КОМПЛЕКС РЕТРАНСЛЯЦИИ НА БАЗЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT BASED RETRANSMISSION SYSTEM

Изобретение относится к технике радиосвязи, в частности к устройствам ретрансляции радиосигналов для увеличения дальности связи, размещаемым на летательных аппаратах (ЛА).
Известны различные типы устройств ретрансляции, размещаемые на самолетах, вертолетах, дирижаблях, беспилотных летательных аппаратах [1-7].
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является «Вертолетный комплекс ретрансляции» (ВКР) [7], который и принят за прототип.
ВКР представляет собой высокомобильный двухдиапазонный унифицированный комплекс ретрансляции, обеспечивающий ретрансляцию информации в МВ-ДМВ1 диапазоне и в сверхвысокочастотном диапазоне, в котором работает обеспечивающая высокую помехозащищенность и скорость передачи информации многофункциональная интегрированная система связи, навигации и опознавания (МИССНО) [8]. С точки зрения потребителя МИССНО представляет собой совокупность сетей обмена информацией, включая цифровую телефонную и телекодовую связь.
Техническую основу МИССНО составляют терминалы сверхвысокочастотного диапазона, устанавливаемые у абонентов, представляющие собой функционально законченные устройства, реализующие все функции по передаче, приему, обработке и ретрансляции телекодовой и речевой информации.
В состав терминала входит радиочастотный блок (приемник, передатчик, синтезаторы частот), работающий в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты, и блок обработки информации (сигнальный процессор, канальный процессор, модули кодирования и защиты информации, процессор обработки данных, речепреобразующее устройство).
Радиосигналы диапазона МИССНО распространяются в пределах прямой видимости, поэтому актуальной становится задача увеличения дальности связи особенно для наземных абонентов системы.
ВКР содержит аппаратуру ретрансляции, размещенную в трех легкосъемных переносных контейнерах, соединенных между собой кабельной сетью, подключенных к штатной системе электроснабжения вертолета, конструкция которых обеспечивает их перенос через двери и люки вертолета, быструю установку и крепление внутри фюзеляжа вертолета при помощи штатных швартовочных узлов, и четыре приемопередающие антенны: три МВ-ДМВ1 диапазона и одна диапазона МИССНО, закрепленные на фюзеляже вертолета, высокочастотные кабели которых пропущены через обшивку фюзеляжа через штатные отверстия и подключены к высокочастотным разъемам на контейнерах.
ВКР оперативно устанавливается в полевых условиях на вертолет-носитель типа Ми-8 без его конструктивной доработки.
Недостатком указанного прототипа является то, что ВКР, имея одну приемопередающую антенну комплекса ретрансляции диапазона МИССНО, закрепленную на фюзеляже вертолета-носителя, не может обеспечить прием и передачу радиосигнала одновременно. То есть, если во время передачи (ретрансляции) ВКР ранее полученной информации, один или несколько абонентов МИССНО осуществят передачу информации на ВКР с целью ее последующей ретрансляции другим абонентам, то прием этой информации на ВКР будет невозможен и информация будет потеряна. Выходом из создавшейся ситуации может быть использование в составе комплекса ретрансляции диапазона МИССНО радиочастотного блока с двумя раздельными высокочастотными выходами для его приемника и передатчика соответственно, а также установка дополнительной антенны. При этом одна из антенн, подключенная к входу приемника радиочастотного блока, будет использоваться в качестве приемной антенны, а другая антенна, подключенная к выходу передатчика радиочастотного блока, будет использоваться в качестве передающей антенны. В этом случае радиочастотный блок будет работать в дуплексном режиме: его приемник и передатчик будут работать одновременно. Однако такое решение требует обеспечения достаточной развязки между приемной и передающей антеннами, в противном случае мощный радиосигнал передатчика, поступающий на вход приемника, блокирует его на время передачи.
Обеспечить достаточную развязку (устранить взаимное влияние антенн) можно, например, увеличением расстояния между антеннами, что трудно осуществить на ЛА, имеющем ограниченные размеры. Другой способ обеспечения достаточной развязки - установка различных металлических или радиопоглощающих экранов между антеннами, однако это приводит к искажению диаграмм направленности передающей и приемной антенн, появлению в пространстве областей, в которых радиосвязь ретранслятора с абонентами частично или полностью отсутствует, нарушению аэродинамики ЛА.
Использование для обеспечения достаточной развязки различных системотехнических методов (применение адаптивных компенсаторов помех, мультиплексоров, различных, в том числе перестраиваемых фильтров) требует установки дополнительной, а с учетом необходимости реализации режима псевдослучайной перестройки рабочей частоты, достаточно сложной аппаратуры, зачастую имеющей значительные массогабаритные характеристики и стоимость.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение пропускной способности сетей связи диапазона МИССНО за счет одновременной работы приемника и передатчика радиочастотного блока диапазона МИССНО в составе комплекса ретрансляции на базе ЛА, что обеспечивается путем достижения достаточной развязки между передающей и приемной антеннами диапазона МИССНО при существующих ограничениях, связанных с размещением комплекса ретрансляции на ЛА.
Указанный технический результат достигается тем, что в комплексе ретрансляции на базе ЛА, включающем аппаратуру ретрансляции, размещенную в трех контейнерах, соединенных между собой кабельной сетью, подключенных к системе электропитания ЛА, имеющих узлы сочленения между собой, а также элементы крепления к швартовочным узлам ЛА, три приемопередающие антенны МВ-ДМВ1 диапазона, закрепленные на корпусе ЛА, высокочастотные кабели которых пропущены через обшивку корпуса через штатные отверстия и подключены к высокочастотным разъемам на контейнерах, содержащийся в составе аппаратуры ретрансляции диапазона многофункциональной интегрированной системы связи, навигации и опознавания (МИССНО), размещенной в третьем контейнере, радиочастотный блок включает приемник с высокочастотным входом и передатчик с высокочастотным выходом, а комплекс ретрансляции дополнительно содержит приемную антенну диапазона МИССНО, подключенную высокочастотным кабелем через первый высокочастотный разъем третьего контейнера к входу приемника радиочастотного блока диапазона МИССНО, основную и вспомогательную передающие антенны диапазона МИССНО, механически закрепленный на внешней стороне третьего контейнера направленный ответвитель мощности, вход которого подключен через второй высокочастотный разъем третьего контейнера к выходу передатчика радиочастотного блока, основная передающая антенна высокочастотным кабелем подключена к первому выходу направленного ответвителя, мощность сигнала на котором практически равна выходной мощности радиосигнала передатчика радиочастотного блока, вспомогательная передающая антенна высокочастотным кабелем подключена ко второму выходу направленного ответвителя, мощность сигнала на котором ослаблена на 10-15 дБ по отношению к выходной мощности радиосигнала передатчика высокочастотного блока, при этом высокочастотные кабели антенн диапазона МИССНО пропущены через обшивку корпуса ЛА через штатные отверстия, а сами антенны установлены на корпусе ЛА, при этом если приемная и основная передающая антенны располагаются на расстоянии R метров друг от друга, то вспомогательная передающая антенна располагается в диапазоне расстояний от 0,18R до 0,32R метров от приемной антенны таким образом, чтобы развязка между основной передающей и приемной антеннами в диапазоне МИССНО была достаточной для обеспечения одновременной работы приемника и передатчика радиочастотного блока диапазона МИССНО комплекса ретрансляции на базе ЛА.
На чертеже представлена структурная схема комплекса ретрансляции диапазона МИССНО, где обозначено:
1 - радиочастотный блок диапазона МИССНО (остальная аппаратура комплекса ретрансляции диапазона МИССНО не показана);
2 - третий контейнер для размещения аппаратуры ретрансляции диапазона МИССНО;
3 - вход приемника радиочастотного блока, соединенный с высокочастотным разъемом контейнера;
4 - выход передатчика радиочастотного блока, соединенный с высокочастотным разъемом контейнера;
5 - приемная антенна с высокочастотным кабелем;
6 - основная передающая антенна с высокочастотным кабелем;
7 - вспомогательная передающая антенна с высокочастотным кабелем;
8 - направленный ответвитель.
Структурно комплекс ретрансляции представляет собой два работающих независимо комплекса ретрансляции: комплекс ретрансляции МВ-ДМВ1 диапазона (точно такой, как в прототипе), размещенный в двух легкосъемных переносных контейнерах, и комплекс ретрансляции диапазона МИССНО, размещенный в третьем легкосъемном переносном контейнере 2, выполненном аналогично двум предыдущим, за исключением того, что на третьем контейнере установлены два высокочастотных разъема, соединенные соответственно с входом приемника 3 и выходом передатчика 4 радиочастотного блока 1, а также за исключением установленного на нем направленного ответвителя 8.
Шесть антенн комплекса: три приемопередающие антенны МВ-ДМВ1 диапазона (точно такие, как в прототипе) и три антенны диапазона МИССНО, одна из которых приемная антенна 5, вторая - основная передающая антенна 6 и третья - вспомогательная передающая антенна 7, крепятся к корпусу ЛА без его конструктивной доработки.
Существенное уменьшение влияния мощного сигнала передатчика на работу приемника, с целью обеспечения их совместной работы, достигается путем использования явления интерференции радиоволн от двух когерентных источников радиосигнала в месте размещения приемной антенны. Из теории колебаний [9] известно, что если в какой-либо точке пространства амплитуды двух когерентных радиосигналов равны, а значения фаз этих сигналов отличаются друг от друга на 180 градусов, то напряженность результирующего поля в этой точке равна нулю. Здесь и далее под первым радиосигналом понимается сигнал, поступающий с основной передающей антенны, под вторым радиосигналом - сигнал, поступающий со вспомогательной передающей антенны, являющийся уменьшенной по уровню копией первого радиосигнала. Иными словами, если приемная антенна будет размещена на корпусе ЛА в том месте, где первый и второй радиосигналы в результате интерференции взаимно компенсируются (происходит суперпозиция двух когерентных радиосигналов с равной амплитудой и разностью фаз, равной 180 градусов), то поле результирующего радиосигнала в месте размещения приемной антенны будет равно нулю.
На практике, как правило, места размещения основной передающей и приемной антенн на корпусе ЛА заранее определены и зафиксированы, т.е. расстояние между приемной и основной передающей антеннами задано (R метров) и не может быть изменено. Поэтому необходимо определить место размещения вспомогательной передающей антенны относительно приемной антенны.
Так как в точках, где может быть размещена приемная антенна, амплитуды первого и второго радиосигналов равны, то в этих точках должно выполняться равенство:
осн
где Р - мощность, излучаемая основной передающей антенной;
всп
Р - мощность, излучаемая вспомогательной передающей антенной;
R - расстояние между основной передающей и приемной антеннами;
всп
R - расстояние между вспомогательной передающей и приемной антеннами.
осн
всп
всп
Из условия (1), зная соотношение между Р и Р, определяемое ослаблением применяемого направленного ответителя (10-15 дБ), и переводя это соотношение из децибелов в разы, находим, что величина R изменяется в пределах от 0,18R до 0,32R. При этом, чем больше ослабление, тем меньше расстояние между вспомогательной передающей и приемной антеннами.
всп
Полученное соотношение между R и R определяет на поверхности летательного аппарата область, где может быть размещена вспомогательная передающая антенна. В этой области экспериментальным путем находят точки, в которых амплитуды первого и второго радиосигналов не только равны между собой по величине, но и разность фаз этих радиосигналов равна 180 градусов. Для этого в указанных пределах (0,18R до 0,32R) изменяют местоположение вспомогательной передающей антенны на корпусе ЛА относительно зафиксированной приемной антенны и одновременно измеряют с помощью панорамного измерителя ослаблений развязку между основной передающей и приемной антеннами. Вспомогательную передающую антенну размещают на вышеуказанном расстоянии от приемной антенны, в точке, где развязка между основной передающей и приемной антеннами максимальна и достаточна для обеспечения одновременной работы приемника и передатчика радиочастотного блока диапазона МИССНО.
Вышеупомянутый принцип увеличения развязки между приемной и основной передающей антеннами с помощью использования вспомогательной передающей антенны был проверен в лабораторных условиях экспериментально. Для этого использовались три антенны АСВ-1 [10], направленный ответвитель (10 дБ), ВЧ кабели и измеритель ослаблений типа 8714ЕТ. Две антенны выполняли функции основной передающей и приемной антенны соответственно. Они располагались на расстоянии около 1 метра друг от друга, их расположение было зафиксировано и не менялось в ходе эксперимента. Изначально развязка между ними в диапазоне МИССНО составила 32-34 дБ. Третья антенна - вспомогательная передающая антенна была связана с основной передающей антенной через направленный ответвитель и ВЧ кабель. Расположение вспомогательной передающей антенны менялось относительно приемной антенны, при этом расстояние между указанными антеннами составило 0,3 метра. Одновременно контролировалась величина развязки между основной передающей и приемной антеннами. Опытным путем было найдено такое положение вспомогательной антенны, что развязка между основной передающей и приемной антеннами составила 48-50 дБ во всем диапазоне МИССНО. Для достижения такого же результата без использования вспомогательной передающей антенны необходимо было бы разнести приемную и передающую антенны на расстояние около 6 метров. Таким образом, использование вспомогательной передающей антенны привело к увеличению развязки между основной передающей и приемной антеннами, расположение которых было зафиксировано заранее и не менялось в ходе эксперимента, на дополнительные 16 дБ.
Экспериментально установлено, что полученная в ходе эксперимента развязка (48-50 дБ) во всем диапазоне МИССНО обеспечивает одновременную работу приемника и передатчика радиочастотного блока диапазона МИССНО.
Отличительным признаком предлагаемого комплекса ретрансляции является одновременная работа приемника и передатчика радиочастотного блока диапазона МИССНО, что обеспечивает повышение пропускной способности сетей связи диапазона МИССНО. Во всем остальном работа предлагаемого комплекса ретрансляции не отличается от работы прототипа.
В качестве приемной, основной и вспомогательной передающих антенн диапазона МИССНО может быть использована отечественная авиационная антенна АСВ-1 [10] диапазона МИССНО, имеющая незначительные вес и габариты и предназначенная для установки на различные типы ЛА.
В настоящее время существует большой выбор направленных ответвителей как отечественного, так и импортного производства. Например, в качестве направленного ответвителя для комплекса ретрансляции диапазона МИССНО могут быть использованы ответвители «Directional Coupler - 10 dB» или «Directional Coupler - 15 dB» [11], рабочий диапазон которых перекрывает диапазон МИССНО. Указанные ответвители имеют легкий алюминиевый корпус, малый вес и габариты, обеспечивают крепление к любой плоской поверхности.
Использование ЛА, оснащенного предлагаемым комплексом ретрансляции, позволит существенно увеличить пропускную способность сетей связи абонентов МИССНО в направлениях связи «борт-борт», «земля-борт», особенно «земля-земля».
Наиболее эффективно применение комплекса ретрансляции на базе ЛА в зонах локальных конфликтов, при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, ретрансляции радиосигналов от низколетящих вертолетов и самолетов или наземных, в том числе подвижных объектов в условиях гористой, сильнопересеченной или труднодоступной местности, не имеющей развитой инфраструктуры связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г. Ливанов. «Воздушный узел связи и ретранслятор вооруженных сил США», ж-л «Зарубежное военное обозрение», №9, 2013 г., стр. 66-69.
2. Е.Л. Белоусов и др. «Повышение эффективности управления частями и подразделениями путем применения вертолетного управляемого комплекса ретрансляции в тактическом звене управления», материалы XXVII Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», Часть 2, стр. 91-93, г. Серпухов Московской обл., 2008 г.
3. Ю.В. Невзоров и др. «Система межвидовой связи на беспилотном летательном аппарате», ж-л «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», вып. 1, 2, 2013 г., стр. 47-49.
4. http://www.ria.ru/arms/20121026/907023429.html.
5. Патент РФ №44635.
5. Патент РФ №55238.
7. Патент РФ №74369 (прототип).
8. Е.Л. Белоусов, В.М. Корчагин, «Многофункциональная интегрированная система связи, навигации и опознавания», ж-л «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», №2-3, 2001 г., стр. 27-29.
9. Г.С. Горелик, «Колебания и волны», М., «Государственное изд-во физико-математической литературы», 1959 г.
10. А.В. Комяков, В.А. Зайцев, «Авиационная антенная техника ФНПЦ ФГУП «НПП «Полет»: от антенн до антенных решеток и интегрированных систем авиации пятого поколения», ж-л «Электросвязь», №3, 2011 г., стр. 21-25.
11. htth://www.qualcom.ru.