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

Изобретение относится к способу обмена данными в системах 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 - 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 осуществляется на выбранной из сетки частот одной частоте для всех ВС, находящихся в зоне управления (для РФ эта частота равна 131,725 МГц). Шаг сетки частот - 25 кГц. Сброс информации с ВС на ЦС осуществляется до выхода его из зоны управления.
К недостаткам этого способа можно отнести следующее.
При одновременном ответе нескольких ВС возможно наличие коллизий, что снижает скорость обмена информацией и достоверность приема данных. Кроме того, работа на постоянно выделенной частоте в некоторых практических случаях, например, в сложной электромагнитной обстановке, приведет к увеличению числа недостоверных сообщений - к снижению помехозащищенности, что также снижает скорость передачи сообщений.
Концепцией обмена данными не предусмотрена работа в помехах.
В другой системе автоматизированной связи VDL-4 [2] центральная станция распределяет между воздушными судами 4500 временных слотов с привязкой к меткам глобального времени системы GPS, 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 в предыдущем кадре. Шаг сетки частот - 25 кГц.
Недостатком этого аналога является то, что обмен данными осуществляется только на одной рабочей частоте при том, что осуществить запрос дополнительных данных с ВС в течение 1 мин невозможно.
Концепцией обмена данными этого аналога (системы VDL-4) не предусмотрена работа в помехах.
1
2
3
4
3
1
2
3
4
Известен способ радиосвязи с подвижными объектами [3]. Он заключается в том, что 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 адреса передаваемого с центральной станции 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 четырех приемопередатчиков, наличие периодически излучаемого с ЦС на частоте f радиосигнала, что ухудшает электромагнитную обстановку в зоне радиосвязи, а также сложный алгоритм обмена данными между ЦС и подвижными объектами из-за необходимости синхронизации системы с ЦС по принимаемым радиосигналам.
Концепцией обмена данными этого аналога не предусмотрена работа в помехах.
Наиболее близким аналогом является способ радиосвязи с подвижными объектами [4], который и выбран в качестве прототипа. Он заключается в том, что с центральной станции (ЦС) передают блок информации, содержащий заложенные в него данные, принимают его на подвижных объектах (ПО) и передают с подвижных объектов информационный сигнал, содержащий сведения о приеме блока информации с ЦС и данные 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+1 при τ≥mσ,
t
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, σ - относительная среднеквадратичная 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. Для всех ПО и центральной станции существует единая сетка рабочих частот связи.
Недостатками прототипа являются:
- не проводится анализ наличия источника помех в заданном диапазоне частот, поэтому следующая задаваемая центральной станцией частота может быть неприемлимой для обмена данными из-за малого отношения сигнал/шум;
- если в момент передачи сообщения с центральной станции будет включен передатчик источника помех на выбранной частоте, то абонент не сможет достоверно принять это сообщение, и, следовательно, не будет знать о номинале новой частоты и связь из-за этого будет прекращена;
- способ не рассчитан на работу в условиях помех.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности системы радиосвязи, а именно, создание процедур, позволяющих всем абонентам определить первую, полученную при сканировании частоту, при которой на данный момент времени условия приема являются наилучшими для передачи данных, и на ней после псевдослучайной задержки начать передачу данных, остальные абоненты в это время находятся в режиме приема до тех пор, пока не ухудшатся условия приема на этой частоте и абоненты не определят другую частоту и так далее.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе радиосвязи с подвижными объектами, заключающемся в том, что для всех абонентов (центральной станции и подвижных объектов) определяют сетку рабочих частот связи, передают с центральной станции блок информации, содержащий заложенные в него данные, принимают его на подвижных объектах при достоверном приеме и при совпадении адреса получателя с адресом абонента передают с подвижных объектов информационный сигнал, содержащий подтверждение о приеме блока информации с ЦС и данные с датчиков подвижного объекта, задержанный относительно принятого с центральной станции блока информации, в состав информационного блока с центральной станции вводят кодовые группы вида работ, типа запрашиваемых данных, взаимную синхронизацию во времени центральной станции и подвижных объектов осуществляют с помощью временной шкалы глобальной навигационной спутниковой системы или других источников точного времени, по информационным сигналам с каждого подвижного объекта на центральной станции судят о его состоянии и характеристиках линии радиосвязи, введены процедуры: все абоненты системы начинают непрерывное сканирование по частоте в момент времени, привязанный к известной всем абонентам одной из меток единого точного времени, с заданными скоростью изменения, начальной и конечной частотами выбранных диапазонов, после чего определяют рабочую (вероятностно-оптимальную) частоту радиосвязи для каждого абонента по первой из сетки рабочих частот, полученной при сканировании, при которой на данный момент времени условия приема являются наилучшими для передачи данных, и, при наличии информации у абонента, после задержки, индивидуальной для каждого абонента, на этой рабочей частоте формируют радиосигнал и начинают передачу, остальные абоненты находятся в режиме приема и выходят в эфир на передачу после псевдослучайной задержки только при отсутствии радиосигналов на выбранной всеми на данный момент времени рабочей частоте до тех пор, пока не изменятся условия приема на этой частоте в сторону ухудшения и абоненты не определят при сканировании другую рабочую частоту, после чего повторят введенные процедуры.
Способ радиосвязи с подвижными объектами основан на том, что даже при заградительной помехе во всем диапазоне выделенных для связи частот наблюдается модуляция мощности принимаемых помех из-за наличия в диаграмме направленности передающей антенны источника помех минимумов, что особенно проявляется при его движении и маневрах, рассогласованности входного сопротивления передающего антенно-фидерного тракта с выходным сопротивлением передатчика на отдельных частотах.
Способ радиосвязи с подвижными объектами реализуют следующим образом. В начале работы для всех абонентов определяют сетку рабочих частот связи, а именно, распределяют выделенные диапазоны частот по рабочим частотам с заданным шагом разнесения, например, для управления воздушным движением используется шаг сетки 25 кГц - при обмене данными и 8,33 кГц - при передаче речевых сообщений.
Затем в условиях воздействия помех все абоненты системы, имеющие единую синхронизацию во времени, начинают непрерывное сканирование по частоте в момент времени, привязанный к одной из меток единого точного времени, известной всем абонентам и полученной, например, из импульсов временной шкалы глобальной навигационной спутниковой системы GPS/ГЛОНАСС или других источников эталонного времени. Все абоненты синхронно сканируют радиочастотный спектр эфира с заданными скоростью изменения, начальной и конечной частотами выбранных диапазонов. Они одновременно обнаруживают первый минимум мощности помехи и определяют рабочую (вероятностно-оптимальную) частоту радиосвязи для каждого абонента по первой (ближайшей в сторону увеличения) из сетки рабочих частот, при которой на данный момент времени условия приема являются наилучшими или приемлимыми для передачи данных. При наличии информации у абонента на этой частоте после псевдослучайной задержки, своей (разной) для каждого абонента, формируют радиосигнал и начинают передачу, остальные абоненты «слушают» радиоканал, т.е. находятся в режиме приема. При наличии среди абонентов центральной станции, организующей процесс радиосвязи, приоритет отдают ее сообщениям, поэтому величина ее псевдослучайной задержки равна нулю.
1
1
1
При обмене информацией с подвижными объектами, находящимися в зоне действия центральной станции, с нее, например, на первой выбранной частоте f передают подвижным объектам блок информации, содержащий вид работы, тип данных, запрос сведений и другие. В настроенных на известную частоту f приемных устройствах подвижных объектов, определенных центральной станцией как получатели информации, осуществляют прием, обработку блока информации, проверку его достоверности и выдачу на ЦС на выбранной частоте f ответного блока информации, подтверждающего качество приема блока информации с ЦС и необходимые запрашиваемые данные, например, с датчиков подвижного объекта. Абоненты, получившие информацию от ЦС, выходят в эфир на передачу после определенной задержки только при отсутствии радиосигналов на выбранной всеми на данный момент времени частоте до тех пор, пока не изменятся условия приема на этой частоте в сторону ухудшения и абоненты не определят при сканировании другую частоту. Выбор величины псевдослучайной задержки осуществляют таким образом, чтобы у более приоритетного абонента она была меньшей величины.
В соответствии с сообщением, принятым с ЦС, в ПО на следующий сеанс связи выбирают один из вариантов работы, благодаря тому, что ЦС и ПО работают в едином заранее известном алгоритме обмена данными. Например, осуществляют передачу блока информации о требуемых параметрах ПО в следующем по времени сообщении.
1
2
Затем продолжают сканирование выделенного диапазона частот и при деградации радиоканала с частотой f находят следующий минимум мощности помех на частоте f и проводят рассмотренные выше процедуры и так далее. Входящие в зону радиосвязи подвижные объекты, имеющие единую синхронизацию во времени, точный план привязки к меткам эталонного времени, заданную скорость изменения, начальную и конечную частоты сканирования выбранных диапазонов осуществляют обмен данными с ЦС и другими известными абонентами, начиная со следующего обнаруженного минимума мощности помех. Взаимную синхронизацию во времени ЦС и подвижных объектов осуществляют с помощью меток точной временной шкалы, например, глобальной навигационной спутниковой системы GPS/ГЛОНАСС или других источников эталонного времени.
Вариант дальнейшей работы на следующий сеанс связи определяют по результатам оценки принятой с подвижных объектов информации в предыдущих сеансах. Принятую информацию от ПО на ЦС проверяют на достоверность и затем по данным с датчиков подвижного объекта в последующем сеансе связи определяют наличие несовместимых комбинаций, характеризующих, например, одновременно рабочее и аварийное состояние подвижного объекта, достоверный прием с ЦС данных и ухудшение параметров приемопередатчиков, нахождение объекта за границей зоны действия ЦС, перемещение подвижного объекта за время между сеансами связи на расстояние, которое невозможно преодолеть при заданных скоростях ПО и другие параметры. Результаты этих проверок учитывают при принятии решения о достоверности принимаемой информации. В соответствии с рассмотренным выше алгоритмом средства радиосвязи ПО работают на передачу только во время минимума мощности помех и в момент, когда подойдет их время на выход в эфир, а в остальное время - на прием. Поэтому после приема и обработки предназначенной ему информации на соответствующем подвижном объекте используют также сообщения других ПО, находящихся в зоне устойчивой связи ЦС. Данные с ЦС подают потребителю информации, например, центрам УВД, тем чаще, чем меньше промежуток между сеансами связи, что позволяет отобразить на ЦС и потребителе информации более точные сведения о подвижных объектах в зоне радиосвязи.
Преимущества заявляемого способа в части повышения помехозащищенности радиосвязи обеспечивают за счет:
- постоянного использования рабочей частоты с минимумом мощности помех;
- учета приоритетов ЦС и подвижных объектов;
- дополнительного анализа и учета несовместимых комбинаций при принятии решения о достоверности принимаемой информации;
- работы приемопередатчиков в каждом сеансе связи на соответствующей частоте с минимумом помех, известной всем подвижным объектам и ЦС.
Литература:
1. Б.И. Кузьмин "Сети и системы цифровой электросвязи", часть 1 "Концепция ИКАО CNS/ATM". - Москва - Санкт-Петербург: - 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, М. Кл. Н04В 7/26, 2004 (прототип).