СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ МЕЖДУ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
METHOD FOR RADIO COMMUNICATION BETWEEN MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к системам радиосвязи с многостанционным доступом.
1
2
3
4
3
1
2
3
4
Известные способы радиосвязи с подвижными объектами (ПО) применяются в системах управления воздушным движением. Способ радиосвязи с ПО [1] заключается в том, что при обмене информацией с ПО, находящимися в зоне действия центральной станции (ЦС), с нее на частоте f передают на периферийные подвижные станции блок информации, содержащий адрес периферийной станции. При совпадении адреса периферийной станции и передаваемого с ЦС адреса с периферийной станции на частоте f передают блок информации на ЦС. Периодически с ЦС 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 ЦС, 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 ЦС. По окончании сеанса обмена информацией периферийная станция переходит на работу на частотах f и f. Синхросигнал передают в виде кодированного сигнала, представляющего собой адрес ЦС.
3
Недостатками данного изобретения являются необходимость наличия на ПО одновременно четырех приемопередатчиков; наличие сигнала, периодически излучаемого с ЦС на частоте f, что ухудшает электромагнитную обстановку в зоне радиосвязи, а также сложный алгоритм обмена данными между ЦС и ПО.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ радиосвязи с ПО [2], заключающийся в передаче с ЦС блока информации, содержащего заложенные в него данные, приеме его на ПО и передаче с ПО информационного сигнала, содержащего подтверждение о приеме блока информации с ЦС и данных с датчиков подвижного объекта, задержанного относительно принятого с ЦС блока информации, в состав информационного блока с ЦС 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 ПО 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 ЦС и ПО осуществляют с помощью временной шкалы глобальной навигационной системы, длительность кадра Т определяют исходя из назначения системы радиосвязи, но не более
t
Т=(1+Nn)τ+t при τ≥mδ,
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 среднеквадратичная ошибка определения текущего интервала времени;
τ - длительность единичной посылки информации;
m - коэффициент (больше единицы), зависящий от назначения системы радиосвязи.
Недостатками прототипа являются:
- необходимость передачи для следующего кадра номинала рабочей частоты и времени начала следующего кадра, что снижает надежность связи в случае недоставки этой информации на ПО;
- необходимость обеспечения взаимной синхронизации по сигналам временной шкалы глобальной навигационной системы GPS или ГЛОНАС, что снижает надежность связи в случае выхода из строя или подавления сигналов системы GPS или ГЛОНАС;
1
- организация радиосети осуществляется ЦС на фиксированной частоте f, что снижает скрытность, надежность и помехозащищенность;
- номер временного интервала в кадре определяется на каждом ПО по принятой от ЦС кодовой группе вида работ, что нарушает работу радиосети в случае непринятия на ПО этой кодовой группы;
- применение симплексного режима информационного обмена приводит к необходимости учета удвоенного времени распространения радиосигналов, в то время как при дуплексном режиме только одинарного;
- применение в системе связи всенаправленных антенн снижает пространственную скрытность и не позволяет организовать обмен каждого ПО с каждым ПО;
- отсутствие информационного обмена всех ПО между собой снижает надежность связи;
- помехозащищеность снижается из-за невозможности использования разнесенного в пространстве, времени и по частоте методов приема и отсутствия мажоритарной обработки информации на каждом ПО;
- при переключении рабочей частоты требуется введение в каждый такт времени переключения синтезатора Тсинт, при этом время передачи сообщения возрастет в К раз
К=(Тсинт+τ)×n/τ×n=1+Тсинт/τ, (раз),
где Тсинт - время переключения частоты в синтезаторе;
τ - длительность единичной посылки информации;
n - число разрядов в сообщении.
Скорость передачи уменьшится во столько же раз. При увеличении скорости передачи, т.е. уменьшении τ и постоянном значении Тсинт, проигрыш в увеличении скорости передачи полезной информации будет увеличиваться.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение скрытности, помехозащищенности и надежности связи.
0
0
0
Указанный технический результат достигается тем, что с центрального подвижного объекта (ЦПО) передают блок информации, содержащий заложенные в него данные, принимают его на ПО, а с ПО на ЦПО передают данные с датчиков ПО, в состав информационного блока с ЦПО вводят кодовые группы вида работ типа запрашиваемых данных, времени начала следующего кадра, данные в информационном сигнале с каждого из ПО распределяют по временным интервалам в зависимости от номера, определяемого кодовой группой вида работ, начиная от момента времени, задаваемого кодовой группой времени начала следующего кадра, отличающийся тем, что за время одного кадра осуществляют одновременно попарную дуплексную радиосвязь каждого ПО с каждым ПО, включая и ЦПО, с помощью узконаправленных антенн, ориентируемых по координатам, известным на всех ПО и ЦПО, за время каждого временного окна длительностью Т осуществляют одновременный попарный узконаправленный дуплексный информационный обмен между N/2 ПО, где N - число зарегистрированных в радиосети на данный момент времени ПО, данные в каждом информационном пакете, передаваемом за время длительностью Т, распределяются по временным позициям для всех ПО, зарегистрированных на данный момент времени в радиосети, на каждом ПО осуществляют мажоритарную обработку и последующее декодирование информационных сообщений, принятых по разным путям от других ПО, разнесенных в пространстве, времени и по частоте, на другие ПО передают первоначальное информационное сообщение, введенное ЦПО в радиосеть в начале каждого кадра, а на ЦПО передают на позиции данного ПО информационное сообщение от датчиков данного ПО, а на остальных позициях первоначальное информационное сообщение, синхронизацию кадров и временных окон длительностью Т на каждом ПО осуществляют за счет применения на каждом ПО и ЦПО высокостабильных опорных генераторов с последующей взаимной синхронизацией с помощью синхросигнала, передаваемого в начале каждого информационного сообщения, длительность кадра определяют по формуле:
ц
3a
0
0
за
0
Т=N×Т+К×Т=(К+N)×Т,
зa
где N - число зарегистрированных на данный момент времени ПО в радиосети;
0
Т - длительность временного окна информационного обмена в каждой паре ПО радиосети;
0
К - число дополнительных окон длительностью Т для включения в сеть новых ПО.
Время информационного обмена в каждой паре ПО радиосети определяют исходя из выражения
0
Т=tзи+tcг+tип+tпч,
зи
max
max
где t - защитный интервал, равный tзи≥D/c, где D - максимально возможное взаимное удаление между ПО в радиосети, а с - скорость распространения радиосигналов;
tcг - длительность синхрогруппы в начале каждого информационного сообщения;
tип - длительность информационного пакета;
tпч - длительность переключения с одной рабочей частоты на другую.
Рабочую частоту изменяют в каждом информационном сообщении по псевдослучайному закону, известному на каждом ПО и ЦПО.
На ЦПО сравнивают сигналы, переданные ЦПО в радиосеть для всех ПО с сигналами, возвращенными каждым ПО обратно ЦПО и, таким образом, на ЦПО определяют состояние ПО и радиоканала связи с каждым ПО.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять узконаправленную радиосвязь за один кадр между всеми ПО радиосети с применением разносов в пространстве, времени и по частоте с мажоритарной обработкой и последующим декодированием информации каждым ПО, что в конечном счете и повышает помехозащищенность, скрытность и надежность связи.
Все отличия предлагаемого изобретения могут быть разделены на абсолютные (операции и алгоритмы) и относительные или взаимные, характеризующие взаимодействие между абсолютными отличиями (связи между отдельными операциями и алгоритмами).
В предлагаемом способе отличия абсолютного типа (разнос в пространстве, времени, по частоте и мажоритарная обработка) известны из технической литературы [3, стр.225-229]. Однако в известных решениях они не способствуют обеспечению радиосвязи между всеми ПО за один кадр.
Что же касается отличий взаимного типа, т.е. новых связей, то они отсутствуют в литературе.
Для пояснения реализации способа приводятся следующие чертежи:
0
0
Фиг.1. Диаграмма процесса распространения информации в группе, состоящей из шести ПО при Тц1=6Т и из семи ПО при Тц2=7Т.
Фиг.2. Диаграмма взаимосвязей в группе, состоящей из шести ПО в установившемся режиме.
Фиг.3. Циклограмма пространственного, временного и частотного разделения шести ПО и временная структура окна информационного обмена с каждым ПО.
Фиг.4. Верхняя оценка вероятности доставки информации в радиосети в зависимости от вероятности доставки в каждом парциальном канале.
Способ радиосвязи с ПО реализуется следующим образом.
В начальный момент времени Т0 (см. фиг.1), определяемым общим планом задания, известном на всех ПО и ЦПО, ЦПО, обнаружив в своем радиолокационном поле ПОi и, определив его координаты, осуществляет электронную ориентацию диаграммы направленности своей антенной системы на данный ПOi, а ПОi, зная координаты ЦПО из общего плана задания, известного на каждом ПО, путем его загрузки в базу данных этих ПО перед заданием осуществляет электронную ориентацию диаграммы направленности своей антенной системы на ЦПО. Далее ЦПО на частоте F1, определяемой псевдослучайным законом формирования частот, известным на каждом ПО и ЦПО, во временном окне Т0 передает ПOi информационный пакет (ИП) на частоте F1, содержащий свой адрес, адрес данного ПО, адреса других ПО, зарегистрированных ранее в радиосети, номер временного окна, в котором данный ПО будет осуществлять информационный обмен с ЦПО, позиционный номер информации управления для данного ПО, координаты ЦПО и всю необходимую ПО служебную информацию для организации его работы в радиосети, а также аналогичную информацию для других ПО, зарегистрированных на данный момент времени в радиосети. ПOi на частоте F6 в этом же временном окне Т0 передает ЦПО ИП, содержащий свой адрес, адрес ЦПО, телеметрическую информацию от собственных датчиков (скорости, высоты, географические координаты и т.п.). ЦПО осуществляет сравнение принятых адресов с адресами, хранящимися в базе данных его центральной ЭВМ (ЦЭВМ), а скорость, высота, географические координаты и другие параметры данного ПО сравниваются с аналогичными им, измеренными радиолокатором ЦПО, и известными на данный момент времени на ЦПО параметрами данного ПО. Если все адреса совпадают, а координаты и другие параметры, принятые от данного ПО, не выходят за рамки допусков, то ЦПО регистрирует данный ПOi в своей радиосети. Описанная выше операция регистрации осуществляется всегда в окне Т0 каждого кадра для каждого ПО, появляющегося в радиолокационном поле ЦПО. Далее ЦПО осуществляет переключение частоты передачи с F1 на F3, а частоты приема с F6 на F4 в соответствии с законом изменения рабочих частот и одновременно осуществляет электронную переориентацию диаграммы направленности своей антенно-фидерной системы на ПО1, который был зарегистрирован в сети ранее и которому для информационного обмена было предоставлено данное временное окно. ПО1 осуществляет аналогичные операции у себя. Во временном окне Т1 осуществляется информационный парный обмен между ЦПО и ПО1, а также между другими парами, зарегистрированными в радиосети на других частотах передачи и приема. При этом информационном обмене ЦПО осуществляет передачу ПО1 информации управления для всех ПО, зарегистрированных на данный момент времени в радиосети, а ПО1 передает ЦПО свою информацию и информацию, принятую им ранее от других ПО. Аналогичный информационный обмен осуществляется внутри каждой пары. За полный кадр информационный обмен осуществляется между всеми ПО, зарегистрированными в радиосети, причем у каждого ПО одна и та же информация всего временного окна повторится минимум N/2 раз. По мере повторения информации всего временного окна у каждого ПО блок цифровой обработки каждого ПО осуществляет мажоритарную обработку принятой информации, например, по принципу N-2 из N-1 и ее последующее декодирование. В качестве примера можно рассмотреть ситуацию при 3-кратном повторе и решении 2 из 3-х, или при 4-кратном повторе и решении 3 из 4-х и т.д. В следующем временном окне ПО, который в предыдущем временном окне принял мажоритарное решение, передает это решение после декодирования другому ПО. Аналогичные процессы происходят в кадре Тц2.
Рассмотрим способ радиосвязи между ПО на конкретном примере радиосети, состоящей из шести ПО.
Общее число парных связей между всеми шестью ПО равно 15 и определяется выражением
где - число комбинаций i по n.
Число пар среди шести ПО равно 6/2=3.
Из всех возможных 15 связей одновременно парных связей может быть в целом выражении не более трех
Эти три одновременные связи между ПО обеспечиваются направленными антеннами этих ПО. На фиг.2 условными обозначениями в виде диаграмм направленности показано, как можно организовать одновременный информационный обмен трех пар для шести зарегистрированных на данный момент времени ПО в радиосети.
Рассмотрим подробно кадрограмму информационного дуплексного обмена, представленную на фиг.3 для шести ПО. Кадрограмма, состоит из шести временных окон попарного обмена между ПО. Временные интервалы попарного обмена представляют из себя сектора, обозначенные окнами Т0, T1, Т2, Т3, Т4 и Т5 соответственно. Рабочие частоты, на которых осуществляется информационный обмен между ПО, представлены в виде колец, внутри которых написаны частоты F1, F2, F3, F4, F5, F6.
На фиг.3 в виде трех вложенных друг в друга концентрических окружностей, соответствующих различным рабочим частотам F1-F6, схематически изображены три одновременно существующие кадрограммы попарного информационного обмена в группе. Внутри сегментов указаны номера ПО (например 3, 4), между которыми в данном временном окне (например, Т1) на частотах F1-F6 осуществляется дуплексный информационный обмен ПО3 с ПО4, ПО2 с ПО5 и ЦПО с ПО1. Различными стрелками показан процесс переключения рабочих частот каждого ПО. Исходящие концы стрелок указывают номер ПО, работающего в данном временном окне на своей частоте (например, в окне Т1 ПО3 передает на частоте F1 ПО4, а ПО4 передает на частоте F6 ПО3). Нисходящие концы стрелок указывают на тот же ПО, который в следующем временном окне Т2 переключается на другую частоту передачи (например, в окне Т2 ПО1 передает на частоте F2 ПО3, а ПО3 передает на частоте F5 ПО1). Для осуществления взаимной временной синхронизации между всеми ПО необходимы высокостабильные опорные генераторы на каждом ПО. Стабильность этих генераторов выбирается таким образом, чтобы обеспечивать взаимную расходимость не более длительности синхрогруппы (СГ) за время одного кадра.
Анализ кадрограммы частотно-временного разделения шести ПО показывает, что за интервал времени, равный шести временным окнам, все шесть ПО обменяются информацией друг с другом.
Временная структура окна информационного обмена каждого ПО представлена на той же фиг.3.
0
Рассмотрим структуру временного окна длительностью Т на фиг.3 и назначение каждой составляющей для реализации информационного обмена в группе:
- ЗИ - защитный интервал, это время, равное наибольшему времени распространения сигналов между ПО, в диапазоне изменения взаимных дальностей;
- СГ - синхрогруппа, необходимая для обеспечения взаимной синхронизации ПО, между которыми осуществляется связь в окне;
- ИП - информационный пакет, несущий информацию от одного ПО к другому ПО, необходим для информационного обмена между ПО;
- ПЧ - время, необходимое для переключения синтезаторов с одной рабочей частоты на другую для реализации частотного разделения между ПО.
Рассмотрим более подробно на примере группы из шести ПО процесс установления передачи информации от ПО к ПО, представленный на фиг.1 в кадре Тц1. Особенностью данного способа передачи информации между ПО является то, что каждому ПО в процессе обмена доставляется информация для всех ПО (далее просто информация). На ЦПО каждый ПО на своей временной позиции передает информацию от своих датчиков, а при обмене между ПО - информацию, переданную от ЦПО.
Во временном окне Т0 ЦПО осуществляет прием в радиосеть нового ПО. Процесс передачи информации ПО, зарегистрированным в радиосети, начинается с ЦПО, который во временном окне Т1 передает информацию ПО1, которая сохраняется ПО1 в его памяти, и получает информацию от ПО1, которую также сохраняет ее в своей памяти первый раз, число повторов (сохранений) k отмечено цифрами на фиг.1. Во временном окне Т2 ПО1 передает информацию ПО3 и получает информацию от ПО3, а ЦПО передает информацию ПО2 и получает информацию от ПО2, которая сохраняется каждым ПО. Во временном окне Т3 ПО1 передает информацию ПО5 и получает информацию от ПО5, ЦПО передает информацию ПО3 и получает информацию от ПО3, а ПО2 передает информацию ПО4 и получает информацию от ПО4, которая сохраняется каждым ПО. Нетрудно заметить, что у ПО3 во временном окне Т3 информация для всех ПО радиосети накопится 2 раза (первый раз она поступила ПО3 в интервале Т2, а второй раз в интервале Т3). Во временном окне Т4 ЦПО передает информацию ПО4 и получает информацию от ПО4, ПО3 передает информацию ПО5 и получает информацию от ПО5, а ПО1 передает информацию ПО2 и получает информацию от ПО2, которая сохраняется каждым ПО. Нетрудно заметить, что во временном окне Т4 информация у ПО3 для всех ПО радиосети накопится 3 раза, а у ПО1, ПО2, ПО4 и ПО5 накопится 2 раза. ПО3 осуществляет мажоритарную обработку накопленной информации по решению 2 из 3-х, декодирует ее и передает дальше по радиосети. Во временном окне Т5 ЦПО передает информацию ПО5 и получает информацию от ПО5, ПО1 передает ПО4 и получает информацию от ПО4 радиосети, а ПО2 передает информацию ПО3 и получает информацию от ПО3, которая сохраняется каждым ПО. Нетрудно заметить, что во временном окне Т5 у ПО1, ПО2, ПО4, и ПО5 информация для всех ПО радиосети накопится 3 раза, а у ПО3 накопится 4 раза. ЦПО при обмене с ПО осуществляет сравнение своей исходной информации для ПО с аналогичной, возвращенной от ПО, с которым в данный момент осуществляется обмен, по результату сравнения определяется состояние каналов связи с каждым ПО.
Таким образом, после 5-го временного интервала информационного обмена каждый ПО может мажоритарно обработать у себя информацию по принципу 2 из 3-х и тем самым повысить достоверность доставки информации. Аналогичные процессы происходят в кадре Тц2 (см. фиг.1), при этом после 6-го временного окна каждый ПО может мажоритарно обработать у себя информацию по принципу 3 из 4-х и тем самым повысить достоверность доставки информации.
Верхняя оценка вероятности доставки информации в радиосети, состоящей из n ПО определяется выражением
где р - вероятность доставки информации в каждой парциальной линии связи между i и j ПО;
d - степень вершины, определяемая выражением
d=2NcB/n (при n>2);
n - число ПО;
Ncв - общее число связей между ПО.
,
где i=2, так как связь осуществляется между парами ПО.
На фиг.4. приведены сравнительные характеристики вероятностей доставки информации в радиосети для различного числа ПО радиосети от вероятности доставки в парциальном канале между i и j ПО.
Анализ фиг.4 показывает, что с ростом числа ПО вероятность доставки в радиосети (Рс) возрастает, например, при n=2 и Pi=0,2, Рс=0,05, а при n=33 и Pi=0,2, Рс=0,97, т.е. при увеличении числа ПО с 2-х до 33 вероятность доставки возрастает с 0,05 до 0,97, т.е. в 0,97/0,05=19,4 раза.
Таким образом, технический результат в части повышения помехозащищенности, скрытности и надежность связи обеспечивается за счет:
- осуществления за время одного кадра связи каждого ПО с каждым ПО;
- применения мажоритарной обработки информации каждым ПО радиосети с последующим декодированием информации каждым ПО;
- применения разнесенного приема в пространстве, времени и по частоте;
- применения узких диаграмм направленности антенных систем.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №1596468, опубл. 30.09.1990 г.
2. Патент RU №2231927, опубл. 27.06.2004 г.
3. Пенин П.И. «Системы передачи цифровой информации». М., Изд. Сов. Радио, 1976 г., стр.365.