Вопросы создания авиационного радиосвязного оборудования по принципу «Программируемое радио»

РАДИОТЕХНИКА, СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ, АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ

УДК 621.391.27

Е.Л. Белоусов, В.Ф. Брянцев, К.Л. Войткевич, А.В. Кейстович, Х.И. Сайфетдинов

ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ АВИАЦИОННОГО РАДИОСВЯЗНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ПРИНЦИПУ «ПРОГРАММИРУЕМОЕ РАДИО»

ОАО «Научно-производственное предприятие "Полет"»

Рассмотрены вопросы построения оборудования авиационной радиосвязи по технологии SDR - «программируемое радио». Приведены преимущества применения цифровой обработки сигналов в передающем и приемном трактах радиостанции.

Ключевые слова: радиостанция, авиационная радиосвязь, программируемое радио, технология SDR.

В настоящее время к радиоэлектронным средствам, в том числе и к оборудованию авиационной радиосвязи, предъявляются требования упрощения их модернизации при введении дополнительных услуг, а также удешевления процесса эксплуатации. Стремительный прогресс развития цифровой техники: микропроцессоров, сигнальных процессоров, персональных компьютеров привел к созданию новой технологии - «software-defined radio» (SDR), называемой «программируемое радио».

При использовании технологии SDR практически весь объем работ по формированию и обработке радиосигнала перекладывается на программное обеспечение, которое с помощью процессоров управляет работой некоторых конкретных специализированных устройств. Цель такого подхода - создать систему, которая может принимать, передавать практически любые радиосигналы и в режиме реального времени поддерживать разнообразные изменяющиеся радиопротоколы с помощью программного обеспечения, которое априори является гибким и адаптивным.

В режиме приема SDR с помощью программных алгоритмов могут быть реализованы такие функции, которые очень сложно получить при построении приемника на аналоговых элементах.

Идеальная реализация SDR-приемника - это подключение антенны через схему согласования (полосовой фильтр) непосредственно к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), соединенному с процессором. В таком случае программное обеспечение, запущенное на быстродействующем процессоре, обеспечивало бы обработку поступающего потока радиосигналов и преобразовывало бы их в требуемую форму (рис. 1). Для передатчика, изготовленного по технологии SDR, радиосигнал формируется с помощью быстродействующего процессора и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), подключенного через усилитель мощности и схему согласования непосредственно к антенне (рис. 2).

За счёт применения цифровой обработки достигаются высокие параметры по подавлению неиспользуемой боковой полосы и по форме спектра передаваемого сигнала. Проблемы идентичности фазовых и амплитудных соотношений между квадратурными сигналами I и Q преодолеваются в SDR программными методами. Для этого предусматривается ав-

© Белоусов Е.Л., Брянцев В.Ф., Войткевич К.Л., Кейстович А.В., Сайфетдинов Х.И., 2012.

томатическая коррекция амплитуды и фазы сигналов I и Q, что обеспечивает подавление спектральных составляющих в нерабочей полосе до уровня минус 90 дБ. Однако в этом случае требуются встроенные в программное обеспечение процессора таблицы, в которые заносится информация о расхождении фазовых и амплитудных соотношений между квадратурными сигналами I и Q на определенных частотах. В ряде случаев с помощью программы сканируются диапазоны, выбираются определенные мощные радиосигналы как опорные, подбираются наиболее оптимальные фазовые и амплитудные соотношения. При перестройке по диапазону или смене диапазона данные о требуемой коррекции фазы и амплитуды выбираются из таблицы, что позволяет программе поддерживать высокое подавление спектральных составляющих в нерабочей полосе.

Рис. 1. Структурная схема приемника, построенного по технологии SDR

Рис. 2. Структурная схема передатчика, построенного по технологии SDR

Наблюдается тенденция разработки новых технологий цифровых гибкоперестраивае-мых РЭС, в которых обеспечивается оперативный перевод радиосредств программным способом с одного режима работы на другой. В области радиосвязи такой подход реализуется в программируемой радиостанции, в которой осуществляется быстрый переход с обработки одного вида сигналов на другие со сменой видов модуляции, кодирования и перемежения в зависимости от параметров радиоканала связи и существующей помеховой обстановки. Программируемая радиостанция интегрирует функции радиостанции, аппаратуры передачи данных и речи (кодека, модема) с помощью программной реализацией видов модуляции, кодирования и перемежения с возможностью автоматического переключения и введения программным способом через внешний интерфейс новых режимов работы.

Программируемая радиостанция, которая может быть использована в бортовых и наземных комплексах авиационной радиосвязи, состоит из аналоговых высокочастотных модулей дальней связи (МДС) и ближней связи (МБС), блока цифровой обработки сигнала (БЦОС) и представляет собой широкодиапазонный комплекс связи - аналог радиостанции

диапазона (2-400) МГц. Этот диапазон частот в настоящее время ограничивается возможностями существующих аналогово-цифровых преобразователей, а именно, их быстродействием. Параметры модулей МДС и МБС взаимоувязаны с техническими характеристиками ан-тенно-фидерных систем в ДКМВ и МВ-ДМВ диапазонах соответственно. Отличие модулей МДС и МБС заключается в том, что из-за различия радиусов зон обслуживания: в первом случае - загоризонтная, а во втором - в зоне прямой видимости, они работают в разных диапазонах частот и режимах связи, имеют разную выходную мощность передающих устройств и компоновку антенно-фидерного тракта.

БЦОС обеспечивает выполнение следующих операций:

• формирует радиоканалы связи в ДКМВ и МВ-ДМВ диапазонах;

• обрабатывает и формирует сигналы (осуществляет операции: кодирование/декодирование, модуляция/демодуляция и перемежение/деперемежение);

• выполняет функции частотного преобразования и фильтрации радиосигналов;

• осуществляет параллельную цифровую обработку сигналов в реальном масштабе времени с помощью соответствующих программных модулей одновременно нескольких каналов связи, организованных в ДКМВ, МВ-ДМВ диапазонах;

• осуществляет управление аналоговыми высокочастотными модулями МБС и МДС (устанавливает режим связи, вид модуляции и частоту передачи, ширину полосы, и т.д.);

• обеспечивает согласование выходного сопротивления модуля МДС с параметрами ан-тенно-фидерного тракта на всех рабочих частотах.

Технология SDR определяет набор аппаратных и программных технологий, где некоторые или все функции обработки данных на физическом уровне созданы посредством модифицируемого или встроенного программного обеспечения, функционирующих на программных технологиях обработки информации. Такого рода устройства имеют в своём составе вентильные матрицы с эксплуатационным программированием (FPGA), процессоры цифровых сигналов (DSP), процессоры общего назначения (GPP), программируемые системы на кристалле (SoC) или иные специфические прикладные программируемые процессоры. Использование такого рода технологий позволяет наращивать новые функции на устройствах радиосвязи, а также добавлять возможности к уже существующим системам без привлечения дополнительных аппаратных средств.

Рассмотренные материалы относятся к возможности организации лишь одного радиоканала связи. На практике в большинстве случаев используются многоканальные системы радиосвязи, обеспечивающие одновременную работу по нескольким направлениям. Покажем на примере отечественной системы управления воздушного движения (УВД) возможности использования оборудования, созданного по технологии SDR.

В России работы по организации новой системы УВД предусмотрены «Концепцией создания и развития Аэронавигационной системы России» [1-9, 11]. Одной из основных целей концепции является модернизация существующей системы воздушно-наземной связи. Анализ состояния и перспектив развития в стране и за рубежом показывает, что значительное улучшение тактико-технических характеристик системы достигается за счет комплекси-рования информации всех каналов связи «воздух-земля», автоматизации процессов управления и восстановления связи, интеграции ресурсов технических средств [10, 11]. Выполнить эти процедуры позволит создание радиосвязного оборудования, основанного на технологии SDR, за счет формирования параллельных резервируемых каналов на различные диапазоны частот, виды модуляции и кодирования, способы организации связи.

Во всех сферах управления воздушным движением связь является ключевым элементом, обеспечивающим улучшение эксплуатационных характеристик и безопасности полетов. Для достижения требуемого уровня безопасности полетов требуется система связи высокого качества в части целостности, надежности связи, защиты информации и предсказуемости рабочих характеристик сети. В сфере работы авиакомпаний радиолинии связи «воздух-земля» являются фактором, обеспечивающим их конкурентоспособность. Растет объем информации,

передаваемой с борта воздушного судна (ВС). Современные бортовые блоки управления связью могут автоматически переключаться с аппаратуры спутниковой и ВЧ связи на радиоканал ОВЧ диапазона, как только будет обнаружена соответствующая несущая частота. Аналогично обеспечивается переключение и на оборудование вторичного радиолокатора (ВОРЛ) режима S. Эти операции могут быть осуществлены с помощью существующих вычислительных ресурсов оборудования по технологии SDR программными методами. Гармоничное сочетание возможностей ОВЧ, ВЧ и L диапазонов, основанное на некоррелированности механизмов распространения радиоволн, используется с целью обеспечения глобального сплошного перекрытия воздушно-наземной связью с высокой надежностью. Рассмотрим один из алгоритмов обработки информационных потоков от удаленных наземных станций ВЧ и ОВЧ диапазонов, станций спутниковой связи, вторичных обзорных радиолокаторов режима S при обмене данными с воздушными судами с помощью оборудования, созданного по технологии SDR.

В гражданской авиации используются различные подсистемы воздушно-наземной связи и алгоритмы работы в них должны быть заложены в базу данных воздушного судна, конкретно -в базу данных перспективных бортового и наземного комплексов связи, основанных на технологии SDR. Рассмотрим процедуры организации воздушно-наземной связи в системе УВД.

В авиационной системе связи, адресации и донесений ACARS радиоканалы ОВЧ диапазона используются для передачи блоков данных объемом до 220 байт со скоростью 2400 бод в соответствии с требованиями ARINC 618. Одно сообщение может содержать до 16 блоков. Длительность передачи многоблочных сообщений о местонахождении самолета составляет не более секунды. Доступ к среде передачи данных осуществляется по алгоритму CSMA - случайного множественного доступа с прослушиванием несущей. При интенсивности обмена одно сообщение в минуту с борта воздушного судна, наземная станция системы ACARS обеспечивает обслуживание до 30 ВС в зоне прямой видимости [12].

В режиме передачи данных по радиолинии связи ОВЧ диапазона VDL-2 обеспечивается совместимость с моделью OSI и обмен сообщениями со скоростью 31500 бит/с сигналами с модуляцией D8PSK c множественным доступом с контролем несущей с настойчивостью р. Настойчивость р означает, что при наличии данных для передачи у канального уровня и свободном канале, будет произведена передача с вероятностью р. Подбор величины вероятности р и длительности паузы повышает эффективность использования канала передачи путем уменьшения числа коллизий между соперничающими передатчиками и дает возможность регулирования приоритета доступа, назначая некоторым ВС более высокие значения вероятности р. Наземная станция режима VDL-2 обозначает себя на общем канале передачи данных, периодически посылая служебные кадры GSIF, которые содержат рабочие параметры радиоканала связи и станции [13].

Радиоканал ВЧ диапазона «воздух-земля» обеспечивает связь за пределами прямой видимости на расстоянии до 4000-8000 км. Этот канал является единственным средством связи в областях выше 700 северной широты, не имеющих наземной инфраструктуры, и во время трансокеанских перелетов. Этот канал является более дешевым по сравнению со спутниковой связью. Данный вид связи хорошо подходит для системы организации воздушного движения России в силу размеров территории, ее неосвоенности и физико-географических условий. Однако параметры в ВЧ радиоканале существенно зависят от состояния ионосферы, что требует применения специальных алгоритмов выбора рабочих частот, которые реализованы в системе HFDL. В ней осуществляются процедуры составления канала с автовыбором рабочей частоты, автоматического ведения связи на всех уровнях (физическом, канальном и сетевом) с многопараметрической адаптацией радиолинии по частоте, скорости передачи, видам модуляции и кодирования, а также по пространственному разнесению наземных станций, гарантирующие надёжность связи не менее 99% при достоверности не хуже 10-6. В системе HFDL в соответствии с требованиями ARINC 635 используется автоматический режим ведения связи с регистрацией самолета на наземной станции сети наземных станций (НС) ВЧ диапазона. При регистрации ВС посылает запрос на вхождение в систему связи наземной

станции в соответствии с протоколом доступа к каналу с временным разделением (TDMA) в разрешенном временном интервале и на частоте, выбранной ВС по результатам анализа качества каналов связи. Наземная станция управляет доступом самолетов к каналу путем назначения слотов случайного и резервированного доступа для каждого 32-секундного временного кадра, разбитого на 13 слотов, и передает эти назначения в сквиттерах [2]. Среднее время регистрации самолета при интенсивности потока сообщений с борта 11 сообщений в час и 26 самолетах, использующих один канал, не превышает 60 с, а время задержки при передаче сообщения в состоянии регистрации не превышает 34 с [7]. В HFDL используется сигнал с 2-, 4- или 8-позиционной фазовой манипуляцией, в зависимости от качества канала связи (отношения сигнал/помеха), оцениваемого по приему каждого сигнала. Скорость манипуляции в канале ВЧ диапазона - до 1800 бод.

Авиационная система спутниковой связи обеспечивает доступ воздушного судна к наземным сетям связи через авиационные наземные станции спутнивой связи (НСС) (GES), которые осуществляют синхронизацию и координацию передачи данных по каналу «земля-воздух». Четыре типа каналов определены для использования в авиационной спутниковой системе связи ASCS. Авиационные спутниковые каналы используют цифровую модуляцию для эффективного использования мощности спутника и полосы частот. Каналы используют одну из двух видов модуляции в зависимости от канальной скорости. Низкие канальные скорости используют авиационную двоичную фазовую манипуляцию (ABPSK), в которой альтернативные символы модуляции передаются по синфазному (Г) и квадратурному (Q) каналам. В каналах с высокими скоростями используется авиационная четверичная фазовая манипуляция (AQPSK).

Для обслуживания ВС в широковещательном режиме автоматического зависимого наблюдения в соответствии с рекомендациями ICAO предусматривается формирование на ВС более длительного самогенерируемого сигнала режима S. Наземный вторичный обзорный радиолокатор режима S обеспечивает практическое применение всех приложений УВД в каналах «воздух-земля» [5]. В наземном вторичном обзорном радиолокаторе режима S осуществляются операции приема, проверки достоверности и обработки сигналов с последующим вводом их через центр обработки данных (ЦОД) в наземную сеть передачи данных.

Коммутация пакетов сообщений между наземными станциями не представляет сложности, так как их протоколами уже предусмотрены процедуры переключения в наземной сети передачи данных [1, 4, 10]. Для обеспечения бесперебойной связи с ВС на протяжении всех участков полета требуется взаимодействие между различными подсистемами воздушно-наземной связи. Такое взаимодействие можно осуществить с помощью централизованной обработки сообщений и сокращения их избыточности. Очевидно, что центр обработки данных должен объединять технологии различных наземных сетей и являться многопротокольным региональным маршрутизатором. Удаленные наземные спутниковые, ВЧ, ОВЧ станции и ВОРЛ режима S подключаются к центру обработки данных посредством наземных сетей передачи данных с протоколом X.25 (рис. 3).

Глобальные навигационные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС с помощью спутников навигационных (СН) позволяют самолету самому определить свое местоположение. Функция автоматического зависимого наблюдения (АЗН) обеспечивает сбор информации о географических координатах самолета, его высоте и курсе. Информация может передаваться наземным службам один раз в несколько минут, тем самым обеспечивается возможность слежения за взаимным расположением самолетов, прогнозирования появления ВС в зонах обслуживания других наземных станций и внесения необходимых корректив [6]. В функции центра обработки данных входит: слежение за сообщениями с ВС по имеющемуся каналу связи, передача информации о сервисах: тип и рабочая частота наземной станции на пути следования ВС при подходе к границе зоны видимости текущей наземной станции и регулировка потоков данных. Таким образом, воздушному судну с бортовым комплексом связи по технологии SDR будет заранее известно, на каком канале далее будет доступна передача данных.

Рис. 3 Упрощен ная структурная схема системы управления воздушным движением:

ЦОД центр обработки данных и маршрутизации;

траектория движения воздушного судна;

точки а ... Н - моменты переключения каналов связи;

О

- границы зон связи радиостанций ОВЧ диапазона и ВОРЛ режима S в многорежимной наземной станции;

- границы зон связи наземных станций ВЧ диапазона

Учитывая то, что пролетающие в воздушном пространстве России ВС имеют на своем борту оборудование, работающее в разных режимах передачи данных, то для их обслуживания должна быть использована многорежимная наземная станция (МНС), созданная по технологии SDR.

При входе ВС в зону действия одной из многорежимных наземных станций, центр обработки данных формирует сообщение с информацией о типе и рабочих параметрах следующей (или нескольких) по маршруту полета наземной станции, на которую следует переключиться. Дополняя информацию полетного плана, ЦОД также удостоверяется, что МНС готова к обслуживанию нового ВС. Данное сообщение может носить лишь рекомендательный характер, так как основные протоколы возлагают функцию инициирования связи на воздушное судно. При отсутствии стандартных средств обеспечения данного вида сообщения может быть сформировано служебное сообщение с необходимой информацией в части свободного текста, выводящееся на терминал кабины пилотов. Тип НС может указываться в идентификаторе спутниковой, ОВЧ или ВЧ станции, а также ВОРЛ. Стандартизировав этот тип сообщений и сократив избыточность информации, этот процесс можно автоматизировать.

На рис. 3 показана траектория движения самолета, при которой связь со службами УВД осуществляется через наземные станции в следующем порядке: до точки а - спутник связи (СС), 1-я наземная станция ВЧ диапазона (НС ВЧ); на участке (a - b) - 1-я и 2-я НС ВЧ; спутник связи; на участке (b - c) - 1-я и 2-я НС ВЧ, ОВЧ станция и ВОРЛ 1-й МНС, спутник связи; на участке (c - d) - 1-я и 2-я НС ВЧ, ОВЧ станции и ВОРЛ 1-й и 2-й МНС, спутник связи; на участке (d - e) - 1-я и 2-я НС ВЧ, ОВЧ станция и ВОРЛ 2-й МНС, спутник связи; на участке (e - f) - 1-я и 2-я НС ВЧ, спутник связи; на участке (f -g) - 2-я НС ВЧ, спутник связи; на участке (g - h) - 2-я НС ВЧ, ОВЧ станция и ВОРЛ 3-й МНС, спутник связи; после точки h - спутник связи, 2-я наземная станция ВЧ диапазона. Переключение канала воздушно-наземной связи при переходе от одного участка трассы к другому осуществляется по внутри-сетевому протоколу [1], в котором определяются наиболее надежные каналы с оптимальной стоимостью и наивысшей пропускной способностью. В ЦОД информация с ВС проверяется на достоверность, комплексируется и распределяется между потребителями и главным центром управления системы.

Министерство обороны США усиленно содействует развитию технологии SDR через многомиллиардный бюджет программы «Совместные тактические радио системы» (JTRS). Большинство оборонных ведомств стран также развивают проекты SDR, схожие с программой JTRS. Все эти усилия направлены на эффективное применение различных версий SDR для широкого круга применений в большом диапазоне зон обслуживания разнообразными аппаратно-программными средствами: от портативных приборов до оборудования, монтируемого на транспортных средствах, воздушных судах и кораблях.

В России ГУП НПЦ "ЭЛВИС" разрабатывает серию SDR-приемопередатчиков "Мультифлекс" - перепрограммируемых аналогово-цифровых микросхем типа "система на кристалле", основанных на SDR-технологии, предназначенных для использования в телекоммуникационной аппаратуре и фазированных антенных решетках.

Комплексы связи, созданные по принципу «программируемое радио», имеют следующие преимущества, которые позволяют использовать их на объектах авиационной сети радиосвязи:

• повышается аппаратурная надежность за счет автоматического резервирования и реконфигурации;

• увеличивается длительность жизненного цикла в условиях непрерывного совершенствования протоколов обмена данными «воздух-земля»;

• уменьшается стоимость и сокращается время модернизации оборудования, проводимого за счет коррекции только программного обеспечения.

Библиографический список

1. ARINC 635-3 Specification. HF Data Link Protocols. 2000.

2. ARINC 753-3 Characteristics. HF Data Link System. 2001.

3. ARINC 618-5 Specification. Air/Ground character-oriented protocol. 2000.

4. ARINC 631-3 Specification. VHF Digital link implementation provisions. 2000.

5. Приложение 10 к соглашениям ICAO, том 3.

6. Кейстович, А.В. Использование навигационных сообщений автоматического зависимого наблюдения в качестве источника внешнетраекторных измерений / А.В. Кейстович,

A.А. Кейстович, Л.М. Вдовин / Кибернетика и технологии XXI века: сб. ст. V Международной научно-технической конференции. Воронеж. 2004. С. 205-209.

7. Руководство по ВЧ-линии передачи данных ICAO, 2000.

8. DO-265. Стандарты минимальных эксплуатационных характеристик (MOPS) для авиационной подвижной высокочастотной линии передачи данных (HFDL). RTCA. 14 декабря 2000.

9. Патент РФ № 2286030. ВЧ система и способ обмена пакетными данными. 2006.

10. Патент РФ № 2308175. Центральная станция радиосвязи с подвижными объектами. 2007.

11. Кузьмин, Б.И. Авиационная цифровая электросвязь в условиях реализации "Концепции ИКАО-ИАТА CNS/ATM" в Российской Федерации: монография / Б.И. Кузьмин; под ред. Е.Л. Белоусова. - СПб. - Н. Новгород: - ООО "Агентство "ВиТ-принт", 2007. - 496 с.

12. Бочкарев, В.В. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта /

B.В. Бочкарев, Г.А. Крыжановский, Н.Н. Сухих. - М.: Транспорт, 1999. - 319 с.

13. Кейстович, А.В. Требования к характеристикам многорежимной наземной станции для организации ОВЧ линий передачи данных «воздух-земля» / А.В. Кейстович, Л.М. Вдовин / Кибернетика и технологии XXI века: сб. ст. V Международной научно-технической конференции. Воронеж. 2004 С. 495-500.

Дата поступления в редакцию 06.04.2012

Ye.L. Belousov, V.Ph. Bryantsev, K.L. Voytkevich, A.V. Keystovich, Kh.I. Sayphetdinov

ISSUES OF DEVELOPING AVIATION RADIO COMMUNICATION EQUIPMENT ON "SOFTWARE-DEFINED RADIO" PRINCIPLE

Joint Stock Company "POLYOT Research & Production Company"

Purpose: Assessing the possibility of aviation radio communication equipment development on the basis of SDR technology - "software-defined radio".

Design/methodology/approach: The article addresses tendencies of developing new technique for digitally responsive radio facilities, which provide software-based real-time change-over from one operation mode to another, speedy change-over from one signal type being processed to another, change of coding, interleaving and modulation types depending on the radio communication channel parameters and current jamming situation.

Findings: The advantages of developing radio communication equipment on the basis of SDR technology are shown. They are as follows: generation of parallel automatic backup channels for different frequency bands, modulation and coding types, methods of communication organization. Research limitations/implications: Aviation radio communication networks.

Originality/value: Communication complexes developed according to SDR technology offer high hardware reliability due to automatic backing-up and reconfiguration, and exhibit expedite equipment update, which involves only software correction.

Key words: radio, aircraft radio communication, software-defined radio, SDR technology.