КОМПЛЕКС БОРТОВЫХ СРЕДСТВ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ
DIGITAL ON-BOARD COMMUNICATION MEANS

Изобретение относится к бортовым комплексам обмена данными и может быть использовано для информационного обмена, например, между воздушными судами (ВС) и наземными комплексами (НК) в каналах радиосвязи ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазонов.
В настоящее время широко применяется комплекс бортовых средств цифровой связи (КБСЦС) для обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием ВС (самолетов) и наземными службами (ACARS) [1]. В системе обеспечивается вызов на речевую связь и передача данных между ВС и наземными службами. Бортовой блок управления в этой системе представляет собой вычислитель. Каналами обмена текущей информацией являются каналы ОВЧ и ВЧ диапазонов. Организацию обмена информацией между наземными службами и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс. Он опрашивает ВС, 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 аналога следует отнести искажение параметров и формы радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте (АФТ), что приводит к снижению достоверности передачи информации.
Известен КБСЦС системы радиосвязи с подвижными объектами (ПО) [3]. Для предупреждения столкновений при одновременной передаче сообщений несколькими ВС осуществляется контроль несущей радиосигналов ВС во время воздействия ее на бортовые приемники. Определяется состояние, когда радиоканал свободен. Для разнесения во времени моментов выхода на связь нескольких ВС в КБСЦС введен вычислитель, реализующий функции анализатора несущей частоты и генератора псевдослучайной задержки, которые обеспечивают соответствующую задержку передачи сообщений от ВС. Для принятия оптимального решения наземными службами и на борту информация об относительном местоположении аэропорта и ВС снимается с одного из бортовых и наземных датчиков - приемников сигналов глобальной навигационной спутниковой системы. Информационный обмен НК с ВС осуществляется по каналам «воздух-земля» в ОВЧ диапазоне. Радиосигналы ОВЧ диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Антенны на ВС и НК всенаправленные - для удобства обеспечения связи при движении ВС. В этой системе во время движения ВС, 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 ВС, хранящимися в памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса ВС с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВС и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ВС. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ВС или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи определяется программно одно из ВС, которое назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ВС определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному ВС. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го воздушного судна, может быть доставлено N-му ВС. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВС, назначенного ретранслятором, и адреса ВС, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ВС сообщения в блоке анализа типа сообщений анализируются. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления ВС или ретрансляции их на соседнее ВС. В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов, с НК осуществляется адресный опрос ВС путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ВС после прохождения через бортовые антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВС. 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 ВС. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных. 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 ВС. Принятые наземным комплексом навигационные сообщения от всех ВС обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
К недостаткам представленного КБСЦС следует отнести искажение параметров и формы радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте, что приводит к снижению достоверности передачи информации.
Известен КБСЦС [4, Рис. 5.10, с. 175], который работает следующим образом. Во время движения воздушные суда, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными о местоположении, параметрах движения ВС и состоянии его датчиков с наземным комплексом в ОВЧ диапазоне, а за его пределами - в ВЧ диапазоне. В блоке управления решаются задачи: приема-передачи и обработки сигналов с наземного комплекса. Каждый из ВС выходит на связь на нескольких рабочих частотах ВЧ и ОВЧ диапазонов, известных всем участникам движения. В этом случае в блоке управления осуществляются операции оценки достоверности данных, принимаемых на ВС по ВЧ и ОВЧ каналам. Управление приемопередатчиками ОВЧ диапазона осуществляется с блока управления, а приемопередатчиками ВЧ диапазона - с панели дистанционного управления.
Распределение сигналов между приемопередатчиками, работающими в режимах «Речь», «Данные», осуществляется в блоке переключения интерфейсов с помощью сигналов, передаваемых с блока управления по шине управления.
Блок управления прототипа обеспечивает управление коммутацией сигналов через блок переключения интерфейсов и установкой рабочих режимов приемопередатчиков ОВЧ диапазона и обмен по каналу «борт-земля-борт» пилотажно-навигационной, эксплуатационно-технической, метео- и коммерческой информацией. Через блок управления осуществляется переключение режимов работы «Речь-Данные» и «Прием-Передача» соответствующего приемопередатчика ОВЧ диапазона. В ответ на достоверно принятое сообщение в блоке управления формируется соответствующий символ в позиции технического подтверждения/неподтверждения приема сообщения. В блоке управления для режима ACARS осуществляются операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования дискретных сообщений и другие.
В обычном режиме с беспомеховой обстановкой с НК осуществляется адресный опрос ВС путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. На ВС радиосигналы через антенны, приемопередатчики, блок переключения интерфейсов поступают в блок управления, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВС. Далее служебная часть сообщения дешифрируется для определения режима работы аппаратуры комплекса. Информационная часть сообщения после проверки ее достоверности используется в вычислительной системе самолетовождения (ВСС).
В зависимости от числа воздушных судов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в комплексе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями. Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче несколькими ВС, в блоке управления осуществляется контроль несущей при воздействии на приемопередатчики преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с ВС передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь воздушных судов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в блоке управления формируется псевдослучайная задержка передачи сообщений от воздушных судов - для каждого ВС своя.
Если воздушные суда сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные ВС в ОВЧ диапазоне о начале цикла передачи данных и случайным образом распределяют передаваемые сообщения. В каждом блоке управления оценивают уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале. Затем воздушное судно начинает передачу собственного пакета данных. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК сообщений о местоположении ВС в блоке управления в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВС.
Известен КБСЦС [5], который состоит из блока переключения интерфейсов, подключенного двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона, первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона. Шина управления блока управления подключена к входу блока переключения интерфейсов. Модулятор-демодулятор (модем), соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами блока управления и блока переключения интерфейсов. Частотно-разделительное устройство ВЧ диапазона, подключено двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона и антенне ВЧ диапазона. Частотно-разделительное устройство ОВЧ диапазона, подключено двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона и антенне ОВЧ диапазона. Первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом. Второй выход управления блока переключения соединен с входом первого приемопередатчика ОВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения - с входом частотно-разделительного устройства ОВЧ диапазона, четвертый выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ОВЧ диапазона, пятый выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, шестой выход управления блока переключения интерфейсов - с входом частотно-разделительного устройства ВЧ диапазона, седьмой выход управления блока переключения - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона. Вход/выход пульта управления и индикации связан с соответствующим входом/выходом блока управления. Низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса. Низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса.
Однако аналогу присущи недостатки: искажение параметров и формы радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте, что приводит к снижению достоверности передачи информации.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является комплекс бортовых средств цифровой по патенту РФ №2635388 [6], который и принят за прототип. Комплекс бортовых средств цифровой связи содержит блок переключения интерфейсов, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона, шину управления блока управления, подключенную к входу блока переключения интерфейсов, модулятор-демодулятор (модем), соединенный двухсторонними связями блока переключения интерфейсов, первую и вторую антенны ВЧ диапазона. Первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом, второй выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона, вход/выход пульта управления и индикации связан с соответствующим входом/выходом блока управления, низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса. Низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса. Первая и вторая антенны ВЧ диапазона подключены к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона соответственно. Вычислительное устройство ВЧ диапазона, подключено двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов, а вычислительное устройство ОВЧ диапазона - соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов. При этом первая и вторая антенны ВЧ диапазона подключены к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона соответственно, а первая и вторая антенны ОВЧ диапазона - к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона соответственно.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- искажение параметров и формы радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте, что приводит к снижению достоверности передачи информации;
- низкая электромагнитная совместимость средств связи в комплексе из-за скопления в одном месте приемников, радиочастотных кабелей и мощных передатчиков ОВЧ диапазона;
- наличие двух вычислительных устройств, выполняющих одинаковые функции избыточно для одного комплекса;
- обеспечивается возможность передачи и приема сигналов ВЧ и ОВЧ диапазонов;
- при выполнении самолетом маневров могут наблюдаться явления затенения направления связи, что приводит к потере передаваемых данных.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение достоверности передачи информации за счет исключения искажения параметров и формы радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерных трактах и улучшения электромагнитной совместимости средств связи комплекса, работа не только в ВЧ и ОВЧ, но и в УВЧ диапазоне.
Указанный технический результат достигается тем, что в комплекс бортовых средств цифровой связи, содержащий блок управления и блок переключения интерфейсов, соединенные между собой двухсторонними связями, шину управления блока управления, подключенную к входу блока переключения интерфейсов, первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона, связанные с блоком переключения интерфейсов двухсторонними связями, первую и вторую антенны ВЧ диапазона, подключенные к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона соответственно, модем, соединенный двухсторонней связью с блоком переключения интерфейсов, пульт управления и индикации, вход/выход которого связан с соответствующим входом/выходом блока управления, вычислительное устройство, подключенное двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов, первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом, второй выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона, низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса, низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса, дополнительно введены первый лазер, первый оптический детектор, первый оптический модулятор, синтезатор частот и четыре радиофотонных приемопередающих модуля, при этом четыре выхода вычислительного устройства по шинам управления высокочастотными коммутаторами подключены к управляющим входам четырех радиофотонных приемопередающих модулей соответственной, модулируемый вход первого оптического модулятора соединен с выходом первого лазера, модулируемый вход модема через синтезатор частот подключен к управляющему выходу вычислительного устройства, выход модема через последовательно соединенные первый оптический модулятор, первый, второй оптические ответвители подключен к оптическому входу/выходу каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, вход модема через последовательно соединенные первый оптический детектор, первый и второй оптические ответвители подключены к оптическому выходу/выходу каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, при этом каждый радиофотонный приемопередающий модуль содержит n параллельных ветвей, где n не менее трех, а каждая из n параллельных ветвей состоит из последовательного соединенных второго оптического детектора, усилителя мощности, высокочастотного коммутатора, подключенного к антенному вибратору, малошумящего усилителя, второго оптического модулятора, второй вход которого подключен к второму лазеру, а второй вход высокочастотного коммутатора подключен к шине для управления высокочастотным коммутатором сигналами с выхода вычислительного устройства, при этом каждый из n вторых оптических детекторов и n вторых оптических модуляторов через последовательно соединенные третий и четвертый оптические ответвители подключены к оптическому входу/выходу радиофотонного приемопередающего модуля, в который они входят, а n антенных вибраторов составляют фазированную антенную решетку ОВЧ и УВЧ диапазонов радиофотонного приемопередающего модуля, в который они входят, причем диаграммы направленности четырех радиофотонных приемопередающих модулей смещены относительно друг друга на 90°.
На фигуре представлен комплекс бортовых средств цифровой связи (далее по тексту комплекс), где обозначено:
1 - блок управления;
2 - блок переключения интерфейсов;
3 и 4 - первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона;
5 - первый лазер;
6 - первый оптический модулятор;
7 - шина управления блока управления;
8 - первая антенна ВЧ диапазона;
9 - вторая антенна ВЧ диапазона;
10 - первый оптический детектор;
11 - синтезатор частот;
12 - модем (модулятор-демодулятор);
13 - низкочастотный вход/выход блока управления;
14 - низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов;
15 - пульт управления и индикации (ПУИ);
16 - радиофотонный приемопередающий модуль;
17 - вычислительное устройство;
18 - усилитель мощности;
19 - высокочастотный коммутатор;
20 - антенный вибратор;
21 - второй оптический детектор;
22 - второй лазер;
23 - второй оптический модулятор;
24 - малошумящий усилитель (МШУ);
25 - шина управления высокочастотными коммутаторами;
26 - первый оптический ответвитель;
27 - второй оптический ответвитель;
28 - третий оптический ответвитель;
29 - четвертый оптический ответвитель;
30 - фазированная антенная решетка (ФАР) ОВЧ и УВЧ диапазонов.
Вспомогательные элементы электропитания, контроля, записи и хранения информации и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурную схему комплекса.
Сущность изобретения заключается в том, что для исключения потенциально конфликтных ситуаций в полете и в аэродромной зоне необходимы высоко надежные радиоканалы ОВЧ и УВЧ диапазонов. Поэтому для повышение достоверности передачи информации искажающие параметры и форму радиосигналов радиочастотные кабели в антенно-фидерных трактах заменяются широкополосными неискажающими волоконно-оптическими системами, зона связи разделяется на четыре сектора, в которых имеются свои приемопередающие устройства и фазированная антенная решетка ОВЧ и УВЧ диапазонов, позволяющая за счет коэффициента усиления диаграммы направленности антенны повысить энергетический потенциал линии связи на 6 дБ. Удаление синтезатора от приемопередающих устройств ОВЧ и УВЧ диапазонов уменьшает наводимые на него напряжения и тем самым улучшает электромагнитную совместимость средств связи комплекса.
Комплекс работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты, на которые установлен комплекс, например воздушные суда, находящиеся в пределах радиогоризонта (оптической видимости), обмениваются данными о местоположении, параметрах движения и состоянии их датчиков между собой и с наземным комплексом в ОВЧ и УВЧ диапазонах. В блоке 1 управления совместно с вычислительным устройством 17, в котором выполняются процедуры формирования, приема и обработки радиосигналов ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазонов, блоком 2 переключения интерфейсов, модемом 12 решаются задачи приема-передачи и обработки сигналов с одного или нескольких абонентов. Принятые данные обрабатываются в модеме 12 по команде с вычислительного устройства 17. Если сообщение предназначено для данного комплекса подвижного объекта, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 13 блока 1 управления, например, на вычислительную систему самолетовождения, не указанную на фигуре. При приеме известными способами [5, 7, 8] в устройствах 1 и 17 проверяют достоверность передачи информации. Полученную оценку передают в обратном направлении на вызывающего абонента. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) комплекса запоминаются в блоке 1 управления для дальнейшего использования в процессе связи.
При передаче с ПО приоритетных сообщений в соответствии с принятыми категориями срочности в блоке 1 управления в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных на выбранный ПО с учетом времени его реакции на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов в вычислительном устройстве 17. Остальные, менее приоритетные сообщения, в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В блоке 1 управления 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 при беспомеховой обстановке в ВЧ диапазоне с НК осуществляется адресный опрос комплексов ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. На ПО радиосигналы ВЧ диапазона через антенны 8 и 9, приемопередатчики 3 или 4, блок 2 переключения интерфейсов, модем 12 поступают вновь в устройство 17, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом КБСЦС ПО, анализируется отношение сигнал/шум в радиоканалах, выбирается лучший на данный момент времени (позволяющий обеспечить наивысшую скорость передачи информации), о чем сообщается вызывающему абоненту и со следующего сеанса связи обмен сообщениями осуществляется на оптимальной частоте. Далее служебная часть сообщения дешифрируется для определения режима работы аппаратуры комплекса и ПО. Информационная часть сообщения после проверки ее достоверности поступает на ПУИ 15 для отображения и по шине 13 на вычислительную систему подвижного объекта.
Радиосигналы ОВЧ и УВЧ диапазонов проходя через параллельно соединенные n вибраторов 20 одной из четырех ФАР 30, n МШУ 24 преобразуются в оптические сигналы в n вторых оптических модуляторах 23, в качестве несущей частоты в которых используется излучение длиной волны λ1 с n вторых лазеров 22. Затем оптические сигналы, пройдя последовательно через n четвертых 29 и n третьих 28 оптических ответвителей, второй 27 и первый 26 оптические ответвители, в фотодетекторе 10 преобразуются в радиосигналы, демодулируются в модеме 12 и через блок 2 переключения интерфейсов поступают в вычислительное устройство 17, где осуществляются операции, аналогичные рассмотренным выше в канале обработки радиосигналов ВЧ диапазона. Число антенных вибраторов 20 и расстояние между ними в каждой из четырех ФАР 30 выбирается из условия обеспечения ширины диаграммы направленности антенны 90° и минимума уровня ее боковых лепестков, поэтому число антенных вибраторов 20 не должно быть меньше трех. Управление режимами «Прием-Передача» осуществляется с помощью передачи с вычислительного устройства 17 по шине 25 команды управления на модем 12.
1
2
Разделение оптических сигналов по направлениям осуществляется по частотному признаку, например, можно использовать серийные лазеры, излучающие потоки оптического диапазона с λ=1,3 нм, λ=1,55 нм и фотодетекторы, работающие в соответствующих диапазонах.
2
При наличии сигнала с адресом вызываемого абонента по шинам 13 или 14, набранного на ПУИ 15 или сформированного вычислительным устройством 17 ответа на запрос с другого комплекса или НК, после маршрутизации в блоке 2 модемом 12 формируется радиосигнал требуемой рабочей частоты. Частота задается синтезатором 11, управляемым вычислительным устройством 17 или с ПУИ 15 через блоки 1, 2, 17. Затем радиосигналы преобразуются в оптические сигналы в первом оптическом модуляторе 6, в качестве несущей частоты в которых используется излучение длиной волны λ первого лазера 5, после чего, пройдя последовательно первый 26 и второй 27 оптические ответвители, n третьих 28 и четвертых 29 оптических ответвителей, в вторых фотодетекторах 21 преобразуются в радиосигналы, усиливаются в усилителях мощности 18 и через n вибраторов 20 излучаются в пространство с той ФАР 30, диаграмма направленности которой охватывает местоположение выбранного для связи абонента. Координаты и адреса абонентов известны участникам движения из сообщений, регулярно передаваемых ими в эфир. Световоды в ответвителях 28 имеют разную длину и представляют собой многоотводную линию задержки, используемую для формирования диаграммы направленности ФАР временным методом.
При наличии в ВЧ диапазоне помех, например, по величине отношения сигнал/шум, которые могут быть обнаружены с помощью устройства 17, в котором осуществляется обработка двух радиосигналов, принимаемых одновременно двумя антеннами 8 и 9, двумя цифровыми приемниками приемопередатчиков 3 и 4, в которые могут входить, например, два преселектора и два АЦП, трансформирующие принятые сигнально-помеховые смеси, например, по технологии «программируемое радио» - SDR, в поток данных для реализации алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с помощью вычислительного устройства 17, выполненного, например, на сигнальном процессоре типа TMS320C6678 [9 радел 2, рис. 2.22, 2.23]. В вычислительном устройстве 17 производится фильтрационное разделение сигналов и сдвиг квадратур на нулевую частоту каждого из них. Пары квадратур сигналов суммируются таким образом, чтобы колебания полезного сигнала складывались, а помеховые колебания вычитались за счет формирования нулей диаграммы направленности в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисляются весовые коэффициенты, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализуются заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех, вводятся (при необходимости) временные задержки в каждый канал пространственного разнесения и осуществляется взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов. После суммирования получают выходной сигнал, который далее демодулируется в модеме 12, декодируется в вычислительном устройстве 17 и через блоки 2 и 1 поступает на шины 13 или 14 и в ПУИ 15 для отображения. В вычислительном устройстве 17 сигналы дополнительно обрабатываются с помощью соответствующих программ, обеспечивающих, например, выделение тактовой синхронизации, решаются задачи оценки достоверности принятой информации, качества канала связи и при необходимости формируются посылки запроса на повторение передачи недостоверного сообщения. Переключение частот и режимов работы приемопередатчиков 3 и 4, модема 12, синтезатора 11 осуществляется блоком 1, управляемого через блок 2 вычислительным устройством 17.
Установка известных всем абонентам начальных частот и режимов работы в память вычислительного устройства 17 осуществляется с входа-выхода 13 через последовательно соединенные блоки 1 и 2 или по шине 14 через блок 2.
Передаваемое сообщение через блоки 1 и 2 или по шине 14 и через блок 2 поступают в вычислительное устройство 17 независимо от местонахождения НК, в зоне прямой (оптической) видимости или за радиогоризонтом. Для этого используется многоканальный (как минимум двух) модем 12, управляемый с помощью вычислительного устройства 17, в котором сообщения разделяют на блоки (кадры). Каждый кадр кодируется, например, для исправления ошибок, в начале кадра формируются заголовочные сообщения, которые синхронизируют процедуры обмена информацией. После преобразования сигналов в цифровой вид осуществляются операции кодирования и далее - превращения в радиосигнал ВЧ диапазона в модуляторе 12 и, после фильтрации в передающей части соответствующего приемопередатчика 3 или 4 для уменьшения уровня боковых лепестков в спектре передаваемого радиосигнала и усиления, радиосигнал подается на одну из антенн 8 или 9 для излучения в пространство. В зависимости от числа передаваемых сигналов и других требований КБСЦС может излучать одновременно на трех частотах.
При отсутствии сведений об углах прихода помехи в вычислительном устройстве 17 осуществляется операция оценки весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания по входным процессам и реализация заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех с помощью пространственно-временной обработки сигналов, которая включает в себя не только сложение сигналов с разных антенн, но и введение (при необходимости) линий задержки в каждую приемную часть пространственного разнесения, построенных, например, на трансверсальных фильтрах, и дополнительного взвешенного суммирования задержанных сигналов.
Кроме того, блок 1 управления обеспечивает:
- обмен данными при работе в сетях цифровой связи подвижного объекта совместно с блоками 16, 28, 27, 26,10, 6 и 5, 12, 2, 17, 1, 15, например, для авиационных абонентов [5, 10, 11, 12] ОВЧ диапазона - в соответствии с требованиями ARINC 618, 620, 622;
- обмен по каналу «воздух-земля-воздух» пилотажно-навигационной, эксплуатационно-технической, метео- и коммерческой информацией;
- взаимодействие по шинам 13 и 14 через бортовую вычислительную систему объекта с бортовым радиоэлектронным оборудованием;
- реализацию предусмотренных на объекте процедур, например, автоматического зависимого наблюдения по контракту, по запросу, по событию в соответствии с Приложением УВД: «Связь пилот-диспетчер по линии передачи данных (CPDLC)» и отображение соответствующей информации на ПУИ 15;
- автоматическое получение, отображение на ПУИ 15, хранение на время полета сообщений от вычислительных средств объекта о времени событий, например, «взлет-посадка-убытие-прибытие»;
- автоматический ввод и хранение идентификационных данных подвижного объекта;
- контроль состояния аппаратуры комплекса в полете и на земле с точностью до конструктивно-съемного блока;
- переключение через блок 2 режимов работы «Прием-Передача» приемопередатчиков ВЧ диапазонов, например, путем подачи дискретного сигнала «Разовая команда» на линию управления «Тангента» - наличие сигнала переключает приемопередатчик на работу в режиме «Передача», а отсутствие сигнала - на работу в режиме «Прием»;
- формирование соответствующего символа в позиции технического подтверждения/неподтверждения приема сообщения.
При выходе за пределы радиогоризонта от обслуживающего НК или выбранного для связи ПО, оцениваемого, например, с помощью сигналов с выхода приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем [13], входящих в вычислительную систему ПО, в блоке 1 управления осуществляется переход на передачу (прием) данных на приемопередатчики 3 или 4 ВЧ диапазона. В этом случае обеспечиваются операции жесткого закрепления за каждым из подвижных объектов набора из нескольких рабочих частот, на которых ему разрешено работать, адаптивного выбора рабочей частоты из списка разрешенных, многостанционного доступа к каналу связи с временным разделением в режиме случайного и резервированного доступа, обмена данными с подвижными объектами или территориально разнесенными наземными комплексами, объединенными с помощью наземной сети передачи данных в единую систему.
Для увеличения дальности устойчивой связи с подвижным объектом, находящимися за пределами прямой видимости, при использовании приемопередатчиков 3 и 4 ВЧ диапазона в комплексе используются следующие известные технологии [4, 12, 14]:
- стандартизация пакетного обмена данными на всех уровнях модели взаимодействия открытых систем;
- адаптация бортовых узлов линии радиосвязи к изменению условий распространения радиоволн по частоте и по пространственному разнесению;
- автоматизация процедур составления и разрыва линии связи с подвижным объектом;
- динамическое управление частотой при приеме более мощного из нескольких радиосигналов;
- корректирующие коды и методы решающей обратной связи при приеме сообщений с компенсацией задержки, многолучевости, сосредоточенных по спектру помех, доплеровских сдвигов частоты;
- привязка всех абонентов системы к единому глобальному времени;
- адаптация аппаратуры комплекса по скорости передачи данных, виду модуляции и кодирования.
При работе комплекса в ВЧ диапазоне одновременно с несколькими НК на подвижном объекте определяется наземный комплекс, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В вычислительном устройстве 17 хранятся предварительно заложенные таблицы со списками наземных комплексов и наборами назначенных им частот, а также координаты всех НК. Каждый НК периодически излучает сигналы управления/синхронизации/связи на всех назначенных ему частотах. Для установления линии связи с НК в вычислительном устройстве 17 автоматически анализируются принимаемые сигналы управления/синхронизации/связи от всех наземных комплексов на всех частотах и выбираются лучшие частоты, например, по отношению сигнал/помеха или величине мощности принимаемого сигнала и наземные комплексы, реализующие известные способы адаптации по частоте и пространству. По измеренному отношению сигнал/помеха в блоке 1 управления выбирается скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения сигнал/помеха осуществляется каждый раз при приеме информационного сообщения или сигнала управления/синхронизации/связи. Эта величина сообщается на противоположную сторону в виде рекомендуемой скорости передачи данных. В блоке 1 управления при работе через блок 2 переключения интерфейсов на приемопередатчик 3 или 4 ВЧ диапазона могут быть использованы известные алгоритмы, например, высокоскоростных адаптивных модемов, рассчитанных на работу в каналах с многолучевостью [14]. Для повышения достоверности приема информации может быть использован помехоустойчивый код, например циклический.
Таким образом, каждый из подвижных объектов может выходить на связь на нескольких рабочих частотах, известных всем участникам движения. В зависимости от важности объекта их число может быть от 1 до 3 одновременно. Списки выделенных частот меняются в зависимости от времени года, с учетом сезонных ионосферных изменений. При движении ПО выходит на связь, выбирая для связи тот НК, условия распространения радиоволн для связи с которым в данный момент времени являются оптимальными. При этом совсем не обязательно, чтобы выбранный НК был ближайшим.
В результате анализа состояния и загрузки каналов ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазонов радиосвязи в блоке 1 управления и выбора лучшего из них 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 ОВЧ и УВЧ диапазонов при одновременной передаче несколькими объектами, в блоке 1 управления может осуществляться, например, контроль несущей при воздействии на приемопередатчики преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с объекта передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того, чтобы разнести во времени моменты выхода на связь подвижных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в блоке 1 управления может формироваться, например, псевдослучайная задержка передачи сообщений от подвижных объектов - для каждого объекта своя. При работе комплекса в сети связи сообщение ВЧ диапазона передается в выделенном интервале времени.
Если подвижные объекты сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные объекты в ОВЧ и УВЧ диапазонах о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом или в выделенных им временных слотах (при работе в ВЧ диапазоне) распределяют передаваемые сообщения. В каждом блоке 1 управления по данным вычислительного устройства 17 оценивают уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале и импульсы синхронизации для выбора интервалов передачи. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью объект начинает передачу собственного пакета данных. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи сообщений о местоположении подвижного объекта в блоке 1 управления в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат объекта.
В модеме 12 осуществляются известные операции модуляции и демодуляции, дискретных сообщений и другие, а процедуры кодирования и декодирования - в вычислительном устройстве 17 [4, 8, 12, 15].
Блок 2 переключения интерфейсов выполняет функции бортового маршрутизатора автоматической сети обмена данными. Узлы 1, 2 комплекса для повышения надежности связи могут быть зарезервированы. Тогда каждый блок 1 управляет работой соответствующего блока 2 переключения интерфейсов. При выходе из строя основной пары блоков 1 и 2 подключаются к работе соответствующие резервные блоки 1 и 2.
Проводные связи в комплексе для повышения помехоустойчивости и выполнения требований по электромагнитной совместимости на борту могут быть заменены высокоскоростной информационной шиной, например, обеспечивающей выполнение требований протоколов информационного обмена по ARINC 664 или ARINC 429 [14, 15, 16].
В состав радиофотонных приемопередающих модулей 16 входят взаимосвязанные оптические и радиоэлектронные узлы: 18-23, 28-30, размещаемые вблизи поверхности подвижного объекта и соединенные с узлами 6 и 10 с помощью световодов.
Приемопередатчики 3 и 4 КБСЦС при построении по технологии «программируемое радио» аналогичны по назначению, структуре и различаются только по программному обеспечению.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и программное обеспечение заявляемого КБСЦС. Узлы 1-4, 8, 9, 12, 15, 17 и шины 7, 13, 14 одинаковые с прототипом. Оборудование, реализующее функции узлов 5, 6, 10, 11, 18-24 выпускается в виде опытных образцов и серийно [17]. Оптические ответвители собираются из световодов методом сварки световодов определенной длины [17]. Приемопередатчики 3 и 4 могут быть выполнены, например, на изделии «Барс-МА», блок 1 управления - на изделии «Брик», модем 12 - на сигнальном процессоре, антенны 8, 9 и вибраторы 20 - на изделиях АКШВ-324 и АСВ-МВ2 соответственно. Узлы комплекса могут быть выполнены и на других серийных устройствах [9, 10, 12]. Блок 2 переключения интерфейсов может быть выполнен, например, на управляемых коммутаторах, конструктивно размещаемых в блоке 1 управления или в приемопередатчиках 3 и 4, устройство 17 - на серийных ЭВМ или сигнальных процессорах. Высокочастотный коммутатор 19 может быть реализован на серийных p-u-n диодах.
Предлагаемый комплекс позволяет обеспечить:
- адаптивное понижение технической скорости с помощью устройства 17 в зависимости от сигнально-помеховой обстановки в условиях интенсивных помех с переходом на повышенную мощность передаваемого радиосигнала и более сложную сигнально-кодовую конструкцию с исправлением ошибок;
- адаптивное перераспределение потока переспросов за счет использования в устройстве 17 процедур, характерных для систем передачи данных с решающей обратной связью;
- обнаружение и индикация на ПУИ 15 наличия помех и определение их направления.
Таким образом, настоящее изобретение в случае отсутствия помех обеспечивает адаптивную радиосвязь на частотах, позволяющих передавать информацию с максимальной на данный момент времени скоростью передачи при минимальном уровне сигнала, а в случае наличия помех - определяет их присутствие, подключает процедуру защиты от помех. В результате этого с помощью вычислительного устройства 17 осуществляется выделение сигнала из смеси его с помехой за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антеннах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (из-за проявления пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разнесенные антенны, формирования нулей в направлении углов прихода помеховых радиоволн, которые фиксируются на ПУИ 15, с сохранением конечного коэффициента усиления в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисление весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализация заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех. Введение (при необходимости) временных задержек в цепочку пространственного разнесения и взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов позволяют получить выходной сигнал с максимально возможной на данный момент времени скоростью передачи при существующем уровне помех.
Повышение достоверности передачи информации обеспечивается за счет:
- исключения искажения параметров и формы радиосигналов из-за использования в антенно-фидерных трактах широкополосных волоконно-оптических линий связи с равномерной в полосе рабочих частот амплитудно-частотной характеристикой и линейной фазово-частотной характеристикой;
- улучшения электромагнитной совместимости средств связи комплекса из-за использования в антенно-фидерных трактах волоконно-оптических линий связи, не чувствительных к электромагнитным помехам и уменьшения мощности усилителей 18, расположенных вблизи вибраторов 20;
- одновременной работы четырех радиофотонных приемопередающих модулей 16 и ФАР 30, диаграммы направленности которых смещены относительно друг друга на 90°, явления затенения направления связи при выполнении самолетом маневров будет отсутствовать;
- размещения синтезатора 11 в гермозоне (вблизи кабины экипажа) и удаление его от усилителей мощности, поддержания вокруг него постоянной средней температуры окружающей среды, что позволяет уменьшить побочные составляющие спектра радиосигналов и уровень фазовых шумов.
Литература:
1. В.В. Бочкарев, Г.А. Крыжановский, Н.Н. Сухих. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта. М.: Транспорт, 1999. 319 с.
2. АС №1401626, М. кл. H04B 7/26, H04L 27/00, БИ №21, 1988.
3. Патент РФ №44907 U1, М. кл. H04B 7/00, 2005.
4. Б.И. Кузьмин Сети и системы цифровой электросвязи, часть 2. Международная авиационная телекоммуникационная сеть ATN. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 2000, 286 с.
5. Патент РФ №2319304.
6. Патент РФ №2635388 (прототип).
7. Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для ВУЗов / И.М.Тепляков и др. Под ред. И.М.Теплякова. - М.: Радио и связь, 1982.
8. К.Ли. Уильям. Техника подвижных систем связи. - М.: Радио и связь, 1985, 391 с.
9. В.А. Березовский, И.В. Дулькейт, O.K. Савицкий. Современная декаметровая радиосвязь. Оборудование, системы и комплексы. М.: / Радиотехника, 2011, - 444 с.
10. Н.А. Голованов, В.В. Казаков, А.Д. Киселев. Интернациональная авионика на борту АН-148. // Мир авионики, 2005, №2. С. 44-47.
11. Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.
12. А.В. Кейстович, А.В. Комяков. Системы и техника радиосвязи в авиации: учеб. пособие /- Нижний Новгород: НГТУ, 2012. - 236 с.
13. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
14. 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.
15. К.Э. Эрглис. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 256 с.
16. А.А. Мячев. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.
17. Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение. - М.: Фирма АКТИОН, 2011. - 427 с.