Территориальная сеть ДКМВ для радиосвязи в условиях авроральных явлений Российский патент 2025 года по МПК H04B7/00 H04W84/04 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области построения территориальных сетей декаметрового диапазона радиоволн (ДКМВ) радиосвязи и может быть использовано при разработке и проектировании систем связи и антенных устройств различных абонентов в арктических и антарктических зонах земного шара в диапазоне частот до 100 МГц и выше.

Известны системы для обеспечения коротковолновой (КВ) связью мобильных и стационарных абонентов на обширных территориях описанные, например, в следующих источниках информации:

- «Высоконадежная сеть ДКМВ масштаба страны на основе программно-определяемых радиосредств», www.pandia.ru/text/77/132/411.php.

- Способ квазитрансавроральной радиосвязи в ДКМВ диапазоне, по патенту RU 2504078, H04B 7/145.

- Система радиосвязи с подвижными объектами, по патенту RU 68211, H04B 7/26.

Перечисленные системы представляют собой совокупность распределенных по площади наземных мобильных и стационарных передающих и приемных радиосредств декаметрового диапазона радиоволн (ДКМВ) диапазона, использующих отражение радиоволн от ионосферных слоев и плазменных неоднородностей ионосферы для связи на большие расстояния.

К недостаткам описанных аналогов следует отнести невозможность обеспечения постоянной круглогодичной и даже иногда круглосуточной радиосвязи в КВ диапазоне радиоволн в условиях авроральных явлений (Северное сияние) на арктических и прилегающих территориях РФ и Северного Ледовитого океана (СЛО), что создает проблемы для Северного Флота, инфраструктуры Северного Морского Пути, МЧС, МО и других служб, и абонентов, функционирующих на Севере РФ и использующих средства КВ связи.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому техническому решению является крупномасштабная сеть ДКМВ радиосвязи со сплошной зоной радиодоступа по патенту RU 2619471, H04B 7/00, принятая за прототип.

На фиг. 1 представлена функциональная схема крупномасштабной сети-прототипа; на фиг. 2 - схема соединения разнесенных центров узла и их подключения к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС) сети-прототипа.

На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения:

1 - стационарные базовые узлы территориального радиодоступа (УТР);

2 - стационарные узлы зенитного радиодоступа (УЗР);

3 - стационарные узлы внешнего удаленного радиодоступа (УВР);

4 - мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы (CAT);

5 - основной и запасной центры управления радиосетью (ЦУС).

Сплошные линии на фиг. 1 обозначают кабельные или радиорелейные соединительные линии узлов сети с ЕАСС, а также выделенные линии межузловой связи. Пунктирные линии обозначают межузловые магистральные радиолинии с использованием моды 1F2. Штрихпунктирные линии обозначают абонентские линии радиодоступа или прямой связи с использованием моды 1F2. На фиг. 2 кругами выделены зоны обслуживания узлов: для узла 2 - радиусом 500 км и для узла 1 - радиусом 3000 км. Прямыми лучами обозначены сектора обслуживания узлов 3.

Крупномасштабная сеть ДКМВ радиосвязи-прототип содержит многоканальные стационарные базовые узлы территориального радиодоступа 1, количество которых зависит от требуемой общей зоны покрытия, каждый из которых содержит разнесенные приемный (ПРЦ) и передающий (ПДРЦ) радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС). Соседние УТР 1 дополнительно соединены между собой магистральными радиолиниями с использованием ионосферной моды 1F2, взаимно расположены, примерно, в вершинах смежных равносторонних сферических треугольников с длинной стороной не более 3000 км по дуге большого круга и имеют зону радиодоступа радиусом до 3000 км каждый. Кроме того, сеть содержит несколько стационарных узлов зенитного радиодоступа (УЗР) 2, расположенных вблизи или на территории участков сложного рельефа с зонами радиотени от УТР 1. Количество стационарных узлов зенитного радиодоступа 2 зависит от количества участков сложного рельефа с зонами радиотени от УТР 1. Все УЗР 2 дополнительно соединены с соседними УТР 1 магистральными радиолиниями с использованием ионосферной моды 1F2.

Сеть также содержит несколько стационарных узлов внешнего удаленного радиодоступа (УВР) 3, количество которых зависит от заданного количества секторов обслуживания мобильных объектов, удаленных до 20000 км от границ зоны обслуживания, каждый из которых включает разнесенные приемный и передающий радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС). УВР 3 расположены на границах сплошной территориальной зоны радиодоступа и дополнительно соединены с соседними УТР 1 магистральными радиолиниями с использованием ионосферной моды 1F2. В состав сети включены основной и запасной центры управления радиосетью 5, размещаемые на территории зоны сплошного радио доступа, подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС) и дополнительно соединенные с ближайшим УТР 1 выделенными линиями кабельной или радиорелейной связи. Сеть обслуживает мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы 4, количество которых зависит от величины собственного адресного пространства сети, расположенные или перемещающиеся в любой точке сплошной территориальной зоны доступа или по любому азимуту, обслуживаемому УВР 3 и поддерживающие группу сетевых протоколов доступа и обмена.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В основу построения крупномасштабной сети положен принцип использования радиолиний с единственной модой 1F2 для радио доступа в сплошной территориальной зоне. Такие радиолинии свободны от замираний многолучевости и в режимах частотной адаптации обслуживаются минимальной мощностью для заданной пропускной способности и известного уровня помех. При зенитном излучении мода 1F2 поддерживает радиолинии с дальностью от 0 до 500 км. Максимальная дальность радиолинии с модой 1F2 может достигать 4000 км при максимальных действующих высотах слоя F2. Однако такие условия не выполняются в зимние ночные периоды на средних и приполярных широтах, когда действующая высота верхнего отражающего слоя становится меньше 300 км. В этих условиях длина радиолинии уменьшается почти до 3000 км. Поэтому МПЧ радиолинии длиной 3000 км является стандартным параметром контроля станций мировой сети ионосферного контроля и определяется ими при всех сеансах зондирования.

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность обеспечения постоянной круглогодичной и круглосуточной радиосвязи в КВ диапазоне в условиях авроральных явлений (Северное сияние) на арктических и прилегающих территориях РФ и Северного Ледовитого океана, составляющих около половины территории РФ, при нестабильной ионосфере.

Задача - расширение зоны обслуживания системы связи на приполярные и арктические территории и акватории РФ и Северного Ледовитого океана с организацией в этих районах устойчивой круглосуточной радиосвязи в ДКМВ диапазоне, не зависящей от авроральных явлений в течение года.

Для решения поставленной задачи в территориальную сеть для радиосвязи в условиях авроральных явлений, содержащую наземные многоканальные стационарные базовые узлы территориального радиодоступа (УТР), количество которых зависит от требуемой общей зоны покрытия, каждый из которых содержит разнесенные приемный (ПРЦ) и передающий (ПДРЦ) радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС), узлы внешнего радиодоступа (УВР) с различными антеннами и другим оборудованием, а также стационарные узлы зенитного радиодоступа (УЗР), согласно изобретению, введены аэростатные ретрансляторы, размещенные в грузовых кабинах соответствующих беспилотных высотных аэростатов с необходимой грузоподъемностью для размещения груза в виде УТР и узлов внешнего радиодоступа аэростата (УВРА) с необходимыми устройствами питания и управления, причем их коротковолновые и другие антенны размещены как внутри радиопрозрачного корпуса аэростата, так и снаружи грузовой кабины.

На фиг. 3 представлена схема соединения разнесенных центров узла и их подключения к ЕАСС предлагаемой территориальной сети; на фиг. 4 - функциональная схема предлагаемой территориальной сети.

На фиг. 3 и фиг. 4 приняты следующие обозначения:

1 - стационарные базовые узлы территориального радиодоступа (УТР);

2 - стационарные узлы зенитного радиодоступа (УЗР);

3 - стационарные узлы внешнего радиодоступа (УВР);

3.1 - узлы внешнего радиодоступа на аэростате (УВРА);

6 - аэростатные ретрансляторы.

Сплошные линии на фиг. 3 обозначают кабельные или радиорелейные соединительные линии узлов сети с ЕАСС, а также выделенные линии межузловой связи. Пунктирные линии обозначают межузловые магистральные радиолинии с использованием моды 1F2. Штрихпунктирные линии обозначают абонентские линии радиодоступа или прямой связи с использованием моды 1F2.

Предлагаемая территориальная сеть ДКМВ содержит многоканальные стационарные базовые узлы территориального радиодоступа (УТР) 1, количество которых зависит от требуемой общей зоны покрытия, каждый из которых содержит разнесенные приемный (ПРЦ) и передающий (ПДРЦ) радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС); узлы внешнего радиодоступа (УВР) 3 с различными антеннами и другим оборудованием, а также стационарные узлы зенитного радиодоступа (УЗР) 2. Кроме того, УТР 1 и узлы внешнего радиодоступа на аэростате (УВРА) 3.1 размещены на беспилотных аэростатах (дирижаблях) 6, управляемых по наземным линиям УКВ связи с пунктов наземного развертывания (обеспечения) аэростатов.

При этом УТР 1 расположены как на аэростатных ретрансляторах 6, так и в наземных радиоцентрах. Мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы 4 (CAT) (на фиг. 3 и 4 не показаны), основной и запасной центры управления радиосетью (ЦУС) 5 (на фиг. 3 и 4 не показаны) расположены на земле, как и в прототипе.

Аэростатные ретрансляторы 6 с УТР 1 и УВРА 3.1 с необходимыми устройствами питания и управления расположены в грузовых кабинах, подвешенных к беспилотным аэростатам снаружи. Причем коротковолновые и другие антенны размещены как внутри радиопрозрачного корпуса аэростата, так и снаружи грузовой кабины.

Расположение и соединение УТР 1, (находящиеся на земле), а также УЗР 2 и УВР 3 аналогично тому, как это описано в сети-прототипе.

Территориальная сеть обслуживает мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы, расположенные или перемещающиеся в любой точке сплошной территориальной зоны доступа, осуществляет подключение к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС) и покрывает ионосферной связью ДКМВ обширные территории на больших расстояниях.

Работа предлагаемой территориальной сети происходит следующим образом.

После получения приказа на проведение сеанса связи происходит включение необходимых радиопередатчиков и радиоприемников нужного диапазона (КВ, УКВ), и ведется радиообмен.

Функционирование стационарных базовых узлов, расположенных на земле, (УТР 1, УЗР 2, УВР 3) происходит так же, как и в сети-прототипе.

Но введенные аэростатные ретрансляторы 6 с УТР 1 и УВРА 3.1 позволяют получить увеличение дальности связи в УКВ диапазоне в пределах прямой видимости на земле до 700 км (тогда как в наземном варианте до 30 км), за счет высоты подъема антенн до 25 км в соответствии с формулой Введенского (М.П. Долуханов «Распространение радиоволн», «»Связь» М. 1972) , где - дальность связи (км), и - высота расположения приемопередающих антенн (м), а также до 1200 км в пределах прямой видимости между аэростатами и свыше 1200 км пространственной волной в диапазоне КВ. Дальность связи пространственной волной в диапазоне КВ на штатные рамочные антенны зенитного излучения, установленные на грузовой кабине до 500÷600 км.

Таким образом, полученная система ретрансляторов, из совокупности размещенных вдоль побережья Северного ледовитого океана аэростатов, образуют расширенную территориальную сеть связи между удаленными населенными пунктами на субарктических территориях Сибири и Дальнего Востока на малонаселенных восточных территориях.

Введение аэростатных ретрансляторов 6 позволяет увеличить высоту установки антенн КВ и УКВ сети до 1000 раз (при подъеме до 20000-30000 м) с увеличением дальности связи КВ в направлении параллелей при возмущенной ионосфере и отсутствии отраженных волн в пределах прямой видимости до 30 раз (около 1200 км) и более, между высотными объектами прямой волной без использования ионосферных волн от нестабильной ионосферы (то есть трансаврорально), а также увеличить дальность УКВ радиоканалов, и до 7000 км в меридиональных к югу направлениях и между всеми узлами наземной КВ сети, в том числе и находящимися в авроральной зоне, (см. фигуру 4) при наличии ионосферных волн в невозмущенных областях и позволяет создать крупномасштабную территориальную арктическую сеть радиосвязи, независимую от авроральных колебаний состояния ионосферы со снижением плотности размещения, (а соответственно и общей стоимости сети для больших территорий) наземных радиоцентров, что актуально для циркумполярных государств.

Технические, экономические и экологические преимущества предлагаемого технического решения достаточно очевидны, поскольку его использование:

1) приводит к покрытию связью больших территорий Севера РФ, не имеющих сейчас развитой связной инфраструктуры, кроме уязвимой спутниковой связи, не обеспечивающей сплошного покрытия рассматриваемых территорий;

2) приводит к покрытию связью обширных акваторий Северного ледовитого океана на которых, кроме спутниковой связи, передача данных в ДКМВ диапазоне возможна лишь между курсирующими морскими и воздушными судами, в пределах переменной прямой видимости в периоды нестабильной ионосферы (северное сияние);

3) обеспечивает каналы связи в ДКМВ диапазоне между аэростатными ретрансляторами не зависящие от состояния ионосферы как в пределах прямой видимости (1200-1500 км), так и за горизонтом с использованием отражений от ионосферы;

4) обеспечивает общую стоимость нескольких (5-7) аэростатов для связи от Мурманска до Камчатки по предварительным расчетам гораздо меньше стоимости наземной связной инфраструктуры, создаваемой на малозаселенной территории в жестких климатических условиях с ранимой экологией северной биосферы.

Новизна предлагаемого технического решения состоит в том, что оно позволяет организовать надежную связь в КВ диапазоне на больших расстояниях в высоких широтах, поскольку в настоящее время территориальных сетей связи КВ диапазона в приполярных районах не существует.

Предлагаемые вводимые в сеть аэростатные ретрансляторы могут быть реализованы на основе серийно выпускаемых конструкций (например, таких как «Атлант») производимых в РФ, или зарубежных типа Sky Station (средства разведки и ретрансляционные станции связи, высота до 30 км), StratSat (мобильная телефония, телевидение, интернет и мониторинг), система SkyLinc (интернет), HASPA (телекоммуникации и интернет), японский комплекс «Стратосферная сеть беспроводного доступа (Stratospheric Wireless Access Network)». Использовать вводимые в сеть аэростаты необходимо с длительными сроками дежурства.

В качестве аппаратной составляющей аэростатных ретрансляторов можно использовать готовое оборудование, например, мобильного комплекса Р-166, за исключением антенн, которые необходимо адаптировать к размещению внутри полости аэростата. Например, внутрь оболочки аэростата можно поместить четыре переключаемые логопериодические антенны КВ диапазона, повернутые на 90° относительно друг друга или две дипольные ортогональные антенны для покрытия направлений в секторе углов 360° или диапазонную вертикальную биконическую антенну с круговой диаграммой направленности.

Таким образом, предлагаемое техническое решение вполне реализуемо с использованием существующих технологий и может быть воспроизводимо в условиях массового производства практически на любом авиастроительном предприятии с использованием недефицитных современных материалов.

Достигаемый технический результат - расширение зоны обслуживания системы связи на приполярные и арктические территории и акватории РФ и Северного Ледовитого океана с организацией в этих районах устойчивой круглосуточной радиосвязи в ДКМВ диапазоне, не зависящей от авроральных явлений в течение года.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области построения территориальных сетей декаметрового диапазона радиоволн (ДКМВ) радиосвязи. Техническим результатом является расширение зоны обслуживания системы связи на приполярные и арктические территории и акватории РФ и Северного Ледовитого океана с организацией в этих районах устойчивой круглосуточной радиосвязи в ДКМВ диапазоне, не зависящей от авроральных явлений в течение года. Упомянутый технический результат достигается тем, что в территориальную сеть ДКМВ введены аэростатные ретрансляторы (6), размещенные в грузовых кабинах соответствующих беспилотных высотных аэростатов вдоль побережья Северного Ледовитого океана на высоте до 25 км для размещения груза в виде узлов территориального доступа (УТР) (1) и узлов внешнего радиодоступа аэростата (УВРА) (3.1) с устройствами питания и управления, причем их коротковолновые и другие антенны размещены как внутри радиопрозрачного корпуса аэростата, так и снаружи грузовой кабины. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Территориальная сеть декаметрового диапазона радиоволн (ДКМВ) для радиосвязи в условиях авроральных явлений, содержащая наземные многоканальные стационарные базовые узлы территориального радиодоступа (УТР), количество которых зависит от требуемой общей зоны покрытия, каждый из которых содержит разнесенные приемный (ПРЦ) и передающий (ПДРЦ) радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС), узлы внешнего радиодоступа с антеннами, а также стационарные узлы зенитного радиодоступа, отличающаяся тем, что введены аэростатные ретрансляторы, размещенные в грузовых кабинах соответствующих беспилотных высотных аэростатов вдоль побережья Северного Ледовитого океана на высоте до 25 км для размещения груза в виде УТР и узлов внешнего радиодоступа аэростата (УВРА) с устройствами питания и управления, причем их коротковолновые антенны размещены как внутри радиопрозрачного корпуса аэростата, так и снаружи грузовой кабины.

2. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что внутри радиопрозрачного корпуса аэростата, кроме коротковолновых антенн, размещены две дипольные ортогональные антенны.

3. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что внутри радиопрозрачного корпуса аэростата, кроме коротковолновых антенн, размещена диапазонная вертикальная биконическая антенна с круговой диаграммой направленности.