КОМПЛЕКС БОРТОВЫХ СРЕДСТВ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ Российский патент 2022 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к бортовым комплексам обмена данными и может быть использовано для информационного обмена по каналам радиосвязи, например, между воздушными судами (ВС) и наземными комплексами (НК).

В настоящее время широко применяется комплекс бортовых средств цифровой связи (КБСЦС) для обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием ВС (самолетов) и наземными службами (ACARS) [1]. В системе обеспечивается вызов на речевую связь и передача данных между ВС и наземными службами. Бортовой блок управления в этой системе представляет собой вычислитель. Каналами обмена текущей информацией являются каналы ОВЧ и ВЧ диапазонов. Организацию обмена информацией между наземными службами и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс. Он опрашивает ВС, 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 аналога следует отнести искажение параметров, формы и потеря мощности радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте, что приводит к снижению достоверности и помехозащищенности передачи информации.

Известен БКСЦС системы радиосвязи с подвижными объектами (ПО) [3]. Для предупреждения столкновений при одновременной передаче сообщений несколькими ВС осуществляется контроль несущей радиосигналов ВС во время воздействия ее на бортовые приемники. Определяется состояние, когда радиоканал свободен. Для разнесения во времени моментов выхода на связь нескольких ВС в БКСЦС имеется вычислитель, реализующий функции анализатора несущей частоты и генератора псевдослучайной задержки, которые обеспечивают соответствующую задержку передачи сообщений от ВС. Для принятия оптимального решения наземными службами и на борту информация об относительном местоположении аэропорта и ВС снимается с одного из бортовых и наземных датчиков - приемников сигналов глобальной навигационной спутниковой системы. Информационный обмен НК с ВС осуществляется по каналам «воздух-земля» в ОВЧ диапазоне. Радиосигналы ОВЧ диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Антенны на ВС и НК всенаправленные - для удобства обеспечения связи при движении ВС. В этой системе во время движения ВС, 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 ВС, хранящимися в памяти их бортовых вычислителей. При совпадении адреса ВС с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ВС и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ВС. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ВС или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи определяется программно один из ВС, который назначается ретранслятором сообщений. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ВС определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному ВС. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го воздушного судна, может быть доставлено N-му ВС. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ВС, назначенного ретранслятором, и адреса ВС, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ВС сообщения в блоке анализа типа сообщений анализируются. После анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления ВС или ретрансляции их на соседнее ВС. В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов, с НК осуществляется адресный опрос ВС путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ВС после прохождения через бортовые антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВС. 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 ВС. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных. 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 ВС. Принятые наземным комплексом навигационные сообщения от всех ВС обрабатываются в вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.

К недостаткам БКСЦС следует отнести искажение параметров и формы и потеря мощности радиосигналов из-за характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте, что приводит к снижению помехоустойчивости передачи информации.

Известен БКСЦС [4, Рис. 5.10, с. 175], который работает следующим образом. Во время движения воздушные суда, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными о местоположении, параметрах движения ВС и состоянии его датчиков с наземным комплексом в ОВЧ диапазоне, а за его пределами - в ВЧ диапазоне. В блоке управления решаются задачи: приема-передачи и обработки сигналов с наземного комплекса. Каждый из ВС выходит на связь на нескольких рабочих частотах ВЧ и ОВЧ диапазонов, известных всем участникам движения. В этом случае в блоке управления осуществляются операции оценки достоверности данных, принимаемых на ВС по ВЧ и ОВЧ каналам. Управление приемопередатчиками ОВЧ диапазона осуществляется с блока управления, а приемопередатчиками ВЧ диапазона - с панели дистанционного управления.

Распределение сигналов между приемопередатчиками, работающими в режимах «Речь», «Данные», осуществляется в блоке переключения интерфейсов с помощью сигналов, передаваемых с блока управления по шине управления.

Блок управления аналога обеспечивает управление коммутацией сигналов через блок переключения интерфейсов и установкой рабочих режимов приемопередатчиков ОВЧ диапазона и обмен по каналу «борт-земля-борт» пилотажно-навигационной, эксплуатационно-технической, метео- и коммерческой информацией. Через блок управления осуществляется переключение режимов работы «Речь-Данные» и «Прием-Передача» соответствующего приемопередатчика ОВЧ диапазона. В ответ на достоверно принятое сообщение в блоке управления формируется соответствующий символ в позиции технического подтверждения/неподтверждения приема сообщения. В блоке управления для режима ACARS осуществляются операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования дискретных сообщений и другие.

В обычном режиме с беспомеховой обстановкой с НК осуществляется адресный опрос ВС путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. На ВС радиосигналы через антенны, приемопередатчики, блок переключения интерфейсов поступают в блок управления, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВС. Далее служебная часть сообщения дешифрируется для определения режима работы аппаратуры комплекса. Информационная часть сообщения после проверки ее достоверности используется в вычислительной системе самолетовождения (ВСС).

В зависимости от числа воздушных судов и числа переспросов сообщений в канале радиосвязи в комплексе используются динамические алгоритмы обмена сообщениями. Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи при одновременной передаче несколькими ВС, в блоке управления осуществляется контроль несущей при воздействии на приемопередатчики преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с ВС передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь воздушных судов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в блоке управления формируется псевдослучайная задержка передачи сообщений от воздушных судов - для каждого ВС своя.

Если воздушные суда сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные ВС в ОВЧ диапазоне о начале цикла передачи данных и случайным образом распределяют передаваемые сообщения. В каждом блоке управления оценивают уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале. Затем воздушное судно начинает передачу собственного пакета данных. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК сообщений о местоположении ВС в блоке управления в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ВС.

Известен БКСЦС [5], который состоит из блока переключения интерфейсов, подключенного двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона, первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона. Шина управления блока управления подключена к входу блока переключения интерфейсов. Модулятор-демодулятор (модем), соединен двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами блока управления и блока переключения интерфейсов. Частотно-разделительное устройство ВЧ диапазона, подключено двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона и антенне ВЧ диапазона. Частотно-разделительное устройство ОВЧ диапазона, подключено двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона и антенне ОВЧ диапазона. Первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом. Второй выход управления блока переключения соединен с входом первого приемопередатчика ОВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения - с входом частотно-разделительного устройства ОВЧ диапазона, четвертый выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ОВЧ диапазона, пятый выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, шестой выход управления блока переключения интерфейсов - с входом частотно-разделительного устройства ВЧ диапазона, седьмой выход управления блока переключения - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона. Вход/выход пульта управления и индикации связан с соответствующим входом/выходом блока управления. Низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса. Низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса.

Аналогу присущи недостатки: потеря мощности радиосигналов в антенно-фидерных трактах и низкая помехозащищенность.

Известен аналог БКСЦС [6], который содержит блок переключения интерфейсов, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона, шину управления блока управления, подключенную к входу блока переключения интерфейсов, модулятор-демодулятор (модем), соединенный двухсторонними связями блока переключения интерфейсов, первую и вторую антенны ВЧ диапазона, первый выход управления блока переключения интерфейсов соединен с модемом, второй выход управления блока переключения интерфейсов - с входом первого приемопередатчика ВЧ диапазона, третий выход управления блока переключения интерфейсов - с входом второго приемопередатчика ВЧ диапазона, вход/выход пульта управления и индикации связан с соответствующим входом/выходом блока управления, низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса, низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов является вторым входом/выходом комплекса, первая и вторая антенны ВЧ диапазона подключены к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона соответственно. Вычислительное устройство ВЧ диапазона, подключено двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов, а вычислительное устройство ОВЧ диапазона - соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов. При этом первая и вторая антенны ВЧ диапазона подключены к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ВЧ диапазона соответственно, а первая и вторая антенны ОВЧ диапазона - к соответствующим высокочастотным входам/выходам первого и второго приемопередатчиков ОВЧ диапазона соответственно.

Аналогу присущи следующие недостатки:

- отсутствует защита от помех и электромагнитных наводок;

- наличие двух вычислительных устройств, выполняющих одинаковые функции, избыточно для одного комплекса.

Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является БКСЦС системы радиосвязи с подвижными объектами с применением радиофотонных элементов [7], который и принят за прототип. В системе радиосвязи с подвижными объектами, имеющей в своем составе М территориально разнесенных наземных комплексов связи и N подвижных объектов с БКСЦС, связанных между собой каналами связи «Воздух-Воздух» MB диапазона, а каналами радиосвязи «Воздух-Земля» MB и ДКМВ диапазонов с М наземными комплексами, которые соединены между собой и с внешними абонентами через наземную сеть передачи данных. Каждый подвижный объект содержит n бортовых широкодиапазонных антенн, соединенных непосредственно с n бортовыми широкодиапазонными радиочастотными приемо-передающими модулями. Модуль физического уровня подключен двухсторонними связями через последовательно соединенные модуль канального уровня, модуль маршрутизатора и модуль интерфейсов к бортовому вычислителю, имеющему двунаправленный интерфейс бортовой системы управления подвижным объектом. Входы модуля интерфейса подключены к бортовым датчикам, приемнику сигналов глобальной навигационной спутниковой системы. Выход бортового вычислителя подключен к блоку регистрации данных. Второй вход/выход модуля интерфейсов подключен к бортовому анализатору типа принимаемых сообщений, а третий вход/выход - к бортовому формирователю типа ретранслируемых сообщений, а n бортовых широкодиапазонных радиочастотных приемо-передающих модулей подключены также к n входам/выходам модуля физического уровня. На каждом подвижном объекте управляющие входы/выходы n фазовращателей подключены двухсторонними связями к соответствующим n входам/выходам бортового вычислителя. Оптический приемо-передатчик, подключенный двухсторонними связями с одной стороны к входам/выходам четырех групп фазовращателей, а с другой стороны -к входам/выходам четырех групп последовательно соединенных волоконно-оптических линий связи, групповых оптических приемо-передатчиков, входы/выходы которых через групповые бортовые широкодиапазонные радиочастотные приемо-передающие модули подключены к входам/выходам групповых бортовых широкодиапазонных антенн. Управляющие входы/выходы узлов: оптического приемо-передатчика, четырех групповых оптических приемопередатчиков подключены двухсторонними связями к соответствующим n входам/выходам бортового вычислителя. Количество в системе каждого из узлов: фазовращателей, фотодетекторов, фильтров нижних частот, бортовых широкодиапазонных антенн и бортовых широкодиапазонных радиочастотных приемо-передающих модулей равно n, а волоконно-оптических линий связи - 2n, число узлов в каждой группе выбирается, исходя из назначения системы. В оптическом приемо-передатчике излучение первого лазера через первый оптический разветвитель поступает на входы для несущей частоты n первых оптических модуляторов, на информационные входы которых подаются выходные сигналы n фазовращателей, а выходы оптических модуляторов подключены к соответствующим входам первого оптического коммутатора, выходы которого соединены с входами n первых ВОЛС, выходы n вторых ВОЛС через второй оптический коммутатор подключены к входам четырех параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных фотодетекторов i-й группы и ФНЧ i-й группы, где i=1, 2, 3, 4, выходы ФНЧ i-й группы подключены к входам n фазовращателей, выходы n первых ВОЛС подключены к соответствующим входам четырех параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных оптического коммутатора на прием i-й группы, фотодетекторов i-й группы и ФНЧ i-й группы. Выходы ФНЧ i-й группы подключены к соответствующим входам бортовых широкодиапазонных радиочастотных приемо-передающих модулей, выходы которых через оптические модуляторы i-й группы подключены к соответствующим входам оптического коммутатора на передачу i-й группы, выходы которого соединены с входами n вторых ВОЛС.Излучение лазера i-й группы через оптический разветвитель i-й группы поступает на входы для несущей частоты оптических модуляторов i-й группы. Выходы контроля первого лазера и лазеров i-й группы подключены к соответствующим входам бортового вычислителя. Сигналы управления первого и второго оптических коммутаторов, оптических коммутаторов на прием и на передачу i-й группы подключены к соответствующим управляющим выходам бортового вычислителя. Число узлов в каждой группе определяется назначением бортового комплекса связи, общее количество в четырех группах равно n, а волоконно-оптических линий связи - 2n.

Прототипу присущи следующие недостатки:

- плохая защита от электромагнитных помех от излучаемых радиосигналов;

- высокий уровень электромагнитных наволок на оборудование комплекса, снижающий помехозащищенность комплекса.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности комплекса и увеличение дальности устойчивой связи за счет введения оптических узлов обработки сигналов, управляемых с помощью бортового оптического вычислителя, уменьшения уровня наволок на оборудование комплекса - улучшение электромагнитной совместимости на ПО и распределения n бортовых широкодиапазонных модулей антенных на основе метаматериала на четыре группы, каждая из которых формирует свою управляемую диаграмму направленности в соответствующей полусфере, при этом центр каждой диаграммы направленности сдвинут относительно соседних на 90°, что повышает помехозащищенность и энергетический потенциал линии связи.

Указанный технический результат достигается тем, что в бортовой комплекс средств цифровой связи подвижного объекта, содержащий бортовой оптический вычислитель, четыре фотонных приемо-передающих модуля, каждый из которых подключен двухсторонними связями к оптическому вычислителю, при этом пятый вход/выход оптического вычислителя через волоконно-оптическую шину подключен к бортовым датчикам, бортовому приемнику сигналов глобальной навигационной спутниковой системы с антенной и блоку регистрации данных, шестой вход/выход оптического вычислителя подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, а седьмой вход/выход оптического вычислителя является входом/выходом комплекса.

В каждый фотонный приемо-передающий модуль входят группа средств на передачу и группа средств на прием, при этом группа средств на передачу включает n ветвей, каждая из которых содержит подключенный к соответствующему выходу оптического вычислителя волоконный тракт, который через последовательно соединенные волоконно-оптическую линию задержки и оптический усилитель подключен к модулю антенному на основе метаматериала, конструктивно совмещенному с лазером и блоком выбора диапазона рабочих частот, волоконно-оптическую шину для управления блоком выбора диапазона рабочих частот на передачу, соединяющую соответствующий выход оптического вычислителя через волоконно-оптический разветвитель с n блоками выбора диапазона рабочих частот на передачу, волоконно-оптическую шину для формирования диаграммы направленности антенны на передачу, соединяющую соответствующий вход/выход оптического вычислителя с входами/выходами управления и контроля волоконно-оптических линий задержки, работающих на передачу, а группа средств на прием включает n ветвей, каждая из которых содержит последовательно соединенные модуль антенный на основе метаматериала, конструктивно совмещенный с лазером и блоком выбора диапазона рабочих частот, оптический усилитель, волоконно-оптическую линию задержки и волоконный тракт, подключенный к соответствующему входу оптического вычислителя, волоконно-оптическую шину для управления блоком выбора диапазона рабочих частот на прием, соединяющую соответствующий выход оптического вычислителя через волоконно-оптический разветвитель с n блоками выбора диапазона рабочих частот на прием, волоконно-оптическую шину для формирования диаграммы направленности антенны на прием, соединяющую соответствующий вход/выход оптического вычислителя с входами/выходами управления и контроля волоконно-оптических линий задержки, работающих на прием.

Структурная схема системы радиосвязи с подвижными объектами представлена на фигуре, где введены обозначения:

1 - наземный комплекс связи (НК);

2 - подвижный объект (ПО);

3 - фотонный приемо-передающий модуль КБСЦС подвижного объекта;

4 - вход/выход бортового оптического вычислителя 5 (вход/выход КБСЦС);

6 - бортовые датчики;

7 - бортовой приемник сигналов глобальной навигационной спутниковой системы, например, ГЛОНАСС/GPS, с антенной;

8 - блок регистрации данных;

9 - волоконный тракт;

10 - волоконно-оптическая шина для формирования диаграммы направленности антенны (ДНА) на передачу;

11 - волоконно-оптическая шина для формирования диаграммы направленности антенны на прием;

12 - волоконно-оптическая шина для подключения к узлам 6, 7, 8;

13 - оптический усилитель;

14 - лазер;

15 - модуль антенный на основе метаматериала;

16 - блок выбора диапазона рабочих частот;

17 - волоконно-оптическая шина управления блоком 16 на передачу;

18 - двунаправленная шина системы управления подвижным объектом;

19 - волоконно-оптический разветвитель;

20 - волоконно-оптическая линия задержки;

21 - волоконно-оптическая шина для управления блоком 16 на прием.

Бортовой комплекс средств цифровой связи ПО 2 содержит бортовой оптический вычислитель 5, четыре фотонных приемо-передающих модуля 3, волоконно-оптическую шину 12 для подключения к узлам 6, 7, 8, бортовые датчики 6, бортовой приемник 7 сигналов глобальной навигационной спутниковой системы с антенной, блок 8 регистрации данных, двунаправленную шину 18 системы управления подвижным объектом. Каждый фотонный приемо-передающий модуль 3 подключен к соответствующему входу/выходу оптического вычислителя 5. Пятый вход/выход оптического вычислителя 5 через волоконно-оптическую шину 12 подключен к бортовым датчикам 6, бортовому приемнику 7 сигналов глобальной навигационной спутниковой системы с антенной и блоку 8 регистрации данных. Шестой вход/выход оптического вычислителя 5 подключен к двунаправленной шине 18 системы управления подвижным объектом, а седьмой вход/выход оптического вычислителя 5 является входом/выходом комплекса.

В каждый фотонный приемо-передающий модуль 3 входят группы средств на передачу и прием.

Группа средств на передачу включает n ветвей, каждая из которых содержит подключенный к соответствующему выходу оптического вычислителя волоконный тракт 9, который через последовательно соединенные волоконно-оптическую линию 20 задержки и оптический усилитель 13 подключен к модулю 15 антенному на основе метаматериала, конструктивно совмещенному с лазером 14 и блоком 16 выбора диапазона рабочих частот. Группа средств на передачу также содержит волоконно-оптическую шину 17 для управления блоком выбора диапазона рабочих частот 16 на передачу, соединяющую соответствующий выход оптического вычислителя 5 через волоконно-оптический разветвитель 19 с n блоками 16 выбора диапазона рабочих частот на передачу. Группа средств на передачу также содержит волоконно-оптическую шину 10 для формирования диаграммы направленности антенны на передачу, соединяющую соответствующий вход/выход оптического вычислителя 5 с входами/выходами управления и контроля волоконно-оптических 20 линий задержки, работающих на передачу.

Группа средств на прием включает n ветвей, каждая из которых содержит последовательно соединенные модуль 15 антенный на основе метаматериала, конструктивно совмещенный с лазером 14 и блоком 16 выбора диапазона рабочих частот, оптический усилитель 13, волоконно-оптическую линию 20 задержки и волоконный тракт 9, подключенный к соответствующему входу оптического вычислителя 5. Группа средств на прием также содержит волоконно-оптическую шину 21 для управления блоком 16 выбора диапазона рабочих частот на прием, соединяющую соответствующий выход оптического вычислителя 5 через волоконно-оптический разветвитель 19 с n блоками 16 выбора диапазона рабочих частот на прием. Группа средств на прием также содержит волоконно-оптическую шину 11 для формирования диаграммы направленности антенны на прием, соединяющую соответствующий вход/выход оптического вычислителя 5 с входами/выходами управления и контроля волоконно-оптических линий 20 задержки, работающих на прием.

Техническая задача решена за счет:

- замены электронных средств для операций обработки сигналов на оптические, управляемые с помощью оптического вычислителя, что позволяет снизить влияние электромагнитных помех и наводок - улучшить электромагнитную совместимость оборудования на борту ПО,

- введения оптических трактов, не искажающих фазово-частотную и амплитудно-частотную характеристики антенно-фидерных трактов,

- распределения n бортовых широкодиапазонных модулей 15 антенных на основе метаматериала на четыре группы, каждая из которых формирует свою управляемую диаграмму направленности в соответствующей полусфере при этом центр каждой диаграммы направленности сдвинут относительно соседних на 90°, что повышает помехозащищенность и энергетический потенциал линии связи.

Комплекс работает следующим образом. В начале работы по входу/выходу 4 или с блока 8 регистрации данных по шине 12 поступают команды, устанавливающие с помощью оптического вычислителя 5 все узлы комплекса в тестовый режим, при котором в каждом из четырех фотонных приемопередающих модулей поочередно устанавливаются по одной рабочей частоте на передачу и на прием. Затем в назначенных точках рабочего диапазона частот формируются тестовые сообщения, которые, пройдя оптические узлы 13, 20, 9 передающего тракта, преобразуются в радиосигналы и излучаются с одного из модулей 15 антенных на основе метаматериала, работающего на передачу, на другой модуль 15 антенный на основе метаматериала, работающий на прием (организуется «большой» шлейф) и, пройдя оптические узлы 13, 20, 9 приемного тракта, оцениваются на достоверность в оптическом вычислителе 5. При достоверном приеме тестового сообщения начинается обмен данными.

В оптическом вычислителе 5 сообщения, поступившие по входу/выходу 4, преобразуются в последовательность дискретных сигналов, затем с ними осуществляются программно операции помехоустойчивого кодирования (в сообщение вводятся избыточные символы в соответствии с правилами помехоустойчивого кодирования, например, кода Рида-Соломона), перемежения (символы в сообщении меняются местами по известному закону), модуляции по заданному закону, формирования спектра передаваемого сигнала [4, 8, 9]. Затем сигналы, пройдя по волоконному тракту 9 и через волоконно-оптическую линию 20 задержки, управляемую через шину 10 для формирования ДНА на передачу, с величиной задержки, необходимой для формирования требуемой диаграммы направленности, усиливаются в оптическом усилителе 13 и через соответствующие модули 15 на основе метаматериала излучаются в пространство для связи по каналам «Воздух-Воздух» с ПО 2 и по каналам «Воздух-Земля» с НК 1. Число модулей 15 антенных n на основе метаматериала, работающих на передачу, совпадает с числом модулей 15 антенных на основе метаматериала, работающих на прием. Число n определяется требуемой формой диаграммы направленности каждого из четырех фотонных приемо-передающих модулей 3.

Для повышения помехоустойчивости радиосигналы попеременно излучаются на разных частотах выделенного диапазона. Управление назначением этих частот на передачу осуществляется с помощью оптического вычислителя 5 по волоконно-оптической шине 17 для управления блоком 16 выбора диапазона рабочих частот через волоконно-оптический разветвитель 19 с n отводами. Возбуждение модуля 15 антенного на основе метаматериала осуществляется с помощью лазера 14. При приложении управляющего напряжения к модулям 15 антенным на основе метаматериала в пределах (0-700) В диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки изменяется в пределах 1500-700 [8]. Узлы 14 и 16 конструктивно связаны с модулем 15 антенным на основе метаматериала, например, выполнены на одной плате (подложке). Каждая ячейка модуля 15 антенного на основе метаматериала представляет собой резонансный контур с достаточно высокой добротностью Q>100. Резонансная частота контура определяется геометрическими размерами ячейки и может лежать в пределах (0.1-100) ГГц [8].

Принимаемые радиосигналы проходят через соответствующие модули 15 антенные на основе метаматериала, работающие на прием, усиливаются в оптическом усилителе 13, задерживаются в узле 20 для диаграммообразования на прием, и через волоконный тракт 9 подаются на входы оптического вычислителя 5, где сигналы программно демодулируются, преобразуются в дискретные сигналы, деперемежаются (осуществляется операция преобразования групповых ошибок в одиночные за счет установки по известному закону символов в сообщении на свои места), декодируются в соответствии с правилами помехоустойчивого кодирования, например, кода Рида-Соломона [4, 9], осуществляется обнаружение и исправление одиночных ошибок, после чего полученные данные преобразуются к виду, удобному для получателей информации. Получателями информации являются бортовые системы, подключенные к оптическому вычислителю 5 через вход/выход 18, или блок 8 регистрации данных, подключенный через шину 12. Управление назначением частот на прием осуществляется с помощью оптического вычислителя 5 по волоконно-оптической шине 21 управления блоком 16 выбора диапазона рабочих частот через волоконно-оптический разветвитель 19 с n отводами (по числу модулей 15 антенных на основе метаматериала). Возбуждение модуля 15 антенного на основе метаматериала осуществляется с помощью лазера 14. При приложении управляющего напряжения к модулям 15 антенным на основе метаматериала, например, в пределах (0-700) В [8] диэлектрическая проницаемость, например, сегнетоэлектрической пленки изменяется в пределах 1500-700 и изменяется диапазон излучаемых частот. При работе комплекса в дуплексном режиме частоты на передачу и на прием разные, а в симплексном режиме - они одинаковые, но при передаче прием блокируется. Узлы 14 и 16 конструктивно связаны с модулем 15 антенным на основе метаматериала, например, выполнены на одной плате (подложке). Управление диапазоном рабочих частот в модуле 15 антенном на основе метаматериала осуществляется, например, с помощью кодовых сообщений с оптического вычислителя 5 через соответствующие узлы на блок 16, который может состоять, например, из фотодетектора, преобразующего оптический сигнал в видеосигнал, регистра, преобразующего последовательный код в параллельный, и цифро-аналогового преобразователя, состоящего из цепочки резисторов с подключенными к ним параллельно электронными ключами. Управление ключами осуществляется параллельным кодом с выхода регистра.

В комплексе для взаимной временной синхронизации его узлов выход приемника 7 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем [10] соединен по шине 12 с оптическим вычислителем 5, в котором, например, метки UTC используются для синхронизации процессов: помехоустойчивого кодирования, перемежения, модуляции/демодуляции, деперемежения, декодирования.

Предложенное техническое решение может быть реализовано, например, на технологии SDR [11.

В оптическом вычислителе 5 сообщения, поступившие по входу/выходу 18, преобразуются в последовательность дискретных сигналов. Выполняемые функции оптическим вычислителем 5 и блоком 8 регистрации данных могут быть следующие:

- получение через вход/выход 14 плановых данных (планов связи), предназначенных для хранения и использования при организации связи;

- анализ типа принимаемых сообщений;

- формирование типа ретранслируемых сообщений;

- общий, выборочный и текущий контроль аппаратуры по шинам 10, 11, 12, 17, 21, функциональный контроль каналов обмена данными, организация режима «Шлейф» для проверки передающих и приемных трактов комплекса;

- формирование сигналов физического уровня;

- управление режимами работы аппаратуры;

- передача, прием и обработка сообщений;

- отображение на экране блока 8 текущего состояния аппаратуры и каналов проводной связи;

- регистрация принятых и переданных сообщений, результатов общего, выборочного, текущего и функционального контроля;

- ведение журнала переданных и принятых сообщений, результатов контроля и других данных, просмотр их;

- организация единой временной синхронизации узлов комплекса;

- определение местоположения комплекса;

- отображение на экране блока 8 информации о готовности технических средств, задействованных для организации каналов обмена данными;

- подготовка и передача информации, предназначенной для формирования сообщений, передаваемых на соседние ПО и НК;

и другие функции.

Функционирование оптического вычислителя 5 и блока 8 регистрации данных обеспечивается, например, с помощью следующих программных модулей:

- модуль анализа типа принимаемых сообщений;

- модуль формирования типа ретранслируемых сообщений;

- модуль модуляции, управляемый оптическим вычислителем 5;

- модуль организации процедур канального уровня: перемежения и деперемежения, кодирования и декодирования, оценки достоверности приема и других;

- модуль организации процедур физического уровня, в том числе модуляции и демодуляции и других;

- модуль управления работой волоконно-оптических линий задержки;

- модуль главного окна;

- модуль обмена данными с узлами 6, 7, 8 по оптической шине 12 выполненной, например, по протоколу Ethernet [12, 13];

- модуль подготовки плановых данных по связи;

- модули управления аппаратурой связи;

- модуль индикации состояния аппаратуры связи, сетей обмена данными;

- модуль межзадачного взаимодействия;

- модуль функционального контроля каналов обмена данными;

- модуль регистрации и просмотра файлов регистрации;

- модули интерфейса оператора и другие модули.

Главной особенностью метаматериала, используемого в модулях 15 антенных, является периодичность его структуры. Это может быть 1D, 2D или 3D структура, например, из диэлектрических элементов [8], между которыми будут находиться разомкнутые проволочные кольца. Чтобы свойства электрического характера сохранялись в любых частотах, кольца структурируются замкнутыми. Реализация уникальных параметров нового вещества (метаматериала) происходит при резонансе его частоты, а также действующей частоты электромагнитной волны извне. Модули 15 антенные на основе метаматериала, например, состоят из субволновых микроструктур, то есть структур, чьи размеры меньше длины волны излучения, которыми они должны управлять [8]. Метаматериалы внутри модулей 15 антенных компонуются в плоскую матрицу плотно упакованных отдельных ячеек с еще одной плоской матрицей параллельных прямоугольных волноводов, а также модулем, контролирующим излучение волны посредством программного обеспечения оптического вычислителя 5 и позволяющим антенне задать направление излучения [8]. Управление направлением излучения возможно также с использованием электрически управляемых материалов или компонентов в составе антенны.

Конструкция модулей 15 антенных на основе метаматериала, например, с излучающей поверхностной волной, в которых используется материал с управляемой диэлектрической проницаемостью, позволяет существенным образом изменять фазовую скорость волны и изменять набег фазы волны на каждом управляющем элементе в пределах от нуля до -180°. При изменении набега фазы между соседними излучателями изменяется направление главного луча сформированной диаграммы направленности. Толщина сегнетоэлектрической пленки из метаматериала [8] на поверхности модуля 15 может быть, например, 3.5 мкм, зазор между пальцами конденсатора 50 мкм, расстояние между излучателями d=λ₀/2, где λ₀ - длина волны излучения. При управлении распределением фаз токов в излучателях модулей 15 антенных луч отклоняется в Е-плоскости в пределах ±30°. В точке резонанса метаматериальных структур развязка между антеннами достигает 40 дБ. Модуль 15 антенный на основе метаматериала имеет очень важное свойство, например, при использовании магнитного поверхностного резонанса его частота зависит от структуры нано-антенны, а не от ее апертуры - полного размера [8]. При приеме модуль 15 антенный на основе метаматериала может настраиваться электронным образом для приема различных частот, в связи с чем появляется возможность достичь широкополосности (величины интервала рабочих частот) и уменьшить размеры антенных элементов.

Радиофотонные и метаматериальные узлы, которые используются в заявленном комплексе бортовых средств цифровой связи, превосходят традиционные электронные узлы по всем ключевым тактико-техническим характеристикам, включая устойчивость к мощным электромагнитным импульсам, и помогают значительно повысить КПД, снизить габариты и стоимость комплекса при серийном производстве.

Узлы 6, 7, 8 могут быть выполнены, например, на серийных изделиях, узлы 9, 13, 14, 15, 19 и шины 10, 11, 12, 17, 21 - на оптических элементах, рассмотренных в работах [8, 14]. Оптический вычислитель 5 может быть реализован, например, по аналогии с оптическим процессором Enlight256 [15, раздел 5] или с оптическим компьютером DOC-II [15, раздел 7].

Литература:

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

2. Патент на АС №1401626, дата публикации 07.06.1988.

3. Патент на полезную модель РФ №44907, дата публикации 27.03.2005 Бюл. №9.

4. Б.И. Кузьмин Сети и системы цифровой электросвязи, часть 2. Международная авиационная телекоммуникационная сеть ATN. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 2000, 286 с.

5. Патент на изобретение РФ №2319304, дата публикации 10.03.2008 Бюл. №7.

6. Патент на изобретение РФ №2635388, дата публикации 13.11.2017 Бюл №32.

7. Патент на изобретение РФ №2686456, дата публикации 26.04.2019 Бюл. №12 (прототип).

8. И.Б. Вендик, О.Г. Вендик. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот.(Обзор). Журнал технической физики, 2013, том 83, вып. 1.

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

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

11. А.В. Кейстович, А.В. Комяков. Системы и техника радиосвязи в авиации: учеб. пособие / Нижний Новгород: НГТУ, 2012. - 236 с.

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

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

14. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение. М.: Фирма АКТЕОН. 2011. - 427 с.

15. В.Г. Беспалов. ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ. Часть I. Информационные технологии - от электронного к оптическому. Компьютеру. Учебное пособие // ИТМО Санкт-Петербург.2006, 56 с.

Изобретение относится к бортовым комплексам обмена данными и может быть использовано для информационного обмена по каналам радиосвязи, например, между воздушными судами и наземными комплексами. Технический результат состоит в повышении помехозащищенности комплекса и увеличении дальности устойчивой связи. Для этого в устройство введены оптические узлы обработки сигналов, управляемые с помощью бортового оптического вычислителя, на подвижном объекте расположены бортовые широкодиапазонные модули антенные на основе метаматериала на четыре группы, каждая из которых формирует свою управляемую диаграмму направленности в соответствующей полусфере, при этом центр каждой диаграммы направленности сдвинут относительно соседних на 90°. В комплексе используются узлы, построенные по технологиям радиофотоники и метаматериалов с применением методов оптической обработки сигналов. 1 ил.

Бортовой комплекс средств цифровой связи подвижного объекта, содержащий бортовой оптический вычислитель, четыре фотонных приемопередающих модуля, каждый из которых подключен двухсторонними связями к оптическому вычислителю, пятый вход/выход оптического вычислителя через волоконно-оптическую шину подключен к бортовым датчикам, бортовому приемнику сигналов глобальной навигационной спутниковой системы с антенной и блоку регистрации данных, шестой вход/выход оптического вычислителя подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, а седьмой вход/выход оптического вычислителя является входом/выходом комплекса, при этом широкодиапазонный модуль антенный включает четыре группы формирования управляемой диаграммы направленности в соответствующей полусфере, при этом центр каждой диаграммы направленности сдвинут относительно соседних на 90°, а каждая группа выполнена на основе метаматериала, скомпонованного в плоскую матрицу плотно упакованных ячеек, расположенных на одной подложке, и представляющих собой резонансный контур с высокой добротностью > 100, резонансная чистота которого определяется геометрическими размерами ячейки, при этом антенный модуль выполнен с возможностью его возбуждения посредством лазера, а оптический вычислитель выполнен с возможностью осуществления помехоустойчивого кодирования/декодирования и управления назначением частот на передачу.