КОМПЛЕКС БОРТОВЫХ СРЕДСТВ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ
COMPLEX OF NAVY MEANS OF DIGITAL COMMUNICATION

Изобретение относится к бортовым радиосистемам обмена данными и может быть использовано для информационного обмена, например, между воздушными средствами (ВС) и наземными комплексами (НК) в каналах радиосвязи ОВЧ и ВЧ диапазонов с помехами.
В настоящее время широко применяется комплекс бортовых средств цифровой связи (КБСЦС) для обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием ВС (самолетов) и наземными службами (ACARS) [1]. В системе обеспечивается вызов на речевую связь и передача данных между ВС и наземными службами. Бортовой блок управления в этой системе представляет собой вычислитель. Каналами обмена текущей информацией являются каналы ОВЧ и ВЧ диапазонов. Организацию обмена информацией между наземными службами и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс. Он опрашивает ВС, 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 наземной системе в режиме прямого доступа [2].
К недостаткам представленной системы обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием ВС и наземными службами следует отнести отсутствие возможности организации работы в линиях передачи данных с помехами.
Известен БКСЦС системы радиосвязи с подвижными объектами (ПО) [3]. Для предупреждения столкновений при одновременной передаче сообщений несколькими ВС осуществляется контроль несущей радиосигналов ВС во время воздействия ее на бортовые приемники. Определяется состояние, когда радиоканал свободен. Для разнесения во времени моментов выхода на связь нескольких ВС в БКСЦС введен вычислитель, реализующий функции анализатора несущей частоты и генератора псевдослучайной задержки, которые обеспечивают соответствующую задержку передачи сообщений от ВС. Для принятия оптимального решения наземными службами и на борту информация об относительном местоположении аэропорта и ВС снимается с одного из бортовых и наземных датчиков - приемников сигналов глобальной навигационной спутниковой системы. Информационный обмен НК с ВС осуществляется по каналам «воздух-земля» в ОВЧ диапазоне. Радиосигналы ОВЧ диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Антенны на ВС и НК всенаправленные - для удобства обеспечения связи при движении ВС. В этой системе во время движения ВС, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземной радиостанцией из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру передачи данных 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 ВС, хранящимися в памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса ВС с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВС и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ВС. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ВС или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи определяется программно один из ВС, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ВС определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному ВС. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го воздушного судна, может быть доставлено N-му ВС. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВС, назначенного ретранслятором, и адреса ВС, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ВС сообщения в блоке анализа типа сообщений анализируются. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления ВС или ретрансляции их на соседнее ВС. В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов, с НК осуществляется адресный опрос ВС путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ВС после прохождения через бортовые антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВС. 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 ВС. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных. 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 ВС. Принятые наземным комплексом навигационные сообщения от всех ВС обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
К недостаткам представленного БКСЦС следует отнести невозможность работы в радиоканалах с помехами.
Известен БКСЦС современной конфигураци [4, Рис. 5.10, с. 175]. Комплекс работает следующим образом. Во время движения воздушные суда, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными о местоположении, параметрах движения ВС и состоянии его датчиков с наземным комплексом в ОВЧ диапазоне, а за его пределами - в ВЧ диапазоне. В блоке управления решаются задачи: приема-передачи и обработки сигналов с наземного комплекса. Каждый из ВС выходит на связь на нескольких рабочих частотах ВЧ и ОВЧ диапазонов, известных всем участникам движения. В этом случае в блоке управления осуществляются операции оценки достоверности данных, принимаемых на ВС по ВЧ и ОВЧ каналам. Управление приемопередатчиками ОВЧ диапазона осуществляется с блока управления, а приемопередатчиками ВЧ диапазона - с панели дистанционного управления.
Распределение сигналов между приемопередатчиками, работающими в режимах «Речь», «Данные», осуществляется в блоке переключения интерфейсов с помощью сигналов, передаваемых с блока управления по шине управления.
Блок управления прототипа обеспечивает управление коммутацией сигналов через блок переключения интерфейсов и установкой рабочих режимов приемопередатчиков ОВЧ диапазона и обмен по каналу «борт-земля-борт» пилотажно-навигационной, эксплуатационно-технической, метео- и коммерческой информацией. Через блок управления осуществляется переключение режимов работы «Речь-Данные» и «Прием-Передача» соответствующего приемопередатчика ОВЧ диапазона. В ответ на достоверно принятое сообщение в блоке управления формируется соответствующий символ в позиции технического подтверждения/неподтверждения приема сообщения. В блоке управления для режима ACARS осуществляются операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования дискретных сообщений и другие.
В обычном режиме с беспомеховой обстановкой с НК осуществляется адресный опрос ВС путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. На ВС радиосигналы через антенны, приемопередатчики, блок переключения интерфейсов поступают в блок управления, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВС. Далее служебная часть сообщения дешифрируется для определения режима работы аппаратуры комплекса. Информационная часть сообщения после проверки ее достоверности используется в вычислительной системе самолетовождения (ВСС).
В зависимости от числа воздушных судов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в комплексе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями. Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче несколькими ВС, в блоке управления осуществляется контроль несущей при воздействии на приемопередатчики преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с ВС передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь воздушных судов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в блоке управления формируется псевдослучайная задержка передачи сообщений от воздушных судов - для каждого ВС своя.
Если воздушные суда сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные ВС в ОВЧ диапазоне о начале цикла передачи данных и случайным образом распределяют передаваемые сообщения. В каждом блоке управления оценивают уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале. Затем воздушное судно начинает передачу собственного пакета данных. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК сообщений о местоположении ВС в блоке управления в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВС.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является БКСЦС [5], который и принят за прототип. Он состоит из блока переключения интерфейсов, подключенного двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона, первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона, шина управления блока управления подключена к входу блока переключения интерфейсов, модулятор-демодулятор (модем) соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами блока управления и блока переключения интерфейсов. Частотно-разделительное устройство ВЧ диапазона подключено двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона и антенне ВЧ диапазона. Частотно-разделительное устройство ОВЧ диапазона подключено двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона и антенне ОВЧ диапазона. Первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом, второй выход управления блока переключения - с входом первого приемопередатчика ОВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения - с входом частотно-разделительного устройства ОВЧ диапазона, четвертый выход управления блока переключения - с входом второго приемопередатчика ОВЧ диапазона, пятый выход управления блока переключения - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, шестой выход управления блока переключения - с входом частотно-разделительного устройства ВЧ диапазона, седьмой выход управления блока переключения - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона. Вход/выход пульта управления и индикации связан с соответствующим входом/выходом блока управления. Низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса. Низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- невозможность работы комплекса при наличии в эфире помех;
- при выходе из строя частотно-разделительного устройства ВЧ или ОВЧ диапазона, одной из антенн ВЧ или ОВЧ диапазона комплекс становится неработоспособным, не выполняющим заданные ему функции;
- частотно-разделительные устройства ВЧ или ОВЧ диапазонов, построенные на L, С элементах, конструктивно громоздки и массивны, что в некоторых случаях ограничивает установку на отдельные объекты.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности за счет использования дополнительно двух разнесенных антенн ВЧ и ОВЧ диапазонов, применения в вычислительных устройствах ВЧ и ОВЧ диапазонов процедур выделения сигнала из смеси сигнала и помех, формирования нуля диаграммы направленности в направлении на источник помех и повышение пропускной способности комплекса при отсутствии помех.
Указанный технический результат достигается тем, что в комплекс бортовых средств цифровой связи, содержащий блок переключения интерфейсов, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, первый и второй приемопередатчики ОВЧ диапазона, первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона, шину управления блока управления, подключенную к входу блока переключения интерфейсов, модулятор-демодулятор (модем), соединенный двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами блока управления и блока переключения интерфейсов, антенну ВЧ диапазона, антенну ОВЧ диапазона, первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом, второй выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ОВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ОВЧ диапазона, четвертый выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, пятый выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона, вход/выход пульта управления и индикации связан с соответствующим входом/выходом блока управления, низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса, низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса, дополнительно введены вторая антенна ВЧ диапазона, вторая антенна ОВЧ диапазона, вычислительное устройство ВЧ диапазона, подключенное двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов, вычислительное устройство ОВЧ диапазона, подключенное двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов, при этом первая и вторая антенны ВЧ диапазона подключены к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона соответственно, а первая и вторая антенны ОВЧ диапазона подключены к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона соответственно.
На чертеже представлен комплекс бортовых средств цифровой связи, где обозначено:
1 - блок управления;
2 - блок переключения интерфейсов;
3 и 4 - первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона;
5 и 6 - первый и второй приемопередатчики ОВЧ диапазона;
7 - шина управления блока управления;
8 - первая антенна ВЧ диапазона;
9 - вторая антенна ВЧ диапазона;
10 - первая антенна ОВЧ диапазона;
11 - вторая антенна ОВЧ диапазона;
12 - модулятор-демодулятор (модем);
13 - низкочастотный вход/выход блока управления;
14 - низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов;
15 - пульт управления и индикации (ПУИ);
16 - вычислительное устройство ВЧ диапазона;
17 - вычислительное устройство ОВЧ диапазона.
Вспомогательные элементы электропитания, контроля, записи и хранения информации и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурную схему комплекса.
Комплекс работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты (ПО), например воздушные суда, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными о местоположении, параметрах движения и состоянии их датчиков с наземным комплексом в ВЧ и ОВЧ диапазонах. В блоке 1 управления совместно с вычислительными устройствами 16 и 17 решаются задачи приема-передачи и обработки сигналов с одного (для ОВЧ диапазона) или нескольких (для ВЧ диапазона) наземных комплексов соответственно. Принятые данные обрабатываются в блоке 1 управления. Если сообщение предназначено для данного подвижного объекта, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 13 на вычислительную систему объекта, не указанную на чертеже. При приеме известными способами [5, 6, 7] в устройствах 16 и 17 измеряют достоверность передачи информации. Полученную оценку передают в обратном направлении на НК. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) ПО запоминаются в блоке 1 управления для дальнейшего использования в процессе связи.
При передаче с ПО приоритетных сообщений для НК в соответствии с принятыми категориями срочности в блоке 1 управления в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК на выбранный ПО с учетом времени его реакции на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов в устройствах 16 и 17. Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В блоке 1 управления 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 при беспомеховой обстановке с НК осуществляется адресный опрос ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. На ПО радиосигналы через антенны 8 и 9 или 10 и 11, приемопередатчики 3 или 4 и 5 или 6, блок 2 переключения интерфейсов поступают в соответствующие устройства 16 или 17, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ПО, анализируется отношение сигнал/шум в радиоканалах, выбирается лучший на данный момент времени (позволяющий обеспечить наивысшую скорость передачи информации), о чем сообщается на НК и со следующего сеанса связи обмен сообщениями осуществляется на оптимальной частоте. Далее служебная часть сообщения дешифрируется для определения режима работы аппаратуры комплекса и ПО. Информационная часть сообщения после проверки ее достоверности через вход/выход 13 поступает на ПУИ 15 и по шине 13 на вычислительную систему объекта.
В зависимости от числа ПО и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в комплексе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями. При изменении помеховой обстановки, взаимного положения НК и ПО и других параметров в блоке 1 управления автоматически формируется предупреждающий сигнал о возможном «обрыве» связи. В этом случае при снижении достоверности передачи данных в одном из ОВЧ каналов с помощью блока 1 управления осуществляется автоматический переход на разрешенную резервную частоту или на другой режим работы. Если указанные процедуры не восстанавливают работоспособность комплекса, то комплекс переходит в режим работы при наличии помех.
При наличии помех, которые могут быть обнаружены с помощью устройств 16 и 17, например, по величине отношения сигнал/шум, в них осуществляется обработка двух принимаемых одновременно двумя антеннами 8 и 9 или 10 и 11 радиосигналов, которые обрабатываются двумя цифровыми приемниками приемопередатчиков 3 и 4 или 5 и 6, в которые могут входить, например, два преселектора и два АЦП, которые трансформируют принятые сигнально-помеховые смеси, например, по технологии «программируемое радио» - SDR, в поток данных для реализации алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с помощью соответствующих вычислительных устройств 16 или 17 соответственно, выполненным, например, на сигнальном процессоре типа TMS320C6678 [8 радел 2, рис. 2.22, 2.23]. В вычислительных устройствах 16 и 17 производится фильтрационное разделение сигналов и сдвиг квадратур на нулевую частоту каждого из них. Пары квадратур сигналов суммируются таким образом, чтобы колебания полезного сигнала складывались, а помеховые колебания вычитались за счет формирования нулей диаграммы направленности в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала, а именно вычисляются весовые коэффициенты, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализуются заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех, вводятся (при необходимости) временные задержки в каждый канал пространственного разнесения и осуществляется взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов, после суммирования получают выходной сигнал, который далее демодулируется в блоке 12, декодируется в устройствах 16 и 17 и через блоки 2 и 1 поступает на шину 13 и в ПУИ 15. В устройствах 16 и 17 сигналы дополнительно обрабатываются с помощью соответствующих программ, обеспечивающих, например, выделение тактовой синхронизации. В устройствах 16 и 17 решаются также задачи оценки достоверности принятой информации, качества канала связи и посылки запроса на повторение передачи недостоверного сообщения. Переключение частот и режимов работы приемопередатчиков 3 и 4, 5 и 6 осуществляется блоком 1, управляемым через блок 2 соответствующими устройствами 16 или 17.
Установка известных всем абонентам начальных частот и режимов работы осуществляется с входа-выхода 13 через последовательно соединенные блоки 1 и 2 или по шине 14 через блок 2.
Передаваемые сообщения через блоки 1 и 2 или по шине 14 и через блок 2 поступают в устройства 16 или 17 в зависимости от местонахождения НК, в зоне прямой (оптической) видимости или за радиогоризонтом. В устройствах 16 или 17 сообщения разделяют на блоки (кадры). Каждый кадр, например, кодируется для исправления ошибок, в начале кадра формируются заголовочные сообщения, которые синхронизируют процедуры обмена информацией. Затем сообщения в соответствии с качеством выбранного для связи канала осуществляются в цифровом виде операции кодирования и далее - модуляции в узле 12 и после прохождения блока 2 фильтруются в передающей части соответствующего приемопередатчика 3, или 4, или 5, или 6 для уменьшения уровня боковых лепестков в спектре передаваемого радиосигнала и после усиления радиосигнал подается на одну из антенн 8, или 9, или 10, или 11 для излучения в пространство. В зависимости от числа передаваемых сигналов и других требований комплекс может одновременно излучать одновременно на четырех частотах.
При отсутствии сведений об углах прихода помехи в вычислительных устройствах 16 и 17 осуществляется операция оценки весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания по входным процессам, и реализация заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех с помощью пространственно-временной обработки сигналов, которая включает в себя не только сложение сигналов с разных антенн, но и введение (при необходимости) линий задержки в каждую приемную часть пространственного разнесения, построенных, например, на трансверсальных фильтрах, и дополнительного взвешенного суммирования задержанных сигналов.
Адаптивная работа устройства при наличии помех заключается в совместной обработке совокупности двух радиосигналов, прошедших соответствующие антенны 8 и 9, 10 и 11, приемные части узлов 3 и 4, 5 и 6 соответственно и устройств 16 и 17, с помощью которых оценивается информация об исследуемых физических полях в реальном масштабе времени, осуществляется автоматическая компенсация нежелаемых сигналов (помех), адаптивная подстройка результирующей диаграммы направленности для повышения эффективности приема полезного сигнала, выбор весовых коэффициентов в диаграммообразующей схеме. Выделение сигнала из смеси его с помехой осуществляется за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антеннах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (проявление пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разные антенны. Основной задачей узлов 16, 17 является такая подстройка весовых коэффициентов, при которой реализуется выбранный критерий эффективности, например критерии минимума среднеквадратичной ошибки. Оптимальные алгоритмы, реализуемые в узлах 16 и 17, обеспечивают не только компенсацию помехи, но и когерентное сложение сигнала с разнесенных антенн, умножение на комплексные весовые коэффициенты (с учетом амплитуды и фазы) и суммирование, образуя выходной цифровой сигнал, транслируемый через узлы 2 и 1 на ПУИ 15 и шину 13. Например, для антенных систем с идентичными круговыми диаграммами направленности антенных элементов такая процедура повышает отношение сигнал/шум на 3 дБ для двухэлементной антенной системы, Оптимальная величина пространственного разноса между элементами составляет половину длины волны (λ/2), уменьшение разноса до величины менее λ/8 приводит к резкому снижению коэффициента подавления помехи.
По уровню и характеристикам помех с помощью блоков 16 и 17 можно судить о наличии постановщиков помех в ВЧ и ОВЧ диапазонах, их количестве и обеспечить пеленгацию источников излучения и отображения их на ПУИ 15, что позволяет подвижным объектам ориентироваться в сложной помеховой обстановке.
Кроме того, блок 1 управления обеспечивает:
- обмен данными при работе в сетях цифровой связи подвижного объекта совместно с блоком 2 и приемопередатчиками, например, для авиационных абонентов [4, 9, 10, 11] ОВЧ диапазона - в соответствии с требованиями ARINC 618, 620, 622, 631 и абонентов ВЧ диапазона - в соответствии с требованиями ARINC 635;
- обмен по каналу «воздух-земля-воздух» пилотажно-навигационной, эксплуатационно-технической, метео и коммерческой информацией;
- взаимодействие по шинам 13 и 14 через бортовую вычислительную систему объекта с бортовым радиоэлектронным оборудованием;
- реализацию предусмотренных на объекте процедур, например, автоматического зависимого наблюдения (АЗН) по контракту, по запросу, по событию и «Приложения УВД: Связь пилот - диспетчер по линии передачи данных (CPDLC)» и отображение соответствующей информации на ПУИ 15;
- автоматическое получение, отображение на ПУИ 15, хранение на время полета сообщений от вычислительных средств объекта о времени событий, например, «взлет-посадка-убытие-прибытие»;
- автоматический ввод и хранение идентификационных данных подвижного объекта;
- контроль состояния аппаратуры комплекса в полете и на земле с точностью до конструктивно-съемного блока;
- выдачу через вычислительные средства объекта цифровой информации для хранения в бортовой регистратор;
- переключение через блок 2 режимов работы «Прием-Передача» приемопередатчиков ВЧ и ОВЧ диапазонов, например, путем подачи дискретного сигнала «Разовая команда» на линию управления «Тангента» - наличие сигнала переключает приемопередатчик на работу в режиме «Передача», а отсутствие сигнала - на работу в режиме «Прием»;
- формирование соответствующего символа в позиции технического подтверждения/неподтверждения приема сообщения.
При выходе за пределы радиогоризонта от обслуживающего НК, оцениваемого, например, с помощью сигналов с выхода приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем [12] в блоке 1 управления осуществляется переход на передачу (прием) данных с приемопередатчиков 5 или 6 ОВЧ диапазона на приемопередатчики 3 или 4 ВЧ диапазона. В этом случае обеспечиваются операции жесткого закрепления за каждым из подвижных объектов набора из нескольких рабочих частот, на которых ему разрешено работать, адаптивного выбора рабочей частоты из списка разрешенных, многостанционного доступа к каналу связи с временным разделением в режиме случайного и резервированного доступа, обмена данными с территориально разнесенными наземными комплексами, объединенными с помощью наземной сети передачи данных в единую систему.
Для увеличения дальности устойчивой связи с подвижным объектом, находящимся за пределами прямой видимости с НК, при использовании приемопередатчиков 3 и 4 ВЧ диапазона в комплексе используются следующие известные технологии [4, 11, 13]:
- стандартизация пакетного обмена данными на всех уровнях модели взаимодействия открытых систем;
- адаптация бортовых узлов линии радиосвязи к изменению условий распространения радиоволн по частоте и по пространственному разнесению;
- автоматизация процедур составления и разрыва линии связи с подвижным объектом;
- динамическое управление частотой при приеме более мощного из нескольких радиосигналов;
- корректирующие коды и методы 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;
- адаптация аппаратуры комплекса по скорости передачи данных, виду модуляции и кодирования.
При работе комплекса в ВЧ диапазоне одновременно с несколькими НК на подвижном объекте определяется наземный комплекс, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В блоке 1 управления хранятся предварительно заложенные таблицы со списками наземных комплексов и наборами назначенных им частот, а также координаты всех НК. Каждый НК периодически излучает сигналы управления/синхронизации/связи на всех назначенных ему частотах. Для установления линии связи с НК в блоке 1 управления автоматически анализируются принимаемые сигналы управления/синхронизации/связи от всех наземных комплексов на всех частотах и выбираются лучшие частоты (например, по отношению сигнал-помеха или величине мощности принимаемого сигнала) и наземные комплексы, реализующие известные способы адаптации по частоте и пространству. По измеренному отношению сигнал-помеха в блоке 1 управления выбирается скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения сигнал-помеха осуществляется каждый раз при приеме информационного сообщения или сигнала управления/синхронизации/связи. Эта величина сообщается на противоположную сторону в виде рекомендуемой скорости передачи данных. В блоке 1 управления при работе через блок 2 переключения интерфейсов на приемопередатчик 3 или 4 ВЧ диапазона могут быть использованы известные алгоритмы, например, высокоскоростных адаптивных модемов, рассчитанных на работу в каналах с многолучевостью [13]. Для повышения достоверности приема информации может быть использован помехоустойчивый код, например циклический.
Таким образом, каждый из подвижных объектов может выходить на связь на нескольких рабочих частотах, известных всем участникам движения. В зависимости от важности объекта их число может варьироваться от 2-3 до 6-8. Списки выделенных частот меняются в зависимости от времени года, с учетом сезонных ионосферных изменений. При движении объект выходит на связь, выбирая для связи тот НК, условия распространения радиоволн для связи с которым в данный момент времени являются оптимальными. При этом совсем необязательно, чтобы выбранный НК был ближайшим.
В результате анализа состояния и загрузки каналов ВЧ и ОВЧ диапазонов радиосвязи в блоке 1 управления и выбора лучшего из них 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 ОВЧ диапазона при одновременной передаче несколькими объектами, в блоке 1 управления может осуществляться, например, контроль несущей при воздействии на приемопередатчики преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с объекта передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь подвижных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в блоке 1 управления может формироваться, например, псевдослучайная задержка передачи сообщений от подвижных объектов - для каждого объекта своя. При работе комплекса в сети ВЧ связи сообщение ВЧ диапазона передается в выделенном интервале времени.
Если подвижные объекты сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные объекты в ОВЧ диапазоне о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом или в выделенных им временных слотах (при работе в ВЧ диапазоне) распределяют передаваемые сообщения. В каждом блоке 1 управления по данным устройств 16 и 17 оценивают уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале и импульсы синхронизации для выбора интервалов передачи. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью объект начинает передачу собственного пакета данных. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК сообщений о местоположении подвижного объекта в блоке 1 управления в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат объекта.
В модеме 12 осуществляются известные операции модуляции и демодуляции, дискретных сообщений и другие, а процедуры кодирования и декодирования - в устройствах 16 и 17 [4, 7, 11].
Блок 2 переключения интерфейсов выполняет функции бортового маршрутизатора автоматической сети обмена данными. Узлы 1, 2 комплекса для повышения надежности связи могут быть зарезервированы. Тогда каждый блок 1 управляет работой соответствующего блока 2 переключения интерфейсов. При выходе из строя основной пары блоков 1 и 2 подключаются к работе соответствующие резервные блоки 1 и 2.
Проводные связи в комплексе для повышения помехоустойчивости и выполнения требований по электромагнитной совместимости на борту могут быть заменены высокоскоростной информационной шиной, например, обеспечивающей выполнение требований протоколов информационного обмена по ARINC 664 или ARINC 429 [14, 15].
Приемопередатчики 3 и 4, 5 и 6 комплекса при построении по технологии «программируемое радио» аналогичны по назначению, структуре и различаются только по программному обеспечению соответственно.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и программное обеспечение заявляемого комплекса. Узлы 1-12 и шина 13 одинаковые с прототипом. Оборудование, реализующее функции узлов 8-12, выпускается в виде опытных образцов и серийно. Приемопередатчики 3 и 4 могут быть выполнены, например, на изделии «Барс-МА», приемопередатчики 5 и 6 - на изделии «Барс-МВ», блок 1 управления - на изделии «Брик», модем 12 - на сигнальном процессоре, антенны 8, 9 и 10, 11 - на изделиях АКШВ-324 и АСВ-МВ2 соответственно. Узлы комплекса могут быть выполнены и на других серийных устройствах [8, 9, 11]. Блок 2 переключения интерфейсов может быть выполнен, например, на управляемых коммутаторах, конструктивно размещаемых в блоке 1 управления или в приемопередатчиках 3 и 4, 5 и 6, устройства 16 и 17 - на серийных ЭВМ или сигнальных процессорах.
Предлагаемый комплекс позволяет обеспечить:
- адаптивное понижение технической скорости с помощью устройств 16 и 17 в зависимости от сигнально-помеховой обстановки в условиях интенсивных помех с переходом на повышенную мощность передаваемого радиосигнала и более сложную сигнально-кодовую конструкцию с исправлением ошибок;
- адаптивное перераспределение потока переспросов за счет использования в устройствах 16 и 17 процедур, характерных для систем передачи данных с решающей обратной связью;
- обнаружение и индикацию на ПУИ 15 применения средств радиоэлектронного противодействия.
Таким образом, настоящее изобретение в случае отсутствия помех обеспечивает адаптивную радиосвязь на частотах, позволяющих передавать информацию с максимальной на данный момент времени скоростью передачи при минимальном уровне сигнала, а в случае наличия помех - определяет их присутствие, подключает процедуру защиты от помех. В результате этого с помощью вычислительных устройств 16 и 17 осуществляется выделение сигнала из смеси его с помехой за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антеннах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (из-за проявления пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разнесенные антенны, формирования нулей в направлении углов прихода помеховых радиоволн, которые фиксируются на ПУИ 15, с сохранением конечного коэффициента усиления в направлении прихода полезного сигнала, а именно вычисление весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализация заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех. Введение (при необходимости) временных задержек в каждую цепочку пространственного разнесения и взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов позволяют получить выходной сигнал с максимально возможной на данный момент времени скоростью передачи при существующем уровне помех.
Литература
1. В.В. Бочкарев, Г.А. Крыжановский, Н.Н. Сухих. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта. - М.: Транспорт, 1999. 319 с.
2. АС №1401626, М. кл. H04B 7/26, H04L 27/00, БИ №21, 1988.
3. Патент РФ №44907 U1, М. кл. H04B 7/00, 2005.
4. Б.И. Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 2. Международная авиационная телекоммуникационная сеть ATN. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 2000, 286 с.
5. Патент РФ №2319304 U1, М. кл. H04B 7/00, 2012. Прототип.
6. Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для ВУЗов / И.М.Тепляков и др. Под ред. И.М. Теплякова. - М.: Радио и связь, 1982.
7. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. - М.: Радио и связь, 1985, 391 с.
8. Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий O.K. Современная декаметровая радиосвязь. Оборудование, системы и комплексы. - М.: / Радиотехника, 2011, - 444 с.
9. Н.А. Голованов, В.В. Казаков, А.Д. Киселев. Интернациональная авионика на борту АН-148. // Мир авионики, 2005, №2. С. 44-47.
10. Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.
11. Кейстович, А.В., Комяков А.В. Системы и техника радиосвязи в авиации: учеб. пособие /- Нижний Новгород: НГТУ, 2012. - 236 с.
12. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
13. 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.
14. К.Э. Эрглис. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 256 с.
15. А.А. Мячев. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.