СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2011 года по МПК H04B7/26 

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано для помехозащищенного информационного обмена между подвижными объектами (ПО) и наземными комплексами (НК) в каналах «воздух-воздух» и «воздух-земля».

В настоящее время за рубежом широко применяется система обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием подвижных воздушных объектов (самолетов) и наземными службами (ACARS) [1]. В системе обеспечивается вызов на речевую связь и передача данных между подвижными воздушными объектами и наземными службами. Бортовой блок связи в этой системе представляет собой вычислитель. Основным каналом обмена текущей информации является канал метрового (MB) диапазона. Организацию обмена информацией между наземными службами и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс. Он опрашивает подвижные воздушные объекты, 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 ПО и наземными службами следует отнести недостаточную помехозащищенность канала MB диапазона.

Известна система радиосвязи с подвижными объектами [3], которая состоит из наземной и бортовой приемопередающих радиостанций, между которыми в соответствии с заложенными алгоритмами осуществляется обмен данными. При обмене сообщениями между наземной приемопередающей станцией и подвижными воздушными объектами загрузка канала меняется в зависимости от этапа полета и информационной активности абонентов цифровой радиосвязи. Реализованный с помощью вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ) счетчик числа подвижных воздушных объектов контролирует количество объектов и выдает это число на счетчик загрузки системы. В зависимости от числа объектов и числа переспросов сообщений в системе используются динамические алгоритмы организации обмена сообщениями и управления каналами радиосвязи. Для избегания столкновений при одновременной передаче несколькими объектами сообщений осуществляется контроль несущей радиосигналов подвижных воздушных объектов во время воздействия ее на бортовой приемник. Определяется состояние, когда радиоканал свободен. Для разнесения во времени моментов выхода на связь нескольких подвижных воздушных объектов в бортовое устройство введен вычислитель, реализующий функции анализатора несущей частоты и генератора псевдослучайной задержки, которые обеспечивают соответствующую задержку передачи сообщений от подвижных воздушных объектов. Для принятия оптимального решения наземными службами и на борту информация об относительном местоположении аэропорта и подвижных воздушных объектов снимается с одного из бортовых и наземных датчиков - приемников сигналов глобальной навигационной спутниковой системы.

Персонал, размещаемый на НК, решает задачи с помощью комплексов программно-аппаратных средств, выполненных на вычислителях (ПЭВМ). Информационный обмен НК с ПО осуществляется по каналам «воздух-земля» в MB диапазоне. Радиосигналы MB диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Антенны на ПО и НК - всенаправленные для удобства обеспечения связи при движении объектов.

При уменьшении высоты полета ПО ниже допустимой или нахождения ПО на угле места относительно НК менее 5° и при наличии помех в MB диапазоне качество передачи информации резко снижается, что может привести к аварийной ситуации. Оператор на НК в этом случае не контролирует местоположение ПО. Поэтому в условиях высокой динамики изменения воздушной обстановки возникают трудности управления воздушным движением.

Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является «Система радиосвязи с подвижными объектами» [4], которая и принята за прототип. В этой системе во время движения подвижные воздушные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземной радиостанцией из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру передачи данных поступают в вычислитель автоматизированного рабочего места на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена производится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных воздушных объектов, хранящимися в памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ПО. При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ПО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ПО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ПО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному подвижному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го воздушных объектов, может быть доставлено N-му ПО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ПО, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО сообщения анализируются в блоке анализа типа сообщений. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ПО.

В обычном режиме с НК, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ПО после прохождения через бортовые антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного воздушного объекта. Далее сообщение передается в блок анализа типа ретранслируемого сообщения, где происходит дешифрация полученного заголовка (служебной части) сообщения, и определяется в каком режиме должна работать аппаратура ПО. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных.

Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу «воздух-земля» взамен существующей речевой информации. Они предназначены для выбора элементов сообщений разрешения/информации/запроса, которые соответствуют принятой речевой фразеологии, и набора произвольного текста. Отображение набираемых и принятых сообщений осуществляется на блоке регистрации данных ПО и мониторе АРМ НК соответственно. Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ПО обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.

Бортовой вычислитель ПО осуществляет: обработку принимаемых (передаваемых) сигналов по широкополосной линии связи с НК; прием данных о фактическом положении диаграммы направленности (ДН) бортовой направленной антенны и состоянии бортовой аппаратуры связи; формирование синхронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» бортового антенного коммутатора, формирования сигналов управления положением ДН бортовой направленной антенны по азимуту и углу места для бортового блока горизонтирования.

Для широкополосной линии связи СВЧ диапазона в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиочастотам могут быть выбраны, например, диапазоны LDRCL - (1710-1850) МГц, RCL - (7125-8500) МГц или другие, имеющие характерные окна радиопрозрачности атмосферы. Особенностью широкополосной радиолинии связи является то, что в наземной и бортовой аппаратуре связи используются кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн, а также направленные антенны с узкой ДНА (1-10)° [10].

Сообщения с выходов бортового и наземного приемников сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS, записываются в память соответствующих вычислителей с привязкой к глобальному времени. В вычислителях эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО в зоне радиосвязи НК, а также для ориентирования в пространстве диаграмм направленности антенн ПО и НК соответственно. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК сообщений о местоположении ПО в бортовом вычислителе в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО. С НК осуществляется управление действиями наземных и воздушных подвижных объектов (НПО) и (ВПО), находящихся в зоне связи соответствующего НК.

Однако прототипу присущи следующие недостатки.

При выходе из строя одного или нескольких НК не будет обеспечиваться управление действиями НПО и ВПО, находящихся в соответствующей зоне связи и управления.

Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности связи и управления. За счет введения помехозащищенных широкополосных ретрансляционных каналов связи (в обход неисправных НК) и выполнения следующих операций: ориентации на передающей стороне антенны с узкой диаграммой направленности исправного НК на приемную антенну подвижного объекта-ретранслятора, ориентации передающей антенны подвижного объекта-ретранслятора на приемную антенну следующего (при необходимости) подвижного объекта-ретранслятора и так далее обеспечивается прохождение сигналов до следующего исправного НК, выбор маршрута полета подвижных объектов-ретрансляторов. Аналогично осуществляется передача сигналов в обратном направлении. Выбранные для ретрансляции (в обход неисправных НК) исправные НК и ПО осуществляют взаимное наведение центров диаграмм направленности антенн СВЧ диапазона на соответствующие объекты и слежение за ними во время движения ПО. Управление действиями НПО и ВПО, находящихся в зоне связи неисправного НК, обеспечивается с помощью радиосигналов, транслируемых с соответствующего ПО-ретранслятора.

Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, наземную радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места, первый вход которого подключен к наземному приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, формирователь типа ретранслируемых сообщений, соединенный с соответствующим входом вычислителя АРМ, N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, бортовой приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления ПО, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного объекта, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне, бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через эфир подключена к наземной направленной антенне, в НК концентратор подключен к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые в свою очередь подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной направленной антенны, наземному антенному коммутатору, наземной аппаратуре связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ, каждому из В блоков сопряжения, состоящих из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи, наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне, в режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го ПО соединена по эфиру с бортовой направленной антенной 2-го ПО и так далее до N-го ПО, бортовой блок горизонтирования, бортовая направленная антенна, бортовая аппаратура связи и бортовой антенный коммутатор образуют первую бортовую широкополосную линию связи, согласно изобретению введены дополнительно на ПО: вторая бортовая широкополосная линия связи, соединенная двухсторонними связями с бортовым вычислителем и подключенная к следующему ПО (ретранслятору), бортовой вычислитель через последовательно соединенные распределитель каналов и активную фазированную антенную решетку (АФАР) связи и управления двухсторонними связями подключен к соответствующим ВПО и НПО, а в НК - устройство группирования сигналов, соединенное двухсторонними связями как с каждым из В блоков сопряжения, так и с наземной сетью передачи данных, выход которой является входом/выходом системы, кроме того, каждый из N ПО двухсторонними радиолиниями связи подключен к соответствующим ВПО и НПО, находящимся в его зоне связи и управления, оконечный ПО подключен через вторую широкополосную линию связи к следующему исправному наземному комплексу.

На фиг.1 представлена структурная схема системы радиосвязи с подвижными объектами, а на фиг.2 - структурные схемы наземного комплекса 1 и подвижного объекта 2, где обозначено:

1 - наземный комплекс;

2 - подвижный воздушный объект;

3 - наземная сеть передачи данных с входом/выходом 4 системы;

5 - бортовой приемник сигналов навигационных спутниковых систем;

6 - блок регистрации данных;

7 - бортовая аппаратура передачи данных;

8 - бортовая радиостанция;

9 - бортовая антенна;

10 - наземная антенна;

11 - наземная радиостанция;

12 - наземная аппаратура передачи данных;

13 - вычислитель АРМ;

14 - наземный приемник сигналов навигационных спутниковых систем;

15 - монитор АРМ;

16 - пульт управления АРМ;

17 - анализатор типа принимаемых сообщений,

18 - двунаправленная шина системы управления воздушным объектом;

19 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;

20 - наземный формирователь типа ретранслируемых сообщений;

21 - бортовая аппаратура связи;

22 - бортовой антенный коммутатор;

23 - бортовая направленная антенна;

24 - бортовой блок горизонтирования;

25 - наземная направленная антенна;

26 - наземный блок горизонтирования;

27 - локально-вычислительные сети;

28 - наземный антенный коммутатор;

29 - наземная аппаратура связи;

30 - автоматизированное рабочее место;

31 - одна из В вторых наземных АПД блока 33 сопряжения;

32 - устройство сопряжения с каналом связи;

34 - вход/выход блоков 33 сопряжения;

35 - концентратор;

36 - бортовой вычислитель;

37 - бортовые датчики;

38 - устройство группирования сигналов;

39 - наземный подвижный объект (НПО);

40 - воздушный подвижный объект (ВПО);

41 - зона связи-управления j-го ПО 2, перекрывающая соответствующую зону одного из неисправных НК 1;

42 - первая бортовая широкополосная линия связи;

43 - вторая бортовая широкополосная линия связи;

44 - распределитель каналов;

45 - активная фазированная антенная решетка (АФАР) связи и управления;

М - число НК (условно обозначенных от 1-го до М-го);

N - число ПО 2 (ретрансляторов).

Вспомогательные элементы электропитания, контроля, записи и хранения информации и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурные схемы.

Алгоритм работы системы заключается в ее адаптации к постоянно изменяющейся помеховой обстановке и взаимному положению исправных НК 1 и перемещающихся в пространстве по заданным маршрутам ПО 2. Постоянно осуществляется выбор для ретрансляции (в обход неисправных НК) исправных НК 1 и ПО 2 и взаимное наведение антенн СВЧ диапазона на соответствующие выбранные объекты, слежение за ними во время движения ПО 2. Эта задача решена путем организации обмена данными между оборудованием подвижных объектов 2 и исправных наземных комплексов 1 одновременно по двум радиоканалам: узкополосному дальней связи, например, ДКМВ диапазона, и широкополосному с более высокой несущей частотой (выше 1 ГГц) направленному каналу связи.

Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. При безаварийной обстановке подвижные объекты 2 обмениваются данными с наземными комплексами 1. Принимаемые наземной радиостанцией 11 из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру 12 передачи данных поступают в вычислитель 13 АРМ 30, построенный, например, на базе ПЭВМ серии «Багет». В вычислителе 13 АРМ 30 в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных объектов 2, хранящимися в памяти вычислителя 13 АРМ. При совпадении адреса подвижного объекта 2 с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО 2_i и состоянии его датчиков записывается в память и при необходимости выводится на экран монитора 15 АРМ НК 1. В вычислителе 13 АРМ 30 решаются следующие задачи: прием-передача сигналов со второй наземной АПД 31, прием данных о фактической ориентации наземной направленной антенны 25 и состоянии наземной аппаратуры 29 связи; формирование синхронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» антенного коммутатора 28, сигналов управления: ориентацией наземной направленной антенны 25 и ее диаграммы направленности по азимуту и углу места, наземным блоком 26 горизонтирования, режимами работы и маршрутами полета ПО 2, прием и обработка сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов системы, обработка сигналов с выхода наземного приемника 14 сигналов навигационных спутниковых систем; прием-передача данных через входы-выходы 34 блоков 33 сопряжения, устройство 38 группирования, наземную сеть 3 передачи данных с потребителей информации, формирование на экране монитора 15 АРМ 30 графического отображения обстановки в соответствии с принятой с подвижных объектов 2 информацией и вспомогательной информацией в виде графических линий, символов и других изображений; отображение квитанций и донесений о режимах работы ПО 2, НК 1, слежение за местоположением всех ПО 2 в зоне радиосвязи, обеспечение постоянной радиосвязи со всеми N ПО 2, формирование сигналов управления для узлов 26 и 25 при выборе ориентации антенны 25 на соответствующее ПО 2, оптимальное управление их движением; решение конфликтных ситуаций и выполнение других операций.

Бортовой вычислитель 3 осуществляет: прием-передачу сигналов с наземного НК 1; прием данных о фактическом положении и ориентации бортовых направленных антенн 23 и аналогичной антенны второй бортовой широкополосной линии 43 связи, состоянии бортовой аппаратуры 21 связи и второй широкополосной линии связи 43; формирование синхронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» бортового антенного коммутатора 22, сигналов управления: положением ДН бортовых направленных антенн 23 и аналогичной антенны второй бортовой широкополосной линии 43 связи и бортовым блоком 24 горизонтирования, управление режимами работы оборудования ПО 2; прием и обработку сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов ПО 2 с передачей результата обработки на НК 1, прием сигналов с выхода бортового приемника 5 сигналов навигационных спутниковых систем, прием-передачу данных по шине 18 соответствующим потребителям информации, формирование на экране блока 6 регистрации данных картинки в соответствии с принятой с НК 1 информацией и вспомогательной информацией с узлов ПО 2 в виде графических линий, символов и других изображений; отображение команд управления с НК 1 режимами работы узлов ПО 2, слежение за местоположением НК 1 и всех ПО 2 в зоне радиосвязи; обеспечение постоянной радиосвязи с заданными с НК 1 подвижными объектами 2, оптимальное управление движением собственного ПО 2; решение конфликтных ситуаций и выполнение других операций.

Эти операции выполняются программно с помощью дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 АРМ или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Все АРМ 30 идентичны по структуре и программному обеспечению. Пульт 16 управления АРМ, предназначенный для выполнения известных операций [1], может состоять, например, из клавиатуры и манипулятора графического. Число АРМ 30 определяется требуемой производительностью операторов (диспетчеров), числом потребителей информации и объемом потребляемой ими информации. Бортовой вычислитель 3 может состоять из нескольких процессоров, объединенных общей шиной. Все АРМ 30 соединены между собой и с другими блоками НК 1 с помощью локально-вычислительных сетей (ЛВС) 27. ЛВС 27 может состоять из нескольких интерфейсов со своими физическими линиями, например, МКИО, Ethernet, RS-232 и других [8, 9].

В наземной и бортовой аппаратуре для повышения надежности связи и управления используются операции: кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн, а также направленные антенны 23, 25 и направленные антенны во второй бортовой широкополосной линии 43 связи с узкой ДН (1-10)° [10].

Операции кодирования, модуляции и борьбы с замираниями радиосигнала осуществляются в бортовой и наземной аппаратуре связи 21 и 29. Аппаратура связи 21 и 29 состоит, например, из радиостанции СВЧ диапазона и соответствующей аппаратуры обработки и передачи данных. Кодирование передаваемых данных может быть осуществлено, например, с помощью сверточного кодирования по алгоритму Витерби с мягким решением и использованием модифицированной решающей обратной связи [6, 10]. Для борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн может быть использован, например, широкополосный сигнал и прием разнесенных во времени сигналов по схеме «РЕЙК», в которой обеспечивается разделение и адаптивное весовое сложение сигналов в динамике профиля многолучевости [6, 10]. В радиостанции для создания широкополосного сигнала может быть использован, например, метод непосредственной модуляции сигнала промежуточной частоты фазоманипулированной псевдослучайной последовательностью.

В качестве антенн 23, 25 и 45 могут быть использованы, например, активные фазированные антенные решетки. Сектор сканирования луча ДН антенны 25 по азимуту 360°, по углу места - практически от 0 до 180° (без учета углов закрытия и особенностей связи при углах места вблизи 90° и менее 5°). Управление положением ДН выполняется, например, программно с помощью вычислителей 3, 13 и дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Сохранение положения центра ДНА при ориентации антенн в направлении на выбранный объект при маневрах ПО 2 обеспечивается с помощью блоков горизонтирования 24 и 26, управляемых с помощью данных с вычислителей 3, 13. Наведение ДН антенн осуществляется путем нахождения пространственного вектора между двумя объектами системы и направления по нему центров ДН соответствующих объектов. Для расчета экстраполяционных точек с учетом тенденции движения с привязкой к единому всемирному времени используются точные координаты ПО 2 и НК 1, вычисляемые по выходным сигналам приемников 5 и 14 навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS [7]. Для защиты антенн 23, 25 и 45 от внешних воздействий могут быть использованы, например, радиопрозрачные укрытия, не показанные на фиг.2.

Информация блоков 12, 14, 20 обрабатывается в вычислителе 13 одного из АРМ, например первого. Полученные по ЛВС 27 данные распределяются между остальными вычислителями 13 АРМ 30 и, при необходимости, передаются через одну из В вторых наземных АПД 31 блока 33 сопряжения и устройство 32 сопряжения с каналом связи через входы-выходы 34 блоков 33 сопряжения, наземную сеть 3 передачи данных потребителям информации. Сообщения от потребителя информации на вычислители 13 АРМ 30 и ПО 2 передаются через те же узлы, но в обратном порядке. В зависимости от объема требуемой информации для обработки и формирования сообщений потребителю могут быть использованы несколько АРМ 30. Обмен данными по ЛВС 27 организуется известными способами с помощью концентратора 35, который может быть выполнен, например, в виде оконечного устройства для интерфейса МКИО [8, 9].

При выходе из строя хотя бы одного из НК 1, программно на исправных НК 1 определяется группа из ПО 2, которые назначаются ретрансляторами сообщений, первым из которых на фигуре 1 условно обозначен цифрой 21. Ретрансляция данных осуществляется в СВЧ диапазоне. В СВЧ диапазоне ДН на сторонах приема и передачи должны быть ориентированы друг на друга. При постоянном изменении дальности между взаимодействующими ПО 2 в качестве ретрансляторов определяются N подвижных воздушных объектов, местоположение которых оптимально по отношению к двум исправным НК 1 и всем остальным ПО 2- ретрансляторам. В этом случае автоматически или оператором АРМ 30 назначается ПО 2_i, который в течение определенного времени будет использоваться в качестве не только ретранслятора, но и подвижного источника сигналов связи и управления для НПО 39 и ВПО 40, находящихся в зоне обслуживания неисправного НК 1. По анализу местоположения и параметров движения остальных ПО 2 в вычислителе 13 АРМ определяются оптимальные пути доставки сообщений объектам в зоне обслуживания неисправного НК 1, а для радиолиний СВЧ диапазона - положения ДН на приемной и передающей сторонах.

Траектория движения всех ПО 2 выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась прямая видимость между соседними ПО 2, а для условно обозначенных на фиг.1 первого и N-го ПО 2 - с i-м и L-м НК 1 соответственно. Параметры узлов широкополосных радиолиний связи: диапазон частот, коэффициент направленного действия антенн, мощность передатчиков, коэффициент шумов приемников, точность наведения диаграмм направленности, вид кода, метод синхронизации выбираются с учетом обеспечения заданной надежности связи и управления.

При выходе из строя (L-1)-го НК 1, находящихся между 1-м и М-м НК 1, обмен данными организуется с помощью последовательно соединенных широкополосных линий связи подвижных объектов 2, используемых в качестве ретрансляторов информации. Причем первый из ПО 2 обеспечивает двухсторонний обмен данными с назначенным условно НК 1_i, а N-й подвижный объект - с НК 1_L. Эта группа из N подвижных объектов 2 восстанавливает обмен данными в системе в обход поврежденных (L-1)-го НК 1, повышая надежность связи и управления в экстренных (аварийных) ситуациях. Кроме того, N ПО 2 восстанавливают зону 41 управления воздушными и наземными подвижными объектами (40 и 39), организуемую ранее с помощью вышедших из строя НК 1. За счет подъема над землей источника радиоизлучения сигналов управления граница зоны радиосвязи с наземными подвижными объектами увеличивается более чем в 10 раз по сравнению с границей зоны управления, организуемой передатчиками наземных комплексов 1. Например, при высотах подъема антенны НК 1 и наземных подвижных объектов 39, равных 16 м и 4 м соответственно, радиус зоны управления с НК 1 будет порядка 22 км, а в случае подъема передатчика сигналов связи и управления с помощью ПО 2 на высоту 18 км величина радиуса зоны управления будет более 400 км.

В вычислителе 13 каждого НК 1 хранятся данные о местоположении и параметрах движения всех ПО 2, а также всех наземных и воздушных подвижных объектов 39 и 40. Параметры, снимаемые с приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS подвижных объектов 2, передаются на вычислители 13 НК 1 как напрямую по радиолиниям дальней связи, образованным наземными и бортовыми радиостанциями 11 и 8 и соответствующим оборудованием, так и через соответствующие ПО 2. Затем они запоминаются с привязкой к единому времени, что позволяет сформировать виртуальную карту текущего местоположения в пространстве всех ПО 2, получить экстраполированную оценку местоположения подвижных объектов 2 при следующих сеансах связи и точно ориентировать диаграммы направленности фазированной антенной решетки на соответствующие объекты. Для проведения этих операций осуществляются взаимоувязанные действия с помощью вычислительных средств 13 и 36 и направленных антенн 25, 23 и АФАР 45 наземных комплексов 1 и подвижных объектов 2.

J-й ПО-ретранслятор 2j (фиг.1) соединен двухсторонними радиолиниями связи с управляемыми ВПО 40 и НПО 39 в различных диапазонах волн. Бортовые и наземные направленные антенны, например, с активной фазированной антенной решеткой, в составе второй бортовой широкополосной линии 43 связи, 45 и 25 используются для организации локальных радиолиний: ретрансляции, связи и управления с наземными и воздушными подвижными объектами 39 и 40. ДНА АФАР предыдущего перед неисправным НК 1_i (или последующего после неисправного НК 1_L) направляются на ближайший ПО 2, через него на следующий ПО 2 (при необходимости) и так далее до N-го ПО 2 для ретрансляции сигналов связи и управления в обход неисправного (неисправных) НК 1_i+1 (фиг.1).

АФАР 45 связи и управления может быть выполнена в виде многосекционной широкодиапазонной антенны, обеспечивающей перекрытие всех рабочих частот НПО 39 и ВПО 40. При большой величине скважности передаваемых с ПО 2 на НПО 39 и ВПО 40 сообщений за счет свойств АФАР 45 можно сконцентрировать энергию радиосигнала в одном стволе - с наиболее важным объектом, что позволит дополнительно повысить надежность связи и управления в системе. Учитывая широкодиапазонность радиосредств НПО 39 и ВПО 40, каждому объекту 39 и 40 с помощью распределителя 44 каналов и АФАР 45 связи и управления посылается требуемый сигнал на заданной рабочей частоте. Принятые АФАР 45 связи и управления сигналы с помощью распределителя 44 каналов преобразуются в один из стандартных интерфейсов, имеющихся в бортовом вычислителе 36, например, Ethernet.

Сообщение от абонентов системы или от операторов исправных НК 1 через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го подвижных объектов 2, может быть доставлено N-му ПО 2 м, а также через ПО 2j сигналы связи и управления могут быть транслированы для НПО 39 и ВПО 40, находящихся в зоне обслуживания неисправного НК 1. Для этого на НК 1 в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладываются номера ПО 2, назначенных ретрансляторами, и адреса подвижных объектов 2, обеспечивающих заданный трафик сообщения. При наличии помех трафики для радиосигналов ДКМВ диапазона и СВЧ диапазона могут быть различные. Принятые данные обрабатываются в блоке 17 анализа типа сообщений подвижного объекта 2. Если сообщение предназначено для данного ПО 2, то после его анализа решается вопрос о направлении данных на блок 6 регистрации, или по двунаправленной шине 18 на систему управления ПО 2, не указанную на фиг.2, или, при работе в режиме ретрансляции, о передаче данных на соседний ПО 2, или - на соответствующие НПО 39 и ВПО 40.

При обмене данными по линиям «воздух-земля», «воздух-воздух», особенно при наличии помеховой обстановки управление трафиком СВЧ радиосигнала осуществляется с наземного вычислителя 13 исправного НК 1 в соответствии с алгоритмом, заключающемся в том, что на передающей стороне соответствующего ПО 2 (ли исправного НК 1) наводят диаграмму направленности передающей антенны на диаграмму направленности антенны приемной стороны выбранного для ретрансляции (одного или нескольких) ПО 2 и передают сигналы. На приемной стороне известными способами [5, 6] измеряют достоверность передачи информации. Полученную оценку передают в обратном направлении. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) ПО 2 запоминаются для дальнейшего использования в процессе связи. Затем на передающей стороне оценивают уровень достоверности передачи информации, приходящей с направления приемной стороны. С помощью обработки данных о положении всех ПО 2, хранимых в наземном вычислителе 13, выбирают маршрут ретрансляции. В следующий момент времени диаграмма направленности антенны передающей и диаграмма направленности антенны приемной стороны выбранных исправных НК 1 и выделенных ПО 2 устанавливаются друг на друга в соответствии с выбранным маршрутом ретрансляции.

Для последовательного выполнения этих операций в заданный (начальный) момент времени определяется текущее местоположение всех ПО 2 и исправных НК 1, вычисляются в наземном вычислителе 13 экстраполяционные точки нахождения соответствующих подвижных объектов 2 системы во время планируемого сеанса связи, осуществляется взаимная ориентация диаграмм направленности антенн выбранного исправного НК 1 и первого (в порядке обслуживания) ПО 2₁ и слежение за ним во время движения. Затем проводят обмен данными между соответствующими объектами системы, и после получения подтверждения о приеме эту процедуру повторяют со вторым ПО 2 и так далее. При совпадении направления на i-й ПО 2 с направлением на источник помех, положение которого определено в наземном вычислителе 13 по результатам оценки достоверности принятой информации со всех ПО 2, вычисляется оптимальный маршрут передачи данных на i-й ПО 2 через другие подвижные объекты 2, работающие в режиме ретрансляции. В НК 1 и в выбранных для ретрансляции ПО 2 с помощью соответствующих вычислителей осуществляется взаимная ориентация диаграмм направленности антенн и слежение за соответствующими объектами во время их движения. Для этого с наземного вычислителя 13 НК 1, имеющего больший объем информации о воздушной ситуации в своей зоне ответственности по сравнению с бортовыми вычислителями ПО 2, постоянно осуществляется обмен соответствующими сообщениями со всеми ПО 2. Обмен сигналами связи и управления с НПО 39 и ВПО 40 в зоне ответственности неисправного НК 1 осуществляется с одного или нескольких ПО 2, условно обозначенных 2_j на фиг.1.

После получения на НК 1 подтверждения о достоверном приеме информации на ПО 2 в вычислителе 13 АРМ 30 автоматически формируется следующее сообщение в адрес управляемого НПО 39 или ВПО 40. Это сообщение, пройдя по той же рассмотренной ранее цепочке, но только в обратном порядке, поступает на соответствующий объект управления.

Для удобства разрешения оператором НК 1 конфликтной ситуации при наличии помеховой обстановки на экран каждого монитора 15 АРМ 30 НК 1 может выводиться положение каждого ПО 2 относительно неисправного НК 1. Для этого, программно, с помощью вычислителя 13 АРМ выделяются части пространства, в которых помеховая ситуация в вероятностном смысле менее напряженная, и через находящиеся там ПО 2 обеспечивается необходимый трафик сообщений. Для отображения тенденции движения каждого ПО 2 на экране монитора 15 АРМ вычислителем 13 АРМ 30 формируются отметки, характеризующие предыдущее местоположение ПО 2 и экстраполяционные отметки, характеризующие местоположение ПО 2 через заданный интервал времени. По мере движения ПО 2 устаревающие отметки стираются. Положение трассы полета всех ПО 2 в зоне обслуживания НК 1 сохраняются в памяти вычислителя 13 АРМ на заданный период времени.

При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для объектов 39 и 40 в соответствии с категориями срочности, принятыми в системе радиосвязи с подвижными объектами, в формирователе 20 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранное ПО 2_i с учетом времени реакции ПО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая на ПО 2_i информация (при необходимости) для контроля отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов или в виде точек и векторов и параллельно транслируется на соответствующий объект 39 и 40. Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В вычислителях 3 и 13 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 зависимости от числа подвижных воздушных объектов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в системе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями и эффективного управления полетом ПО 2. При изменении помеховой обстановки, взаимного положения НК 1 и ПО 2, нарушения режима полета подвижного объекта и других параметров в вычислителях 3 и 13 автоматически формируется предупреждающий сигнал о возможном «обрыве» связи, информация о котором выводится на экраны блока 6 регистрации данных и монитора 15 АРМ. Опасная ситуация может быть выделена звуковым эффектом.

Формирователи 20 и 19 типа ретранслируемых сообщений, пульт 16 управления в НК 1 позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналам «воздух-земля» и обеспечивают выбор элементов сообщений разрешения /информации/ запроса и набор произвольного текста. Отображение набираемых на наземном пульте 16 управления и принятых с ПО 2 сообщений осуществляется на экране монитора 15 АРМ 30 НК 1. Формирователи 20 и 19 типа ретранслируемых сообщений могут быть выполнены в виде отдельных узлов или программными методами с помощью вычислителей 3 и 13.

В вычислителях 3 и 13 решаются задачи выбора оптимального пути трансляции управляющих сообщений от исправного НК 1 на выбранное ПО 2. Для этого постоянно в вычислителе 13 одного или одновременно нескольких АРМ 30 известными методами [5, 6] оцениваются зоны устойчивой радиосвязи для НК 1 и всех ПО 2. Наличие приемника 14 сигналов навигационных спутниковых систем позволяет проводить управление ПО 2 и с НК 1. В аппаратуре передачи данных 7 и 12 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие [5, 6].

На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-37, 42, 43 одинаковые с прототипом. Оборудование, реализующее функции узлов 38-40, 44-45, выпускается серийно. Вычислители 3 и 13 могут быть выполнены, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1 MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems и ЭВМ типа «Багет-01-07» ЮКСУ.466225.001 соответственно. В качестве ПО 2 могут быть использованы, например, стратосферные самолеты типа М-55, летающие по кольцевому маршруту, аэростаты или стратосферный дирижабельный летательный аппарат.

Использование заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами позволяет за счет обеспечения двухсторонних направленных, помехозащищенных широкополосных ретрансляционных каналов связи в обход неисправных одного или нескольких наземных комплексов, выполнения их функций позволяет повысить надежность связи и управления подвижными воздушными и наземными объектами и обеспечить доступ ко всем предоставляемым услугам в цепи «абонент системы - ВПО (НПО)».

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В.Бочкарев, Г.А.Крыжановский, Н.Н.Сухих. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта. М.: - Транспорт, 1999. 319 с.

2. AC №1401626 М. кл. Н04В 7/26, H04L 27/00, БИ №21, 1988.

3. Патент РФ №195774. М. кл. Н04В 7/26, 2002.

4. Патент РФ №2309543, М. Кл. Н04В 7/26, Н04В 7/185. Система радиосвязи с подвижными объектами. А.В.Кейстович, А.А.Кейстович, БИ №30, 2007. (прототип).

5. Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для ВУЗов. / И.М.Тепляков и др. Под ред. И.М.Теплякова. - М.: Радио и связь, 1982.

6. Уильям К.Ли. Техника подвижных систем связи. - М.: Радио и связь, 1985, 391 с.

7. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.

8. К.Э.Эрглис. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2000. - 256 с.

9. А.А.Мячев. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.

10. 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.

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано для помехозащищенного информационного обмена между подвижными объектами и наземными комплексами в каналах «воздух-воздух» и «воздух-земля». Технический результат заключается в повышении надежности связи и управления за счет введения помехозащищенных широкополосных ретрансляционных каналов связи «воздух-воздух» в обход неисправных наземных комплексов, объединенных между собой наземной сетью передачи данных, и выполнения их функций по управлению воздушными и наземными подвижными объектами (ВПО) И (НПО) по обеспечению доступа ко всем предоставляемым ранее услугам в цепи «абонент системы - ВПО (НПО)». 2 ил.

Система радиосвязи с подвижными объектами, состоящая из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, наземную радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места, первый вход которого подключен к наземному приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, формирователь типа ретранслируемых сообщений соединенный с соответствующим входом вычислителя АРМ, N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, бортовой приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления ПО, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного объекта, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне, бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через эфир подключена к наземной направленной антенне, в НК концентратор подключен к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые в свою очередь подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной направленной антенны, наземному антенному коммутатору, наземной аппаратуре связи, каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ, каждому из В блоков сопряжения, состоящих из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/ выходом наземной аппаратуры связи, наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне, в режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го ПО соединена по эфиру с бортовой направленной антенной 2-го ПО и так далее до N-го ПО, бортовой блок горизонтирования, бортовая направленная антенна, бортовая аппаратура связи и бортовой антенный коммутатор образуют первую бортовую широкополосную линию связи, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительно на ПО: вторая бортовая широкополосная линия связи, соединенная двухсторонними связями с бортовым вычислителем и подключенная к следующему ПО (ретранслятору), бортовой вычислитель через последовательно соединенные распределитель каналов и активную фазированную антенную решетку (АФАР) связи и управления двухсторонними связями подключен к соответствующим воздушным и наземным подвижным объектам, а в НК - устройство группирования сигналов, соединенное двухсторонними связями как с каждым из В блоков сопряжения, так и с наземной сетью передачи данных, выход которой является входом/выходом системы, кроме того, каждый из N ПО двухсторонними радиолиниями связи подключен к соответствующим ВПО и НПО, находящимся в его зоне связи и управления, оконечный ПО подключен через вторую широкополосную линию связи к следующему исправному наземному комплексу.