СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ АВИАЦИОННОЙ РАДИОСВЯЗИ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к системам авиационной радиосвязи и может быть использовано для радиосвязи между летательным аппаратом (самолетом, вертолетом, дирижаблем и т.п.) и наземной радиостанцией, обеспечивающей сопровождение полета в своей зоне ответственности (радиолиния «Земля - борт»), а также для связи между летательными аппаратами (радиолиния «Борт - борт»).

При этом радиосвязь осуществляют в диапазоне с квазиоптическим (прямолинейным) распространением радиоволн, например в диапазоне ОВЧ, который используют в авиационной связи. Радиосвязь осуществляют на расстоянии, превышающем дальность прямой видимости между летательным аппаратом и наземной радиостанцией.

Известны способы организации авиационной радиосвязи за пределами зоны прямой видимости с использованием спутниковой связи (см., например, Гаджиагаев В.А., Геков В.В., Кузьмин Б.И. и др. Инфокоммуникации на транспорте: Справочник по новым информационным и телекоммуникационным технологиям в Единой транспортной системе. Санкт-Петербург: ООО «Агентство «ВиТ-принт», 2005. С.367-370). Однако при этом требуется установка на борту летательного аппарата дорогостоящего оборудования спутниковой связи, включая установку антенны, что целесообразно только на больших самолетах, например пассажирских авиалайнерах.

Известны системы радиорелейной связи, обеспечивающие связь за пределами прямой видимости с помощью наземных ретрансляторов, которые устанавливают на господствующих высотах либо мачтах, зданиях и т.п. (см., например, Каменский Н.Н., Модель A.M., Надененко Б.С. и др. Справочник по радиорелейной связи. М.: Радио и связь, 1981. С.4-5). Один ретранслятор радиорелейной линии увеличивает дальность связи всего на 30-45 км (длина интервала радиорелейной линии), что практически неприемлемо для авиационной связи.

Наиболее близким к заявленному является способ организации радиосвязи, реализованный в системе радиосвязи по патенту Великобритании WO 02/061971 класса Н04В 7/185, опубликованному 08.08.2002. Способ-прототип заключается в следующем: ретранслятор, включающий приемопередатчик с антенной, с помощью шара поднимают на заданную высоту. При этом шар в течение сеанса связи удерживают тросом, закрепленным на поверхности земли. Поднятый шаром ретранслятор в автоматическом режиме осуществляет прием и ретрансляцию сигналов корреспондентов, находящихся друг от друга за пределами прямой видимости. Кроме того, в способе-прототипе сигнал от базовой наземной станции передают на ретранслятор по волоконно-оптическому кабелю, прикрепленному к тросу.

Недостатком прототипа являются большие экономические затраты на его реализацию, т.к. потребуется специальная команда и дорогостоящие технические средства, обеспечивающие доставку шара с ретранслятором в заданный район. Кроме того, использование этого способа возможно только на фиксированных авиатрассах, что ограничивает область его использования в системах авиационной связи.

Целью заявленного изобретения является разработка способа, обеспечивающего снижение экономических затрат на его реализацию и расширение области его применения в интересах авиационной связи. В частности, наибольший эффект будет достигнут при использовании способа на трассах, проходящих над Северным Ледовитым океаном и над Восточной Сибирью, которые являются оптимальными трассами для полетов из Северной Америки в Японию, Китай и Юго-Восточную Азию (POLAR - 1, 2, 3, 4). В настоящее время на этих трассах имеются зоны недоступности для радиосвязи «Земля - борт», которые достигают сотен километров.

Для организации непрерывной связи во время полета над территориями, недостаточно обеспеченными телекоммуникационной инфраструктурой, предлагается использовать автоматические ретрансляторы, подвешенные на воздушных шарах типа метеорологических зондов, находящихся в свободном полете на высоте 1000-12000 м.

Связь может быть организована в диапазоне ОВЧ в полосе частот 100-150 МГц, выделенной для авиационной связи.

Реализация заявленного способа заключается в следующем. Для установки ретранслятора на границе зоны прямой видимости в расчетной точке полета с борта летательного аппарата сбрасывают оболочку шара с прикрепленным к ней контейнером, содержащим ретранслятор, а также баллон с газом, соединенный шлангом с оболочкой шара. На безопасном расстоянии от летательного аппарата оболочку автоматически надувают газом. После наполнения оболочки баллон автоматически отстыковывают от ретранслятора. В свободном полете шар удерживает ретранслятор на высоте его сброса или выше, т.к. в процессе полета шар может только подниматься.

Ретранслятор работает в автоматическом режиме, обеспечивая ретрансляцию радиосигналов, передаваемых с наземной станции на борт летательного аппарата и в обратном направлении. Электропитание оборудования ретранслятора производят от аккумулятора, имеющегося в составе ретранслятора.

Связь с наземной радиостанцией поддерживают через ретранслятор до подлета летательного аппарата в зону видимости следующей наземной радиостанции. После этого шар уничтожают с целью обеспечения безопасности полетов других летательных аппаратов в этом районе. Уничтожение шара осуществляют по команде с наземной станции или с летательного аппарата или автоматически с помощью команды, сформированной в ретрансляторе с помощью реле времени. В частности, уничтожение шара возможно путем разрушения его оболочки, например, путем ее прокола или прожигания.

Шар с ретранслятором может быть использован также для организации связи экипажа самолета или вертолета с наземной станцией в аварийных условиях: при отказе KB радиостанции, при нарушении KB радиосвязи во время магнитной бури, при вынужденной посадке и т.п. В последнем случае ретранслятор может быть использован в качестве приводного маяка во время операции по спасению экипажа.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема организации связи с помощью шара-ретранслятора. На схеме изображены летательный аппарат 1, ретранслятор 2, подвешенный на шаре, и наземная станция 3.

Ретранслятор размещен в контейнере и содержит радиопередатчик, радиоприемник, источник электропитания, антенно-фидерное устройство и устройство разрушения оболочки шара. Для уменьшения веса контейнер может быть изготовлен из пористого материала, например пенопласта. Радиопередатчик, радиоприемник и антенно-фидерное устройство можно использовать из серийно выпускаемой авиационной радиостанции, например ICOM IC А-23, которая имеет мощность 5 Вт и вес 340 г. В качестве антенны может быть использована известная контейнерная антенна по патенту РФ №2097880, кл. H01Q 1/28. В качестве источника электропитания можно использовать, например, никель-металлогидридный аккумулятор BP-200L, входящий в комплект радиостанции ICOM IC А-23, который имеет емкость 760 мАч, напряжение 9,6 В и вес 250 г. Учитывая приведенные весовые показатели, можно ожидать, что масса контейнера с ретранслятором составит около 1 кг.

Полагая, что КПД передатчика равен 0,5, получим, что мощность, потребляемая от источника питания в режиме передачи, равна 10 Вт, а потребляемый ток - 1 А. Поскольку аккумулятор в ретрансляторе используют однократно, то можно допустить его полный разряд. При этом аккумулятор обеспечит работу передатчика в течение, по крайней мере, 30 минут. Так как суммарное время передачи примерно равно суммарному времени приема и в режиме приема потребляемая мощность втрое меньше, чем в режиме передачи, аккумулятор данного типа обеспечит работу ретранслятора в течение одного часа.

За это время летательный аппарат уйдет из зоны прямой видимости ретранслятора, т.е. ретранслятор выполнит свою задачу.

Реализация предлагаемого способа дает возможность «установить» ретранслятор на высоте полета летательного аппарата на границе зоны прямой видимости наземной радиостанции:

где R₁ - дальность прямой видимости, км;

h_л - высота полета летательного аппарата, м.

При дальнейшем полете летательного аппарата связь между ним и наземной радиостанцией осуществляется через ретранслятор, следовательно, она возможна до границы прямой видимости между ретранслятором и летательным аппаратом, которая равна

где R₂ - дальность прямой видимости между ретранслятором и летательным аппаратом, км;

h_p - высота полета ретранслятора, м.

Например, при h_л=h_p=10000 м расстояние прямой видимости R₁ равно 400 км, a R₂ равно 800 км.

На радиолинии «наземная станция - ретранслятор - летательный аппарат» участок «ретранслятор - летательный аппарат» является энергетически наиболее напряженным, т.к. мощность передатчика на борту летательного аппарата и на наземной радиостанции значительно превосходят мощность передатчика ретранслятора, а чувствительность приемников, по крайней мере, одинакова. Расстояние R₃ от ретранслятора, на котором плотность потока мощности сигнала р_с равна минимально допустимой величине минус 120 дБВт/м², при которой обеспечивается речевой обмен и передача данных по протоколу VDL (Very High Frequency Data Link) со скоростью от 1200 до 31500 бит/с, может быть рассчитана по известному соотношению

где Р_р - мощность передатчика ретранслятора; принимаем равной 5 Вт;

G_p - коэффициент усиления антенны ретранслятора, принимаем равным 1;

η_р - КПД антенно-фидерного тракта ретранслятора, принимаем равным 0,7;

G_л - коэффициент усиления антенны летательного аппарата, принимаем равным 1;

η_л - КПД антенно-фидерного тракта летательного аппарата, принимаем равным 0,7.

С учетом указанных значений из формулы (2) следует, что R₃=440 км. Рассчитанная дальность связи меньше расстояния прямой видимости, таким образом на расстоянии до 440 км от ретранслятора выполняются оба условия обеспечения устойчивой радиосвязи. Следовательно, используя предлагаемый способ, можно существенно увеличить дальность связи; в данном примере - на 440 км.

Параметры шара, наполненного гелием и способного удерживать ретранслятор на высоте 10000 м, определяют с учетом следующих весовых показателей:

- вес контейнера с ретранслятором;

- вес оболочки шара;

- вес газа, наполняющего шар.

Радиус шара, способного удержать контейнер с ретранслятором на заданной высоте, определяют по формуле:

где r - радиус шара, м;

G_p - вес ретранслятора, кг;

ρ_в - удельная плотность воздуха на заданной высоте, в данном примере на высоте 10000 м; ρ_в=4,4×1 (O^-4 г/см³;

ρ_г - удельная плотность газа на заданной высоте, в данном примере на высоте 10000 м; для гелия ρ_г=6×10^-5 г/см³;

ρ_о - удельная плотность материала оболочки шара; для резины она равна 1,2 г/см³;

d - толщина оболочки наполненного газом шара, принимаем ее равной 0,1 мм.

Из формулы (4) следует, что для удержания ретранслятора весом 1 кг на высоте 10000 м требуется шар радиусом около 1,2 м, если в качестве газа используется гелий.

Уничтожение шара производят путем разрушения его оболочки. В частности, для разрушения оболочки может быть использована подпружиненная игла, удерживаемая фиксатором, механически связанным с якорем электромагнита. Команду на уничтожение шара передают с наземной станции или с летательного аппарата или формируют в ретрансляторе с помощью реле времени. По команде с помощью электронного ключа замыкают цепь электромагнита, после срабатывания которого разблокируют фиксатор и освобождают иглу, прокалывающую оболочку под действием пружины. Разрушение оболочки можно также произвести прожиганием ее электрическим током или другими способами

Таким образом, при использовании заявленного технического решения при существенном снижении затрат обеспечивается возможность организации устойчивой радиосвязи между летательным аппаратом и наземным объектом (или другим летательным аппаратом) за пределами прямой видимости как на трассах с зонами недоступности для радиосвязи, так и на произвольных трассах, где предварительное оборудование наземными средствами связи невозможно или экономически нецелесообразно. Отмеченное указывает на возможность достижения сформулированного технического результата.

Изобретение относится к системам авиационной радиосвязи и может быть использовано для связи между летательным аппаратом и наземной радиостанцией, а также для связи между летательными аппаратами в диапазоне ОВЧ. Технический результат состоит в обеспечении радиосвязи в диапазоне ОВЧ за пределами зоны прямой видимости при существенном снижении материальных затрат на реализацию способа. Для этого на границе прямой видимости устанавливают автономный ретранслятор, обеспечивающий в автоматическом режиме ретрансляцию радиосигналов. Для установки ретранслятора в расчетной точке полета с борта летательного аппарата сбрасывают ретранслятор, прикрепленный к оболочке шара, соединенной шлангом с баллоном с газом. Оболочку у шара автоматически наполняют газом, а затем оболочку отстыковывают от баллона, который сбрасывают на Землю, после чего начинается свободный полет шара, который удерживает ретранслятор на высоте не менее высоты сброса. После окончания сеанса связи оболочку шара разрушают. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ организации радиосвязи летательного аппарата с наземными или воздушными объектами связи за пределами прямой видимости, заключающийся в том, что на границе прямой видимости устанавливают автономный ретранслятор, обеспечивающий в автоматическом режиме ретрансляцию радиосигналов, передаваемых с наземных или воздушных объектов связи на борт летательного аппарата и обратно, отличающийся тем, что на границе прямой видимости ретранслятор, прикрепленный к оболочке шара, соединенной с баллоном с газом, сбрасывают с борта летательного аппарата, после чего оболочку шара наполняют газом, затем газовый баллон отстыковывают от оболочки шара и сбрасывают на Землю, в результате чего обеспечивают свободный полет шара, удерживающего ретранслятор, с помощью которого осуществляют радиосвязь между летательным аппаратом и наземными или воздушными объектами связи.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после завершения радиосвязи через ретранслятор оболочку шара разрушают.