СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ВОЗДУШНЫМИ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2024 года по МПК H04B7/26 

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано для организации информационного обмена между воздушными объектами (ВО) и наземным комплексом (НК).

Известна система радиосвязи с воздушными объектами, состоящая из воздушного объекта и наземного комплекса, содержащего наземную антенну, наземную радиостанцию [1]. Наземная радиостанция подключена двухсторонними связями через первую наземную аппаратуру передачи данных к соответствующему первому входу/выходу вычислителя НК, второй вход/выход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Первый концентратор подключен к локально-вычислительным сетям, которые в свою очередь подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземной аппаратуры связи и к каждому из А АРМ, состоящих из вычислителя АРМ, соединенного с выходом пульта управления АРМ и с входом монитора АРМ, к каждому из В блоков сопряжения, состоящих из последовательно соединенных второй наземной аппаратуры передачи данных и устройства сопряжения с каналом связи, вход/выход которого является входом/выходом системы. В состав воздушного объекта входят бортовая аппаратура передачи данных, бортовые датчики, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений, бортовое кодирующе-декодирующее устройство, бортовая аппаратура связи, каждый из которых соединен с соответствующими входами/выходами бортового вычислителя, выход которого подключен к входу блока регистрации данных, а отдельный его вход/выход - к двунаправленной шине системы управления воздушным объектом. Бортовой вычислитель через последовательно соединенные бортовые аппаратуру передачи данных и радиостанцию подключен к бортовой антенне. На наземном комплексе фазированная антенная решетка СВЧ диапазона состоит из n-сегментов, каждый из которых через эфир подключен к первой и второй бортовым антеннам СВЧ диапазона соответствующего воздушного объекта. Входы/выходы каждого из n-сегментов фазированной антенной решетки СВЧ диапазона и наземной аппаратуры связи подключены к шине второго концентратора вход/выход которого, как и вход/выход наземного кодирующе-декодирующего устройства, подключен к локально-вычислительным сетям первого концентратора. Каждая из n-бортовых антенн каждого воздушного объекта через радиоканалы связи соединена с наземной антенной наземного комплекса. На воздушном объекте первый выход бортовой аппаратуры связи подключен к первой бортовой антенне СВЧ диапазона, а второй выход - к второй бортовой антенне СВЧ диапазона.

Подключение двух выходов бортовой аппаратуры связи с помощью двух радиочастотных кабелей к первой и второй бортовым антеннам СВЧ диапазона необходимо для формирования соответствующих двух радиосигналов для осуществления пространственно-временной обработки сигналов в аппаратуре наземного комплекса.

К недостаткам аналога следует отнести:

- система работает только с одним каналом «воздух-земля», что связано с наличием в тракте передачи аппаратуры связи и двух антенн СВЧ диапазона, работающих только на передачу двух радиосигналов на НК;

- при связи с другим ВО или при приеме данных по каналу «земля-воздух» с НК процедура пространственно-временной обработки сигналов не работает;

- при таком построении системы радиосвязи имеются потери мощности, искажение параметров и формы радиосигналов из-за изменения величины характеристик радиочастотных кабелей в антенно-фидерном тракте, изменяющих свои параметры при механических и климатических воздействиях, что приводит к снижению отношения сигнал/шум, а, следовательно, снижению помехозащищенности и не позволяет осуществить ее повышение.

Известен комплекс бортовых средств цифровой связи, в котором радиочастотные кабели, искажающие радиосигнал при климатических воздействиях, заменены на волоконно-оптические. Этот комплекс по большинству существенных признаков принят за прототип [2]. Он 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. Вычислительное устройство подключено двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу блока переключения интерфейсов. Низкочастотный вход/выход блока управления является первым входом/выходом комплекса, а 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. Выходы вычислительного устройства подключены к управляющим входам четырех радиофотонных приемопередающих модулей. Выход модема через последовательное соединение оптического модулятора, первого, второго, третьего, четвертого оптических ответвителей подключен к оптическим входам четырех радиофотонных приемопередающих модулей. Вход модема через последовательное соединение первого оптического детектора, первого и второго ответвителей подключен к оптическим выходам четырех радиофотонных приемопередающих модулей. Модулируемый вход первого оптического модулятора соединен с выходом первого лазера. Модулируемый вход модема соединен с выходом синтезатора частот, управляемого с вычислительного устройства. Оптический вход/выход каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей через третий ответвитель и n параллельных ветвей, состоящих из последовательного соединения в каждой ветви второго оптического детектора и усилителя мощности. Выход усилителя мощности через высокочастотный коммутатор подключен к антенному вибратору. Цепочка из последовательного соединения второго оптического модулятора, малошумящего усилителя подключена к выходу высокочастотного коммутатора, управляемого сигналами с выхода вычислительного устройства. Модулируемый вход модема через синтезатор частот подключен к управляющему выходу вычислительного устройства. Модулируемый вход второго оптического модулятора в каждом из n ветвей радиофотонного приемопередающего модуля подключен к второму лазеру. Каждую из четырех фазированных антенных решеток ОВЧ диапазона составляют n антенных вибраторов, диаграммы направленности которых смещены относительно друг друга на 90°.

Но у прототипа имеется недостаток. Для повышения эффективности результатов пространственно-временной обработки сигналов необходимо, что бы время и фазы излученных радиосигналов, точное местоположение передающих и приемных антенн были известны на приемной стороне [3]. Если точное местоположение передающих и приемных антенн можно обеспечить с помощью конструктивных решений и их положением относительно антенны приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, то время и фазы излученных радиосигналов трудно определить из-за неравномерных температурных и механических воздействий на волоконные кабели, проложенные по разным шпангоутам летательного аппарата, прохождения оптического сигнала через несколько оптических ответвителей, ветви которых имеют разную длину и фотодетекторов с не идентичными полосами пропускания. Эти воздействия влияют на величину коэффициента преломления оптического сигнала, фазо-частотные характеристики фотодетекторов и, следовательно, на время прохождения и фазу радиосигналов по оптическим волокнам и соответствующим фотодетекторам, что затрудняет получение оптимальных значений коэффициента подавления помехи.

Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности передачи информации за счет использования в системе радиосвязи пространственно-временной обработки сигналов в четырехсегментной (по n антенных элементов в каждом сегменте) фазированной антенной решетке (ФАР).

Указанный технический результат достигается тем, что в системе радиосвязи с воздушными объектами, содержащей наземные объекты и воздушные объекты, каждый из которых содержит комплекс связи, включающий блок переключения интерфейсов, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, вычислительное устройство, первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона, подключенные двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока переключения интерфейсов, шину управления блока управления, подключенную к входу блока переключения интерфейсов, модем, соединенный двухсторонними связями с блоком 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, выход модема через последовательное соединение первого оптического модулятора, первого и второго ответвителей подключен к оптическому входу каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, вход модема через последовательное соединение первого оптического детектора, первого и второго ответвителей подключен к выходам каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, модулируемый вход первого оптического модулятора соединен с выходом первого лазера, модулируемый вход модема соединен с выходом синтезатора частот, оптический вход/выход каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей через третий оптический ответвитель и n четвертых оптических ответвителей подключен к n параллельным ветвям, где n не менее трех, а каждая из n параллельных ветвей включает последовательно соединенные второй оптический детектор, усилитель мощности, выход которого через высокочастотный коммутатор подключен к антенному вибратору, в каждой из n ветвей четвертый оптический ответвитель подключен к второму оптическому модулятору, модулируемый вход которого подключен ко второму лазеру, при этом к выходу высокочастотного коммутатора через малошумящий усилитель подключен второй оптический модулятор, а высокочастотный коммутатор управляется через шину управления сигналами с входа/выхода вычислительного устройства, n антенных вибраторов составляют каждую из четырех фазированных антенных решеток ОВЧ диапазона, диаграммы направленности которых смещены относительно друг друга на 900, комплексы связи воздушных объектов, находящихся в прямой видимости от комплексов связи наземных объектов, связаны с ними по радиоканалам прямой видимости через фазированные антенные решетки ОВЧ диапазона, а комплексы связи воздушных объектов, находящихся за пределами радиогоризонта от комплексов связи наземных объектов, связаны с ними по радиоканалам ВЧ диапазона через соответствующие антенны ВЧ диапазона, в каждый комплекс связи системы введены третий оптический модулятор, к первому входу которого подключен третий лазер, ко второму входу - модулятор, а выход третьего оптического модулятора через пятый и второй оптический ответвитель подключен к каждому из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, в каждую из n параллельных ветвей каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей введены волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ), подключенная к четвертому оптическому ответвителю и второму оптическому детектору, и схема сравнения, первый вход которой соединен с выходом второго оптического детектора, а второй ее вход - с соответствующим выходом модема, число дискретных значений ВОЛЗ выбирается из требований обеспечения заданной точности подстройки фазы и равно 2m, где m=3, 4, 5, …, и определяет число каналов задержки и управляющих входов ВОЛЗ, шина управления вычислительного устройства подключена к входам/выходам блока переключения интерфейсов, синтезатора частот, а также к входам/выходам n ВОЛЗ, n схем сравнения и n высокочастотных коммутаторов каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей.

Изобретение поясняется фигурой. На фигуре представлена система радиосвязи воздушных объектов, состоящая, как минимум, из двух разнесенных комплексов связи, (далее по тексту система), где обозначено:

1 - блок управления;

2 - блок переключения интерфейсов;

3 и 4 - первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона;

5 - первый лазер;

6 - первый оптический модулятор;

7 - шина управления блока управления;

8 - первая антенна ВЧ диапазона;

9 - вторая антенна ВЧ диапазона;

10 - первый оптический детектор;

11 - синтезатор частот;

12 - модем (модулятор-демодулятор);

13 - низкочастотный вход/выход блока управления;

14 - низкочастотный вход/выход блока переключения интерфейсов;

15 - пульт управления и индикации (ПУИ);

16 - радиофотонный приемопередающий модуль;

17 - вычислительное устройство ОВЧ диапазона;

18 - усилитель мощности;

19 - высокочастотный коммутатор;

20 - антенный вибратор;

21 - второй оптический детектор;

22 - второй лазер;

23 - второй оптический модулятор;

24 - малошумящий усилитель (МШУ);

25 - шина управления вычислительного устройства ОВЧ диапазона;

26 - первый оптический ответвитель;

27 - второй оптический ответвитель;

28 - третий оптический ответвитель;

29 - четвертый оптический ответвитель;

30 - фазированная антенная решетка (ФАР) ОВЧ диапазона;

31 - воздушные объекты, находящиеся в прямой (оптической) видимости;

32 - воздушные объекты, находящиеся за пределами радиогоризонта;

33 - наземный комплекс, находящийся в прямой (оптической) видимости;

34 - третий лазер;

35 - третий оптический модулятор;

36 - пятый оптический ответвитель;

37 - волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ);

38 - схема сравнения.

Сущность изобретения заключается в том, что для исключения потенциально конфликтных ситуаций в полете и в аэродромной зоне необходимы высоконадежные, помехозащищенные радиоканалы ОВЧ диапазона. Поэтому для повышения помехозащищенности и достоверности передачи информации вводятся процедуры пространственно-временной обработки сигналов, защиты от межсимвольной интерференции и обмен данными параллельно через четыре сегмента фазированной антенной решетки ОВЧ диапазона на четырех частотах.

Система работает следующим образом. Во время движения воздушные объекты 31, находящиеся в пределах радиогоризонта (оптической видимости), обмениваются между собой и с наземным комплексом 33 данными о местоположении, параметрах движения и состоянии их датчиков в ОВЧ диапазоне. В блоке 1 управления совместно с вычислительным устройством 17, блоком 2 переключения интерфейсов, модемом 12 решаются задачи одновременного приема-передачи и обработки сигналов с четырех абонентов при их наличии (для ОВЧ диапазона) или нескольких (для ВЧ диапазона) наземных комплексов 33. Принятые данные обрабатываются в модеме 12 и вычислительном устройстве 17. Если сообщение предназначено для данного воздушного объекта, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине через низкочастотный вход/выход 13 блока 1 управления, например, на вычислительную систему самолетовождения, не указанную на фигуре. При приеме известными способами [2, 4, 5] в устройствах 1 и 17 проверяют достоверность передачи информации. Результаты полученной оценки передают в обратном направлении на вызывающего абонента. Эти данные с привязкой к единому времени и координатам (местоположению) комплекса запоминаются в блоке 1 управления для дальнейшего использования в процессе связи.

При передаче с ВО приоритетных сообщений в соответствии с принятыми категориями срочности в блоке 1 управления в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных на выбранный ВО с учетом времени его реакции на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов в вычислительном устройстве 17. Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В блоке 1 управления определяется время «старения» информации, и, если сообщение в течение определенного промежутка времени не было передано в канал связи, то оно «стирается», и посылается запрос на повторную передачу сообщения.

В обычном режиме при беспомеховой обстановке с НК 33 осуществляется адресный опрос комплексов ВО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. На ВО радиосигналы ВЧ диапазона через антенны 8 и 9, приемопередатчики 3 или 4 блок 2 переключения интерфейсов, модем 12 поступает в вычислительное устройство 17, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом ВО, анализируется отношение сигнал/шум в радиоканалах, выбирается лучший на данный момент времени (позволяющий обеспечить наивысшую скорость передачи информации), о чем сообщается вызывающему абоненту и со следующего сеанса связи обмен сообщениями осуществляется на оптимальной частоте. Далее служебная часть сообщения дешифрируется для определения режима работы аппаратуры комплекса ВО. Информационная часть сообщения после проверки ее достоверности поступает на пульт управления и индикации (ПУИ) 15 для отображения и по шине через низкочастотный вход/выход 13 на вычислительную систему воздушного объекта.

Радиосигналы ОВЧ диапазона из эфира проходят через параллельно соединенные n вибраторов 20₁-20_n любой из четырех ФАР 30, n высокочастотных коммутаторов 19₁-19_n, n малошумящих усилителей 24₁-24_n, n вторые оптические модуляторы 23₁-23_n, модулируются излучением длиной волны λ_i в n вторых лазеров 22₁-22_n, проходят последовательно n четвертых 29₁-29_n, n третьих 28₁-28_n, второй 27, первый 26 оптические ответвители, в первом оптическом детекторе 10 преобразуются вновь в радиосигналы, демодулируются в модеме 12 и через блок 2 переключения интерфейсов поступают в вычислительное устройство 17, где осуществляются операции, аналогичные рассмотренным выше в канале обработки радиосигналов ВЧ диапазона. Число антенных вибраторов 20 и расстояние между ними в каждой из четырех сегментов ФАР 30 выбирается из условия обеспечения заданной ширины диаграммы направленности антенны (более 90°) с помощью вычислительного устройства 17 и минимального уровня ее боковых лепестков. Управление режимами «Прием-Передача» осуществляется с помощью вычислительного устройства 17 по шине управления 25.

Разделение оптических сигналов по направлениям осуществляется по частотному признаку, например, можно использовать серийные лазеры, излучающие сигналы с длиной волны λ_i вблизи оптических диапазонов с λ₁=1,3 нм, λ₂=1,55 нм и фотодетекторы, работающие в соответствующих диапазонах.

При наличии сигнала с адресом вызываемого абонента, полученного через входы/выходы 13 или 14, или набранного на ПУИ 15, или сформированного вычислительным устройством 17 ответа на запрос с другого ВО или НК 33, после маршрутизации в блоке 2 модемом 12 формируется радиосигнал требуемой рабочей частоты. Частота задается синтезатором 11, управляемым вычислительным устройством 17 или с ПУИ 15 через блоки 1, 2, 17. Затем радиосигналы преобразуются в первом оптическом модуляторе 6, модулируемым излучением длиной волны λ_2i первого лазера 5, пройдя последовательно первый 26, второй 27, n третьих 28, n четвертых 29, оптических ответвителей, в n вторых фотодетекторах 21 преобразуются в радиосигналы, усиливаются в n усилителях мощности 18 и через n вибраторов 20 излучаются в пространство с той ФАР 30, диаграмма направленности которой охватывает местоположение выбранного для связи абонента. Координаты и адреса абонентов известны участникам движения из сообщений, регулярно передаваемых ими в эфир [6].

При наличии помех в ВЧ диапазоне, которые могут быть обнаружены с помощью устройства 17, например, по величине отношения сигнал/шум, в котором осуществляется обработка двух принимаемых одновременно двумя антеннами 8 и 9, двумя цифровыми приемниками приемопередатчиков 3 и 4. В состав приемопередатчиков 3 и 4 могут входить, например, два преселектора и два АЦП, трансформирующие принятые сигнально-помеховые смеси, например, оборудованием, выполненным по технологии «программируемое радио» - SDR, в поток данных для реализации алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с помощью вычислительного устройства 17, выполненного, например, на сигнальном процессоре типа TMS320C6678 [7]. В вычислительном устройстве 17 производится фильтрация (разделение) сигналов и сдвиг квадратур на нулевую частоту каждого из них. Пары квадратур сигналов суммируются таким образом, чтобы колебания полезного сигнала складывались, а помеховые колебания вычитались за счет формирования нулей диаграммы направленности в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисляются весовые коэффициенты, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализуются заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех, вводятся (при необходимости) временные задержки в каждый канал пространственного разнесения и осуществляется взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов, после суммирования получают выходной сигнал, который далее демодулируется в модеме 12, декодируется в вычислительном устройстве 17 и через блоки 2 и 1 поступает через низкочастотные входы/выходы 13 или 14 и в ПУИ 15 для отображения. В вычислительном устройстве 17 сигналы дополнительно обрабатываются с помощью соответствующих программ, обеспечивающих, например, выделение тактовой синхронизации, решения задачи оценки достоверности принятой информации, качества канала связи и при необходимости формируются посылки запроса на повторение передачи недостоверного сообщения. Переключение частот и режимов работы приемопередатчиков 3 и 4, модема 12 и синтезатора 11 осуществляется блоком 1, управляемым через блок 2 соответствующим вычислительным устройством 17.

Установка известных всем абонентам начальных частот и режимов работы в память вычислительного устройства 17 осуществляется с входа/выхода 13 через последовательно соединенные блоки 1 и 2 или с входа/выхода 14 через блок 2.

Передаваемое сообщение через блоки 1 и 2 или с входа/выхода 14 и через блок 2 поступают в вычислительное устройство 17 независимо от местонахождения НК, в зоне прямой (оптической) видимости или за радиогоризонтом. Для этого используется многоканальный (как минимум четырех) модем 12, управляемый с помощью вычислительного устройства 17, в котором сообщения разделяют на блоки (кадры). Каждый кадр, например, кодируется для исправления ошибок, в начале кадра формируются заголовочные сообщения, которые синхронизируют процедуры обмена информацией. Затем в соответствии с качеством выбранного для связи канала осуществляются в цифровом виде операции кодирования и далее - превращения в радиосигнал ВЧ диапазона в модуляторе 12 и после фильтрации в передающей части соответствующего приемопередатчика 3 или 4 для усиления передаваемого радиосигнала и уменьшения уровня паразитных составляющих спектра радиосигнал подается на одну из антенн 8 или 9 для излучения в пространство. В зависимости от числа передаваемых сигналов и других требований комплекс может одновременно излучать одновременно на шести частотах.

При отсутствии сведений об углах прихода помехи в ВЧ диапазоне в вычислительном устройстве 17 осуществляется операция оценки весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания по входным процессам и реализация заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех с помощью пространственно-временной обработки сигналов, которая включает в себя не только сложение сигналов с разных антенн, но и введение (при необходимости) линий задержки в каждую приемную часть пространственного разнесения, построенных, например, на трансверсальных фильтрах, и дополнительного взвешенного суммирования задержанных сигналов.

Кроме того, блок 1 управления обеспечивает:

- обмен данными при работе в сетях цифровой связи воздушного объекта совместно с блоками 16, 28, 27, 26, 10, 6 и 5, 12, 2, 17, 1, 15, например, для авиационных абонентов [5, 8, 9, 10] ОВЧ диапазона - в соответствии с требованиями ARINC 618, 620, 622;

- обмен по каналу «воздух-земля-воздух» пилотажно-навигационной, эксплуатационно-технической, метео и коммерческой информацией;

- взаимодействие по шинам через низкочастотные входы/выходы 13 и 14 через бортовую вычислительную систему объекта с бортовым радиоэлектронным оборудованием;

- реализацию предусмотренных на объекте процедур, например, автоматического зависимого наблюдения по контракту, по запросу, по событию и «Приложения УВД: Связь пилот-диспетчер по линии передачи данных (CPDLC)» и отображение соответствующей информации на ПУИ 15;

- автоматическое получение, отображение на ПУИ 15, хранение на время полета сообщений от вычислительных средств объекта о времени событий, например, «взлет-посадка-убытие-прибытие»;

- автоматический ввод и хранение идентификационных данных воздушного объекта;

- контроль состояния аппаратуры комплекса в полете и на земле с точностью до конструктивно-съемного блока.

При выходе за пределы радиогоризонта от обслуживающего НК 33 или выбранного для связи ВО 32, оцениваемого, например, с помощью сигналов с выхода приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем [11], входящих в средства управления воздушным объектом 32, в блоке 1 управления осуществляется переход на передачу (прием) данных на приемопередатчики 3 или 4 ВЧ диапазона. В этом случае обеспечиваются операции жесткого закрепления за каждым из воздушных объектов набора из нескольких рабочих частот, на которых ему разрешено работать, адаптивного выбора рабочей частоты из списка разрешенных, многостанционного доступа к каналу связи с временным разделением в режиме случайного или резервированного доступа, обмена данными с воздушными объектами или территориально разнесенными наземными комплексами.

Для увеличения дальности устойчивой связи с воздушным объектом, находящимися за пределами прямой видимости, при использовании приемопередатчиков 3 и 4 ВЧ диапазона в комплексе используются следующие известные технологии [6]:

- стандартизация пакетного обмена данными на всех уровнях модели взаимодействия открытых систем;

- адаптация бортовых узлов линии радиосвязи к изменению условий распространения радиоволн по частоте и по пространственному разнесению;

- автоматизация процедур составления и разрыва линии связи с воздушным объектом;

- динамическое управление частотой при приеме более мощного из нескольких радиосигналов;

- корректирующие коды и методы решающей обратной связи при приеме сообщений с компенсацией задержки, многолучевости, сосредоточенных по спектру помех, доплеровских сдвигов частоты;

- привязка всех абонентов системы к единому глобальному времени;

- адаптация аппаратуры комплекса по мощности, скорости передачи данных, виду модуляции и кодирования.

При работе комплекса в ВЧ диапазоне одновременно с несколькими НК на воздушном объекте определяется наземный комплекс, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В вычислительном устройстве 17 хранятся предварительно заложенные таблицы со списками наземных комплексов и наборами назначенных им частот, а также координаты всех НК. Каждый НК 33 периодически излучает сигналы управления/синхронизации/связи на всех назначенных ему частотах. Для установления линии связи с НК в вычислительном устройстве 17 автоматически анализируются принимаемые сигналы управления/синхронизации/связи от всех наземных комплексов на всех частотах и выбираются лучшие частоты (например, по отношению сигнал/помеха или величине мощности принимаемого сигнала и наземные комплексы, реализующие известные способы адаптации по частоте и пространству. По измеренному отношению сигнал/помеха в блоке 1 управления выбирается скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения сигнал/помеха осуществляется каждый раз при приеме информационного сообщения или сигнала управления/синхронизации/связи. Эта величина сообщается на противоположную сторону в виде рекомендуемой скорости передачи данных. В блоке 1 управления при работе через блок 2 переключения интерфейсов на приемопередатчик 3 или 4 ВЧ диапазона могут быть использованы известные алгоритмы, например, высокоскоростных адаптивных модемов, рассчитанных на работу в каналах с многолучевостью [8]. Для повышения достоверности приема информации может быть использован помехоустойчивый код, например циклический.

В вычислительном устройстве 17 и модеме 12 для повышения помехозащищенности в зависимости от состояния радиоканалов связи используются кодирование передаваемых данных, комбинированные методы модуляции, способы борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн и другие процедуры. Кодирование передаваемых данных может быть осуществлено, например, с помощью сверточного кодирования по Витерби с мягким решением и использованием модифицированной решающей обратной связи [9, 10]. Для борьбы с замираниями в условиях многолучевого распространения радиоволн может быть использован, например, широкополосный сигнал и прием разнесенных во времени сигналов по схеме «РЕЙК», в которой обеспечивается разделение и адаптивное весовое сложение сигналов в динамике профиля многолучевости [6, 9, 10].

Для повышения помехозащищенности используются также методы пространственно-временного блокового кодирования, например, с помощью способа, предложенного Аламоути [1, 12]. При использовании этого способа предполагается одновременное излучение с двух антенн двух пар одинаковых радиосигналов в двух интервалах передачи таким образом, что при синфазном их сложении на приеме повысится помехозащищенность системы. В этом случае информационные биты в модеме 12 с помощью вычислительного устройства 17 сначала модулируются М-арным кодом. Затем формируется блок из двух известных на приемной стороне символов s₁ и s₂ в первом и втором интервалах кодирования, затем в форме двух радиосигналов посылается через узлы: 6, 26, 27, 28, 29₁, 37₁, 21₁, 18₁, 19₁ и 35, накачиваемый третьим оптическим лазером 34, 36, 27, 28, 29_n, 37_n, 21_n, 18_n, 19_n соответственно на два слабонаправленных антенных вибратора 20₁ и 20_n ОВЧ диапазона в соответствии с матрицей кодирования [12]:

В первом столбце матрицы (1) представлена последовательность, передаваемая в первом интервале передачи, во втором - во втором интервале передачи. Первый ряд формулы (1) соответствует символам (радиосигналам), передаваемым с первой антенны, второй ряд - передаваемым со второй антенны. В течение первого символьного интервала, первая антенна передает сигнал s₁ и вторая антенна передает сигнал s₂. В течение второго символьного интервала первая антенна передает сигнал -s₂* и вторая антенна передает сигнал s₁*, которые являются комплексными величинами от s₂ и s₁ соответственно. Следовательно, с каждого из ВО 31 на НК 33 или другой ВО 31 на разных частотах передается информация, разнесенная в пространстве и во времени. Этим характеризуется пространственно-временное кодирование. Информационные последовательности радиосигналов, посылаемые на НК 33 или вызываемый ВО 31 с первого и n-го антенных вибраторов 20₁ и 20_n ОВЧ диапазона, ортогональны [1, 12].

Коэффициенты передачи радиосигналов с первого и n-го антенных вибраторов 20₁ и 20_n ОВЧ диапазона можно выразить через h₁(t) и h₂(t) соответственно. Если принять постоянство этих коэффициентов в течение двух интервалов передачи информационной последовательности символов, то получим:

где |h_i| и θ_i - амплитуда и фаза сигналов, передаваемых с i-го антенного вибратора ОВЧ диапазона каждого ВО 31 или НК 33, i=1,2, …, 2n;

T - длительность символа.

Для приема кодированного по Аламоути двухсимвольного сигнала в вызываемом ВО 31 или НК 33 достаточно одного вибратора сегмента ФАР 20_i ОВЧ диапазона и пары временных отсчетов сигнальной смеси [12]. После приема и оцифровки сигнальной смеси в двух последовательных временных интервалах может быть получена совокупность напряжений:

где n_i и n_i+1 - независимые комплексные переменные с нулевым значением и различающиеся лишь в том, что представляют собой аддитивный белый гауссовский шум в интервале времени {t, t+T} соответственно;

x_i и x_i+1 - символы передаваемой последовательности, разделенной на пары, например, на смежные - четный и нечетный [4].

Для оценки коэффициентов передачи радиосигналов с первого и n-го антенных вибраторов 20₁ и 20_n ОВЧ диапазона h₁(t) и h₂(t) при составлении канала связи транслируются заранее известные пилот-сигналы, например, преамбула. Затем по этим данным при приеме вычисляются коэффициенты передачи h₁(t) и h₂(t) на интервале времени {t, t+T} и осуществляется декодирование пары передаваемых символов, например, по критерию максимального правдоподобия.

Операции формирования и обработки передаваемых и принимаемых сигналов, например, по алгоритму Аламоути осуществляются в устройствах 17 и 11 соответственно. Процедуры борьбы с замираниями радиосигнала из-за эффекта отражения от поверхности Земли производятся программно в вычислительном устройстве 17. Сектора диаграмм направленности сегментов ФАР 30 ОВЧ диапазона перекрывают по азимуту 360°, по углу места - практически от 0 до 180° (без учета углов закрытия и особенностей связи при углах места вблизи 90°).

Аппаратура НК 33 функционально не отличается от оборудования ВО 31. Различие состоит в конструкции блоков и в замене ПУИ 15 аналогичными по функциональному назначению устройствами отображения (рабочими местами операторов), предназначенных для работы операторов, и сопряжения с потребителями информации.

Для последовательного выполнения операций по организации сеанса связи в заданный момент времени определяется текущее местоположение ВО 31 или НК 33, вычисляются в вычислительном устройстве 17 экстраполяционные точки нахождения соответствующих воздушных объектов системы во время планируемого сеанса связи. Затем проводят обмен данными между соответствующими воздушными объектами системы.

Для удобства разрешения конфликтной ситуации при наличии помеховой обстановки на экран ПУИ 15 ВО 31 или монитора аналогичного устройства на НК 33 может выводиться местоположение вызываемого абонента системы относительно собственного положения. Для этого, программно с помощью вычислительного устройства 17 выделяются части пространства, в которых помеховая ситуация в вероятностном смысле менее напряженная, и сообщается об этом всем ВО 31. Для отображения тенденции движения вызываемого абонента на экране ПУИ 15 (или аналогичного устройства на НК 33) вычислительным устройством 17 формируются отметки, характеризующие предыдущее местоположение объекта и экстраполяционные отметки, характеризующие его местоположение через заданный интервал времени. По мере движения абонента устаревающие отметки стираются.

Таким образом, каждый из воздушных объектов может выходить на связь на нескольких рабочих частотах, известных всем участникам движения. В зависимости от важности объекта их число может быть от 1 до 3 одновременно. Списки выделенных частот меняются в зависимости от времени года, с учетом сезонных ионосферных изменений. При движении объект выходит на связь, выбирая для связи тот НК, условия распространения радиоволн для связи с которым в данный момент времени являются оптимальными. При этом совсем не обязательно, чтобы выбранный НК был ближайшим.

В результате анализа состояния и загрузки каналов ВЧ и ОВЧ диапазонов радиосвязи в блоке 1 управления и выбора лучшего из них определяется число столкновений сообщений в каналах связи, и, когда это число превышает предельно допустимое, система переходит в режим адресного опроса для упорядочения работы канала передачи данных «воздух-земля». Для того чтобы избежать столкновений в радиоканале связи ОВЧ диапазона при одновременной передаче несколькими объектами, в блоке 1 управления может осуществляться, например, контроль несущей при воздействии на приемопередатчики преамбулы или заголовка (служебной части сообщений). Подготовленное сообщение с объекта передается только в том случае, когда радиоканал свободен. Для того чтобы разнести во времени моменты выхода на связь воздушных объектов в то время, когда они обнаружили, что радиоканал занят, в блоке 1 управления может формироваться, например, псевдослучайная задержка передачи сообщений от воздушных объектов - для каждого объекта своя. При работе комплекса в сети связи сообщение ВЧ диапазона передается в выделенном интервале времени.

Если воздушные объекты сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен, то они информируют остальные объекты в ОВЧ диапазоне о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом или в выделенных им временных слотах (при работе в ВЧ диапазоне) распределяют передаваемые сообщения. В каждом блоке 1 управления по данным вычислительного устройства 17 оценивают уровень принимаемого сигнала несущей частоты в радиоканале и импульсы синхронизации для выбора интервалов передачи. При совпадении расчетного интервала передачи с установленной очередностью объект начинает передачу собственного пакета данных. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи сообщений о местоположении воздушного объекта в блоке 1 управления в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат объекта.

В модеме 12 осуществляются известные операции модуляции и демодуляции, дискретных сообщений и другие, а процедуры кодирования и декодирования - в вычислительном устройстве 17 [9, 10].

Блок 2 переключения интерфейсов выполняет функции бортового маршрутизатора автоматической сети обмена данными. Узлы 1, 2 комплекса для повышения надежности связи могут быть зарезервированы. Тогда каждый блок 1 управляет работой соответствующего блока 2 переключения интерфейсов. При выходе из строя основной пары блоков 1 и 2 подключаются к работе соответствующие резервные блоки 1 и 2.

Проводные связи в комплексе для повышения помехоустойчивости и выполнения требований по электромагнитной совместимости на борту могут быть заменены высокоскоростной информационной ЛВС, например, обеспечивающей выполнение требований протоколов информационного обмена по ARINC 664 или ARINC 429 [13, 14].

В состав радиофотонных приемопередающих модулей 16 входят взаимосвязанные оптические и радиоэлектронные узлы: 18-23, 28-30, 37-48 размещаемые вблизи поверхности планера воздушного объекта и соединенные с узлами 6 и 10 с помощью световодов.

Схемы сравнения 38₁ - 38_n предназначены для анализа качества радиосигналов с выходов узлов 21₁ - 21_n по сравнению с радиосигналами с выхода модема 12, одинаковые по функциональному назначению и отличаются только местоположением в соответствующей ветви.

Число дискретных значений ВОЛЗ 37₁ - 37_n выбирается из требований обеспечения заданной точности подстройки фазы и равно 2^m, где m=3, 4, 5, и определяет число каналов задержки и управляющих входов ВОЛЗ. Приемопередатчики 3 и 4 при построении по технологии «программируемое радио» аналогичны по назначению, структуре и различаются только по программному обеспечению соответственно.

На момент подачи заявки разработаны алгоритмы и программное обеспечение заявляемого комплекса. Узлы 1 - 6, 8 - 12, 15-30, шина 7, входы/выходы 13, 14 одинаковые с прототипом. Оборудование, реализующее функции узлов 5, 6, 10, 11, 18-24 выпускается серийно [15]. Оптические ответвители и ВОЛЗ собираются из световодов методом сварки световодов определенной длины [15]. Приемопередатчики 3 и 4 могут быть выполнены, например, на изделии «Барс-МА», блок 1 управления - на изделии «Брик», модем 12 - на сигнальном процессоре, антенны 8, 9 и вибраторы 20 - на изделиях АКШВ-324 и АСВ-МВ2 соответственно. Узлы комплекса могут быть выполнены и на других серийных устройствах [6]. Блок 2 переключения интерфейсов может быть выполнен, например, на управляемых коммутаторах, конструктивно размещаемых в блоке 1 управления или в приемопередатчиках 3 и 4, устройство 17 - на серийных ЭВМ или сигнальных процессорах. Высокочастотный коммутатор 19 может быть реализован на серийных p-i-n диодах.

Предлагаемая система позволяет обеспечить:

- защиту от помех с применением адаптивных процедур пространственно-временной обработки сигналов;

- адаптивное понижение технической скорости с помощью устройства 17 в зависимости от сигнально-помеховой обстановки в условиях интенсивных помех с переходом на повышенную мощность передаваемого радиосигнала (адаптация по мощности) и более сложную сигнально-кодовую конструкцию с исправлением ошибок;

- адаптивное перераспределение потока переспросов за счет использования в устройстве 17 процедур, характерных для систем передачи данных с решающей обратной связью;

- обнаружение и индикацию на ПУИ 15 применения помех.

Таким образом, настоящее изобретение в случае отсутствия помех обеспечивает адаптивную радиосвязь на частотах, позволяющих передавать информацию с максимальной на данный момент времени скоростью передачи при минимальном уровне сигнала, а в случае наличия помех - определяет их присутствие, подключает процедуру защиты от помех. В результате этого с помощью вычислительного устройства 17 осуществляется выделение сигнала из смеси его с помехой за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антенных элементах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (из-за проявления пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разнесенные антенные элементы, формирования нулей в направлении углов прихода помеховых радиоволн, которые фиксируются на ПУИ 15, с сохранением конечного коэффициента усиления в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисление весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализация заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех. Введение (при необходимости) временных задержек в цепочку пространственного разнесения и взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов позволяют получить выходной сигнал с максимально возможной на данный момент времени скоростью передачи при существующем уровне помех.

Повышение помехозащищенности и достоверности передачи информации обеспечивается за счет:

- исключения случайных временных задержек и изменений фазы передаваемых радиосигналов за счет коррекции параметров волоконно-оптических линий связи в антенно-фидерных трактах;

- улучшения электромагнитной совместимости средств связи комплекса из-за использования в антенно-фидерных трактах волоконно-оптических линий связи, не чувствительных к электромагнитным помехам и уменьшения мощности усилителей 18, расположенных вблизи вибраторов 20;

- при выполнении самолетом маневров из-за одновременной работы четырех радиофотонных приемопередающих модулей 16 и ФАР 30, диаграммы направленности которых смещены относительно друг друга на 90°, явления затенения направления связи планером самолета будет отсутствовать;

- введения пространственно-временной обработки сигналов в тракты передачи и приема радиосигналов ОВЧ диапазона.

Литература

1. Патент РФ №2635388, опубликовано 13.11.2017 г., Бюл. №32.

2. Патент РФ №2742947, опубликовано 12.02.2021 г., Бюл. №5 (прототип).

3. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи: Монография. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. 312 с.

4. Слюсар В.И. Системы MIMO: принципы построения и обработка сигналов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес.- 2005. - №8. - С. 52-59.

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

6. Бортников В.В., Ананченков С.С. Помехоустойчивость двоичных сигналов в марковском канале с замираниями. // Изв. вузов MB и ССО СССР, Радиотехника, 1984, т. 24, №10, С. 78-80.

7. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. 1104 с.

8. Кейстович А.В., Милов B.P. Виды радиодоступа в системах подвижной связи. Учебное пособие для вузов - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 278 с.

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

10. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон. Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.

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

12. Alamouti S.M. Space_time block coding: A simple transmitter diversity technique for wireless communications // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - Oct. 1998. - Vol.16, - P. 1451-1458.

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

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

15. Кейстович А.В., Комяков А.В. Системы и техника радиосвязи в авиации: учеб. пособие / А.В. Кейстович, А.В. Комяков - Нижний Новгород: НГТУ, 2012. -226 с.

Изобретение относится к радиосистемам обмена данными и может быть использовано для помехозащищенного информационного обмена между воздушными объектами и наземными комплексами в каналах «воздух-земля». Техническим результатом является повышение помехозащищенности передачи информации. Упомянутый технический результат достигается за счет использования в системе радиосвязи пространственно-временной обработки сигналов в четырехсегментной фазированной антенной решетке, содержащей по n антенных элементов в каждом сегменте, путем введения в каждый из четырех радиофотонных приемопередающих модулей n ВОЛЗ (волоконно-оптическая линия задержки) и n схем сравнения. 1 ил.

Система радиосвязи с воздушными объектами, содержащая наземные объекты и воздушные объекты, каждый из которых содержит комплекс связи, включающий блок переключения интерфейсов, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока управления, вычислительное устройство, первый и второй приемопередатчики ВЧ диапазона, подключенные двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам блока переключения интерфейсов, шину управления блока управления, подключенную к входу блока переключения интерфейсов, модем, соединенный двухсторонними связями с блоком 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, выход модема через последовательное соединение первого оптического модулятора, первого и второго ответвителей подключен к оптическому входу каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, вход модема через последовательное соединение первого оптического детектора, первого и второго ответвителей подключен к выходам каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, модулируемый вход первого оптического модулятора соединен с выходом первого лазера, модулируемый вход модема соединен с выходом синтезатора частот, оптический вход/выход каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей через третий оптический ответвитель и n четвертых оптических ответвителей подключен к n параллельным ветвям, где n не менее трех, а каждая из n параллельных ветвей включает последовательно соединенные второй оптический детектор, усилитель мощности, выход которого через высокочастотный коммутатор подключен к антенному вибратору, в каждой из n ветвей четвертый оптический ответвитель подключен к второму оптическому модулятору, модулируемый вход которого подключен ко второму лазеру, при этом к выходу высокочастотного коммутатора через малошумящий усилитель подключен второй оптический модулятор, а высокочастотный коммутатор управляется через шину управления сигналами с входа/выхода вычислительного устройства, n антенных вибраторов составляют каждую из четырех фазированных антенных решеток ОВЧ диапазона, диаграммы направленности которых смещены относительно друг друга на 90°, отличающаяся тем, что комплексы связи воздушных объектов, находящихся в прямой видимости от комплексов связи наземных объектов, связаны с ними по радиоканалам прямой видимости через фазированные антенные решетки ОВЧ диапазона, а комплексы связи воздушных объектов, находящихся за пределами радиогоризонта от комплексов связи наземных объектов, связаны с ними по радиоканалам ВЧ диапазона через соответствующие антенны ВЧ диапазона, в каждый комплекс связи системы введены третий оптический модулятор, к первому входу которого подключен третий лазер, к второму входу - модулятор, а выход третьего оптического модулятора через пятый и второй оптические ответвители подключен к каждому из четырех радиофотонных приемопередающих модулей, в каждую из n параллельных ветвей каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей введены волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ), подключенная к четвертому оптическому ответвителю и второму оптическому детектору, и схема сравнения, первый вход которой соединен с выходом второго оптического детектора, а второй ее вход - с соответствующим выходом модема, число дискретных значений ВОЛЗ выбирается из требований обеспечения заданной точности подстройки фазы и равно 2m, где m=3, 4, 5, …, и определяет число каналов задержки и управляющих входов ВОЛЗ, шина управления вычислительного устройства подключена к входам/выходам блока переключения интерфейсов, синтезатора частот, а также к входам/выходам n ВОЛЗ, n схем сравнения и n высокочастотных коммутаторов каждого из четырех радиофотонных приемопередающих модулей.