СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
RADIO COMMUNICATION SYSTEM WITH MOVING OBJECTS

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано при проведении тестирования радиолиний связи и контроле информационного обмена между подвижными объектами (ПО) и наземными комплексами (НК).
Известна "Система радиосвязи с подвижными объектами" [1], которая состоит из наземной и бортовой приемопередающих радиостанций, между которыми осуществляется обмен данными в соответствии с заложенными алгоритмами. При обмене сообщениями между наземной приемопередающей станцией и подвижными воздушными объектами загрузка канала меняется в зависимости от этапа полета и информационной активности абонентов цифровой радиосвязи. Реализованный с помощью вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера управления воздушным движением (УВД) счетчик числа подвижных воздушных объектов контролирует количество объектов и выдает это число на счетчик загрузки системы. В зависимости от числа объектов и числа переспросов сообщений в системе используются динамические алгоритмы организации обмена сообщениями и управления каналами радиосвязи. Для исключения столкновений при одновременной передаче несколькими объектами сообщений осуществляется контроль несущей радиосигналов подвижных воздушных объектов во время воздействия ее на бортовой приемник. Определяется состояние, когда радиоканал свободен. Для разнесения во времени моментов выхода на связь нескольких подвижных воздушных объектов в бортовое устройство введен специализированный вычислитель, реализующий функции анализатора несущей частоты и генератора псевдослучайной задержки, которые обеспечивают соответствующую задержку передачи сообщений от подвижных воздушных объектов. Для принятия оптимального решения наземными службами УВД и на борту информация об относительном местоположении аэропорта и подвижных воздушных объектов снимается с бортовых и наземных датчиков - приемников сигналов глобальной навигационной спутниковой системы.
Персонал, размещаемый на НК, решает задачи управления воздушным движением с помощью комплексов программно-аппаратных средств, выполненных на вычислителях (ПЭВМ). Информационный обмен НК с ПО осуществляется по сетям воздушной связи в MB диапазоне. Радиосигналы MB диапазона распространяются в пределах прямой видимости и обеспечивают передачу информации с большой скоростью и высоким качеством.
Однако в системе низкая помехозащищенность из-за работы только на одной частоте, отсутствует контроль и резервирование радиоэлектронного оборудования НК, что ухудшает надежность связи в канале «НК-ПО».
Известна "Система радиосвязи с подвижными объектами" [2]. В этой системе во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземной радиостанцией 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 воздушных объектов, хранящимися в его памяти. При совпадении адреса подвижного воздушного 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, определяется программно один из ПО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ПО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному подвижному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го ПО, 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, и адреса подвижных воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. По принятым на ПО сообщениям в блоке анализа типа сообщений решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ПО.
В обычном режиме с НК, когда не требуется ретрансляция сигналов, 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 бортовую антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного воздушного 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, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу "воздух-земля" 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 ПО и мониторе АРМ НК соответственно.
Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ПО обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
У аналога имеются недостатки:
- не обеспечивается поблочный контроль оборудования ПО при отсутствии связи с НК и другими, необходимый для отыскания неисправностей и соответствующей замены оборудования;
- не контролируется состояние текущего радиочастотного спектра и процедура информационного обмена между подвижными объектами и наземными комплексами при функциональном контроле и в процессе сеанса связи, что снижает эффективность управления подвижными объектами.
Известна "Система радиосвязи с подвижными объектами" [3]. Система предназначена для обмена данными между подвижными объектами и наземным комплексом. НК содержит первую наземную антенну, подключенную к высокочастотному входу/выходу первой радиостанции, низкочастотный вход которой подключен к соответствующему выходу первой аппаратуру передачи данных (АПД). Первый выход первого вычислителя автоматизированного рабочего места подключен к первому входу первой АПД, первый вход первого вычислителя автоматизированного рабочего места подключен к наземному приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, второй вход - к первому пульту управления АРМ, второй выход - к первому монитору АРМ. Наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с третьим входом первого вычислителя АРМ. Высокочастотный вход/выход второй наземной радиостанции подключен к второй наземной антенне, а ее низкочастотный вход соединен с выходом второй АПД. Вход/выход второй АПД соединен двухсторонними связями с первым входом/выходом второго вычислителя автоматизированного рабочего места. В состав НК входят также коммутатор, первый и второй распределители сигналов. Низкочастотный выход первой радиостанции через первый распределитель сигналов подключен к входу коммутатора и второму входу первой АПД. Второй выход первой АПД через второй распределитель сигналов подключен к четвертому входу первого вычислителя автоматизированного рабочего места и первому входу второго вычислителя автоматизированного рабочего места. Управляющие входы первого и второго распределителей сигналов и коммутатора соединены с первым, вторым и третьим выходами второго вычислителя автоматизированного рабочего места соответственно. Первый выход первого вычислителя АРМ подключен к второму входу второго вычислителя АРМ. Первый выход первой АПД соединен со вторым входом первого распределителя сигналов. Низкочастотный выход второй радиостанции через коммутатор подключен к входу второй аппаратуры передачи данных. Первый и второй вычислители АРМ соединены между собой двухсторонними связями. Третий вход второго вычислителя АРМ подключен к второму пульту управления АРМ, а четвертый выход второго вычислителя АРМ -к второму монитору АРМ. Третий вход/выход второго вычислителя АРМ является входом/выходом системы радиосвязи для сопряжения с внешними системами.
Передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного объекта (ПО), второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке.
В состав системы входят N подвижных объектов, в каждый из которых входят бортовые датчики, блок регистрации данных, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений. Каждый из упомянутых узлов соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом. Первая бортовая аппаратура передачи данных соединена двухсторонними связями с бортовым вычислителем и бортовой радиостанцией. Высокочастотный вход/выход первой бортовой радиостанции подключен к первой бортовой антенне Однако аналогу присущи следующие недостатки:
- отсутствует возможность функционального контроля оборудования подвижного объекта (ПО) при включении аппаратуры и на маршруте при неисправности;
- отсутствует резервирование оборудования;
- из-за наличия только одного приемо-передающего тракта на ПО снижается помехозащищенность из-за использования только одной рабочей частоты и низка аппаратная надежность подвижного объекта, качество связи, особенно при работе в помехах;
- не осуществляется мониторинг радиочастотного спектра и не контролируется процедура информационного обмена между подвижными объектами и с наземными комплексами в процессе сеанса связи, что снижает эффективность управления подвижными объектами.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является "Система радиосвязи с подвижными объектами" [4]. Она состоит из наземного комплекса, содержащего первую наземную антенну, подключенную к высокочастотному входу/выходу первой радиостанции. Низкочастотный вход радиостанции подключен к соответствующему выходу первой аппаратуры передачи данных. Первый вычислитель автоматизированного рабочего места, первый выход которого подключен к первому входу первой АПД. Первый вход первого вычислителя автоматизированного рабочего места подключен к наземному приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход -к первому пульту управления АРМ, второй выход - к первому монитору АРМ. Наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с третьим входом первого вычислителя АРМ. Высокочастотный вход/выход второй наземной радиостанции подключен к второй наземной антенне, а ее низкочастотный вход - к выходу второй АПД. Вход/выход второй АПД соединен двухсторонними связями с первым входом/выходом второго вычислителя автоматизированного рабочего места. Низкочастотный выход первой радиостанции через первый распределитель сигналов подключен к входу коммутатора и второму входу первой АПД, а второй выход первой АПД через второй распределитель сигналов подключен к четвертому входу первого вычислителя автоматизированного рабочего места и первому входу второго вычислителя автоматизированного рабочего места. Управляющие входы первого и второго распределителей сигналов и коммутатора соединены с первым, вторым и третьим выходами второго вычислителя автоматизированного рабочего места соответственно. Первый выход первого вычислителя АРМ подключен также к второму входу второго вычислителя АРМ. Первый выход первой АПД соединен также со вторым входом первого распределителя сигналов. Низкочастотный выход второй радиостанции через коммутатор подключен к входу второй аппаратуры передачи данных. Первый и второй вычислители АРМ соединены между собой двухсторонними связями. Третий вход второго вычислителя АРМ подключен к второму пульту управления АРМ, а четвертый выход второго вычислителя АРМ - к второму монитору АРМ. Третий вход/выход второго вычислителя АРМ является входом/выходом системы радиосвязи для сопряжения с внешними системами. Передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного объекта (ПО), второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке. В состав каждого из N подвижных объектов входят бортовые датчики, блок регистрации данных, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом. Высокочастотный вход/выход первой бортовой радиостанции подключен к первой бортовой антенне. На подвижном объекте содержаться первый и второй бортовые коммутаторы, первый и второй бортовые распределитель сигналов, последовательно соединенные двухсторонними связями второй бортовой распределитель сигналов, вторая бортовая аппаратура передачи данных, второй бортовой распределитель сигналов, вторая бортовая радиостанция, вторая бортовая антенна. Бортовой вычислитель ПО соединен двухсторонними связями с входами/выходами первого и второго бортовых распределителей сигналов. Вход/выход первого бортового распределителя сигналов подключен к входу/выходу первой бортовой аппаратуры передачи данных, вход/выход которой через первый бортовой коммутатор подключен к входу/выходу первой бортовой радиостанции. Соответствующий вход/выход бортового вычислителя через локальную вычислительную сеть соединен двухсторонними связями с входами/выходами первого и второго бортовых распределителей сигналов, первой и второй бортовых аппаратур передачи данных, первого и второго бортовых коммутаторов, первой и второй бортовых радиостанций. Первая и вторая бортовые антенны связаны по эфиру между собой, а также в зоне устойчивой связи - с первой и второй наземными антеннами, с первой и второй бортовыми антеннами удаленных подвижных объектов.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- низкая помехозащищенность из-за работы только на одной частоте (не используется частотное разнесение);
- отсутствует резервирование оборудования;
- отсутствует мониторинг текущего радиочастотного спектра на наличие полезных сигналов и помех.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности передачи информации за счет сосредоточения с помощью фазированных антенных решеток энергетического потенциала в направлении на выбранного абонента, одновременной работы с выбранными абонентами на нескольких частотах разных диапазонов, в том числе по спутниковым каналам связи, увеличения числа абонентов системы, обеспечение удобства эксплуатации за счет непрерывного автоматического контроля ситуации в текущем радиочастотном спектре и повышения аппаратной надежности оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, первую и вторую наземные радиостанции, первую и вторую наземные аппаратуры передачи данных (АПД), первый и второй вычислители автоматизированного рабочего места (АРМ), наземный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, первый и второй пульты управления АРМ, первый и второй мониторы АРМ, наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений, коммутатор, первый и второй распределители сигналов и вход/выход системы радиосвязи для сопряжения с внешними системами, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного объекта, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, и N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, блок регистрации данных, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, двунаправленная шина системы управления подвижным объектом, бортовая локальная вычислительная сеть (ЛВС) и, подключенные к ней, первый бортовой вычислитель, первая и вторая бортовая АПД, первый и второй бортовые коммутаторы, первый и второй бортовые распределители сигналов, первая и вторая бортовые радиостанции, наземная и бортовая антенны выполнены в виде конформных фазированных антенных решеток (ФАР), при этом бортовые и наземные радиостанции, АПД, конформные ФАР, коммутаторы и бортовые распределители сигналов являются многоканальными, а многоканальные высокочастотные входы/выходы первой и второй бортовых радиостанций подключены к бортовой конформной ФАР, многоканальные высокочастотные входы/выходы первой и второй наземных радиостанций подключены к наземной конформной ФАР, причем в наземный комплекс введены дополнительно многоканальные: наземный унифицированный модуль шифрации, наземный модуль мониторинга, анализа адаптации и формирования команд управления для адаптации связи, наземный модуль формирования приоритетных сообщений, наземный модуль ретрансляции, наземная база данных с входом/выходом, наземная спутниковая радиостанция с наземной спутниковой антенной, соединенная двухсторонними связями через один из спутников связи из созвездия спутников другими НК и с ПО, и наземный модуль сопряжения, которые, наряду с первой и второй наземными радиостанциями, наземной конформной ФАР, первой и второй наземными АПД, первым и вторым вычислителями АРМ, наземным приемником сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, первым и втором пультами управления АРМ, первым и вторым мониторами АРМ, наземным формирователем типа ретранслируемых сообщений, коммутатором, первым и вторым распределителями сигналов, подключены двухсторонними связями к введенной наземной ЛВС, при этом вход/выход наземного модуля сопряжения является входом/выходом системы радиосвязи для сопряжения с внешними системами, в подвижный объект введены дополнительно многоканальные: бортовой унифицированный модуль шифрации, спутниковая бортовая радиостанция со спутниковой антенной, бортовой модуль мониторинга, анализа адаптации и формирования команд управления для адаптации связи, бортовой модуль формирования приоритетных сообщений, бортовой модуль ретрансляции, бортовая база данных с входом/выходом, второй бортовой вычислитель и бортовой модуль сопряжения, которые, наряду с бортовыми датчиками, блоком регистрации данных, приемником сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, анализатором типа принимаемых сообщений, бортовым формирователем типа ретранслируемых сообщений и бортовой конформной ФАР, двухсторонними связями подключены к бортовой ЛВС, второй вход/выход бортового модуля сопряжения подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, при этом наземная и бортовая конформные ФАР состоят из последовательного соединения полуволновых вибраторов соответствующего диапазона частот и фазовращателей, подключенных к высокочастотным входам/выходам соответствующих радиостанций, управление диаграммой направленности антенны осуществляется через соответствующие локальные вычислительные сети с соответствующего вычислителя, определенного в данный момент времени основным, бортовые конформные ФАР подвижных объектов связаны по эфиру между собой, а также в зоне устойчивой связи связаны с многоканальными наземными конформными ФАР наземных комплексов.
На фигуре представлена система радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - подвижный объект;
3 - первый бортовой вычислитель;
4 - бортовые датчики;
5 - бортовой приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
6 - блок регистрации данных;
7 - первая многоканальная бортовая аппаратура передачи данных;
8 - первая многоканальная бортовая радиостанция;
9 - бортовая конформная фазированная антенная решетка, условно обозначенная на фигуре в виде цилиндра;
10 - наземная конформная фазированная антенная решетка, условно обозначенная на фигуре в виде цилиндра;
11 - первая многоканальная наземная радиостанция;
12 - первая многоканальная наземная аппаратура передачи данных;
13 - первый вычислитель АРМ (на базе ПЭВМ);
14 - наземный приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
15 - первый монитор АРМ;
16 - первый пульт управления АРМ;
17 - анализатор типа принимаемых сообщений,
18 - двунаправленная шина системы управления подвижным объектом;
19 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
20 - наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений;
21 - спутниковая наземная радиостанция с антенной 39;
22 - вторая многоканальная наземная радиостанция;
23 - вторая многоканальная наземная аппаратура передачи данных;
24 - второй вычислитель АРМ;
25 - первый многоканальный распределитель сигналов;
26 - второй многоканальный распределитель сигналов;
27 - наземный многоканальный коммутатор;
28 - второй пульт управления АРМ;
29 - второй монитор АРМ;
30 - вход/выход системы радиосвязи для сопряжения с внешними системами;
31 - первый многоканальный бортовой коммутатор;
32 - первый многоканальный бортовой распределитель сигналов;
33 - спутниковая бортовая радиостанция с антенной 54;
34 - второй многоканальный бортовой коммутатор;
35 - вторая многоканальная бортовая радиостанция;
36 - вторая многоканальная бортовая аппаратура передачи данных;
37 - второй многоканальный бортовой распределитель сигналов;
38 - бортовая локальная вычислительная сеть (ЛВС);
40 - спутник связи из созвездия спутников;
41 - наземная локальная вычислительная сеть;
42 -наземный унифицированный модуль шифрации;
43 - бортовой модуль мониторинга, анализа адаптации и формирования команд управления для адаптации связи;
44 - бортовой модуль формирования приоритетных сообщений;
45 - бортовой модуль ретрансляции;
46 - бортовая база данных с входом/выходом 47
48 - второй бортовой вычислитель;
49 - наземный модуль мониторинга, анализа адаптации и формирования команд управления для адаптации связи;
50 - наземный модуль формирования приоритетных сообщений;
51 - наземный модуль ретрансляции;
52 - наземная база данных с входом/выходом 53;
55 - бортовой модуль сопряжения;
56 - наземный модуль сопряжения;
57 -бортовой унифицированный модуль шифрации.
Алгоритм работы системы заключается в мониторинге радиочастотного спектра и на основе его анализа выбора оптимальных рабочих частот, формирования узких диаграмм направленности ФАР в направлении на вызываемого абонента при известном его местоположении, ретрансляции сообщений, в том числе приоритетных, адаптации к существующей помеховой обстановке, контроле работоспособности оборудования ПО 2 на всех стадиях организации связи: в начале работы - во время функционального контроля, при появлении неисправности, в процессе сеанса связи с НК 1 и другими ПО 2, находящимися в зоне устойчивого приема. Зона устойчивого приема - это область пространства, в которой величина отношения сигнал/шум на приемной стороне больше или равна заданной. Учитывая подвижность абонентов системы диаграмма направленности антенн во всех диапазонах должна быть круговой по азимуту. Одним из способов создания антенны с круговой диаграммой направленности является размещение печатных излучателей антенной решетки на несущей конструкции. Антенная решетка должна повторять обводы корпуса объекта, на котором она расположена (самолета, беспилотного летательного аппарата и т.д.). Для решения таких задач применяются конформные антенные, т.е. изогнутые в какой-то плоскости антенные решетки [13].
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Во время начального включения оборудования НК - во время функционального контроля осуществляется тестирование аппаратуры. Для этого с первого или со второго вычислителя АРМ 13 или 24 (в зависимости от работающего в данный момент времени) посылаются тестовые сообщения, которые, пройдя основные узлы вычислителей, поступают на входы первой многоканальной АПД 12. Число каналов выбирается в зависимости от выполняемых системой функций и количества абонентов в системе. Эти сообщения на выходах АПД 12 через ЛВС 41 контролируются одним из работающих вычислителей АРМ 24 или 13 с помощью наземной ЛВС 41 по известному формату переданного сигнала, например, методом сравнения. В первой АПД 12 для повышения помехоустойчивости сообщения кодируются, при необходимости, с ними осуществляются специальные преобразования, а затем они преобразуются к виду, необходимому для сопряжения с первой многоканальной радиостанцией 11. Сигналы с выхода первой АПД 12 подаются на первую радиостанцию 11 и через первый распределитель 25, коммутатор 27 на вход второй многоканальной АПД 23, где они соответствующим образом преобразуются и через наземную ЛВС 41 контролируются одним из работающих вычислителей АРМ 24 или 13 для сравнения. Сформированные первой радиостанцией 11 радиосигналы через первую наземную конформную ФАР 10 излучаются в пространство и принимаются соответствующими полуволновыми вибраторами, входящими в состав ФАР 10. То, что первая и вторая многоканальные радиостанции 11 и 22, первая и вторая многоканальные АПД 12 и 23 имеют идентичные параметры трактов передачи и приема и обработки сигналов и могут быть настроены на любую из разрешенных рабочих частот, положено в основу контроля оборудования НК 1. Излученные радиосигналы, пройдя процедуру приема и обработки в цепочке узлов, состоящей из наземной ФАР 10, второй радиостанции 22, второй АПД 23, через ЛВС 41 поступают в один из работающих вычислителей АРМ 24 или 13 для сравнения. Результаты контроля отображаются на экране второго монитора 29 АРМ и первого монитора 15 АРМ и могут быть транслированы на другие сопрягаемые системы наземного комплекса 1 по входу/выходу 30 через ЛВС 41 и наземный модуль 56 сопряжения. Если на всех стадиях контроля получены положительные результаты, то оборудование НК 1 считается готовым для организации связи с ПО 2. Если обнаружились неисправные модули, то они исключаются из процедуры связи и заменяются аналогичными исправными.
Аналогичным образом обеспечивается контроль оборудования ПО 2. Во время функционального контроля ПО 2 осуществляется тестирование аппаратуры. Для этого с бортового вычислителя 3 или 48 (в зависимости какой вычислитель в это время работает) поочередно на две ветви через ЛВС 38 посылаются тестовые сообщения, которые, сначала пройдя основные узлы первой ветви: первый бортовой распределитель 32 сигналов, первую многоканальную бортовую АПД 7, где для повышения помехоустойчивости сообщения кодируются, при необходимости, с ними осуществляются специальные процедуры, а затем они преобразуются к виду, необходимому для сопряжения с первым бортовым многоканальным коммутатором 31, поступают в первую бортовую многоканальную радиостанцию 8 и в форме радиосигналов через бортовую конформную ФАР 9 излучаются в пространство. Во время прохождения сигналов по указанной ветви после прохождения каждого узла они через ЛВС 38 автоматически контролируются в одном из работающих бортовых вычислителях 3 или 48 методом сравнения с помощью аналогичных устройств 37, 36, 35, 34, и 33, объединенных между собой шиной 38, например, в соответствии с протоколом МКИО [5, 6, 7]. При положительных результатах контроля, отображаемых на экране бортового регистратора 6, аналогичным образом проверяются устройства второй ветви: 37, 36, 35, 34, и 33, но с помощью узлов первой ветви: 32, 7, 31, 8 и 9. В случае отрицательного результата определяется неисправный узел и заменяется. Если неисправность случилась на маршруте и нет возможности обеспечить замену неисправного устройства, то с помощью одного из бортовых вычислителей 3 или 48 осуществляется «обход» неисправного узла и данные проходят по узлам работоспособной ветви.
i
1
1
N+n
N+n
1
i
i
i
Во время движения подвижные объекты обмениваются данными с наземным комплексом 1 и между собой. До организации сеанса связи все ПО 2 и НК 1 осуществляют мониторинг и анализ радиочастотного спектра на разрешенных частотах, выбираемых из баз данных 46 и 52, записанных в них заранее по входам/выходам 47 и 53 соответственно. Принимаемые первой наземной многоканальной радиостанцией 11 из канала "воздух-земля" сообщения через первую многоканальную аппаратуру 12 передачи данных поступают через наземную ЛВС 41 в один из работающих в этот отрезок времени в качестве основного вычислителей АРМ 13 или 24, выполненный, например, на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных воздушных объектов, хранящимися в базе 52 данных. При совпадении адреса подвижного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО 2 и состоянии его датчиков 4 выводится на экраны мониторов АРМ 15 и 29 НК 1.Управление АРМ 15 и 29 осуществляется с пультов 16 и 28 соответственно. Если в служебной части сообщения имеется признак ретрансляции, то определяется адрес вызываемого абонента, выделяется с помощью узла 51 ретранслируемое сообщение и организуется соответствующий трафик. В вычислителе АРМ, определенным на данный момент времени основным, решаются задачи: обеспечения постоянной радиосвязи со всеми (N+n) ПО 2, организации режима ретрансляции, мониторинга и анализа радиочастотного спектра и местоположения всех ПО 2, находящихся в зоне устойчивой связи этого наземного комплекса, формировании узкой диаграммы направленности ФАР 10 в направлении на вызываемого абонента при наличии помех, оптимального управления их движением, решения конфликтных ситуаций и выполнения других операций. Процесс обмена данными контролируется с помощью контроля параметров передаваемых сигналов, как было описано выше при тестовой проверке, и приема, обработки и оценки сообщений, прошедших по тракту, состоящему из устройств: ФАР 10, второй многоканальной радиостанции 22, второй многоканальной наземной АПД 23, основного вычислителя АРМ. При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ПО 2, или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, в основном вычислителе АРМ определяется программно один из ПО 2, который назначается ретранслятором сообщений, условно обозначенный на фигуре цифрой 2. При постоянном изменении дальности между взаимодействующими ПО 2 в качестве ретранслятора может быть определен любой из N ПО, местоположение которого оптимально по отношению к НК 1 и всем остальным ПО 2. В этом случае автоматически или оператором АРМ назначается ПО 2, который в течение определенного времени будет использоваться в качестве ретранслятора. По анализу местоположения и параметров движения остальных ПО 2 определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК 1 за радиогоризонт подвижному, например, воздушному объекту 2. Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую из (N+n-1)-го ПО 2, может быть доставлено (N+n)-y ПО 2. Для этого на НК 1 в формирователе 20 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 данные в блоке 17 анализа типа сообщений подвижного объекта 2 обрабатываются. Если сообщение предназначено для данного ПО 2, то после анализа решается вопрос о направлении через бортовой модуль 55 сопряжения данных по двунаправленной шине 18 на систему управления ПО 2, не указанную на фигуре, или в узле 51 при режиме ретрансляции - о передаче данных на соседний ПО 2. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении и ретрансляция данных осуществляется последовательно во времени. При обмене данными по линии «воздух-земля», особенно при наличии потенциально конфликтной ситуации, экипаж должен полностью выполнять команды оператора НК 1, имеющего больший объем информации о воздушной ситуации в своей зоне ответственности. При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ПО 2 в соответствии с принятыми в системе радиосвязи с подвижными объектами категориями срочности в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с модуля 50 НК 1 на выбранное ПО 2 с учетом времени реакции ПО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая после прохождения узлов 9, 8, 31, 7, 32 и через ЛВС 38 на один из двух вычислителей 3 или 48, определенным основным, или прохождения узлов 9, 34, 35, 36, 37 и через ЛВС 38 на один из двух вычислителей 3 или 48, на ПО 2 приоритетная информация с использованием модуля 50 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 48, 13 и 24 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.
Первая и вторая многоканальные радиостанции 11 и 22, первая и вторая многоканальные АПД 12 и 23 имеют идентичные, параметры трактов передачи, приема и обработки сигналов. Это обстоятельство положено в основу контроля оборудования НК 1.
Сообщение с выхода первого вычислителя 13 АРМ через ЛВС 41 контролируется с помощью второго вычислителя 24 АРМ по известному формату переданного сигнала, например, методом сравнения. Низкочастотные выходы первой многоканальной наземной радиостанции 11 через наземную ЛВС 41, первый распределитель 25 сигналов, снова через наземную ЛВС 41 подключены к входу наземного коммутатора 27 и через наземную ЛВС 41 к входу первой многоканальной АПД 12, а с нее через наземную ЛВС 41, второй многоканальный распределитель 26 сигналов и снова через наземную ЛВС 41 - к соответствующему входу/выходу первого наземного вычислителя 13 автоматизированного рабочего места и через наземную ЛВС 41 - к соответствующему входу/выходу второго вычислителя 24 автоматизированного рабочего места.
Выход первой (второй) многоканальной наземной АПД 12 (23) через наземную ЛВС 41 соединен с входом первого (второго) многоканального распределителя 25 (26) сигналов. Низкочастотные выходы второй многоканальной радиостанции 22 через наземную ЛВС 41, коммутатор 27 и снова через наземную ЛВС 41 подключены к соответствующему входу второй многоканальной аппаратуры 23 передачи данных.
Первый и второй вычислители АРМ 13 и 24 через наземную ЛВС 41 соединены между собой двухсторонними связями, поэтому в них постоянно циркулирует одинаковая информация, что позволяет быстро восстановить работоспособность системы при выходе из строя основного вычислителя или при его программном сбое.
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 первого пульта 16 управления АРМ сообщение отображается на экране первого монитора 15 АРМ и параллельно после прохождения сигнала на НК 1 через вычислитель АРМ, определенный в качестве основного на данный момент времени, первую многоканальную аппаратуру 12 передачи данных, первую многоканальную радиостанцию 11, первую ФАР 10 и на ПО 2 - через бортовую ФАР 9, первую или вторую многоканальные бортовые радиостанции 8 или 35, первый или второй бортовые многоканальные коммутаторы 31 или 34, первую или вторую многоканальные бортовые аппаратуры передачи данных 7 или 36, первый или второй бортовые многоканальные распределители 32 или 37 поступает в бортовой вычислитель 3 или 48, определенный в качестве основного, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ПО 2. Далее сообщение передается в блок 17 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации служебной части полученного сообщения и определения режима работы аппаратуры ПО 2. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 3 или 48, определенного в качестве основного, и при необходимости выводится на экран блока 6 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения. Бортовая аппаратура может обеспечить одновременный обмен данными с несколькими источниками (потребителями) информации по числу параллельных каналов в многоканальной бортовой аппаратуре.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если подвижные объекты 2 сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные подвижные воздушные объекты о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом в выделенных им временных слотах распределяют передаваемые сообщения. В каждом из ПО 2 используются адаптивно выбранный уровень радиосигнала несущей частоты в радиоканале и импульсы синхронизации для выбора интервалов передачи в бортовом вычислителе, определенном основным. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью, ПО 2 начинает передачу собственного пакета данных в выделенном интервале времени по любой из двух ветвей или для повышения помехозащищенности одного, например, приоритетного сигнала по двум ветвям и нескольким каналам разных диапазонов одновременно. В таблице приведены основные функции, выполняемые многоканальной бортовой аппаратурой, и получаемый при их реализации эффект - технический результат.
Формирователи 20 и 19 типа ретранслируемых сообщений соответственно позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу "воздух-земля" взамен существующей речевой информации, преобразованной к цифровому виду. Они обеспечивают процедуру выбора элементов сообщений разрешения/информации/запроса, которые соответствуют принятой речевой фразеологии, и набор произвольного текста. Отображение набираемых на первом наземном пульте 16 управления и принятых с ПО 2 сообщений осуществляется на экранах мониторов 15 и 29 АРМ НК 1, а принятых с НК 1 или других ПО 2 сообщений - на экране блока 6 регистрации данных.
Сообщения с выходов приемников 5 и 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS, используются в вычислителях 3 и 13 для привязки соответствующих синхросигналов ПО и НК к глобальному времени [9]. В вычислителях 3 и 13 данные приемников 5 и 14 используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО в зоне радиосвязи НК 1. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ПО 2 в вычислителе 3 или 48, определенном в качестве основного, в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 2. Вход/выход первой (второй) бортовой многоканальной аппаратуры 7 (36) передачи данных через бортовую ЛВС 38 и первый (второй) бортовой многоканальной коммутатор 31 (34) и снова через бортовую ЛВС 38 подключен к входу/выходу первой (второй) многоканальной бортовой радиостанции 11 (22).
Принятые на НК 1 навигационные сообщения от всех ПО 2 обрабатываются в вычислителе АРМ, определенного в качестве основного, выводятся на экран первого монитора 15 АРМ. В наземном и бортовом вычислителях, определенных в качестве основных на ПО и ΗК соответственно, решается задача выбора оптимального пути трансляции управляющих сообщений от НК 1, так как постоянно в вычислителе АРМ, определенном в качестве основного, известными методами [5, 6] оцениваются зоны устойчивой радиосвязи для НК 1 и всех ПО 2. Наличие приемника 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем позволяет проводить управление ПО 2 с мобильного, например, НК 1. В многоканальной аппаратуре передачи данных 7 и 36, 12 и 23 совместно с модулями 42 и 57 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие, например, необходимые для защиты информации [5, 8, 9].
Для повышения надежности связи и эффективности управления подвижными объектами непрерывно осуществляется контроль информационного обмена между подвижными объектами и наземным комплексом в процессе сеанса связи. Контроль осуществляется с помощью устройств 21-29 НК 1 и 31-37 ПО 2, позволяющих оценить параметры сигналов на выходах блоков 10-13 НК 1 и 7-9 ПО 2. Чтобы эта оценка была постоянно достоверной, во время отсутствия сеансов связи проводится мониторинг и анализ состояния радиочастотного спектра, обновляется информация в базах 46 и 52 данных, осуществляется обучение вычислительных средств, проводится самотестирование оборудования НК 1 и ПО 2 с помощью сигналов, сформированных в вычислителе АРМ и бортовом вычислителе, определенных в качестве основных.
В базы 46 и 52 данных вводится информация об адресах и местоположении абонентов системы, рабочих частотах и режимах работы и другие данные. Информация в них постоянно пополняется и обновляется, что позволяет на основании вычислительных процедур и анализа существующей ситуации организовать адаптивную радиосвязь.
Для повышения аппаратной надежности локальные вычислительные сети 38 и 41 должны быть зарезервированы и выполнены, например, по протоколу Ethernet [6, 7].
Чтобы обеспечить «бесшовную» связь между абонентами системы на подвижных объектах и в наземных комплексах используются многоканальные унифицированные модули шифрации 42 и 57, что позволяет при организации связи обходиться без дополнительных шлюзов. Модули 42 и 57 используются для всех видов дискретной информации независимо от ее скорости и для речевой информации, преобразованной в цифровую форму.
С помощью «ответных» сообщений моделируется виртуальное положение НК 1 и выбранного для связи подвижного объекта относительно местонахождения собственного подвижного объекта. Если в процессе работы в оборудовании НК 1 обнаружится неисправность (отказ), то в вычислителе АРМ, определенном основным, формируется сообщение, структура которого при прохождении устройств 10-13 позволит охватить наибольшее количество входящих в них узлов, чтобы выявить неисправный для последующей его замены. При обнаружении в процессе работы в оборудовании ПО 2 неисправности (отказа) в бортовом вычислителе АРМ, определенном основным, формируется сообщение, структура которого при прохождении устройств 7-9, 31-37 позволит охватить наибольшее количество входящих в них узлов, чтобы выявить неисправный для последующей его замены.
Если полуволновые вибраторы антенн 10 и 9 разнесены в пространстве так, что принимаемые как с ПО 2 так и с НК 1, радиосигналы являются некоррелированными, то объединяя и обрабатывая сигналы программными методами, например, с помощью мажоритарного декодирования с использованием критерия максимального правдоподобия [5, 8, 9], с помощью алгоритмов, заложенных в бортовые и наземные вычислители можно повысить достоверность принимаемой информации. Управление режимами работы введенных устройств 31-37 по шине 38 в начальный момент включения системы, при появлении неисправности и в процессе сеанса связи с НК 1 или с другими ПО 2 осуществляется с помощью вычислителя АРМ, определенного основным.
Бортовые и наземные вычислители подразделяются на основной и резервный. Основным вычислителем становится тот, который при начальном контроле функционирования ПО или НК первым оказался исправным. При его отказе или программном сбое основным становится резервный вычислитель. В этом случае оборудование мгновенно переключается на работу с резервным вычислителем, так как в него введены все данные и программные модули, которые есть в основном.
В тех случаях, когда для удаленного за радиогоризонт абонента основному вычислителю АРМ не удается составить трафик из обслуживаемых соответствующим НК подвижных объектов, то наземным модулем 51 ретрансляции формируется сообщение требуемого формата и через ЛВС 41 подается на вход наземной спутниковой радиостанции 21 и с нее в форме радиосигнала с антенны 39 излучается в пространство. Принятый антенной 54 на соответствующем ПО 2 радиосигнал обрабатывается в бортовой спутниковой радиостанции 33 и через ЛВС 38 подается в основной бортовой вычислитель для дальнейшей обработки и маршрутизации сообщения до нужного адресата.
Вход/выход 30 системы радиосвязи предназначен для сопряжения, например, через наземные сети передачи данных, с соответствующими системами управления и соседними НК, что позволяет расширить зону обслуживания системы и увеличить объем передаваемых данных и количество обслуживаемых подвижных объектов за счет возможности формирования одновременно с помощью ФАР нескольких диаграмм направленности и работы на нескольких частотах в разных диапазонах (на фигуре условно показано количество ПО (N+n), что на η больше, чем в прототипе).
Бортовая и наземная конформные фазированные антенные решетки 9 и 10 аналогичные по структуре и отличаются только количеством радиоканалов. В их состав входят модули управления фазовращателями, соединенные с соответствующими вычислителями через ЛВС. Фазовращатели подключены непосредственно к полуволновым вибраторам соответствующего диапазона частот [11, 12]. На вход фазовращателей поступают радиосигналы с выходов соответствующих радиостанций. Число полуволновых вибраторов выбирается таким образом, чтобы они не только перекрывали зону связи по азимуту, но позволяли формировать диаграмму направленности антенн 9 или 10 заданной формы и в требуемом направлении. Подбирая величину фазы у определенных полуволновых вибраторов можно изменять форму диаграммы направленности антенны по азимуту и углу места. Учитывая свойство подвижности абонентов форма диаграмм направленности антенн 9 и 10 по азимуту должна быть круговая без провалов.
Для формирования узкой диаграммы направленности в направлении на вызываемого абонента необходимо, чтобы в любом направлении по азимуту были, как минимум три полуволновых вибратора одного диапазона, диаграммы направленности которых перекрывали бы это направление.
В малогабаритных подвижных объектах полуволновый вибратор ДКМВ диапазона в антеннах 9 и 10 может быть один, например, в виде щели или антенны верхнего питания.
Повышение помехозащищенности передачи информации обеспечивается за счет сосредоточения энергетического потенциала в направлении на выбранного абонента с помощью широкодиапазонных конформных фазированных антенных решеток, одновременной работы с выбранными абонентами на нескольких частотах разных диапазонов (метод разнесения по частоте), в том числе по спутниковым каналам связи при отсутствии возможности ретрансляции информации, постоянный мониторинг (при отсутствии сеанса связи) радиочастотного спектра на наличие сигналов и помех.
Повышение аппаратной надежности и удобство эксплуатации оборудования обеспечивается за счет многоканальности оборудования, его резервирования, быстрой замены неисправного модуля при непрерывном автоматическом контроле ситуации в текущем радиочастотном спектре
Оборудование (устройства 31-37) совместно с ЛВС 38 повышает также аппаратную надежность системы, так как узлы 33, 35, 36 аналогичны узлам 7-9, а с помощью многоканальных распределителей 32 и 37 сигналов, многоканальных коммутаторов 31 и 34 при соответствующих управляющих сигналах с бортового вычислителя, определенного основным, и введенных связей, любой из блоков 7-9 может быть заменен и работоспособность системы восстановлена.
Узлы, шины 1-20, 22-32, 34-38 одинаковые с прототипом. Вводимые узлы 21, 33, 40-56 могут быть выполнены программно или на серийных ИМС. Вычислители 3, 48 и 13, 24 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 одном из вариантов исполнения наземный комплекс может быть выполнен в мобильном надводном исполнении.
Использование заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами позволяет:
- повысить помехозащищенность передачи информации за счет одновременной работы оборудования связи ПО на нескольких (более двух) частотах и выбора наиболее оптимального сигнала при приеме;
- повысить помехозащищенность передачи информации за счет формирования с помощью вычислителей, ЛВС, а также схем управления фазовращателей, расположенных в ФАР рядом с полуволновыми вибраторами требуемых диапазонов, узких диаграмм направленности в направлении на вызываемого абонента, а также за счет одновременной работы с выбранным абонентом на нескольких частотах разных диапазонов, в том числе по спутниковым каналам связи;
- увеличить число абонентов системы - подвижных объектов и наземных комплексов в системе;
- обеспечить удобство эксплуатации оборудования за счет непрерывного автоматического контроля ситуации в текущем радиочастотном спектре;
- повысить аппаратную надежность бортового и наземного оборудования;
- увеличить дальность связи за счет использования выбранных для трафика ретрансляторов и сопряжения вычислителей со спутниковыми каналами связи;
- обеспечить удобство эксплуатации за счет непрерывного автоматического контроля информации в узлах бортовой аппаратуры связи и наличия возможности «обхода» неисправного узла, а также упрощение процесса восстановления аппаратуры после отказа.
Литература:
1. Патент РФ на изобретение №2195774, опубликовано: 27.12.2002 Бюл. №36.
2. Патент РФ на полезную модель №44907, опубликовано: 27.03.2005 Бюл. №9.
3. Патент РФ на полезную модель №99261, опубликовано: 10.11.2010 Бюл. №31.
4 Патент РФ на изобретение №2643182, опубликовано: 31.01.2018 Бюл. №4 (прототип).
5 Кузьмин Б.И. «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция» ИКАО CNS/ATM. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
6. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2000. - 240 с.
7. Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.
8. Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для ВУЗов / И.М. Тепляков и др. Под ред. И.М. Теплякова. - М.: Радио и связь, 1982.
9. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. - М., Радио и связь, 1985, 391 с.
10. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
11. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
12. Родионов А.А., Обработка сигналов в антенных решетках на основе модели помехи, включающей корреляционную матрицу неполного ранга / Турчин В.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 2017. Т. 60. №1. С. 60-71.
13. Вахитов М.Г., Клыгач Д.С.Моделирование конформной антенной решетки для беспилотного летательного аппарата / Журнал радиоэлектроники, ISSN 1684-1719, N3, 2021.