СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Полезная модель относится к системам обмена данными и может быть использована для реализации информационного обмена между подвижными объектами (ПО) и источниками (получателями) информации через наземные комплексы (НК).
Известна система радиосвязи с подвижными объектами [1]. В этой системе во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземным комплексом из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру передачи данных поступают в вычислитель АРМ 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 постоянной радиосвязи со всеми N ПО. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, необходимость ретрансляции сигналов определяется программно. Один из ПО назначается ретранслятором сообщений или для связи выбирается канал ДКМВ диапазона. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ПО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) ПО или канала ДКМВ диапазона, может быть доставлено N-му ПО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ПО, назначенного ретранслятором в канале MB диапазона, и адреса воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО сообщения анализируются в блоке анализа типа сообщений для решения вопроса о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ПО.
В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов с НК, осуществляется адресный опрос ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ПО после прохождения через антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного объекта. Далее сообщение передается в блок анализа типа ретранслируемого сообщения, где происходит дешифрация полученного заголовка (служебной части) сообщения, и определяется в каком режиме должна работать аппаратура ПО. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных. Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу «оператор-пилот» взамен существующей речевой информации. Они предназначены для выбора элементов сообщений разрешения/информации/запроса, которые соответствуют принятой речевой фразеологии, и набора произвольного текста. Отображение набираемых и принятых сообщений осуществляется на блоке регистрации данных ВО и мониторе АРМ НК соответственно. Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОHACC/GPS записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ПО обрабатываются в наземном вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
Однако следует отметить следующие недостатки:
- отсутствует анализ состояния ионосферы и параметров каналов связи в ДКМВ диапазоне на данный момент времени и соответствующая оперативная коррекция планов связи с ПО. Поэтому существующее планирование связи малоэффективно, поскольку вместо постоянно меняющихся исходных данных о состоянии ионосферы используются среднестатистические данные, которые могут отличаться для конкретного времени суток и связь в ДКМВ диапазоне будет неустойчивой;
- формирование плана связи, как правило, осуществляется на основе специализированных пакетов прикладных программ, включающих модели солнечного цикла и ионосферного распространения радиоволн с учетом параметров приемопередающей аппаратуры и антенн. Тем не менее, несмотря на совершенство самих программ, вероятность точного прогноза в реальном масштабе времени мала.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными о5ъектами [2], которая и принята за прототип. В этой системе радиосвязи с подвижными объектами, состоящей из М наземных комплексов (НК), соединенных радиоканалами связи с N подвижными объектами (ПО), а между собой НК соединены двухсторонними связями с помощью наземной сети передачи данных. Наземный комплекс содержит наземные антенны и радиостанции MB и ДКМВ диапазонов. Управление обменом данными между НК и ПО осуществляется с помощью вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ). Общая синхронизация процессов обработки сигналов в системе обеспечивается тактовыми импульсами приемника сигналов навигационных спутниковых систем.
В состав каждого из подвижных объектов входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, вход/выход которого соединен с входом блока регистрации данных и через последовательно соединенные бортовую аппаратуру передачи данных, бортовую радиостанцию подключен к бортовой антенне. Первый и второй входы/выходы бортовой радиостанции ДКМВ диапазона подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам бортового вычислителя и бортовой аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к бортовой антенне ДКМВ диапазона. Передающие станции ДКМВ диапазона в количестве В штук подключены двухсторонними связями к наземной сети передачи данных, а по радиоканалам - к М наземным комплексам. В состав наземного комплекса системы входят: модуль сопряжения, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной сети передачи данных, К направленных антенн ДКМВ диапазона с соответствующими К приемниками ДКМВ диапазона, соединенными с соответствующими К входами/выходами, вычислителя автоматизированного рабочего места. Каждая из В передающих станций ДКМВ диапазона содержит антенну ДКМВ диапазона, подключенную через последовательно соединенные передатчик ДКМВ диапазона и формирователь сигналов к соответствующему входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места.
В ситуации, когда одно или несколько ПО вышли за пределы прямой видимости соответствующего НК или не удается организовать с этими ПО обмен данными даже через цепочку, состоящую из (N-1)-го ПО, осуществляется переход по взаимно увязанным во времени командам с бортового и наземного вычислителей на замену радиолинии связи MB диапазона на радиолинию связи ДКМВ диапазона, состоящую из бортовой радиостанции ДКМВ диапазона, бортовой антенны ДКМВ диапазона, наземной радиостанции ДКМВ диапазона, наземной антенны ДКМВ диапазона.
С помощью модуля сопряжения с наземной сетью передачи данных для каждого из ПО, оборудованному ДКМВ радиостанцией, осуществляется передача (прием) пакетов данных на несколько наземных комплексов. В этом случае на ПО по принятым маркерам определяется НК, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В бортовом и наземном вычислителях хранятся предварительно заложенные таблицы со списками и параметрами НК, передающих станций ДКМВ диапазона и наборами назначенных им частот. В бортовом вычислителе заложены также координаты всех НК. Каждый НК периодически излучает сигналы управления/синхрониизации/связи, используемые на ПО в качестве маркеров, на всех назначенных ему частотах, Принимаемые на ПО радиосигналы используются для оценки параметров канала связи ДКМВ диапазона. Для установления линии связи с НК в бортовом вычислителе 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 для реализации известного принципа адаптации по частоте и пространству. По измеренному отношению сигнал-помеха, в бортовом вычислителе выбирается скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения сигнал-помеха осуществляется всеми НК и ПО каждый раз при приеме информационного сообщения или сигнала управления/синхронизации/связи. Сведения об оптимальном на данный момент времени канале сообщаются на противоположную сторону в виде рекомендуемых частот и скорости передачи данных.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- анализ качества радиоканала связи на ПО осуществляется всего по одному каналу связи (с помощью приема и оценке сигнала на одной частоте), что затрудняет организацию режима адаптации;
- из-за негибкой неперестраиваемой структуры в системе могут быть определены оптимальные частоты только в одном конкретном направлении;
- при сканировании ионосферы в системе вносятся помехи в приемники собственного НК и на входы приемников удаленных НК, находящихся в направлении главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны;
- не используются сигналы существующих зарубежных (с известными координатами) передающих станций ионосферного мониторинга и узлов системы HFDL, имеющих известное время формирования маркеров (зондирующих сигналов) и сетки известных выделенных частот;
- отсутствует обмен данными об оптимальных частотах в конкретном направлении между разнесенными в пространстве наземными комплексами.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности связи в ДКМВ диапазоне за счет выбора оптимальной частоты и наземного комплекса для обмена данными между ПО и НК в определенном отрезке времени, так как дальняя радиосвязь в ДКМВ диапазоне считается наиболее дешевой и эффективной, особенно в районах за полярным кругом.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из М наземных комплексов (НК), соединенных радиоканалами связи с N подвижными объектами (ПО), а между собой подключены двухсторонними связями наземной сети передачи данных с входом/выходом системы, причем наземный комплекс содержит наземную антенну MB диапазона, наземную радиостанцию MB диапазона, подключенную двухсторонними связями через наземную аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), первый вход которого подключен к наземному приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений, соединенный с соответствующим входом вычислителя АРМ, первый и второй входы/выходы наземной радиостанции ДКМВ диапазона подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к наземной антенне ДКМВ диапазона, в состав каждого из подвижных объектов входят бортовые датчики, бортовой приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, бортовой вычислитель соединен с входом блока регистрации данных и через последовательно соединенные бортовую аппаратуру передачи данных, бортовую радиостанцию MB диапазона подключен к бортовой антенне MB диапазона, первый и второй входы/выходы бортовой радиостанции ДКМВ диапазона подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам бортового вычислителя и бортовой аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к бортовой антенне ДКМВ диапазона, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого ПО, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, В передающие станции ДКМВ диапазона, подключенные двухсторонними связями к наземной сети передачи данных с входом/выходом системы, а по радиоканалам - к М наземным комплексам, модуль сопряжения, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной сети передачи данных с входом/выходом системы, К направленных антенн ДКМВ диапазона с соответствующими К приемниками ДКМВ диапазона, соединенными двухсторонними связями с соответствующими К входами/выходами, вычислителя автоматизированного рабочего места, каждая из В передающих станций ДКМВ диапазона содержит антенну ДКМВ диапазона, подключенную через последовательно соединенные передатчик ДКМВ диапазона и формирователь сигналов к соответствующему входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места, первый вход которого подключен к наземному приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, модуль сопряжения подключен двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной сети передачи данных с входом/выходом системы, в состав каждого ПО системы дополнительно введены L приемников ДКМВ диапазона, соединенных двухсторонними связями с соответствующими L входами/выходами бортового вычислителя, входы L бортовых приемников ДКМВ диапазона подключены к бортовой антенне ДКМВ диапазона, а наземный комплекс имеет дополнительный вход для приема радиосигналов ДКМВ диапазона от источников излучения, не входящих в систему.
На фиг.1 представлена структурная схема системы радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - подвижный объект;
3 - наземная сеть передачи данных с входом/выходом 4 системы;
34 - вход для приема радиосигналов ДКМВ диапазона от источников излучения, не входящих в систему.
На фиг.2, 3 и 4 представлены структурные схемы подвижного объекта 2, наземного комплекса 1 и передающей станции 30 ДКМВ диапазона, входящие в состав системы радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
5 - бортовой вычислитель;
6 - бортовые датчики;
7 - бортовой приемник сигналов навигационных спутниковых систем ГЛОHACC/GPS;
8 - блок регистрации данных;
9 - бортовая аппаратура передачи данных;
10 - бортовая радиостанция MB диапазона;
11 - бортовая антенна MB диапазона;
12 - наземная антенна MB диапазона;
13 - наземная радиостанция MB диапазона;
14 - наземная аппаратура передачи данных;
15 - вычислитель АРМ на базе ПЭВМ;
16 - наземный приемник сигналов навигационных спутниковых систем;
17 - монитор АРМ;
18 - пульт управления АРМ;
19 - анализатор типа принимаемых сообщений;
20 -двунаправленная шина системы управления подвижным объектом;
21 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
22 - наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений;
23 - бортовая радиостанция ДКМВ диапазона;
24 - бортовая антенна ДКМВ диапазона;
25 - наземная радиостанция ДКМВ диапазона;
26 - наземная антенна ДКМВ диапазона;
27 - модуль сопряжения;
28 - К приемников ДКМВ диапазона;
29 - К направленных антенн ДКМВ диапазона;
30 - В передающих станций ДКМВ диапазона;
31 - формирователь сигналов;
32 - передатчик ДКМВ диапазона;
33 - антенна ДКМВ диапазона;
35 - L бортовых приемников ДКМВ диапазона.
Алгоритм работы системы радиосвязи с ПО 2 заключается в проведении непрерывного анализа во всех НК 1 и ПО 2 источников радиосигналов ДКМВ диапазона, как входящих в состав системы, так и работающих вне ее, совместной обработки их, выработке решения и выдачи (при необходимости) на подвижные объекты в следующих сообщениях номинала частоты рабочего канала с лучшими на данный момент времени параметрами. Анализ может быть проведен, например, по наиболее мощному из принятых в данный момент радиосигналов с выбранного направления.
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты 2, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются по радиолинии связи MB диапазона с наземным комплексом 1 навигационными данными и данными оценки каналов ДКМВ диапазона, полученными с помощью бортовых средств по радиосигналам (маркерам), принятым от разных НК 1 и удаленных станций наклонного зондирования ионосферы. Принимаемые наземной радиостанцией 13 из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру 14 передачи данных поступают в наземный вычислитель 15 АРМ, который может быть выполнен на базе серийной ПЭВМ. В нем в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 15 АРМ. В вычислителе 15 АРМ по данным, полученным со всех ПО 2 в зоне связи, определяются оптимальные на данный момент времени частоты, которые назначаются радиостанциям 25 и 23. Поэтому в наземном вычислителе 15 АРМ каждого НК 1 системы решаются задачи обеспечения постоянной устойчивой радиосвязи со всеми N ПО 2, и на основе информации о местонахождении всех ПО 2 и параметрах их движения, оптимальных частотах, осуществляются операции: запоминания этих сообщений в наземном вычислителе 15 АРМ НК 1, оперативной коррекции плана связи и вывод необходимых данных на экран монитора 17 АРМ НК 1 в виде, удобном для восприятия оператора (диспетчера). Кроме того, в наземном вычислителе 15 АРМ наземного комплекса 1 запоминаются координаты передающих станций ДКМВ диапазона, их координаты, мощность излучения, тип антенны 33 ДКМВ диапазона (ненаправленная или направленная по азимуту с заданным коэффициентом усиления), излучаемые частоты или группа частот.
i
i
Для организации процесса ретрансляции на НК 1 в формирователе 22 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладываются номер ПО 2, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных объектов 2, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО 2 сообщения обрабатываются в блоке 19 анализа типа сообщений. Если сообщение предназначено для данного ПО 2, то после анализа решается вопрос о трансляции данных по двунаправленной шине 20 на систему управления ПО 2, не указанную на фигуре 1, или в режиме ретрансляции - о передаче их на следующий по трафику ПО 2. Загрузка в память бортового вычислителя 5 необходимых данных, в том числе плана связи, осуществляется в виде системной таблицы при предстартовой подготовке подвижного объекта 2 через вход/выход 4 аппаратуры наземной сети 3 передачи данных. План связи при ухудшении параметров радиоканала может быть скорректирован по результатам анализа в НК 1 радиосигналов передающей станции 30 ДКМВ диапазона или не входящей в систему передающей станции ДКМВ диапазона, находящейся в направлении местоположения ПО 2, с которым должен быть проведен сеанс связи и выбрана для обмена частота рабочего канала с лучшими на данный момент времени параметрами.
i
Принимаемая на ПO 2 информация отображается на экране бортового блока 8 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов, в виде точек и векторов или в другом виде.
Сообщения о местоположении ПО 2 и параметрах его движения, например, с выходов приемников 7 и 16 сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS или с выходов инерциальных систем записываются в память вычислителей 5 и 15 НК 1 и В передающих станций 30 ДКМВ диапазона с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 5 и 15 эти данные используются для расчета навигационных характеристик, параметров движения каждого ПО, формирования передаваемых сигналов и оценки качества принимаемого в канале связи ДКМВ диапазона сигнала. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ПО 2 в вычислителе 5 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 2. Это время используется в вычислителе 15 НК 1 для известной операции построения экстраполяционных отметок от ПО 2 при отсутствии информации о его местоположении [3]. В аппаратуре передачи данных 9 и 14 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования, сопряжения с узлами 5, 10, 23 - на ПО 2 и с узлами 15, 13, 26 - на НК 1 и другие.
В ситуации, когда одно или несколько ПО 2 вышли за пределы прямой видимости с НК 1 или не удается организовать с этими ПО 2 обмен данными даже через цепочку, состоящую из (N-1)-го ПО 2, осуществляется переход по взаимно увязанным во времени командам с бортового и наземного вычислителей 5 и 15 НК 1 на замену радиолинии связи MB диапазона на радиолинию связи ДКМВ диапазона, состоящую из бортовой радиостанции 23 ДКМВ диапазона, бортовой антенны 24 ДКМВ диапазона, наземной радиостанции 25 ДКМВ диапазона, наземной антенны 26 ДКМВ диапазона. Привязка ко времени этих команд осуществляется с помощью меток глобального времени, поступающих в вычислители 5 и 15 с выходов приемников 7 и 16 сигналов навигационных спутниковых систем.
Для увеличения надежности передачи данных на подвижные объекты, находящиеся за пределами прямой видимости с НК 1, при использовании радиолинии ДКМВ диапазоне в вычислителях 5 и 15 НК 1 и аппаратуре передачи данных 9 и 14 используются следующие известные технологии [4, 5, 6]:
- анализ радиосигналов, транслируемых с НК 1, ПО 2, передающих станций 30 ДКМВ диапазона и других передающих средств ДКМВ диапазона для определения наиболее оптимального на данный момент времени рабочего канала связи;
- адаптация системы радиосвязи к изменению условий распространения радиоволн по частоте и по пространственному разнесению;
- динамическое управление частотой для выделения более мощного из нескольких радиосигналов;
- адаптация системы радиосвязи по скорости передачи данных, видам модуляции и кодирования, использование методов решающей обратной связи при приеме сообщений, компенсация задержки, многолучевости, сосредоточенных по спектру помех, доплеровских сдвигов частоты;
- привязка всех абонентов системы к единому глобальному времени.
Для определения оптимальных частот ДКМВ диапазона в конкретном направлении используются, например, или наземная передающая направленная антенна с приводом или несколько неподвижных наземных антенн с соответствующими передатчиками, а также приемные антенны, например, выполненные на основе фазированных антенных решеток, управляемых командами с вычислителя 15. Автоматическая (программная) установка главных лепестков наземной передающей и приемной антенн может быть использована для быстрого зондирования области воздушного пространства, в которой наиболее вероятно может находиться сопровождаемый ПО 2. Выбор по результатам зондирования ионосферы из нескольких рабочих точек оптимальной частоты для обмена радиосигналами в данный момент времени с ПО 2, находящегося в определенной точке воздушного пространства, обеспечивает повышение надежности связи в ДКМВ диапазоне. На основе анализа информации всех НК 1 в вычислителе 15 АРМ НК1, определенным ведущим, рассчитывается текущее местоположение подвижных объектов 2, оптимальные на данный момент времени частоты для них и наземные комплексы, направление с которых для выбранного ПО 2 позволяет обеспечить наибольшую величину надежности связи. В вычислителе 15 АРМ анализируются также радиосигналы ДКМВ диапазона, принимаемые с ПО 2 с одновременным определением его местоположения. Полученная оценка параметров радиоканала на заданной частоте для определенного направления учитывается при общем распределении частот при организации связи в направлении «выбранный НК - конкретный ПО». Выбор оптимальной частоты в вычислителе 15 АРМ НК 1 осуществляется путем комплексирования измерений, полученных, в том числе, на основе зондирования ионосферы, обработки сигналов, например, с зарубежных станций зондирования ионосферы и системы HFDL, оценки результатов проверки качества радиолиний связи ДКМВ диапазона по ответным сигналам с подвижных объектов 2, находящихся в заданной области воздушного пространства.
В системе используется комбинированный множественный доступ к каналу связи с частотным и временным разделением. Частотное разделение осуществляется с помощью назначения различным наземным комплексам 1 активных частот разных номиналов, а временное - с помощью деления времени использования каждого активного частотного канала на временные интервалы. Дополнительные входы 34 на НК 1 соответствуют нескольким (в зависимости от числа выбранных для анализа источников излучения в ДКМВ диапазоне) из К средств 28 и 29. При приеме на НК 1 (вход 34) сигналов других передающих станций ДКМВ диапазона, не входящих в систему, например, с зарубежных станций зондирования ионосферы и системы HFDL, непосредственно в системе потребуется меньше передатчиков с направленными антеннами, стоимость которых, в основном, определяет затраты на развертывание системы.
В вычислителе 15 АРМ НК 1 прогнозируются системные характеристики (задержка передачи пакета) на каждом выделенном частотном канале и выставляется флаг занятости канала в маркере, когда критическое число ПО 2 зарегистрировалось на канале, чтобы прекратить доступ к нему новых корреспондентов и гарантировать заданные системные характеристики (задержку передачи пакета не более допустимой).
Для устранения помех приемникам собственного НК 1 и на входах приемников удаленных НК, например, находящихся в направлении главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны 12 с вычислителя 15 передающей станции 30 вводится запрет на время зондирования на соответствующих рабочих частотах. Это обеспечивается вводом плановых данных по рабочим частотам всех НК 1 с привязкой ко времени с вычислителя 15 головного наземного комплекса через соответствующие блоки и наземную сеть 3 передачи данных, коррекцией их с клавиатуры АРМ собственного НК 1. Кроме того, в вычислителе 15 рассчитываются частоты, комбинационные составляющие которых могут находиться в полосе частот приема собственного НК 1, и формируется команда запрета зондирования на этих частотах. Соединение по наземной сети 3 передачи данных всех НК 1 и передающих станций 30 ДКМВ диапазона с вычислителями 15 в их составе необходимо для исключения излучения на частотах, которые используются в данный момент времени для обмена данными. Передающие станции 30 ДКМВ диапазона, используемые для наклонного зондирования ионосферы, пространственно удалены от НК 1 для устранения приема радиоизлучений, мешающих процессу связи.
В этом случае на ПО 2 по принятым маркерам определяется НК 1, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В бортовом и наземном вычислителях 5 и 15 хранятся предварительно заложенные таблицы со списками и параметрами наземных комплексов 1, передающих станций ДКМВ диапазона и наборами назначенных им частот. В бортовом вычислителе 5 заложены также координаты всех НК 1 и станций 30. Каждый НК 1 периодически излучает сигналы управления/синхронизации/связи, используемые на ПО 2 в качестве маркеров, на всех назначенных ему частотах, Принимаемые на ПО 2 эти радиосигналы используются для оценки параметров каналов связи на разных частотах ДКМВ диапазона. Для установления линии связи с НК 1 в бортовом вычислителе 5 ПО 2 автоматически анализируются принимаемые сигналы управления/синхронизации/связи от всех наземных комплексов 1 и радиосигналы от станций 30 на всех заранее известных частотах и выбираются лучшие частоты (например, по отношению сигнал-помеха или величине мощности принимаемого сигнала) и наземные комплексы 1 для реализации известного принципа адаптации по частоте и пространству. По измеренному отношению сигнал-помеха, в бортовом вычислителе 5 ПО 2 выбирается скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения сигнал-помеха осуществляется всеми НК 1 и ПО 2 каждый раз при приеме информационного сообщения или сигнала управления/синхронизации/связи. Сведения об оптимальном на данный момент времени канале сообщаются на противоположную сторону в виде рекомендуемых частоты и скорости передачи данных. В АПД 9 и 14 при работе на радиостанцию ДКМВ диапазона могут быть использованы известные алгоритмы, например, высокоскоростных адаптивных модемов, рассчитанных на работу в каналах с многолучевостью. Для повышения достоверности приема информации может быть использован помехоустойчивый код, например, циклический. Программное обеспечение вычислителя 15 АРМ на базе ПЭВМ представляет собой многозадачный комплекс, в котором задачи планирования связи и обмена данными решаются следующим образом.
После запуска в НК 1 вычислителя 15 АРМ на базе ПЭВМ осуществляется идентификация наземной аппаратуры передачи данных 14. После успешной идентификации в АПД 14 загружается текущее время и плановые данные по связи. Регистрация данных информационного обмена с АПД 14 (служебные и информационные части сообщений, контрольные запросы состояний составных частей АПД 14, коды текущих событий и их словесные интерпретации) осуществляется в базе данных вычислителя 15 АРМ на базе ПЭВМ в НК 1. В этой базе данных сохраняются данные информационного обмена НК 1 с ПО 2.
В режиме управления ПО 2 с НК 1 из базы данных выбираются сформированные плановые данные по связи для загрузки в АПД 14. В вычислителе 15 АРМ на базе ПЭВМ НК 1 обеспечивается многосторонний визуальный анализ функционирования АПД 14 и контроль передающих трактов на соответствие плановым данным по связи и состояния тракта («исправен», «неисправен»). Программно обеспечивается: информационный обмен с ПО 2 формализованными сообщениями, которые реализуют функции проверки связи, изменение рабочей частоты радиостанций 10 и 23, загрузку плановых данных по связи в бортовой вычислитель 5.
В вычислителе 15 АРМ на базе ПЭВМ в НК 1 выполняется операции переформатирования кодограммы из формата канала «воздух-земля» в формат наземной сети передачи данных 3 с запоминанием в базе данных и из формата наземной сети передачи данных 3 в формат канала «воздух-земля» с запоминанием в базе данных, обеспечивается взаимодействие с модулем сопряжения 27 по передаче/приему кодограмм в формате наземной сети передачи данных и формируется управляющий сигнал завершения передачи или приема кодограммы. Радиосигналы с В передающих станций 30 ДКМВ диапазона через К направленных антенн 29 ДКМВ диапазона поступают на входы К приемников 28 и L приемников ДКМВ диапазона. Число К и L выбирается таким образом, чтобы обеспечить связь с любым ПО 2, находящимся в зоне по азимуту, равной 360 градусов. Число каналов в каждом из К приемников 28 ДКМВ диапазона зависит от числа рабочих частот В передающих станций 30 ДКМВ диапазона. В вычислителе 15 АРМ на базе ПЭВМ всех НК 1 осуществляется непрерывный анализ радиосигналов передающих станций 30 ДКМВ диапазона, совместная обработка их, выработка решения и выдача в следующих сообщениях (при необходимости) на подвижные объекты 2 номинала частоты рабочего канала с лучшими на данный момент времени параметрами, а также контроль их работоспособности. Анализ в приемниках 28 и 35 ДКМВ диапазона может быть проведен, например, по наиболее мощному из принятых в данный момент радиосигналов или величине отношения сигнал/шум.
Каждая из В передающих станций 30 ДКМВ диапазона содержит вычислитель 15 АРМ на базе ПЭВМ. Операции, осуществляемые с узлами 16, 17, 18 и 27 аналогичны приводимым в вычислителе 15 АРМ на базе ПЭВМ в НК 1. Формирователь сигналов 31 осуществляет формирование видеосигналов, передаваемых на вход передатчика 32 ДКМВ диапазона. Форма видеосигналов зависит от управляющего сообщения с вычислителя 15 АРМ на базе ПЭВМ передающей станции 30 ДКМВ диапазона, например, пачка одиночных импульсов, линейно-частотно-модулированный сигнал и другие. В передатчике 32 ДКМВ диапазона видеосигнал модулируется. Полученный радиосигнал усиливается по мощности и через антенну 33 ДКМВ диапазона излучается в пространство. Управление рабочей частотой передатчика 32 ДКМВ диапазона и контроль его работоспособности осуществляется вычислителем 15 АРМ на базе ПЭВМ передающей станции 30 ДКМВ диапазона. Тип антенны, направленная или ненаправленная, выбирается в зависимости от задач, выполняемых каждой из В передающих станций 30 ДКМВ диапазона.
Таким образом, каждый из ПО 2 может выходить поочередно на связь на нескольких рабочих частотах, известных всем участникам движения. Списки выделенных частот меняются в зависимости от времени года, с учетом сезонных ионосферных изменений. При движении ПО 2 выходит на связь, выбирая для связи тот НК 1, условия распространения радиоволн для связи с которым в данный момент времени являются оптимальными. Сведения о канале связи и выбранном НК 1 формируются в одном из НК 1, назначенным ведущим. При этом совсем не обязательно, чтобы выбранный НК 1 был ближайшим к ПО 2. Составленный таким образом канал связи между ПО 2 и получателем (источником) информации, как правило, будет включать канал связи ДКМВ диапазона, АПД 14, АРМ 15, модуль сопряжения 27 (в составе НК 1) и наземную сеть 3 передачи данных с входом/выходом 4 системы, к которому двусторонними связями подключен получатель (источник) информации. С помощью бортового вычислителя 5 ПО 2 и наземного вычислителя 15 НК 1 постоянно будет выбираться оптимальная рабочая частота на основании построенных моделей ионосферы и распространения радиоволн по данным измерений параметров канала связи и анализа сообщений в наземных комплексах 1 радиосигналов передающих станций 30 ДКМВ диапазона. В наземных комплексах 1 также анализируются параметры радиосигнала, передаваемого с ПО 2. По результатам измерений определяется оптимальная на данный момент времени частота, величина которой передается на все ПО 2, находящиеся в этом районе. Этим обеспечивается повышение достоверности передачи данных с подвижных объектов 2, находящихся на расстояниях от НК 1 от нескольких сотен до нескольких тысяч километров.
Кроме анализа параметров радиосигналов, для повышения надежности связи используются методы изменения диапазона рабочих частот, увеличения мощности передатчика радиостанций 23 и 26 и снижения уровня шумов их приемников, известные методы разнесения по частоте, пространственного и временного разнесения, разнесения многолучевости, адаптивного выравнивания, кодирования с прямой коррекцией ошибок, перемежения для борьбы с эффектами многолучевости, замираниями, импульсными шумами. Достоверность передачи данных и надежность связи определяются свойствами ионосферы над районом организации связи, ее корреляционными характеристиками по пространству, частоте и времени. Чем менее коррелированы пути разнесения, тем выше надежность связи. Радиус пространственной корреляции по квазирегулярным параметрам ионосферы (энергетике сигнала, многолучевости) обычно составляет 300-600 км. Поэтому НК 1 и передающие станции 30 ДКМВ диапазона разносятся в пространстве на расстояние, превышающее эту величину. Из всех разнесенных в пространстве НК 1 назначается один ведущий, который, кроме рассмотренных выше операций выполняет функцию управления процессами, происходящими в системе. К функциям управления ведущего НК 1 добавляются операции управления частотами, таблицей состояния и регистрации ПО 2, системной таблицей, конфигурацией, качеством передачи данных, обработкой сигналов тревоги и дистанционной диагностики. С АРМ 15 НК 1 через модуль сопряжения 27, вход/выход 4 наземной сети 3 передачи данных обеспечивается интерфейс с расположенными на земле источниками (получателями) информации системы и программирование бортовых вычислителей 5 ПО 2. Синхронизация работы наземной сети 3 передачи данных осуществляется на основе использования всеми абонентами - участниками движения единого глобального всемирного координированного времени (UTC), получаемого от существующих объектов глобальной навигационной спутниковой системы.
Для взаимодействия наземных комплексов 1, передающих станций 30 ДКМВ диапазона, оконечных пользователей и ПО 2 используется наземная сеть 3 передачи данных. Она может быть реализована различными 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 пользователем определенному ПО 2 на тот наземный комплекс 1, на котором данный ПО 2 «зарегистрирован», и где в данный момент времени обеспечиваются оптимальные условия приема. Система радиосвязи с ПО 2 может работать в автоматическом режиме без вмешательства оператора на выбранных частотах из списка частот, назначенного при планировании связи.
Для повышения надежности связи в системе используются метод борьбы с нестационарностью ионосферы над районом организации связи за счет применения в качестве радиосигналов, излучаемых подвижными объектами, передающими станциями 30 ДКМВ диапазона и наземными комплексами. Принимаемые по ДКМВ радиолиниям радиосигналы или сообщения об оптимальном на данный момент времени канале несколькими наземными комплексами обрабатываются для определения наибольшего отношения сигнал/шум в соответствующем канале связи и, следовательно, для выбора канала связи для обеспечения устойчивости связи. Данные о результатах обработки затем используются для комплексирования измерений и выбора наиболее оптимального на данный момент времени канала связи с ПО [4, 6].
Повышение надежности связи достигается за счет введения на ПО 2 L бортовых приемников 35 ДКМВ диапазона, позволяющих совместно с другими узлами системы обеспечить функционирование пяти контуров адаптации параметров системы к изменениям характеристик радиоканала.
Первый контур управления частотами - это адаптация к медленным изменениям параметров ионосферы (с периодом 1-2 часа) за счет использования технологии ионосферного мониторинга (частотной диспетчеризации), которая обеспечивает квалифицированное почасовое назначение рабочих частот всем радиосредствам ДКМВ диапазона наземных комплексов 1 на базе прогнозирования условий распространения радиоволн. Частотная диспетчеризация осуществляется по данным разнесенных в пространстве НК 1 на основе наклонного зондирования ионосферы сигналами, например, с линейной частотной модуляцией.
Второй контур многопараметрической адаптации радиолинии на конкретном радиоканале начинает функционировать при автоматическом составлении канала связи и ведении связи по каналу «НК-ПО». Он предназначен для адаптации системы к более быстрым изменениям параметров канала, в частности, отношения сигнал/шум, с периодом 5-10 минут и реализуется с помощью оценивания эффективного отношения сигнал/шум при приеме каждого пакета сообщения всеми радиосредствами ДКМВ диапазона наземных комплексов 1 и ПО 2. По оценке отношения сигнал/шум определяется рекомендуемая максимальная скорость передачи данных в канале, величина которой передается на противоположную сторону. Она используется при реализации алгоритмов многопараметрической адаптации по частоте, скорости передачи данных, видам модуляции и кодирования. Вычислителем 15 АРМ программно выбирается минимальная скорость для передачи заданного объема сообщения в пакете, как обеспечивающую максимальную помехоустойчивость (надежность связи). Эта скорость не должна превышать рекомендуемую.
1
1
-5
-2
-3
-6
2
4
Третий контур адаптации к мгновенным изменениям (с периодом 0,01-0,1 с) таких параметров канала как частота, фаза, амплитуда, время прихода каждого луча принимаемого сигнала обеспечивается адаптивным приемником со слежением за изменяющимися параметрами канала для реализации компенсации межсимвольных искажений из-за многолучевости, квазикогерентного приема фазоманипулированных сигналов, обеспечивающего близкую к потенциальной помехоустойчивость. Для операций модуляции-демодуляции, кодирования-декодирования могут быть использованы, например, 3 вида многопозиционной фазовой манипуляции (2-PSK, 4-PSK и 8-PSK), сверточное кодирование со скоростями / и / для прямой коррекции случайных ошибок, перемежение-деперемежение для борьбы с пакетированием ошибок, скремблирование-дескремблирование данных для выравнивания спектра передаваемого сигнала, мягкое декодирование по алгоритму Витерби. В этом случае вероятность ошибки на выходе демодулятора-декодера не более 10 при вероятности ошибки на выходе ДКМВ канала 10-10. Обнаружение с помощью операций кодирования-декодирования циклического кода на канальном уровне ошибок, не исправленных модемом, и процедура автоматического запроса повторения позволит обеспечить достоверность связи не хуже 10 [4, 6].
Четвертый контур адаптации обеспечивается с помощью алгоритма управления протоколом множественного доступа к каналу, осуществляемый каждым НК 1 с учетом приоритетов сообщений и гарантированием заданных системных характеристик. Высокая эффективность использования ограниченного частотного ресурса достигается, например, за счет комбинированного протокола множественного доступа к каналу с частотным и временным разделением и адаптивного динамического управления этим протоколом в реальном масштабе времени. Вычислителем 15 АРМ каждого НК 1 в начале каждого кадра осуществляется назначение слотов доступа к каналу в режиме резервированного по запросу или случайного доступа в зависимости от реальной загрузки канала и приоритетов, оцениваются прогнозируемые задержки передачи пакета и выставляется флаг занятости канала в сигналах управления (маркерах), когда эти задержки превышают заданный порог, чтобы прекратить приток новых пользователей в перегруженный канал.
Пятый контур адаптации - пространственное разнесение наземных комплексов. Он обеспечивается тем, что каждое ПО 2 системы в любое время имеет возможность выбрать любой НК 1 и зарегистрироваться на нем. И, благодаря обмену информацией между наземными комплексами 1, информация о новом ПО 2 будет известна всем абонентам системы. Пространственное разнесение НК 1 является важнейшим, а порой единственным средством борьбы с нарушениями связи типа «авроральных поглощений» в периоды ионосферных возмущений на северных трассах.
Число L выбирается с учетом требуемого качества адаптации. Обычно L=(3-6). На момент подачи заявки разработаны алгоритмы функционирования и соответствующее программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-33 одинаковые с прототипом. Вводимые бортовые приемники 35 могут быть выполнены, например, на радиоприемниках ДКМВ диапазона Р-877Г И81.104.084-03. Вычислители 5 на ПО 2, 15 на НК 1 и передающих станциях 30 ДКМВ диапазона, формирователь 31 сообщений могут быть выполнены, например, 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. В качестве антенн ДКМВ диапазона для подвижного объекта может быть использованы типовые самолетные килевые пазовые антенны типа «Щель», а для НК и передающих станций 30 ДКМВ диапазона - типовой полуволновый вибратор. В качестве модуля связи 27 может быть использована плата Х.25.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Патент РФ №52 290 U1. M. кл. Н04В 7/26, 2006.
2. Патент РФ №82 971 U1. M. кл. Н04В 7/26, 2009 (прототип).
3. Д.С.Конторов, Ю.С.Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - M.; 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. - M.: ПРИМ, 1994, 76 с.
Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.