СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2014 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к радиосредствам обмена данными и может быть использовано для высокоскоростного информационного обмена между подвижными воздушными объектами (ВО) и наземными комплексами (НК) в каналах «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 информацией 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 ВО и наземными службами следует отнести низкий объем передаваемой информации и недостаточную помехоустойчивость.

Известна система радиосвязи с подвижными объектами [3], состоящая из наземной и бортовой приемопередающих радиостанций, между которыми в соответствии с заложенными алгоритмами осуществляется обмен данными. 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 (АРМ) 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 ВО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N BO. При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ВО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ВО, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ВО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному подвижному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) воздушных объектов, может быть доставлено N-му ВО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВО, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ВО 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 ВО.

В обычном режиме с НК, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ВО 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 ВО. 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 ВО 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 ВО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ВО обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.

Однако аналогу присущи следующие недостатки: низкая скорость передачи информации и ограничение дальности связи числом работоспособных ВО, позволяющих организовать трафик данных до выбранного воздушного объекта.

Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [4], которая и принята за прототип. Система состоит из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ). Первый вход вычислителя АРМ подключен к приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с соответствующим входом вычислителя АРМ. Концентратор подключен к локально-вычислительным сетям (ЛВС), которые в свою очередь соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами наземной направленной антенны, наземного антенного коммутатора, наземной аппаратуры связи и с каждым из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ. Каждый из B блоков сопряжения состоит из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, выход которого является входом/выходом системы. Наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи. Наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями.

В состав каждого из N подвижных воздушных объектов входят бортовые датчики, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя. Выход бортового вычислителя подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления подвижным воздушным объектом. Бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне. Бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя. Бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне механическими связями. Передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого подвижного воздушного объекта, второго ВО и далее до N-го ВО, а передача данных с N-го ВО на НК осуществляется в обратном порядке. Бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовая направленная антенна через эфир подключена к наземной направленной антенне. В режимах ретрансляции и обмена данными бортовая направленная антенна 1-го ВО соединена по эфиру с бортовой направленной антенной 2-го ВО и так далее до N-го ВО.

Прототипу присущи следующие недостатки:

- при передаче высокоскоростных данных с удаленного за горизонт ВО по цепочке последовательно соединенных подвижных воздушных объектов из-за конечного времени наведения антенн возникает дополнительная задержка информации и в ней появляются новые ошибки, а при неисправности одного из ВО, выбранного в качестве ретранслятора, или неточности наведения на него диаграммы направленности передающей антенны предыдущего ВО-ретранслятора будет возникать потеря информации;

- взаимное наведение диаграмм направленности антенн при ретрансляции высокоскоростной информации исключает передачу данных на НК, что снижает эффективность основного назначения системы;

- из-за отсутствия учета рельефа местности, а следовательно, и углов закрытия, при полете у ВО с источником информации могут возникать резкие «обрывы» связи, как и в случае неопределенности точного местоположения следующего по порядку ВО-ретранслятора;

- режим ретрансляции полностью исключает режим передачи «сырой» высокоскоростной информации с ВО.

Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение дальности передачи достоверных данных с высокоскоростного датчика подвижного воздушного объекта на наземный комплекс за счет:

- сокращения избыточности данных с помощью средств их обработки на борту ВО;

- использования для загоризонтной передачи наиболее важной информации спутниковых каналов связи и созвездия спутников;

- одновременной передачи с ВО «сырой» высокоскоростной информации (при наличии прямой (оптической) видимости) и обработанной (для сокращения избыточности) - по разным каналам на различных частотах выделенного для связи диапазона.

Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса, содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места, первый вход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, концентратор, подключенный 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 A АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ, каждому из B блоков сопряжения, состоящих из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, вход/выход которого является входом/выходом системы, наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи, наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями, N подвижных воздушных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне механическими связями, бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через эфир подключена к наземной направленной антенне, введены дополнительно на НК - наземная станция спутниковой связи с антенной, подключенная двухсторонними связи к ЛВС, а на каждом ВО - бортовая станция спутниковой связи с антенной и блок сжатия информации, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами бортового вычислителя, наземная станция спутниковой связи с антенной соединена двухсторонними связями с бортовой станцией спутниковой связи с антенной через созвездие спутников.

На фигуре представлена система радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:

1 - наземный комплекс;

2 - воздушный объект;

3 - бортовой вычислитель;

4 - бортовые датчики;

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 - первая 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 - блок сжатия информации;

20 - бортовая станция спутниковой связи с антенной;

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 - антенный коммутатор;

29 - наземная аппаратура связи;

30 - автоматизированное рабочее место;

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

32 - устройство сопряжения с каналом связи;

34 - вход/выход системы;

35 - концентратор;

36 - наземная станция спутниковой связи с антенной;

37 - созвездие спутников связи.

Двойными сплошными линиями на фигуре обозначены механические связи. Вспомогательные элементы электропитания, контроля и другие, не влияющие на выполнение цели изобретения, не включены в структурную схему системы.

Алгоритм работы системы заключается в ее постоянной адаптации к взаимному положению НК 1 и подвижных воздушных объектов 2. Эта задача решена путем организации в пределах прямой (оптической) видимости обмена данными между оборудованием воздушных объектов 2 и наземного комплекса 1 одновременно по трем радиоканалам: узкополосному, используемому для обмена данными телеуправления-телесигнализации, спутниковому и широкополосному с более высокой несущей частотой (выше 2 ГГц), направленному радиоканалам связи. При выходе ВО 2 за пределы радиогоризонта от НК 1 обмен частично сжатыми данными с высокопроизводительного бортового датчика осуществляется по спутниковому радиоканалу связи. Спутники связи обеспечивают передачу достоверной информации на расстояние до 15000 км, а при использовании созвездия спутников-ретрансляторов - на еще большие расстояния [5].

Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. При беспомеховой обстановке во время движения подвижные воздушные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными телеуправления-телесигнализации с наземным комплексом 1 по узкополосному каналу связи. 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 воздушных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 13 АРМ. В некоторых случаях НК 1 может обеспечивать обмен данными только с одним ВО. При совпадении адреса подвижного воздушного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВО 2_i и состоянии его датчиков выводится на экран монитора 15 АРМ НК 1. В вычислителе 13 АРМ 30 решаются следующие задачи: прием-передача сигналов с N радиоканалов наземной станции 36 спутниковой связи с антенной и второй наземной АПД 31, сравнение качества картинок от высокопроизводительного бортового датчика, входящего в состав датчиков 4, принятых от одного подвижного воздушного объекта 2 по широкополосному (если ВО 2 находится в пределах радиогоризонта) и спутниковому каналу радиосвязи; прием данных о фактическом положении ДНА наземной направленной антенны 25 и состоянии наземной аппаратуры 29 связи; формирование хронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» антенного коммутатора 28, сигналов управления: положением ДНА наземной направленной антенны 25 по азимуту и углу места, наземным блоком 26 горизонтирования, режимами работы ВО 2; прием и обработка сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов системы, сигналов с выхода наземного приемника 14 сигналов навигационных спутниковых систем; прием-передача данных через блок 33 сопряжения по шине 34 потребителям информации; формирование на экране монитора 15 АРМ 30 картинки в соответствии с принятой с ВО 2 информацией и вспомогательной информацией в виде графических линий, символов и других изображений; отображение квитанций и донесений о режимах работы ВО 2, НК 1, АРМ 30; слежение за местоположением всех ВО 2 в зоне радиосвязи, обеспечение постоянной радиосвязи со всеми N BO 2; оптимальное управление их движением; решение конфликтных ситуаций и выполнение других операций.

Бортовой вычислитель 3 осуществляет: распределение времени на прием-передачу сигналов с(на) НК 1; прием данных о фактическом положении ДНА бортовой направленной антенны 23 и состоянии бортовой аппаратуры 21 связи; формирование хронизирующих сигналов для переключения режимов «передача-прием» бортового антенного коммутатора 22, формирования сигналов управления: положением ДНА бортовой направленной антенны 23 по азимуту и углу места, бортовым блоком 24 горизонтирования, режимами работы оборудования ВО 2; прием и обработку сигналов контроля со всех радиоэлектронных узлов ВО с передачей результата обработки на НК 1, а также 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 ВО 2 в виде графических линий, символов и других изображений; отображение команд управления с НК 1 режимами работы узлов ВО 2; слежение за местоположением НК 1 и всех ВО 2 в зоне радиосвязи при размещении блока 6 на борту ВО 2 в полете или в вынесенном варианте - при предполетной подготовке; обеспечение постоянной радиосвязи с заданным НК 1, оптимальное управление движением собственного ВО 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 системы с помощью локально-вычислительных сетей 27. ЛВС 27 может состоять из нескольких интерфейсов со своими физическими линиями, например МКИО, Ethernet, RS-232 и других [6, 7].

Для 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 29 и 21 для повышения помехозащищенности используются кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн, а также направленные антенны 23 и 25 с узкой ДНА (от 1 до 10°) [8].

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 Витерби с мягким решением и использованием модифицированной решающей обратной связи [6, 7]. 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 [8, 9]. В радиостанции для создания широкополосного сигнала может быть использован, например, метод непосредственной модуляции сигнала промежуточной частоты фазоманипулированной псевдослучайной последовательностью. В некоторых вариантах может быть использована псевдослучайная перестройка несущей частоты.

В качестве антенн 23 и 25 могут быть использованы, например, активные фазированные антенные решетки или параболические антенны с электромеханическим управлением положением ДНА. Сектор сканирования луча ДНА 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°). Управление положением ДНА выполняется, например, программно с помощью вычислителей 3, 13 и дополнительных модулей, конструктивно встраиваемых в вычислители 3 и 13 АРМ или выполненных в виде отдельных узлов, входящих в «обрамление» указанных вычислителей. Сохранение положения центра ДНА в направлении на выбранный объект системы при маневрах ВО 2 или НК 1 обеспечивается с помощью блоков горизонтирования 24 и 26, управляемых с помощью данных с вычислителей 3, 13. Наведение ДНА осуществляется путем нахождения пространственного вектора между двумя объектами системы и направления по нему центров ДНА соответствующих объектов системы. Для этого с учетом тенденции (экстраполяции) движения с привязкой к единому всемирному времени используются точные координаты ВО 2 и НК 1, вычисляемые по выходным сигналам приемников 5 и 14 навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС/GPS [10]. В упрощенном варианте системы на ВО 2 может быть установлена пассивная антенна с круговой ДНА по азимуту и с небольшой направленностью по углу места с коэффициентом усиления (3-10) дБ. В этом случае функциональные связи бортового вычислителя 3 с бортовой антенной 23 и блоком 24 горизонтирования могут отсутствовать. Для защиты антенн 23 и 25 от внешних воздействий могут быть использованы, например, радиопрозрачные укрытия, не показанные на фигуре. Для варианта использования на НК 1 параболических антенн с электромеханическим управлением положением ДНА под радиопрозрачным укрытием размещают устройства сканирования наземной антенны 25 по азимуту и углу места и соответствующие датчики, антенный коммутатор 28, блок 26 горизонтирования и, для уменьшения потерь радиосигнала в антенно-фидерном тракте, наземную аппаратуру 29 связи.

Информация блоков 12, 14 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 B вторых наземных АПД 31 блока 33 сопряжения и устройство 32 сопряжения с каналом связи блока сопряжения 33 по шине 34 соответствующему потребителю информации. Сообщения от потребителя информации на вычислители 13 АРМ 30 и ВО 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 [6, 7].

При выходе за пределы радиогоризонта, хотя бы одного из ВО 2, или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи в каналах прямой (оптической) видимости, по которым передается «сырая» (необработанная) информация, вероятность ошибочного приема становится выше заданной. Поэтому на НК 1 после получения в широкополосном радиоканале величины отношения сигнал/шум менее требуемой программно переключаются на использование частично сжатой с помощью блока 19 информации, которая передается на НК 1 по цепочке последовательно соединенных бортового вычислителя 3, бортовой станции 20 спутниковой связи с антенной, созвездия 37 спутников связи, наземной станции 36 спутниковой связи с антенной и затем распределяется по ЛВС 27 на соответствующее АРМ 30. В этом случае автоматически один или несколько соединенных между собой спутников связи из созвездия 37 в течение определенного времени будут использоваться в качестве ретрансляторов. Если производительность высокоскоростного датчика (одного из бортовых датчиков 4) после операций кодирования, перемежения и других не превышает пропускной способности спутникового радиоканала связи, то функции блока 19 сводятся к преобразованию форматов данных с выхода высокоскоростного датчика в соответствии с требуемым для бортовой станции 20 спутниковой связи с антенной. Перед полетом в бортовой вычислитель 3 по шине 18 вводятся данные последовательности использования спутников из созвездия 37 при движении ВО 2 по заданному маршруту. Проверка работы этого канала осуществляется перед полетом во время контроля функционирования всей системы. В качестве высокоскоростного датчика могут быть использованы, например, радиолокационные, инфракрасные, телевизионные камеры и другие. Операции сжатия информации в блоке 19 могут осуществляться, например, как в радиолокации после использования вторичной обработки информации, которая позволяет на несколько порядков снизить требуемую скорость передачи данных в канале связи [11].

По заложенному в бортовой вычислитель 3 при предполетной подготовке ВО 2 плану связи в зависимости от местоположения и параметров движения определяются спутники связи из созвездия 37 для обеспечения доставки сообщений удаленному от НК 1 за радиогоризонт воздушному объекту и передачи с него обработанной в блоке 19 информации с высокоскоростного датчика, входящего в состав бортовых датчиков 4.

Узлы 7, 8, 9, составляющие основу бортового комплекса связи MB диапазона, и узлы 10, 11, 12, составляющие основу наземного комплекса связи для передачи низкоскоростной информации, для повышения надежности связи могут зарезервированы. Тогда один их входов/выходов бортового вычислителя 3 должен быть подключен ко второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 7, 8, 9, а на НК 1 один их входов/выходов наземного вычислителя 13 любого из АРМ 30 также должен быть подключен к соответствующей второй цепочке, состоящей из последовательно соединенных узлов 12, 11, 10. В этом случае в наземном вычислителе 13 одного из АРМ, определенного ведущим, осуществляются операции оценки достоверности информации, принимаемой с ВО 2 по двум низкоскоростным радиоканалам, и обработки наиболее достоверной информации.

Принятые данные обрабатываются в блоке 17 анализа типа сообщений воздушного объекта 2. Если сообщение предназначено для данного ВО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных на блок 6 регистрации или по двунаправленной шине 18 на систему управления ВО, не указанную на фигуре.

При обмене данными по линиям «воздух-земля», особенно при наличии помеховой обстановки, снижения достоверности передачи данных в низкоскоростном радиоканале управление трафиком СВЧ радиосигнала осуществляется с наземного вычислителя 13 в соответствии с алгоритмом, заключающемся в том, что на передающей стороне соответствующего ВО 2 наводят диаграмму направленности антенны на диаграмму направленности антенны приемной стороны НК 1 и передают сигналы. На приемной стороне известными способами [4, 9] измеряют достоверность передачи информации. Полученную оценку достоверности передают в обратном направлении. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) ВО 2 запоминаются для дальнейшего использования в процессе связи. Затем на передающей стороне оценивают уровень достоверности передачи информации, приходящей с направления приемной стороны. При низкой достоверности с помощью обработки данных о положении всех ВО 2, хранимых в наземном вычислителе 13, обрабатывают данные, полученные по спутниковому радиоканалу, составленному из блоков 20, 37, 36.

Для последовательного выполнения этих операций в заданный момент времени определяется текущее местоположение всех ВО 2 и НК 1, вычисляются в наземном вычислителе 13 экстраполяционные точки нахождения соответствующих объектов системы во время планируемого сеанса связи, осуществляется взаимное наведение центров диаграмм направленности антенн НК 1 и обслуживаемого ВО 2 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 ВО 2 и так далее. При совпадении направления на i-й ВО 2 с направлением на источник помех, положение которого определено в наземном вычислителе 13 по результатам оценки достоверности принятой информации со всех ВО 2, используются данные спутникового радиоканала. В НК 1 и ВО 2 с помощью соответствующих вычислителей осуществляется взаимное наведение центров 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 ВО 2, постоянно осуществляется обмен соответствующими сообщениями со всеми ВО 2.

После получения на НК 1 подтверждения о достоверном приеме информации на ВО 2 в вычислителе 13 АРМ 30 автоматически формируется следующее сообщение в адрес управляемого ВО 2. Это сообщение, пройдя по той же рассмотренной ранее цепочке, но только в обратном порядке, поступает на соответствующий бортовой вычислитель 3 и, при необходимости, отображается на экране бортового блока 6 регистрации данных.

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 ВО 2 относительно НК 1. Для отображения тенденции движения каждого ВО 2 на экране монитора 15 АРМ вычислителем 13 АРМ 30 формируются отметки, характеризующие предыдущее местоположение ВО 2 и экстраполяционные отметки, характеризующие местоположение ВО 2 через заданный интервал времени. По мере движения ВО 2 устаревающие отметки стираются. Положение трассы полета всех ВО 2 в зоне обслуживания НК 1 сохраняются в памяти вычислителя 13 АРМ на заданный период времени.

В обычном режиме в беспомеховой обстановке с НК 1, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ВО 2 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с любого из пультов 16 управления АРМ 30 сообщение отображается на мониторе 15 АРМ и параллельно на НК 1 после прохождения сигнала через вычислитель 13 АРМ 30, аппаратуру передачи данных 12, радиостанцию 11, антенну 10 и на ВО 2 - через бортовые: антенну 9, радиостанцию 8, аппаратуру передачи данных 7 поступает в бортовой вычислитель 3, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВО 2. Если адреса совпадают, то сообщение передается в блок 17 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации служебной части полученного сообщения и определения режима работы аппаратуры ВО 2. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 3 и, при необходимости, выводится на экран блока 6 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.

В зависимости от числа воздушных объектов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в системе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями и эффективного управления полетом ВО 2. При изменении помеховой обстановки, взаимного положения НК 1 и ВО 2, нарушения режима полета воздушного 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. Визуальная картинка может быть усилена звуковым эффектом. В результате анализа состояния и загрузки каналов радиосвязи в вычислителе 13 АРМ 30 НК 1 и выбора лучшего из них определяется число столкновений сообщений в каналах связи и, когда это число превышает предельно допустимое, система переходит в режим адресного опроса для упорядочения работы канала передачи данных "воздух-земля". Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче сообщений несколькими объектами, вычислителями 3 и 13 может осуществляться, например, контроль несущей при воздействии на радиостанцию преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с ВО 2 передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь воздушных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в вычислителях 3 и 13 может формироваться, например, псевдослучайная задержка передачи сообщений от воздушных объектов 2 и НК 1 - для каждого объекта своя.

В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если воздушные объекты 2 сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные воздушные объекты о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом распределяют передаваемые сообщения в выделенных им временных слотах. На каждом из ВО 2 в вычислителе 3 оценивается уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале и обрабатываются для выбора интервалов передачи точные по времени импульсы синхронизации с выхода приемников глобальных навигационных систем. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью подвижный воздушный объект 2 начинает передачу собственного пакета данных в выделенном интервале времени.

Сообщения с выходов приемников 5 и 14 сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS, записываются в память вычислителей 3 и 13 с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 3 и 13 эти данные используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ВО в зоне радиосвязи НК 1, а также для ориентирования в пространстве диаграмм направленности антенн 23 и 25 ВО 2 и НК 1 соответственно, в том числе при мобильном исполнении НК 1. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ВО 2 в вычислителе 3 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВО 2.

Принятые на НК 1, представляющем собой наземный пункт приема, передачи, обработки и отображения информации, навигационные данные, размещенные в служебной части сообщения, от всех ВО 2 обрабатываются в вычислителе 13 АРМ и выводятся на экран монитора 15 АРМ 30. Точка, характеризующая местоположение НК 1, обычно размещается в центре экрана монитора 15 АРМ 30. ВО 2, находящиеся вблизи зоны устойчивой радиосвязи, выделяются от остальных, например, цветом отметки на экране монитора 15 АРМ, и для них в вычислителях 3 и 13 начинается решение задачи перехода на спутниковый радиоканал. Для этого постоянно в вычислителе 13 одного или одновременно нескольких АРМ 30 известными методами [4, 9] оцениваются зоны устойчивой радиосвязи для НК 1 и всех ВО 2. Наличие приемника 14 сигналов навигационных спутниковых систем позволяет проводить управление ВО 2 и с мобильного НК 1. В аппаратуре передачи данных 7 и 12 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования и другие [4, 9].

На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-18, 21-35 одинаковые с прототипом. Оборудование, реализующее функции узлов 20, 36, 37, выпускается серийно. Вычислители 3 и 13 могут быть выполнены, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems и ЭВМ типа «Багет-01-07» ЮКСУ.466225.001 соответственно. Блок 19 может быть выполнен программно.

Использование заявляемой системы радиосвязи с подвижными объектами позволяет:

- увеличить дальность передачи обработанной с помощью блока 19 информации с высокоскоростного бортового датчика;

- осуществлять одновременную передачу «сырой» и сжатой в блоке 19 информации высокоскоростного бортового датчика по СВЧ и спутниковым радиоканалам и выбора лучшего из них;

- повысить помехозащищенность передачи данных за счет передачи данных в различных диапазонах частот.

Система может быть использована для обмена данными между подвижными объектами и управления движением любого ВО, в том числе, дистанционно управляемого беспилотного летательного аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. АС №1401626. М. кл. H04B 7/26, H04L 27/00, БИ №21, 1988.

3. Патент РФ №195774. М. кл. H04B 7/26, 2002.

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

5. Патент РФ №2309543 C2. М. кл. H04B 7/26, H04B /185, 2007 (прототип).

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

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

8. 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.

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

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

11. Д.С. Конторов, Ю.С. Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.: Сов. Радио, 1971, 367 с.

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано для передачи данных с высокоскоростного бортового датчика подвижного воздушного объекта (ВО) на наземный комплекс (НК). Техническим результатом является повышение дальности передачи достоверных данных с высокоскоростного датчика подвижного воздушного объекта на наземный комплекс. Упомянутый технический результат достигается за счет введения на подвижном ВО блока сжатия информации и организации спутниковых радиоканалов между НК и ВО. 1 ил.

Система радиосвязи с подвижными объектами, состоящая из наземного комплекса (НК), содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных (АПД) к соответствующему первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места, первый вход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, концентратор, подключенный 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, вход/выход которого является входом/выходом системы, наземная направленная антенна через антенный коммутатор соединена двухсторонней связью с соответствующим входом/выходом наземной аппаратуры связи, наземный блок горизонтирования подключен к наземной направленной антенне механическими связями, N подвижных воздушных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем с антенной, каждый из которых соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовая аппаратура связи, бортовая направленная антенна, бортовой антенный коммутатор, бортовой блок горизонтирования, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а вход/выход - к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом, бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне, бортовой блок горизонтирования подключен к бортовой направленной антенне механическими связями, бортовая аппаратура связи через последовательно соединенные бортовой антенный коммутатор, бортовую направленную антенну через эфир подключена к наземной направленной антенне, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительно на НК - наземная станция спутниковой связи с антенной, подключенная двухсторонними связи к ЛВС, а на каждом ВО - бортовая станция спутниковой связи с антенной и блок сжатия информации, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими входами бортового вычислителя, наземная станция спутниковой связи с антенной соединена двухсторонними связями с бортовой станцией спутниковой связи с антенной через созвездие спутников.