СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
SYSTEM OF RADIO COMMUNICATION WITH MOVING OBJECTS

Изобретение относится к системам обмена данными и может быть использовано для реализации информационного обмена между подвижными воздушными объектами (ВО) и источниками (получателями) информации системы через наземные комплексы (НК).
Одним из аналогов является система вторичной радиолокации, содержащая, например, бортовые ответчики на воздушных судах (ВС) и наземный локатор "Корень-АС" с аппаратурой приема и отображения информации "Комета-2М" [1]. Бортовая и наземная аппаратура состоит из одноименных элементов: передатчика и приемника, модулятора и демодулятора, устройств обработки передаваемых и принимаемых широкополосных дискретных сигналов, устройства регистрации. Конструктивно эти элементы различаются между собой из-за особенностей размещения: бортового или наземного комплексов. Бортовой комплекс (ответчик), входящий в систему управления и информационного обеспечения воздушного судна, связан с навигационной системой, системой самолетовождения. Снимаемые с ВС по каждому запросу с земли цифровые данные на регистрирующем устройстве отображаются в виде 16 формуляров, значений азимута и дальности (при вызове ВС), высоты полета и номера ВС, вектора экстраполяции по времени и дальности, вызываемых по всем ВС, оборудованным ответчиками.
Однако аналогу присущи следующие недостатки:
- для уменьшения величины углов закрытия требуются сложные громоздкие сооружения (горки, мачты), на которые устанавливается наземный комплекс;
- наземное оборудование, в том числе система вращения антенны, потребляет электроэнергию мощностью до 10 кВт [1];
- большое число элементов, в том числе электромеханических, снижают среднее время наработки на отказ системы;
- для поддержания работоспособности наземной аппаратуры, работающей непрерывно, требуются значительные эксплуатационные расходы и обслуживающий персонал.
Известна система радиосвязи с подвижными объектами [2], которая состоит из наземной и бортовой аппаратуры, между которыми в соответствии с заложенными алгоритмами осуществляется обмен данными, в том числе по линии передачи данных «запрос-ответ». В этой системе во время движения подвижные воздушные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземной аппаратурой из канала "воздух-земля" сообщения MB диапазона через аппаратуру передачи данных и сигналы ответчика режима S ДМВ диапазона с воздушного судна поступают в вычислитель автоматизированного рабочего места (АРМ) на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена производится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных воздушных объектов, хранящимися в памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянного обмена данными со всеми N ВО, находящимися в пределах радиогоризонта. Наземная аппаратура в режиме автоматического зависимого наблюдения АЗН-В один раз в секунду посылает сквиттер на частоте 1030 МГц, на который все ВО, находящиеся в пределах радиогоризонта, сообщают с помощью соответствующих радиосигналов на частоте 1090 МГц, излученных через всенаправленную антенну, свои номера рейсов [2, 3]. Более подробные данные по ВО запрашиваются с помощью селективного сквиттера по конкретному ВО. После проведения этих процедур начинается сопровождение ВО в зоне обслуживания НК.
К недостаткам аналога следует отнести малоэффективное использование широкополосного радиоканала «воздух-земля», так как по нему отправляется на наземный комплекс не более одного сообщения длительностью десятки микросекунд. В то же время в системе управления и информационного обеспечения воздушного объекта в некоторых исполнениях встречаются источники информации, для передачи сигналов которых требуется скорость передачи сотни килобит в секунду и других широкополосных каналов на ВО нет.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является "Система радиосвязи с подвижными объектами" [4], которая и принята за прототип. Система состоит из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ). Первый вход вычислителя АРМ подключен к приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с соответствующим входом вычислителя АРМ. Концентратор подключен к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые в свою очередь соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами наземной направленной антенны, наземного антенного коммутатора, наземной аппаратуры связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ. Каждый из В блоков сопряжения состоит из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, выход которого является входом/выходом системы. Наземная направленная антенна широкополосного радиоканала связи через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи. Наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями.
В состав каждого из N подвижных воздушных объектов входят бортовые датчики, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя. Выход бортового вычислителя подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход через двунаправленную шину к системе управления и информационного обеспечения подвижного воздушного объекта. Бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне. Бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, анализатор типа принимаемых сообщений соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя. Передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного воздушного объекта, второго ВО и далее до N-го ВО, а передача данных с М-го ВО на НК осуществляется в обратном порядке. Бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через эфир подключена к наземной направленной антенне. В режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го ВО соединена по эфиру с бортовой направленной антенной 2-го ВО и так далее до N-го ВО.
Прототипу, как и предыдущему аналогу, присущи недостатки, связанные с недоиспользованием пропускной способности широкополосной линии связи СВЧ-диапазона, а также конструктивные сложности реализации управляемой направленной антенны на подвижном воздушном объекте.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение коэффициента использования широкополосного радиоканала связи.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), первый вход которого подключен к приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, третий вход - к формирователю типа ретранслируемых сообщений, а выход - к монитору АРМ, концентратор, подключенный к локально-вычислительным сетям, которые в свою очередь подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной направленной антенны, наземному антенному коммутатору, наземной аппаратуре связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ, каждый из В блоков сопряжения состоит из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, вход/выход которого является входом/выходом системы, наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи, наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями, N подвижных воздушных объектов (ВО), в состав каждого из которых входят бортовые датчики, бортовой приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного воздушного объекта, второго подвижного ВО и далее до М-го подвижного ВО, а передача данных с М-го подвижного ВО на НК осуществляется в обратном порядке, бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну и эфир подключена к наземной направленной антенне, в режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го подвижного ВО соединена по эфиру с бортовой направленной антенной 2-го подвижного ВО и так далее до М-го подвижного ВО, введены дополнительно на подвижном ВО - система управления и информационного обеспечения воздушного объекта, первый вход/выход которой с помощью двунаправленной шины подключен к соответствующему входу/выходу бортового вычислителя, а второй высокоскоростной вход/выход - через коммутатор к третьему входу/выходу бортовой аппаратуры связи, управляющий вход/выход коммутатора подключен двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу бортового вычислителя, а в НК - распределитель принятых сообщений, подключенный двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу одного из вычислителей АРМ.
На чертеже представлена система радиосвязи с подвижными объектами, где обозначены ее конструктивные части:
1 - наземный комплекс;
2 - подвижный воздушный объект;
3 - бортовой вычислитель;
4 - бортовые датчики;
5 - бортовой приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
6 - блок регистрации данных;
7 - бортовая аппаратура передачи данных (АПД);
8 - бортовая радиостанция;
9 - бортовая антенна;
10 - наземная антенна;
11 - наземная радиостанция;
12 - наземная аппаратура передачи данных;
13 - вычислитель АРМ;
14 - наземный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
15 - монитор АРМ;
16 - пульт управления АРМ;
17 - анализатор типа принимаемых сообщений,
18 - система управления и информационного обеспечения подвижного воздушного объекта;
19 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
20 - наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений;
21 - бортовая аппаратура связи;
22 - бортовой антенный коммутатор;
23 - бортовая направленная антенна;
24 - коммутатор;
25 - наземная направленная антенна;
26 - наземный блок горизонтирования;
27 - локально-вычислительные сети (ЛВС);
28 - антенный коммутатор;
29 - наземная аппаратура связи;
30 - автоматизированное рабочее место (АРМ);
31 - одна из В вторых наземных АПД блока 33 сопряжения;
32 - устройство сопряжения с каналом связи;
34 - вход/выход системы;
35 - концентратор;
36 - распределитель принятых сообщений.
Двойными сплошными линиями на фигуре обозначены механические связи. Вспомогательные элементы электропитания, контроля и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурную схему системы.
Алгоритм работы системы заключается в ее адаптации к постоянно изменяющейся помеховой обстановке и взаимному положению НК 1 и ВО 2. Эта задача решена путем организации обмена данными между оборудованием подвижных воздушных объектов 2 и наземного комплекса 1 одновременно по двум радиоканалам: узкополосному MB диапазона и широкополосному с более высокой несущей частотой (выше 1 ГГц) радиоканалу связи. По широкополосному радиоканалу связи на НК 1 через устройства 24, 21, 22, 23 сбрасывается высокоскоростная информация с узла 18, например картографическая. На НК 1 полученная информация, пройдя узлы 25, 28, 29, шину 27, узел 13, после выделения в узле 36 анализируется на экране монитора 15 АРМ. Учитывая то, что все абоненты системы синхронизированы метками времени с выхода приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, вся временная шкала разбивается на три интервала. Первый интервал отводится под сигнал маркера наземного комплекса 1, второй - под ответное сообщение с ВО 2 по запросу с НК 1, в третьем интервале через коммутатор 24 передается высокоскоростная информация с системы 18 управления и информационного обеспечения подвижного воздушного объекта. Благодаря точной привязке передаваемой информации к меткам времени и фиксированной длительности маркера и сообщений с ВО 2 на приемной стороне в НК 1 эти сообщения могут быть легко разделены в узле 36 и направлены в монитор 15 для анализа. Таким образом удается повысить коэффициент использования широкополосного радиоканала связи.
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. При беспомеховой обстановке во время движения подвижные воздушные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом 1 в MB диапазоне. Принимаемые наземной радиостанцией 11 из канала "воздух-земля" сообщения через аппаратуру 12 передачи данных поступают в вычислитель 13 АРМ 30, построенный, например, на базе ПЭВМ серии «Багет». В вычислителе 13 АРМ 30 в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных воздушных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 13 АРМ. В некоторых случаях НК 1 может обеспечивать обмен данными только с одним ВО. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО 2 и состоянии его датчиков выводится на экран монитора 15 АРМ НК 1. В вычислителе 13 АРМ 30 решаются следующие задачи: приема-передачи сигналов со второй наземной АПД 31, приема данных о фактическом положении диаграммы направленности антенны (ДНА) наземной направленной антенны 25 и состоянии наземной аппаратуры 29 связи, формирования хронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» антенного коммутатора 28, управления процессами разделения сообщений в узле 36 для восстановления переданной с узла 18 ВО 2 высокоскоростной информации и трансляции ее на монитор 15 АРМ, формирования сигналов управления: положением ДНА наземной направленной антенны 25 по азимуту и углу места, управления наземным блоком 26 горизонтирования, режимами работы ВО, приема и обработки сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов системы, меток времени с выхода наземного приемника 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, приема-передачи данных через блок 33 сопряжения по шине 34 потребителям информации, формирования на экране монитора 15 АРМ 30 картинки в соответствии с принятой с узла 18 ВО 2 информацией, например, на фоне цифровой карты местности и отображения вспомогательной информации в виде графических линий, символов, квитанций и донесений о режимах работы ВО 2, НК 1, АРМ 30, слежения за местоположением всех ВО 2 в зоне радиосвязи, обеспечения радиосвязи с ВО 2, оптимального управления их движением, решения конфликтных ситуаций и выполнение других операций.
Бортовой вычислитель 3 осуществляет: прием-передачу сигналов с НК 1, прием данных о состоянии бортовой аппаратуры 21 связи, формирование хронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» бортового антенного коммутатора 22, управление режимами работы оборудования ВО, прием и обработку сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов ВО с передачей результата обработки на НК 1, обработка меток времени с выхода бортового приемника 5 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, прием-передачу данных с (на) узла 18 соответствующим потребителям информации, формирование на экране блока 6 регистрации данных картинки в соответствии с принятой с НК 1 информацией и вспомогательной информацией с узлов ВО 2 в виде графических линий, символов и других изображений, отображение команд управления с НК 1 и управление работой коммутатора 24, выбора режима работы бортовой аппаратуры 21 связи и бортового антенного коммутатора 22 ВО 2, слежение за местоположением НК 1 и других ВО 2 в зоне радиосвязи; обеспечение постоянной радиосвязи с заданными с НК 1 подвижными воздушными объектами 2, оптимальное управление движением собственного ВО 2, решение конфликтных ситуаций и выполнение других операций.
Эти операции выполняются программно с помощью дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Все АРМ 30 идентичны по структуре и программному обеспечению. Пульт 16 управления АРМ, предназначенный для выполнения известных операций [2], может состоять, например, из клавиатуры и манипулятора графического. Число АРМ 30 определяется требуемой производительностью операторов (диспетчеров), числом потребителей информации и объемом потребляемой ими информации. Бортовой вычислитель 3 может состоять из нескольких процессоров, объединенных общей шиной. Все АРМ 30 соединены между собой и с другими блоками системы с помощью локально-вычислительных сетей 27. ЛВС 27 может состоять из нескольких интерфейсов со своими физическими линиями, например МКИО, Ethernet, RS-232 и других [5, б].
Для линии связи СВЧ-диапазона в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиочастотам могут быть выбраны, например, диапазоны 1710-1850 МГц, 7125-8500 МГц или другие, имеющие характерные окна радиопрозрачности атмосферы. Особенностью широкополосной радиолинии связи является то, что в наземной и бортовой аппаратуре связи 29 и 21 для повышения помехозащищенности используются кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн, а также направленная антенна 25 с узкой ДНА, например от 1-го до 10 градусов [7].
Операции кодирования, модуляции и борьбы с замираниями радиосигнала осуществляются в бортовой и наземной аппаратуре связи 21 и 29. Аппаратура связи 21 и 29 состоит, например, из радиостанции СВЧ-диапазона и соответствующей аппаратуры обработки и передачи данных. Кодирование передаваемых данных может быть осуществлено, например, с помощью сверточного кодирования по Витерби с мягким решением и использованием модифицированной решающей обратной связи [2, 7, 8]. Для борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн может быть использован, например, широкополосный сигнал и прием разнесенных во времени сигналов по схеме «РЕЙК», в которой обеспечивается разделение и адаптивное весовое сложение сигналов в динамике профиля многолучевости [8]. В радиостанции для создания радиосигнала может быть использован, например, метод непосредственной модуляции сигнала промежуточной частоты фазоманипулированной псевдослучайной последовательностью. В некоторых вариантах может быть использована псевдослучайная перестройка несущей частоты.
В качестве антенны 25 могут быть использованы, например, активные фазированные антенные решетки или параболические антенны с электромеханическим управлением положением ДНА. Сектор сканирования луча ДНА антенны 25 по азимуту 360 градусов, по углу места - практически от 0 до 180 градусов (без учета углов закрытия и особенностей связи при углах места вблизи 90 градусов). Управление положением ДНА выполняется, например, программно с помощью вычислителя 13 и дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в него или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанного вычислителя. Сохранение положения центра ДНА в направлении на выбранный объект системы при маневрах ВО 2 или НК 1 обеспечивается с помощью блока горизонтирования 26, управляемого с помощью вычислителя 13 АРМ. Наведение ДНА осуществляется путем нахождения пространственного вектора между двумя объектами системы и направления по нему центра ДНА антенны 25. Для этого с учетом тенденции (экстраполяции) движения с привязкой к единому всемирному времени используются точные координаты ВО 2 и НК 1, вычисляемые по выходным сигналам приемников 5 и 14 глобальных навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС/GPS [9]. На ВО 2 для упрощения конструкции ВО 2 и алгоритма обмена данными может быть установлена пассивная антенна с круговой ДНА по азимуту и с небольшой направленностью по углу места с коэффициентом усиления (3-10) дБ. Для защиты антенн 23 и 25 от внешних воздействий могут быть использованы, например, радиопрозрачные укрытия, не показанные на фигуре. Для варианта использования на НК 1 параболических антенн с электромеханическим управлением положением ДНА под радиопрозрачным укрытием размещают входящие в состав наземной антенны 25 устройства сканирования по азимуту и углу места и соответствующие датчики, антенный коммутатор 28, блок 26 горизонтирования и наземную аппаратуру 29 связи для уменьшения потерь мощности радиосигнала в антенно-фидерном тракте.
Информация блоков 12, 14, 20, 36 обрабатывается в вычислителе 13 одного из АРМ, например первого. Полученные по ЛВС 27 данные распределяются между остальными вычислителями 13 АРМ 30 и, при необходимости, передаются через одну из В вторых наземных АПД 31 блока 33 сопряжения и устройство 32 сопряжения с каналом связи блока сопряжения 33 по шине 34 соответствующему потребителю информации. Сообщения от потребителя информации на вычислители 13 АРМ 30 и ВО 2 передаются через те же узлы, но в обратном порядке. В зависимости от объема требуемой информации для обработки и формирования сообщений потребителю могут быть использованы несколько АРМ 30. Обмен данными по ЛВС 27 организуется известными способами с помощью концентратора 35, который может быть выполнен, например, в виде оконечного устройства для интерфейса МКИО [5, 6].
Узлы 7, 8, 9, составляющие основу бортовой части радиоканала связи MB диапазона, и узлы 10, 11, 12, составляющие основу его наземной части комплекса, для повышения надежности связи могут быть зарезервированы. Тогда один из входов/выходов бортового вычислителя 3 должен быть подключен ко второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 7, 8, 9, а на НК 1 один из входов/выходов наземного вычислителя 13 любого из АРМ 30 также должен быть подключен к соответствующей второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 12, 11, 10. В этом случае в наземном вычислителе 13 одного из АРМ, определенного ведущим, осуществляются операции оценки достоверности информации, принимаемой с ВО 2 по двум MB-радиоканалам, и обработки наиболее ценной достоверной информации.
1
Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) подвижных воздушных объектов 2, может быть доставлено N-му ВО 2 м. Для этого на Н К 1 в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладываются номер ВО 2, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных воздушных объектов 2, обеспечивающих заданный трафик сообщения. При помеховой обстановке трафики для радиосигналов MB диапазона и СВЧ-диапазона могут быть различные. Принятые данные обрабатываются в блоке 17 анализа типа сообщений подвижного воздушного объекта 2. Если сообщение предназначено для данного ВО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных на блок 6 регистрации или систему 18 управления и информационного обеспечения ВО. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении, а ретрансляция данных осуществляется последовательно во времени.
При обмене данными по линиям «воздух-земля», «воздух-воздух», особенно при наличии помеховой обстановки, снижения достоверности передачи данных в MB-диапазоне, управление графиком СВЧ-радиосигнала осуществляется с наземного вычислителя 13 в соответствии с алгоритмом, заключающимся в том, что на передающей стороне НК 1 наводят диаграмму направленности антенны на выбранный ВО 2 и передают сигналы. На приемной стороне известными способами [2, 8] проверяют достоверность передачи информации. Полученную оценку передают в обратном направлении. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) ВО 2 запоминаются для дальнейшего использования в процессе связи. Затем на передающей стороне оценивают уровень достоверности передачи информации, приходящей с направления приемной стороны. При низкой достоверности с помощью обработки данных о положении всех ВО 2, хранимых в наземном вычислителе 13, выбирают маршрут ретрансляции. В следующий момент времени главный луч диаграммы направленности антенны 25 устанавливают на выбранный ВО 2, а затем подобным образом осуществляют обмен данными через следующие ВО 2 в соответствии с выбранным маршрутом.
Для последовательного выполнения этих операций в заданный момент времени определяется текущее местоположение всех ВО 2 и НК 1, вычисляются в наземном вычислителе 13 экстраполяционные точки нахождения соответствующих объектов системы во время планируемого сеанса связи, осуществляется наведение центра диаграммы направленности антенны 25 НК 1 на обслуживаемый ВО 2 и слежение за ним во время движения. Затем проводят обмен данными и после получения подтверждения о приеме эту процедуру повторяют со вторым ВО 2 и так далее. При совпадении направления на выбранный для связи ВО 2 с направлением на источник помех, положение которого определено в наземном вычислителе 13 по результатам оценки достоверности принятой информации со всех ВО 2, вычисляется оптимальный маршрут передачи данных на выбранный для связи ВО 2 через другие подвижные воздушные объекты, работающие в режиме ретрансляции. Для этого с наземного вычислителя 13 НК 1, имеющего больший объем информации о воздушной ситуации в своей зоне ответственности по сравнению с бортовыми вычислителями ВО 2, постоянно осуществляется обмен соответствующими сообщениями со всеми ВО 2.
После получения на НК 1 подтверждения о достоверном приеме информации на ВО 2 в вычислителе 13 АРМ 30 автоматически формируется следующее сообщение в адрес управляемого ВО 2 и так далее. Это сообщение, пройдя по той же рассмотренной ранее цепочке, поступает на соответствующий бортовой вычислитель 3, при необходимости, отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных и на систему 18 управления и информационного обеспечения ВО.
Для удобства разрешения оператором НК 1 конфликтной ситуации при наличии помеховой обстановки на экран каждого монитора 15 АРМ 30 НК 1 может выводиться положение каждого ВО 2 относительно НК 1. Для этого программно с помощью вычислителя 13 АРМ выделяются части пространства, в которых помеховая ситуация в вероятностном смысле менее напряженная, и через находящиеся там ВО 2 осуществляется трафик. Для отображения тенденции движения каждого ВО 2 на экране монитора 15 АРМ вычислителем 13 АРМ 30 формируются отметки, характеризующие предыдущее местоположение ВО 2 и экстраполяционные отметки, характеризующие местоположение ВО 2 через заданный интервал времени. По мере движения ВО 2 устаревающие отметки стираются. Положение трассы полета всех ВО 2 в зоне обслуживания НК 1 сохраняются в памяти вычислителя 13 АРМ на заданный период времени.
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ВО 2 в соответствии с категориями срочности, принятыми в системе радиосвязи с подвижными воздушными объектами, в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранный ВО 2 с учетом времени реакции ВО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая на ВО 2 информация отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов или в виде точек и векторов.
Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В вычислителях 3 и 13 определяется время "старения" информации, и, если сообщение в течение определенного промежутка времени не было передано в канал связи, оно "стирается" и посылается запрос на повторную передачу сообщения.
В обычном режиме в беспомеховой обстановке с НК 1, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО 2 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи высокоскоростной информации в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с любого из пультов 16 управления АРМ 30 или автоматически с помощью вычислителя 13 АРМ по положению курсора на экране монитора 15 АРМ 30 сообщение отображается на мониторе 15 АРМ и параллельно после прохождения сигнала на НК 1 через последовательно соединенные вычислитель 13 АРМ 30, аппаратуру передачи данных 12, радиостанцию 11, антенну 10 и на ВО 2 - через бортовые: антенну 9, радиостанцию 8, аппаратуру передачи данных 7 поступает в бортовой вычислитель 3, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВО 2. Если адреса совпадают, то сообщение передается в блок 17 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации служебной части полученного сообщения и определения режима работы аппаратуры ВО 2. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 3 и при необходимости выводится на экран блока 6 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения, или выдается в систему 18 управления и информационного обеспечения ВО.
В зависимости от числа подвижных воздушных объектов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в системе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями и эффективного управления полетом ВО 2. При изменении помеховой обстановки, взаимного положения НК 1 и ВО 2, нарушения режима полета подвижного воздушного объекта и фиксации предельных параметров в вычислителях 3 и 13 автоматически формируется предупреждающий сигнал о возможном «обрыве» связи, информация о котором выводится на экраны блока 6 регистрации данных и монитора 15 АРМ. Визуальная картинка может быть усилена звуковым эффектом. При использовании определенного формата заголовка сообщения с выхода бортовых формирователей 19 типа ретранслируемых сообщений может быть использован режим свободного доступа со стороны других подвижных воздушных объектов 2 или режим выделения временного интервала для организации обмена данными с наземным комплексом 1.
В результате анализа состояния и загрузки каналов радиосвязи MB- и СВЧ-диапазонов в вычислителе 13 АРМ 30 НК 1 определяется число столкновений сообщений в каналах связи, и, когда это число превышает предельно допустимое, система переходит в режим адресного опроса для упорядочения работы канала передачи данных "воздух-земля". Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче несколькими объектами, вычислителями 3 и 13 может осуществляться, например, контроль несущей частоты при воздействии преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с ВО 2 передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь подвижных воздушных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в вычислителе 13 формируется запросное сообщение для конкретного ВО 2.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если воздушные объекты 2 сформировали для передачи сообщения после получения с НК 1 запроса и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные подвижные воздушные объекты в MB-диапазоне и в СВЧ-диапазоне о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и в выделенных им временных интервалах формируют передаваемые сообщения. На каждом из ВО 2 в вычислителе 3 оценивается уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале и обрабатываются для выбора интервалов передачи точные по времени импульсы синхронизации с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью воздушный объект 2 начинает передачу собственного пакета данных в выделенном интервале времени.
Сообщения о местоположении ВО 2 и НК 1 с выходов приемников 5 и 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС/GPS, записываются в память вычислителей 3 и 13 с привязкой к глобальному времени. В вычислителе 13 эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО в зоне радиосвязи НК 1, а также для ориентирования в пространстве диаграммы направленности антенны 25 НК 1, в том числе при мобильном исполнении НК 1. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ВО 2 в вычислителе 3 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВО 2.
Принятые на наземном комплексе 1, представляющем собой наземный пункт приема, передачи, обработки и отображения информации, навигационные сообщения от всех ВО 2 обрабатываются в вычислителе 13 АРМ и выводятся на экран монитора 15 АРМ 30. Точка, характеризующая местоположение НК 1, обычно размещается в центре экрана монитора 15 АРМ 30. ВО 2, находящиеся вблизи границы зоны устойчивой радиосвязи, выделяются от остальных, например, цветом отметки на экране монитора 15 АРМ и для них в вычислителях 3 и 13 начинается решение задачи выбора оптимального пути трансляции управляющих сообщений от НК 1 на выбранный ВО 2 и передачи в обратном направлении высокоскоростной информации. Для этого постоянно в вычислителе 13 одного или одновременно нескольких АРМ 30 известными методами [8] оцениваются зоны устойчивой радиосвязи для НК 1 и всех ВО 2. Наличие приемников 5 и 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем позволяет проводить управление ВО 2 и с мобильного НК 1. В аппаратуре передачи данных 7 и 12 осуществляются известные операции модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие [2, 8].
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и фрагменты программного обеспечения заявляемой системы радиосвязи. Узлы и шины 1-17, 19-23, 25-35 - одинаковые с прототипом. Узел 36 может быть выполнен, например, на дополнительных модулях к ЭВМ типа «Багет-55», узел 24 - на стандартном коммутаторе 530 серии, а узел 18, например, на серийных подсистемах вертолета и подвесной совмещенной строчной камере инфракрасного и видимого диапазонов высокого разрешения или на другом оборудовании.
Использование заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами позволяет:
- осуществлять передачу дополнительной высокоскоростной информации по широкополосному радиоканалу связи СВЧ-диапазона;
- повысить помехозащищенность передачи данных в условиях многолучевого распространения радиоволн и связанных с ним частотно-селективных замираний;
- повысить уровень безопасности полетов за счет предоставления пилоту ВО и оператору НК информации о воздушном объекте и о ситуации вокруг него с точностью глобальной навигационной спутниковой системы (для GPS - 7 м, в режиме передачи дифференциальных поправок - 1 м [9]).
Литература
1. 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.
2. 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.
3. Приложение 10 к соглашениям ICAO, том 3.
4. Патент РФ №2309543 (прототип).
5. К.Э. Эрглис. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2000, 256 с.
6. А.А. Мячев. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993, 350 с.
7. В.В. Бортников, С.С. Ананченков. Помехоустойчивость двоичных сигналов в марковском канале с замираниями. - Изв. вузов MB и ССО СССР. Радиотехника, 1984, т.24, №10, С.78-80.
8. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. - М.: Радио и связь, 1985, 391 с.
9. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.