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).
В настоящее время за рубежом применяется система ACARS - система обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием воздушных судов (ВС) и наземными службами. Она обеспечивает вызов на речевую связь и передачу данных [1].
Бортовой блок управления и связи представляет собой процессор. Основным каналом обмена текущей информации является канал MB диапазона. При полетах на трассах, не оборудованных MB связью (труднодоступные районы, тундра, горные массивы, океан), связь с воздушными судами осуществляется по ДКМВ каналу.
Организацию обмена информацией между наземными службами гражданской авиации и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс, он опрашивает воздушные суда, находящиеся в зоне его обслуживания, и собирает с них необходимую информацию. Бортовая система работает в этом случае в режиме адресного опроса. Для того чтобы бортовая система могла работать в режиме адресного опроса, ей необходимо встать на обслуживание в наземном комплексе. Для этого в бортовом комплексе предусмотрен режим прямого доступа. Кроме этих двух режимов, предусмотрена возможность работы в режиме телефонной связи по каналу передачи данных [1, 6].
К недостаткам представленной системы обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием воздушных судов и наземными службами, следует отнести трудности управления ПО, находящимися за пределами радиогоризонта НК, который определяется границами оптической видимости. Существующие ДКМВ каналы ВС редко используется для управления полетом ВС из-за плохого качества принимаемых сообщений с одиночного наземного комплекса и отсутствия соответствующей наземной инфраструктуры.
Известен управляющий аппаратно-программный комплекс обмена данными мобильного объекта, состоящий из бортового цифрового вычислительного комплекса
(БЦВК), аналого-цифрового дисплея (АЦД), клавиатуры, рулонного телеграфного аппарата, аппаратуры передачи данных (АПД) [2]. БЦВК представляет собой закрепленные на общей раме четыре системных блока и два блока сопряжения, соединенные унифицированной магистралью внешнего обмена через адаптер магистрали. В состав каждого системного блока входят первый контроллер последовательного ввода/вывода для асинхронного режима, второй контроллер последовательного ввода/вывода по готовности, контроллер параллельного ввода/вывода, входы/выходы которых являются входами/выходами аппаратно-программного комплекса. Блоки сопряжения состоят из контроллера вывода информации на рулонный телеграфный аппарат и контроллера обмена информацией с АЦД. Первый системный блок содержит модуль управления обменом информацией с АЦД. Управляющий аппаратно-программный комплекс обмена данными мобильного объекта, состоящий из бортового вычислительного комплекса (БЦВК), аналого-цифрового дисплея (АЦД), клавиатуры, рулонного телеграфного аппарата, аппаратуры передачи данных (АПД), в котором БЦВК представляет собой закрепленные на общей раме четыре системных блока и два блока сопряжения, соединенные унифицированной магистралью внешнего обмена через адаптер магистрали, в состав каждого системного блока входят первый контроллер последовательного ввода/вывода для асинхронного режима, второй контроллер последовательного ввода/вывода по готовности, контроллер параллельного ввода/вывода, входы/выходы которых являются входами/выходами аппаратно-программного комплекса, в состав блоков сопряжения входят контроллер вывода информации на рулонный телеграфный аппарат и контроллер обмена информацией с АЦД, первый системный блок содержит модуль управления обменом информацией с АЦД, модуль вывода данных на рулонный телеграфный аппарат, модуль управления каналами связи, модуль системного времени, второй системный блок содержит модули ввода, коррекции и хранения плановых данных по связи, третий системный блок содержит модули управления комплексами технических средств (КТС), модули управления комплексом коммутационных средств (ККС), четвертый системный блок содержит модуль управления АПД, модули управления сетью передачи данных (СПД), модули формирования заявок на управление каналами связи СПД, модули процесса передачи данных по СПД, модули процесса приема данных по СПД, аппаратура передачи данных включает четыре канала приема/передачи, входы/выходы которых соединены соответственно с выходами/входами
ККС, вход/выход аппаратуры передачи данных подключен к контроллеру последовательного ввода/вывода первого системного блока, четыре выхода «Блок занят» и один выход «Готовность» являются входами контроллера параллельного ввода первого системного блока, входом для модуля управления каналами связи являются выход модуля управления АЦД и выход модуля плановых данных, входы/выходы КТС соединены с входами/выходами контроллера последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входами/выходами ККС, входы/выходы ККС соединены с входами/выходами последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входами/выходами АПД и КТС, выход «Готовность» от ККС и выход «Неисправность» от КТС соединены с входами контроллера параллельного ввода третьего системного блока. В первый системный блок введен модуль ввода и обработки полетных данных бортового пилотажно-навигационного комплекса (БПНК), содержащий регистр кода широты, регистр кода долготы, регистр составляющих скорости и регистр кода времени, являющийся выходом модуля системного времени, один их выходов модуля ввода и обработки полетных данных является входом модуля обмена с АЦД, для отображения положения мобильного объекта с привязкой к картографическому фону. Второй системный блок содержит модули ввода, коррекции и хранения плановых данных по связи. Третий системный блок содержит модули управления комплексами технических средств (КТС). Четвертый системный блок содержит модуль управления аппаратурой передачи данных. Аппаратура передачи данных включает четыре канала приема/передачи, входы/выходы которых соединены соответственно с выходами/входами модулей управления комплексом коммутационных средств (ККС). Вход/выход АПД подключен к контроллеру последовательного ввода/вывода первого системного блока. Четыре выхода «Блок занят» и один выход «Готовность» являются входами контроллера параллельного ввода первого системного блока. Входами для модуля управления каналами связи является выход модуля управления АЦД и выход модуля плановых данных. Входы/выходы КТС соединены с входами/выходами контроллера последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входами/выходами ККС. Входы/выходы ККС подключены к входам/выходам последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входам/выходам АПД и КТС, выход «Готовность» от ККС и выход «Неисправность» от КТС соединены с входами контроллера параллельного ввода третьего системного блока. В первый системный блок входит модуль ввода и обработки полетных данных
бортового пилотажно-навигационного комплекса, содержащий регистр кода широты, регистр кода долготы, регистр составляющих скорости и регистр кода времени, являющийся выходом модуля системного времени. Один их выходов модуля ввода и обработки полетных данных является входом модуля обмена с АЦД для отображения положения мобильного объекта с привязкой к картографическому фону.
К недостаткам представленного управляющего аппаратно-программного комплекса обмена данными мобильного объекта является жесткая привязка к бортовому оборудованию и невозможность работы с наземными сетями связи.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [3], которая и принята за прототип. 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. 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 ГЛО-HACC/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 прототипу присущи следующие недостатки:
Отсутствует анализ состояния ионосферы и параметров каналов связи в ДКМВ диапазоне на данный момент времени и соответствующая 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 дня 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 приемо-передающей аппаратуры и антенн. Тем не менее, несмотря на совершенство самих программ, вероятность точного прогноза мала.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение достоверности передачи данных на подвижные объекты за счет анализа параметров радиосигналов ДКМВ диапазона, формируемых станциями ионосферного мониторинга, передатчиками станций режима HFDL и другими передающими устройствами в ДКМВ диапазоне, принимаемых в НК с разных направлений.
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 к наземной сети передачи данных с входом/выходом системы, причем наземный комплекс содержит наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), первый вход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, 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, 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 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, 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, введены В передающие станции ДКМВ диапазона, подключенные двухсторонними связями к наземной сети передачи данных с входом/выходом системы, а по радиоканалам - к М наземным комплексам, в состав наземного комплекса системы дополнительно введены 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 приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, модуль сопряжения, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной сети передачи данных с входом/выходом системы.
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;
30 - предающие станции ДКМВ диапазона.
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
ГЛОНАСС/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 - 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.
Алгоритм работы системы радиосвязи с ПО 2 заключается в проведении непрерывного анализа во всех НК 1 радиосигналов передающих станций ДКМВ диапазона, их совместной обработки, выработке решения и выдачи (при необходимости) на подвижные объекты в следующих сообщениях информации о частоте рабочего канала с лучшими на данный момент времени параметрами. Анализ может быть проведен, например, по наиболее мощному из принятых в данный момент радиосигналов.
i
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются навигационными данными и данными оценки каналов ДКМВ диапазона по радиосигналам (маркерам), принятым от разных НК 1, по радиолинии связи. MB диапазона с наземным комплексом 1. 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. При совпадении адреса подвижного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО 2 и состоянии его датчиков запоминается в вычислителе 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 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 и 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.
N
При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО 2 или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ПО 2, который назначается ретранслятором сообщений. При постоянном изменении дальности между ПО 2 и НК 1 в качестве ретранслятора может быть назначен в течение определенного времени любой из N ПО 2, местоположение которого известно и оптимально по отношению к НК 1 и всем остальным ПО 2. По анализу местоположения и параметров движения остальных ПО 2 определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК 1 за радиогоризонт подвижному объекту 2. Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую
N
i
i
из (N-1)-го ПО 2, может быть доставлено N-му ПО 2. Для этого 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 направлении данных по двунаправленной шине 20 на систему управления ПО 2, не указанную на фигуре 1, или в режиме ретрансляции - о передаче их на соседний ПО 2. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении и осуществляется ретрансляция данных последовательно во времени. 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 плохих параметрах радиоканала может быть скорректирован по результатам анализа в НК 1 радиосигналов 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
i
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ПО 2 в соответствии с принятыми в системе радиосвязи с подвижными объектами категориями срочности в формирователе 22 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранное ПО 2 с учетом времени реакции ПО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая на ПО 2 информация отображается на экране бортового блока 8 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов, в виде точек и векторов или в другом виде.
Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В вычислителях 5 и 15 определяется время «старения» информации, и, если сообщение в течение определенного промежутка времени не было передано в канал связи, то оно «стирается», и посылается запрос на повторную передачу сообщения.
В обычном режиме с НК 1, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ПО 2 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с пульта 18 управления АРМ сообщение отображается на мониторе 17 АРМ и параллельно после прохождения сигнала на НК 1 через вычислитель 15, аппаратуру 14 передачи данных, радиостанцию 13, антенну 12 и на ПО 2 - через бортовые антенну 11, радиостанцию 10, аппаратуру передачи данных 9 поступает в бортовой вычислитель 5, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с адресом ПО 2. Далее сообщение передается в блок 19 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации полученного заголовка (служебной части) сообщения и определения параметров радиосигналов ДКМВ канала связи, принятых от НК 1. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 5 и при необходимости выводится на экран блока 8 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если подвижные объекты 2 сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен (нет радиосигналов в каналах обмена данными), то они информируют остальные подвижные объекты о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом в выделенных им временных слотах распределяют передаваемые сообщения. 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 бортового вычислителя 5, вычислителя АРМ 15 НК 1 и В передающих станций ДКМВ диапазона с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 5 и 15 эти данные используются для расчета навигационных характеристик, параметров движения каждого ПО 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 бортовом вычислителе 5 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 2. Это время используется в вычислителе АРМ 15 НК 1 для известной операции построения экстраполяционных отметок от ПО 2 [8]. 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)-гo ПО 2, осуществляется переход по взаимно увязанным во времени командам с бортового и наземного вычислителей 5 и 15 на переключение информации с радиолинии связи MB диапазона на информацию радиолинии 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 достоверности передачи данных на подвижные объекты, находящиеся за пределами прямой видимости с НК 1, при использовании радиолинии передачи данных в ДКМВ диапазоне в бортовом и наземном вычислителях 5 и 15 и аппаратуре передачи данных 9 и 14 используются следующие известные технологии [9]:
- анализ радиосигналов, транслируемых с стационарных передающих станций 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 при приеме более мощного из нескольких радиосигналов;
- адаптация системы радиосвязи по скорости передачи данных, виду модуляции и кодирования с использованием методов решающей обратной связи при приеме сообщений с компенсацией задержки, многолучевости, сосредоточенных по спектру помех, доплеровских сдвигов частоты;
- привязка всех абонентов системы к единому глобальному времени. Благодаря введенному модулю сопряжения 27 с наземной сетью 3 передачи данных для каждого из ПО 2, оборудованному ДКМВ радиостанцией, осуществляется передача (прием) пакетов данных на несколько наземных комплексов 1. 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 НК 1 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. 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 канала связи 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 на всех 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 выполняются 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 ДКМВ диапазона. Число К 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 приемнике 28 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. Введенный
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, назначенном ведущим. При этом совсем не обязательно, чтобы выбранный НК 1 был ближайшим. 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 достоверности передачи данных 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 разнесения, 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 [1,6]. Соединения между НК 1 и центрами коммутации пакетов Х.25 (маршрутизаторами) могут обеспечиваться через специально
выделенные иди 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 достоверности передачи данных на подвижные объекты в системе используются метод борьбы с нестационарностью ионосферы над районом организации связи за счет использования в качестве излучаемых подвижными объектами, передающими станциями 30 ДКМВ диапазона и наземными комплексами радиосигналов, излучаемых синхронно по времени или по команде. 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 [6, 9].
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы функционирования и соответствующее программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-22 одинаковые с прототипом. Вводимые узлы 23 и 26 могут быть выполнены на радиостанциях. Ягут-К ДКМВ. Вычислители 5, 15 НК 1 и передающих станций 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. В.В.Бочкарев, Г.А.Крыжановский, Н.Н.Сухих «Автоматизированное управление движением авиационного транспорта», М., Изд-во «Транспорт», 1999 г.
2. Патент РФ №38 433 290 U1. М. кл. Н04В 7/26, 2006.
3. Патент РФ №52 290 U1. М. кл. Н04В 7/26, 2006 (Прототип).
4. М.Сколник. Введение в технику радиолокационных систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 747 с.
5. Технические системы и средства, создаваемые для Единой системы организации воздушного движения России. Каталог. Изд. 2-е перераб. и доп.М.: ОАО «НИИЭИР», 1998. - 159 с.
6. Патент РФ №44907 U1. М. кл. Н04В 7/00, 2005.
7. В.Строителев. Новости // Новости аэронавигации 2000, №3. С.2-3.
8. Б.И.Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция» ИКАО CNS/ATM. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
9. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
10. Д.С.Конторов, Ю.С.Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.; Сов. Радио.1971, 367 с.
11. Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.