Система автоматического управления декаметровой радиосвязью Российский патент 2023 года по МПК H04B17/00 H04B7/22 

Изобретение относится к области дальней декаметровой (ДКМ) радиосвязи, использующей радиоволны, отраженные от ионосферы. Оно может быть использовано для создания высоконадежной автоматизированной системы связи непрерывного действия.

Сложность построения систем ДКМ радиосвязи связана с нестационарностью используемых слоев ионосферы, как следствие, сложность частотного планирования работы радиосредств и высокий уровень межстанционных помех, с низкой эффективностью применяемых антенных систем в вертикальной плоскости, что в первую очередь приводит к многолучевому распространению радиоволн. Таким образом, наблюдается высокий уровень непостоянства параметров организуемых радиолиний, требующий непрерывного их контроля. Для решения данной задачи используют активное зондирование состояния ионосферы и тестовые радиосигналы в канале связи, что однако приводит к значительному уровню межстанционных помех, к прерываниям и снижению средней скорости передачи информации. Следовательно, является актуальной разработка автоматической системы управления ДКМ радиосвязью без применения в ней активного зондирования ионосферы и тестовых радиосигналов для обеспечения высокой скорости передачи информации в организуемых каналах связи.

Радиосвязь в декаметровом диапазоне использует верхние ионизированные слои атмосферы, которые под действием излучения Солнца систематически изменяют свое состояние. Для обеспечения устойчивой радиосвязи необходимо знать предельно высокую частоту, называемую максимально применимой (МПЧ), при которой обеспечивается работа радиолинии. Поскольку слой F₂, от которого в основном происходит отражение радиоволн, наиболее часто подвержен ионосферным возмущениям, за время сеанса радиосвязи могут изменяться значения МПЧ. Если значение выбранной рабочей частоты радиолинии было достаточно близко к МПЧ, то снижение электронной плотности слоя F₂ может привести к прекращению связи. Для возобновления связи необходим переход к более низкой рабочей частоте. Статистическая обработка результатов наблюдений показала, что при спокойном состоянии ионосферы связь в течение 90% времени можно обеспечить на частотах f ≤ 0,85f _МПЧ для слоя F₂ и f ≤ 0,95f _МПЧ для слоя F₁. Эту частоту, при которой обеспечивается связь по условиям отражения в течение 90% времени за месяц, называют оптимальной рабочей частотой (ОРЧ). Ее точное определение для разных географических широт и часов суток ведется по данным о флуктуациях f_МПЧ при активном зондировании ионосферы или специальным номограммам месячного прогноза распространения радиоволн (Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком, 2006, с. 10). Таким образом, радиолинии могут работать на любой частоте, меньшей или равной ОРЧ. При этом практически все радиостанции определенной географической широты стремятся работать на частотах, близких к определяемой ОРЧ, что существенным образом ухудшает электромагнитную совместимость радиосредств, функционирующих в ДКМ диапазоне. Применение режимов активного зондирования для определения оптимальной рабочей частоты радиосредств также ухудшает их электромагнитную совместимость. С понижением частоты при неизменной мощности излучения мощность сигнала на входе приемника уменьшается из-за увеличения поглощения (в освещенное время суток), возрастает уровень атмосферных помех и увеличивается число лучей в точке приема. Следовательно, для повышения устойчивости ионосферной ДКМ радиосвязи необходимо с большей точностью в реальном масштабе времени определять значение ОРЧ (ближе к МПЧ). Предлагаемая система автоматического управления ДКМ радиосвязью позволяет в пассивном режиме работы в реальном масштабе времени снизить погрешность в определении значения МПЧ с 15% до 5%, что позволит более точно определять рабочие частоты для односкачкового распространения радиоволн до корреспондента, повысить устойчивость ДКМ радиосвязи.

Проблема автоматизации управления ДКМ радиосвязью, автоматического выбора частот, пригодных для связи в данном диапазоне, известна (например, патенты США №4555806 U.S. от 11/85 г. и РФ №2564993 от 01/2015). Существуют публикации в отечественной и зарубежной литературе, где данная проблема раскрыта достаточно квалифицированно, например: О.В. Головин, С.П. Простов, Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком, 2006, сс. 7-27 и 192-199; реклама фирмы BARRY RESEARCH, февраль 1973 г., выпуск 2, автор Роберт Фенвик «Зонды для наклонного частотно-модулированного зондирования, испытательная аппаратура ДКМ связи», и несколько патентов по зондированию ионосферы. В указанных источниках проблема повышения устойчивости канала ДКМ связи решается за счет повышения помехоустойчивости различными методами или с использованием собственного или дополнительного ресурса по активному зондированию ионосферы для учета динамики ее состояния. Первое направление является односторонним, а второе способствует ухудшению и без того сложной электромагнитной обстановки для работы радиосредств ДКМ диапазона. В предлагаемой заявке эта проблема решается учетом динамики состояния ионосферы с использованием пассивных методов анализа при реализации дополнительных методов повышения устойчивости радиолинии связи ДКМ диапазона.

Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой системе является система автоматического управления коротковолновой связью (Патент RU №2719551 от 04/2020). Она содержит программно-управляемые передатчики и программно-управляемые приемники канальных радиостанций, измеритель амплитуды тестирующих сигналов, связанный двухсторонними связями с программно-управляемым приемником и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты (ВОЧ), измерителем помех, соединенным с устройством определения ВОЧ, устройство прогнозирования отказов радиоканалов, связанное двухсторонней связью с устройством определения ВОЧ, с измерителем помех и с устройством формирования команды корреспонденту на упреждающую смену частоты, которое, в свою очередь, имеет соединение через устройство адаптации с модемом с программно-управляемым передатчиком, устройство приема и декодирования команды на упреждающую смену частоты, связанное с программно-управляемым приемником и с устройством определения ВОЧ, терминал, соединенный двухсторонней связью с устройством расчета МПЧ (ОРЧ) и с устройством определения ВОЧ, первый приемник радиосигналов глобальных спутниковых навигационных систем, соединенный с устройством расчета МПЧ (ОРЧ) и с устройством определения ВОЧ, согласно изобретению содержит второй приемник радиосигналов глобальных спутниковых навигационных систем, блок обработки двухчастотного сигнала от первого и второго приемников радиосигналов глобальных спутниковых навигационных систем, соединенный с устройством расчета МПЧ (ОРЧ), модуль реального времени, соединенный с устройством расчета МПЧ (ОРЧ) и с устройством определения ВОЧ.

К недостаткам системы-прототипа следует отнести:

- применение тестирующих сигналов на предполагаемой рабочей частоте (ВОЧ) приводит к дополнительной избыточности и перерывам в передаче сообщений, что ограничивает среднюю информационную скорость в организуемых каналах радиосвязи;

- адаптивное управление в системе связи подразумевает распределение частотно-временного ресурса без учета закона распределения замираний в канале радиосвязи, что ограничивает адаптацию каналов связи к реальной сигнально-помеховой обстановке, ограничивает их пропускную способность;

- снижение уровня многолучевого распространения радиоволн в линии радиосвязи обеспечивается только выбором ВОЧ, максимально близкой к определяемой в реальном времени МПЧ с учетом динамики реального состояния ионосферы;

- в системе присутствует аппаратурная избыточность в виде двух приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, осуществляющих функции двухчастотного приема для работы устройства расчета МПЧ (ОРЧ) и синхронизации перестройки программно-управляемых передатчиков и приемников канальных радиостанций в качестве источника московского декретного времени, которая может быть устранена применением одного двухчастотного приемника данных радиосигналов.

Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей автоматизированной системы ДКМ радиосвязи по достижению высоких скоростей передачи информации за счет снижения эффекта многолучевого распространения радиоволн и формирования оценки параметров канала связи с учетом наличия замираний при отсутствии каналов активного зондирования предполагаемых рабочих частот.

Указанный технический результат достигается тем, что система автоматического управления декаметровой радиосвязью содержит программно-управляемые передатчики и программно-управляемые приемники канальных радиостанций, терминал управления, соединенный двухсторонней связью с устройством расчета максимально применимой частоты (оптимальной рабочей частоты) и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, измеритель уровня помех, соединенный с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, устройство прогнозирования отказа радиоканала, связанное двухсторонней связью с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты и односторонней связью с устройством формирования команды корреспонденту на упреждающую смену частоты, которое, в свою очередь, имеет соединение с программно-управляемым передатчиком корреспондента и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, устройство приема и декодирования команды на упреждающую смену частоты от передатчика корреспондента, связанное с программно-управляемым приемником и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, модуль реального времени, выход которого соединен с входом устройства расчета максимально применимой частоты (оптимальной рабочей частоты) и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, дополнительно включающим в себя устройство формирования оценки отношения сигнал/помеха, связанное с программно-управляемым приемником, измерителем уровня помех, терминалом управления и с устройством прогнозирования отказа радиоканала, устройство формирования оценки глубины замираний, соединенное с программно-управляемым приемником, измерителем уровня помех и устройством формирования оценки вероятности ошибки на бит, в свою очередь соединенным двухсторонней связью с терминалом управления и односторонними связями с устройством прогнозирования отказа радиоканала и с устройством оценки информационной скорости, имеющим с терминалом одностороннюю связь, двухчастотный приемник радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS, соединенный с устройством расчета максимально применимой частоты (оптимальной рабочей частоты) и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, устройство определения вероятностно-оптимальной частоты для односкачкового распространения радиоволн, соединенное двухсторонними связями с терминалом, со входом от устройства расчета максимально применимой частоты и выходом на устройство определения вероятностно-оптимальной частоты.

Сущность изобретения заключается в том, что повышение устойчивости ДКМ радиосвязи достигается определением параметров ионосферы в реальном масштабе времени в пассивном режиме с применением двухчастотного приема радиосигналов глобальных спутниковых навигационных систем, реализацией односкачкового распространения радиоволн до корреспондента, а также автоматическим управлением частотно-временным ресурсом с учетом замираний в канале связи и применяемых сигнально-кодовых конструкций.

Обеспечение электромагнитной совместимости средств ДКМ радиосвязи и средств ионосферного обеспечения и снижение уровня станционных помех достигается за счет отказа от активного зондирования ионосферы (как отдельно выделенными канальными радиостанциями, так и станциями частотно-диспетчерской службы) и переход к пассивному режиму определения параметров ионосферы в реальном времени с применением двухчастотного приема радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS с блоком обработки. Применение бестестовых способов оценивания состояния канала связи позволяет снизить в нем дополнительную избыточность, уменьшить количество прерываний, повысить устойчивость его работы, повысить скорость передачи информации.

Повышение устойчивости ДКМ радиосвязи обеспечивается прогнозированием времени наступления постепенного отказа связи и заблаговременно, еще до возникновения отказа, с привязкой к точному всемирному времени перестройки средств связи обоих корреспондентов на новые оптимальные рабочие частоты. Определение МПЧ в реальном масштабе времени с учетом нестационарности ионосферы увеличивает время работы канала связи на выбранной ВОЧ, близкой к МПЧ, до возникновения отказа, способствует снижению на входе приемника в канале связи уровня атмосферных помех и уровня замираний, обусловленных многолучевостью распространения радиоволн. Наличие модуля реального времени обеспечит работоспособность системы автоматического управления ДКМ радиосвязью и при отсутствии сигналов от спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS.

Мониторинг динамики состояния ионосферы в реальном времени обеспечивает более точное определение ВОЧ для реализации односкачкового распространения радиоволн до корреспондента, что также способствует снижению уровня замираний в канале ДКМ радиосвязи, большему постоянству его параметров.

Повышение устойчивости организуемого канала ДКМ радиосвязи обеспечивается также оцениванием его состояния через формирование оценок отношения сигнал/помеха (ОСП) и вероятности ошибки на бит (ВОБ) на основе анализа принимаемых информационных сигналов с учетом выбора применяемых радиосигналов (сигнально-кодовых конструкций). При этом появляется возможность реализации адаптивного управления скоростью передачи информации в нем.

Достигаемый технический результат поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема взаимодействия объектов системы управления и ее связь с канальной аппаратурой нескольких корреспондентов, где обозначено: 1 – ведущие (или которые могут быть назначены ведущими) канальные станции в количестве k штук, 2 – ведомые канальные станции в количестве в штук, 3 – система управления при ведущих канальных станциях, 4 – система управления при ведомых канальных станциях, 5 – каналы сети передачи данных, 6 – каналы двухсторонней связи, построенные, например, по принципу «каждый с каждым» (при наличии между ними каналов с соответствующими характеристиками).

На фиг. 2 представлена схема ведущей (или ведомой, так как по структуре они одинаковые и отличаются наличием команды управления на роль «ведущей» в процессе автоматического установления двухсторонней связи) канальной станции с соответствующей системой автоматического управления ДКМ радиосвязью, в состав которых входят программно-управляемые передатчики 8 и программно-управляемые приемники 9 канальных радиостанций по числу каналов на станции. В состав каждой системы управления входят устройство определения ВОЧ 10, устройство формирования оценки сигнал/помеха 11, устройство оценки глубины замираний 12, устройство формирования оценки ВОБ 13, устройство оценки информационной скорости 14, устройство прогнозирования отказов радиоканалов 15, измеритель уровня помех 16, устройство формирования команды корреспонденту на упреждающую смену частоты 17, устройство приема и декодирования команды на упреждающую смену частоты 18, устройство определения ВОЧ для односкачкового распространения радиоволн 19, терминал 20, устройство расчета МПЧ (ОРЧ) 21, модуль реального времени 22, двухчастотный приемник сигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS 23. Антенны радиостанций 7 и приемников 16, 18, 23 на фиг. 2 не указаны.

В схеме вновь введены: устройство формирования ОСП 11, устройство оценки глубины замираний 12, устройство формирования оценки ВОБ 13, устройство оценки информационной скорости 14, устройство определения ВОЧ для односкачкового распространения радиоволн 19, двухчастотный приемник сигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS 23, замещающий два отдельных приемника сигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS, работающих на разных частотах. В сравнении с прототипом в схеме отсутствует измеритель амплитуды тестирующих сигналов.

На фиг. 3 в координатах времени и частоты (t, f) представлена временная диаграмма работы радиоканала (фиг. 3, б) с прогнозом времени возникновения постепенных отказов и упреждающей сменой рабочей частоты в моменты времени, жестко привязанные к меткам точного всемирного времени (фиг. 3, а), структура кадра передаваемой информации в режиме вхождения в связь (фиг. 3, в). Временные интервалы Т_и1, Т_и2, Т_и3 - время работы управляемой радиостанции ДКМ связи на определяемой частоте.

Работа системы автоматического управления ДКМ радиосвязью заключается в следующем. В системе с помощью соответствующих устройств решается задача организации ДКМ канала связи при определении в реальном масштабе времени значения МПЧ из расчета характеристик распространения радиоволн в зависимости от координат точек передачи и приема, где находятся ведущая и ведомая канальные радиостанции, московского декретного времени, месяца года и основных ионосферных параметров (полного электронного содержания, высотного профиля электронной концентрации, критической частоты и высоты ионосферного слоя F2) по результатам двухчастотного приема и обработки радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS и задача ведения ДКМ радиосвязи с учетом прогнозирования времени возникновения «постепенного» отказа радиоканала (отказа, возникающего из-за постепенного (в течение нескольких минут) изменения состояния ионосферы и увеличения уровня помех на выбранной для работы ВОЧ) на основе формирования оценок ОСП, глубины замираний, а также оценки ВОБ для дискретных каналов. Формирование всех указанных оценок позволяет заблаговременно, еще до возникновения отказа, в пока еще действующем канале связи передать в служебной адресной части (САЧ) (фиг. 3, в) команду управления с жесткой привязкой к единому точному системному времени, известному всем абонентам системы и формируемому у каждого абонента с помощью двухчастотных приемников радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS, о времени упреждающей смены частот, например, привязанного к метке всемирного точного времени (фиг. 3, а), синхронно, по команде устройства определения ВОЧ с помощью соответствующей программы управления обоим абонентам одновременно перейти на новую частоту.

Система имеет два режима: режим автоматического установления двухсторонней связи с адаптацией к динамике ионосферы и режим адаптации к помеховой обстановке (ведения передачи информации).

Перед началом работы в устройство расчета МПЧ 21 с приемника 23 глобальных навигационных спутниковых систем вводятся: метки точного системного времени, координаты точек передачи (ведущей канальной радиостанции), московское декретное время, месяц года; в устройство 21 и устройство определения ВОЧ для односкачкового распространения радиоволн до корреспондента 19 с терминала 20 заносят координаты точек приема, где находится ведомая канальная радиостанция. Значения коэффициента солнечной активности заранее вносят в устройство расчета МПЧ 21 в виде массива данных. На основе введенных данных устройство расчета МПЧ 21 определяет значение МПЧ и назначает значение оптимальной рабочей частоты (ОРЧ) f ≤ 0,85f _МПЧ для слоя F₂. Определяемое значение МПЧ на основе двухчастотного приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с периодичностью один раз за 1 минуту, является корректирующим для расчетного значения МПЧ (и соответственно ОРЧ) в устройстве 21 с учетом реального состояния ионосферы. Уточненные значения ОРЧ в устройстве 21 и ВОЧ в устройстве 19 для односкачкового распространения радиоволн до корреспондента позволяют назначить номинальные значения вероятностно-оптимальных частот (ВОЧ) из диапазона dF=Д-А конкретной системы связи устройством определения ВОЧ 10, на которых программно-управляемый приемник 9 и измеритель уровня помех 16 осуществляют сбор информации об уровнях помех путем непрерывного сканирования по этим частотам.

Полосу частот dF рассчитывают из выражения (патент №2719551 RU от 04/2020 г.):

dF = Д - А,

где Д – верхняя граница полосы (фактическая, определяемая по расчетам граница максимально применимой частоты (МПЧ) на конкретное время передачи сообщения или устройством 21 на выходе приемника 23 глобальных навигационных спутниковых систем); А – нижняя граница полосы (фактическая, определенная расчетами граница наименьшей применимой частоты (НПЧ) на конкретное время передачи сообщения).

При этом с учетом коррекции значения МПЧ в реальном масштабе времени от двухчастотного приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем 23 должны выполняться соотношения:

Д = 1,2 f _ВОЧ; А = 0,87 f _ВОЧ.

При отсутствии сигнала с приемника глобальных навигационных спутниковых систем 23 метки точного системного времени московское декретное время вводятся в устройство расчета МПЧ 21 с модуля реального времени 22, координаты точек передачи (ведущей канальной радиостанции) и месяц года в устройство 21 вводятся с терминала 20. При этом верхняя граница диапазона ВОЧ Д снижается (патент №2154910 RU от 01/2000):

Д = 1,12 f _ВОЧ; А = 0,87 f _ВОЧ.

Режим автоматического установления двухсторонней связи с адаптацией к динамике ионосферы в системе (фиг. 1 и фиг. 2) реализуется следующим образом. В системе управления 3₁ (или 3₂-3_к) при ведущей канальной станции 1₁ (или 1₂-1_к) непрерывно в каждом сообщении передатчик 8 по программе, известной всем абонентам системы, в выделенном отрезке времени (фиг. 3, в) передает пакет сигналов (сигналов вызова) на одной из частот, выделенных конкретной системе связи. На приемной стороне программно-управляемый приемник 9 перестраивается по программе с устройства определения ВОЧ 10 для приема сигналов вызова с САЧ от ведущей системы управления в точно заданном интервале времени. В процессе приема сигнала вызова анализируется распределение смеси амплитуд информационного сигнала (на выходе приемника 9) и сигнала помехи (на выходе измерителя уровня помехи 16) на длительности отрезка гармонического колебания и обеспечивается формирование оценки отношения сигнал/помеха (ОСП) на текущее время устройством формирования оценки ОСП 11 (В.В. Егоров, А.А. Катанович, С.А. Лобов, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев, М.С. Смаль, А.Е. Трофимов. Способ оценивания отношения сигнал/помеха на длительности отрезка гармонического колебания. Патент RU №2502077, 12/2013) как грубой оценки качества организуемого канала связи. Для более точной оценки качества канала ДКМ радиосвязи по достоверности используются устройство оценки глубины замираний 12 с сигналами на входе от программно-управляемого приемника 9 и измерителя уровня помех 16, формирователь оценки ВОБ 13 и устройство оценки информационной скорости 14. Формируемые оценки ОСП, ВОБ и информационной скорости подаются на терминал 20 и в устройство прогнозирования отказа радиоканала 15. Устройством 15 определяется соответствие обеспечиваемой радиоканалом достоверности передачи информации требуемой и при выполнении данного условия устройство определения ВОЧ 10 фиксирует значение рабочей частоты в своей памяти.

Устройство определения ВОЧ 10 ведомой системы управления, используя данные анализа информационных сигналов от ведущей системы управления, занесенные в ее память, в устройстве 17 формирует сигнал ответа для ведущей системы управления, содержащий, кроме стандартных данных, сведения о значении приемной ВОЧ канальной радиостанции ведомой системы управления, оценки ВОБ и информационной скорости. Сигнал ответа при необходимости может содержать уточняемые координаты вызываемой станции. Затем передатчики 8 ведомой системы управления передают этот сигнал на той же частоте вызова и настраивают канальный приемник 9 на определяемую для работы автоматизированной радиолинии ВОЧ, сигнализируя на терминал 20 о готовности к приему.

Приемник 9 ведущей системы управления, синхронно принимая радиосигналы ответа от ведомой системы управления, устройством 18 декодирует сообщение, из которого в устройстве определения ВОЧ 10 определяется значение ВОЧ, переданное от ведомой системы управления, а устройствами 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 по уровню принятого информационного сигнала аналогично формируются оценки качества организуемого канала связи по достоверности передачи информации и направляются в устройство определения ВОЧ 10.

Выполнив указанные действия, ведущая система управления сигнализирует о готовности к двухсторонней связи на терминале 20 и при начале сеанса радиосвязи подключает программно-управляемый передатчик канальной радиостанции к абоненту связи для передачи сообщения.

Если не на одной из задаваемых для работы частот не выполняются требования по достоверности передачи информации, то устройством 10 выбирается частота с наименьшим уровнем шума (помехи) и эти сведения с данными о новой уменьшенной скорости передачи информации передаются на приемную сторону в сообщении САЧ (фиг. 3, в). Эта процедура характеризует процесс адаптации по скорости.

По условиям отражения радиоволн от ионосферы при организации радиосвязи можно работать на любой частоте, меньшей или равной ОРЧ. Однако с понижением частоты при неизменной мощности излучения мощность сигнала на входе приемника уменьшается из-за увеличения поглощения (в освещенное время суток), возрастает уровень атмосферных помех и увеличивается число лучей в точке приема (Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком, 2006, с. 11). Следовательно, для повышения устойчивости ионосферной ДКМ радиосвязи необходимо обеспечить работу радиолинии на частотах, максимально близких к МПЧ, определяемой в реальном времени с учетом нестационарности ионосферы.

Оперативный контроль ионосферы может осуществляться различными методами и соответствующим этим методам техническими средствами: с помощью вертикального, возвратно-наклонного и трассового зондирования, с помощью передачи контрольно-маркерных сигналов и т.д. Необходимо отметить, все существующие в настоящее время наземные технические средства ионосферного контроля являются активными (т.е. излучающими радиосигналы) средствами, как следствие, возникает задача обеспечения электромагнитной совместимости средств ДКМ радиосвязи и средств ионосферного обеспечения. Кроме того, данные средства ионосферного обеспечения имеют ограниченные по пространству зоны контроля ионосферы и обладают значительными массо-габаритными характеристиками, прежде всего антенно-фидерных устройств.

Применение в предлагаемой системе управления ДКМ радиосвязью для коррекции значения МПЧ в реальном масштабе времени двухчастотного приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем 23 с малогабаритной антенной и блоком обработки позволяет перейти к пассивному режиму контроля состояния ионосферы в различных азимутальных направлениях на удалении до 1000 км от места установки с погрешностью определения МПЧ для односкачковых радиолиний (5-10)% (В.М. Смирнов, С.И. Тынянкин. Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления. Патент RU №2421753, 01/2014).

Определив полосу частот, оптимальных для связи по условиям односкачкового распространения радиоволн (В.В. Зайцев. Оценка размеров зоны обслуживания и нижней границы пропускной способности узла радиодоступа диапазона ДКМВ // Информация и космос, 2014. №1. С. 13-17) в направлении абонента с учетом данных об уровне радиопомех на частотах, выделенных системе связи, и динамики состояния ионосферы, система управления переходит к назначению конкретных рабочих частот, квазиоптимальных по условиям распространения радиоволн и оптимальных по критерию ОСП (для непрерывных каналов) или по критерию ВОБ (для дискретных каналов), либо минимального уровня шума (помехи). В устройстве 10 в пределах полосы dF = Д - А из перечня разрешенных для данной системы связи частот назначают конкретную для данного времени ВОЧ и записывают ее в память устройства 10 системы управления со значением ОСП для каналов с непрерывными радиосигналами или со значение ВОБ для каналов с дискретными радиосигналами, принятых соответственно программно-управляемым приемником 9 и сформированных устройствами 11 и 13. Используя значения ОСП и ВОБ, оценивается обеспечиваемая достоверность передачи информации на заданном временном интервале и обеспечиваемая информационная скорость организуемого радиоканала. Если они соответствуют необходимому значению для заданного качества связи при данном виде модуляции, ВОЧ назначают для связи в конкретный радиоканал. Если эти условия не выполняются, в памяти устройства 10 находят другую частоту (другой массив) с необходимым отношением сигнал/помеха или ВОБ.

Установив двухстороннюю связь с одним из абонентов (фиг. 1), система управления может аналогичным образом установить связь и с другими.

Далее система автоматического управления декаметровой радиосвязью переключается в режим адаптации к помеховой обстановке. Данный режим работы соответствует функционированию предложенным ранее системам автоматического управления декаметровой радиосвязью в режиме прогнозирования времени наступления постепенного отказа связи по критерию сигнал/помеха (фиг. 3,б) (патент RU №2564993 от 01/2015 и патент RU №2154910 от 04/2020). В отличие от прототипа и аналога в предлагаемой системе управления в этом режиме при двухсторонней связи в канальной аппаратуре 7₁-7_М, где М – число соответствующей канальной радиостанции, устройство формирования оценки ОСП на выходе приемника 9 осуществляет вычисление мощности смеси сигнала и помехи для принимаемого информационного одночастотного сигнала на ВОЧ от абонента синфазно-квадратурным методом на каждой элементарной посылке (В.В. Егоров, А.А. Катанович, С.А. Лобов, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев, М.С. Смаль, А.Е. Трофимов. Способ оценивания отношения сигнал/помеха на длительности отрезка гармонического колебания. Патент RU №2502077, 12/2013). Принимаемый информационный сигнал рассматривается как тестовый, что позволяет получить не только передаваемые данные, но оценить их достоверность.

С целью прогнозирования времени наступления отказа в канале на основе грубой оценки качества канала связи, в условиях быстрых замираний, эти замеры усредняют в устройстве 15 и заносят в его память устройства 10. Если это соотношение больше заданного для данного вида модуляции, то устройство 15 с помощью устройства 10 выполняет экстраполяцию усредненной величины ОСП, например, 5 минут, и на каждый период вновь выполняет аналогичное сравнение. Если формируемая оценка ОСП на момент измерения будет меньше или равна заданному, то из памяти устройства 10 назначается новая ВОЧ с дальнейшим прогнозированием работы системы на ней. Момент выполнения прогнозируемого ОСП, равного заданному порогу, считают моментом возникновения отказа в радиоканале с непрерывными видами модуляции (ОМ, ЧМ). Устройство 15 с помощью устройства 10 рассчитывает время упреждающей смены частоты (интервал времени работы на данной частоте) Т_иi (фиг. 3, б) в радиоканале, формирует сигнал (посредством аппаратуры 17) о смене частоты с привязкой к метке точного системного времени и по действующему каналу связи (до возникновения прогнозируемого отказа в нем) передает абоненту сигнал, состоящий из сведений о номинале новой ВОЧ и точном времени ее смены. С наступлением заданного момента абоненты одновременно меняют частоты.

При использовании высокоскоростных модемов при передаче по каналу данных находят применение многочастотные многопозиционные радиосигналы на основе уплотнения с ортогонально-частотным разделением (OFDM) и относительной фазовой манипуляцией (ОФМ) (Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий О.К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В.А. Березовского. М.: Радиотехника, 2011, с. 222-229). Формирование оценки ОСП для данных каналов осуществляется с использованием метода максимального правдоподобия для плотности распределения случайной величины, которой является отношение амплитуд суммы и разности сигналов двух соседних посылок на заданной частоте (В.В. Егоров, М.С. Смаль. Оценка отношения сигнал/шум при использовании сигналов с фазовой модуляцией // Телекоммуникации. 2013. №5, с. 29-34.). Однако данная формируемая оценка ОСП, как и для одночастотных сигналов, предназначена для характеристики стационарных каналов радиосвязи с постоянными параметрами, следовательно, она является грубой и предварительной.

Для формирования точной оценки качества работы канала связи ДКМ диапазона необходимо учитывать его нестационарность, уровень глубины замираний амплитуды принимаемого радиосигнала. Прогнозирование отказов в каналах связи с дискретными радиосигналами необходимо производить по достоверности передачи информации через формирование оценки ВОБ с учетом глубины замираний. Для решения данных задач в предлагаемой системе автоматического управления ДКМ радиосвязью применяются устройства 12 и 13.

Для получения оценки ВОБ для заданного вида сигнала необходимо сначала выбрать модель канала и определить ее неизвестные параметры, а затем использовать известные зависимости. Для учета глубины замираний с практической точки зрения при обеспечении относительной простоты измерений используются двухпараметрические статистические модели ДКМ радиоканалов с замираниями огибающей по законам Райса, Накагами и Рэлея (Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком, 2006, с. 12-13). Реализация односкачкового распространения радиоволн до корреспондента в предлагаемой системе управления ДКМ радиосвязью дает возможность сузить перечень статистических моделей замираний до двух: Райса, Накагами. В устройстве оценки глубины замираний 12 осуществляется измерение амплитуды смеси сигнала и помехи на используемых субчастотах в пределах выделенной полосы частот и значения амплитуды шума на неиспользуемых субчастотах (с применением устройства 16) на длительности элементарной посылки. Затем применяются аналитические выражения для плотностей распределения Райса и Накагами случайной величины равной отношению измеренных величин. Искомые параметры моделей распределений измеренной случайной величины определяются на основе нахождения максимумов функции правдоподобия, например, методом наискорейшего спуска: и - являющиеся координатами максимума функции правдоподобия для закона Райса (В.В. Егоров, А.А. Катанович, С.А. Лобов, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев, М.С. Смаль, А.Е. Трофимов. Способ определения параметров модели замирания радиоканала по закону Райса по информационному многочастотному сигналу. Патент RU №2559734, 08/2015), и m - являющиеся координатами максимума функции правдоподобия для закона Накагами (В.В. Егоров, А.А. Катанович, С.А. Лобов, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев, М.С. Смаль, А.Е. Трофимов. Способ оценки параметров модели замирания огибающей сигнала по закону Накагами по информационному многочастотному сигналу. Патент RU №2608363, 01/2017).

Выбор применяемой модели, наиболее адекватной текущему состоянию радиоканала, можно осуществить на основе метода отношения вероятностей, в котором для двух гипотез принимается решение в пользу той гипотезы, для которой отношение правдоподобия имеет большее значение. В данном случае, если > , то принимается решение в пользу модели замирания по закону Райса, и наоборот, если < , то принимается решение о большей адекватности модели замираний по закону Накагами.

Для выбора модели канала с меньшей адекватностью (в качестве резерва) можно воспользоваться только распределением по закону Накагами, по значению его параметра m (Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком, 2006. С. 12-13): при m = 0,5 распределение Накагами хорошо аппроксимирует усеченное нормальное распределение, при т = 1 – рэлеевское, при т > 1 распределение Раиса, при – канал без замираний.

На основе принятого решения об адекватности закона замираний и определении его параметров в устройстве 13 формируется текущая оценка ВОБ, например, для радиосигналов с ОФМ разной позиционности на основе известного способа (В.В. Егоров, А.А. Катанович, С.А. Лобов, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев, М.С. Смаль, А.Е. Трофимов. Способ определения вероятности ошибки на бит по флуктуациям фазы информационных сигналов. Патент RU №2526283, 08/2014). В зависимости от вида применяемого радиосигнала и способа приема текущая оценка ВОБ может формироваться на основе известных выражений (Антонюк Л.Я., Игнатов В.В. Эффективность радиосвязи и методы ее оценки. С.-П.: ВАС, 1994 г., с. 31).

Формируемая в текущем времени с учетом замираний оценка ВОБ наиболее точно характеризует качество функционирования канала ДКМ радиосвязи с дискретными радиосигналами и используется в автоматической системе управления ДКМ радиосвязью для прогнозирования времени наступления отказа устройством 15 и формирования команды упреждающей сменой рабочей частоты (ВОЧ) устройствами 17 и 10. Формируемая оценка ВОБ также поступает на устройство оценки информационной скорости 14. Информационная скорость в шенноновском смысле, равная количеству извлеченной информации из сообщения, отнесенному ко времени его передачи, в организуемом канале связи при обеспечении заданной достоверности по формируемой оценке ВОБ, является важной информативной характеристикой. Она определяет обеспечиваемую своевременность передачи информации каналом радиосвязи и системой в целом. Формируемая оценка скорости поступает на терминал 20.

Таким образом в режиме адаптации к помеховой обстановке при формировании оценок качества канала связи без применения тестовых сигналов обеспечивается максимально возможное время работы канала связи на выбранной ВОЧ с высокой скоростью передачи информации.

Устройство определения ВОЧ 10 со своим вычислительным ресурсом в системе выполняет функции:

- формирование единой (системной) временной шкалы;

- проведение расчетов по данным устройств 11, 15, 16, 17, 19-23;

- управление режимами работы 8, 9, 16;

- прием вводимых с терминала 20 необходимых исходных данных и выдачу на него информации для отображения;

- формирование структуры передаваемого сообщения (фиг. 3, в) совместно с устройством 17 с привязкой к точной единой системной шкале времени информационного сигнала сканируемой частоты, САЧ, информационного сообщения;

- адаптация по скорости (ее уменьшение) при величине отношения сигнал/помеха или значения ВОБ, равных заданным, и наметившейся тенденции к их снижению, формирование соответствующей команды на приемную сторону, а также трансформация скоростей подачи в требуемый ряд, например, 75, 150, 300, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с.

Использование в системе цифровых программно-управляемых передатчиков 8 и программно-управляемых приемников 9 канальных радиостанций 7 позволяет проводить наращивание числа радиосредств, их модернизацию и введение новых режимов работы программными методами.

Узлы системы могут быть реализованы следующим образом. Узлы 1-10, 15-18, 20-23 общие с прототипом. Программно-управляемые передатчики 8 и программно-управляемые приемники 9 канальных радиостанций 7 могут быть выполнены по технологии SDR «программно-управляемое радио» (Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия-Телеком, 2006, с. 52-54). Измеритель уровня помех 16 также может быть реализован в виде самостоятельного программно-управляемого приемника, аналогичного программно-управляемым приемникам 9. В узлах 8, 9, 16 все функции обработки сигнала, включая прием и формирование радиосигнала, помехоустойчивое кодирование и декодирование, построение фильтров основной селекции, управление выбором рабочих частот, скоростью передачи информационных сообщений выполняются программным путем. Это обеспечивает формирование любого канала связи в ДКМ диапазоне программным способом. В таком варианте построения узлов 8 и 9 приемные тракты и тракты формирования сигнала являются цифровыми и выполнены, например, на блоке цифровой обработки сигналов и цифровых приемовозбудителей Б-70, широко используемого в современных комплексах связи. Устройство определения ВОЧ 10 и устройство расчета МПЧ (ОРЧ) могут быть реализованы, например, на 32-разрядных микроконтроллерах STM32F373VCT6 каждый со своим ПЗУ.

Приемник 23 реализован в виде единого двухчастотного приемника радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС / GPS с блоком обработки, который разработан и апробирован как аппаратно-программный комплекс мониторинга состояния ионосферы в режиме реального времени (В.М. Смирнов, Е.В. Смирнова, С.И. Тынянкин, В.Н. Скобелкин, А.П. Мальковский. Аппаратно-программный комплекс для мониторинга состояния ионосферы в режиме реального времени // Технологии и результаты зондирования ионосферы и распространения радиоволн. Гелиогеофизические исследования. 2013. Выпуск 4. С. 32-38.).

Модуль реального времени 22 может быть выполнен на микроконтроллере с автономным источником питания и программно.

Изобретение может быть использовано для создания автоматизированной системы дальней связи ДКМ диапазона со стационарными и подвижными абонентами с использованием радиоканалов высокой надежности и информационной скорости, автоматически адаптирующихся как к сложной помеховой обстановке, так и к сложнейшим динамическим процессам в ионосфере Земли в режиме реального времени.

Изобретение относится к области декаметровой (ДКМ) радиосвязи, использующей радиоволны, отраженные от ионосферы. Оно может быть использовано для создания высоконадежной автоматической системы связи непрерывного действия. Техническим результатом является повышение скорости передачи информации в автоматизированной системе ДКМ радиосвязи за счет снижения эффекта многолучевого распространения радиоволн и формирования оценки параметров канала связи с учетом наличия замираний при отсутствии каналов активного зондирования предполагаемых рабочих частот. Технический результат достигается применением в системе автоматического управления ДКМ радиосвязью устройства формирования оценки отношения сигнал/помеха, устройства формирования оценки глубины замираний, устройства формирования оценки вероятности ошибки на бит, устройства оценки информационной скорости, двухчастотного приемника радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS, устройства определения вероятностно-оптимальной частоты для односкачкового распространения радиоволн. 3 ил.

Система автоматического управления декаметровой радиосвязью, содержащая программно-управляемые передатчики и программно-управляемые приемники канальных радиостанций, терминал управления, соединенный двухсторонней связью с устройством расчета максимально применимой частоты и оптимальной рабочей частоты и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, измеритель уровня помех, соединенный с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, устройство прогнозирования отказа радиоканала, связанное двухсторонней связью с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты и односторонней связью с устройством формирования команды корреспонденту на упреждающую смену частоты, которое, в свою очередь, имеет соединение с программно-управляемым передатчиком корреспондента и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, устройство приема и декодирования команды на упреждающую смену частоты от передатчика корреспондента, связанное с программно-управляемым приемником и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, модуль реального времени, выход которого соединен с входом устройства расчета максимально применимой частоты и оптимальной рабочей частоты и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, отличающаяся тем, что содержит устройство формирования оценки отношения сигнал/помеха, связанное с программно-управляемым приемником, измерителем уровня помех, терминалом управления и с устройством прогнозирования отказа радиоканала, устройство формирования оценки глубины замираний, соединенное с программно-управляемым приемником, измерителем уровня помех и устройством формирования оценки вероятности ошибки на бит, в свою очередь соединенным двухсторонней связью с терминалом управления и односторонними связями с устройством прогнозирования отказа радиоканала и с устройством оценки информационной скорости, имеющим с терминалом одностороннюю связь, двухчастотный приемник радиосигналов спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS, соединенный с устройством расчета максимально применимой частоты и оптимальной рабочей частоты и с устройством определения вероятностно-оптимальной частоты, устройство определения вероятностно-оптимальной частоты для односкачкового распространения радиоволн, соединенное двухсторонними связями с терминалом, со входом от устройства расчета максимально применимой частоты и выходом на устройство определения вероятностно-оптимальной частоты.