Система радиосвязи с подвижными объектами
Полезная модель относится к радиосистемам обмена данными и может быть использована для информационного обмена между подвижными объектами, наземными комплексами и радиолокаторами.
Основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение дальности устойчивой связи с подвижными объектами за счет использования в качестве маркеров радиосигналов, транслируемых с подвижных объектов по MB, ДКМВ адиолиниям, для совместной обработки на приемной стороне в нескольких наземных комплексах и комплексирования данных при дальнейшей обработке.
Полезная модель относится к системам обмена данными и может быть использована для реализации информационного обмена между подвижными объектами (ПО) и источниками (получателями) информации наземные комплексы (НК).
В настоящее время за рубежом применяется система ACARS - система обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием воздушных судов (ВС) и наземными службами. Она обеспечивает вызов на речевую связь и передачу данных [1].
Бортовой блок управления и связи представляет собой процессор. Основным каналом обмена текущей информации является канал MB диапазона. При полетах на трассах, не оборудованных MB связью (труднодоступные районы, тундра, горные массивы, океан), связь с воздушными судами осуществляется по ДКМВ каналу.
Организацию обмена информацией между наземными службами гражданской авиации и бортовыми системами осуществляет наземный комплекс, он опрашивает воздушные суда, находящиеся в зоне его обслуживания, и собирает с них необходимую информацию. Бортовая система работает в этом случае в режиме адресного опроса. Для того чтобы бортовая система могла работать в режиме адресного опроса, ей необходимо встать на обслуживание в наземном комплексе. Для этого в бортовом комплексе предусмотрен режим прямого доступа. Кроме этих двух режимов, предусмотрена возможность работы в режиме телефонной связи по каналу передачи данных [1, 6].
К недостаткам представленной системы обмена сообщениями между бортовым радиоэлектронным оборудованием воздушных судов и наземными службами, следует отнести трудности управления ПО, находящимися за пределами радиогоризонта НК, который определяется границами оптической видимости. Существующие ДКМВ каналы ВС редко используются для управления полетом ВС из-за плохого качества принимаемых сообщений с одиночного наземного комплекса и отсутствия соответствующей наземной инфраструктуры.
Известен управляющий аппаратно-программный комплекс обмена данными мобильного объекта, состоящий из бортового вычислительного комплекса (БЦВК), аналого-цифрового дисплея (АЦД), клавиатуры, рулонного телеграфного аппарата,
аппаратуры передачи данных (АПД) [2]. БЦВК представляет собой закрепленные на общей раме четыре системных блока и два блока сопряжения, соединенные унифицированной магистралью внешнего обмена через адаптер магистрали. В состав каждого системного блока входят первый контроллер последовательного ввода/вывода для асинхронного режима, второй контроллер последовательного ввода/вывода по готовности, контроллер параллельного ввода/вывода, входы/выходы которых являются входами/выходами аппаратно-программного комплекса. Блоки сопряжения состоят из контроллера вывода информации на рулонный телеграфный аппарат и контроллера обмена информацией с АЦД. Первый системный блок содержит модуль управления обменом информацией с АЦД. Управляющий аппаратно-программный комплекс обмена данными мобильного объекта, состоящий из бортового вычислительного комплекса (БЦВК), аналого-цифрового дисплея (АЦД), клавиатуры, рулонного телеграфного аппарата, аппаратуры передачи данных (АПД), в котором БЦВК представляет собой закрепленные на общей раме четыре системных блока и два блока сопряжения, соединенные унифицированной магистралью внешнего обмена через адаптер магистрали, в состав каждого системного блока входят первый контроллер последовательного ввода/вывода для асинхронного режима, второй контроллер последовательного ввода/вывода по готовности, контроллер параллельного ввода/вывода, входы/выходы которых являются входами/выходами аппаратно-программного комплекса, в состав блоков сопряжения входят контроллер вывода информации на рулонный телеграфный аппарат и контроллер обмена информацией с АЦД, первый системный блок содержит модуль управления обменом информацией с АЦД, модуль вывода данных на рулонный телеграфный аппарат, модуль управления каналами связи, модуль системного времени, второй системный блок содержит модули ввода, коррекции и хранения плановых данных по связи, третий системный блок содержит модули управления комплексами технических средств (КТС), модули управления комплексом коммутационных средств (ККС), четвертый системный блок содержит модуль управления АПД, модули управления сетью передачи данных (СПД), модули формирования заявок на управление каналами связи СПД, модули процесса передачи данных по СПД, модули процесса приема данных по СПД, аппаратура АПД включает четыре канала приема/передачи, входы/выходы которых соединены соответственно с выходами/входами ККС, вход/выход аппаратуры АПД подключен к контроллеру последовательного
ввода/вывода первого системного блока, четыре выхода «Блок занят» и один выход «Готовность» являются входами контроллера параллельного ввода первого системного блока, входом для модуля управления каналами связи являются выход модуля управления АЦД и выход модуля плановых данных, входы/выходы КТС соединены с входами/выходами контроллера последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входами/выходами ККС, входы/выходы ККС соединены с входами/выходами последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входами/выходами АПД и КТС, выход «Готовность» от ККС и выход «Неисправность» от КТС соединены с входами контроллера параллельного ввода третьего системного блока. В первый системный блок введен модуль ввода и обработки полетных данных бортового пилотажно-навигационного комплекса (БПНК), содержащий регистр кода широты, регистр кода долготы, регистр составляющих скорости и регистр кода времени, являющийся выходом модуля системного времени, один их выходов модуля ввода и обработки полетных данных является входом модуля обмена с АЦД, для отображения положения мобильного объекта с привязкой к картографическому фону. Второй системный блок содержит модули ввода, коррекции и хранения плановых данных по связи. Третий системный блок содержит модули управления комплексами технических средств (КТС). Четвертый системный блок содержит модуль управления АПД. Аппаратура АПД включает четыре канала приема/передачи, входы/выходы которых соединены соответственно с выходами/входами модулей управления комплексом коммутационных средств (ККС). Вход/выход АПД подключен к контроллеру последовательного ввода/вывода первого системного блока. Четыре выхода «Блок занят» и один выход «Готовность» являются входами контроллера параллельного ввода первого системного блока. Входами для модуля управления каналами связи являются выход модуля управления АЦД и выход модуля плановых данных. Входы/выходы КТС соединены с входами/выходами контроллера последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входами/выходами ККС. Входы/выходы ККС подключены к входам/выходам последовательного ввода/вывода третьего системного блока и входам/выходам АПД и КТС, выход «Готовность» от ККС и выход «Неисправность» от КТС соединены с входами контроллера параллельного ввода третьего системного блока. В первый системный блок входит модуль ввода и обработки полетных данных бортового пилотажно-навигационного комплекса, содержащий регистр кода широты, регистр кода долготы, регистр составляющих
скорости и регистр кода времени, являющийся выходом модуля системного времени. Один их выходов модуля ввода и обработки полетных данных является входом модуля обмена с АЦД для отображения положения мобильного объекта с привязкой к картографическому фону.
К недостаткам представленного управляющего аппаратно-программного комплекса обмена данными мобильного объекта является жесткая привязка к бортовому оборудованию и невозможность работы с наземными сетями связи.
Наиболее близким по назначению и большинству существенных признаков является система радиосвязи с подвижными объектами [3], которая и принята за прототип. В этой системе во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются данными с наземным комплексом. Принимаемые наземным комплексом из канала «воздух - земля» сообщения через аппаратуру передачи данных поступают в вычислитель АРМ на базе ПЭВМ, где в соответствии с принятым в системе протоколом обмена, производится идентификация принятого в сообщении адреса с адресами подвижных объектов, хранящимися в его памяти. При совпадении адреса подвижного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО и состоянии его датчиков выводится на экран монитора наземного АРМ. В вычислителе АРМ на базе ПЭВМ решается задача обеспечения постоянной радиосвязи со всеми N ПО. При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, программно определяется один из ПО, который назначается ретранслятором сообщений или назначается канал ДКМВ диапазона. По результатам анализа местоположения и параметров движения остальных ПО определяются оптимальные пути доставки сообщений удаленному от НК за радиогоризонт выбранному воздушному объекту. Сообщение от НК через последовательную цепочку, состоящую из (N-1) ПО или канала ДКМВ диапазона, может быть доставлено N-му ПО. Для этого на НК в формирователе типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды (заголовок) передаваемой кодограммы закладываются номер ПО, назначенного ретранслятором в канале MB диапазона, и адреса воздушных объектов, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО сообщения анализируются в блоке анализа типа сообщений для решения вопроса о направлении данных по двунаправленной шине на систему управления объекта или ретрансляции их на соседний ПО.
В обычном режиме, когда не требуется ретрансляция сигналов с НК, осуществляется адресный опрос ПО путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) сообщение отображается на мониторе АРМ. На ПО после прохождения через антенну, радиостанцию, аппаратуру передачи данных сигнал поступает в бортовой вычислитель, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с собственным адресом подвижного объекта. Далее сообщение передается в блок анализа типа ретранслируемого сообщения, где происходит дешифрация полученного заголовка (служебной части) сообщения, и определяется в каком режиме должна работать аппаратура ПО. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя и при необходимости выводится на экран блока регистрации данных. Формирователи типа ретранслируемых сообщений позволяют обеспечить обмен цифровыми данными по каналу «оператор-пилот» взамен существующей речевой информации. Они предназначены для выбора элементов сообщений разрешения/информации/запроса, которые соответствуют принятой речевой фразеологии, и набора произвольного текста. Отображение набираемых и принятых сообщений осуществляется на блоке регистрации данных ВО и мониторе АРМ НК соответственно. Сообщения с выходов приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ГЛО-HACC/GPS записываются в память наземного и бортового вычислителей с привязкой к глобальному времени и используются для расчета навигационных характеристик и параметров движения каждого ПО. Принятые на НК навигационные сообщения от всех ПО обрабатываются в наземном вычислителе и выводятся на экран монитора АРМ.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- планирование ДКМВ связи, как правило, осуществляется на основе специализированных пакетов прикладных программ, включающих модели солнечного цикла, ионосферы и ионосферного распространения радиоволн, с учетом параметров приемо-передающей аппаратуры и антенн. Тем не менее, несмотря на совершенство самих программ, планирование связи только с их помощью малоэффективно, поскольку вместо постоянно меняющихся исходных данных о состоянии ионосферы в этом случае используются среднестатистические данные, которые могут отличаться от ее параметров для конкретного дня и связь в ДКМВ диапазоне будет неустойчивой;
- традиционные технические решения, используемые на обустроенных авиатрассах, совершенно непригодны для труднодоступных районов, малозаселенных областей с неразвитой наземной инфраструктурой, где отсутствует сплошное поле радиосвязи MB и ДКМВ диапазонов.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение дальности устойчивой связи с подвижными объектами за счет использования в качестве маркеров радиосигналов, транслируемых с подвижных объектов по MB, ДКМВ радиолиниям, для обработки на приемной стороне.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему радиосвязи с подвижными объектами, состоящую из наземного комплекса (НК), содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через 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 с соответствующим входом вычислителя АРМ, N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых 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, 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, подключенная двухсторонними связями к каждому из М НК, в том числе к каждому из (М-1)-го разнесенных территориально НК, на каждом ПО первый и второй входы/выходы бортовой радиостанции ДКМВ диапазона 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 первый и второй
входы/выходы наземной радиостанции ДКМВ диапазона подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к наземной антенне ДКМВ диапазона, дополнительно введен модуль сопряжения, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной сети передачи данных.
На фиг.1 представлена структурная схема системы радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
1 - наземный комплекс;
2 - подвижный объект;
3 - наземная сеть передачи данных с входом/выходом 4 системы.
На фиг.2 и 3 представлены структурная схема наземного комплекса 1 и подвижного объекта 2 системы радиосвязи с подвижными объектами, где обозначено:
5 - бортовой вычислитель;
6 - бортовые датчики;
7 - бортовой приемник сигналов навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS;
8 - блок регистрации данных;
9 - бортовая аппаратура передачи данных;
10 - бортовая радиостанция MB диапазона;
11 - бортовая антенна MB диапазона;
12 - наземная антенна MB диапазона;
13 - наземная радиостанция MB диапазона;
14 - наземная аппаратура передачи данных;
15 - вычислитель АРМ на базе ПЭВМ;
16 - наземный приемник сигналов навигационных спутниковых систем;
17 - монитор АРМ;
18 - пульт управления АРМ;
19 - анализатор типа принимаемых сообщений;
20 - двунаправленная шина системы управления подвижным объектом;
21 - бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений;
22 - формирователь типа ретранслируемых сообщений;
23 - бортовая радиостанция ДКМВ диапазона;
24 - бортовая антенна ДКМВ диапазона;
25 - наземная радиостанция ДКМВ диапазона;
26 - наземная антенна ДКМВ диапазона;
27 - модуль сопряжения.
Программное обеспечение АРМ на базе ПЭВМ (фиг.4) представляет собой многозадачный комплекс, каждая задача которого является законченным функциональным модулем, работающим во взаимодействии с другими задачами.
Модуль «28» обеспечивает считывание плана связи из базы данных АРМ 15 и перекодирование данных для ввода в АПД 14.
Модуль «29» обеспечивает ввод и коррекцию плана связи в децентрализованном режиме работы с пульта управления АРМ 18.
Модуль «30» обеспечивает передачу сообщений в требуемом формате, получение соответствующих сообщений в процессе информационного обмена по наземной сети передачи данных 3 с источниками (получателями) сообщений через вход/выход системы 4.
Модуль «31» обеспечивает переформатирование кодограмм из формата канала «воздух-земля» в формат наземной сети передачи данных 3.
Модуль «32» обеспечивает переформатирование кодограмм формата наземной сети передачи данных 3 в кодограммы формата канала «воздух-земля».
Модуль «33» обеспечивает просмотр состояния наземных радиостанций 13 и 25 через АПД 14.
Модуль «34» обеспечивает просмотр журнала текущих событий.
Модуль «35» обеспечивает просмотр плана связи для наземных радиостанций 13 и 25 через АПД 14.
Модуль «36» обеспечивает просмотр состояния конфигурации наземных радиостанций 13 и 25 через АПД 14.
Модуль «37» обеспечивает просмотр в журнале регистрации сообщений вычислителя 15 служебных частей сообщений информационного обмена с ПО 2.
Модуль «38» обеспечивает контроль состояния наземных радиостанций 13 и 25 и АПД 14 по большому шлейфу (БШ).
Модуль «39» обеспечивает контроль состояния наземных радиостанций 13 и 25 и АПД 14 по малому шлейфу (МШ).
Модуль «40» для проверки связи обеспечивает информационный обмен с ПО 2 соответствующими формализованными сообщениями.
Модули «40», «41» работают в совокупности, обеспечивая информационный обмен с ПО 2 соответствующими формализованными сообщениями.
Модуль «41» является драйвером магистрального канала информационного обмена.
Модуль «42» - управляющий модуль, обеспечивающий взаимодействие программных модулей, входящих в состав программного обеспечения вычислителя АРМ 15.
Модуль «43» обеспечивает ввод значения времени, ввод плана связи, формирование и ввод запросов в АПД 14, получение результатов тестирования от АПД 14, занесение в журнал, получение данных информационного обмена от АПД 14.
База данных «44» обеспечивает структурированное хранение данных информационного обмена НК 1 с ПО 2.
Алгоритм работы системы радиосвязи с ПО 2 заключается в проведении обмена данными по радиолинии MB диапазона до тех пор, пока ПО 2 не выйдет за пределы прямой видимости с НК 1 или не удается организовать с этим ПО 2 обмен данными даже через цепочку, состоящую из (N-1)-го ПО 2. В таком случае осуществляется переход по взаимно увязанным командам с бортового и наземного вычислителей на передачу данных с радиолиний связи MB диапазона на введенную радиолинию связи ДКМВ диапазона. В этой радиолинии для выполнения цели изобретения программно-аппаратными средствами обеспечиваются операции жесткого закрепления за каждым из подвижных объектов 2 набора из нескольких рабочих частот, на которых ему разрешено работать, выбора рабочей частоты из списка разрешенных по наиболее мощному из принятых в данный момент радиосигналов (маркеров) на ПО 2 и на НК 1, обмена результатами оценки качества канала связи в направлении с соответствующего НК 1 на выбранный ПО 2, обмена данными с территориально разнесенными наземными комплексами 1, объединенными с помощью наземной сети передачи данных 3 в единую систему.
Система радиосвязи с подвижными объектами работает следующим образом. Во время движения подвижные объекты, находящиеся в пределах радиогоризонта, обмениваются навигационными данными и данными оценки каналов ДКМВ диапазона по радиосигналам (маркерам), принятым от разных НК 1, по радиолинии связи MB диапазона с наземным комплексом 1. Принимаемые наземной радиостанцией 13 из канала «воздух-земля» сообщения через аппаратуру 14
передачи данных поступают в наземный вычислитель 15 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 с адресами подвижных объектов, хранящимися в памяти вычислителя 15 АРМ. При совпадении адреса подвижного объекта с хранящимся в списке адресом информация о местоположении, параметрах движения ПО 2i и состоянии его датчиков запоминается в вычислителе 15 АРМ. В вычислителе 15 АРМ по данным, полученным со всех ПО 2 в зоне связи, определяются оптимальные на данный момент времени частоты, которые назначаются радиостанциям 25 и 23. Поэтому в наземном вычислителе 15 АРМ решаются задачи обеспечения постоянной устойчивой радиосвязи со всеми N ПО 2, и на основе информации о местонахождении всех ПО 2 и параметрах их движения, оптимальных частотах, осуществляются операции запоминания этих сообщений в наземном вычислителе 15 АРМ и оперативной коррекции плана связи и вывод необходимых данных на экран монитора 17 АРМ НК 1 в виде, удобном для восприятия оператора (диспетчера).
При выходе за пределы радиогоризонта хотя бы одного из ПО 2 или приближении к границе зоны устойчивой радиосвязи, определяется программно один из ПО 2, который назначается ретранслятором сообщений. При постоянном изменении дальности между ПО 2 и НК 1 в качестве ретранслятора может быть назначен в течение определенного времени 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 удаленному от НК 1 за радиогоризонт подвижному объекту 2 N. Сообщение от НК 1 через последовательную цепочку, состоящую из (N-1)-го ПО 2, может быть доставлено N-му ПО 2 N. Для этого на НК 1 в формирователе 22 типа ретранслируемых сообщений в заранее определенные разряды передаваемой кодограммы закладываются номер ПО 2, назначенного ретранслятором, и адреса подвижных объектов 2i, обеспечивающих заданный трафик сообщения. Принятые на ПО 2 сообщения обрабатываются в блоке 19 анализа типа сообщений. Если сообщение предназначено для данного ПО 2, то после анализа решается вопрос о направлении данных по двунаправленной шине 20 на систему управления ПО 2, не указанную на фигуре 1, или в режиме ретрансляции - о передаче их на соседний ПО 2i. Для исключения коллизий минимизируется число разрядов в передаваемом сообщении и осуществляется
ретрансляция данных последовательно во времени. Загрузка в память бортового вычислителя 5 необходимых данных в виде системной таблицы осуществляется при предстартовой подготовке подвижного объекта 2 через вход/выход 4 аппаратуры наземной сети 3 передачи данных.
При передаче с НК 1 приоритетных сообщений для ПО 2 в соответствии с принятыми в системе радиосвязи с подвижными объектами категориями срочности в формирователе 22 типа ретранслируемых сообщений в заголовке сообщения формируется код запрета передачи других сообщений на время, отводимое для трансляции данных с НК 1 на выбранное ПО 2i с учетом времени реакции ПО 2 на принятое сообщение и времени задержки в трактах обработки дискретных сигналов. Принимаемая на ПО 2 i информация отображается на экране бортового блока 8 регистрации данных в виде буквенно-цифровых символов, в виде точек и векторов или в другом виде.
Остальные менее приоритетные сообщения в соответствии с протоколом обмена находятся в очереди соответствующей категории срочности. В вычислителях 5 и 15 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 с НК 1, когда не требуется ретрансляция сигналов, осуществляется адресный опрос ПО 2 путем формирования сообщения для передачи в канал радиосвязи в соответствии с протоколом обмена. Набираемое оператором (диспетчером) с пульта 18 управления АРМ сообщение отображается на мониторе 17 АРМ и параллельно после прохождения сигнала на НК 1 через вычислитель 15, аппаратуру 14 передачи данных, радиостанцию 13, антенну 12 и на ПО 2 - через бортовые антенну 11, радиостанцию 10, аппаратуру передачи данных 9 поступает в бортовой вычислитель 5, где происходит идентификация принятого в сообщении адреса с адресом ПО 2. Далее сообщение передается в блок 19 анализа типа ретранслируемого сообщения для дешифрации полученного заголовка (служебной части) сообщения и определения параметров радиосигналов ДКМВ канала связи, принятых от НК 1. Информационная часть сообщения записывается в память бортового вычислителя 5 и при необходимости выводится на экран блока 8 регистрации данных, который может быть выполнен в виде монитора или другого устройства отображения.
В режиме адресного опроса инициатором связи может быть только НК 1. Если подвижные объекты 2 сформировали для передачи сообщения и обнаружили, что радиоканал свободен (нет радиосигналов маркеров), то они информируют остальные подвижные объекты о начале цикла передачи данных, в том числе о своем местоположении, и случайным образом в выделенных им временных слотах распределяют передаваемые сообщения. Сообщения о местоположении ПО 2 и параметрах его движения, например, с выходов приемников 7 и 16 сигналов навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS или с выходов инерциальных систем записываются в память вычислителей 5 и 15 с привязкой к глобальному времени. В вычислителях 5 и 15 эти данные используются для расчета навигационных характеристик, параметров движения каждого ПО и оценки качества принимаемого в канале связи ДКМВ диапазона сигнала. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи на НК 1 сообщений о местоположении ПО 2 в вычислителе 5 в заданное время формируется соответствующее сообщение (маркер) с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат ПО 2. Это время используется в вычислителе 15 для известной операции построения экстраполяционных отметок от ПО 2 [8]. В аппаратуре передачи данных 9 и 14 осуществляются известные операции: модуляции и демодуляции, кодирования и декодирования, сопряжения с узлами 5, 10, 23 - на ПО 2 и с узлами 15, 13, 26 - на НК 1 и другие.
В ситуации, когда одно или несколько ПО 2 вышли за пределы прямой видимости с НК 1 или не удается организовать с этими ПО 2 обмен данными даже через цепочку, состоящую из (N-1)-го ПО 2, осуществляется переход по взаимно увязанным во времени командам с бортового и наземного вычислителей 5 и 15 на замену радиолинии связи MB диапазона на радиолинию связи ДКМВ диапазона, состоящую из бортовой радиостанции 23 ДКМВ диапазона, бортовой антенны 24 ДКМВ диапазона, наземной радиостанции 25 ДКМВ диапазона, наземной антенны 26 ДКМВ диапазона. Привязка ко времени этих команд осуществляется с помощью меток глобального времени, поступающих в вычислители 5 и 15 с выходов приемников 7 и 16 сигналов навигационных спутниковых систем.
Для увеличения дальности устойчивой связи с подвижными объектами, находящимися за пределами прямой видимости с НК 1, при использовании радиолинии передачи данных в ДКМВ диапазоне в вычислителях 5 и 15 и аппаратуре передачи данных 9 и 14 используются следующие известные технологии [9]:
- использование в качестве маркеров радиосигналов, транслируемых с подвижных объектов и наземных комплексов по MB, ДКМВ радиолиниям, для обработки на приемной стороне для определения наиболее оптимального на данный момент времени рабочего канала связи;
- адаптация системы радиосвязи к изменению условий распространения радиоволн по частоте и по пространственному разнесению;
- автоматизация процедур составления и разрыва линии связи с подвижными объектами;
- 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 системы радиосвязи по скорости передачи данных, виду модуляции и кодирования.
Благодаря введенному модулю сопряжения 27 с наземной сетью 3 передачи данных для каждого из ПО 2, оборудованному ДКМВ радиостанцией, осуществляется передача (прием) пакетов данных через сеть наземных комплексов 1, одновременно с (на) нескольких НК 1. В этом случае на ПО 2 по принятым маркерам определяется НК 1, параметры радиосигналов которого принимаются наиболее устойчиво, и через него начинается обмен данными. В бортовом и наземном вычислителях 5 и 15 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 периодически излучает сигналы управления/синхронизации/связи, используемые на ПО 2 в качестве маркеров, на всех назначенных ему частотах. Принимаемые на ПО 2 эти радиосигналы являются маркерными, используемыми для оценки параметров канала связи ДКМВ диапазона. Для установления линии связи с НК 1 в бортовом вычислителе 5 ПО 2 автоматически анализируются принимаемые сигналы управления/синхронизации/связи от всех наземных комплексов 1 на всех частотах и выбираются лучшие частоты (например, по отношению сигнал-помеха или по величине мощности принимаемого сигнала) и наземные комплексы 1 за счет реализации известного принципа адаптации по частоте и пространству. По измеренному
отношению сигнал-помеха, в бортовом вычислителе 5 ПО 2 выбирается скорость передачи данных, а также вид модуляции и кодирования. Оценка отношения сигнал-помеха осуществляется всеми НК 1 и ПО 2 каждый раз при приеме в качестве маркера информационного сообщения или сигнала управления/синхронизации/связи. Сведения об оптимальном на данный момент времени канале сообщаются на противоположную сторону в виде рекомендуемых частоты и скорости передачи данных. В АПД 9 и 14 при работе на радиостанцию ДКМВ диапазона могут быть использованы известные алгоритмы, например, высокоскоростных адаптивных модемов, рассчитанных на работу в каналах с многолучевостью. Для повышения достоверности приема информации может быть использован помехоустойчивый код, например, циклический. Программное обеспечение вычислителя 15 АРМ на базе ПЭВМ представляет собой многозадачный комплекс, в котором задачи планирования связи и обмена данными решаются следующим образом.
После запуска вычислителя 15 АРМ на базе ПЭВМ включается управляющий модуль 42, который через модули 43 и 41 инициирует идентификацию наземной аппаратуры передачи данных 14. После успешной идентификации в АПД 14 загружается текущее время и плановые данные по связи.
Регистрация данных информационного обмена с АПД 14 (служебные и информационные части сообщений, контрольные запросы состояний составных частей АПД 14, коды текущих событий и их словесные интерпретации) осуществляется модулем 43 в базе данных 44. В базе данных 44 сохраняются данные информационного обмена НК 1 с ПО 2.
В режиме централизованного управления, при наличии управляющего сигнала из модуля 42, модуль 28 выбирает из базы данных 44 сформированные плановые данные по связи (ПДС) для загрузки через модули 43 и 42 в АПД 14. В режиме децентрализованного управления модуль 29 формирует в базе данных 44 плановые данные по связи для загрузки через модули 43 и 42 в АПД 14.
Модули 33, 34, 35, 36, 37 обеспечивают многосторонний визуальный анализ функционирования АПД 14. Модулями 38 и 39 контролируется в АПД 14 работа передающих трактов соответствующих плановым данным по связи и вырабатывается управляющий сигнал в модуль 42 о состоянии тракта («исправен», «неисправен»).
С помощью модуля 40 обеспечивается: информационный обмен с ПО 2 формализованными сообщениями, которые реализуют функции проверки связи, изменения рабочей частоты радиостанций 10 и 23, загрузки плановых данных по связи в бортовой вычислитель 5.
Модуль 31 выполняет переформатирование кодограммы из формата канала «воздух-земля» в формат наземной сети передачи данных 3 с запоминанием в базе данных 44 и формирует управляющий сигнал для модуля 30. Модуль 32 переформатирует кодограммы из формата наземной сети передачи данных 3 в формат канала «воздух-земля» с запоминанием в базе данных 44, формирует управляющий сигнал для модуля 30. Модулем 30 обеспечивается взаимодействие с модулем сопряжения 27 по передаче/приему кодограмм в формате наземной сети передачи данных. Для модуля 42 модулем 30 формируется управляющий сигнал завершения передачи или приема кодограммы.
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 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 канал связи ДКМВ диапазона, АПД 14, АРМ 15, модуль сопряжения 27 и наземную сеть 3 передачи данных. С помощью бортового вычислителя 5 ПО 2 и наземного вычислителя 15 постоянно будет выбираться оптимальная рабочая частота на основании построенных моделей ионосферы и распространения радиоволн по данным измерений параметров канала связи и анализа сообщений (маркеров) наземных комплексов 1. В наземных комплексах 1 также анализируются параметры радиосигнала (маркера), передаваемого с ПО 2. По результатам измерений определяется оптимальная на данный момент времени частота, величина которой передается на все ПО 2. находящиеся в этом районе. Этим обеспечивается увеличение дальности устойчивой связи с подвижными объектами 2, находящимися на расстояниях от НК 1 от нескольких сотен до нескольких тысяч километров.
Кроме радиосигналов (маркеров) для увеличения дальности связи с заданной устойчивостью и надежностью используются методы изменения диапазона
рабочих частот, увеличения мощности передатчика радиостанций 23 и 26 и снижения уровня шумов их приемников, известные методы разнесения по частоте, пространственного разнесения, временного разнесения, разнесения многолучевости, адаптивного выравнивания, кодирования с прямой коррекцией ошибок, перемежения для борьбы с эффектами многолучевости, замираниями, импульсными шумами. Дальность и надежность связи определяется свойствами ионосферы над районом организации связи, ее корреляционными характеристиками по пространству, частоте и времени. Чем менее коррелированы пути разнесения, тем выше надежность связи. Радиус пространственной корреляции по квазирегулярным параметрам ионосферы (энергетике сигнала, многолучевости) обычно составляет 300-600 км. Поэтому НК 1 разносятся в пространстве на расстояние, превышающее эту величину. Из всех разнесенных в пространстве НК 1 назначается один ведущий, который, кроме рассмотренных выше операций, выполняет функцию управления процессами, происходящими в системе. К функциям управления ведущего НК 1 добавляются операции управления частотой, таблицей регистрации ПО 2, системной таблицей, конфигурацией, качеством передачи данных, обработки сигналов тревоги, дистанционной диагностики. С АРМ 15 через модуль сопряжения 27, вход/выход 4 наземной сети 3 передачи данных обеспечивается интерфейс с расположенными на земле источниками (получателями) информации системы и программирование бортовых вычислителей 5 ПО 2. Синхронизация работы наземной сети 3 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 3 передачи данных. Она может быть реализована различными известными способами, например, при межсетевой работе НК 1 через центры коммутации пакетов в соответствии с протоколом Х.25 [1, 6]. Соединения между НК 1 и центрами коммутации пакетов Х.25 (маршрутизаторами) могут обеспечиваться через специально выделенные или арендуемые каналы связи. Они позволят транслировать сообщение, адресованное 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 может работать в автоматическом режиме
без вмешательства оператора на выбранных частотах из списка частот, назначенного при планировании связи.
Для увеличения дальности устойчивой связи с подвижными объектами в системе используется метод борьбы с нестационарностью ионосферы над районом организации связи за счет использования в качестве излучаемых подвижными объектами и наземными комплексами радиосигналов синхронно по времени или по команде диспетчера. Принимаемые по MB, ДКМВ радиолиниям радиосигналы или сообщения об оптимальном на данный момент времени канале несколькими наземными комплексами обрабатываются для определения отношения сигнал/шум в соответствующем канале связи, и, следовательно, выбора канала связи для обеспечения устойчивости связи. Данные о результатах обработки затем используются для комплексирования измерений и выбора наиболее оптимального на данный момент времени канала связи с ПО [6, 9].
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы функционирования и соответствующее программное обеспечение заявляемой системы радиосвязи. Узлы 1-22 одинаковые с прототипом. Вводимые узлы 23 и 26 могут быть выполнены на радиостанциях Ягут-К ДКМВ. Вычислители 5 и 15 могут быть выполнены, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1 MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems и ЭВМ типа «Багет-01-07» ЮКСУ.466225.001 соответственно. В качестве антенн ДКМВ диапазона для ПО может быть использованы типовые самолетные килевые пазовые антенны типа «Щель», а для НК - типовой полуволновый вибратор. В качестве модуля связи 27 может быть использована плата Х.25.
Сеть разнесенных в пространстве НК 1, соединенных между собой с помощью наземной сети 3 передачи данных, позволяют обеспечить перекрытие Евроазиатского и океанического пространства с высокой системной надежностью и пропускной способностью.
ЛИТЕРАТУРА:
1. В.В.Бочкарев, Г.А.Крыжановский, Н.Н.Сухих «Автоматизированное управление движением авиационного транспорта», М., Изд-во «Транспорт», 1999 г.
2. Патент РФ №38 433 290 U1. М.кл. Н04В 7/26, 2006.
3. Патент РФ №52290 U1. М.кл. Н04В 7/26, 2006 (Прототип).
4. М.Сколник. Введение в технику радиолокационных систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 747 с.
5. 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.
6. Патент РФ №44907 U1. М. кл. Н04В 7/00, 2005.
7. В.Строителев. Новости//Новости аэронавигации 2000, №3. С.2-3.
8. Б.И.Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция» ИКАО CNS/ATM. Москва Санкт-Петербург: ОАО «НИИЭР», 1999, 206 с.
9. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
10. Д.С.Конторов, Ю.С.Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.; Сов. Радио, 1971, 367 с.
11. Руководство по ВЧ-линии передачи данных (Doc9741 - AN/962). Издание первое. - ICAO, 2000, 148 с.
Система радиосвязи с подвижными объектами (ПО), состоящая из наземного комплекса (НК), содержащего наземную антенну, радиостанцию, подключенную двухсторонними связями через 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 с соответствующим входом вычислителя АРМ, N подвижных объектов, в состав каждого из которых входят бортовые датчики, приемник сигналов навигационных спутниковых систем, анализатор типа принимаемых сообщений и бортовой формирователь типа ретранслируемых сообщений, каждый из которых 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, 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, подключенная двухсторонними связями к каждому из М НК, в том числе к каждому из (N-1)-го разнесенных территориально НК, на каждом ПО первый и второй входы/выходы бортовой радиостанции ДКМВ диапазона 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 первый и второй входы/выходы наземной радиостанции ДКМВ диапазона подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной аппаратуры передачи данных соответственно, а третий вход/выход - к наземной антенне ДКМВ диапазона, отличающаяся тем, что в состав наземного комплекса системы дополнительно введен модуль сопряжения, подключенный двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам наземного вычислителя и наземной сети передачи данных.
