СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
SYSTEM FOR RADIO COMMUNICATION WITH MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к радиосредствам обмена данными и может быть использовано для высокоскоростного информационного обмена между подвижными воздушными объектами (ВО) и наземными комплексами (НК) в каналах «воздух-земля».
В настоящее время за рубежом широко применяется система обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием подвижных воздушных объектов (самолетов) и наземными службами (ACARS) [1]. В системе обеспечивается вызов на речевую связь и передача данных между подвижными воздушными объектами и наземными службами. Бортовой блок связи в этой системе представляет собой вычислитель. Основным каналом обмена текущей информации является канал метрового (MB) диапазона. Организацию обмена информацией между наземными службами и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс. Он опрашивает подвижные 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 ВО и наземными службами, следует отнести низкую скорость передачи информации и недостаточную помехоустойчивость.
Известна система радиосвязи с подвижными объектами [3], которая состоит из наземной и бортовой приемопередающих радиостанций, между которыми в соответствии с заложенными алгоритмами осуществляется обмен данными. В этой системе во время движения подвижные воздушные 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 автоматизированного рабочего места (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 памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ВО. При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ВО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ВО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ВО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному подвижному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) воздушных объектов, может быть доставлено N-му ВО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВО, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ВО сообщения анализируются в блоке анализа типа сообщений. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ВО.
В обычном режиме с НК, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ВО после прохождения через бортовые антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного воздушного 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 ВО. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных.
Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу «воздух-земля» 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 записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ВО обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
Однако аналогу присущи следующие недостатки, связанные с низкой скоростью передачи информации.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [4], которая и принята за прототип. Система состоит из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ). Первый вход вычислителя АРМ подключен к приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с соответствующим входом вычислителя АРМ. Концентратор подключен к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые, в свою очередь, соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами наземной направленной антенны, наземному антенному коммутатору, наземной аппаратуре связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ. Каждый из В блоков сопряжения состоит из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, выход которого является входом/выходом системы. Наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи. Наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями.
В состав каждого из N подвижных воздушных объектов входят бортовые датчики, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя. Выход бортового вычислителя подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления подвижным воздушным объектом. Бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне. Бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя. Бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне механическими связями. Передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного воздушного объекта, второго ВО и далее до N-го ВО, а передача данных с N-го ВО на НК осуществляется в обратном порядке. Бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через радиоэфир подключена к наземной направленной антенне. В режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го ВО соединена по радиоэфиру с бортовой направленной антенной 2-го ВО и так далее до N-го ВО.
Прототипу присущи следующие недостатки:
- в реальном масштабе времени по широкополосному радиоканалу может быть снята информация только с одного ВО;
- нет защиты от отраженного от поверхности Земли радиолуча ВО;
- использованию широкополосного радиоканала в направлении «земля-воздух» соответствует большая избыточность, так как передаваемые в этом направлении команды управления обычно низкоскоростные и могут быть переданы по узкополосным (более помехозащищенным) радиоканалам;
- наличие электромеханических устройств наведения направленных антенн снижает оперативность организации широкополосной радиосвязи;
- отсутствует возможность организации приема одновременно нескольких широкополосных радиоканалов от соответствующих подвижных объектов, являющихся источниками информации, сообщения которых наиболее интересны операторам наземного комплекса.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение достоверности широкополосной радиосвязи воздушного подвижного объекта с наземным комплексом, за счет:
- использования для передачи наиболее важной информации каналов связи лучшего качества;
- изменения формы диаграммы направленности приемной антенны (ДНА) для обеспечения заданных требований по достоверности в зоне обслуживания при постоянной оценке местоположения всех обслуживаемых ПО и отношения сигнал/шум в каждом широкополосном радиоканале;
- одновременной передачи сообщений по нескольким каналам на разных частотах выделенного для связи диапазона;
- повторения передаваемой информации при недостоверном приеме;
- применения помехоустойчивого кодирования и перспективных методов модуляции [5];
- поддержания технических характеристик и электрических параметров средств связи в пределах эксплуатационных норм.
Достоверность широкополосной радиосвязи характеризует способность системы обеспечить воспроизведение передаваемой информации в точках приема с заданной точностью на всю зону обслуживания абонентов. Количественно достоверность для дискретных видов связи характеризуется коэффициентом достоверности, который определяется отношением правильно принятых символов (знаков) к общему количеству символов (знаков), переданных за определенный промежуток времени [5].
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса (НК), содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями к первой аппаратуре передачи данных (АПД), первый вход вычислителя первого (ведущего) автоматизированного рабочего места (АРМ) подключен к приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с третьим входом вычислителя АРМ, концентратор, подключенный к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые, в свою очередь, подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первой наземной направленной антенны, наземной аппаратуре связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, каждый из В блоков сопряжения состоит из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, вход/выход которого является входом/выходом системы, первая наземная направленная антенна соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи, в состав каждого из N подвижных воздушных объектов входят бортовые датчики, бортовой приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а соответствующие входы/выходы - к анализатору типа принимаемых сообщений и двунаправленной шине системы управления подвижным воздушным объектом, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, бортовая аппаратура связи, первая бортовая направленная антенна, каждая из которых соединена двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного воздушного объекта, второго ВО и далее до N-го подвижного ВО, а передача данных с N-го подвижного ВО на НК осуществляется в обратном порядке, бортовая аппаратура связи через первую бортовую направленную антенну по радиоэфиру подключена к соответствующей наземной направленной антенне, а в режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го подвижного ВО соединена по радиоэфиру с бортовой направленной антенной 2-го ВО и так далее до N-го подвижного ВО, введены дополнительно на каждом подвижном ВО модуль выбора направления на НК и бортовой приемник с антенной, соединенные двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, (n-1) бортовые направленные антенны, входы/выходы которых подключены как к соответствующим входам/выходам бортового вычислителя, так и к соответствующим входам/выходам бортовой аппаратуры связи, а в НК - модуль определения дальности и направления связи для всех обслуживаемых ВО и измерения отношения сигнал/шум в каждом широкополосном радиоканале, передающий модуль с антенной, (m-1) наземных направленных антенн, подключенных двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам ЛВС, при этом передающий модуль с антенной в технологическом режиме по радиоэфиру соединен с m наземными направленными антеннами.
На фигуре представлена система радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - подвижный воздушный объект;
3 - бортовой вычислитель;
4 - бортовые датчики;
5 - бортовой приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
6 - блок регистрации данных;
7 - бортовая аппаратура передачи данных (АПД);
8 - бортовая радиостанция;
9 - бортовая приемо-передающая антенна;
10 - наземная приемо-передающая антенна;
11 - наземная радиостанция;
12 - первая наземная АПД;
13 - вычислитель АРМ;
14 - наземный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
15 - монитор АРМ;
16 - пульт управления АРМ;
17 - анализатор типа принимаемых сообщений;
18 - двунаправленная шина данных и управления подвижным воздушным объектом;
19 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
20 - наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений;
21 - бортовая аппаратура связи;
22 - модуль выбора направления на НК;
23 - бортовая направленная антенна (в количестве n штук);
24 - бортовой приемник с антенной 25;
26 - наземная направленная антенна (в количестве m штук);
27 - локально-вычислительные сети (ЛВС);
28 - модуль определения дальности и направления связи для всех обслуживаемых ВО и измерения отношения сигнал/шум в каждом широкополосном радиоканале;
29 - наземная аппаратура связи;
30 - автоматизированное рабочее место;
31 - одна из В вторых наземных АПД блока 33 сопряжения;
32 - устройство сопряжения с каналом связи;
34 - вход/выход системы;
35 - концентратор;
37 - передающий модуль с антенной 36.
Вспомогательные элементы электропитания, терморегулирования и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурную схему устройства.
Основной задачей наземного и бортового оборудования заявляемой системы является ее применение в качестве широкополосной радиолинии связи «воздух-земля».
При беспомеховой обстановке во время движения воздушные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом 1 по узкополосному каналу связи, например, в выбранном диапазоне. Принимаемые наземной радиостанцией 11 из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру 12 передачи данных поступают в вычислитель 13 АРМ 30, построенный, например, на базе ПЭВМ серии «Багет». В вычислителе 13 АРМ 30 в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами воздушных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 13 АРМ 30. В некоторых случаях НК 1 может обеспечивать обмен данными только с одним ВО. При совпадении адреса воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО 2 и состоянии его датчиков выводится на экран монитора 15 АРМ 30 НК 1. В первом вычислителе 13 АРМ 30, определенном как ведущий, решаются следующие задачи: распределение времени на прием квитанций и контрольных сообщений в зависимости от установленных приоритетов, контроля работоспособности наземных приемных антенн 26 при контроле функционирования системы или в другом технологическом режиме с помощью передающего модуля 37 с антенной 36, включаемом по команде с первого вычислителя 13 АРМ 30 или вручную - с помощью оператора АРМ 30, приема-передачи сигналов со второй наземной АПД 31, прием данных о фактическом положении в пространстве диаграмм направленности наземных направленных антенн (ДНА) 26 и состоянии наземной аппаратуры 29 связи, и восстановления переданной с ВО 2 информации. Кроме того, в вычислителе 13 АРМ 30 формируются сигналы управления: положением ДНА наземных направленных антенн 26, например, фазированных антенных решеток (ФАР), по азимуту и углу места, передающим модулем 37 с антенной 36, режимами работы всех ВО, прием и обработка сигналов контроля со всех бортовых и наземных радиоэлектронных узлов системы, сигналов с выхода наземного приемника 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, прием-передача данных через блок 33 сопряжения по шине 34 потребителям информации, формирование на экране монитора 15 АРМ 30 картинки в соответствии с принятой с ВО 2 информацией? отображение на мониторе 15 АРМ цифровой карты местности и вспомогательной информации в виде графических линий, символов, квитанций и донесений о режимах работы ВО 2, НК 1, АРМ 30, слежение за местоположением всех ВО 2 в зоне радиосвязи, обеспечение постоянной радиосвязи со всеми N ВО 2, оптимальное управление их движением, решение конфликтных ситуаций и выполнение других операций. В первом вычислителе 13 АРМ 30 с учетом сведений о местоположении каждого подвижного воздушного объекта и постановщиков помех также решается задача формирования ДНА наземных направленных антенн с учетом обеспечения заданной зоны обслуживания по дальности с требуемой достоверностью, по числу ВО 2, одновременно находящихся в воздухе. Остальные вычислители 13 АРМ 30 дублируют перечисленные операции и являются резервными.
Модуль 28, работающий совместно с первым вычислителем 13 АРМ 30 через ЛВС 27, предназначен для определения текущей дальности и направления связи для всех обслуживаемых ВО, чтобы соответствующим образом сформировать ДНА антенн 26 для получения на НК 1 требуемой достоверности широкополосной радиосвязи и непрерывного измерения отношения сигнал/шум в каждом широкополосном радиоканале. При подходе ВО 2 к границе зоны обслуживания или снижения отношения сигнал/шум ниже заданного на него первым вычислителем 13 АРМ 30 выдаются команды: изменения траектории полета? или перехода на другие частоты, или другие.
Передающим модулем 37 с антенной 36 обеспечивается непрерывный контроль всех работающих наземных направленных антенн и средств приема радиосигналов с выдачей по ЛВС 27 на соответствующий вычислитель 13 АРМ 30 признака качества выдаваемой информации или неработоспособного узла. Во время контроля функционирования с его помощью осуществляется контроль всех наземных направленных антенн и каналов приема радиосигналов на всех заложенных в план связи частотах.
Антенны 26 размещаются так, чтобы в максимальной степени исключить искажения принимаемых радиосигналов от многолучевости:
- антенна должна быть удалена от элементов рельефа, деревьев, спокойных водных поверхностей и других объектов, способных создавать переотражения, например, железнодорожные пути, высоковольтные линии электропередач, взлетно-посадочная полоса и т.п.;
- за счет размещения антенн таким образом, чтобы влияние многолучевости на них было бы приблизительно одинаковым, в том числе так близко к земле, как это только возможно, исходя из фактических окружающих условий.
Для передачи на ВО 2 команд управления или других сообщений в заданном ведущим вычислителем 13 АРМ 30 интервале времени используется АПД 12 и передатчик наземной радиостанции 11 с наземной приемо-передающей антенной 10. Формирование радиосигналов в АПД 12 для передачи на ВО 2 команд управления или других сообщений поправок может осуществляться, например, в следующем порядке:
- прием стандартного сообщения с модуля 33 по ЛВС 27;
- форматирование сообщения заданного стандарта в интервале времени, заданном вычислителем 13 АРМ 30;
- кодирование прогнозируемой коррекции ошибок в заданном коде;
- преобразование (скремблирование) битов;
- модуляция.
В передатчике радиостанции 11 осуществляется усиление радиосигнала и трансляция его через приемо-передающую антенну 10 в эфир.
Для приема радиосигналов на борту подвижного воздушного объекта узлами 9, 8, 7 решаются задачи:
- работа бортовой антенны в заданном диапазоне частот с требуемым волновым сопротивлением и малым коэффициентом стоячей волны;
- прием радиосигнала, излученного антенной 10 и сформированного АПД 12 совместно с передатчиком радиостанции 11;
- демодуляция, декодирование и оценка качества принятого радиосигнала;
- сопряжение с модулем 22 через бортовой вычислитель 3.
Для повышения надежности связи в части управления режимами работы бортовых узлов для организации широкополосной радиосвязи передатчиков в радиостанции 11 и антенн 10 может быть несколько. Если АПД 12 получает от вычислителя 13 ведущего АРМ 30 уведомление, что в данном интервале времени необходимо отправить пакет, то он транслируется в эфир через узлы 12, 11, 10. Если после анализа в бортовом вычислителе 3 фиксируется то, что оно недостоверно, и эта ситуация продолжается достаточно долго, то на основании полученных с борта ВО 2 данных вычислителем 13 ведущего АРМ 30 принимается решение о выходе из строя какого-либо элемента в цепи узлов 12, 11, 10, 9, 8, 7. При этом инициируется переход на резервный комплект, если он предусмотрен, с выдачей информации о неисправности.
Для повышения достоверности широкополосной радиосвязи с воздушного подвижного объекта осуществляется одновременная передача одного и того же сообщения по нескольким каналам на разных частотах выделенного для связи диапазона, например на двух. Величина разноса этих частот выбирается таким образом, чтобы передаваемые радиосигналы были ортогональны в усиленном смысле, а именно, она должна быть не менее отношения единицы, деленной на длительность передаваемого символа [5].
Для обеспечения контроля передатчиков широкополосной радиосвязи подвижного объекта устанавливается бортовой многоканальный приемный модуль 24 с антенной 25 того же диапазона, что и передающая антенна, с числом каналов - по числу рабочих частот передающих каналов бортовой аппаратуры 21 связи. Сообщения о результатах контроля непрерывно передаются на НК в служебной части сообщения широкополосной радиосвязи или по узкополосному радиоканалу «воздух-земля».
В бортовом вычислителе 3 решаются задачи: постоянная оценка границ зоны прямой (оптической) зоны видимости для коррекции своего маршрута полета, изменение значения рабочей частоты или порядка ее формирования по команде с НК, обмен данными с модулем 22 выбора направления на НК 1, выдача по шине 18 на соответствующие узлы бортового радиоэлектронного оборудования команд управления ВО, в том числе об изменении параметров его движения, хранение координат НК 1 (при его неподвижности), информация о которых введена в бортовой вычислитель 3 при предполетной подготовке ВО 2, или получена с НК 1 во время полета, прием-передача сигналов с НК 1, прием данных о фактическом положении ДНА бортовой направленной антенны 23 и состоянии бортовой аппаратуры 21 связи и подготовка их для передачи на НК 1, выбор направления на НК 1 и формирование сигналов управления: положением ДНА соответствующей бортовой направленной антенны 23 по азимуту и углу места, режимами работы оборудования ВО, прием и обработка сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов ВО с передачей результата обработки на НК 1, формирование данных при предполетной подготовке на экране блока 6 регистрации, который, например, может быть выносным, картинки в соответствии с принятой с НК 1 информацией и вспомогательной информацией с узлов ВО 2 в виде графических линий, символов и других изображений, отображение команд управления с НК 1, слежение за местоположением НК 1, если он подвижный, и всех ВО 2 в зоне радиосвязи (по данным, полученным с НК 1), обеспечение постоянной радиосвязи с заданными с НК 1 подвижными воздушными объектами 2, оптимальное управление движением собственного ВО 2, решение конфликтных ситуаций и выполнение других операций. В модуле 28 решаются задачи определения направления на наземный комплекс 1 по его и своим известным координатам с передачей этих данных в бортовой вычислитель 3 для выбора соответствующей бортовой направленной антенны 23 и формирования требуемой ДНА.
Эти операции выполняются программно с помощью дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Все АРМ 30 идентичны по структуре и программному обеспечению. Пульт 16 управления АРМ, предназначенный для выполнения известных операций [1], может состоять, например, из клавиатуры и манипулятора графического. Число АРМ 30 определяется требуемой производительностью операторов (диспетчеров), числом потребителей информации и объемом потребляемой ими информации. Бортовой вычислитель 3 может состоять из нескольких процессоров, объединенных общей шиной. Все АРМ 30 соединены между собой и с другими блоками системы с помощью локально-вычислительных сетей 27. ЛВС 27 может состоять из нескольких интерфейсов со своими физическими линиями, например МКИО, Ethernet, RS-232 и других [4, 6].
Для линии связи СВЧ-диапазона в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиочастотам могут быть выбраны, например, диапазоны (1710-1850) МГц, (7125-8500) МГц или другие, имеющие характерные окна радиопрозрачности атмосферы. Особенностью широкополосной радиолинии связи является то, что в наземной и бортовой аппаратуре связи 29 и 21 для повышения достоверности принимаемых сообщений используются кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн, методы разнесения по частоте и пространству [7], а также направленные антенны 23 и 26 с узкой ДНА, например, от 1 до 10 градусов [7].
Операции кодирования, модуляции и борьбы с замираниями радиосигнала осуществляются в бортовой и наземной аппаратуре связи 21 и 29. Аппаратура связи 21 и 29 состоит, например, из радиостанции СВЧ-диапазона и соответствующей аппаратуры обработки и передачи данных. Кодирование передаваемых данных может быть осуществлено, например, с помощью сверточного кодирования по Витерби с мягким решением и использованием модифицированной решающей обратной связи [8, 9]. Для борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн может быть использован, например, широкополосный сигнал и прием разнесенных во времени сигналов по схеме «РЕЙК», в которой обеспечивается разделение и адаптивное весовое сложение сигналов в динамике профиля многолучевости [6, 9]. В радиостанциях 11 и 8 для формирования радиосигнала может быть использован, например, метод непосредственной модуляции сигнала промежуточной частоты фазоманипулированной псевдослучайной последовательностью. В некоторых вариантах может быть использована псевдослучайная перестройка несущей частоты.
В качестве антенн 23 и 26 могут быть использованы, например, активные фазированные антенные решетки с электронным управлением положением главного луча ДНА. Сектор сканирования луча ДНА антенн 26 по азимуту - вкруговую (360 градусов), по углу места - практически от 0 до 180 градусов (без учета углов закрытия и особенностей связи при углах места вблизи 90 градусов). Управление фазовращателями, входящими в состав антенн 23 и 26, выполняется, например, программно с помощью вычислителей 3, 13 и дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 АРМ или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Наведение ДНА осуществляется путем нахождения пространственного вектора между двумя объектами системы и направления по нему центров ДНА соответствующих объектов системы. Для этого с учетом тенденции (экстраполяции) движения с привязкой к единому всемирному времени используются точные координаты ВО 2 и НК 1, вычисляемые по выходным сигналам приемников 5 и 14 глобальных навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS [10]. В упрощенном варианте системы на ВО 2 может быть установлена антенна 23 пассивного типа с круговой ДНА по азимуту и с небольшой направленностью по углу места с коэффициентом усиления (3-10) дБ. В этом случае функциональные связи бортового вычислителя 3 с бортовой антенной 23 могут отсутствовать. Для защиты антенн 23 и 26 от внешних воздействий могут быть использованы, например, радиопрозрачные укрытия, не показанные на фигуре. Под радиопрозрачными укрытиями размещают антенны 26 и для уменьшения потерь радиосигнала в антенно-фидерном тракте - оборудование каналов наземной аппаратуры 29 связи.
Информация блоков 12, 14, 20, 28, 37 обрабатывается в вычислителе 13 одного из АРМ, например, первого (ведущего). Полученные по ЛВС 27 данные распределяются между остальными вычислителями 13 АРМ 30 и, при необходимости, передаются через одну из В вторых наземных АПД 31 блока 33 сопряжения и устройства 32 сопряжения с каналом связи блока сопряжения 33 по шине 34 соответствующему потребителю информации. Сообщения от потребителя информации на вычислители 13 АРМ 30 и ВО 2 передаются через те же узлы, но в обратном порядке. В зависимости от объема требуемой информации для обработки и формирования сообщений потребителю могут быть использованы несколько АРМ 30. Обмен данными по ЛВС 27 организуется известными способами с помощью концентратора 35, который может быть выполнен, например, в виде оконечного устройства для интерфейса МКИО [5, 6].
1
1
При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ВО 2, или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи программно определяется один из ВО 2, который назначается ретранслятором сообщений, условно обозначенный на фигуре цифрой 2. Ретрансляция данных в противоположных направлениях осуществляется в диапазоне работы радиостанций 11, 8. При постоянном изменении дальности между взаимодействующими ВО 2 в качестве ретранслятора может быть определен любой из N подвижных воздушных объектов, местоположение которого оптимально по отношению к НК 1 и всем остальным ВО 2. В этом случае автоматически или оператором АРМ 30 назначается ВО 2, который в течение определенного времени будет использоваться в качестве ретранслятора. По анализу местоположения и параметров движения остальных ВО 2 в вычислителе 13 АРМ определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК 1 за радиогоризонт подвижному воздушному объекту, а для радиолинии СВЧ-диапазона - положения ДНА на приемной и передающей сторонах.
Узлы 7, 8, 9, составляющие основу бортового комплекса связи выбранного диапазона, и узлы 10, 11, 12, составляющие основу наземного комплекса связи того же диапазона, для повышения надежности связи могут быть зарезервированы. Тогда один из входов/выходов бортового вычислителя 3 должен быть подключен ко второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 7, 8, 9, а на НК 1 один их входов/выходов наземного вычислителя 13 любого из АРМ 30 также должен быть подключен к соответствующей второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 12, 11, 10. В этом случае в наземном вычислителе 13 одного из АРМ, определенного ведущим, осуществляются операции оценки достоверности информации, принимаемой с ВО 2 по двум каналам выбранного диапазона и обработки наиболее ценной, достоверной информации.
1
Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) подвижных воздушных объектов 2, может быть доставлено N-му ВО 2 м. Для этого на НК 1 в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладываются номер ВО 2, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных воздушных объектов 2, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые данные обрабатываются в блоке 17 анализа типа сообщений воздушного объекта 2. Если сообщение предназначено для данного ВО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных на блок 6 регистрации или по двунаправленной шине 18 на узлы управления ВО и источник информации, не указанные на фигуре, или, при работе в режиме ретрансляции, о передаче данных на соседний ВО 2. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении, а ретрансляция данных осуществляется последовательно во времени.
При обмене данными по линиям «воздух-земля», особенно при наличии помеховой обстановки, повышение достоверности передачи данных обеспечивается тем, что на передающей стороне соответствующего ВО 2 блоков 3 и 22 наводят диаграмму направленности антенны 23 на диаграмму направленности антенны 26 приемной стороны, формируемую на НК 1 с помощью блоков 13, 28, и передают сигналы. На приемной стороне в блоке 29 известными способами [8, 9] проверяют достоверность передачи информации, например, по величине отношения сигнал/шум, измеренного в блоке 28. Полученную оценку передают в обратном направлении по цепочке последовательно соединенных блоков 13, 27, 12, 11, 10, 9, 8, 7 до бортового вычислителя 3. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) ВО 2 запоминаются для дальнейшего использования в процессе связи. Одновременно на передающей стороне с помощью бортового приемного модуля 37 с антенной 36 оценивают уровень мощности, запоминают в бортовом вычислителе и передают на НК 1 через блоки 3, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 27 до вычислителя 13 АРМ. При низкой достоверности с помощью наземного вычислителя 13 выдают команду на изменение рабочей частоты каналов широкополосной связи и(или) уменьшение ширины ДНА антенн 23 и 26. В следующий момент времени диаграмму направленности передающей антенны и диаграмму направленности приемной антенны устанавливают друг на друга.
Для последовательного выполнения этих операций в заданный момент времени определяется текущее местоположение всех ВО 2 и НК 1, вычисляются в наземном вычислителе 13 экстраполяционные точки нахождения соответствующих ВО 2 системы во время планируемого сеанса связи, осуществляется взаимное наведение центров диаграмм направленности антенн НК 1 и обслуживаемых ВО 2 и постоянного слежение за ними во время движения. Затем проводят обмен данными между соответствующими объектами системы и эту процедуру непрерывно повторяют. При совпадении направления на выбранный для связи ВО 2 с направлением на источник помех, положение которого определено в наземном вычислителе 13 по результатам оценки достоверности принятой информации со всех ВО 2, вычисляется оптимальный маршрут передачи низкоскоростных данных на выбранный для связи ВО 2 через другие подвижные воздушные объекты, работающие в режиме ретрансляции. В НК 1 и в выбранных для ретрансляции ВО 2 с помощью соответствующих вычислителей слежение за соответствующими объектами во время их движения. Для этого с наземного вычислителя 13 НК 1, имеющего больший объем информации о воздушной ситуации в своей зоне ответственности по сравнению с бортовыми вычислителями ВО 2, постоянно осуществляется обмен соответствующими сообщениями со всеми ВО 2.
После получения на НК 1 подтверждения о достоверном приеме информации на ВО 2 в вычислителе 13 АРМ 30 автоматически формируется следующее сообщение в адрес управляемого ВО 2, например, команды автоматического управления полетом. Это сообщение, пройдя по той же рассмотренной ранее цепочке, но только в обратном порядке, поступает на соответствующий бортовой вычислитель 3, при необходимости, например, при предполетной подготовке, отображается на экране выносного бортового блока 6 регистрации данных и поступает на соответствующий бортовой узел.
Для удобства разрешения оператором НК 1 конфликтной ситуации при наличии помеховой обстановки на экран каждого монитора 15 АРМ 30 НК 1 может выводиться положение каждого ВО 2 относительно НК 1. Для этого, программно, с помощью вычислителя 13 АРМ 30 выделяются части пространства, в которых помеховая ситуация в вероятностном смысле менее напряженная, и через находящиеся там ВО 2 осуществляется трафик низкоскоростных данных. Для отображения тенденции движения каждого ВО 2 на экране монитора 15 АРМ вычислителем 13 АРМ 30 формируются отметки, характеризующие предыдущее местоположение ВО 2 и экстраполяционные отметки, характеризующие местоположение ВО 2 через заданный интервал времени. По мере движения ВО 2 устаревающие отметки стираются. Положение трассы полета всех ВО 2 в зоне обслуживания НК 1 сохраняются в памяти вычислителя 13 АРМ на заданный период времени.
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ВО 2 в соответствии с категориями срочности, принятыми в системе радиосвязи с подвижными воздушными объектами, 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 выбранный ВО 2 с учетом времени реакции ВО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов.
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 зависимости от числа подвижных воздушных объектов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в системе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями и эффективного управления полетом ВО 2. При изменении помеховой обстановки, взаимного положения НК 1 и ВО 2, подлете ВО 2 к границе зоны прямой (оптической) видимости, нарушения режима полета подвижного воздушного объекта и фиксации предельных параметров в вычислителях 3 и 13 автоматически формируется предупреждающий сигнал о возможном «обрыве» связи, информация о котором выводится на экран монитора 15 АРМ, и формируется команда на изменение маршрута его движения. Визуальная картинка может быть усилена звуковым эффектом. 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 выбранного и СВЧ-диапазонов в вычислителе 13 ведущего АРМ 30 НК 1 определяется число столкновений сообщений в каналах связи, и, когда это число превышает предельно допустимое, система переходит в режим адресного опроса для упорядочения работы канала передачи данных «воздух-земля». Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче несколькими объектами, вычислителями 3 и 13 может осуществляться, например, контроль несущей частоты при воздействии преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное низкоскоростное сообщение с ВО 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 может формироваться, например, псевдослучайная задержка передачи сообщений от подвижных воздушных объектов 2 и НК 1 - для каждого объекта своя.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если воздушные объекты 2 сформировали для передачи низкоскоростные сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные подвижные воздушные объекты о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении и параметрах движения, и случайным образом или в выделенных им временных слотах распределяют передаваемые сообщения. На каждом из ВО 2 в вычислителе 3 оценивается уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале и обрабатываются для выбора интервалов передачи точные по времени импульсы синхронизации с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью воздушный объект 2 начинает передачу собственного пакета данных в выделенном интервале времени.
Сообщения о местоположении ВО 2 и НК 1 с выходов приемника 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС/GPS, записываются в память вычислителя 13 с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 3 и 13 эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО в зоне обслуживания НК 1, а также для ориентирования в пространстве диаграмм направленности антенн 23 и 26 ВО 2 и НК 1 соответственно, в том числе при мобильном исполнении НК 1. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ВО 2 в вычислителе 3 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВО 2.
Принятые на НК 1, представляющим собой наземный пункт приема, передачи, обработки и отображения информации, навигационные сообщения от всех ВО 2 обрабатываются в вычислителе 13 ведущего АРМ 30 и выводятся на экран монитора 15 АРМ 30. Точка, характеризующая местоположение НК 1, размещается, например, в центре экрана монитора 15 АРМ 30. ВО 2, находящиеся вблизи границы зоны устойчивой радиосвязи, выделяются от остальных, например, цветом отметки на экране монитора 15 АРМ, и для них в вычислителях 3 и 13 начинается решение задачи выбора оптимального пути трансляции управляющих низкоскоростных сообщений от НК 1 на выбранный ВО 2. Для этого постоянно в вычислителе 13 одного или одновременно нескольких АРМ 30 известными методами [8, 9] оцениваются зоны устойчивой радиосвязи для НК 1 и всех ВО 2. В аппаратуре передачи данных 7 и 12 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие [8, 9].
В качестве бортовых и наземных направленных антенн могут быть использованы, например, адаптивные или интеллектуальные антенны (Smart antenna) с электрическим управлением диаграммой направленности. Принцип их работы основывается на том, что ввиду подвижности объектов вероятность их нахождения в течение длительного времени на одном направлении с источником помехи слишком мала [4, 11, 12]. Обеспечив программно максимум коэффициента усиления антенны в известных направлениях на выбранных абонентов и сформировав минимум ее диаграммы направленности на источник помехи, можно многократно повысить текущее отношение сигнал/шум на входе приемника, а следовательно, и достоверность высокоскоростной информации. Коэффициент усиления приемной антенны обратно пропорционален произведению ширины ДНА в азимутальной плоскости на ширину ДНА в угломестной плоскости. Чтобы увеличить его, необходимо уменьшить ширину ДНА в азимутальной и угломестной плоскостях и сформировать ДНА «карандашного» типа. Дополнительно повысить достоверность высокоскоростной информации позволит разнесение в пространстве наземных направленных антенн 26 на расстояние более 10 длин волн принимаемого радиосигнала.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и фрагменты программного обеспечения заявляемой системы. Блоки и шины 1-21, 23, 26, 27, 29-34 одинаковые с прототипом. Блоки 24 и 25, 37 и 36 могут быть выполнены, например, на серийных передатчиках, приемниках и антеннах соответствующего диапазона с необходимым программным обеспечением, а блоки 33 и 28 - программно.
Техническим результатом использования предложенной системы радиосвязи является:
- программная реализация бортового и наземного оборудования, упрощающая введение известных новых и реализацию существующих режимов обмена данными за счет автоматического изменения программного обеспечения;
- повышение достоверности связи за счет автоматического выбора сообщения, принятого по радиоканалу с наилучшим отношением сигнал/шум и использования критерия максимального правдоподобия, обработки сообщений на канальном уровне с помощью избыточных циклических кодов для устранения ошибок, не исправленных модемом, и исправления этих ошибок с помощью автоматического запроса повторения данных;
- динамическая перестройка не только рабочих частот, формы диаграмм направленности антенн, но и технологии радиодоступа;
- эффективное использование выделенного частотного спектра радиодиапазона;
- применение адаптивных процедур при наличии источника помех;
- увеличение эксплуатационной надежности системы, благодаря реализации не только на подвижных объектах, но и в наземных комплексах оборудования, основанного на обеспечении отказоустойчивых режимов работы за счет автоматического обнаружения и изоляции неисправных модулей, автоматической замены их на резервные без прерывания нормальной работы.
Предложенная система радиосвязи обеспечивает выполнение следующих процедур:
- непрерывное наблюдение за работой передающих и приемных средств системы и за отношением сигнал/шум в каждом широкополосном радиоканале;
- изменение формы диаграмм направленности приемных и передающих антенн для повышения достоверности принимаемой высокоскоростной информации;
- единую синхронизацию всех объектов системы, например, с помощью меток точного времени глобальных навигационных спутниковых систем;
- контроль работоспособности и резервирование каналов;
- формирование, передачу, прием и обработку радиосигналов программными методами (создание реконфигурируемого оборудования);
- анализ результатов наблюдений и обучение системы;
- требуемую управляемость системы в соответствии с действующими целями, правилами, протоколами и алгоритмами управления доступом к спектру;
- хранение, накопление принимаемых сведений о характеристиках абонентов и окружающей среды, постоянное обновление базы данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.В. Бочкарев, Г.А. Крыжановский, Н.Н. Сухих. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта. М.: - Транспорт, 1999, 319 с.
2. AC №1401626, М. кл. H04B 7/26, H04L 27/00, БИ №21, 1988.
3. Патент РФ №44907 U1, М. кл. H04B 7/00, 2005.
4. Патент РФ №2309543 С2, М. кл. H04B 7/26, 2007 (прототип).
5. Григорьев, А.В. Сети и системы радиодоступа / А.В. Григорьев, О.И. Лагутенко, Ю.А. Распаев. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 384 с.
6. А.А. Мячев. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.
7. В.В. Бортников, С.С. Ананченков. Помехоустойчивость двоичных сигналов в марковском канале с замираниями. - Изв. вузов MB и ССО СССР, Радиотехника, 1984, т.24, №10, С.78-80.
8. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. - М., Радио и связь, 1985, 391 с.
9. GPS - глобальное система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
10. Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для ВУЗов / И.М. Тепляков и др. Под ред. И.М. Теплякова. - М.: Радио и связь, 1982.
11. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Современные методы пространственной обработки сигналов в системах с антенными решетками: учеб. пособие. Нижний Новгород, 2008. 171 с.
12. Ермолаев В.Т., Соколов М.А., Флаксман А.Г. Квазиоптимальное подавление пространственно-распределенных помех в АР с использованием степенного базиса // Труды тринадцатой научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2009.