Радиосеть информационного обмена для Северного морского пути Российский патент 2022 года по МПК H04B7/26 G06F17/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к интегрированным сетям обмена данными между судами, между судами и берегом и между береговыми станциями.

Одной из приоритетных задач, решаемых в рамках развития РФ, является освоение северных морских территорий страны. Поэтому разработка систем устойчивой связи и управления судами, находящимися в северных морях, представляется важным и актуальным направлением.

Дальняя связь в КВ диапазоне, которая традиционно используется для связи с морскими объектами на больших расстояниях и обеспечивается за счет ионосферного распространения радиоволн, в Арктических районах Северного морского пути (далее - СМП) практически невозможна из-за резких изменений электронной концентрации ионизированного слоя атмосферы. Дальность связи поверхностной волной СВ диапазона, не зависящая от состояния ионосферы, не превышает 1000 км, а в УКВ диапазоне ограничена расстоянием прямой видимости. Возможность связи через геостационарные спутники в Арктике исключена из-за низких углов места. А высокая стоимость и низкая помехозащищенность (из-за возможных преднамеренных спуфинга или джемминга, ведущих к потере контроля за движением судна и аварии) доступных в северных районах спутниковых систем (Iridium, Гонец) являются серьезным препятствием к их использованию.

Метеорная связь свободна от всех этих недостатков. Прежде всего, метеорная связь не подвержена влиянию ионосферных возмущений. Радиус действия метеорной связи достигает 2000 км, и перекрытие всего СМП возможно при использовании 7 - 8 станций, что значительно дешевле спутниковой связи. А строгая направленность метеорной связи обеспечивает ее высокую помехозащищенность, так как источники преднамеренных помех не могут быть размещены непосредственно в местах расположения станций метеорной связи. Однако метеорная связь не может быть использована в качестве оперативной, для обмена информацией в реальном масштабе времени, так как отличается прерывистостью и случайным характером времени ожидания метеорного следа с длительностью, достаточной для передачи сообщения. Кроме того, использование этого вида связи на судах, находящихся в постоянном движении и условиях качки, не представляется возможным из-за направленности, требующей постоянной адаптации взаимной ориентации приемных и передающих антенн судов и береговых станций. Зато радиосвязь в УКВ диапазоне и поверхностной волной в СВ диапазоне, отвечающая требованиям всенаправленности и реального масштаба времени, свободна от этих недостатков метеорной связи.

Поэтому объединение ближней оперативной радиосвязи в СВ-УКВ диапазонах и магистральной метеорной связи позволит достичь синергетического эффекта от использования обоих видов связи: реализовать преимущества каждого вида связи при одновременном устранении их недостатков. А использование технологии SDR (software-defined radio) [file:///E:/SDR/О%20SDR/Технология%20SDR.htm.] при создании интегрированной сети позволит решить задачи:

- бесшовного перехода («Handover») судов между станциями сети метеорной связи;

- резервирования маршрутов передачи данных с обеспечением ретрансляции, автоматического переключения на резервный путь и приоритетами использования альтернативных путей;

- предотвращения коллизий в радиосети с проверкой и подтверждением каждого пакета;

- квитирования приёма пакетов, и, при необходимости, неоднократной их передачи для гарантированной доставки и обеспечения целостности данных даже в условиях значительных помех в радиоканале;

- шифрования передаваемых данных в соответствии со стандартом безопасности передачи данных в публичных сетях;

- масштабирования и возможности модернизации сети без замены аппаратной части.

В настоящее время известны:

- Сеть метеорных станций [P. Bartholomé, I. Vogt «COMET - A New Meteor-Burst System Incorporating ARQ and Diversity Reception», IEEE Transactions on Communication Technology, April 1968], расположенных на расстояниях до 2000 км друг от друга и предназначенных для передачи данных от станции к станции вдоль сети в любом направлении в моменты установления условий распространения радиосигнала между ними в результате отражения от метеорного следа.

- Способ метеорной радиосвязи и система для его осуществления [патент ЕАПВ №002406], направленные на снижение непроизводительных затрат энергии за счет использования антенн с круговой или эллиптической поляризацией.

- Способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи [патент РФ №2211533], направленный на повышение помехоустойчивости связи без снижения пропускной способности сети;

- Способ увеличения скорости передачи данных в пакетной сети метеорной связи [патент РФ №2461125], направленный на повышение пропускной способности сети за счет уменьшения влияния неравномерности насыщения метеорного следа.

- Система метеорной радиосвязи [патент РФ №94027300], направленная на повышение реальной пропускной способности систем метеорной связи за счет использования антенных систем с управляемой диаграммой направленности.

- Способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи [патент РФ №2185707], направленный на повышение пропускной способности сети метеорной связи за счет подсчета количества принятых за предварительно заданный интервал времени сигналов запроса и, при превышении подсчитанного количества сигналов запроса заранее заданного допустимого их числа, свидетельствующего о непрерывном распространении радиосигналов, введения на следующем предварительно заданном интервале времени интервалов задержки случайной длительности на формирование и передачу пакета данных.

Общими недостатками перечисленных способов, систем и сетей передачи информации является прерывистость и случайный характер времени ожидания метеорного следа с длительностью, достаточной для передачи сообщения, не отвечающие требованиям обеспечения передачи оперативной информации в реальном масштабе времени.

Наиболее близким аналогом заявляемой сети (прототипом) по своей технической сущности является «Комплексная система информационного обеспечения безопасности судоходства Северного морского пути с использованием каналов метеорной связи» [патент РФ №2612592], которая характеризуется наличием комплексной станции, содержащей:

- штатную КВ радиостанцию с комплектом антенно-фидерных устройств, снабженную ионозондом и объединенную с СВ радиостанцией с оборудованием для обмена данными по СВ каналам, с комплектом антенно-фидерных устройств;

- базовую станцию метеорной связи с комплектом антенно-фидерных устройств;

- УКВ радиостанцию с оборудованием для обмена данными по УКВ каналам и комплектом антенно-фидерных устройств;

- не менее двух носимых станций метеорной связи, связанных по каналам метеорной связи с базовой станцией метеорной связи комплексной станции;

- не менее двух носимых УКВ станций, связанных по УКВ каналу с УКВ радиостанцией комплексной станции.

При этом комплексная станция связана с автоматизированным рабочим местом, включающим средства отображения информации и сервер документирования для регистрации поступившей и переданной информации.

К недостаткам прототипа относится отсутствие возможности передачи данных от судов на большие расстояния из-за:

- нестабильности ионосферы на Северном морском пути и невозможности использования ионосферного распространения радиоволн КВ диапазона;

- строгой направленности метеорной связи и невозможности использования её на судах, являющихся подвижными объектами.

Решаемая техническая проблема – обеспечение обмена данными между судами на больших расстояниях на Северном морском пути.

Достигаемый технический результат - обеспечение обмена данными судов между собой и с береговыми узлами радиосвязи на всем протяжении Северного морского пути.

Сущность предлагаемого изобретения - радиосети информационного обмена (далее - радиосеть):

- Дифференцирование характера передаваемой информации на оперативную, требующую реального масштаба времени, и неоперативную, допускающую задержку в передаче на суда, находящиеся за пределами зоны связи в СВ диапазоне и тем не менее доступные для передачи/получения информации, благодаря использованию метеорной связи, что обеспечивается за счет введения в состав каждого приемопередающего тракта судового узла радиосвязи, построенного по технологии SDR, устройства цифровой обработки и формирования сигналов радиосвязи, включенного между входами/выходами аналоговых частей приемопередающих трактов СВ и УКВ диапазонов и автоматизированным рабочим местом оператора; автоматизированное рабочее место обеспечивает информационное сопряжение приемопередающих трактов СВ, УКВ диапазонов с системой обработки данных судна и формирование признака оперативности передаваемой информации. При этом сеть судовых узлов радиосвязи осуществляет оперативный обмен информацией с судами и с берегом по каналам СВ и УКВ связи.

- Интегрирование в единую сеть опорной сети береговых узлов радио- и метеорной связи, обеспечивающих магистральный обмен неоперативной информацией по каналам метеорной связи с ретрансляцией вдоль СМП, и радиосетей оперативного обмена информацией судов, следующих по СМП, между собой и с ближайшими береговыми узлами опорной сети по каналам СВ-УКВ диапазонов, что обеспечивается за счет введения в состав каждого объединенного берегового узла радио- и метеорной связи (далее - объединенный береговой узел), построенного по технологии SDR, устройства цифровой обработки и формирования сигналов радио- и метеорной связи, включенного между входами/выходами аналоговых частей приемопередающих трактов СВ, УКВ диапазонов и метеорной связи и автоматизированным рабочим местом оператора, которое обеспечивает информационное сопряжение приемопередающих трактов СВ, УКВ диапазонов и метеорной связи с береговой системой обработки данных, не входящей в состав объединенного берегового узла, и формирование признака оперативности передаваемой информации.

Состав и работа заявляемой радиосети поясняются рисунками, представленными на фигурах 1, 2 и 3.

На фиг. 1 показана структурная схема оборудования судового узла радиосвязи, предназначенного для оперативного (в реальном масштабе времени) обмена данными судов между собой и с берегом по каналам СВ-УКВ связи. В состав оборудования судового узла радиосвязи входят:

1 - автоматизированное рабочее место оператора (АРМ-О), обеспечивающее информационное сопряжение оборудования с системой обработки данных судна и автоматическое управление работой оборудования судового узла радиосвязи;

2 - устройство цифровой обработки и формирования сигналов радиосвязи;

3 - аналоговая часть приемопередающего тракта УКВ диапазона;

4 - аналоговая часть приемопередающего тракта СВ диапазона;

5 - приемопередающая антенна УКВ диапазона;

6 - приемопередающая антенна СВ диапазонов.

На фиг. 2 показана структурная схема оборудования объединенного берегового узла радио- и метеорной связи, предназначенного для оперативного (в реальном масштабе времени) обмена данными с судами по каналам СВ-УКВ связи, а также для обмена данными, не требующего реального масштаба времени, с соседними береговыми узлами опорной сети с возможностью ретрансляции вдоль всего Северного морского пути по каналам метеорной связи.

В состав оборудования объединенного берегового узла входят:

7 - автоматизированное рабочее место оператора (АРМ-О), определяющее характер передаваемой информации (оперативная/неоперативная), обеспечивающее информационное сопряжение оборудования берегового узла радио- и метеорной связи с береговой системой обработки данных, не входящей в состав объединенного берегового узла, и автоматическое управление работой оборудования объединенного берегового узла;

8 - устройство цифровой обработки и формирования сигналов радио- и метеорной связи;

9 - аналоговая часть приемопередающего тракта УКВ диапазона;

10 - аналоговая часть приемопередающего тракта СВ диапазона;

11 - аналоговая часть приемопередающего тракта метеорной связи;

12 - приемопередающая антенна УКВ диапазона;

13 - приемопередающая антенна СВ диапазона;

14 - передающая антенна метеорной связи;

15 - приемная антенна метеорной связи.

На фиг. 3 проиллюстрирована схема обмена информацией вдоль Северного морского пути при использовании заявляемой радиосети, на которой красной линией показан Северный морской путь, окружностями – зоны распространения поверхностной волны СВ диапазона вокруг объединенных береговых узлов радио- и метеорной связи опорной сети, черной ломаной линией – линии метеорной связи между узлами опорной сети, а желтыми линиями – метеорные следы. Красными флажками отмечены посты погранслужбы.

Функционирование радиосети осуществляется следующим образом.

Информация, подлежащая передаче между судами, следующими Северным морским путем и находящимися в зоне распространения радиоволны УКВ (поверхностной волны СВ) диапазона, поступает от системы обработки данных судна-отправителя на АРМ-О 1, затем на устройство цифровой обработки и формирования сигналов радиосвязи 2 и, после формирования сигнала, содержащего информацию и адрес абонента с признаком оперативности, на аналоговую часть приемопередающего тракта УКВ (СВ) диапазона 3 (4), с выхода которой - на приемопередающую антенну УКВ (СВ) диапазона 5 (6). Излученный сигнал принимается приемопередающей антенной УКВ (СВ) диапазона 5 (6) судна-абонента и, через аналоговую часть приемопередающего тракта УКВ (СВ) диапазона 3 (4), поступает на устройство цифровой обработки и формирования сигналов радиосвязи 2, с выхода которого принятые данные через АРМ-О 1 передаются в систему обработки данных судна-абонента.

Передача информации с судна на ближайший объединенный береговой узел опорной сети, расположенный в зоне распространения радиоволны УКВ (поверхностной волны СВ) диапазона, осуществляется так же, как передача информации с одного судна на другое, расположенное в тех же пределах досягаемости. Излученный сигнал принимается приемопередающей антенной УКВ (СВ) диапазона 12 (13) берегового узла и, через аналоговую часть приемопередающего тракта УКВ (СВ) диапазона 9 (10), поступает на устройство цифровой обработки и формирования сигналов радио- и метеорной связи 8, с выхода которого принятые данные через АРМ-О 7, присваивающего принятой информации признак «оперативная», передаются в береговую систему обработки данных. Передача информации с объединенного берегового узла опорной сети на судно, находящееся в зоне распространения радиоволны УКВ (поверхностной волны СВ) диапазона, осуществляется в обратном порядке.

Передача информации с судна или от береговой системы обработки данных, не входящей в состав объединенного берегового узла опорной сети, на удаленный (не ближайший) объединенный береговой узел опорной сети осуществляется через ближайший объединенный береговой узел опорной сети, АРМ-О 7 которого присваивает этой информации признак «неоперативная» и направляет ее на устройство цифровой обработки и формирования сигналов радио- и метеорной связи 8, которое формирует сигнал метеорной связи, содержащий информацию и адрес абонента, и передает его на аналоговую часть приемопередающего тракта метеорной связи 11 и затем на передающую антенну метеорной связи 14. Излученный сигнал принимается приемной антенной метеорной связи 14 соседнего объединенного берегового узла, поступает на аналоговую часть приемопередающего тракта метеорной связи 11, затем на устройство цифровой обработки и формирования сигналов радио- и метеорной связи 8. Устройство 8 выполняет обработку сигнала, если он адресован объединенному береговому узлу, принявшему сигнал, и направляет данные, полученные в результате обработки сигнала, на АРМ-О 7, который передает их в береговую систему обработки данных, не входящую в состав объединенного берегового узла, или снова направляет его через аналоговую часть приемопередающего тракта метеорной связи 11, на передающую антенну метеорной связи 14 для ретрансляции, если он адресован другому объединенному береговому узлу опорной сети.

Передача информации с судна или от системы обработки данных берегового узла на судно, находящееся за пределами зоны распространения радиоволны УКВ (поверхностной волны СВ) диапазона, осуществляется через удаленный объединенный береговой узел опорной сети, в зоне распространения радиоволны УКВ (поверхностной волны СВ) диапазона которого находится судно-адресат и оборудование УКВ (СВ) радиосвязи этого узла.

Возможность практической реализации предлагаемого изобретения и работоспособность радиосети подтверждаются результатами экспериментальных испытаний оборудования радиосвязи СВ - УКВ диапазонов и оборудования метеорной связи, построенных с применением технологии SDR.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к интегрированным сетям обмена данными между судами, между судами и берегом и между береговыми станциями. Техническим результатом является обеспечение обмена данными судов между собой и с береговыми узлами радиосвязи на всем протяжении Северного морского пути (СМП). Упомянутый технический результат достигается путем: дифференцирования характера передаваемой информации на оперативную, требующую реального масштаба времени, и неоперативную, допускающую задержку в передаче на суда, находящиеся за пределами зоны связи в СВ диапазоне и доступные для передачи информации благодаря использованию метеорной связи; интегрирования в единую всеволновую сеть опорной сети береговых станций, обеспечивающих магистральный обмен неоперативной информацией по каналам метеорной связи с ретрансляцией вдоль СМП и радиосетей оперативного обмена информацией судов, следующих по СМП, между собой и с ближайшими береговыми станциями опорной сети по каналам СВ-КВ-УКВ диапазонов. 3 ил.

Радиосеть информационного обмена для Северного морского пути, состоящая из сети судовых и береговых узлов радиосвязи, каждый из которых содержит приемопередающие антенные устройства с аналоговыми частями приемопередающих трактов СВ и УКВ диапазонов и автоматизированное рабочее место оператора, и опорной сети береговых узлов метеорной связи, каждый из которых объединен с береговым узлом радиосвязи и содержит приемную и передающую антенны метеорной связи с аналоговой частью приемопередающего тракта, отличающаяся тем, что приемопередающие тракты судовых узлов радиосвязи и объединенных береговых узлов радиосвязи и метеорной связи построены по технологии SDR, в состав каждого приемопередающего тракта судового узла радиосвязи введено устройство цифровой обработки и формирования сигналов радиосвязи, включенное между входами/выходами аналоговых частей приемопередающих трактов СВ и УКВ диапазонов и автоматизированным рабочим местом оператора судового узла радиосвязи, обеспечивающим информационное сопряжение приемопередающих трактов СВ и УКВ диапазонов с системой обработки данных судна и формирование признака оперативности передаваемой информации, в состав каждого объединенного берегового узла радиосвязи и метеорной связи введено устройство цифровой обработки и формирования сигналов радиосвязи и метеорной связи, включенное между входами/выходами аналоговых частей приемопередающих трактов СВ, УКВ диапазонов и метеорной связи и автоматизированным рабочим местом оператора объединенного берегового узла, обеспечивающим информационное сопряжение приемопередающих трактов СВ, УКВ диапазонов и метеорной связи с береговой системой обработки данных, не входящей в состав объединенного берегового узла, и формирование признака оперативности передаваемой информации, сеть судовых узлов радиосвязи и объединенных береговых узлов радиосвязи и метеорной связи осуществляет оперативный обмен информацией судов между собой и с берегом по каналам СВ, УКВ диапазонов, а опорная сеть объединенных береговых узлов радиосвязи и метеорной связи осуществляет обмен информацией, не требующей реального масштаба времени, между соседними объединенными береговыми узлами с возможностью ретрансляции вдоль всего Северного морского пути по каналам метеорной связи.