимуту и углу места.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с воздушными объектами, состоящую из воздушного объекта и наземного комплекса, содержащего наземную антенну, наземную радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через первую наземную аппаратуру передачи данных к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), второй вход/выход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, первый концентратор, подключенный к локально-вычислительным сетям, которые, в свою очередь, подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной аппаратуре связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ, каждому из В блоков сопряжения, состоящих из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, выход/выход которого является входом/выходом системы, в состав воздушного объекта входят бортовая аппаратура передачи данных, бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений, бортовое кодирующе-декодирующее устройство, бортовая аппаратура связи, каждый из которых соединен с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а отдельный его вход/выход - к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, дополнительно введены (n-1) воздушных объектов, при этом на каждом воздушном объекте первый выход бортовой аппаратуры связи подключен к первой бортовой антенне СВЧ-диапазона, а второй выход - ко второй бортовой антенне СВЧ-диапазона, на наземном комплексе дополнительно введена фазированная антенная решетка СВЧ-диапазона, состоящая из n-сегментов, каждый из которых через эфир подключен к первой и второй бортовым антеннам СВЧ-диапазона соответствующего воздушного объекта, входы/выходы каждого из n-сегментов фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона и наземной аппаратуры связи подключены к шине второго концентратора вход/выход которого, как и вход/выход наземного кодирующе-декодирующего устройства, подключен к локально-вычислительным сетям первого концентратора, бортовые антенны каждого воздушного объекта через радиоканалы связи соединены с наземной антенной наземного комплекса.
На чертеже представлена система радиосвязи с воздушными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - воздушный объект;
3 - бортовой вычислитель;
4 - бортовые датчики;
5 - приемник сигналов навигационных спутниковых систем (бортовой);
6 - блок регистрации данных;
7 - бортовая аппаратура передачи данных;
8 - бортовая радиостанция;
9 - бортовая антенна;
10 - наземная антенна;
11 - наземная радиостанция;
12 - первая наземная аппаратура передачи данных;
13 - вычислитель АРМ;
14 - наземный приемник сигналов навигационных спутниковых систем;
15 - монитор АРМ;
16 - пульт управления АРМ;
17 - анализатор типа принимаемых сообщений;
18 - двунаправленная шина системы управления воздушным объектом;
19 - бортовое кодирующе-декодирующее устройство;
20 - наземное кодирующе-декодирующее устройство;
21 - бортовая аппаратура связи;
22 - шина второго концентратора 28;
23 - первая бортовая антенна СВЧ-диапазона;
24 - вторая бортовая антенна СВЧ-диапазона;
25 - п-сегментов ФАР СВЧ-диапазона;
26 - радиоканалы связи;
27 - локально-вычислительные сети;
29 - наземная аппаратура связи;
30 - автоматизированное рабочее место;
31 - одна из В вторых наземных АПД блока 33 сопряжения;
32 - устройство сопряжения с каналом связи;
34 - вход/выход системы;
35 - первый концентратор.
Вспомогательные элементы электропитания, контроля, записи и хранения информации и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурную схему системы.
Алгоритм работы системы заключается в повышении помехозащищенности системы за счет введения новых узлов, позволяющих обеспечить увеличение энергетического потенциала системы путем формирования общей ДНА несколькими сегментами ФАР СВЧ-диапазона в направлении на ВО 2 с «важной» информацией совместно с пространственно-временным кодированием широкополосной информации в условиях постоянно изменяющейся помеховой обстановки и независимо от взаимного положения НК 1 и ВО 2. Дополнительно помехозащищенность системы повышается за счет введения операций помехоустойчивого кодирования узкополосной и широкополосной информации с помощью узлов 19, 20, сосредоточения энергетического потенциала с помощью ФАР на К направлениях (К<n), организации обмена данными между оборудованием воздушного объекта 2 и наземного комплекса 1 одновременно по двум радиоканалам разных диапазонов частот: узкополосному (например, MB-диапазона) и широкополосному (например, СВЧ-диапазона) радиоканалам связи. По ним с ВО 2 передается информация о местоположении ВО 2, параметрах его движения и контроля с привязкой к точному времени, например, по сигналам ГЛОНАСС/GPS [4]. По этим данным в вычислителе 13 осуществляется формирование управляющих кодограмм для установки ДНА сегментов ФАР СВЧ-диапазона в требуемом направлении на соответствующие ВО 2.
Система радиосвязи с воздушными объектами работает следующим образом. При беспомеховой обстановке во время движения воздушные объекты 2, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом 1 по узкополосному каналу связи, например, в MB диапазоне. Принимаемые наземной радиостанцией 11 из канала "воздух-земля" сообщения через аппаратуру 12 передачи данных поступают в вычислитель 13 АРМ 30, построенный, например, на базе ПЭВМ серии «Багет». В вычислителе 13 АРМ 30 в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами воздушных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 13 АРМ. При совпадении адреса воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО 2 и состоянии его датчиков выводится на экран монитора 15 АРМ НК 1. В вычислителе 13 АРМ 30 решаются следующие задачи: организации процесса приема-передачи сигналов со второй наземной АПД 31, прием данных о состоянии наземной аппаратуры 29 связи, фактическом положении ДНА каждого из n-сегментов ФАР 25 и управления их фазовращателями, выделение ВО 2 с наиболее «важной» информацией и увеличения энергетического потенциала для них; формирования хронизирующих сигналов для приема широкополосной информации, выбор типа помехоустойчивого кодирования или современных технологий, например, псевдослучайной перестройки рабочей частоты, временного разделения каналов и других для узла 20 и наземной аппаратуры связи, расчет границ устойчивой связи с каждым из ВО 2 и предупреждение операторов АРМ о возможном выходе ВО из зоны, формирование сигналов управления: положением ДНА каждого из n-сегментов ФАР 25 СВЧ-диапазона по азимуту и углу места через второй концентратор 28 и шину 22, формирование информации о местоположении, параметрах движения всех n воздушных объектов 2 и слежения за их изменениями, режимами работы ВО; приема и обработки сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов системы, сигналов с выхода наземного приемника 14 сигналов навигационных спутниковых систем, прием-передача данных через блок 33 сопряжения по шине 34 потребителям информации; формирования на экране монитора 15 АРМ 30 картинки в соответствии с принятой с ВО 2 информацией и вспомогательных сообщений в виде графических линий, символов и других изображений, отображение квитанций и донесений о режимах работы ВО 2, НК 1, АРМ 30; обеспечения постоянной радиосвязи с ВО 2, оптимальное управление их движением, решение конфликтных ситуаций, преобразование входных/выходных сигналов наземного кодирующе-декодирующего устройства 20 к виду, необходимому для работы наземной аппаратуры 29 связи, и выполнение других операций.
Бортовой вычислитель 3 осуществляет: формирование данных для передачи сигналов на НК 1, обработку принятых данных с НК 1 и о состоянии бортовой аппаратуры 21 связи; формирование хронизирующих и информационных сигналов для режима передачи бортовой аппаратуры связи, прием и обработку сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов ВО 2 с передачей результата обработки на НК 1, сигналов с выхода бортового приемника 5 сигналов навигационных спутниковых систем; прием-передачу данных по шине 18 соответствующим потребителям информации на борту, формирование на экране блока 6 регистрации данных картинки в соответствии с принятой с НК 1 информацией и вспомогательной информацией с узлов ВО 2 в виде графических линий, символов и других изображений; отображение команд управления с НК 1 режимами работы узлов ВО 2; слежение за местоположением НК 1 в зоне радиосвязи с формированием отметки от НК 1 на экране блока 6 регистрации данных, обеспечение постоянной надежной радиосвязи с НК 1, оптимальное управление движением собственного ВО 2; решение конфликтных ситуаций, преобразование входных/выходных сигналов бортового кодирующе-декодирующего устройства 19 к виду, необходимому для работы бортовой аппаратуры 21 связи, бортовой радиостанции и выполнение других операций.
Эти операции выполняются программно с помощью дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 АРМ или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Все АРМ 30 для повышения аппаратной надежности системы идентичны по структуре и программному обеспечению. Пульт 16 управления АРМ, предназначенный для выполнения известных операций [1], может состоять, например, из клавиатуры и манипулятора графического. Число АРМ 30 определяется объемом принимаемой широкополосной информации, требуемой производительностью операторов (диспетчеров), числом потребителей информации и объемом потребляемой ими информации. Бортовой вычислитель 3 может состоять из нескольких процессоров, объединенных общей шиной. Все АРМ 30 соединены между собой и с другими блоками системы с помощью локально-вычислительных сетей 27. ЛВС 27, как и шина 22, могут состоять из нескольких интерфейсов со своими физическими линиями, например, МКИО, Ethernet, RS-232 и др. [5, 6].
В бортовой и наземной АПД (7 и 12) для повышения помехоустойчивости в зависимости от состояния радиоканалов 26 связи используются кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн и другие процедуры. Кодирование передаваемых данных может быть осуществлено, например, с помощью сверточного кодирования по Витерби с мягким решением и использованием модифицированной решающей обратной связи [7, 8]. Для борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн может быть использован, например, широкополосный сигнал и прием разнесенных во времени сигналов по схеме «РЕЙК», в которой обеспечивается разделение и адаптивное весовое сложение сигналов в динамике профиля многолучевости [7-9].
1
2
Для радиолинии связи СВЧ-диапазона в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиочастотам могут быть выбраны, например, диапазоны (1710-1850) МГц, (7125-8500) МГц или другие, имеющие характерные окна радиопрозрачности атмосферы. Особенностью широкополосной радиолинии связи является то, что в наземной и бортовой аппаратуре связи 29 и 21 для повышения помехозащищенности используются методы пространственно-временного блокового кодирования, например, с помощью способа, предложенного Аламоути [9-11]. При использовании этого способа предполагается одновременное излучение с двух антенн двух пар одинаковых радиосигналов в двух интервалах передачи таким образом, что при синфазном их сложении на приеме повысится помехозащищенность системы. В этом случае информационные биты сначала модулируются М-арным кодом. Затем бортовым кодирующее-декодирующим устройством 19 формируется блок из двух символов s и s в каждой операции кодирования, который затем модулируется в бортовой аппаратуре 21 связи и в форме двух радиосигналов посылается на две слабонаправленные передающие антенны 23 и 24 СВЧ-диапазона в соответствии с матрицей кодирования:
1
2
2
1
1
*
*
В первом столбце матрицы (1) представлена последовательность, передаваемая в первом интервале передачи, во втором - во втором интервале передачи. Первый ряд формулы (1) соответствует символам, передаваемым с первой антенны, второй ряд - передаваемым со второй антенны. В течение первого символьного интервала, первая антенна передает сигнал s и вторая антенна передает сигнал s. В течение второго символьного интервала первая антенна передает сигнал -s и вторая антенна передает сигнал s, который является комплексной величиной от s. Следовательно, с каждого из n ВО 2 на НК 1 на разных частотах передается информация одновременно в пространстве и во времени. Этим характеризуется пространственно-временное кодирование. Информационные последовательности радиосигналов, посылаемые на НК 1 с первой и второй антенн 23 и 24 СВЧ-диапазона, ортогональны [10, 11].
1
2
Коэффициенты передачи радиосигналов с первой и второй антенн 23 и 24 СВЧ-диапазона можно выразить через h(t) и h(t) соответственно. Если принять постоянство этих коэффициентов в течение двух интервалов передачи информационной последовательности символов, то получим:
i
i
где |h| и θ - амплитуда и фаза сигналов с i-й антенны СВЧ-диапазона каждого ВО 2, передаваемых с соответствующей бортовой аппаратуры 21 связи (i=1, 2, …, 2n), T - длительность символа.
Для приема кодированного по Аламоути двухсимвольного сигнала в наземной аппаратуре связи 29 достаточно одного сегмента ФАР 25 СВЧ-диапазона и пары временных отсчетов сигнальной смеси [10]. После приема и оцифровки сигнальной смеси в двух последовательных временных интервалах может быть получена совокупность напряжений:
i
i+1
i
i+1
где m и m - независимые комплексные переменные с нулевым значением и различаются лишь в том, что представляют собой аддитивный белый гауссовский белый шум в интервале времени {t, t+T} соответственно, x и x - символы передаваемой последовательности, разделенной на пары, например, на смежные - четный и нечетный [10].
1
2
1
2
Для оценки коэффициентов передачи радиосигналов с первой и второй бортовых антенн 23 и 24 СВЧ-диапазона h(t) и h(t) при составлении канала связи транслируются заранее известные пилот-сигналы, например преамбула. Затем по этим данным в наземной аппаратуре 29 связи вычисляются коэффициенты передачи h(t) и h(t) на интервале времени {t, t+T} и осуществляется декодирование пары передаваемых символов, например, по критерию максимального правдоподобия.
Если местоположение источников сигнала и помех разнесено в пространстве, то повысить помехозащищенность системы можно, разделив их на основе пространственной селекции с помощью сегментов ФАР 25 СВЧ-диапазона по разным углам прихода. При поступлении сигналов и помех на сегменты ФАР 25 СВЧ-диапазона с разных угловых направлений, различающихся более, чем на ширину главного луча диаграммы направленности антенны, их можно разделить обычной пространственной селекцией. Например, при наличии в НК 1 ФАР 25 СВЧ-диапазона с узкой ДНА (1-6)° каждого сегмента [8] можно сформировать главный луч диаграммы направленности антенны, электронным способом сориентировать его в направлении максимальной приходящей мощности сигнала и минимизировать коэффициент усиления антенны в направлении на источник помех.
m
Если различие в направлениях приема сигнала и помехи не превышает ширины главного луча диаграммы направленности антенны сегмента ФАР 25 СВЧ-диапазона НК 1, а остальные их параметры совпадают, то передаваемые радиосигналы с ВО 2 могут быть разделены на основе методов углового "сверхразрешения" по процедуре Кейпона [10-12]. Рассмотрим этот метод на примере двухвибраторной антенны. Если угловые координаты излучателей β ВО 2 относительно нормали к сегменту ФАР 25 СВЧ-диапазона НК 1 известны, например, по точным данным о текущем местоположении ВО 2, полученным с помощью обработки сигналов приемника глобальных навигационных спутниковых систем, то задача разделения сигналов, излученных парой вибраторов, сводится к решению системы уравнений, составленных по одному отсчету аналого-цифрового преобразователя (АЦП):
1
2
1
2
1
m
2
m
где y, y - выходные напряжения приемных антенн; x, x - неизвестные комплексные амплитуды излученных сигналов; h(β), h(β) - известные формы диаграмм направленности антенных элементов сегментов ФАР 25 СВЧ-диапазона в направлениях источников излучения на ВО 2 [9, 10].
m
Неизвестные угловые координаты источников излучения β определяются на этапе вхождения в связь при цифровом формировании диаграмм направленности антенных элементов сегментов ФАР 25 СВЧ-диапазона. Для этого можно применять нелинейные математические операции, например, процедуру Кейпона [9-11]. В результате проведения операций по методу Кейпона диаграммы направленности подобных антенн, которые являются виртуальными функциями, будут крайне узконаправленными и остроконечными, что позволяет дополнительно повысить пространственную избирательность сегментов ФАР 25 СВЧ-диапазона по сравнению с классической обработкой посредством преобразования Фурье [9-11]. Характерно, что передавать радиосигналы в данном случае может антенна с широкой (слабонаправленной) диаграммой направленности. Это особенно важно, поскольку при нелинейной обработке сигналов принцип взаимности не выполняется и воспроизвести столь же узконаправленные диаграммы направленности для передающей антенны на ВО 2 невозможно. При организации радиолинии связи, например, в сантиметровом диапазоне для использования предложенной технологии на ВО 2 можно создать большой разнос антенных элементов - до 10 длин волн [10, 11]. Это обеспечивает лучшую декорреляцию сигналов в режиме передачи на НК 1. Алгоритм сверхразрешения по методу Кейпона при обработке сигналов в антенной решетке с неидентичными каналами приведен в работе [9, 12].
Операции формирования и обработки передаваемых и принимаемых сигналов, например, по алгоритму Аламоути осуществляются в устройствах 19 и 20 соответственно. Процедуры борьбы с замираниями радиосигнала из-за эффекта отражения от поверхности Земли и «формирования» виртуальной сверхузкой ДНА, например, по методу Кейпона, производятся программно в наземной аппаратуре связи 29. Аппаратура связи 21 и 29 состоит, например, из радиостанции СВЧ-диапазона и соответствующей вычислительной аппаратуры обработки и передачи данных. В радиостанции для создания широкополосного сигнала может быть использован, например, метод непосредственной модуляции сигнала промежуточной частоты фазоманипулированной последовательностью. В некоторых вариантах может быть использована псевдослучайная перестройка несущей частоты.
При определении операторами НК 1 «важной» информации энергетический потенциал нескольких сегментов ФАР СВЧ-диапазона может быть объединен и предназначен для соответствующего ВО 2.
В качестве антенны 25 могут быть использованы, например, активные фазированные антенные решетки, фазовращатели сегментов которых управляются по шине 22. Сектор сканирования луча ДНА ФАР 25 СВЧ-диапазона может быть, например, по азимуту 3600, по углу места - практически от 0 до 1800 (без учета углов закрытия и особенностей связи при углах места вблизи 900). Управление положением ДНА сегмента ФАР 25 СВЧ-диапазона выполняется, например, программно с помощью вычислителя 13 АРМ и дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислитель 13 АРМ или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в его «обрамление». Наведение ДНА на соответствующий ВО 2 осуществляется путем нахождения пространственного вектора между двумя объектами системы и направления по нему центра ДНА сегмента ФАР 25 СВЧ-диапазона. Для этого с учетом тенденции (экстраполяции) движения с привязкой к единому всемирному времени используются точные координаты ВО 2 и НК 1, вычисляемые по выходным сигналам приемников 5 и 14 навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS [6]. На ВО 2 может быть установлена пассивная антенна СВЧ-диапазона с круговой ДНА по азимуту и с небольшой направленностью по углу места с коэффициентом усиления (3-10) дБ, что необходимо при полете ВО 2 по замкнутому маршруту. Для защиты антенн 23-25 от внешних воздействий могут быть использованы, например, радиопрозрачные укрытия, не показанные на чертеже.
Информация блоков 12, 14 обрабатывается в вычислителе 13 одного из АРМ, например первого. Полученные по ЛВС 27 данные распределяются между остальными вычислителями 13 АРМ 30 и, при необходимости, передаются через одну из В вторых наземных АПД 31 блока 33 сопряжения и устройство 32 сопряжения с каналом связи блока сопряжения 33 по шине 34 соответствующему потребителю информации. Сообщения от потребителя информации на вычислители 13 АРМ 30 передаются через те же узлы, но в обратном порядке. В зависимости от объема требуемой информации для обработки и формирования сообщений потребителю могут быть использованы несколько АРМ 30. Обмен данными по ЛВС 27 организуется известными способами с помощью первого концентратора 35, который может быть выполнен, например, в виде оконечного устройства для интерфейса МКИО [5, 6].
Для повышения надежности системы наземная аппаратура 29 связи подключена через ЛВС 27 ко всем АРМ 30, поэтому даже при выходе из строя нескольких вычислителей 13 АРМ 30 процесс обработки широкополосной информации не нарушится. Широкополосная информация с каждого ВО 2 передается на НК 1 непрерывно на разных частотах.
Узлы 7-9, составляющие основу бортового комплекса связи, например, MB-диапазона, и связанные с ними по радиоканалам 26 связи узлы 10-12, составляющие основу наземного комплекса связи также, например, MB-диапазона, для повышения надежности связи могут зарезервированы. Тогда один из входов/выходов бортового вычислителя 3 должен быть подключен ко второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 7-9, а на НК 1 один из входов/выходов наземного вычислителя 13 любого из АРМ 30 также должен быть подключен к соответствующей второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 12-10. В этом случае в наземном вычислителе 13 одного из АРМ, определенного ведущим, осуществляются операции оценки достоверности информации, принимаемой с ВО 2 по двум MB каналам, и обработки наиболее ценной, достоверной информации.
Принятые данные обрабатываются в блоке 17 анализа типа сообщений воздушного объекта 2. Если сообщение предназначено для данного ВО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных на блок 6 регистрации или по двунаправленной шине 18 на систему управления ВО, не указанную на чертеже.
Для последовательного выполнения операций по организации широкополосной радиолинии связи в заданный момент времени определяется текущее местоположение ВО 2 и НК 1, вычисляются в наземном вычислителе 13 экстраполяционные точки нахождения соответствующих воздушных объектов системы во время планируемого сеанса связи, осуществляется наведение центра диаграмм направленности соответствующих сегментов ФАР 25 СВЧ-диапазона НК 1 на выбранные ВО 2 и с помощью вычислителя 13 АРМ 30 обеспечивается слежение за ними во время движения. Затем проводят обмен данными между НК 1 и соответствующими воздушными объектами системы.
При совпадении направления ДНА с НК 1 на ВО 2 с направлением на источник помех, положение которого определено в наземном вычислителе 13 АРМ 30 по результатам оценки достоверности принятой информации с ВО 2 с помощью, например, процедуры Кейпона, указанными ранее процедурами обеспечивается заданная помехозащищенность.
После получения на НК 1 подтверждения о достоверном приеме информации на ВО 2 в вычислителе 13 АРМ 30 автоматически формируется следующее сообщение в адрес управляемого ВО 2. Это сообщение, пройдя по рассмотренной ранее цепочке узлов: 12-11-10-26-9-8-7, поступает на соответствующий бортовой вычислитель 3 и, при необходимости, отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных. Для устранения взаимных помех могут быть применены различные методы разделения каналов «HK-BOi», например частотное или временное.
Для удобства разрешения оператором НК 1 конфликтной ситуации при наличии помеховой обстановки на экран каждого монитора 15 АРМ 30 НК 1 может выводиться положение каждого ВО 2 относительно НК 1. Для этого, программно с помощью вычислителя 13 АРМ выделяются части пространства, в которых помеховая ситуация в вероятностном смысле менее напряженная, и сообщается об этом на ВО 2. Для отображения тенденции движения ВО 2 на экране монитора 15 АРМ вычислителем 13 АРМ 30 формируются отметки, характеризующие предыдущее местоположение ВО 2 и экстраполяционные отметки, характеризующие местоположение ВО 2 через заданный интервал времени. По мере движения ВО 2 устаревающие отметки стираются. Маршрут полета ВО 2 в зоне обслуживания НК 1 сохраняется в памяти вычислителя 13 АРМ на заданный период времени.
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ВО 2 в соответствии с категориями срочности, принятыми в системе радиосвязи с воздушными объектами, в заголовке кодограммы формируется код запрета передачи других данных на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на ВО 2 с учетом времени реакции ВО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая на ВО 2 информация отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов или в виде точек и векторов.
Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В вычислителях 3 и 13 определяется время "старения" информации и, если сообщение в течение определенного промежутка времени не было передано в канал связи, оно "стирается" и посылается запрос на повторную передачу сообщения.
В обычном режиме в беспомеховой обстановке с НК 1, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО 2 путем формирования сообщения для передачи в радиоканалы 26 связи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с любого из пультов 16 управления АРМ 30 сообщение отображается на мониторе 15 АРМ и параллельно на НК 1 после прохождения сигнала через вычислитель 13 АРМ 30, аппаратуру передачи данных 12, радиостанцию 11, антенну 10, затем радиоканалы 26 связи и на ВО 2 - через бортовые: антенну 9, радиостанцию 8, аппаратуру передачи данных 7 поступает в бортовой вычислитель 3, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВО 2. Если адреса совпадают, то сообщение передается в анализаторе 17 типа ретранслируемого сообщения для дешифрации служебной части полученного сообщения и определения режима работы аппаратуры ВО 2. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 3 и при необходимости выводится на экран блока 6 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
В зависимости от числа воздушных объектов и числа переспросов сообщений в радиоканалах 26 связи в системе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями и эффективного управления полетом ВО 2. При изменении помеховой обстановки, взаимного положения НК 1 и воздушных объектов 2, нарушения режима полета воздушного объекта и других параметров в вычислителях 3 и 13 автоматически формируется предупреждающий сигнал о возможном «обрыве» связи, информация о котором выводится на экраны блока 6 регистрации данных и монитора 15 АРМ. Визуальная картинка может быть усилена звуковым эффектом.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если ВО 2 сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют по радиолиниям MB- и СВЧ-диапазонах о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом в выделенных им временных слотах, например, в MB-диапазоне, распределяют передаваемые сообщения. На ВО 2 в вычислителе 3 оценивается уровень принимаемых сигналов несущей частоты в радиоканалах 26 связи и обрабатываются для выбора интервалов передачи точные по времени импульсы синхронизации с выхода приемников глобальных навигационных систем. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью воздушный объект 2 начинает передачу собственного пакета данных в выделенном интервале времени.
Устройства 20 и 19 могут быть выполнены в виде отдельных узлов или программными методами с помощью вычислителей 3 и 13.
Сообщения с выходов приемников 5 и 14 сигналов навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС/GPS, записываются в память вычислителей 3 и 13 с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 3 и 13 эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО в зоне радиосвязи НК 1, а также для ориентирования в пространстве диаграммы направленности антенны 25 СВЧ- диапазона НК 1, в том числе при мобильном исполнении НК 1. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ВО 2 в вычислителе 3 формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВО 2. Для повышения точности определения местоположения ВО 2 и, следовательно, установленных на нем антенн 23 и 24 с НК 1 постоянно передаются, например, по MB- и СВЧ-радиолиниям дифференциальные поправки, позволяющие с помощью известных процедур вычислить координаты ВО 2 с точностью до 1 м [4]. Метки времени с выходов приемников 5 и 14 сигналов навигационных спутниковых систем используются в вычислителях 3 и 13 для согласованного формирования интервалов передачи и приема при временном разделении каналов с учетом времени защиты сообщений от наложения. На НК 1 вычислитель 13 управляет работой фазовращателей в сегментах ФАР 25 СВЧ-диапазона.
Принятые на наземном комплексе 1, представляющим собой наземный пункт приема, передачи, обработки и отображения информации, навигационные сообщения от ВО 2 обрабатываются в вычислителе 13 АРМ и выводятся на экран монитора 15 АРМ 30. Точка, характеризующая местоположение НК 1, обычно размещается в центре экрана монитора 15 АРМ 30. ВО 2, находящийся вблизи границы зоны устойчивой радиосвязи, выделяется, например, цветом отметки на экране монитора 15 АРМ.
В аппаратуре передачи данных 7 и 12 по радиоканалам 26 связи, например, MB диапазона, осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и др. [7, 9, 10].
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-21, 23-24, 27, 29-35 одинаковые с прототипом. Функции узла 28 и шины 22 могут быть реализованы, например, в модуле МКИО и физических линиях [5, 6], сегменты, например, конформной восьмиугольной ФАР СВЧ-диапазона - на полуволновых вибраторах, соединенных с фазовращателями, которые управляются с помощью одного из вычислителей 13 АРМ, выбираемых автоматически, через шину 27 первого концентратора 35 и шину 22 второго концентратора 28 [9].
Использование заявляемой системы радиосвязи с воздушными объектами позволяет:
- повысить помехозащищенность передачи широкополосной информации в условиях сложной помеховой обстановки, многолучевого распространения радиоволн и связанных с ним частотно-селективных замираний путем увеличения энергетического потенциала системы за счет формирования общей ДНА несколькими сегментами ФАР СВЧ-диапазона в направлении на ВО 2 с «важной» информацией совместно с пространственно-временным кодированием широкополосной информации, введения операций помехоустойчивого кодирования узкополосной и широкополосной информации с помощью узлов 19, 20, устранения взаимных помех при применении различных методов разделения каналов «НК-BOi», например, частотного или временного, сосредоточения энергетического потенциала с помощью сегментов ФАР на К направлениях (K<n), организации обмена данными между оборудованием воздушного объекта 2 и наземного комплекса 1 одновременно по двум радиоканалам разных диапазонов частот: узкополосному (например, MB-диапазона) и широкополосному (например, СВЧ-диапазона) радиоканалам связи;
- прием широкополосной информации не с одного, а одновременно с n-направлений и, следовательно, расширение зоны управления и контроля, повышение объема обрабатываемой на НК и передаваемой потребителю информации в n раз; повышение надежности системы обеспечивается за счет подключения наземной аппаратуры 20 связи через ЛВС 27 одновременно ко всем АРМ 30, поэтому даже при выходе из строя нескольких вычислителей 13 АРМ 30 процесс обработки широкополосной информации не нарушится;
- замена направленной антенны СВЧ-диапазона, управляемой электромеханическим устройством, n-сегментами фазированной антенной решеткой с быстрым электронным сканированием по азимуту и углу места повышает оперативность организации широкополосной радиолинии и улучшает показатели надежности системы.
Предлагаемая помехозащищенная система радиосвязи может быть использована при картографировании местности с помощью воздушного объекта (летательного аппарата) и трансляции цифровых данных на НК, который будет являться наземным пунктом приема и передачи информации.
Литература
1. Патент РФ №44907 U1, М. кл. H04B 7/00, 2005.
2. Патент РФ №2309543, М. кл. H04B 7/26, H04B 7/185, 2007.
3. Патент РФ №2486675. М. кл. H04B 7/26, 2013 (прототип).
4. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
5. К.Э. Эрглис. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 256 с.
6. А.А. Мячев. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.
7. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. - М., Радио и связь, 1985, 391 с.
8. В.В. Бортников, С.С. Ананченков. Помехоустойчивость двоичных сигналов в марковском канале с замираниями. // Изв. вузов MB и ССО СССР, Радиотехника, 1984, т. 24, №10, с. 78-80.
9. Кейстович А.В., Милов В.Р. Виды радиодоступа в системах подвижной связи. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 278 с.
10. Слюсар В.И. Системы MIMO: принципы построения и обработка сигналов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2005. - №8. - С. 52-59.
11. Alamouti S.M. Space_time block coding: A simple transmitter diversity technique for wireless communications // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - Oct. 1998. - Vol. 16. - P. 1451-1458.
12. O.C. Литвинов. Алгоритм сверхразрешения по методу Кейпона при обработке сигналов в антенной решетке с неидентичными каналами. // Антенны, 2004, №8-9 (87-88), с. 72-79.