СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Полезная модель относится к системам обмена данными и может быть использована для реализации информационного обмена между источниками (получателями) информации, расположенными на воздушных подвижных объектах (ПО), и получателями (источниками) информации, расположенными на земле, через наземные комплексы (НК).
В системе радиосвязи с подвижными объектами [1], во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом связи. Принимаемые наземным комплексом связи из канала «Воздух - Земля» сообщения через аппаратуру передачи данных (АПД) поступают в вычислитель автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора связи на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена, производится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных объектов, хранящимися в его памяти. При совпадении адреса подвижного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения непрерывной радиосвязи со всеми N ПО. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяют программно один из ПО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ПО определяют оптимальные пути доставки сообщений к удаленному от НК за радиогоризонт ПО. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) ПО, может быть доставлено N-му ПО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладывают номер ПО, назначенного ретранслятором, и адреса воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО сообщения анализируют в блоке анализа типа сообщений. После анализа решают вопрос о направлении данных по двунаправленной шине в систему управления подвижного объекта или ретрансляции их на соседний ПО.
В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов с НК, осуществляют адресный опрос ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображают на мониторе АРМ. На ПО после прохождения через антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал подают в бортовой вычислитель, где производят идентификацию принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного объекта. Далее сообщение передают в блок анализа типа ретранслируемого сообщения, где производят дешифрацию полученного заголовка (служебной части) сообщения и определяют, в каком режиме должна работать аппаратура ПО. Информационную часть сообщения записывают в память бортового вычислителя и при необходимости выводят на экран блока регистрации данных.
Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу «оператор-пилот» (CPDLC) 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 осуществляют на блоке регистрации данных ПО и мониторе АРМ НК соответственно.
Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS записывают в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используют для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ПО обрабатывают в вычислителе и выводят на экран монитора АРМ.
Однако указанной выше системе присущи следующие недостатки:
- радиус зоны информационного обслуживания, обеспечиваемый НК, ограничен радиусом прямой радиовидимости (R) (200-300 км), когда на НК зарегистрирован только один ПО. С двумя зарегистрированными ПО зона обеспечения связью может быть расширена в 2 раза (до 2R) за счет ретрансляции «Воздух-Воздух» только при условии, что первый ПО остается в поле прямой видимости НК, а второй ПО находится в поле видимости первого ПО. В частном случае, радиус зоны управления НК может быть расширен до NR, если N ПО регистрировались последовательно в зоне прямой видимости НК и постепенно удалялись за
пределы видимости, но между любыми двумя соседними ПО расстояние не превышает R, что позволяет осуществить последовательную ретрансляцию сообщения через (N-1) ПО. Такая ситуация является маловероятной. Гарантированная же зона обслуживания НК имеет радиус, равный прямой радиовидимости R;
- интенсивность обмена данными при ретрансляции сообщений через N-1 ПО возрастает в (N-1) раз, что ведет к возрастанию вероятности коллизий из-за случайного доступа в сети обмена, не эффективному использованию пропускной способности канала связи, его перегрузке, что может явиться причиной недопустимо больших задержек передачи сообщений;
- низкая аппаратурная надежность бортовых радиостанций, приемопередатчики которых, выходят из строя, в основном, в полете, приводит к низкой надежности связи в канале «Воздух-Земля».
Наиболее близкой по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [2], которая принята за прототип. Она отличается от упомянутой выше системы тем, что в ней дополнительно введены наземные и бортовые антенны и радиостанции ДКМВ дальней связи. В результате размер зоны гарантированного управления (связи) НК не ограничивается радиусом прямой радиовидимости R.
Система радиосвязи с подвижными объектами [2] имеет в своем составе N подвижных объектов, связанных каналами MB радиосвязи «Воздух-Воздух» между собой, связанных каналами MB радиосвязи «Воздух-Земля» и каналами ДКМВ радиосвязи «Воздух-Земля» с М территориально разнесенными наземными комплексами, которые соединены между собой и с соответствующими диспетчерскими пунктами управления воздушным движением и авиалиниями через систему наземной связи.
В состав наземного комплекса связи входят наземные антенны MB и ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с радиостанциями MB и ДКМВ диапазонов, подключенными двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), второй вход/выход которого подключен к управляющему входу радиостанции ДКМВ, третий вход/выход подключен к входу/выходу наземной системы связи, первый вход подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС/GPS), второй вход подключен к пульту управления АРМ, третий вход -к формирователю типа ретранслируемых сообщений, а выход - к монитору АРМ.
Подвижный объект оснащен бортовым комплексом связи, в состав которого входят бортовые антенны MB и ДКМВ диапазонов, подключенные к радиостанциям MB и ДКМВ диапазонов, соответственно, которые соединены двухсторонними связями через бортовую аппаратуру передачи данных с первым входом/выходом бортового вычислителя, второй вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, третий вход/выход - к анализатору типа принимаемых сообщений, четвертый вход/выход - к управляющему входу/выходу радиостанции ДКМВ, входы - к бортовым датчикам, формирователю типа ретранслируемых сообщений, приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, выход - к блоку регистрации данных.
Система радиосвязи с подвижными объектами [2] обеспечивает обмен пакетами данных между бортовыми пользователями упомянутой системы (системой управления ПО) и наземными конечными пользователями системы радиосвязи, например, диспетчерскими пунктами (ДП) управления воздушным движением (УВД) и оперативного авиационного контроля (OAK).
Передачу данных в MB диапазоне с НК обеспечивают по цепочке последовательно соединенных первого ПО, второго ПО и далее до N-го ПО, а передачу данных с N-го ПО на НК осуществляют в обратном порядке. Наземную сеть передачи данных подключают двухсторонними интерфейсами к каждому из М разнесенных территориально НК. Таким образом, наземной сетью передачи данных по информационному взаимодействию объединяют между собой все НК и обеспечивают соединение каждого НК с наземными пользователями системы связи, например, ДП УВД И АОК.
Передачу данных «Воздух-Земля» в MB диапазоне между ПО и НК осуществляют на рабочей частоте, назначаемой для каждого НК. Передачу данных «Воздух-Воздух» в MB диапазоне между ПО осуществляют на рабочей частоте «Воздух-Воздух». Список частотной поддержки MB связи, содержащий список М наземных комплексов НК с их адресами, координатами, назначенными им частотами, а также частотой связи «Воздух-Воздух», доводят по наземной сети передачи данных до каждого НК, а также во время предполетной подготовки до каждого ПО.
Передачу данных в ДКМВ диапазоне между ПО и НК осуществляют на рабочей частоте, назначаемой для каждого НК по результатам долгосрочного прогноза на каждые 2 часа. По долгосрочному прогнозу разрабатывают таблицу
частотно-временного расписания ДКМВ связи для каждого НК на сутки и доводят до НК по наземной сети передачи данных. Системную таблицу ДКМВ связи, содержащую список М наземных комплексов НК с их координатами, адресами и таблицами их частотно-временного расписания доводят до каждого ПО во время предполетной подготовки через наземную сеть передачи данных. Воздушное пространство разбивают на информационные районы полета (ИРП) размером 1000-1200 км. В каждом ИРП располагают, хотя бы один НК, ответственный за информационное обеспечение полетом. Связь с НК каждого ПО, находящегося в зоне ответственности данного НК, осуществляют в MB диапазоне или в ДКМВ диапазоне в зависимости от удаления ПО от НК. В зоне прямой радиовидимости (до 200-300 км) связь обеспечивают в MB диапазоне, за пределами прямой видимости, если не удается увеличить радиус зоны управления до 1000-1200 км с помощью ретрансляции по каналам «Воздух-Воздух» MB диапазона, связь организуют в ДКМВ диапазоне.
В ДКМВ диапазоне для передачи данных используют традиционные не адаптивные модемы с защитным интервалом для борьбы с многолучевостью, которые обеспечивают символьную скорость 75, 150, 300 Бод и скорость передачи данных пользователя, не превышающую 18, 37, 75 бит/с с учетом кодирования Рида-Соломона с четырехкратной избыточностью. Для ведения ДКМВ связи используют частоту из таблицы частотно-временного расписания НК, в зоне ответственности которого находится ПО.
Недостатки прототипа, на устранение которых направлена полезная модель, состоят в том, что в указанной системе радиосвязи с подвижными объектами имеют место:
- низкая аппаратурная надежность оборудования бортового комплекса, которое, в основном, во время полета выходит из строя, из-за отсутствия резервирования приводит к низкой надежности информационного обеспечения безопасности полетов;
- низкая надежность ДКМВ связи «Воздух-Земля», обусловленная тем, что существующая организация системы УВД в диапазоне ДКМВ, основанная в соответствии с регламентом связи на разбиении воздушного пространства на информационные районы полета (ИРП), обслуживаемые отдельными операторами связи, не использует возможности ДКМВ диапазона по дальнему распространению радиоволн. Размер зоны ответственности одной автоматизированной
системы управления воздушным движением (АС УВД) (одного оператора связи НК) традиционно ограничен 1000-1200 км. Внутри такой зоны распространение ДКМВ характеризуется большой (до 8 мс) многолучевостью (относительной задержкой между первым и последним лучами) и низкой энергетикой сигнала, поскольку из-за высокого требуемого угла подъема наземной антенны наиболее вероятным становится многоскачковое распространение радиоволн. Для ДКМВ диапазона наилучшей трассой в смысле максимума энергетики и минимума задержки многолучевости является односкачковая трасса протяженностью 2000 - 4000 км (в зависимости от частоты). Очень вероятны ситуации, когда на трассе в 6000 км качество сигнала значительно выше, чем на трассе до 1000 км. Пропаданий ДКМВ связи можно избежать, если ПО будет передавать донесение к наземным комплексам связи, расположенным значительно дальше. Но регламент не позволяет сделать это, а требует осуществлять связь ПО с конкретным наземным комплексом связи УВД внутри каждого ИРП. Надежность системы ДКМВ связи при этом серьезно деградирует. Поэтому можно сказать, что надежность ДКМВ связи в системе прототипе не превышает 70% из-за организации ДКМВ связи ПО с жесткой привязкой к зонам АС УВД без использования природы дальнего распространения ДКМВ радиоволн;
- низкие оперативность ДКМВ связи и эффективность использования ограниченного ДКМВ радиоспектра, обусловленные тем, что в прототипе используются традиционные не адаптивные модемы с защитным интервалом для борьбы с многолучевостью, которые обеспечивают символьную скорость 75, 150, 300 Бод и скорость передачи данных пользователя, не превышающую 18, 37, 75 бит/с с учетом кодирования. Типичное сообщение УВД или АОК, содержащее 256 байт (2048 бит) пользователя (8192 бит с учетом кодирования), передается за 109 с при скорости передачи, данных 75 бит/с, за 54,5 с - при 150 бит/с, за 27,25 с - при скорости передачи данных 300 бит/с. В ДКМВ системе связи с большой задержкой многолучевости, какой является система связи в зоне ответственности НК радиусом до 1000-1200 км, наиболее робастным режимом передачи данных для традиционных модемов является передача на скорости 75 Бод. При этом длительность символа составляет 13,33 мс, защитный интервал для борьбы с многолучевостью (равный трети длительности символа) составляет 4,4 мс, что позволяет работать в каналах с многолучевостью до 4,4 мс. При скорости передачи данных 75 бит/с канал связи занят одним сообщением в течение 109 секунд. Пропускная
способность одного канала составляет всего 33 сообщения в час. При интенсивности связного трафика УВД в ДКМВ канале [6] 11 сообщений с борта и 6 на борт в час (17 сообщений в час) на одном частотном канале можно обслужить не более двух ПО. Для обслуживания 500 ПО в системе связи потребуется как минимум 500/2=250 частотных каналов. Это очень большой частотный ресурс в сравнении с ресурсом, используемым системой передачи данных HFDL, которая, применяя адаптивные высокоскоростные модемы, обеспечивает передачу пакета сообщения из 256 байт за 2,47 секунды. Система HFDL также применяет переиспользование частотных каналов, когда один и тот же канал используется одновременно двумя наземными станциями, разделенными большими расстояниями в 8 частотных поясов, и эти станции не создают друг другу помех. Поэтому HFDL требует 48-60 ДКМВ частотных 3-кГц каналов одной боковой полосы (ОБП) для обслуживания 2500 воздушных судов (ВС), в то время как система связи с ПО (прототип) для обслуживания в ДКМВ диапазоне 2500 ВС потребует как минимум 1250 частотных каналов (в 20 раз больше);
- малый жизненный цикл бортовых радиостанций в условиях непрерывного повышения требований со стороны ИКАО к наращиванию функциональных возможностей систем связи, включенных в интегрированную систему связи, навигации, наблюдения для организации воздушного движения (CNS/ATM), обусловлен аппаратурным исполнением основных функций, включая частоты настройки радиосредств, полосы, спектральные маски фильтрации сигналов, физические уровни режимов передачи данных. Всякое новое требование к изменению функций или незначительная коррекция параметров вызывают необходимость аппаратурной и конструктивной переработки радиостанции, что дорого обходится как для разработчиков авионики, так и для ее эксплуатантов;
- проблемы организации связи «Воздух-Земля» при переходе ПО из зоны ответственности одной автоматизированной системы управления воздушным движением в зону другой АС УВД (от одного Оператора связи к другому), когда в разных зонах используются различные приложения УВД и АОК и различные реализующие их режимы передачи данных. Например, в одной зоне используется приложение CPDLC и оно реализуется в режиме передачи данных VDL-ACARS сигналами AM-MSK со скоростью 2400 бит/с, в другой зоне это же приложение реализуется в режиме передачи данных VDL-2 с услугами ISO 8208 сигналами D8PSK со скоростью 31500 бит/с, в третьей зоне реализуется приложение ADS-B
в режиме передачи данных VDL-4 сигналами GFSK со скоростью 19200 бит/с, в четвертой зоне используются режимы передачи данных VDL-4 и VDL-2 без услуг ISO 8208, в пятой используется HFDL с ISO 8208 и RLS и т.д.
Перечисленные недостатки системы радиосвязи с подвижными объектами [2] обуславливают ее низкие интероперабельность, цельность, транспарантность функций, качество обслуживания.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение:
- аппаратурной надежности бортового комплекса связи;
- интероперабельности системы радиосвязи с ПО в интересах ОрВД, т.е. способности обеспечивать передачу информации или функциональную взаимосвязь по каналу «Воздух-Земля» при переходе между зонами обслуживания, использующими разные режимы передачи данных, в целях обеспечения возможности полета. Интероперабельность связана с необходимостью обеспечить эффективную работу системы в рамках совокупности несопоставимых систем;
- цельности системы радиосвязи с ПО в интересах ОрВД - свойства, которое позволяет осуществлять автоматический переход подвижного объекта между любыми зонами обслуживания, который сточки зрения осуществляющего переход подвижного объекта не требует от него продуманного действия для управления этим переходом. Цельность в данном контексте означает автоматизацию перехода от одной системы ОрВД к другой, несопоставимой с ней по отдельным характеристикам;
- транспарантности функций (прозрачности) для пользователей за счет автоматизации, т.е. возможности использования ресурсов существующих систем, их интеграции в аэронавигационную структуру, наряду с вновь разработанными системами и новыми техническими решениями;
- качества обслуживания, обеспечиваемого системой радиосвязи с подвижными объектами (живучести, управляемости, масштабируемости, надежности системы связи «Воздух-Земля»).
Поставленная задача решается за счет:
- реализации бортовыми комплексами ПО и наземными комплексами с наземной системой связи процедур автоматического перехода ПО от одного НК к другому НК (процедуры «хэндофф»), например, с помощью алгоритмов,
определенных для каналов связи MB диапазона в документе RTCA DO-224A [14] (раздел 3.2.2.5.4.);
- программной реализации режимов передачи данных для устранения проблем обеспечения бортовым оборудованием требуемых режимов работы линий передачи данных «Воздух-Земля» при переходе подвижным объектом границ зон ответственности наземных комплексов разных операторов связи, использующих разные режимы обмена данными;
- реализации бортовыми комплексами ПО и наземными комплексами в ДКМВ диапазоне процедур автоматического составления канала с автовыбором рабочей частоты, адаптивных методов приема сообщений, многопараметрической адаптации радиолинии по частоте, скорости передачи данных, видам модуляции и кодирования по результатам оценки качества канала связи, комбинированного протокола множественного доступа к каналу связи с частотным и временным разделением с адаптивным управлением, осуществляемым наземным комплексом для гарантирования заданных системных характеристик, например, с помощью определенных в спецификации ARINC 635 [12], характеристике ARINC 753 [11] и Руководстве по ДКМВ линии передачи данных HFDL [6] для повышения надежности, оперативности, достоверности дальней ДКМВ связи, эффективности использования ограниченного ДКМВ спектра;
- построения бортового комплекса ПО на принципах интегрированной модульной авионики, определенных, например, в докладе ARINC 651 [8], спецификации ARINC 653-1 [9], документе RTCA DO-297 [7], с отказоустойчивыми режимами работы, предполагающими автоматические обнаружение, изоляцию неисправностей, реконфигурацию системы радиосвязи с ПО для восстановления работоспособности без прерывания нормального функционирования в полете, для повышения аппаратурной надежности радиосвязного оборудования подвижных объектов;
- построения бортового комплекса ПО на принципах «радио, задаваемого программой» (Software Definition Radio (SDR)), т.е. на принципах программного исполнения основных функций связной авионики, включая настройки частоты радиосредств, полосы, спектральной маски фильтрации сигналов, физические, канальные и сетевые уровни режимов передачи данных, для увеличения жизненного цикла бортового оборудования ПО в условиях непрерывного наращивания функциональных требований со стороны ИКАО к многорежимной работе каналов
передачи данных, сокращения затрат на модернизацию, обеспечения двойного использования бортового комплекса;
Техническим результатом полезной модели является:
- программная реализация бортовым и наземным оборудованием
- многорежимных протоколов обмена данными «Воздух-Земля» в MB диапазоне (например, VDL-ACARS, VDL-2, VDL-3, VDL-4), заданных в ARINC 618, 619, 620, 622, 623, 631, 637, 716, 724 В, 750, 758, DO-224A, ED-108, ED-78;
- многорежимных протоколов обмена данными «Воздух-Земля» в ДКМВ диапазоне (например, HFDL- ACARS, HFDL-ATN), заданных в ARINC 634, 635, 637, 753, DO-265, DO-277, с поддержкой услуг пакетного уровня ISO 8208 и без поддержки ISO 8208, в режиме услуг надежной линии (RLS - «Data 3») или услуг прямой линии (DLS - «Data 2»);
- эффективных процедур «хэндофф», заданных в DO-224A, для реализации приложений управления воздушным движением (АТС), таких как CPDLC, ADS-A, ADS-B, AFN, СМ, приложений информационных услуг полета (FIS) таких как NOTAM, ATIS, PIREPs, и др., приложений авиационного оперативного контроля (АОС) таких как OOOI, Electronic charts, Two-way messaging и других в двух средах (ATN и ACARS), позволяющая осуществлять введение новых и коррекцию существующих режимов за счет коррекции программного обеспечения;
- повышение надежности ДКМВ связи на 20-30% за счет автовыбора подвижным объектом оптимальной рабочей частоты из общего списка разрешенных частот, хранящегося в системной таблице связи, а также скорости передачи данных, вида модуляции и кодирования по результатам оценки ДКМВ сигналов маркеров (сквиттеров), излучаемых каждым наземным комплексом;
- повышение скорости передачи данных по ДКМВ каналу в 10-20 раз (до 1800, 2400 бит/с с учетом кодирования, до 5400, 7200 бит/с без учета кодирования) за счет реализации адаптивных методов приема с компенсацией задержки многолучевости по сравнению с существующими традиционными ДКМВ модемами с защитным интервалом для борьбы с многолучевостью, которые используют символьную скорость передачи данных 75, 150, 300 Бод, а скорость передачи данных пользователя с учетом кодирования составляет 19-150 бит/с;
- снижение на 9 дБ требуемого для адаптивного модема отношения сигнал/помеха по сравнению с традиционным модемом, что эквивалентно дополнительным 3-4 тысячам км дальности связи, за счет реализации адаптивных
методов приема с оценкой импульсной характеристики канала, мягкого декодирования Витерби, использования сверточного кода для прямой коррекции ошибок (FEC), перемежения данных для борьбы с пакетированием ошибок из-за замираний и импульсных помех;
-6
- обеспечение гарантированной достоверности (остаточной вероятности ошибки на бит) не более 10 за счет обнаружения на канальном уровне с помощью избыточных циклических кодов (CRC) ошибок, не исправленных модемом, и исправление этих ошибок с помощью автоматического запроса повторения (ARQ);
- повышение эффективности использования ограниченного ДКМВ спектра частот, благодаря уменьшению времени передачи одного пакета сообщения, содержащего 256 байт пользователя до 2,47 с и использованию комбинированного протокола множественного доступа к каналу с временным и частотным разделением, который позволяет обслуживать на одном частотном канале до 26 ПО без взаимных помех. Производительность одного частотного канала составляет при этом 1457 сообщений в час, поэтому для обслуживания 500 ПО при интенсивности потока сообщений с борта 11, с земли 6 сообщений в час потребуется, как минимум, 20 частотных каналов (вместо 250);
- увеличение аппаратурной надежности бортового комплекса связи благодаря реализации концепции интегрированной модульной авионики, основанной на обеспечении отказоустойчивых режимов работы оборудования, при которых нормальное функционирование авионики должно продолжаться после первого отказа одного из модулей не менее, чем 200 часов, за счет автоматического обнаружения и изоляции неисправных модулей, их замены на резервные без прерывания нормальной работы оборудования;
- увеличение жизненного цикла бортового оборудования ПО до 25 лет и сокращение затрат на поддержание жизненного цикла за счет обеспечения новых функциональных возможностей и коррекции существующих функций оборудования с помощью простой коррекции загружаемого программного обеспечения без конструктивных доработок комплекса;
- обеспечение двойного применения бортового комплекса связи, благодаря программируемости его функций.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе радиосвязи с подвижными объектами, имеющей в своем составе М территориально разнесенных наземных комплексов связи и N подвижных объектов,
связанных между собой каналами связи «Воздух-Воздух» MB диапазона, а с помощью каналов радиосвязи «Воздух-Земля» MB и ДКМВ диапазонов - с М наземными комплексами, которые связаны между собой через наземную сеть передачи данных, каждый подвижный объект содержит бортовой вычислитель, первый вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, а каждый наземный комплекс которой содержит наземные антенны MB и ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с наземными радиостанциями MB и ДКМВ диапазонов, подключенными двухсторонними связями через наземную аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), второй вход/выход которого подключен к входу/выходу НК для наземной сети передачи данных, третий вход/выход - к формирователю типа ретранслируемых сообщений, первый вход подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС/GPS), второй вход подключен к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, на каждом подвижном объекте введены b пар соединенных между собой бортовых широкодиапазонных антенно-фидерных устройств и широкодиапазонных радиочастотных модулей, входы/выходы которых двусторонними связями подключены к введенному модулю физического уровня, подключенного к введенному вычислительному модулю связи, состоящему из последовательно соединенных двунаправленными связями модуля канального уровня, модуля маршрутизатора и модуля интерфейса, входы которого подключены к бортовым датчикам, приемнику навигационной спутниковой системы, выход - к блоку регистрации данных, а первый вход/выход - к бортовому анализатору типа принимаемых сообщений, второй вход/выход - к бортовому формирователю типа ретранслируемых сообщений, третий вход/выход - к бортовому вычислителю, кроме того, в каждом наземном комплексе четвертый вход/выход вычислителя автоматизированного рабочего места подключен к первому к управляющему входу наземной радиостанции ДКМВ диапазона, а пятый вход/выход вычислителя автоматизированного рабочего места подключен к первому управляющему входу наземной радиостанции MB диапазона, где b - необходимое для получения заданных показателей надежности число пар соединенных между собой бортовых широкодиапазонных антенно-фидерных устройств и широкодиапазонных радиочастотных модулей.
Структурная схема заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами представлена на фиг.1, где обозначено:
1 - наземный комплекс связи (НК 1);
2 - вход/выход НК 1 для наземной сети передачи данных;
3 - подвижный объект (ПО 3), оснащенный новым бортовым комплексом связи, структурная схема которого приведена на фиг.2;
4 - вход/выход наземной сети передачи данных, которая условно показана на фиг.1 в виде линии.
Система радиосвязи с ПО содержит М территориально разнесенных наземных комплексов связи 1, структурная схема которых приведена на фиг.3, и N подвижных воздушных объектов 3, оснащенных бортовыми комплексами связи, структурная схема которых представлена на фиг.2, связанных между собой каналами 29 связи «Воздух-Воздух» MB диапазона, а с помощью каналов 30 радиосвязи «Воздух-Земля» MB и 31 ДКМВ диапазонов с М наземными комплексами 1, которые объединены между собой и наземными пользователями (ДП УВД и OAK и другими, не указанными на фиг.1) с помощью своих входов/выходов 2 и входов/выходов 4 наземной сети передачи данных.
Структурная схема бортового оборудования подвижного объекта 3 заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами, приведена на фиг.2, где обозначено:
5 - бортовой вычислитель;
6 - бортовые датчики;
7 - бортовой приемник сигналов глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS с антенной;
8 - блок регистрации данных;
9 - бортовой анализатор типа принимаемых сообщений;
10 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
11 - вычислительный модуль связи (ВМС);
12 -  модуль интерфейсов с бортовым оборудованием (МИ);
13 - модуль маршрутизации (ММ);
14 - модуль канального уровня (МКУ);
15 - модуль физического уровня (МФУ) (цифровой обработки сигналов);
16 - бортовой широкодиапазонный радиочастотный модуль (ШД РМ);
17 - бортовое широкодиапазонное антенно-фидерное устройство (ШД АФУ);
18 - двунаправленная шина системы управления подвижным объектом.
На фиг.2 приведены для примера 3 из b пар связанных между собой модулей 16 и 17.
Причем, b бортовых широкодиапазонных антенно-фидерных устройства 17 (ШД АФУ) подключены двунаправленными радиочастотными кабелями к b бортовым широкодиапазонным радиочастотным модулям 16, которые связаны с модулем 15 физического уровня, который имеет двухсторонний цифровой интерфейс с модулем 14 канального уровня, связанным двухсторонним цифровым интерфейсом с модулем 13 маршрутизации, подключенным двухсторонним цифровым интерфейсом к модулю 12 интерфейсов, входы которого подключены к бортовым датчикам 6, приемнику 7 навигационной спутниковой системы, выход подключен к блоку 8 регистрации данных, второй вход/выход подключен к бортовому анализатору 9 типа принимаемых сообщений, третий вход/выход - к бортовому формирователю 10 типа ретранслируемых сообщений, четвертый вход/выход - к бортовому вычислителю 5, связанному с помощью двунаправленного интерфейса 18 с бортовой системой управления ПО 3.
Структурная схема наземного комплекса связи 1 заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами представлена на фиг.3, где обозначено:
19 - наземная антенна MB диапазона;
20 - наземная радиостанция MB диапазона;
21 - наземная антенна ДКМВ диапазона;
22 - наземная радиостанция ДКМВ диапазона;
23 - наземная аппаратура передачи данных (АПД);
24 - вычислитель  автоматизированного рабочего места (АРМ) (на базе ПЭВМ);
25 - наземный приемник сигналов навигационных спутниковых систем с антенной;
26 - формирователь типа ретранслируемых сообщений;
27 - монитор АРМ;
28 - пульт управления АРМ;
2 - вход/выход НК 1 для наземной сети передачи данных.
В НК 1 наземные антенны 19 MB и 21 ДКМВ диапазонов связаны соответственно с радиостанциями 20 MB и 22 ДКМВ диапазонов, подключенными двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных 23 к первому входу/выходу вычислителя 24 автоматизированного рабочего места (АРМ), второй вход/выход
которого подключен к входу/выходу 2 НК 1 для наземной сети передачи данных, третий вход/выход - к формирователю 26 типа ретранслируемых сообщений, четвертый вход/выход к радиостанции 22 ДКМВ диапазона, пятый вход/выход - к радиостанции 20 MB диапазона, первый вход подключен к приемнику 25 сигналов навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС/GPS), второй вход подключен к пульту 28 управления АРМ, а выход - к монитору 27 АРМ.
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Передачу данных в MB диапазоне с НК 1 осуществляют по цепочке последовательно соединенных первого ПО 3, второго ПО 3 и далее до N-го ПО 3, а передачу данных с N-го ПО 3 на НК 1 осуществляют в обратном порядке. Передачу данных в ДКМВ диапазоне с ПО 3 осуществляют на НК 1, качество сигнала маркера которого является наилучшим или приемлемым для ПО 3. Наземную сеть передачи данных подключают двухсторонними интерфейсами 2 к каждому из М разнесенных территориально НК 1. Таким образом, наземной сетью передачи данных по информационному взаимодействию объединяют между собой все НК 1 и обеспечивают соединение каждого НК 1 с наземными пользователями системы радиосвязи.
Алгоритм обмена данными в заявляемой системе радиосвязи с ПО заключается в том, что в ней проводят следующие операции:
- для обеспечения уровня надежности ДКМВ связи не хуже 99% в зоне ответственности каждого НК 1 из общего списка ДКМВ частот (порядка 30 ОБП каналов с шириной полосы 3 кГц), выделяемых; для системы связи с ПО, каждому НК 1 назначают свой набор разрешенных частот ДКМВ связи на сутки и более;
- для каждого НК 1 на каждый временной интервал длительностью 1-2 часа назначают активную ДКМВ частоту из набора разрешенных НК частот, оптимальную по условиям распространения радиоволн и электромагнитной совместимости для данного временного интервала, отличающуюся от активных частот всех других НК 1 системы связи. Доводят номер активной частоты вместе с интервалом времени ее активизации до каждого НК 1 через наземную сеть передачи данных, реализуя, таким образом, протокол множественного доступа с частотным разделением (FDMA). Активизируют для каждого НК 1 только одну частоту из набора разрешенных частот, которую используют многими ПО 3 одновременно в режиме передачи данных HFDL с множественном доступом к каналу с временным разделением (TDMA), при котором первый слот кадра используют для излучений
каждым НК 1 сигналов связи/управления/синхронизации (сквиттеров), называемых маркерами;
- каждой разрешенной ДКМВ частоте назначают свой временной сдвиг первого кадра протокола множественного доступа к каналу с временным разделением (ТDМА) относительно ведущего кадра, привязанного к 00 час: 00 мин: 00 сек универсального координированного времени UTC для того, чтобы сигналы маркеров на разных частотах излучались НК 1 в разнесенных временных слотах для уменьшения времени анализа качества маркеров, производимого каждым подвижным объектом 3;
- разрабатывают системную таблицу ДКМВ связи, в которой указывают список М наземных комплексов связи 1 с их адресами, координатами, поддерживаемыми ими режимами работы HFDL (ACARS, ATN, ISO 8208, RLS, DLS) и набором разрешенных частот с указанными сдвигами первого кадра каждой частоты;
- доводят системную таблицу ДКМВ связи до всех НК 1 и всех ПО 3 по наземной сети передачи данных;
- для обеспечения передачи данных по MB каналу разрабатывают список частотной поддержки MB связи, в котором указывают список М наземных комплексов связи 1 с их адресами, координатами, поддерживаемыми ими режимами работы в MB канале связи (ACARS, VDL-2, VDL-4, VDL-3, ISO 8208), наборами разрешенных для каждого НК 1 частот MB связи, доводят список частотной поддержки до каждого ПО 3 через систему наземной связи;
- на каждом НК 1 осуществляют обмен пакетными данными через наземную сеть передачи данных с пользователями системы связи - диспетчерскими пунктами УВД и АОК, а также с другими (М-1) НК 1;
- в наземной аппаратуре передачи данных 23 реализуют протоколы обмена данными в ДКМВ и MB каналах физического уровня (модемов-кодеков), канального и сетевого уровня в соответствии с ARINC 618, 631, 635, 750, DO-224, ED-108 в режимах HFDL, VDL-1 (ACARS), VDL-2, VDL-4;
- для обеспечения ДКМВ связи время использования каждого ДКМВ частотного канала разбивают на временные кадры длительностью 32 с, а каждый кадр разбивают на 13 временных слотов длительностью 2,461538 с для реализации протокола множественного доступа к каналу с временным разделением (TDMA). В первом слоте каждого кадра излучают сигнал маркера, содержащий квитанции на все сообщения, принятые НК 1 от разных ПО 3 в предыдущих двух
кадрах, активные частоты двух соседних НК 1, версию базы данных (системной таблицы), назначения использования слотов с 4-го по 13-тый текущего кадра и слотов 2-го и 3-го следующего кадра, а также флаг занятости канала. В конце каждого кадра для каждого слота следующего кадра производят назначение его использования для передачи с НК 1 или для передачи с конкретного борта (ПО 3) по его предварительному запросу слота доступа, или для передачи с любого борта ПО 3 в режиме случайного доступа;
- осуществляют обмен пакетными данными «Воздух-Земля» на каждом активном ДКМВ канале в режиме HFDL с множественным доступом L (до 26) подвижных объектов 3 при интенсивности потока 11 сообщений с борта и 6 сообщений с земли в час. При меньшей интенсивности потока сообщений возможно обслуживание большего количества ПО 3 на одном частотном канале HFDL;
- для обеспечения MB связи на каждом НК 1 на каждой разрешенной MB частоте производят излучение сигналов маркеров (сквиттеров), которые являются сигналами связи/управления/синхронизации, с периодом 2 минуты. Сигналы маркеров разносят во времени, чтобы на ПО 3 можно было оценить качество сигналов разных НК 1 и выбрать НК 1 для связи;
- на каждом ПО 3 по результатам оценки качества принятых сигналов маркеров разных НК 1 для каждого диапазона волн (ДКМВ и MB) выбирают лучшую частоту связи и регистрируют ПО 3 на выбранных частотах MB и ДКМВ каналов;
- в MB диапазоне осуществляют обмен пакетными данными «Воздух-Земля» на активном MB канале VDL-2 в режиме множественного доступа к каналу с прослушиванием несущей (CSMA) или на активном канале VDL-4 «Воздух-Воздух» и «Воздух-Земля» в режиме множественного доступа к каналу с временным разделением и с самоорганизацией (STDMA);
- в ДКМВ диапазоне на каждом подвижном объекте инициируют процедуру поиска частоты при включении оборудования или после разъединения линии, если ПО 3 не может больше обнаружить HFDL маркеры от наземного комплекса 1 на текущей частоте. После автовыбора частоты и регистрации на новом канале производят обмен пакетными данными в режиме TDMA с НК 1, на котором ПО 3 зарегистрирован, до тех пор, пока качество ДКМВ радиоканала «Воздух-Земля» превышает допустимый уровень. При ухудшении качества ДКМВ радиоканала ниже допустимого уровня выбирают новый ДКМВ радиоканал и соответствующий
ему НК 1, независимо от местоположения НК 1, и регистрируют ПО 3 на новом ДКМВ радиоканале;
- в MB диапазоне на каждом подвижном объекте инициируют процедуру поиска частоты при включении оборудования или после разъединения линии, если ПО 3 не может больше обнаружить VDL пакеты от наземного комплекса 1 на текущей частоте, или, если подуровень управления протоколом доступа к каналу (MAC) индицирует, что текущая частота перегружена. При этом настраивают ШД РМ на альтернативную частоту, используя данные из списка частотной поддержки, и если качество сигналов маркеров на новой частоте удовлетворительно, регистрируют ПО 3 на новой частоте;
- ПО 3 и НК 1 реализуют следующие процедуры управления связностью линии передачи данных MB диапазона:
- идентификацию НК 1;
- начальную установку линии;
- модификацию параметров линии;
- «хэндофф», инициируемый ПО 3;
- «хэндофф», инициируемый НК 1 по запросу ПО 3;
- «хэндофф», инициируемый НК 1;
- «хэндофф», инициируемый ПО 3 по запросу НК 1;
- широковещательный «хэндофф» по запросу НК 1;
- автонастройку;
- при передаче пакета сообщения в ДКМВ диапазоне от конечных бортовых систем ПО 3 к наземным потребителям (ДП УВД и АОК) пакетное сообщение, содержащее адрес получателя и адрес отправителя (адрес борта ПО 3), формируют в бортовых конечных системах ПО 3 (5, 18) и передают через модуль 12 интерфейса в бортовой модуль 13 маршрутизатора, где его упаковывают в виде пакета ISO 8208 или ACARS и затем передают в модуль 14 канального уровня, где его преобразуют в пакет канального уровня сети передачи данных HFDL, содержащий проверочные последовательности, вычисленные с помощью избыточного циклического кода (CRC). Полученные сообщения передаются в модуль 15 физического уровня, где осуществляют операции:
- сверточное кодирование данных для прямой коррекции ошибок;
- перемежение данных для борьбы с пакетированием ошибок из-за замираний и импульсных помех;
- отображение последовательности из трех или двух или одного бита (в зависимости от скорости передачи данных и вида модуляции 2-ФМн, 4-ФМн или 8-ФМн, соответственно) в значения фазы сигнала поднесущей 1440 Гц;
- скремблирование данных для выравнивания спектра передаваемого сигнала;
- формирование ключевой синхронизирующей последовательности и преамбулы, содержащей известную последовательность для обучения адаптивного демодулятора, и информацию о скорости передачи данных и глубине перемежителя;
- формирование коротких обучающих последовательностей, которые вставляют в поток передаваемых данных пользователя, для реализации адаптивных методов приема сообщения;
- формирование заданной формы огибающей каждого символа для обеспечения заданной спектральной маски излучаемого сигнала;
- формирование ДКМВ сигнала с верхней боковой полосой с подавленной несущей с классом излучения 2K80J2DEN.
Сформированный для передачи однотоновый ДКМВ сигнал многопозиционной фазовой манипуляции (M-PSK, М=2, 4 или 8) с выхода модуля 15 физического уровня подают на вход широкодиапазонного радиочастотного модуля 16, где его усиливают до требуемого уровня мощности, подают на широкодиапазонное АФУ 17 и по ДКМВ радиоканалу 31 передают на наземный комплекс 1, на котором зарегистрирован ПО 3.
На НК 1 ДКМВ сигнал от ДКМВ антенны 21 подают на наземную радиостанцию 22 ДКМВ диапазона, работающую в симплексном режиме в соответствии с указанным протоколом TDMA. С выхода радиостанции 22 сообщение подают на вход аппаратуры 23 передачи данных, где его демодулируют, дескремблируют, деперемежают, декодируют с прямой коррекцией ошибок, проверяют на наличие не исправленных декодером ошибок. В случае отсутствия ошибок сообщение упаковывают в пакет ISO 8208 или ACARS и выдают на вход вычислителя АРМ 24, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по протоколу Х.25 по наземной сети передачи данных потребителям информации.
При передаче пакета по протоколу Х.25 по наземной сети передачи данных в обратном направлении (от ДП УВД и АОК) через НК 1 к ПО 3 вначале его обрабатывают в вычислителе АРМ 24 наземного комплекса 1, где из него формируют
пакет ISO 8208 или ACARS, необходимый для передачи в линии передачи данных «Воздух-Земля». С выхода вычислителя АРМ 24 сообщение передают в аппаратуру передачи данных 23, где его упаковывают в пакет канального уровня HFDL, содержащий проверочные последовательности, вычисленные с помощью избыточного циклического кода (CRC), и осуществляют:
- сверточное кодирование данных для прямой коррекции ошибок;
- перемежение данных для борьбы с пакетированием ошибок из-за замираний и импульсных помех;
- отображение последовательности из трех или двух или одного бита (в зависимости от скорости передачи данных и вида модуляции 2-ФМн, 4-ФМн или 8-ФМн, соответственно) в значения фазы сигнала поднесущей 1440 Гц;
- скремблирование данных для выравнивания спектра передаваемого сигнала;
- формирование ключевой синхронизирующей последовательности и преамбулы, содержащей известную последовательность для обучения адаптивного демодулятора, и информацию о скорости передачи данных и глубине перемежителя;
- формирование коротких обучающих последовательностей, которые вставляют в поток передаваемых данных пользователя, для реализации адаптивных методов приема сообщения;
- формирование заданной формы огибающей каждого символа типа приподнятого косинуса для обеспечения заданной спектральной маски излучаемого сигнала.
Сформированный в АПД 23 однотоновый сигнал многопозиционной фазовой манипуляции (M-PSK, М=2, 4 или 8) в полосе звукового канала ОБП шириной 3 кГц подают на вход ДКМВ радиостанции 22, где его используют для формирования ДКМВ радиосигнала с верхней боковой полосой с подавленной несущей с классом излучения 2K80J2DEN, усиливают до требуемого уровня мощности, затем через ДКМВ антенну 21 передают по ДКМВ радиоканалу 31 на ПО 3.
На ПО 3 ДКМВ радиосигнал через ШД АФУ 17 поступает на ШД РМ 16. Затем сообщение подают на вход МФУ 15, где его демодулируют, дескремблируют, деперемежают, декодируют с прямой коррекцией ошибок, и выдают в МКУ 14, где его проверяют на наличие не исправленных декодером ошибок и в случае отсутствия ошибок упаковывают в пакет ISO 8208 (или ACARS) и выдают на вход ММ
13 для преобразования в пакет, предназначенный для передачи через МИ 12 к бортовым пользователям (блокам 5, 8, 9 или 18).
В процессе обмена пакетными данными в MB диапазоне в режиме VDL-2 при передаче пакета от ПО 3 к наземным пользователям (ДП УВД и АОК) на каждом ПО 3 пакетное сообщение формируют в бортовой конечной системе (18, 5). Сообщение, содержащее адрес получателя и адрес отправителя (адрес борта ПО 3), передают от бортового вычислителя 5 через модуль 12 интерфейса в модуль 13 маршрутизатора, где его упаковывают в пакет ISO 8208 или ACARS сетевого (пакетного) уровня. Затем сообщение передают в модуль 14 канального уровня, где его упаковывают в пакет канального уровня VDL-2, содержащий проверочные последовательности, вычисленные с помощью избыточного циклического кода (CRC), и передают в модуль 15 физического уровня, где осуществляют:
- кодирование данных кодом Рида-Соломона для прямой коррекции ошибок;
- перемежение данных для борьбы с пакетированием ошибок из-за замираний и импульсных помех;
- отображение последовательности трех бит данных в значение фазы символа сигнала, относительное кодирование фазы соседних символов для реализации относительной 8-ми позиционной фазовой манипуляции (D8PSK);
- скремблирование данных для выравнивания спектра передаваемого сигнала;
- формирование ключевой синхронизирующей последовательности и преамбулы, содержащей известную последовательность для обучения адаптивного демодулятора;
- формирование заданной формы огибающей каждого символа типа приподнятого косинуса с α=0,6 для обеспечения заданной спектральной маски излучаемого сигнала;
- формирование MB сигнала с классом излучения 14KOG1DE - с полосой, занимаемой сигналом 14 кГц, фазовой модуляцией (G) несущей одного цифрового канала без поднесущей, передачей данных (D) и многоусловным кодированием (Е).
Сформированный для передачи однотоновый сигнал 8-ми позиционной относительной фазовой манипуляции (D8PSK) с выхода модуля 15 подают на вход широкодиапазонного радиочастотного модуля 16, где его усиливают до
требуемого уровня мощности и через широкодиапазонное АФУ 17 и MB радиоканал 30 передают на наземный комплекс 1, на котором зарегистрирован ПО 3.
На каждом НК 1 MB радиосигнал от MB антенны 19 подают на наземную радиостанцию 20 MB диапазона, затем сообщение подают на вход аппаратуры 23 передачи данных, где демодулируют, дескремблируют, деперемежают, декодируют с прямой коррекцией ошибок, проверяют на наличие не исправленных декодером ошибок. В случае отсутствия ошибок из него формируют пакет ISO 8208 или ACARS и выдают на вход вычислителя 24 АРМ, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по протоколу Х.25 по наземной сети передачи данных потребителям.
При передаче пакета в обратном направлении (от потребителей к ПО 3) сообщение по входу/выходу 2 НК 1 передают в вычислитель 24 АРМ НК 1, где формируют пакет, например, в соответствии с ISO 8208 или ACARS, который передают в аппаратуру передачи данных 23, где его упаковывают в пакет канального уровня, например, VDL-2, содержащий проверочные последовательности, вычисленные с помощью избыточного циклического кода (CRC), и осуществляют:
- кодирование данных Рида-Соломона для прямой коррекции ошибок;
- перемежение данных для борьбы с пакетированием ошибок из-за замираний и импульсных помех;
- отображение последовательности из трех бит в значения фазы сигнала несущей, относительное кодирование фазы соседних символов;
- скремблирование данных для выравнивания спектра передаваемого сигнала;
- формирование ключевой синхронизирующей последовательности и преамбулы, содержащей известную последовательность для обучения адаптивного демодулятора;
- формирование заданной формы огибающей каждого символа типа приподнятого косинуса с α=0,6 для обеспечения заданной спектральной маски излучаемого сигнала;
- формирование MB сигнала с классом излучения 14KOG1DE (с полосой, занимаемой сигналом 14 кГц, фазовой модуляцией (G) несущей, одного цифрового канала без поднесущей, передачей данных (D) и многоусловным кодированием (Е).
Сформированный для передачи, например, сигнал 8-ми позиционной относительной фазовой манипуляции (D8PSK) с выхода АПД 23 подают на вход радиостанции 20, где его усиливают до требуемого уровня мощности и через антенну 19 передают по радиоканалу 30 MB диапазона на ПО 3.
На ПО 3 MB сигнал от ШД АФУ 17 подают на ШД РМ 16, с выхода которого сообщение подают на вход МФУ 15, где его демодулируют, дескремблируют, деперемежают, декодируют с прямой коррекцией ошибок, и затем выдают в МКУ 14, где его проверяют на наличие не исправленных декодером ошибок. В случае отсутствия ошибок сообщение упаковывают в пакет, например, в соответствии с ISO 8208 (или ACARS) и выдают на вход ММ 13, где его формируют для передачи через МИ 12 бортовым пользователям (блокам 5, 8, 9 или 18).
В системе разрабатывают системную таблицу связи, содержащую координаты НК 1, их адреса, приложения УВД, режимы передачи данных, которые они поддерживают в MB и ДКМВ диапазонах, разрешенные частоты связи для разных режимов обмена данными MB и ДКМВ диапазонов, временное расписание излучения сигналов маркеров на каждой частоте ДКМВ и доводят до каждого НК 1 и ПО 3 (во время предполетной подготовки) по наземной сети передачи данных.
Для каждого НК 1 на интервал времени 1-2 часа активизируют одну из разрешенных частот ДКМВ диапазона. Частоты связи MB диапазона, заданные в списке частотной поддержки, являются активными. На каждом НК 1 на активной частоте связи излучают сигналы маркеров в MB диапазоне с интервалом 2 минуты, в диапазоне ДКМВ с интервалом 32 с согласно протоколу ДКМВ линии данных HFDL. В сигналы маркеров ДКМВ вводят информацию о версии системной таблицы (версии базы данных), об активных частотах двух соседних НК 1, назначения слотов для нового кадра, квитанции на все сообщения от ПО 3, принятые в предыдущем кадре, флаг занятости канала. Кадр доступа к ДКМВ каналу длительностью 32 с разделяют на 13 слотов по 2,461538 с. Первый слот отводят под излучение маркера с НК 1. Несколько (3-5) слотов назначают в каждом кадре для случайного доступа всех ПО 3, остальные слоты для резервированного доступа конкретных ПО 3 по их запросу.
Бортовой комплекс связи ПО 3 начинает анализировать сигналы маркеров MB и ДКМВ диапазонов, находясь на стоянке в зоне аэропорта после включения питания и проведения автоматического встроенного контроля технической исправности. Независимо от функционирования канала связи MB диапазона ПО 3
постоянно поддерживает канал связи ДКМВ диапазона в режиме HFDL с тем НК 1, качество канала с которым является наилучшим или приемлемым.
Во время полета на каждом ПО 3 обеспечивают автоматический выбор рабочей частоты из списка разрешенных частот, регистрацию на НК 1 на выбранном канале, случайный и резервированный доступ к каналу связи в режиме множественного доступа с временным разделением, обмен данными с территориально разнесенными наземными комплексами 1, объединенными с помощью наземной сети передачи данных в единую систему.
В системе радиосвязи ведут обмен навигационными и другими данными по радиолинии связи MB диапазона меду наземным комплексом 1 и подвижными объектами 3, находящимися в пределах радиогоризонта НК 1. Принимаемые наземной радиостанцией 22 из канала «Воздух - Земля» сообщения через аппаратуру 23 передачи данных подают в наземный вычислитель 24 АРМ, который может быть выполнен на базе серийной ПЭВМ. В нем в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводят идентификацию (сравнение) принятого в сообщении адреса ПО 3 с адресами подвижных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 24 АРМ. При совпадении адреса подвижного объекта 3 с хранящимся в списке адресом информацию о местоположении, параметрах движения ПО 3 и состоянии его датчиков запоминают в вычислителе 24 АРМ. В наземном вычислителе 24 АРМ решают задачи обеспечения постоянной устойчивой радиосвязи со всеми N ПО 3, и на основе информации о точном местонахождении всех ПО 3 и параметрах их движения осуществляют операции запоминания сообщений в наземном вычислителе 24 АРМ и вывод необходимых данных на экран монитора 27 АРМ НК 1 в виде, удобном для восприятия оператором (диспетчером).
При выходе за пределы радиогоризонта; НК 1, хотя бы одного из ПО 3 или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, наземный комплекс 1 определяет программно один из ПО 3, которого назначает первым ретранслятором сообщений. При постоянном изменении дальности между ПО 3 и НК 1 в качестве ретранслятора в течение определенного времени может быть назначен любой из N ПО 3, местоположение которого известно и оптимально по отношению к НК 1 и всем остальным ПО 3. По анализу местоположения и параметров движения остальных ПО 3 определяют оптимальные пути доставки сообщений к удаленному от НК 1 за радиогоризонт подвижному объекту 3 - получателю сообщения. Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую, при необходимости,
из нескольких (от 1 до (N-1)) ПО 3, может быть доставлено к требуемому ПО 3 - получателю. Для этого на НК 1 в формирователе 26 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладывают адрес ПО 3, назначенного первым ретранслятором, при необходимости адреса других подвижных объектов 3 - ретрансляторов, и адрес ПО 3 - получателя, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые и обработанные на ПО 3 в устройствах 17, 16, 15, 14, 13, 12 сообщения, обрабатывают в блоке 9 анализа типа сообщений. Если сообщение предназначено для данного ПО 3, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 18 на систему управления ПО 3, или о передаче сообщения в режиме ретрансляции к соседнему ПО 3. Для исключения коллизий минимизируют число разрядов в передаваемом сообщении и осуществляют ретрансляцию данных последовательно во времени. При обмене данными по линии связи «диспетчер-пилот» (CPDLC), особенно при наличии потенциально конфликтной ситуации, экипаж должен выполнять команды оператора НК 1, имеющего больший объем информации о воздушной ситуации в своей зоне ответственности. Для этого с НК 1 с помощью диспетчера посылают на ПО 3 соответствующее сообщение, которое отображают на экране бортового блока 8 регистрации данных в виде согласованной отметки и формуляров, в которых отображают, например, номер рейса или номер борта, высоту полета или другие характеристики. На основании принятых с НК 1 данных в бортовом вычислителе 5 ПО 3 совместно с наземным вычислителем 24 решают задачу наличия опасных сближений с соседними ПО 3 с учетом их прогнозируемых положений и возможных маневров, определяют время следующих сеансов связи с потребителями информации. По информации, отображаемой на экране бортового блока 8 регистрации данных, экипаж ПО 3 по согласованию с диспетчером НК 1 при необходимости определяет направление дальнейшего движения.
Для каждого ПО 3 траектории движения соседних ПО 3, при необходимости, отображают на экране собственного бортового блока 8 регистрации данных, а на экране монитора 27 АРМ - траектории всех ПО 3 в районе действия НК 1 с помощью характеризующих предыдущее местоположение ПО 3 отметок, формируемых вычислителями 5 и 24. По мере движения ПО 3 устаревшие отметки стираются. Во время предполетной подготовки каждого подвижного объекта 3 с помощью интерфейса 18 осуществляют загрузку в память бортового вычислителя 5 необходимых радиоданных в виде системной таблицы, содержащей списки адресов,
координат наземных комплексов и назначенных им частот связи. В НК 1 системные таблицы загружаются с помощью входа/выхода 2 НК 1 для наземной сети передачи данных.
i
i
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ПО 3 в соответствии с принятыми в системе радиосвязи с подвижными объектами категориями срочности в формирователе 26 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируют код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранный ПО 3 с учетом времени реакции ПО 3 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемую на ПО 3 информацию отображают на экране блока 8 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов или в виде точек и векторов. Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена ставят в очередь соответствующей категории срочности. В вычислителях 5 и 24 определяют время «старения» информации, и, если сообщение в течение промежутка времени, равного времени «старения», не было передано в канал связи, то его «стирают», и посылают запрос на передачу нового сообщения.
При работе НК 1 в режиме прямой радиовидимости (ближней связи), когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляют адресный режим автоматического зависимого наблюдения (ASD-A), т.е. адресный опрос ПО 3 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена VDL-2 или VDL-ACARS в MB диапазоне. Набираемое диспетчером НК 1 на пульте 28 управления АРМ сообщение отображают на мониторе 27 АРМ и после передачи сообщения через вычислитель 24, аппаратуру 23 передачи данных, радиостанцию 20, антенну 19, через радиоканал 30, бортовые широкодиапазонные антенно-фидерные устройства 17 ПО; 3, бортовые широкодиапазонные радиочастотные модули 16 ПО 3, модуль 15 физического уровня, модуль 14 канального уровня вычислительного модуля 11 связи, модуль 13 маршрутизации вычислительного модуля 11 связи, модуль 12 интерфейсов вычислительного модуля 11 связи его подают в бортовой вычислитель 5, где производят идентификацию принятого в сообщении адреса с адресом ПО 3. Далее через модуль 12 интерфейсов сообщение передают в блок 9 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации полученного заголовка (служебной части) сообщения и определения режима работы аппаратуры ПО 3. Информационную часть сообщения записывают в память бортового вычислителя 5 и при необходимости выводят
на экран блока 8 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
С помощью определенного формата заголовка сообщения с выхода бортового формирователя 10 типа ретранслируемых сообщений задают режим свободного доступа к каналу связи для всех подвижных объектов 3 или режим фиксированного (резервированного) доступа с назначением конкретного временного интервала для организации обмена данными с наземным комплексом 1.
-6
НК 1 для режимов VDL-2 и HFDL является базовой (ведущей) станцией сети и гарантирует для каждого зарегистрированного на нем ПО 3 требуемые системные характеристики связи, а именно: вероятность своевременной доставки сообщения с заданной достоверностью и интенсивностью потока сообщений, т.е. вероятность того, что средняя задержка передачи сообщения не превысит требуемого порога при достоверности связи не хуже 10 и заданной интенсивности потока сообщений с борта ПО 3. Средняя задержка передачи сообщений в режимах VDL-2 и HFDL в значительной мере обусловлена коллизиями случайного доступа и растет с увеличением вероятности коллизий. Вероятность коллизий увеличивается с ростом количества ПО 3, использующих один канал связи в режиме случайного множественного доступа, и с ростом интенсивности потока сообщений от каждого ПО. 3. Зная точные количественные зависимости указанных параметров для разных режимов обмена данными, в НК 1 прогнозируют системные характеристики в зависимости от количества зарегистрированных на одном частотном канале ПО 3. Регистрацию новых ПО 3 прекращают (выставляют флаг «занятости» канала связи в маркере), если прогнозируемые системные характеристики деградируют ниже заданного уровня, уменьшая тем самым, вероятность коллизий случайного доступа и, следовательно, задержку в передаче сообщения. Таким образом, в результате анализа состояния и загрузки каналов радиосвязи в каждом НК 1 прогнозируют вероятность коллизий случайного доступа, и, когда эта величина превышает предельно допустимое значение, доступ к каналам связи НК 1 новых ПО 3 прекращают по команде НК 1.
Для того, чтобы минимизировать вероятность коллизий случайного доступа, не создавать помех текущей передаче сообщения, в режиме VDL-2 реализуют протокол множественного доступа к каналу с прослушиванием несущей (CSMA). Для этого в АПД 23, вычислителе 24 НК 1 и модулях 15 физического уровня и 14 канального уровня ПО 3 перед передачей каждого сообщения осуществляют
прослушивание канала (контроль занятости несущей) на предмет обнаружения преамбулы, заголовка или полезной части сообщений. Подготовленное сообщение с ПО 3 передают только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того, чтобы разнести во времени моменты выхода на связь разных подвижных объектов 3 и НК 1, когда после занятости канала все корреспонденты обнаружили, что  радиоканал свободен, в вычислителе 24 НК 1 и в модуле 14 канального уровня ПО 3 формируют псевдослучайные задержки передачи сообщений от подвижных объектов 3 (для каждого ПО 3 своя) и от НК 1. На каждом из ПО 3 время окончания сигнала несущей частоты в радиоканале и импульсы синхронизации используют для инициализации расчета в модуле 14 канального уровня интервала времени собственной передачи и внутри этого интервала с помощью модуля 15 физического уровня, модуля 16 и АФУ 17 ПО 3 осуществляют передачу собственного пакета данных.
В режиме HFDL часть слотов кадра TDMA также отводят для случайного доступа. Если передают пакет с ПО 3 в слоте случайного доступа и в маркере следующего кадра не обнаруживают положительной квитанции на эту передачу, то принимают решение о том, что произошла коллизия случайного доступа и инициируют на ПО 3 алгоритм выхода из коллизии, при котором вводят псевдослучайную задержку, выраженную в слотах, повторной передачи пакета с борта. Это приводит к уменьшению вероятности повторной коллизии.
При работе в режиме широковещательного автоматического зависимого наблюдения (ADS-B) с помощью линии передачи данных VDL-4 MB диапазона используют протокол множественного доступа к каналу связи с временным разделением и с самоорганизацией (STDMA). Этот протокол представляет комбинацию протоколов CSMA и TDMA, в которой время использования канала жестко делят на кадры (фреймы) и слоты, но нет ведущей станции, которая управляет диспетчеризацией слотов. Выбор слотов доступа производят каждым корреспондентом самостоятельно путем предварительного прослушивания эфира в течение 1 минуты (длительности суперфрейма) и выявления свободных слотов, которые можно занять, не конфликтуя с другими пользователями канала. При длительности одного слота 13,333 миллисекунды, в котором можно передать  один пакет сообщения длиной 32 байта при скорости передачи данных 19200 бит/с режима VDL-4, один фрейм (кадр) длительностью 1 секунда содержит 75 слотов, а суперфрейм длительностью 1 минута содержит 4500 слотов. Реальная длина пакета не
должна превышать 30 байт, чтобы оставить 2 байта (1 мс) на задержку выхода передатчика на полную мощность и рассинхронизацию в линии. Точность привязки временной шкалы VDL-4 при использовании приемников GNSS составляет 100 мкс. Распределение слотов периодично от одного суперфрейма к другому. Если ПО 3 выбрал последовательность слотов в суперфрейме, то в следующем суперфрейме он либо будет вещать в слотах с теми же порядковыми номерами, либо предупредит об их изменении заранее. НК 1 имеют право резервировать несколько слотов (по умолчанию 8) в начале каждой секунды для важных периодических передач на ПО 3, например, сигналов дифференциальных поправок и др. Коллизия случайного доступа двух ПО 3 может произойти только при одновременном их включении (с точностью до минуты). Для решения этой проблемы алгоритм выбора слотов делается псевдослучайным, т.е. два корреспондента при одновременном включении выбирают разные наборы слотов для вещания. Вероятность совпадения всех выбранных слотов близка к нулю. При навигации на эшелоне на высоте полета 10000 км, радиусе радиовидимости R=400 км, пропускной способности канала VDL-4 S=75 слотов в секунду, времени обновления информации о позиции Т=10 секунд количество подвижных объектов 3, которые могут быть обслужены без коллизий случайного доступа в зоне радиовидимости НК 1, равно N=750 (N=ST). При этом для каждого ПО 3 найдется свой свободный слот. Эта величина лежит далеко за пределами реального трафика воздушного движения даже самых загруженных аэропортов Европы. При интервале обновления информации о позиции ПО 3 Т=1 секунда на одной частоте в режиме VDL-4 можно обслужить N=75 ПО 3, когда слотов хватает на всех. На двух частотах можно гарантированно обслужить максимальное число ПО 3, равное N=150 в зоне радиусом R=400 км. Если же в зоне прямой видимости окажется больше, чем 150 ПО 3, например, 300 ПО 3, тогда радиус г зоны гарантированного обслуживания в режиме VDL-4 при такой насыщенности воздушного пространства уменьшится до 280 км, т.е. будет определяться не радиусом прямой видимости, а количеством ПО 3, которое НК 1 гарантирует надежно обслужить  [13]. Когда N мало и слотов достаточно для всех ПО, дальность действия системы АЗН-В равна просто дальности MB радиосвязи, а когда N так велико, что слотов на всех не хватает, то дальность действия системы ограничивается радиусом
круга с центром в НК 1, который охватывает столько ПО 3, что каждому из них достается хотя бы один индивидуальный слот доступа каждые Т секунд.
макс
Чем больше плотность движения, тем меньше радиус гарантированного обслуживания одного НК 1. Для стран Европы, где М=300 в зоне прямой видимости НК 1 представляется реальным в ближайшем будущем, радиус зоны гарантированного обслуживания одного НК 1, равный 280 км, является вполне допустимым. Таким образом, по своей пропускной способности режим передачи данных VDL-4 MB диапазона далеко превосходит существующие потребности УВД настоящего времени и может быть эффективно использован в будущих системах. При работе в режиме автоматического зависимого наблюдения широковещательного (АЗН-В) или (ADS-B) по всему миру выделяются два глобальных канала (GSC1 и GSC2) для полета на эшелоне. В этом случае оборудование ПО 3 ведет независимую трансляцию на этих каналах с одним и тем же периодом и сдвигом посылок в одном канале относительно другого примерно на половину периода, с тем, чтобы обеспечить равномерность получения информации по двум каналам совместно. В сильно загруженных аэропортах выделяется еще два и более локальных каналов (LSC1, LSC2). Таким образом, обеспечивается наращивание пропускной способности системы связи, ее масштабирование. Поэтому каждый ПО 3 должен иметь не менее четырех независимых MB приемопередатчиков для VDL-4 [3]. Такая возможность на борту появляется с внедрением широкодиапазонных АФУ 17, ШД РМ 16, МФУ 15, МКУ 14.
Сообщения о местоположении ПО 3 и параметрах его движения с выходов приемников 7 и 25 сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛО-HACC/GPS, записывают в память вычислителей 5 и 24 с привязкой к глобальному времени [3, 4, 5]. Точная синхронизация слотов, используемых для обмена данными между абонентами системы, и их запланированное использование для передачи известно каждому пользователю по отношению к окружающим пользователям с известными координатами. Управление протоколом доступа к каналу VDL-4 на каждом подвижном объекте 3 осуществляют в модуле 14 канального уровня, а на Н К 1 - в аппаратуре передачи данных 23 и вычислителе АРМ 24.
Хотя в режиме VDL-4 НК 1 является равноправным пользователем канала наряду со всеми остальными ПО 3 и базовая версия протокола доступа к каналу не требует диспетчеризации доступа со стороны НК, очевидна целесообразность осуществления такой диспетчеризации наземным комплексом для сокращения
затрат времени на исследование занятости канала каждым ПО 3 (1 минута) при выборе слотов доступа. Время вхождения в связь каждого ПО 3 можно сократить, если предусмотреть передачу специальных сообщений от НК 1, содержащих информацию о свободных слотах доступа в зоне его обслуживания. Поскольку НК 1 постоянно наблюдает за каналом, он имеет полную информацию о динамике протокола доступа, к каналу. Назначение слотов для ПО 3 наземным комплексом 1 позволит полностью избежать коллизий случайного доступа, а также уменьшить временные и вычислительные затраты ПО 3 на выбор слотов доступа к каналу VDL-4. Если НК 1 зарезервирует несколько слотов (по умолчанию 8) в начале каждой секунды для передач на ПО 3 информации о свободных слотах, то при интервале слежения за ПО 3 Т=1 секунда НК 1 может обслуживать без взаимных помех до 67 ПО 3, при интервале слежения Т=10 секунд количество гарантировано обслуживаемых одним НК 1 ПО 3 возрастает до 670.
В вычислителях 5 и 24 данные АЗН-В используют для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО 3. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ПО 3 в вычислителе 5 в заданное время формируют соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 3. Это время используют в вычислителе 24 НК 1 для известной операции построения экстраполяционных отметок от ПО 3 [3]. В аппаратуре передачи данных 23 НК 1 и модулях 14 и 15 ПО 3 осуществляют известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования.
Благодаря наземной сети передачи данных с входами/выходами 4, которая объединяет между собой все М НК 1, информация автоматического зависимого наблюдения и других приложений CNS/ATM от удаленного на большие расстояния (до 4-6 тысяч км и более) ПО 3, оборудованного устройствами 14, 15, 16, 17 с функцией управления ДКМВ радиолинией, доводится до всех НК 1 системы радиосвязи, хотя удаленный ПО 3 держит связь только с одним НК 1, качество сигналов маркеров которого является наилучшим для ПО 3 на данный момент времени.
Для этого в бортовом и наземном вычислителях 5 и 24 хранят предварительно заложенные системные таблицы со списками наземных комплексов 1 с их координатами, адресами и наборами назначенных им частот. На каждом НК 1 периодически излучают сигналы маркеров (управления/синхронизации/связи) на
активной частоте. В модулях 14 и 15 ПО 3 и бортовом вычислителе 5 (через модули 13, 12 вычислительного модуля 11 связи) ПО 3 автоматически анализируют принимаемые сигналы маркеров от всех наземных комплексов 1 на всех частотах и выбирают лучшую частоту (например, по критерию максимума измеряемого демодулятором при приеме всего пакета эффективного отношения «сигнал-помеха» с учетом набора предоставляемых НК 1 услуг передачи данных (например, только ACARS или ACARS+ATN, ISO 8208, RLS), а также с учетом исправности интерфейса НК 1 с наземной сетью связи). По измеренному на выбранной частоте в модуле 15 эффективному отношению «сигнал-помеха» в модуле 14 вычислительного модуля 11 связи ПО 3 выбирают максимально допустимую скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения «сигнал-помеха» осуществляется всеми НК 1 и ПО 3 системы каждый раз при приеме любого пакета сообщения. Величина выбранной максимальной допустимой скорости передачи данных сообщается на противоположную сторону в виде рекомендуемой скорости передачи данных. В наземной аппаратуре 23 передачи данных при работе на радиостанцию 22 ДКМВ диапазона; и в бортовых модулях 15, 14 ПО 3 могут быть использованы известные алгоритмы высокоскоростных адаптивных модемов, рассчитанных на работу в каналах с многолучевостью, например алгоритм демодуляции с использованием эквалайзера с решающей обратной связью, субоптимальный алгоритм Витерби приема в целом с поэлементным принятием решения в условиях многолучевости, алгоритм максимального правдоподобия с идентификацией текущих параметров канала (импульсной характеристики канала) на основе методов стохастической аппроксимации и др. Все используемые алгоритмы приема должны удовлетворять требования по помехоустойчивости, указанные в ARINC 635. Проверка помехоустойчивости алгоритмов приема должна осуществляться в контролируемых условиях с помощью машинного моделирования с использованием имитатора канала, рекомендуемого в нормативных документах ITU-R (Рек. МСЭ-R F-520-2).
Реализация адаптивных методов приема обеспечивает в ДКМВ каналах энергетический выигрыш порядка 9 дБ по сравнению с традиционными модемами с защитным интервалом для борьбы с многолучевостью. Это эквивалентно повышению надежности связи на 20-30% или увеличению на 3-4 тысячи км дальности связи при более высокой (в 10-20 раз) скорости передачи данных.
Таким образом, каждый из ПО 3 может выходить на связь на нескольких рабочих частотах, известных всем участникам движения. Транспортным системам, связанным с перевозкой пассажиров и стратегических грузов, международным регламентом связи отводится определенный набор рабочих частот, которые распределяются между НК 1. Списки выделенных частот меняются в зависимости от времени года, а рабочая частота для каждого ПК 1 из списка выделенных частот активизируется на каждый час или два часа времени суток. При движении ПО 3 выходит на связь, выбирая для связи тот НК 1, условия распространения радиоволн для связи с которым в данный момент времени являются оптимальными. При этом совсем не обязательно, чтобы выбранный НК 1 был ближайшим. Составленный таким образом канал связи между ПО 3 и наземным потребителем (источником) информации, как правило, будет включать бортовую сеть передачи данных и наземную сеть передачи данных, связанные между собой радиолинией 31 ДКМВ диапазона. Как только качество канала 31 связи деградирует ниже допустимого уровня, на борту с помощью модулей 14 и 15 ПО 3 выбирают новую оптимальную рабочую частоту на основании анализа условий распространения радиоволн и новый, соответствующий ей НК 1. Таким образом, обеспечивают высокую (порядка 99,9) надежность связи при обмене данными с ПО 3, находящимися от НК 1 на расстояниях от нескольких сотен до 4-6 тысяч километров и более.
Синхронизация работы наземной сети передачи данных осуществляется на основе использования всеми участниками движения единого глобального всемирного координированного времени (UTC), получаемого от существующих объектов глобальной навигационной спутниковой системы с помощью приемников 7 и 25.
Для взаимодействия наземных комплексов 1, оконечных пользователей и ПО 3 используется наземная сеть передачи данных с входами/выходами 4 для НК 1. Она может быть реализована известными способами, например, при межсетевой работе НК 1 через центры коммутации пакетов в соответствии с протоколом Х.25 [4]. Соединения между НК 1 и центрами коммутации пакетов Х.25 (маршрутизаторами) могут обеспечиваться через специально выделенные или арендуемые каналы связи. Они позволят транслировать сообщение, адресованное наземным пользователем определенному ПО 3 на тот наземный комплекс 1, на котором данный ПО 3 «зарегистрирован», и где в данный момент времени обеспечиваются оптимальные условия ДКМВ приема. Система радиосвязи с ПО 3 работает в автоматическом режиме без вмешательства оператора на выбранных частотах из
списка частот, назначенного при планировании связи. При передаче данных по ДКМВ линии каждый частотный канал используется по протоколу множественного доступа с временным разделением (TDMA). Время доступа к частотному каналу разбито на кадры длительностью 32 с, каждый их которых в свою очередь поделен на 13 интервалов (слотов) длительностью 2,461538 с. Используются, короткие пакеты (порядка 67-405 байт пользователя) сообщений длительностью 2,37 секунды, передаваемые в заданном временном слоте в соответствии с назначением каждого слота, производимым НК 1, в конце каждого кадра и передаваемым НК 1 широковещательно в сигнале связи/управления/синхронизации (маркере) в первом слоте каждого кадра. Передача маркера на каждой активной частоте имеет свое смещение относительно начала ведущего кадра, указанное в системной таблице. На одном ДКМВ канале НК 1 обеспечивает обслуживание до 26 ПО 3 при типичной для УВД и АОК интенсивности потока сообщений с борта 11 сообщений/час, с земли 6 сообщений/час при средней задержке передачи пакета, не превышающей 60 с. В специальном режиме автоматического периодического вещания с бортов в ДКМВ диапазоне информации о координатах с помощью режима HFDL на одном частотном канале можно обслужить до 12 ПО 3 при интервале слежения Т=32 секунды, 24 ПО 3 при Т=64 с, 36 ПО 3 при Т=96 с, 48 ПО 3 при Т=128 с и т.д.
Основное преимущество использования введенных на ПО 3 устройств 17, 16, 15, 14, 13, 12, основанных на принципах интегрированной модульной авионики (ИМА), представленных, например в [7, 8, 9], и методе «радио, задаваемого программой», состоит в высшем уровне конфигурируемости и гибкости, предоставляемом архитектурой. Высший уровень конфигурируемости, реализуемый в предлагаемом оборудовании ПО 3 - это полностью гибкие виды модуляции, протоколы уровня линии, сети и пользовательские функции, возможность изменения ширины полосы сигнала и центральной частоты по программе в широких пределах [7]. Благодаря заявленной системе появляется возможность создания (с помощью бортового вычислителя 5 и соответствующих модулей 15, 14 с широкодиапазонным радиочастотным модулем 16) широкодиапазонной программируемой радиостанции нового типа, работающей совместно с широкодиапазонным АФУ 17 как в MB, так и в ДКМВ диапазонах. Модуль 15 физического уровня ПО 3 содержит высокоскоростные с большим динамическим диапазоном АЦП и ЦАП и базируется на высокопроизводительных сигнальных процессорах, которые в цифровом виде
реализуют большинство функций физического уровня, например, операции частотного преобразования, фильтрации, синтеза частот, приемовозбудителя. Он предназначен для формирования и обработки радиосигналов на физическом уровне (кодирования/декодирования, перемежения/деперемежения, скремблирования/дескремблирования данных, модуляции/демодуляции, реализации адаптивных методов передачи и приема сигналов, полосовой фильтрации, преобразования частоты и т.п.). Модуль 14 канального уровня обеспечивает протоколы выбора частот связи, составления линии связи, обмена данными уровня линии и доступа к подсети «Воздух-Земля», обмена с модулем 13 маршрутизации ПО 3, обеспечения отказоустойчивого режима работы и другие процедуры. Модуль 13 маршрутизации обеспечивает распределение сообщений «Воздух-Земля» принятых из MB и ДКМВ каналов в виде пакетов ISO 8208 или пакетов ACARS конечным потребителям на борту и в обратном направлении. Модуль 12 интерфейсов обеспечивает все необходимые интерфейсы с бортовым оборудованием, например, по протоколам ARINC 429, ARINC 664, ARINC 646 и другим.
ШД АФУ 17 и модули 16, 15, 14 интегрируют функции радиостанций MB и ДКМВ диапазонов, аппаратуры передачи данных (кодека, модема) с программной реализацией режимов работы аппаратуры (видов модуляции, кодирования) с возможностью введения новых режимов работы модулей программным способом через шину 18, бортовой вычислитель 5 и соответствующие последовательно соединенные модули 12 и 13, входящие в вычислительный модуль 11 связи. Широкодиапазонный радиочастотный модуль 16 содержит радиочастотное аналоговое оборудование. Вычислительный модуль связи 11, входящий в состав ПО 3, обеспечивает функциональное взаимодействие с бортовыми устройствами 5, 7, 8, 9, 10 и 15 и датчиками 6 событий.
Модуль 14 канального уровня предназначен для управления выбором частотных каналов, установлением линий связи и регистрацией на НК 1, для упаковки, распаковки сообщений, управления доступом к каналу, дополнительного кодирования/декодирования избыточным циклическим кодом CRC для обнаружения ошибок, не исправленных на физическом уровне, автоматического запроса повторения, криптозащиты на канальном уровне, управления изоляцией неисправностей и восстановлением работоспособности за счет реконфигурации бортовой системы и т.п. Он реализуется, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems.
Модуль 13 маршрутизатора взаимодействует с модулем 14 канального уровня на уровне доступа к подсети по протоколу ISO 8208 (в среде ATN) или протоколу ARINC 619 (в среде ACARS) в соответствии с заданными режимами передачи данных и может быть реализован на универсальном вычислителе типа платы процессорной 5066-586-133MHz-1 MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems.
Модуль 12 интерфейса обеспечивает взаимодействие вычислительного модуля 11 связи с бортовой авионикой (устройствами 5, 6, 7, 8, 9, 10) по разным стыкам, например, дискретный сигнал в соответствии с ARINC 429, ARINC 664, ARINC 646, разовая команда и через бортовой вычислитель 5, двунаправленную шину 18 с системой управления подвижным объектом 3. Он может быть выполнен, например, на коммутаторе AFDX [10].
Модуль 15 физического уровня обеспечивает параллельную обработку в реальном масштабе времени сигналов всех b широкодиапазонных радиочастотных модулей 16, необходимых совместно с модулями 17 для организации линий передачи данных в ДКМВ и MB диапазонах. Причем при неисправности одного из модулей 16, соединенного с бортовым широкодиапазонным антенно-фидерным устройством 17, программно подключается взамен вышедшего из строя модуля 16 другой исправный модуль 16 с помощью модуля 14 канального уровня, выполненного, например, на универсальном вычислителе. В этом случае все функции обработки и формирования сигнала соответствующего радиоканала связи, обработки данных и закрытия информации (при необходимости) будут выполнены программным способом в виде законченных программных модулей. Взаимодействие программных модулей будет осуществляться по заранее определенным правилам взаимодействия (протоколам и процедурам взаимодействия, входным и выходным данным), что обеспечит их оперативное изменение (замена программного кода), при необходимости, в процессе полета. Это обеспечивает возможность формирования и обработки любого сигнала и данных, закрытие информации, интерфейс с внешним оборудованием по различным алгоритмам и стандартам даже в том случае, когда ПО 3 находится на границах 2 зон ответственности автоматизированных систем управления воздушным движением, в которых для обмена данными между НК 1 и ПО 3 используются различные режимы линии передачи данных, например, VDL-2 и VDL-4. Таким образом, на уровне каналов связи (физический, канальный уровни, включая криптозащиту канала, доступа к сети) модуль 16,
соединенный с бортовым ШД АФУ 17, совместно с модулем 15 физического уровня и модулем 14 канального уровня обеспечивают совместимость с различными типами линий передачи данных «Воздух-Земля». Кроме этого модуль 15 осуществляет установку частоты передачи, ширину полосы, и т.д. Модуль 15 строится на быстродействующих сигнальных процессорах, которые включает в себя:
- интерфейсы и шлюзы (ввода-вывода и преобразования данных) на базе, например, матрицы шлюзов, программируемых полями (FPGA (Field Programmable Gate Array)) no технологии PCI(VME);
- сигнальные процессоры, например, типа DSP ADSP-21060 (фирмы Analog Devices), программируемых логических интегральных схем EPF10K50 (фирмы AI-tera), контроллеров AVR ATmega16 (фирмы Atmel) для контроля и управления процессом обработки (для модемов-кодеков, фильтров);
- универсальный вычислительный процессор, реализующий протоколы обмена данными «Воздух-Земля», обнаружение и изоляцию неисправностей внутри модуля 15, реконфигурацию модуля 15.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы функционирования и соответствующее программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы и шины 1, 2, 4-10, 18-31 одинаковые с прототипом. Вводимые узлы 17 и 16 могут быть выполнены на базе технических решений ОКР «Канис» [19]. Вычислители 5 и 24 могут быть выполнены на плате процессорной 5066-586-133MHz-1 MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems и ЭВМ типа «Багет-01-07» ЮКСУ.466225. 001 соответственно. Бортовые широкодиапазонные антенно-фидерные устройства могут быть выполнены, например, на комбинации антенн MB и ДКМВ диапазонов, разделенных по частоте соответствующими полосовыми фильтрами.
Таким образом, вводимое бортовое оборудование ПО 3 выполняет функции каналообразования (комплекта радиостанций), аппаратуры передачи данных (кодека, модема, контроллера протоколов канального уровня) с программной реализацией режимов работы аппаратуры (видов модуляции, кодирования, протоколов обмена) с возможностью введения новых режимов работы программным способом через внешний интерфейс (шину 18). Бортовое оборудование ПО 3 представляет собой конструктивное и функциональное техническое решение с максимальным использованием цифровой обработки сигналов в отдельных устройствах, выполняющих функции фильтрации, частотного преобразования, усиления, формирования и обработки сигналов (кодирования, декодирования, модуляции,
демодуляции, выбора частоты и т.д.), управления протоколами обмена данными «Воздух-Земля», менеджмента связью (маршрутизации сообщений), обмена с авионикой борта, слежения за технической исправностью не только для обнаружения отказов, но и для изоляции отказов и реконфигурации аппаратуры для обеспечения высокой аппаратурной надежности. Эта способность позволяет обеспечить близкую к 1 вероятность работы оборудования без отказов во время полета, даже при наличии неисправностей некоторых модулей без внеурочного обслуживания (только регламентное обслуживание по расписанию), упростить замену и ремонт отказавших модулей. Резервирование ресурсов обеспечивается как на уровне электронных компонентов, так и на уровне модулей.
Заявляемая модель имеет следующие преимущества:
- повышается аппаратурная надежность бортового оборудования за счет автоматического резервирования и реконфигурации, что особенно важно во время полета;
- упрощается эксплуатация аппаратуры ПО 3 - остается только регламентное обслуживание по расписанию с заменой и ремонтом отказавших модулей;
- повышается надежность связи между НК 1 и ПО 3, находящимся на границах двух зон ответственности автоматизированных систем управления воздушным движением, в которых для обмена данными между НК 1 и ПО 3 используются различные режимы линии передачи данных, и разные приложения CNS/ATM. Это обеспечивается за счет автоматического выполнения процедур поддержки связи, идентификации наземной станции, начальной установки линии, модификации параметров линии, процедур «хэндофф», автонастройки и других процедур ведения MB связи и программного выбора требуемого режима работы бортового комплекса. Например, в одной зоне приложение CPDLC реализуется НК 1 в режиме передачи данных VDL-ACARS сигналами AM-MSK со скоростью 2400 бит/с, в другой зоне это же приложение реализуется в режиме передачи данных VDL-2 сигналами D8PSK со скоростью 31500 бит/с, в третьей зоне приложение ADS-B реализуется в режиме передачи данных VDL-4 сигналами GFSK со скоростью 19200 бит/с и т.п. Эти новые возможности ПО 3 обеспечивают повышение интероперабельности, цельности, транспарантности системы ОрВД.
- повышается дальность, надежность, оперативность, достоверность ДКМВ связи, эффективность использования частотного спектра за счет использования адаптивных методов приема, адаптации по частоте, скорости передачи данных,
видам модуляции и кодирования, протокола множественного доступа к каналу с частотным и временным разделением;
- алгоритмы обработки сигналов с датчиков и других периферийных устройств остаются прежними, что снижает вероятность ошибок при программировании вычислительного модуля связи;
- предложенной структурой могут быть решены задачи перехода от разработок бортовых комплексов связи, изменение характеристик которых определяется изменением аппаратной части, к устройствам, легко модернизируемым на базе программного обеспечения при неизменной аппаратной части. Достоинства такой структуры очевидны:
- увеличивается срок службы - жизненный цикл оборудования в условиях непрерывного совершенствования протоколов обмена данными «Воздух-Земля»;
- сокращается число и номенклатура запасного имущества и принадлежностей из-за использования однотипных узлов в бортовом оборудовании;
- упрощается процесс эксплуатации - замена неисправного радиочастотного модуля в полете осуществляется автоматически однотипным модулем для всех диапазонов с соответствующим введенным программным обеспечением. Регламентное техническое обслуживание осуществляется строго по расписанию;
- уменьшается стоимость модернизации оборудования за счет коррекции только программного обеспечения.
В результате повышается интероперабельность, цельность, транспарантность, системы радиосвязи с подвижными объектами, являющейся объектом системы ОрВД, и улучшается качество обслуживания воздушных судов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Патент РФ №44907 U1. М. кл. Н04В 7/00, 2005.
2. Патент РФ (полезная модель) №52290 U1, М. Кл. Н04В 7/26. (прототип).
3. Д.С.Конторов, Ю.С.Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.; Сов. Радио, 1971, 367 с.
4. Б.И.Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция» ИКАО CNS/ATM. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
5. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
6. Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.
7. RTCA/DO-297. Руководство по разработке ИМА и рассмотрение ее сертификации, 2005.
8. ARINC 651. Руководство по разработке интегрированной модульной авионики. 1991.
9. ARINC 653-1. Стандартные интерфейсы программного обеспечения приложений авионики. 2003.
10. ARINC 664. Бортовая сеть передачи данных. В 7-ми частях. 2005.
11. ARINC 753-3. Система ДКМВ передачи данных HFDL 2001.
12. ARINC 635-3. Протоколы ДКМВ передачи данных HFDL. 2001.
13. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Новые информационные технологии в авиации: Учеб. Пособие / P.M.Ахмедов, А.А. Бибутов, А.В.Васильев и др.; под ред. С.Г.Пятко и А.И.Красова. - СПб.: Политехника, 2004.
14. RTCA/DO-224A. Стандарты минимальных характеристик структур сигналов в эфире авиационных систем (MASPS) для улучшенной ОВЧ цифровой передачи данных, включая совместимость с технологиями цифровой речи. 2000.
15. RTCA/DO-265. Стандарты минимальных требований к эксплуатационным характеристикам (MOPS) для авиационной мобильной высокочастотной линии данных (HFDL). 2000.
16. Приложение 10 к соглашениям ИКАО. Том 3. Часть 1. Глава 6. ОВЧ линия цифровой связи (VDL) «Воздух-Земля».
17. Приложение 10 к соглашениям ИКАО. Том 3. Часть 1. Глава 11. ВЧ линия передачи данных (HFDL).
18. ED-100A Требования по взаимодействию приложений обслуживания воздушного движения (ATS), использующих средства передачи данных по ARINC 622.2000.
19. Эскизно-технический проект по ОКР «Канис». ФГУП «НПП «Полет»; Нижний Новгород. 2005, 260 с.