Принципы реализации пространственного ресурса декаметровой радиосвязи в системе авиационной электросвязи при решении задач управления воздушным движением

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 152

УДК 517.9

ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РЕСУРСА ДЕКАМЕТРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ В СИСТЕМЕ АВИАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

С.Н. НАЗАРОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Васильевым К.К.

Излагаются принципы реализации пространственного ресурса декаметровой радиосвязи при решении задач управления воздушным движением. Учитывая ограничения на скорость передачи и надежность доведения информации, данный способ предлагается применять в качестве резервного элемента средств обмена информацией, широко используемых в системе авиационной электрической связи.

Ключевые слова: пространственный ресурс, авиационная электросвязь, УВД.

При решении задач управления воздушным движением (УВД) осуществляется передача команд управления на воздушные судна (ВС), прием от ВС сообщений на диспетчерских пунктах, обмен информацией между ВС, между диспетчерскими пунктами (ДП). Задачи обмена информации между объектами УВД решает авиационная электросвязь. Основным средством связи с ВС в полете является беспроводная связь. В настоящее время основным элементом беспроводной связи становятся системы спутниковой связи [1,2]. Однако данные системы имеют определенные недостатки. Это вызывает необходимость иметь резервные средства, в качестве которых выступают системы радиосвязи декаметрового диапазона (СРС ДКМ Д).

Значение радиосвязи ДКМ диапазона в авиационной электросвязи определяется следующими достоинствами:

- оперативность установления прямой связи на большие расстояния;

- возможность организации связи с подвижными объектами;

- сравнительно низкие затраты на организацию и осуществление обмена информацией.

При этом возможно решение ряда задач по передаче информации для различных объектов,

расположенных в труднодоступных районах, имеющих сложный рельеф.

Однако существующие сети радиосвязи ДКМ строятся по принципу прямых связей, образуемых в виде отдельных радиолиний или радионаправлений от старшего радиоцентра к другим радиоцентрам сети. Образуемые радиолинии имеют малую или среднюю протяженность (в среднем до 1000 км), что позволяет использовать в качестве рабочих только частоты в пределах

0.3.. .8 Мгц. Это вызывает необходимость повторного применения частот данного диапазона и приводит к росту взаимных помех в образуемых радиолиниях, снижению значений таких показателей, как вероятности установления радиосвязи, вероятности своевременной доставки сообщений, пропускной способности сети.

Повышение эффективности функционирования сети РС ДКМ возможно за счет использования радиоцентров-ретрансляторов (РЦР), вынесенных за зону связи на расстояние, позволяющее организовать между РЦР и станцией абонента односкачковую радиолинию большой протяженности(2500-3000 км). Это дает возможность [3]:

- расширить диапазон используемых частот;

- снизить мощность передаваемых сигналов;

- снизить уровень взаимных помех в образуемых радиолиниях.

В [3] показано, что применение одиночных и группы несвязанных РЦР имеет такие недостатки, как низкая пропускная способность одиночного ретранслятора, увеличение времени установления радиосвязи с отдельными РЦР из выделенной группы.

В [4,5] предлагается использовать сеть взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов. Это предложение основывается на том, что частотно-пространственные резервы ДКМ диапазона определяются статистическими характеристиками К-мерных случайных последовательностей усредненных превышений уровня сигнала над уровнем помех на множестве отдельных частот Г; из исследуемого диапазона в N территориально разнесенных зонах приема [5,6]. Статистические характеристики К-мерных случайных последовательностей усредненных превышений уровня сигнала над уровнем помех характеризуется значениями совместных функций распределения вероятностей превышения уровня сигнала над уровнем помех в различных зонах приема на одинаковых частотах одновременно.

Анализ частотно-пространственного резерва ДКМ диапазона осуществлен в работах [6] на основе проведенных практических измерений уровней помех в пунктах приема, удаленных на расстояние 150, 350 и 500 км друг от друга. Полоса пропускания измерительного приемника выбиралась равной 1200 Гц, использовалась антенна ВГ 2*20/12. Время измерения интегрированного уровня помех устанавливалось равным 1.5 с, отсчеты на каждой частоте фиксировались через 50 с. Измерения проводились в дневное и ночное время сеансами по 4 часа. Для оценки статистической связи уровней помех в различных точках приема определен коэффициент взаимной пространственной корреляции(1):

Я = -1* .____________________

1,2 ---------------------

П I п

Ё

2=1

Е< .)2]* п-г

(х2,2 - Х2)2]*

п -1

где п - число десятиминутных участков усреднения за сеанс измерений; х1, х2 - значения уровней помех в 1-й и 2-й точках приема; х1, х2 - среднее значение уровней помех за сеанс измерений в двух точках приема. При проведении испытаний наблюдалась существенная статистическая связь усредненных уровней помех в пунктах приема, удаленных друг от друга на расстояние не более 150 км. При удалении точек приема друг от друга на расстояние более 300 км корреляция средних уровней помех на одинаковых частотах практически отсутствовала. По результатам статистических исследований определено, что закон изменения уровней сигналов и помех апроксимируется кривой Гаусса [6]. В силу нормального закона распределения вероятностей уровней сигналов и помех в N зонах приема, стационарности флуктуации помех в пунктах приема усредненные превышения уровня сигнала над уровнем помех образуют систему гауссовских случайных величин, обладающих К-мерной плотностью распределения вероятностей [6] со средними значениями превышения уровня сигнала над уровнем помех в к и 1-й точках приема, среднеквадратичным отклонением действующего значения превышения уровня сигнала над уровнем помех от среднего значения в 1.. .К точках приема; А - определитель корреляционной матрицы Я (2), составленной из коэффициентов пространственной корреляции Я(к,1) усредненных значений превышения уровня сигнала над уровнем помех на частоте Г] для каждой пары точек приема (РЦР). В(к1) - алгебраическое дополнение; Я(к,1) - элемента определителя.

Я-

1 Я1,2 Я1,3 Я1,М

Я2,1 1 Я2,3 Я2, N

Я3,1 Я3, 1 Я3, N

ЯМ ,1 ЯМ ,2 Я , N-1 1

Таким образом, по мере увеличения расстояния между приемными пунктами, временные изменения усредненных уровней помех |х; (1, Г|)}1=(1..К) в двух разнесенных пунктах приема становятся статистически менее зависимыми. Зависимость значения коэффициента корреляции от расстояния между точками приема показана на рис. 1.

п

Как видно из графика на рис. 1 точки приема возможно разнести друг от друга на такое расстояние, которое позволит осуществлять некоррелированный прием сигнала на одинаковых частотах в М точках из N. В этом случае частотно-пространственные резервы ДКМ диапазона можно эффективно использовать в системах радиосвязи, так как разнесенные точки приема сети РЦР будут заняты не одновременно.

Использование пространственного ресурса, как показали результаты исследований, приводит к повышению эффективности функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона на 20-30 %, а в условиях преднамеренных воздействий до 80 % [2].

Структура сети РС ДКМ Д, которая реализует пространственный ресурс, показана на рис. 2.

100 200 300 L (киф

Рис. 1. Зависимость значения коэффициента пространственной корреляции от расстояния между точками приема

2500-3000 км

Рис. 2. Структура сети РС ДКМ Д, использующей пространственный ресурс:

АС - абонентская станция; БСРД - базовая станция радиодоступа;

СУР - сервер управления радиодоступом

Вынос сети БСРД за зону связи на расстояние более 2500 км (рис. 2) позволяет снизить уровень взаимных помех в радиолинии за счет использования частот верхнего поддиапазона ДКМ, увеличить площадь приема сигнала за счет расширения диаграммы основного лепестка излучения остронаправленной антенны, использовать М пространственно некоррелированных точек приема на одной частоте одновременно.

При осуществлении доступа 1 - й АС к сети вынесенных БСРД формируется М виртуальных радиолиний (РЛ), которые характеризуются вероятностью установления радиосвязи Руст. р.св. у (1=1..Ь - число АС в сети, ]=1.. .М - число БСРД). Данные РЛ образуют 1-й канал радиодоступа. Точки приема, РЛ которых соответствуют условию Руст. р.св. у > Руст. р.св. треб, рассматриваются как доступный пространственный ресурс 1-го канала радиодоступа (КРД).

Повышение эффективности функциоирования сети РС ДКМ Д возможно за счет оптимального распределения доступного пространственного ресурса между образуемыми в сети РС ДКМ Д КРД.

Новое поколение авиационной электросвязи должно обеспечить всеобъемлющий охват услугами объектов системы управления воздушным движением по принципу «где угодно, что угодно, когда угодно». При этом должны обеспечиваться возможности высокоскоростной передачи данных для объектов с низкой подвижностью и для объектов с высокой подвижностью, а также должна быть предоставлена возможность использования низкоскоростных услуг с низкой стоимостью. Такой подход обеспечит непрерывную передачу как больших объемов информации, так и передачу коротких сигналов управления при возникновении нештатных ситуаций. Рассматриваемые сети будут реализовываться на основе совокупности различных стандартов, определяющих рекомендуемые направления развития уже существующих наиболее передовых стандартов. Решать задачу создания такого вида сетей целесообразно, используя принцип конвергенции стандартов (взаимопроникновения) - совместимости по цепям управления, т.е. создания интегрированной сети беспроводной связи. На рис.3 показан принцип построения такой сети.

Рис. 3. Принцип построения интегрированной сети авиационной электросвязи

На рис. 3 обозначено: пС - пикосота, Б=60.100 м, связь с малоподвижными абонентами внутри здания, большая скорость передачи данных абоненту; мкС - микросота, 0=100... 1000 м, связь с медленно перемещающимся абонентом; макС - макросота, Б<5 .6 км, связь с движущимся абонентом, эстафетная передача; ГС - гиперсота, Б=1,5.2,0 тыс. км, связь с удаленным абонентом, подвижным или неподвижным; ИСЗ - искусственный спутник Земли.

В сети с предлагаемой структурой объекты управления воздушным движением смогут воспользоваться услугами подсетей, построенных по технологиям пико, микро, макро и гипперсот за счет использования ресурсов ретрансляционных узлов. При этом доступ к ресурсам гиппер-сот будет осуществляться средствами спутниковой связи и радиосвязи декаметрового диапазона. Радиосвязь ДКМ диапазона рассматривается как резервная. Ее внедрение в интегрированную авиационную электросвязь требует решения задачи синтеза топологической структуры сети радиосвязи ДКМ диапазона, реализующей механизм пространственного ресурса. Эта задача может быть разбита на подзадачи:

1. Определение зоны расположения подсети вынесенных взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов.

2. На основе имеющейся совокупности стационарно расположенных точек доступа абонентов сети интегрированной системы беспроводной связи, заданной нагрузки в сети, требований к эффективности функционирования СРС ДКМ Д определить требуемое количество используемых РЦР и оптимальное расположение в рамках зоны, установленной при решении 1-й подзадачи.

3. На основе существующей подсети РЦР, заданной нагрузки, требований к эффективности функционирования СРС ДКМ Д определить оптимальное расположение точек доступа абонентов интегрированной системы беспроводной связи к ресурсам СРС ДКМ Д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тучков Н.Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства управления воздушным движением: учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1994. - 368 с.

2. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих Н.Н. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта / под ред. Г. А. Крыжановского. - М.:Транспорт, 1999. - 319 с.

3. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. - М.: Радио и связь, 1990. - 240с.

4. Шаров А.Н., Степанец В.И. Комашинский В.И. Сети радиосвязи с пакетной передачей информации / под ред. А.Н. Шарова. - СПб.: ВАС, 1994. - 216 с.

5. Комашинский В.И., Максимов А.В., Стратонов О.П. Пространственно-частотная адаптация в сетях связи с подвижными объектами // Радиотехника. - 1997. - №2. - С. 3-7.

6. Комарович В.Ф., Сосунов В.Н., Фарбирович М.Я. О частотно-пространственных резервах диапазона декаметровых волн // Радиотехника. - 1978. - № 6. - С. 100-101.

PRINCIPLES OF THE REALIZATION OF THE THREE-DIMENSIONAL RESOURCE OF DECAMETRIC RADIO COMMUNICATION IN THE SYSTEM OF AVIATION ELECTRICAL COMMUNICATION WITH THE SOLUTION OF THE PROBLEMS

OF THE AIR TRAFFIC CONTROL

Nazarov S.N.

The principles of the realization of the three-dimensional resource of decametric radio communication with the solution of the problems of the air traffic control are presented. T aking into account limitations to the speed of transmission and the reliability of bringing information, this method is proposed to use as the reserve element of the means of the exchange of information, widely utilized in the system of aviation electric coupling.

Сведения об авторе

Назаров Сергей Николаевич, 1967 г.р., окончил ВАС (1997), докторант Ульяновского ГТУ, автор 25 научных работ, область научных интересов - радиосвязь, математические методы моделирования.