СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Полезная модель относится к системам обмена данными и может быть использована для реализации информационного обмена между подвижными воздушными объектами (ВО) и наземным комплексом.
В настоящее время за рубежом широко применяется система обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием воздушных судов (ВС) и наземными службами, которые описаны в документах ARINC-724. Эта система в документах ARINC получила название ACARS. Она обеспечивает вызов на речевую связь и передачу данных.
Бортовой комплекс связи для работы в системе ACARS, используемый на отечественных летательных аппаратах [1], решает следующие функциональные задачи:
- обмен сообщениями с наземным комплексом по MB (метровому) каналу в режимах свободного доступа и адресного опроса;
- обмен сообщениями с наземным комплексом по ДКМВ (декаметровому) каналу в режиме свободного доступа;
- обработку сообщений с целью передачи принятой информации экипажу;
- обработку принятых от бортовых систем и экипажа сообщений и передачу этой информации наземной службе;
- автоматизированное управление частотой радиостанции MB диапазона по команде наземного комплекса и экипажа;
- автоматизированное управление режимами работы «прием-передача» радиостанции MB и ДКМВ диапазонов.
Бортовая система ACARS сопрягается с каналообразующей аппаратурой - радиостанциями MB и ДКМВ диапазона и бортовыми системами в соответствии с ARINC-429.
Бортовой блок управления и связи представляет собой специализированный процессор. Основным каналом обмена текущей информации является MB канал. При полетах на трассах, не оборудованных MB связью (труднодоступные районы, тундра, горные массивы, океан), связь с воздушными судами осуществляется по ДКМВ каналу.
Организацию обмена информацией между наземными службами и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс, он опрашивает воздушные объекты, находящиеся в зоне его обслуживания, и собирает с них необходимую информацию. Бортовая система работает в этом случае в режиме адресного опроса. Для того чтобы бортовая система могла работать в режиме адресного опроса, ей необходимо встать на обслуживание в наземной системе. Для этого в бортовой системе предусмотрен режим прямого доступа. Кроме этих двух режимов, предусмотрена возможность работы в режиме телефонной связи по каналу передачи данных [2].
К недостаткам представленной системы обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием ВО и наземными службами,
следует отнести невозможность управления ВО, находящимися за пределами радиогоризонта НК, который определяется границами оптической видимости. ДКМВ каналы редко используется для управления полетом ВО из-за плохого качества принимаемых сообщений.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является "Система радиосвязи с подвижными объектами" [3], которая и принята за прототип. Она состоит из наземной и бортовой приемопередающих радиостанций, между которыми осуществляется обмен данными в соответствии с заложенными алгоритмами.
При обмене сообщениями между наземной приемопередающей станцией и воздушными объектами связи загрузка канала меняется в зависимости от этапа полета и информационной активности абонентов цифровой радиосвязи. Реализованный с помощью специализированного вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера управления воздушным движением (УВД) счетчик числа воздушных объектов контролирует количество объектов и выдает это число на счетчик загрузки системы. В зависимости от числа объектов и числа переспросов сообщений в системе используются динамические алгоритмы организации обмена сообщениями и управления каналами радиосвязи. Для избежания столкновений при одновременной передаче несколькими объектами сообщений осуществляется контроль несущей во время воздействия на бортовой приемник. Определяется состояние, когда радиоканал свободен. Для разнесения во времени моментов выхода на связь нескольких воздушных объектов
в бортовое устройство введен специализированный вычислитель, реализующий функции анализатора несущей частоты и генератора псевдослучайной задержки, которые обеспечивают соответствующую задержку на передачу сообщений от воздушных объектов. Информация о взаимном местоположении аэропорта и воздушного объекта для принятия оптимального решения на борту и в службах УВД снимается с бортовых и наземных датчиков - приемников данных глобальной навигационной системы.
Особенностью большинства ВО, в том числе современных вертолетов, является то, что на них трудно установить громоздкие ДКМВ радиостанции и антенны. Высота полета вертолетов всего 2-3 километра, что дополнительно уменьшает границы зоны управления. Однако в настоящее время вертолеты наиболее часто стали применяться в зонах чрезвычайных ситуаций [2]. Персонал, размещаемый на ПК, решает задачи управления с использованием комплексов программно-аппаратных средств, выполненных на специализированных вычислителях (ПЭВМ). Информационный обмен НК с вертолетами осуществляется по сетям воздушной связи в МВ-ДМВ диапазонах радиосвязи. Радиосигналы МВ-ДМВ диапазона распространяются в пределах прямой видимости и обеспечивают передачу информации с большой скоростью и высоким качеством. В сети воздушной связи при высоте полета вертолета 2000 метров протяженность радиолинии "борт-земля" может составлять 160 км, а в направлении "борт-борт" до 400 км. Если вертолет снизился до высоты 10 метров, то дальность зоны управления сократится до 30 километров. Если вертолет улетел за холм
или за гору, то у него будет отсутствовать связь с НК. Это может привести к аварийной ситуации.
Использование системы ретрансляции на одном или нескольких вертолетах, находящихся в воздухе, существенно увеличивает дальность связи НК с вертолетами и другими ВО, находящимися как в воздухе, так и на земле. Это позволяет расширить достаточно простыми средствами зону управления с большим пространственным охватом. Вместе с тем высокая динамика изменения воздушной обстановки накладывает дополнительные требования по управлению сетью воздушной связи, поскольку имеет место постоянное изменение дальности между взаимодействующими вертолетами. Поэтому возникает необходимость решения задачи учета быстроменяющегося пространственного положения взаимодействующих и часто уходящих за пределы радиогоризонта объектов. Эта задача не решается в системе ACARS, рассчитанной на планомерное движение ВО, и на стационарные наземные станции каналов связи "воздух-земля".
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности управления полетами ВО по каналам радиосвязи, в том числе и за пределами радиогоризонта, за счет комплексирования постоянно обновляющейся информации о местоположении вертолетов и взаимодействующих с ними наземных объектов, а также использования любого из поднявшихся в воздух вертолетов в качестве ретранслятора радиосигналов с вертолетов, находящихся за пределами радиогоризонта.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса, содержащего наземное антенно-фидерное устройство с радиостанцией МВ-ДМВ диапазона, подключенной через аппаратуру передачи данных к специализированному вычислителю автоматизированного рабочего места АРМ, второй вход которого подключен к приемнику спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS, третий вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, и N воздушных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, блок регистрации данных и приемник спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS, соединенные с бортовым специализированным вычислителем соответственно, который через аппаратуру передачи данных, радиостанцию МВ-ДМВ диапазона подключен к антенне, введены дополнительно на ВО - анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, соединенные с двумя входами специализированного вычислителя, вход-выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом, а в НК - формирователь типа ретранслируемых сообщений, соединенный со специализированным вычислителем АРМ на базе ПЭВМ, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого ВО, второго ВО и далее до N-го ВО, а передача данных с N-го ВО на НК осуществляется в обратном порядке.
На фигуре представлена система радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - воздушный (подвижный) объект;
3 - специализированный вычислитель (бортовой);
4 - бортовые датчики;
5 - приемник спутниковых радионавигационных систем ГЛО-HACC/GPS (бортовой);
6 - блок регистрации данных;
7 - аппаратура передачи данных (бортовая);
8 - радиостанция (бортовая);
9 - антенна (бортовая);
10 - антенна (наземная);
11 - радиостанция (наземная);
12 - аппаратура передачи данных (наземная);
13 - специализированный вычислитель АРМ на базе ПЭВМ;
14 - приемник спутниковых радионавигационных систем ГЛО-HACC/GPS (наземный);
15 - монитор АРМ;
16 - пульт управления АРМ;
17 - анализатор типа принимаемых сообщений,
18 - двунаправленная шина системы управления воздушным объектом;
19 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
20 - формирователь типа ретранслируемых сообщений. Алгоритм работы системы заключается в обеспечении ее адаптации к постоянно изменяющимся воздушной обстановке и взаимного положения НК и ВО. Эта задача решена путем создания аппаратно-программного комплекса обмена данными между воздушными объектами, способного обеспечить устойчивую связь в условиях постоянно изменяющейся воздушной обстановки и дальности между взаимодействующими объектами.
i
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом 1. Принимаемые наземной радиостанцией 11 из канала "воздух-земля" сообщения через аппаратуру передачи данных 12 поступают в специализированный вычислитель 13 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 специализированного вычислителя 13 АРМ на базе ПЭВМ. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО 2 и состоянии его датчиков выводится на экран монитора 15 АРМ. В специализированном вычислителе 13 АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ВО 2. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ВО 2 или приближении к границе
l
зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ВО, который назначается ретранслятором сообщений, условно обозначенный на фигуре цифрой 2. При постоянном изменении дальности между взаимодействующими ВО 2 в качестве ретранслятора может быть определен любой из N ВО, местоположение которого оптимально по отношению к НК 1 и всем ВО 2.
i
N
l
i
i
В этом случае автоматически или оператором АРМ назначается ВО 2, который будет использоваться в качестве ретранслятора, и по анализу местоположения и параметров движения остальных ВО 2 определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК 1 за радиогоризонт воздушному объекту 2. Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) ВО 2, может быть доставлено N-му ВО 2. Для этого на НК 1 в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВО 2, назначенного ретранслятором и адреса воздушных объектов 2, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые сообщения на ВО 2 в блоке 17 анализа типа сообщений анализируются. Если сообщение предназначено для данного ВО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 18 на систему управления или в режиме ретрансляции передаче их на соседний ВО 2. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении, и ретрансляция данных осуществляется последовательно
i
i
i
во времени. Если после приема сообщения, на него требуется ответ, то в бортовом формирователе 19 формируется ответное слово, которое транслируется на НК 1 по той же последовательной цепочке через ВО 2, но только в обратном порядке. При передаче с НК 1 приоритетных сообщений в соответствии с принятыми в системе радиосвязи с подвижными воздушными объектами категориями срочности для ВО 2 в формирователе 20 в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранное ВО 2с учетом времени реакции ВО на принятое сообщение и на время задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая на ВО 2, информация отображается на блоке 6 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов или в виде точек и векторов на фоне электронной карты местности, характеризующих поставленную задачу. В беспилотных ВО блок 6 регистрации данных может отсутствовать. В таких случаях данные по двунаправленной шине 18 поступают непосредственно на систему управления ВО, не показанную на фигуре.
Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В специализированных вычислителях 3 и 13 определяется время "старения" информации, и, если сообщение в течение определенного промежутка времени не было передано в канал связи, то оно "стирается" и посылается запрос на повторную передачу сообщения.
В обычном режиме с НК 1, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО 2 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с блока 20 формирования сообщение отображается на мониторе 15 АРМ. На ВО 2 после прохождения радиосигнала через антенну 9, радиостанцию 8, аппаратуру передачи данных 7 он поступает в бортовой специализированный вычислитель 3, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с адресом подвижного объекта, хранящимся в дешифраторе адреса. Далее сообщение передается в блок 17 анализа типа ретранслируемого сообщения, где происходит дешифрация полученного заголовка (служебной части) сообщения, и определяется в каком режиме должна работать аппаратура ВО 2. Информационная часть сообщения записывается в память бортового специализированного 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 подвижных объектов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в системе используются динамические алгоритмы организации обмена сообщениями и управления каналами радиосвязи ВО 2. При использовании определенного формата заголовка сообщения с выхода бортовых формирователей 19 может быть использован режим свободного доступа со стороны подвижных воздушных объектов 2
или режим с выделением временного интервала при организации системы обмена данными с наземного комплекса 1.
В результате анализа состояния и загрузки каналов радиосвязи в системе с подвижными воздушными объектами, в НК 1 определяется число столкновений сообщений в канале радиосвязи, и когда это число превышает предельно допустимое, система переходит в режим адресного опроса для упорядочения работы канала передачи данных "воздух-земля". Для того, чтобы избежать столкновений при одновременной передаче несколькими объектами сообщений, в специализированных вычислителях 3 и 13 осуществляется контроль несущей за время воздействия на бортовую радиостанцию заголовка (служебной части сообщений), и подготовленное сообщение передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь подвижных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал свободен, в специализированных вычислителях 3 и 13 анализируется несущая частота, и формируется псевдослучайная задержка передачи сообщений от подвижных объектов.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Предусмотрена возможность оперативной передачи по цифровому каналу радиосвязи аварийных (экстренных) сообщений от подвижных воздушных объектов 2. Если подвижные воздушные объекты 2 сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные подвижные объекты о начале цикла передачи
данных, в т.ч. о своем местоположении, и случайным образом в выделенных им временных слотах распределяют передаваемые сообщения. Каждый из ВО 2, используя сигнал несущей в радиоканале и импульсы синхронизации, подсчитывает в специализированном вычислителе 3 сумму периодов передачи и свободных периодов очередности (равным одному временному окну (слоту)). При совпадении этой суммы со значением установленной очередности ВО 2 начинает передачу собственного пакета в выделенном интервале времени.
Введенные в НК 1 и ВО 2 формирователи 20 и 19 типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу "оператор-пилот" 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 3 регистрации данных ВО 2 и мониторе 15 АРМ ПК 1 соответственно.
Сообщения с выходов приемников 5 и 14 спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS ежесекундно записываются в память специализированных вычислителей 3 и 13 с привязкой к глобальному времени, В специализированных вычислителях 3 и 13 эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ВО 2 в специализированном вычислителе 3
в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВО 2. Принятые на НК 1 навигационные сообщения от всех ВО 2 обрабатываются в специализированном вычислителе 13 и на фоне электронной карты местности выводятся на экран монитора 15 АРМ. ВО 2, находящиеся вблизи зон устойчивой радиосвязи выделяются от остальных, например, цветом на экране монитора 15 АРМ, и для них в специализированных вычислителях 3 и 13 начинается решение задачи выбора оптимального пути трансляции управляющих сообщений от НК 1, так как постоянно в специализированном вычислителе 13 оцениваются зоны устойчивой радиосвязи для НК 1 и всех ВО 2. Наличие приемника 14 спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS позволяет проводить управление ВО 2 с мобильного НК 1. В аппаратуре передачи данных 7 и 12 осуществляются операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие.
На момент подачи заявки разработаны КД и программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Использование заявляемой системы радиосвязи позволяет расширить ее функциональные возможности по сравнению с аналогами и прототипом, в том числе:
- обмен точными данными о местоположении НК и воздушных объектов, находящихся даже за пределами радиогоризонта, позволит оператору НК и штурману ВО оптимально спланировать маршрут движения, сократить потери топлива, избежать аварийной ситуации и выполнить поставленную задачу;
- наличие обмена информацией о местоположении и состоянии бортовых систем воздушного объекта позволит обеспечить беспровальное сопровождение его по трассе, оперативно выполнить подготовительные операции при аварии на его борту, осуществив его наведение на ближайший аэродром с подготовленной для определенной (известной) ситуации командой;
- повышение уровня безопасности полетов за счет предоставления штурману ВО и оператору НК 4-мерной информации о воздушном судне с высокой точностью глобальной навигационной системы (для GPS - 7 м);
- наличие мобильного варианта исполнения НК позволит использовать систему в условиях любой местности, в том числе в труднодоступных районах;
- знание местоположения встречного или попутного ВО и его намерений позволит выбирать согласованные трассы полета, обеспечивать контроль за ними и прогнозировать ситуацию.
Литература:
1. В.В.Бочкарев, Г.А.Крыжановский, Н.Н.Сухих "Автоматизированное управление движением авиационного транспорта", М., Изд-во "Транспорт", 1999 г.
2. АС №1401626 М. кл. Н 04 В 7/26, H 04 L 27/00 БИ №21, 1988.
3. Патент РФ №195774. М. кл. Н 04 В 7/26, 2002 (прототип).