Преимущества организации радиосвязи в МЧС России на основе использования цифровых антенных решеток

3. Методические материалы по созданию системы обеспечения вызова экстренных оперативных служб по единому номеру «112» в субъекте Российской Федерации (СИСТЕМА-112).

ПРЕИМУЩЕСТВА ОРГАНИЗАЦИИ РАДИОСВЯЗИ В МЧС РОССИИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

М.А. Панкова, преподаватель, к.т.н.

Воронежский институт ГПС МЧС России, г.Воронеж

Эффективная работа подразделений МЧС России в современных условиях неразрывно связана с оперативно-техническими возможностями системы управления, связи и информационного обеспечения спасательных и пожарных подразделений при реагировании на чрезвычайные ситуации. Основным видом связи при возникновения чрезвычайной ситуации для управления силами РСЧС, при разрушении систем проводной связи, является радиосвязь.

Рассмотрим преимущества использования цифровых антенных в обеспечении связи подразделений МЧС перед традиционными антеннами.

Цифровая антенная решетка (ЦАР) - это антенная система, представляющая собой совокупность аналого-цифровых каналов с общим фазовым центром, в которой диаграмма направленности формируется в цифровом виде, без фазовращателей [1]. Массовое развитие современных технологий ЦАР связано с интеграцией процессоров цифровой обработки сигналов (в виде DSP или на ПЛИС) с аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями (АЦП/ЦАП) в рамках одного модуля или чипа. Построение каналов ЦАР на такой основе позволяет унифицировать процедуры и аппаратные узлы обработки сигналов и упрощает их адаптацию к тому или иному протоколу работы. Технология цифрового диаграммообразования (ЦДО) обеспечивает максимальную простоту реконфигурации и модификации систем связи, которая зачастую сводится лишь к замене их программного обеспечения. При этом архитектура РЭА может оптимизироваться (по ресурсам и функциональности) под непосредственно выполняемые задачи.

Особенностью ЦАР является цифровое формирование лучей диаграммы направленности (ДН) антенны. Это позволяет динамически оптимизировать обслуживаемую зону покрытия, оперативно перенацеливая цифровые приемопередающие лучи в зависимости от территориального распределения станций. Такой эффект достигается благодаря включению на выходе каждого антенного элемента решетки аналого-цифрового преобразователя (АЦП), с учетом предварительного

выполнения, при необходимости, согласующих операций усиления, преобразования частоты и аналоговой фильтрации. Именно спецификой размещения АЦП схемотехника цифрового диаграммообразования заметно отличается от традиционных фазированных решеток (ФАР).

Оцифровка сигналов осуществляется непосредственно на несущей частоте. При этом исключаются операции преобразования частоты, детектирования сигналов с выделением их огибающей, что сокращает энергетические потери, повышает чувствительность приемной системы и упрощает аппаратную реализацию. Тактовый сигнал на все аналого-цифровые преобразователи должен распределяться от общего генератора тактовых импульсов с таким расчетом, чтобы АЦП всех приемных каналов срабатывали одновременно. Далее полученная информация о мгновенном амплитудно-фазовом распределении электромагнитного поля на раскрыве антенной системы в виде отсчетов АЦП либо их частичных сумм сбрасывается в буферное запоминающее устройство. Последующее диаграммообразование осуществляется программным способом с помощью цифровых сигнальных процессоров (DSP) либо программируемых матриц логических элементов (FPGA), выполняющих синфазное взвешенное суммирование напряжений всех первичных приемных каналов для интересующих угловых направлений.

Программная реконфигурация существенно снижает требования к производительности диаграммообразующего модуля. Подобное построение приемо-передающих каналов ЦАР позволяет также избежать аппаратной зависимости процедур обработки сигналов и упрощает их адаптацию под нужды того или иного стандарта функционирования.

С помощью технологии цифрового диаграммообразования может быть получена максимальная унификация узлов и блоков аппаратуры, простота реконфигурации и модификации систем радиосвязи, сводящаяся зачастую лишь к замене их программного обеспечения.

Технология ЦДО существенно улучшает качество связи в условиях многолучевого распространения радиоволн, а также резко повышает помехозащищенность системы при интенсивном радиопротиводействии. Это объясняется тем, что характеристики цифровых фильтров в антенных каналах практически идентичны. Разброс же характеристик фильтров приводит к тому, что при возникновении случайной помехи в каждом из каналов появляется мультипликативный помеховый сигнал, пропорциональный произведению амплитуды помехи на отклонение характеристик входного фильтра от номинального значения.

ЦДО способствует также увеличению динамического диапазона приемных антенн [2]. Действительно, при синфазном сложении сигналов в каждом из каналов антенной решетки в процессе ЦДО дисперсия (средняя мощность) шума растет пропорционально числу каналов антенной решетки R, а мощность сигнала (пропорциональная квадрату амплитуды) -

л

пропорционально R . Следовательно, отношение сигнал/шум после ЦДО возрастет в R раз, что повышает чувствительность системы, а значит, и динамический диапазон (отношение амплитуды максимального сигнала к минимальному). В результате «нули» ДН в направлениях источников помех формируются без «заплываний» провалов, обычных при недостаточном динамическом диапазоне приемного модуля. В ФАР качество подавления помех ограничено неидентичностью фазовращателей и малой разрядностью их схем управления (обычно 5-7 разрядов), тогда как в ЦАР уже используются 14 разрядные АЦП. Эксперименты подтверждают возможность подавления активной шумовой помехи в 8 элементной ЦАР более чем на 30 дБ не только по боковым лепесткам, но и в главном луче ДН при среднеквадратическом отклонении коэффициентов усиления аналоговых приемных каналов 0,5 дБ и величине фазовых ошибок не более 3°.

Цифровое формирование высокоидентичных частотных фильтров на выходе приемных устройств обеспечивает глубокую компенсацию широкополосных помеховых сигналов. В сочетании с расширением динамического диапазона при накоплении в процессе пространственно -временной обработки это обеспечивает недостижимую ранее помехозащищенность РЛС [2].

Приемопередающие модули ЦАР с программно-конфигурируемой архитектурой позволяют в полной мере реализовать принцип интегрированной апертуры. В это понятие входит объединение антенных систем и ВЧ блоков всех типов радиотехнических средств в единую структуру с минимизацией единиц аппаратуры, а также побочных радиоизлучений. Это позволяет обеспечить оперативную функционально-ресурсную адаптацию архитектуры радиоэлектронного оборудования и существенно увеличить эффективность всего радиоэлектронного комплекса. В частности, переход к использованию ЦАР в системе GPS позволяет довести уровень подавления множественных помех до 90-100 дБ.

Благодаря способности РЛС с ЦАР к многосигнальному приему в широком телесном угле преодолеваются многие недостатки, свойственные аналогичным системам с электронной или механической перестройкой узкого приемопередающего луча. Разнесение приемных и зондирующих подсистем в технологии ЦДО позволяет существенно увеличить живучесть радиолокационных средств.

Указанные достоинства ЦАР обусловили рост их привлекательности в последние годы. Данная уже технология применяется для серийного изготовления антенных систем для систем сотовой связи. Следует отметить, что внедрение ЦАР зачастую сдерживается недостаточностью элементной базы и финансирования разработок.

Список использованной литературы

1. Слюсар В. Цифровые антенные решетки: будущее радиолокации. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001. - № 3. - С. 428-846.

2. Слюсар В. Схемотехника цифрового диаграммообразования. Модульные решения. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002. - № 1. - С. 46-52.

ПРИМЕНЕНИЕ АСУ В СТРУКТУРЕ МЧС РОССИИ

С.Л. Панченко, старший преподаватель, к.т.н.

Воронежский институт ГПС МЧС России, г.Воронеж

Создание автоматизированных систем управления (АСУ) является наиболее перспективным направлением совершенствования управления в структуре МЧС России.

Автоматизированные системы управления представляет собой совокупность технических средств автоматического сбора, переработки, хранения, вывода и отображения информации, а также устройств оптимизации управленческих решений.

Актуальным комплексом задач для подразделений, обеспечивающих пожарную безопасность объектов, является оперативное управление силами и средствами при выполнении боевых задач по ликвидации пожаров, а также других чрезвычайных ситуаций и их последствий.

При одновременном (или с незначительным смещением во времени) возникновении нескольких чрезвычайных ситуаций в населенном пункте, быстром усложнении оперативной обстановки диспетчер не в состоянии оперативно управлять силами и средствами гарнизона. Происходят потери времени на обоснованный выбор техники, имеющейся на вооружении гарнизона, установление связи с подразделениями, за которыми закреплена территория, где случился пожар или другая чрезвычайная ситуация, а также выдачу приказов и контроль их исполнения. Неоправданно теряется время на текущую ручную регистрацию основных управленческих решений, приказов по использованию сил и средств, текущему учету. В крупных населенных пунктах при сложной оперативной обстановке резко возрастает вероятность ошибки как диспетчера, так и руководителей, организующих тушение пожаров или ликвидацию ЧС. Это приводит к ощутимым последствиям в виде человеческих жертв и крупного материального ущерба. Таким образом, средства автоматизации управления необходимы в современной структуре МЧС.

Эффективность управления силами при тушении пожара и ликвидации других ЧС может быть повышена благодаря использованию автоматизированной системы оперативного управления пожарно-