СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Полезная модель относится к радиосистемам обмена данными и может быть использована для информационного обмена между подвижными объектами (ПО), наземными комплексами (НК) и радиолокаторами.
В настоящее время за рубежом широко применяется система обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием воздушных судов (ВС) и наземными службами (ACARS). В системе обеспечивается вызов на речевую связь и передача данных между воздушными судами и наземными службами. 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 НК для экипажа;
- передачу данных от бортовых систем и экипажа наземным службам;
- автоматизированное управление режимами работы «прием-передача» радиостанций MB и ДКМВ диапазонов.
Бортовой блок связи представляет собой вычислитель. 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 в режиме прямого доступа [2].
К недостаткам представленной системы обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием ПО и наземными службами следует отнести невозможность передачи информации от наземных первичных и вторичных радиолокаторов, осуществляющих определение местонахождения и слежение за удаленными подвижными объектами: трассовыми и внетрассовыми воздушными судами, транспортными средствами на аэродроме и другими объектами. Это может привести к аварийным ситуациям в воздухе и на взлетно-посадочной полосе аэродрома.
Известны системы определения местонахождения и слежения за удаленными подвижными объектами, состоящие из первичных и вторичных радиолокаторов [2]. Все эти устройства содержат: передатчик, приемник, одну или несколько антенн, устройства первичной и вторичной обработки принимаемых сигналов, автоматизированные рабочие места (АРМ) диспетчеров или операторов (в большинстве случаев - индикатор воздушной обстановки).
Однако у этих устройств также отсутствует канал передачи информации от наземных средств, осуществляющих определение местонахождения и слежение за удаленными подвижными объектами.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [4], которая и принята за прототип. В этой системе во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземной радиостанцией из канала «воздух - земля» сообщения через аппаратуру передачи данных поступают в вычислитель 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 его памяти. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ПО. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ПО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ПО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от Н К за радиогоризонт
выбранному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) ПО, может быть доставлено N-му ПО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ПО, назначенного ретранслятором, и адреса воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО сообщения в блоке анализа типа сообщений анализируются. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ПО.
В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов с НК, осуществляется адресный опрос ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ПО после прохождения через антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного объекта. Далее сообщение передается в блок анализа типа ретранслируемого сообщения, где происходит дешифрация полученного заголовка (служебной части) сообщения, и определяется в каком режиме должна работать аппаратура ПО. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
Формирователи 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 регистрации данных ВО и мониторе АРМ НК соответственно.
Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. Принятые на
НК навигационные сообщения от всех ПО обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- отсутствует канал обмена информацией с наземными средствами, осуществляющими определение местонахождения и слежение за удаленными подвижными объектами. Поэтому оператору НК трудно следить за быстро изменяющейся воздушной обстановкой с трассовыми и внетрассовыми ВС по разным экранам АРМ;
- не выводится на экраны дисплеев регистрирующих устройств ПО информация о местонахождении внетрассовых ВС, которая особенно важна при полетах вблизи аэродромов совместного базирования;
- не предусмотрены в бортовом и наземном вычислителях операции по совместной обработке навигационной и радиолокационной информации, отожествление отметок и трасс от одноименных целей и их отображение.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей системы за счет совместной обработки навигационной и радиолокационной информации, отожествления отметок и трасс от одноименных целей и их отображения, передачи на экраны дисплеев регистрирующих устройств ПО информации о местонахождении внетрассовых ВС и параметрах их движения.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), первый вход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, формирователь типа ретранслируемых сообщений соединенный с соответствующим входом вычислителя АРМ, N подвижных объектов и m радиолокаторов, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого ПО, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, при этом в состав каждого ПО входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен
с соответствующими входами бортового вычислителя, вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, а выход бортового вычислителя подключен к входу блока регистрации данных и через последовательно соединенные аппаратуру передачи данных и радиостанцию к бортовой антенне, введены дополнительно на ПО - блок хранения характеристик внетрассовых ПО, соединенный двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом бортового вычислителя, а в НК - блок распознавания типа ПО, соединенный двухсторонней связью с (m+2)-м входом/выходом вычислителя АРМ, m входов/выходов которого через m подсистем передачи данных подключены к соответствующим входам/выходам m радиолокаторов.
На фигуре представлена система радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - воздушный (подвижный) объект;
3 - бортовой вычислитель;
4 - бортовые датчики;
5 - приемник сигналов навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/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 - вычислитель АРМ (на базе ПЭВМ);
14 - приемник сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS (наземный);
15 - монитор АРМ;
16 - пульт управления АРМ;
17 - анализатор типа принимаемых сообщений;
18 - двунаправленная шина системы управления подвижным (воздушным) объектом;
19 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
20 - формирователь типа ретранслируемых сообщений;
21 - m радиолокаторов;
22 - блок хранения характеристик ПО;
23 - блок распознавания типа ПО;
24 - m подсистем передачи данных.
Алгоритм работы системы заключается в приеме наземным комплексом навигационных данных о местоположении ПО и параметрах его движения, приеме аналогичной информации с m радиолокаторов, совместной обработке навигационной и радиолокационной информации, отождествлении отметок и трасс от одноименных целей и их отображения, передаче на экраны бортовых дисплеев регистрирующих устройств ПО информации о местонахождении внетрассовых ВС и параметрах их движения.
Эта задача решена путем организации обмена данными между наземным комплексом 1, воздушными объектами 2 и m радиолокаторами, способными обеспечить устойчивое безопасное управление полетом ПО в условиях постоянно изменяющейся воздушной обстановки, дальности между воздушными объектами, высоты их полета и выполняемыми маневрами.
i
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются навигационными данными с наземным комплексом 1. Принимаемые наземной радиостанцией 11 из канала «воздух - земля» сообщения через аппаратуру 12 передачи данных поступают в вычислитель 13 АРМ на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных воздушных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 13 АРМ на базе ПЭВМ. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО 2 и состоянии его датчиков запоминается в вычислителе 13 АРМ на базе ПЭВМ. В это же время с помощью m радиолокаторов осуществляются известные операции обнаружения, определения местоположения и параметров движения, построения трасс подвижных воздушных объектов, число которых обычно превышает число объектов, транслирующих на НК 1 навигационные данные со своих датчиков [2, 8]. На соответствующие входы НК 1 поступает информация с радиолокаторов по m подсистемам 24 передачи данных. В радиолокаторах информация может быть снята, например,
с устройств вторичной или третичной обработки сигналов для упрощения известных требований к параметрам каналов связи m подсистем 24 передачи данных [8]. Однако точность определения местоположения ПО и параметров его движения навигационных данных (7-10) м, выше, чем с помощью радиолокаторов, например, для трассовой трехкоординатной РЛС 1Л117 М - 150 м [3]. Поэтому в вычислителе 13 АРМ на базе ПЭВМ решаются задачи не только обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ПО 2, но и на основе данных с блока 23 распознавания типа ПО осуществляются операции совместной обработки навигационной и радиолокационной информации, отожествления отметок и трасс от одноименных целей от разных источников информации с привязкой их к единому времени и отображения их с выдачей приоритета навигационным данным, передачи информации о точном местонахождении ПО 2 и параметрах их движения на экраны бортовых дисплеев регистрирующих устройств всем ПО, находящимся в зоне устойчивой радиосвязи НК 1. Эта информация выводится также на экран монитора 15 АРМ НК 1 в виде, удобном для восприятия оператору (диспетчеру), и по m подсистемам 24 передачи данных транслируется на соответствующие радиолокаторы 21.
1
1
N
1
i
Кроме того, в вычислителе 13 АРМ на базе ПЭВМ решаются задачи оптимального управления движением ПО, решения конфликтных ситуаций и выполнения других операций. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО 2 или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ПО 2, который назначается ретранслятором сообщений, условно обозначенный на фигуре цифрой 2. При постоянном изменении дальности между взаимодействующими ПО 2 в качестве ретранслятора может быть определен любой из N ПО, местоположение которого оптимально по отношению к НК 1 и всем остальным ПО 2. В этом случае автоматически или оператором АРМ назначается ПО 2, который в течение определенного времени будет использоваться в качестве ретранслятора. По анализу местоположения и параметров движения остальных ПО 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)-го ПО 2, может быть доставлено N-му ПО 2 м. Для этого на НК 1 в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладывается номер ПО 2, назначенного ретранслятором и адреса воздушных объектов 2, обеспечивающих
i
заданный трафик сообщения. Принятые на ПО 2 сообщения обрабатываются в блоке 17 анализа типа сообщений. Если сообщение предназначено для данного ПО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 18 на систему управления ПО 2, не указанную на фигуре, или в режиме ретрансляции - о передаче их на соседний ПО 2. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении и осуществляется ретрансляция данных последовательно во времени. При обмене данными по линии «оператор-пилот», особенно при наличии потенциально конфликтной ситуации, экипаж должен полностью выполнять команды оператора НК 1, имеющего больший объем информации в своей зоне ответственности. Для этого с НК 1 оператором посылается на ПО 2 соответствующее сообщение, которое отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных в виде согласованной отметки и формуляров, в которых могут быть отображены, например, номер рейса или номер борта, высота полета или другие характеристики. На основании принятых с НК 1 данных в бортовом вычислителе 3 с помощью информации с блока 22 хранения характеристик ПО 2 решается задача наличия опасных сближений с соседними ПО 2 с учетом их прогнозируемых положений и возможных маневров в зависимости от типа ПО 2 и его параметров движения. По отображаемой на экране бортового блока 6 регистрации данных пилотом при согласии оператора НК 1 определяется направление, где воздушная обстановка в вероятностном смысле менее напряженная.
Тенденции движения соседних ПО 2 отображаются на экране бортового блока 6 регистрации данных, на экране монитора 15 АРМ - всех ПО 2 в районе действия НК 1 с помощью характеризующих предыдущее местоположение ПО 2 отметок, формируемых вычислителями 3 и 13. По мере движения ПО 2 устаревающие отметки стираются. Характеристики ПО и параметры типов ПО 2 могут быть заложены в блоки 22 и 23 соответственно, например, при введении плана полета ПО 2.
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ПО 2 в соответствии с принятыми в системе радиосвязи с подвижными воздушными объектами категориями срочности в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранное ПО 2, с учетом времени реакции ПО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки
дискретных сигналов. Принимаемая на ПО 2, информация отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов или в виде точек и векторов.
Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В 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 ПО 2 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с пульта 16 управления АРМ сообщение отображается на мониторе 15 АРМ и параллельно после прохождения сигнала на НК 1 через вычислитель 13, аппаратуру передачи данных 12, радиостанцию 11, антенну 10 и на ПО 2 антенну 9, радиостанцию 8, аппаратуру передачи данных 7 поступает в бортовой вычислитель 3, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с адресом ПО 2. Далее сообщение передается в блок 17 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации полученного заголовка (служебной части) сообщения и определения режима работы аппаратуры ПО 2. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 3 и при необходимости выводится на экран блока 6 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
При использовании определенного формата заголовка сообщения с выхода бортовых формирователей 19 типа ретранслируемых сообщений может быть использован режим свободного доступа со стороны других подвижных воздушных объектов 2 или режим выделения временного интервала для организации обмена данными с наземным комплексом 1.
В результате анализа состояния и загрузки каналов радиосвязи в НК 1 определяется число столкновений сообщений, и, когда это число превышает предельно допустимое, система переходит в режим адресного опроса для упорядочения работы канала передачи данных «воздух - земля» и повышения качества управления воздушным движением. Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче несколькими объектами сообщений, в вычислителях 3 и 13 осуществляется контроль несущей при воздействии на
радиостанцию преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с ПО 2 передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того, чтобы разнести во времени моменты выхода на связь подвижных воздушных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в вычислителях 3 и 13 формируется псевдослучайная задержка передачи сообщений от подвижных воздушных объектов 2, для каждого ПО 2 своя.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. 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 том числе о своем местоположении, и случайным образом в выделенных им временных слотах распределяют передаваемые сообщения. Каждый из ПО 2, используя сигнал несущей частоты в радиоканале и импульсы синхронизации, подсчитывает в вычислителе 3 сумму интервалов передачи. При совпадении этой суммы со значением установленной очередности ПО 2 начинает передачу собственного пакета данных в выделенном интервале времени.
Сообщения о местоположении ПО 2 и параметрах его движения с выходов приемников 5 и 14 сигналов навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS записываются в память вычислителей 3 и 13 с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 3 и 13 эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ПО 2 в вычислителе 3 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 2. Это время используется в вычислителе 13, для известной операции отожествления отметок от одноименных целей [8].
В аппаратуре передачи данных 7 и 12 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие.
На момент подачи заявки разработаны КД и программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-21 одинаковые с прототипом. Вводимые узлы 22-23 могут быть выполнены программно. Вычислители 3 и 13 могут быть выполнены, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1 MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems и ЭВМ типа «Багет-01-07» ЮКСУ.466225.001 соответственно.
Использование заявляемой системы радиосвязи позволит расширить функциональные возможности системы за счет совместной обработки навигационной и радиолокационной информации, отожествления отметок и трасс от одноименных целей и отображения на экранах дисплеев регистрирующих устройств ПО информации о местонахождении внетрассовых ВС и параметрах их движения.
Наличие канала обмена информацией с наземными радиолокаторами позволит оператору НК уменьшить время принятия оптимального решения в условиях быстро изменяющейся воздушной обстановки.
Наличие на экранах дисплеев регистрирующих устройств ПО и мониторе АРМ НК дополнительной информации о местонахождении внетрассовых ВС, особенно при полетах вблизи аэродромов совместного базирования, позволит повысить уровень безопасности полетов за счет предоставления пилоту ПО и оператору НК 4х-мерной информации о воздушном судне и о ситуации вокруг него с точностью глобальной навигационной спутниковой системы (для GPS - 7 м).
Знание местоположения встречного или попутного ПО, параметров его движения и намерений позволяет повысить эффективность управления воздушным движением.
Наличие на НК информации о точном местоположении ПО с привязкой к единому времени позволит провести:
- программными методами оценку таких характеристик как точность измерения координат ВС, граница зоны обнаружения, точность построения траектории в режиме сопровождения ВС с помощью радиолокаторов на этапах предварительных, приемо-сдаточных и совместных испытаний, а также в процессе шеф-монтажных работ и эксплуатации;
- оценку качества обнаружения и сопровождения радиолокаторами воздушных судов, определить провалы в радиолокационном поле из-за объективных и субъективных причин.
Литература:
1. В.В.Бочкарев, Г.А.Крыжановский, Н.Н.Сухих «Автоматизированное управление движением авиационного транспорта», М., Изд-во «Транспорт», 1999 г.
2. М.Сколник. Введение в технику радиолокационных систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 747 с.
3. Технические системы и средства, создаваемые для Единой системы организации воздушного движения России. Каталог. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: ОАО «НИИЭИР», 1998. - 159 с.
4. Патент РФ №44907 U1. М. кл. Н 04 В 7/00, 2005 (прототип).
5. В.Строителев. Новости // Новости аэронавигации 2000, №3. С. 2-3.
6. Б.И.Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция» ИКАО CNS/ATM. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
7. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
8. Д.С.Конторов, Ю.С.Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.; Сов. Радио, 1971, 367 с.