Система радиосвязи с подвижными объектами
Полезная модель относится к радиосистемам обмена данными и может быть использована для информационного обмена между подвижными объектами (ПО) и наземными комплексами (НК). Основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей системы за счет автоматического определения государственной принадлежности воздушных судов, в том числе находящимися за пределами прямой видимости, сопровождения их по маршруту следования. Для реализации технической задачи в ПО введен загрузчик данных с входом/выходом для постоянной и плановой информации, а в НК - запоминающее устройство с входом/выходом для оперативной смены массива данных, подключенное к входу/выходу вычислителя АРМ.
Полезная модель относится к системам обмена данными и может быть использована для реализации информационного обмена между подвижными объектами (ПО) и источниками (получателями) информации системы через наземные комплексы (НК).
Известны системы определения местонахождения и слежения за удаленными подвижными объектами, состоящие из первичных и вторичных радиолокаторов [1], устройств, обеспечивающих обнаружение целей «на просвет». Все эти устройства содержат: передатчик, приемник, одну или несколько антенн, модулятор и демодулятор, устройства обработки передаваемых и принимаемых сигналов, регистрирующее устройство (в большинстве случаев - индикатор воздушной обстановки).
Одним из аналогов является система вторичной радиолокации, содержащая, например, бортовые ответчики на воздушных судах и наземный локатор «Корень-АС» с аппаратурой приема и отображения информации «Комета-2М» [2]. Бортовая и наземная аппаратура состоит из одноименных элементов: передатчика и приемника, модулятора и демодулятора, устройств обработки передаваемых и принимаемых сигналов, устройства регистрации. Конструктивно эти элементы различаются между собой из-за особенностей размещения: бортового или наземного. Бортовой комплекс (ответчик) связан с различными датчиками воздушного судна (ВС): навигационной системой, системой самолетовождения. Снимаемые с ВС по каждому запросу с земли цифровые данные на регистрирующем устройстве отображаются в виде 16 формуляров, значении азимута и дальности (при вызове ВС), высоты полета и номера ВС, вектора экстраполяции по времени и дальности, вызываемые по всем ВС, оборудованными ответчиками.
Однако аналогу присущи следующие недостатки:
- для уменьшения углов закрытия требуются сложные громоздкие сооружения (горки, мачты), на которые устанавливается наземный комплекс;
- определение государственной принадлежности ВС осуществляется только в пределах прямой видимости;
- наземное оборудование, в том числе система вращения антенны, потребляет электроэнергию, мощностью до 10 кВт [2];
- большое число элементов, в том числе электромеханических, снижают среднее время наработки на отказ системы;
- для поддержания работоспособности наземной аппаратуры, работающей непрерывно, требуются значительные эксплуатационные расходы и обслуживающий персонал.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [3], которая и принята за прототип.
Система радиосвязи с подвижными объектами состоит из М наземных комплексов. Каждый из НК содержит наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ). Первый вход вычислителя подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ. Формирователь типа ретранслируемых сообщений соединен с соответствующим входом вычислителя АРМ. В состав каждого из N подвижных объектов входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений. Каждый из них соединен с соответствующими входами бортового вычислителя, вход/выход которого подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом. Бортовой вычислитель соединен с входом блока регистрации данных и через последовательно соединенные бортовую аппаратуру передачи данных, бортовую радиостанцию подключен к бортовой антенне. Передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого ПО, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке. Наземная сеть передачи данных с входом/выходом системы для обмена данными со смежными системами подключена двухсторонними связями к каждому из М НК, в том числе к каждому из (М-1)-го разнесенных территориально НК. Наземная сеть передачи данных по информационному взаимодействию объединяет между собой все НК. На каждом ПО установлена бортовая радиостанция ДКМВ диапазона, первый и второй входы/выходы которой подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам бортового вычислителя и бортовой аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к бортовой антенне ДКМВ диапазона. В НК
установлена наземная радиостанция ДКМВ диапазона, первый и второй входы/выходы которой подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к наземной антенне ДКМВ диапазона.
Однако системе присущи следующие недостатки:
- отсутствует возможность определения государственной принадлежности и идентификации воздушных судов;
- информация о государственной принадлежности воздушных судов не выводится на экран монитора АРМ системы, что затрудняет действия оператора;
- информация о государственной принадлежности воздушных судов не передается на соседние НК, что усложняет процедуру слежения за движением иностранных ВС.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей системы за счет автоматического определения государственной принадлежности и идентификации воздушных судов, в том числе находящимися за пределами прямой видимости, сопровождения их по маршруту следования.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из М наземных комплексов, каждый из которых содержит наземные антенны MB и ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с радиостанциями MB и ДКМВ диапазонов, которые подключены двухсторонними связями через наземную аппаратуру передачи данных (АПД) к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места, первый вход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, формирователь типа ретранслируемых сообщений, соединенный двухсторонними связями со вторым входом/выходом вычислителя АРМ, третий вход/выход вычислителя АРМ соединен с соответствующим входом/выходом наземной сети передачи данных, N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые антенны MB и ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с бортовыми радиостанциями MB и ДКМВ диапазонов, которые подключены двухсторонними связями через бортовую аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу бортового вычислителя, бортовой анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений подключены к второму и третьему входам/выходам
бортового вычислителя соответственно, бортовые датчики и приемник сигналов навигационных спутниковых систем подключены к первому и второму входам бортового вычислителя соответственно, выход бортового вычислителя подключен к входу монитора, четвертый вход/выход бортового вычислителя подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого ПО, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, наземная сеть передачи данных с входом/выходом системы подключена двухсторонними связями к каждому из М НК, на каждом наземном комплексе введено дополнительно запоминающее устройство с входом/выходом для оперативной смены массива данных, подключенное к четвертому входу/выходу вычислителя АРМ, пятый вход/выход которого подключен к управляющему входу/выходу наземной радиостанции ДКМВ диапазона, а на каждом подвижном объекте введен дополнительно загрузчик данных с входом/выходом для ввода данных, соединенный двухсторонними связями с пятым входом/выходом бортового вычислителя, шестой вход/выход которого подключен к управляющему входу/выходу бортовой радиостанции ДКМВ диапазона.
На фиг.1 представлена структурная схема системы радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено: 1 - наземный комплекс; 2 - подвижный объект; 3 - вход/выход наземного комплекса 1 для наземной сети передачи данных; 4 - вход/выход наземной сети передачи данных, которая условно показана на фиг.1 в виде линии.
Система радиосвязи с ПО содержит М территориально разнесенных наземных комплексов связи 1, структурная схема которых приведена на фиг.3, и N подвижных объектов 2, структурная схема которых представлена на фиг.2, связанных между собой каналами 31 связи «Воздух-Воздух» MB диапазона, а с помощью каналов 32 радиосвязи «Воздух-Земля» MB и 33 ДКМВ диапазонов с М наземными комплексами 1, которые объединены между собой и с наземными пользователями, которые не указаны на фиг.1, с помощью своих входов/выходов 3 и входа/выхода 4 наземной сети передачи данных.
Структурная схема подвижного объекта 2 представлена на фиг.2, где обозначено:
5 - бортовой вычислитель;
6 - бортовые датчики;
7 - бортовой приемник сигналов глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS с антенной;
8 - блок регистрации данных;
9 - бортовой анализатор типа принимаемых сообщений;
10 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
11 - бортовая аппаратура передачи данных;
12 - радиостанция ДКМВ диапазона;
13 - радиостанция MB диапазона;
14 - антенна ДКМВ диапазона;
15 - антенна MB диапазона;
16 - загрузчик данных с входом/выходом 17 для ввода данных;
18 - двунаправленный бортовой интерфейс с системой управления ПО.
Структурная схема наземного комплекса 1 связи представлена на фиг.3, где обозначено:
3 - вход/выход наземного комплекса 1 для наземной сети передачи данных;
19 - наземная антенна MB диапазона;;
20 - наземная радиостанция MB диапазона;
21 - наземная антенна ДКМВ диапазона;
22 - наземная радиостанция ДКМВ диапазона;
23 - наземная аппаратура передачи данных;
24 - вычислитель автоматизированного рабочего места (на базе ПЭВМ);
25 - наземный приемник сигналов навигационных спутниковых систем с антенной;
26 - формирователь типа ретранслируемых сообщений;
27 - монитор АРМ;
28 - пульт управления АРМ,
29 - запоминающее устройство с входом/выходом 30 для оперативной смены массива данных.
В состав НК 1 входят наземные антенны 19 MB и 21 ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с радиостанциями 20 MB и 22 ДКМВ диапазонов, подключенные двухсторонними связями через аппаратуру передачи данных 23 к первому входу/выходу вычислителя 24 автоматизированного рабочего места. Второй вход/выход вычислителя 24 подключен к управляющему входу радиостанции 22
ДКМВ, третий вход/выход - к входу/выходу 4 наземной сети передачи данных. К четвертому входу/выходу вычислителя 24 подключено запоминающее устройство 29. Первый вход вычислителя 24 подключен к выходу приемника 25 сигналов навигационных спутниковых систем (например, ГЛОНАСС/GPS), второй вход - к пульту управления 28 АРМ, третий вход - к формирователю 26 типа ретранслируемых сообщений, а выход - к монитору 27 АРМ. В запоминающее устройство 29 через вход/выход 30 вводятся, например, со стандартного диска типа CD-RW, данные классификатора IСАО о авиакомпаниях мира и бортовых номерах принадлежащих им ВС, прогнозные и текущие планы полетов, другая необходимая информация. Кроме того, в запоминающее устройство 29 через вход/выход 3 наземной сети передачи данных и вычислитель 24 могут быть введены дополнительные данные. При модернизации НК 1 через вход/выход 30 может быть осуществлена оперативная смена массива данных.
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Воздушное пространство разбивают на информационные районы полета (ИРП) размером 1000-1200 км. В каждом ИРП располагают, хотя бы один НК, ответственный за информационное обеспечение полетом. Осуществляют связь каждого ПО 2 с НК 1, находящегося в зоне ответственности данного НК 1, или в MB диапазоне или в ДКМВ диапазоне в зависимости от удаления от НК 1. В зоне прямой радиовидимости (до 200-300 км) обеспечивают связь в MB диапазоне, за пределами прямой видимости, если не удается увеличить радиус зоны управления до 1000-1200 км с помощью ретрансляции по каналам «Воздух-Воздух» MB диапазона, связь организуют в ДКМВ диапазоне.
Обмен данными по каналу «Воздух-Земля» в MB диапазоне между ПО 2 и НК 1 осуществляют на рабочей частоте, назначаемой для каждого НК 1. Список частотной поддержки MB связи, содержащий список М наземных комплексов НК 1 с их адресами, координатами, назначенными им частотами, а также частотой связи «Воздух-Воздух», доводят по наземной сети передачи данных до каждого НК 1 оперативно через вход/выход 30 и запоминающее устройство 29, а также во время предполетной подготовки до каждого ПО 2 через вход/выход 17 и загрузчик 16 данных. В каждом сообщении с ПО 2 независимо от его назначения и режима работы линии передачи данных: ACARS, VDL-2, VDL-3, VDL-4 присутствуют сведения об авиакомпании, выполняемом рейсе и бортовых номерах принадлежащих ей воздушных судов. Принятое через узлы 19, 20, 23 на НК 1 сообщение анализируется
в наземном вычислителе 24. По классификатору IСАО, заложенному в запоминающем устройстве 29, определяется страна, к которой принадлежит ПО 2, его тип и маршрут полета. По условному обозначению авиакомпании, например, LH - Lufthansa, определяют государственную принадлежность ПО 2 - Германия. При определении государственной принадлежности, отклонении ПО 2 от маршрута, аварии на борту, нападении на экипаж и других чрезвычайных ситуациях вблизи точки на экране монитора 27 АРМ, характеризующей текущее местоположение ПО 2, с помощью наземного вычислителя 24 формируется символ или другая отметка, которая должна привлечь внимание оператора (диспетчера), например, визуально мерцанием или цветом. Через вход/выход 3 наземного вычислителя 24 эта информация передается соответствующим пользователям: соседние НК 1 и другие объекты, которые обеспечивают сопровождение этого ПО 2. При необходимости пользователей на подвижный объект 2 могут быть переданы команды, позволяющие уменьшить риск в текущей ситуации.
Передачу данных в ДКМВ диапазоне между ПО 2 и НК 1 осуществляют на рабочей частоте, назначаемой для каждого НК 1 по результатам долгосрочного прогноза. По долгосрочному прогнозу разрабатывают таблицу частотно-временного расписания ДКМВ связи для каждого НК 1 на сутки и доводят до НК 1 по наземной сети передачи данных. Системную таблицу ДКМВ связи, содержащую список М наземных комплексов НК 1 с их координатами, адресами и таблицами их частотно-временного расписания, доводят до каждого ПО 2 во время предполетной подготовки через загрузчик 16 данных с входом/выходом 17. В каждом сообщении в ДКМВ диапазоне с ПО 2, например, в режиме работы адаптивной линии передачи данных HFDL, всегда присутствуют сведения об авиакомпании и бортовом номере, принадлежащего ей воздушного судна. Поэтому принятое в ДКМВ диапазоне сообщение проходит все стадии обработки, характерные для MB диапазона. Особенностью этого режима является то, что определение государственной принадлежности осуществляется за пределами прямой видимости ПО 2 на расстояниях 600-5000 км.
Для увеличения жизненного цикла бортового оборудования ПО в условиях непрерывного наращивания функциональных требований со стороны ICAO к многорежимной работе каналов передачи данных, сокращения затрат на модернизацию бортового комплекса 1 реализуются, например, принципы «радио, задаваемого программой» (Software Definition Radio (SDR)), т.е. принципы программного
исполнения основных функций связной авионики, включая частоты настройки радиосредств, полосы, спектральные маски фильтрации сигналов, физические, канальные и сетевые уровни всех режимов передачи данных в ДКМВ и MB диапазонах.
В наземной аппаратуре 23 передачи данных реализуют протоколы обмена данными в ДКМВ и MB каналах физического уровня (модемов-кодеков) с помощью цифровой обработки сигналов.
Для обеспечения ДКМВ связи разбивают время использования каждого ДКМВ частотного канала на временные кадры длительностью 32 с, а каждый кадр разбивают на 13 временных слотов длительностью 2,46 с для реализации протокола множественного доступа к каналу с временным разделением (TDMA). В первом слоте каждого кадра излучают сигнал маркера, содержащий квитанции на все сообщения, принятые НК 1 от разных ПО 2 в предыдущих двух кадрах, номиналы активных частот двух соседних НК 1, версию базы данных (системной таблицы), а также назначения использования слотов с 4-го по 13-ый текущего кадра и слотов 2-го и 3-го следующего кадра. В конце каждого кадра для каждого слота следующего кадра производят назначение использования этого слота для передачи с земли (НК 1) или для передачи с конкретного борта (ПО 2) по его предварительному запросу слота доступа, или для передачи с любого борта ПО 2 в режиме случайного доступа. Это назначение передается в маркере (сквиттере). Затем производят обмен пакетными данными «Воздух-Земля» на каждом активном ДКМВ канале в режиме HFDL с множественным доступом, например, L (до 26) подвижным объектам (при интенсивности потока 11 сообщений с борта и 6 сообщений с земли в час). При меньшей интенсивности потока сообщений возможно обслуживание большего количества ПО 2 на одном частотном канале HFDL. В ДКМВ диапазоне инициируют регистрацию на выбранной частоте связи (на соответствующем НК 1), осуществляют обмен пакетными данными в режиме TDMA HFDL через ДКМВ радиоканал «Воздух-Земля» с НК 1, на котором ПО 2 зарегистрирован, до тех пор, пока качество ДКМВ радиоканала «Воздух-Земля» превышает допустимый уровень. При ухудшении качества ДКМВ радиоканала ниже допустимого уровня выбирают новый ДКМВ радиоканал и соответствующий ему НК 1 и затем ПО 2 регистрируются на новом ДКМВ радиоканале и новом НК 1.
Для обеспечения MB связи на каждом НК 1 на каждой разрешенной MB частоте производят излучение сигналов маркеров (сквиттеров), которые являются
сигналами связи/управления/синхронизации, с периодом 2 минуты. Сигналы маркеров разнесены во времени, чтобы ПО 2 могли оценить качество сигналов разных НК 1 и выбрать НК 1 для связи. Затем осуществляют обмен пакетными данными «Воздух-Земля» на активном MB канале для режима VDL-2 в режиме множественного доступа к каналу с прослушиванием несущей (CSMA) или на активном канале для VDL-4 в режиме множественного доступа к каналу с временным разделением и с самоорганизацией (STDMA). Активная частота MB связи и режим (например, VDL-2 или VDL-4) задаются вычислителем 24. На каждом ПО 2 по результатам оценки качества принятых сигналов маркеров разных НК 1 для каждого диапазона волн (ДКМВ и MB) выбирают лучшую частоту связи.
В MB диапазоне на каждом подвижном объекте 2 инициируют процедуру поиска частоты при включении оборудования или после разъединения линии, если ПО 2 не может больше обнаружить VDL пакеты от наземного комплекса 1 связи на текущей частоте. На ПО 2 пытаются идентифицировать частоту, на которой доступны услуги VDL, например, с помощью настройки радиостанции на общий канал сигнализации (CSC) и на другие частоты, на которых доступны услуги VDL. На ПО 2 сканируют частоту до тех пор, пока не обнаружат правильный пакет VDL с приемлемым адресом источника, или пока не истечет время таймера сканирования. В таком случае на ПО 2 настраивают радиостанцию на другую частоту и продолжают сканирование. На ПО 2 инициируют процедуру восстановления частоты, если он не может установить линию на текущей частоте или, если подуровень управления протоколом доступа к каналу (MAC) индицирует, что текущая частота перегружена. При этом настраивают радиостанцию на альтернативную частоту, используя данные из списка частотной поддержки, предварительно принятого по текущей линии связи. ПО 2 и НК 1 реализуют, например, следующие процедуры для организации радиоканала связи MB диапазона, например, в соответствии с DO-224A [9]:
- идентификацию наземной станции;
- начальную установку линии;
- модификацию параметров линии;
- «хэндофф», инициируемый ПО 2;
- «хэндофф», инициируемый НК 1 по запросу ПО 2;
- «хэндофф», инициируемый НК 1;
- «хэндофф», инициируемый ПО 2 по запросу НК 1;
- широковещательный «хэндофф» по запросу НК 1;
- автонастройку.
Оборудование ПО 2 начинает анализировать сигналы маркеров MB и ДКМВ диапазонов, находясь на стоянке в зоне аэропорта после включения питания и проведения автоматического встроенного контроля технической исправности. Независимо от функционирования канала связи MB диапазона ПО 2 постоянно поддерживает канал связи ДКМВ диапазона в режиме HFDL с тем НК 1, качество радиоканала с которым является наилучшим или приемлемым. Во время полета каждым ПО 2 обеспечиваются автоматический выбор рабочей частоты из списка разрешенных частот, случайный и резервированный доступ к каналу связи с режиме множественного доступа с временным разделением, обмен данными с территориально разнесенными наземными комплексами 1, объединенными с помощью наземной сети передачи данных в единую систему.
Во время движения подвижные объекты 2, находящиеся в пределах радиогоризонта НК 1, обмениваются навигационными и другими данными, в том числе содержащими сведения о принадлежности к авиакомпании и номере рейса, по радиолинии связи MB диапазона с наземным комплексом 1. Принимаемые наземной радиостанцией 20 из канала «Воздух-Земля» сообщения через аппаратуру 23 передачи данных поступают в наземный вычислитель 24 АРМ, который может быть выполнен на базе серийной ПЭВМ. В нем в соответствии с принятым в системе протоколом обмена проводится идентификация принятого в сообщении адреса ПО 2 с адресами подвижных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 24 АРМ и запоминающего устройства 29. При совпадении адреса подвижного объекта 2 с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО 2, бортовом номере, принадлежности к авиакомпании, номере рейса и состоянии его датчиков запоминается в вычислителе 24 АРМ. В наземном вычислителе 24 АРМ решаются задачи обеспечения постоянной устойчивой радиосвязи со всеми N ПО 2, определения государственной принадлежности по индексу, например, авиакомпании или судоходной компании, и идентификации типа воздушного судна (или морского судна) по известному классификатору Международной организации гражданской авиации (ICAO) (или Международной морской организации) (IMO). Информация об указанных индексах и типах ПО хранится в запоминающем устройстве 29 с входом/выходом 30 для оперативной смены массива данных наземного комплекса 1. При необходимости коррекции массива
данных или ввода дополнительных данных используется вход/выход 3 наземного комплекса 1 для наземной сети передачи данных, подключенный к соответствующему входу/выходу наземного вычислителя 24 АРМ. На основе информации о государственной принадлежности, типах ПО 2, точном местонахождении всех ПО 2 и параметрах их движения осуществляются операции запоминания этих сообщений в наземном вычислителе 24 АРМ и вывод необходимых данных на экран монитора 27 АРМ ПК 1 в виде, удобном для восприятия оператором (диспетчером), сопровождения ПО 2 соответствующим образом по маршруту.
При выходе за пределы радиогоризонта НК 1 хотя бы одного из ПО 2 или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, наземным комплексом 1 определяется программно один из ПО 2, который назначается первым ретранслятором сообщений. При постоянном изменении дальности между ПО 2 и НК 1 в качестве ретранслятора в течение определенного времени может быть назначен любой из N ПО 2, местоположение которого известно и оптимально по отношению к НК 1 и всем остальным ПО 2. По анализу местоположения и параметров движения остальных ПО 2 определяются оптимальные пути доставки сообщений к удаленному от НК 1 за радиогоризонт подвижному объекту 2 - получателю сообщения. Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую при необходимости из нескольких (от 1 до (N-1)) ПО 2, может быть доставлено к требуемому ПО 2 - получателю. Для этого на НК 1 в формирователе 26 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладываются адрес ПО 2, назначенного первым ретранслятором, при необходимости адреса других подвижных объектов 2 - ретрансляторов, и адрес ПО 2 - получателя, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые и обработанные на ПО 2 устройствами 15, 14, 13, 12, 11 и 5 сообщения поступают в блок 9 анализа типа сообщений. Если сообщение предназначено для данного ПО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 18 на систему управления ПО 2, или о передаче сообщения в режиме ретрансляции к соседнему ПО 2. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении и осуществляется ретрансляция данных последовательно во времени. При обмене данными по линии связи «оператор-пилот» (CPDLC), особенно при наличии потенциально конфликтной ситуации, экипаж должен полностью выполнять команды оператора НК 1, имеющего больший объем информации о ситуации воздушного движения в своей зоне ответственности.
Для этого с НК 1 оператором посылается на ПО 2 соответствующее сообщение, которое отображается на экране бортового блока 8 регистрации данных в виде согласованной отметки и формуляров, в которых могут быть отображены, например, требования о необходимости выполнения экипажем определенных действий. На основании принятых с НК 1 данных в бортовом вычислителе 5 ПО 2 совместно с наземным вычислителем 24 решается задача наличия опасных сближений с соседними ПО 2 с учетом их прогнозируемых положений и возможных маневров, определяется время следующих сеансов связи с получателями информации, подключенных к входу/выходу 4 наземной сети передачи данных. По информации, отображаемой на экране бортового блока 8 регистрации данных, экипажем ПО 2 по согласованию с оператором НК 1 при необходимости определяется направление дальнейшего движения и выполняемые маневры.
Для каждого ПО 2 тенденции движения соседних ПО 2 и их государственная принадлежность при необходимости могут быть отображены на экране собственного бортового блока 8 регистрации данных, а на экране монитора 27 АРМ - всех ПО 2 в районе действия НК 1 с помощью характеризующих предыдущее местоположение ПО 2 отметок, формируемых вычислителями 5 и 24. По мере движения ПО 2 устаревшие отметки стираются. С загрузчика 16 данных через вход/выход 17 вводятся данные, например, с стандартной дискеты, о авиакомпании, которой принадлежит ВС, его бортовом номере, плане полета и другая необходимая информация. Загрузка в память бортового вычислителя 5 необходимых данных в виде системной таблицы, содержащей списки адресов, координат наземных комплексов и назначенных им частот связи, осуществляется во время предполетной подготовки каждого подвижного объекта 2. Системные таблицы загружаются также с помощью вычислителя 24 через вход/выход 3 наземной сети передачи данных.
НК 1 гарантирует для каждого зарегистрированного на нем ПО 2 требуемые системные характеристики, а именно вероятность своевременной доставки сообщения с информацией о государственной принадлежности, типах и местоположении ПО 2 с заданной достоверностью и интенсивностью потока сообщений. Зная точные количественные зависимости указанных параметров для разных режимов обмена данными, НК 1 прогнозирует системные характеристики в зависимости от количества зарегистрированных на одном частотном канале ПО 2 и прекращает регистрацию новых ПО 2 (выставляет флаг «занятости» канала связи в сквиттеpax),
если прогнозируемые системные характеристики деградируют ниже заданного уровня, уменьшая тем самым вероятность коллизий случайного доступа и, следовательно, задержку передачи сообщения.
Сообщения о государственной принадлежности, типе, местоположении ПО 2 и параметрах его движения с привязкой к всемирному времени, получаемому с выходов приемников 7 и 25 сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS записываются в память вычислителей 5 и 24 [4, 5, 6]. Точная синхронизация слотов, используемых для обмена данными между абонентами системы, и их запланированное использование для передачи известно каждому пользователю по отношению к окружающим пользователям с известными координатами. Распределение слотов по объектам (ПО 2) осуществляется в вычислителях 5 и 24 с использованием координат объектов. Чем дальше находится ПО 2 от аэродрома или от зоны интенсивного движения ПО 2, тем меньше ему отводится слотов для передачи данных. Такая информация позволяет каждому НК 1 организовать высокоэффективное использование канала связи.
В вычислителях 5 и 24 данные о государственной принадлежности, типе, местоположении ПО 2 используются для расчета навигационных характеристик, построения трасс движения каждого ПО 2, проведения других операций. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ПО 2 в вычислителе 5 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 2. Это время используется в вычислителе 24 НК 1 для известной операции построения экстраполяционных отметок от ПО 2 и определения других характеристик ПО 2 [4, 5]. В аппаратуре передачи данных 23 НК 1 и АПД 11 ПО 2 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования.
Благодаря наземной сети передачи данных для каждого ПО 2, оборудованного радиостанцией 14 ДКМВ диапазона, осуществляется передача пакетов данных автоматического зависимого наблюдения и других приложений CNS/ATM одновременно на несколько НК 1 и прием сквиттеров с нескольких НК 1. В этом случае на ПО 2 определяется НК 1, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В бортовом и наземном вычислителях 5 и 24 хранятся предварительно заложенные таблицы со списками наземных комплексов 1 и наборами назначенных им частот. В бортовом вычислителе
5 заложены также координаты всех НК 1. Каждый НК 1 в ДКМВ диапазоне периодически излучает сигналы маркеров (управления/синхронизации/связи) на всех назначенных ему частотах. Для установления линии связи с НК 1 в бортовой радиостанции 13, бортовой АПД 11 ПО 2 и бортовом вычислителе 5 ПО 2 автоматически анализируются принимаемые сигналы маркеров от всех наземных комплексов 1 на всех частотах и выбираются лучшие частоты (например, по отношению сигнал-помеха или величине мощности принимаемого сигнала) и наземные комплексы 1 за счет реализации известного] принципа адаптации по частоте и пространству [7]. Для повышения достоверности приема информации может быть использован помехоустойчивый код для прямой коррекции ошибок, например, сверточный или Рида-Соломона, и код, обнаруживающий не исправленные в модеме при прямой коррекции ошибки - избыточный циклический CRC [7]. Таким образом, каждый из ПО 2 может выходить на связь на нескольких рабочих частотах, известных всем участникам движения. Списки выделенных частот меняются в зависимости от времени суток и года, с учетом сезонных ионосферных изменений. При движении ПО 2 выходит на связь, выбирая для связи тот НК 1, условия распространения радиоволн для связи с которым в данный момент времени являются оптимальными. При этом совсем не обязательно, чтобы выбранный НК 1 был ближайшим. Составленный таким образом канал связи между ПО 2 и получателем (источником) информации, как правило, будет включать радиолинию ДКМВ диапазона и наземную сеть передачи данных. Этим обеспечивается увеличение дальности определения государственной принадлежности подвижных объектов 2, находящихся на расстояниях от НК 1 от нескольких сотен до 4-6 тысяч километров. Реализация адаптивных методов приема обеспечивает в ДКМВ каналах энергетический выигрыш порядка 9 дБ в сравнении с традиционными модемами с защитным интервалом для борьбы с многолучевостью, что эквивалентно дополнительным 3-4 тысячам км дальности определения государственной принадлежности подвижных объектов 2, при более высокой (в 10-20 раз) скорости передачи данных.
Синхронизация работы абонентов наземной сети передачи данных осуществляется на основе использования всеми абонентами участниками движения единого глобального всемирного координированного времени (UTC), получаемого от существующих объектов глобальной навигационной спутниковой системы.
Для взаимодействия наземных комплексов 1, оконечных пользователей и ПО 2 используется наземная сеть передачи данных. Она может быть реализована различными известными способами, например, при межсетевой работе НК 1 через центры коммутации пакетов, например, в соответствии с протоколом Х.25 [8]. Соединения между НК 1 и абонентами наземной сети передачи данных могут обеспечить трансляцию сообщения, адресованного пользователем определенному ПО 2 на тот наземный комплекс 1, на котором данный ПО 2 «зарегистрирован», и где в данный момент времени обеспечиваются оптимальные условия приема. Система радиосвязи с ПО 2 работает в автоматическом режиме без вмешательства оператора на выбранных частотах из списка частот, назначенного при планировании связи. При передаче данных по ДКМВ линии каждый частотный канал используется по протоколу множественного доступа с временным разделением (TDMA).
Передача маркера на каждой активной частоте имеет свое смещение относительно начала ведущего кадра, указанное в системной таблице. Ведущий кадр начинается каждый день в Топ =00:00.0 универсального координированного времени (UTC) [6, 12]. Этим обеспечивается предотвращение взаимных помех между передачами от наземных комплексов 1 и от многих ПО 2 в одном и том же слоте. На одном канале обеспечивается обслуживание до 26 ПО 2.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы функционирования и соответствующее программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 5, 6-15, 19-28 одинаковые с прототипом.
Вводимые узлы 16 и 29 могут быть выполнены на серийном загрузчике, используемом в современных воздушных судах и модулях перепрограммируемой флеш-памяти соответственно.
Заявляемая модель имеет следующие преимущества:
- обеспечение автоматического определения государственной принадлежности воздушных судов с помощью сигналов линии передачи данных MB диапазона;
- определение государственной принадлежности воздушных судов, находящихся за пределами прямой видимости, с помощью сигналов линии передачи данных ДКМВ диапазона;
- сопровождение воздушных судов по маршруту следования, с использованием признака государственной принадлежности в сообщениях, принятых с ПО 2 по линиям передачи данных MB и ДКМВ диапазонов;
- определение государственной принадлежности воздушных судов в районах, где отсутствуют вторичные обзорные радиолокаторы;
- упрощение процесса определения государственной принадлежности воздушных судов обнаружения за счет постоянного анализа информации с датчиков ПО 2 и формирования на экране монитора АРМ отметки, визуально привлекающей внимание оператора (диспетчера).
ЛИТЕРАТУРА:
1. М.Сколник. Введение в технику радиолокационных систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 747 с.
2. Технические системы и средства, создаваемые для Единой системы организации воздушного движения России. Каталог. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: ОАО «НИИЭИР», 1998. - 159 с.
3. Патент РФ (полезная модель) №52290 U1, М. Кл. Н04В 7/26. (прототип).
4. Д.С.Конторов, Ю.С.Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.; Сов. Радио, 1971, 367 с.
5. Б.И.Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция» ИКАО CNS/ATM. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
6. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
7. Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.
8. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Новые информационные технологии в авиации: Учеб. Пособие / P.M.Ахмедов, А.А.Бибутов, А.В.Васильев и др.; под ред. С.Г.Пятко и А.И.Красова. - СПб.: Политехника, 2004.
9. RTCA/DO-224A. Стандарты минимальных характеристик структур сигналов в эфире авиационных систем (MASPS) для улучшенной ОВЧ цифровой передачи данных, включая совместимость с технологиями цифровой речи. 2000.
Система радиосвязи с подвижными объектами (ПО), состоящая из М наземных комплексов (НК), каждый из которых содержит наземные антенны MB и ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с радиостанциями MB и ДКМВ диапазонов, которые подключены двухсторонними связями через наземную аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу вычислителя автоматизированного рабочего места (АРМ), первый вход которого подключен к приемнику сигналов навигационных спутниковых систем, второй вход - к пульту управления АРМ, а выход - к монитору АРМ, формирователь типа ретранслируемых сообщений, соединенный двухсторонними связями со вторым входом/выходом вычислителя АРМ, а третий вход/выход вычислителя АРМ соединен с соответствующим входом/выходом наземной сети передачи данных, N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые антенны MB и ДКМВ диапазонов, связанные соответственно с бортовыми радиостанциями MB и ДКМВ диапазонов, которые подключены двухсторонними связями через бортовую аппаратуру передачи данных к первому входу/выходу бортового вычислителя, бортовой анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений подключены к второму и третьему входам/выходам бортового вычислителя соответственно, бортовые датчики и приемник сигналов навигационных спутниковых систем подключены к первому и второму входам бортового вычислителя соответственно, выход бортового вычислителя подключен к входу монитора, четвертый вход/выход бортового вычислителя подключен к двунаправленной шине системы управления подвижным объектом, причем передача данных с НК обеспечивается по цепочке последовательно соединенных первого ПО, второго ПО и далее до N-го ПО, а передача данных с N-го ПО на НК осуществляется в обратном порядке, наземная сеть передачи данных с входом/выходом системы подключена двухсторонними связями к каждому из М НК, отличающаяся тем, что в состав системы на каждом наземном комплексе введено дополнительно запоминающее устройство с входом/выходом для оперативной смены массива данных, подключенное к четвертому входу/выходу вычислителя АРМ, пятый вход/выход которого подключен к управляющему входу/выходу наземной радиостанции ДКМВ диапазона, а на каждом подвижном объекте введен дополнительно загрузчик данных с входом/выходом для ввода данных, соединенный двухсторонними связями с пятым входом/выходом бортового вычислителя, шестой вход/выход которого подключен к управляющему входу/выходу бортовой радиостанции ДКМВ диапазона.
