METHOD FOR RADIO COMMUNICATION WITH MOBILE OBJECTS
СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Изобретение относится к способу радиосвязи с многостанционным доступом.
Известны способы радиосвязи с подвижными объектами, используемые в системах управления воздушным движением (УВД). В авиационной системе связи, адресования и донесений ACARS [1] использован способ радиосвязи, заключающийся в том, что с центральной станции (ЦС), после установления связи с подвижными объектами (ПО) - воздушными судами (ВС), вошедшими в зону управления, выдается блок информации о заявке на контракт.В нем указывается тип данных с ВС, интересующий потребителя информации, и темп обмена с центральной станцией. Передача данных в ОВЧ диапазоне осуществляется на одной частоте для всех ВС, находящихся в зоне управления (для РФ эта частота равна 131,725 МГц). В ВЧ диапазоне передача данных обеспечивается на разных частотных каналах (от двух до шести) для каждой наземной станции. Каждый частотный канал разбивается на 32-х секундные кадры, а каждый кадр разбивается на 13 временных слотов доступа. На всех частотах ВЧ диапазона наземные станции периодически (в первом слоте каждого кадра) излучают сигналы маркеров, качество которых оценивают самолеты при выборе частоты связи. Самолет выбирает для связи любой канал, качество сигнала маркера которого является приемлемым или наилучшим, регистрируется на этом канале определенной наземной станции и ведет на нем связь до тех пор, пока качество канала отвечает требуемому уровню. Один канал связи могут выбрать несколько самолетов и зарегистрироваться на нем. Каждый канал используется всеми зарегистрированными на нем самолетами в режиме множественного доступа с временным разделением. Управление протоколом обеспечивает наземная станция, передавая в сигналах маркеров назначения слотов, резервируемых по запросам от бортов, слотов случайного доступа и слотов для передачи данных с ЦС. Сброс информации с воздушного судна в ВЧ диапазоне на ЦС осуществляется до выхода его из зоны управления или при начале обмена данными в ОВЧ диапазоне.
К недостаткам этого способа можно отнести следующее.
При одновременном ответе нескольких ВС в ОВЧ диапазоне возможно наличие коллизий, что снижает скорость обмена информацией и достоверность приема данных. Кроме того, привязка обмена данными с ВС к известным частоте и слотам значительно снижает степень защиты передаваемой информации.
В другой системе автоматизированной связи VDL-4 [2] центральная станция распределяет между воздушными судами 4500 временных слотов, в каждом из которых должен осуществляться обмен данными ЦС с определенным ВС. Общая длительность кадра составляет 1 мин. Через минуту процесс обмена данными возобновляется с сохранением номеров слотов, которые были назначены ЦС воздушным судам в предыдущем кадре.
Недостатком этого аналога является то, что обмен данными осуществляется только на одной известной рабочей частоте с привязкой к известным слотам, что также снижает степень защиты передаваемой информации.
1
2
3
4
3
1
2
3
4
Известен способ радиосвязи с подвижными объектами по авторскому свидетельству №1596468 [3]. В этом способе при обмене информацией с подвижными объектами, находящимися в зоне действия центральной стационарной станции, с нее на частоте f передают на периферийные подвижные станции блок информации, содержащий адрес периферийной станции. При совпадении адреса периферийной станции и передаваемого с центральной станции адреса с периферийной станции на частоте f передают блок информации на центральную станцию. Периодически с центральной станции на частоте f передают синхросигнал для всех периферийных станций. По этому сигналу на каждой периферийной станции случайным образом из конечного набора целых чисел выбирают число, указывающее номер интервала ответа, в котором с периферийной станции передают на частоте f ее адрес на центральную станцию, с которой после неискаженного приема адреса передают на частоте f сигнал подтверждения приема. В случае искаженного приема адреса сигнал подтверждения приема не передают, а на периферийной станции повторяют выбор номера интервала ответа до получения подтверждения правильного принятия адреса. После этого периферийная станция работает на частотах f, f в течение сеанса обмена информацией с центральной станцией. По окончании сеанса обмена информацией периферийная станция переходит на работу на частотах f и f. Синхросигнал передают в виде кодированного сигнала, представляющего собой адрес центральной станции.
3
Недостатками аналога являются: необходимость наличия на ВС и подвижных объектах одновременно работающих четырех приемопередатчиков, наличие периодически излучаемого с ЦС на известной частоте f радиосигнала, а также сложный алгоритм обмена данными между ЦС и подвижными объектами из-за необходимости синхронизации системы с ЦС и постоянное использование четырех частот, что также снижает степень защиты передаваемой информации.
Наиболее близким по процедурам обработки сигналов является способ радиосвязи с подвижными объектами [4], который и принят за прототип. Он осуществляется с помощью передачи с центральной станции блока информации, содержащего заложенные в него данные, приеме его на подвижных объектах и передаче с подвижных объектов информационного сигнала, содержащего подтверждение о приеме блока информации с ЦС и данных с датчиков подвижного объекта, задержанного относительно принятого с центральной станции блока информации, в состав информационного блока с центральной станции вводят кодовые группы вида работ, типа запрашиваемых данных, номинала рабочей частоты на следующий кадр обмена и времени начала следующего кадра, данные в информационном сигнале с каждого из подвижных объектов распределяют по временным интервалам в зависимости от номера, определяемого кодовой группой вида работ, начиная от момента времени, задаваемого кодовой группой времени начала следующего кадра, взаимную синхронизацию во времени центральной станции и подвижных объектов осуществляют с помощью временной шкалы глобальной навигационной системы, длительность кадра Т определяют исходя из назначения системы радиосвязи, но не более
t
T=(1+Nn)τ+t при τ>mσ,
где N - число ПО;
n - число разрядов в сообщении с ПО;
t - максимальное суммарное время распространения радиосигнала по линии ЦС-ПО-ЦС и удвоенной длительности сообщения с ЦС;
t
σ - относительная среднеквадратическая ошибка определения текущего интервала времени;
τ - длительность единичной посылки информации;
m - коэффициент (больше единицы), зависящий от назначения системы радиосвязи.
Рабочую частоту радиосвязи для каждого подвижного объекта определяют по предыдущей кодовой группе вида работы блока информации с центральной станции. По информационным сигналам соседних кадров каждого подвижного объекта на центральной станции судят о его состоянии и характеристиках линии радиосвязи.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- при входе в зону радиосвязи нового подвижного объекта у него отсутствуют сведения о необходимой рабочей частоте и времени обращения к центральной станции из-за чего невозможно обеспечить связь с ЦС;
- передача сведений о моменте времени посылки с ПО ответного сообщения упрощает процесс формирования прицельной помехи;
- низка степень защиты передаваемой по каналам радиосвязи информации.
Основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение степени защиты передаваемой информации.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиосвязи с подвижными объектами, заключающемся в передаче с центральной станции (ЦС) блока информации - маркера, содержащего заложенные в него данные, приеме его на подвижных объектах (ПО) и передаче с подвижных объектов информационного сигнала, содержащего подтверждение о приеме блока информации с ЦС и данных с датчиков подвижного объекта, задержанного относительно принятого с центральной станции блока информации, в состав информационного блока с центральной станции вводят кодовые группы вида работ, типа запрашиваемых данных, номинала рабочей частоты на следующий кадр обмена и времени начала следующего кадра, данные в информационном сигнале с каждого из подвижных объектов распределяют по временным интервалам в зависимости от номера, определяемого кодовой группой вида работ, начиная от момента времени, задаваемого кодовой группой времени начала следующего кадра, взаимную синхронизацию во времени центральной станции и подвижных объектов осуществляют с помощью временной шкалы глобальной навигационной системы, рабочую частоту радиосвязи для каждого подвижного объекта определяют по предыдущей кодовой группе вида работы блока информации с центральной станции, а по сравнению информационных сигналов нескольких кадров каждого подвижного объекта на центральной станции судят о его состоянии и характеристиках линии радиосвязи, длительность кадра Т определяют исходя из назначения системы радиосвязи, но не более
t
T=(1+Nn/b)τ+t при τ≥mσ,
где N - максимальное число ПО, ожидаемое в зоне радиосвязи;
n - число разрядов в сообщении с ПО;
t - максимальное суммарное время распространения радиосигнала по линии ЦС-ПО-ЦС и удвоенной максимальной длительности сообщения с ЦС или ПО;
t
σ - относительная среднеквадратическая ошибка определения текущего времени;
Т - время кадра;
τ - длительность единичной посылки информации;
m - коэффициент (больше единицы), зависящий от назначения системы радиосвязи;
b - число частотных каналов на ЦС,
при этом все ПО, которые могут появиться в зоне связи, дополнительно распределяют по нескольким рабочим частотам (не менее двух) и временным интервалам кадра так, чтобы исключить коллизии при одновременной работе передающих средств подвижных объектов, присваивают коды с привязкой к номеру кадра для каждой указанной выше комбинации для всех ПО, закладывают эти коды в память вычислительных средств ЦС и ПО, каждый кадр меняют все рабочие частоты центральной станции на передачу и на прием, о чем извещают в предыдущем маркере все подвижные объекты, во время излучения маркера приемники ЦС перестраивают на рабочие частоты, рекомендованные в предыдущем маркере подвижным объектам для связи, подвижные объекты передают данные на центральную станцию только по запросу с нее или при необходимости, на передающей части ЦС (ПО) данные шифрируют, а на приемной стороне ПО (ЦС) - дешифрируют.
Способ радиосвязи с подвижными объектами реализуют следующим образом. Для организации обмена данными между ЦС и ПО осуществляют предварительные операции:
- распределяют все ПО, которые могут появиться в зоне связи, по нескольким рабочим частотам (не менее двух) и временным интервалам кадра так, чтобы исключить коллизии при одновременной работе передающих средств подвижных объектов, причем эти значения меняются каждый кадр;
- присваивают коды с привязкой к номеру кадра для каждой указанной выше комбинации для всех ПО;
- закладывают эти коды в память вычислительных средств ЦС и ПО.
В начале обмена данными обеспечивают взаимную синхронизацию центральной станции и подвижных объектов с помощью сигналов с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем. Передача данных с ЦС обеспечивается на нескольких частотных каналах (более двух). Каждый частотный канал разбивается на кадры, а каждый кадр разбивается на временные слоты доступа. Длительность кадра и число слотов зависит от назначения системы, в которой используется предлагаемый способ. Для повышения помехозащищенности длительность слота должна быть меньше времени формирования помехи.
1
Затем при обмене информацией с подвижными объектами, находящимися в зоне действия центральной станции, в начальный момент времени с нее на известной частоте f в первом слоте каждого кадра передают подвижным объектам кодированный блок информации - маркер, содержащий вид работы, номер кадра, тип данных, время начала работы, запрашиваемую с ПО информацию, коды с привязкой к номеру кадра рабочих частот (не менее двух) и временных интервалов для всех ПО на следующий кадр обмена, сообщения широковещательного режима и другие. В заранее настроенных на известную частоту приемные устройства ПО осуществляют прием, декодирование, обработку блока информации и выдачу на ЦС на заданных в коде маркера частоте и временном интервале первого кадра ответного кодированного блока информации, подтверждающего качество приема блока информации с ЦС и необходимые данные, например, с датчиков подвижного объекта. Данные с каждого подвижного объекта, как и с ЦС, предварительно обрабатывают для сокращения избыточности, кодируют, передают на заданной в коде маркера центральной станции рабочей частоте и в соответствующем временном интервале, номер которого для каждого кадра также определяют по принятой кодовой группе маркера. Во время излучения маркера приемники ЦС перестраивают на частоты, радиосигналы на которых в этом кадре следует ожидать в соответствии с переданными на ПО кодами. Сброс данных с ПО осуществляют только по запросу с ЦС, находящемуся в маркере, или при необходимости в связи со резкой сменой окружающей обстановки. Число кадров в зависимости от назначения данных обмена ограничивают числом М, например, кратного 2. После обмена данными в М-м кадре обмен продолжается с 1-го кадра и так далее. Величина М в маркере определяет время начала следующего кадра и может меняться в процессе связи по программе, известной всем абонентам.
В соответствии с маркером, принятым с ЦС, в ПО на следующий кадр выбирают вариант работы, благодаря чему ЦС и ПО работают в едином заранее известном алгоритме обмена данными. Например, осуществляют передачу блока информации в заданных (с помощью блока информации с ЦС) частотном канале как на ЦС, так и на каждом ПО, и интервале времени. После передачи сигнала маркера передатчики ЦС переключают на частоту, номинал которой указан в коде, переданном на все ПО в составе маркера. Начало кадра и временное положение слотов привязывают к точной временной шкале глобальной навигационной системы, например, GPS, ГЛОНАСС или других источников эталонного времени.
Для повышения степени защиты передаваемой информации на передающей части ЦС (ПО) данные шифрируют, а на приемной стороне ПО (ЦС) - дешифрируют. Кроме того, для этой цели в каждом кадре используют псевдослучайное изменение частоты каналов связи на ЦС и ПО, временных интервалов, отведенных для передачи данных с соответствующего ПО, а также псевдослучайное изменение величины М. Передатчики ЦС в количестве (b-1) штуки могут быть использованы для маскировки сигнала маркера, если одновременно по ним передать на разных частотах искаженные сообщения.
Входящие в зону радиосвязи подвижные объекты, имеющие точный план привязки к кодам частот и временному положению своего слота, осуществляют обмен данными с ЦС, начиная со следующего кадра (или с первого). Время выдачи с ЦС нового блока информации определяют, исходя из назначения системы радиосвязи, но не позднее, чем через интервал
t
T=(1+Nn/b)τ+t при τ≥mσ,
где N - максимальное число ПО, ожидаемое в зоне радиосвязи;
n - число разрядов в сообщении с ПО;
t - максимальное суммарное время распространения радиосигнала по линии ЦС-ПО-ЦС и удвоенной длительности сообщения с ЦС или ПО;
t
σ - относительная среднеквадратическая ошибка определения текущего времени;
Т - время кадра;
τ - длительность единичной посылки информации;
m - коэффициент (больше единицы), зависящий от назначения системы радиосвязи;
b - число частотных каналов на ЦС.
Это условие определяет устойчивый прием без коллизий и обработку данных обмена. Вариант дальнейшей работы на следующий кадр на ЦС определяют в соответствии с заложенной в память программой и по результатам оценки принятой с ПО информации в предыдущих кадрах. Принятую информацию на ЦС проверяют на достоверность и затем по данным датчиков подвижного объекта в последующем кадре определяют наличие невозможных комбинаций, характеризующих, например, аварийное состояние подвижного объекта, ухудшение параметров приемопередатчиков, нахождение объекта на границе зоны действия ЦС, перемещение подвижного объекта за время кадра на расстояние, которое невозможно преодолеть при заданных скоростях ПО и другим параметрам. На основании этих проверок принимают решение о достоверности принимаемой информации. В соответствии с рассмотренным выше алгоритмом связи средства ПО работают на передачу только в отведенные интервалы времени, а в остальное время - на прием. Данные с ЦС подают потребителю информации тем чаще, чем меньше длительность кадра, что позволяет отобразить на ЦС и потребителе информации более точные сведения о подвижных объектах в зоне радиосвязи.
Преимущества заявляемого способа в части повышения степени защиты передаваемой информации обеспечивают за счет:
- постоянного переключения каждый такт на новую рабочую частоту при изменении состава и длительности кадра;
- смены в каждом кадре частоты и номеров временных интервалов, относящихся к одному подвижному объекту;
- дополнительной обработки данных (шифрации) с ЦС и датчиков подвижного объекта;
- исключения передачи адресных посылок с ЦС на подвижные объекты;
- работы приемо-передающего оборудования в каждом кадре обмена на соответствующей частоте, известной подвижным объектам из блока информации ЦС;
- уменьшения длительности кадра за счет многоканальности (по частоте) приемо-передающего оборудования ЦС, а, следовательно, и увеличения темпа обновления информации о подвижных объектах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.И. Кузьмин. Сети и системы цифровой электросвязи, ч.1: Концепция ИКАО CNS/ATM. М. - СПб.: - ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
2. Автоматическое зависимое наблюдение - радиовещательное. Информационный документ, версия 1.0 - М.: Гос НИИАС, 1998, 39 с.
3. Авторское свидетельство №1596468, МКИ Н04В 7/26, 1990.
4. Патент РФ №2231927 МКИ Н04В 7/26. 2004 (прототип).