КОМПЛЕКС ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (БПЛА) НА ТЕРРИТОРИИ С РАЗРУШЕННОЙ ИНФРАСТРУКТУРОЙ СВЯЗИ В ЗОНАХ СТИХИЙНОГО БЕДСТВИЯ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
COMPLEX FOR PROVISION OF RADIO COMMUNICATION USING UNPILOTED AIRCRAFT (UA)

Изобретение относится к комплексам радиосвязи с использованием БПЛА и может применяться на территории с разрушенной инфраструктурой связи в зонах стихийного бедствия и чрезвычайных ситуаций, в том числе межвидовой, между абонентами, находящимися как в зоне прямой радиовидимости, так и вне зоны радиовидимости, а также - для мониторинга состояния территории в труднодоступных местах, для повышения достоверности получаемой информации от контролируемых объектов, при этом коррекция траектории БПЛА и посадка осуществляются с удаленного пункта управления.
В настоящее время организация устойчивой связи в труднодоступных районах требует больших материальных затрат. Существующие автономные средства связи не удовлетворяют современным требованиям, и их использование для оперативной связи практически исключено. Проблемы многократно возрастают при организации кратковременной связи.
Наземные станции, способные организовать такого рода каналы связи, на сегодняшний день не в состоянии обеспечить требуемую дальность функционирования, они работают лишь в зоне прямой видимости. Так, например, применение радиорелейного оборудования или оборудования беспроводного широкополосного доступа ограничено условиями прямой видимости и допустимой излучаемой мощностью приемопередатчиков, а использование связных станций УКВ диапазона или тропосферных радиостанций на территории со сложным географическим рельефом связано с решением организационных и технологических задач.
Вследствие чего возникает необходимость создания комплекса связи для обеспечения локальной связи с мест аварий, чрезвычайных ситуаций, а также для проведения видеомониторинга местности и др.
Известна система видеонаблюдения с транспортного средства, находящегося в движении, содержащая установленную на транспортном средстве видеокамеру, подключенную через плату видеоввода к компьютеру, к которому подключено также приемопередающее устройство транспортного средства, обеспечивающее связь по радиоканалу через приемопередающее устройство командного пункта с компьютером, GPS-приемник, имеющий возможность передачи по радиоканалу или сотовому каналу связи информации для отображения на карте своего места нахождения, а также известна система видеорегистрации обстановки на автомобильных дорогах, содержащая не менее чем одну видеокамеру и блок регистрации и управления (патенты на полезные модели №59852, G05D 1/02, 2006; №59807, G01D 3/10, 2006).
Известны также системы связи, в состав которых входит передающая и принимающая станция, в которой множество абонентов произвольно расположены и в которой обеспечиваются коммутирующие схемы внутри самих станций для маршрутизации вызовов между станциями в сети с использованием других станций для передачи вызовов в место вызова, включающая средство прерывания вызова, который передается станцией, для приема нового вызова в станцию из следующей станции в сети (ЕА 000791 В1 20000424, Н04В 7/15, Н04В 1/04, Н04В 1/16; GB96/02380 (РСТ).
Недостатками известных систем является их узкое предназначение, они имеют ограниченные возможности по осуществлению связи с абонентами и объектами, находящимися вне зоны прямой радиовидимости и по осуществлению видеомониторинга на различной территории.
Известна система связи с мобильной станцией видеомониторинга и связи, которая содержит станцию спутниковой связи с антенной системой, автоматизированное рабочее место оператора (АРМО) станции, спутниковый модем, блок электронной коммутации, навигационный приемник GPS, УКВ-радиостанцию с антенной, автоматизированное рабочее место диспетчера в составе портативного компьютера и многофункционального устройства, УКВ-ретранслятор с антенной, носимые УКВ-радиостанции со встроенной антенной, спутниковый радиотелефон, автоматический коммутатор каналов, базовую станцию транкинговой связи с антенной системой, абонентские терминалы со встроенной антенной, видеорегистратор, телевизионный приемник, телевизионный передатчик, переносную видеокамеру, базовую станцию широкополосного беспроводного доступа (ШБД) с антенной, наземную станцию управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА), состоящую из портативного компьютера и УКВ-радиостанции с антенной, малый БПЛА, содержащий стабилизированную платформу, на которой размещены УКВ-радиостанция с антенной, блок исполнительных устройств, абонентская станция ШБД с антенной, блок регистрации видеосигналов, цифровая видеокамера, тепловизор и фотоаппарат (патент на изобретение №2398353 от 28.08.2008, Н04В 7/26 (RU).
Недостатками известного изобретения являются ограниченные функциональные возможности по осуществлению видеомониторинга территории на больших расстояниях, БПЛА используется в данном изобретении только в системе видеонаблюдения и как дополнительный абонент, в изобретении не предусмотрена конвертация разных видов связи, связь с абонентами осуществляется через спутниковый канал связи, для чего приходится использовать большие антенны, малошумящие усилительные элементы и сложные помехоустойчивые коды, что приводит к значительному удорожанию данной системы, особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи с ограничением на размер антенны и мощность передатчика, данная система сложна в устройстве и эксплуатации, дорогостоящая, требует большой штат обслуживающего персонала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является система видеомониторинга и связи, которая содержит стационарную базовую станцию (БС) сети подвижной радиосвязи (СПРС), первую и вторую возимые абонентские станции (АС) СПРС, размещенные в малогабаритных автомобилях, первую и вторую группу носимых радиостанций СПРС, предназначенных для обеспечения радиосвязи персоналу аварийно-поисковых бригад, стационарный узел связи (СУС) центрального офиса, единую интегральную телекоммуникационную сеть (ЕИТКС), СУС регионального офиса, спутниковый ретранслятор, мобильную станцию видеомониторинга и связи (ВМиС), беспилотный летательный аппарат (БПЛА) дальней зоны видеонаблюдения, выносной комплект радиорелейной линии привязки и выносной комплект средств видеонаблюдения ближней зоны (Патент на изобретение №2387080 от 28.08.2008, Н04В 7/24 (RU)).
Недостатками указанного изобретения является то, что базовая станция системы не является мобильной - предполагается только ее стационарное расположение, изобретением предусмотрено несколько уровней узлов связи - стационарный узел связи центрального офиса и стационарный узел связи регионального офиса - что приводит к удорожанию системы, которая может использоваться в основном для видеомониторинга, БПЛА по известному изобретению используется только для обеспечения дальней зоны видеонаблюдения и является абонентом, кроме того, в данной системе не предусмотрена конвертация в различные рабочие частоты абонентов, связь с абонентами осуществляется через мобильную станцию и спутник - для чего приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды, что приводит к значительному удорожании данной системы, а также данная система сложна в устройстве и эксплуатации, дорогостоящая, требует большой штат обслуживающего персонала.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении радиосвязи с использованием БПЛА на территории с разрушенной инфраструктурой связи в зонах стихийного бедствия и чрезвычайных ситуаций, в том числе - между разнотипными абонентами, разнесенными на большое расстояние, и расширении функциональных возможностей по осуществлению контроля состояния территории в труднодоступных местах, а также для повышения достоверности получаемой информации от контролируемых объектов и для организации видеомониторинга на различной территории.
Для достижения данного технического результата заявляется комплекс обеспечения радиосвязи с использованием беспилотного летательного аппарата БПЛА на территории с разрушенной инфраструктурой связи в зонах стихийного бедствия и чрезвычайных ситуаций, включающий систему спутниковой связи ССС, БПЛА, центр управления БПЛА, при этом, дистанционно-пилотируемое управление движением БПЛА вне зоны прямой радиовидимости и передача данных о координатах и параметрах его движения, а также о координатах БПЛА относительно посадочной площадки, выбранной оператором, осуществляют через основой спутниковый канал связи со стационарного или подвижного центра управления ЦУ, для обеспечения безопасной посадки БПЛА, проведения видеомониторинга местности, исследования территории, БПЛА дополнительно оборудуют IP-камерой, а для обеспечения локальной связи между абонентами, БПЛА оснащен комплексом бортовых систем КБС БПЛА. В состав комплекса бортовых систем КБС БПЛА входят ретранслятор БПЛА и конвертор, который через коммутирующий маршрутизатор КМ, осуществляющий связь с работающими в различных частотных диапазонах абонентами как внутри локальной сети, так и между абонентами и пунктом управления и, используя спутниковую систему связи центра управления ЦУ, взаимодействует с контроллером, который производит контроль команд управления при движении по заданному маршруту, и диагностирование режимов работы БПЛА, при этом для обеспечения радиосвязи между находящимися вне зоны радиовидимости и работающими в различных частотных диапазонах радиоволн абонентами используют спутниковую систему связи ССС, а информация передается от абонентов, сигналы которых переносятся на частоты спутниковой линии связи конвертором, находящимся на БПЛА.
Кроме того, в комплекс бортовых систем КБС БПЛА входит ретранслятор БПЛА, который состоит из последовательно соединенных приемной антенны, приемника, демультиплексора, устройства обработки информации, конвертора, мультиплексора, передатчика и передающей антенны, при этом информационные сигналы по выделенному каналу связи после демодулирования и декодирования в конверторе, поступают на коммутирующий маршрутизатор БПЛА, в котором под каждый вид связи выделен свой отдельный канал, при этом если внешний интерфейс передачи данных связующих абонентов совпадает, то информация передается абоненту, находящемуся в сети с данным видом связи, в случае, когда абонент не отвечает на запросы, маршрутизатор передает информацию, полученную от абонента в другой канал связи, определяемый центром управления БПЛА.
Признаки, отличающие предлагаемое изобретение от своих ближайших аналогов и прототипа, характеризуют наличие мобильной базовой станции. Предлагаемый комплекс может использоваться для обеспечения связи с абонентами, находящимися в зоне и вне зоны прямой радиовидимости. В данном комплексе предусмотрена конвертация различных диапазонов радиочастот, при этом связь с абонентами осуществляется через мобильную станцию и спутник по командам с пункта управления, данный комплекс более прост в устройстве и эксплуатации, не требует большого штата обслуживающего персонала, а ретранслятор БПЛА необходим для обеспечения связи между абонентами.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется функциональной схемой локальной связи, представленной на рис. 1, а схема устройства ретранслятора БПЛА представлена на рис. 2.
Функциональная схема радиосвязи показана на рис. 1 и состоит из центра управления (ЦУ), системы спутниковой связи (ССС) и БПЛА.
Дистанционно-пилотируемое управление движением БПЛА производится по спутниковым каналам связи, что позволяет использовать летательный аппарат в сложных условиях с непрерывно изменяющейся полетной ситуацией. Также по спутниковым каналам связи обновляется координатная информация о положении и параметрах объектов связи - абонентов, работающих с разнотипными средствами связи.
Беспилотный летательный аппарат в этом случае рассматривается как часть спутниковой системы связи, одна из основных задач которого, как координирующего центра - оперативный обмен информации между абонентами. Маршрут БПЛА определяется положением абонентов, между которыми устанавливается связь по их запросам.
Преимуществами осуществления связи по заявляемому способу являются оперативное развертывание ее в местах с отсутствующей или разрушенной инфраструктурой связи. А также минимальное время, затрачиваемое на организацию сети, обеспечение межвидового взаимодействия, осуществление связи не только с абонентами временной локальной сети, но и с центром. Для обеспечения связи с обнаруженными объектами на значительных расстояниях на БПЛА устанавливаются пространственно стабилизированные антенные системы, которые используются также для повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции и для обеспечения связи с обнаруженным объектом на значительных расстояниях.
Для обеспечения локальной связи между группами абонентов, находящихся вне зоны прямой радиовидимости, используются две линии передачи данных:
- для ближней связи - через ретрансляторы БПЛА,
- для дальней связи - через спутниковую систему связи (например, Экспресс АМ22).
При этом через спутниковую систему связи передается информация от абонентов, сигналы которых переносятся на частоты спутниковой линии связи конвертором, расположенным на БПЛА.
Ретранслятор БПЛА может осуществлять связь по следующим линиям:
- транкинговые линии связи;
- радиорелейные линии связи;
- беспроводной широкополосный радиодоступ, в том числе - Wi-Fi;
- УКВ диапазонам, в частности - GSM (Groupe Special Mobile).
Беспилотный летательный аппарат для обеспечения радиосвязи оборудован следующими функциональными устройствами: контроллер (К), IP-камера, коммутирующий маршрутизатор (КМ), комплекс бортовых систем БПЛА (КБС БПЛА), система обеспечения связи с пунктом управления и назначения адреса пункта приема информации.
Контроллер предназначен для:
- выдачи команд управления полетом по заданию,
- приема и разделения команд от оператора (управление полетом и режимами работы всех систем БПЛА),
- передачи данных оператору - о полете, режимах работы и диагностики, данных диагностирования режимов работы - для проверки и работоспособности всех систем управления БПЛА, а также производит контроль команд управления по заданному маршруту и, в случае необходимости, изменение маршрута.
В нем реализованы такие функции, как:
- определение необходимого положения БПЛА в пространстве и подача сигналов на сервоприводы;
- автопилот - для приема, хранения и выдачи информации полетного задания;
- реализация выбора управления полетом через спутниковый канал радиосвязи между дистанционно-пилотируемым и автопилотируемым режимами полета;
- сбор данных с датчиков, находящихся на борту БПЛА, и со спутниковой системы GLONASS/GPS; оценки достоверности полученных значений; расчета значений составляющих вектора скорости движения самолета, координат и высоты через параметры, отслеживаемые датчиками; сравнения погрешности рассчитанных данных с параметрами, полученными со спутниковой системы.
IP-камера позволяет совершить точную посадку беспилотного летательного аппарата на площадку, выбранную оператором, а также используется для видеомониторинга исследуемой территории.
Комплекс бортовых систем БПЛА (КБС БПЛА) также позволяет объединить существующие разнотипные средства связи в единую систему. Через данное устройство осуществляется межвидовая связь разнотипных абонентов по данным пункта управления. Сигналы конкретных абонентов разделяются входными фильтрами, а совместная передача информации от нескольких абонентов обеспечивается мультиплексором.
На рис. 2 рассмотрена схема устройства ретранслятора, состоящего из последовательно соединенных приемной антенны, приемника, демультиплексора, устройства обработки информации, конвертора, мультиплексора, передатчика и передающей антенны. Информационные сигналы по выделенному каналу связи после демодулирования и декодирования в конверторе поступают на коммутирующий маршрутизатор БПЛА, в котором под каждый вид связи выделен свой отдельный канал. Если внешний интерфейс передачи данных связующих абонентов совпадает, то информация передается абоненту, находящемуся в сети с данным видом связи, а если - не совпадает, и абонент не отвечает на запросы, маршрутизатор коммутирует информацию, полученную от абонента в другой канал связи, определяемый центром управления БПЛА.
Характеристики приемного устройства определяются решаемой задачей, то есть параметрами объектов, с которыми устанавливается связь (например, прием сигналов в УКВ диапазоне, с БШРД и т.д.).
Устройство ретрансляции с переносом канала передачи информации на другую частоту делает линию связи существенно более помехозащищенной от воздействия преднамеренных помех. В свою очередь, устройство позволяет осуществлять межсистемную связь, когда системы связи включают подсистемы, несовместимые по внешнему интерфейсу, например, радиоинтерфейсу.
Функции совмещения разных систем проводятся через коммутирующий маршрутизатор (КМ) по данным пункта управления.
Первичное разделение каналов между абонентами осуществляется на физическом уровне. После демодулирования и декодирования информационных сигналов в конверторе, они отправляются на коммутирующий маршрутизатор, где линия связи назначается пунктом управления. Маршрутизатор по данным пункта управления определяет, по какому типу связи была принята и должна будет передана информация.
Коммутирующий маршрутизатор (КМ) осуществляет связи между абонентами, работающими с разными видами радиосвязи внутри локальной сети, а также между абонентом и центром управления (ЦУ), используя спутниковую систему связи. Маршрутизация информационного и служебного трафика, а также разграничение прав доступа определяется приоритетами, которые устанавливает оператор, в зависимости от решаемых задач в каждом конкретном случае.
Соответственно высший приоритет будет отдаваться служебному трафику управления БПЛА, если он не находится на автопилоте в режиме барражирования. При всех прочих равных условиях перераспределение аппаратно-вычислительных ресурсов ретранслятора будет подчиняться правилам радиосвязи подвижной службы, если оператором не установлен конкретный адрес абонента.
Таким образом, разработанный комплекс позволяет обеспечивать связь между группами абонентов, находящимися как в зоне, так и вне зоны прямой радиовидимости - до 100 и более километров, с целью:
- ведения мобильными абонентами радиосвязи, обмена данными и доступа к информационным ресурсам сетей связи различного назначения по спутниковой, радиорелейной, с помощью средств транкинговой связи, БШРД или GSM;
- ведения защищенной радиосвязи мобильными абонентами в составе отдельной выделенной группы с абонентами других групп, с координирующим центром управления и сетями ведомственных служб;
- информационного обмена между абонентами одной выделенной группы, различных групп и абонентами стационарных сетей;
- возможности ведения связи между мобильными абонентами с разнотипными средствами связи с использованием ретранслятора-конвертора и коммутирующего маршрутизатора с выделением канала для организации связи взаимодействия;
- возможности пункта связи и управления посадкой и траекторией полета БПЛА с передачей видеоинформации через спутниковый канал связи в режиме реального времени.