CC BY
326
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗНОРОДНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ НА БАЗЕ ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОМОНИТОРИНГА
Будко Павел Александрович,
д.т.н., профессор, профессор Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Винограденко Алексей Михайлович,
к.т.н., доцент, доцент Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Жуков Геннадий Анатольевич,
к.т.н., доцент, ученый секретарь ПАО «Информационные телекоммуникационные технологии», г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Литвинов Александр Игоревич,
к.т.н., заместитель начальника отдела организации научной работы и подготовки научно-педагогических кадров Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены вопросы комплексного использования разнородных радиоканалов управления робототехническими комплексами морского базирования с использованием единой системы радиомониторинга, построенной на принципах функционирования когнитивных радиосистем. Представлен замысел построения единой системы радиомониторинга, как в интересах абонентов радиосетей и радионаправлений ведомства, так и непосредственно в интересах базовых пунктов управления группировками робототехнических комплексов, использующих радиолинии сверхдлинноволновой, декаметровой, ультракоротковолновой и космической связи. Дан анализ применимости радиоканалов различных диапазонов волн при управлении робототех-ническим комплексом, как в надводном, так и в погруженном положении. При этом наряду с радиоканалами рассмотрено применение оптической, параметрической, гидроакустической и электромагнитной связи. Оценены возможности смешанных группировок робототехнических комплексов, действующих в разных средах (космос, воздух, вода) по повышению эффективности выполнения заданной миссии. Рассмотрены возможные методы информационного взаимодействия между подводными аппаратами и дана оценка максимальной дальности при обмене данными между глубокопогруженными объектами по гидроакустическому каналу. Выявлены возникающие трудности в обосновании вариантов построения распределенных систем управления смешанными группами робототехнических комплексов, заключающиеся в невозможности обеспечения необходимой устойчивости каналов управления и взаимодействия в группе на границах физических сред, а также малыми дальностями в обеспечении гидроакустической связи. Дана сравнительная характеристика основных типов модемов гидроакустической связи отечественных и зарубежных производителей. Сформулированы предложения по дальнейшему увеличению дальности гидроакустической связи за счет снижения скорости передачи и применения гидроакустических модемов «параллельного типа». Приведены расчеты рационального числа робототехнических комплексов, действующих в группе. Сделан вывод о том, что существенное повышение эффективности действий смешанной робототехнической группировки достигается наряду с комплексным использованием разнородных каналов управления применением методов, основанных на современных технологиях программируемого радио с элементами когнитивных радиосистем, искусственного интеллекта и нейробионики при обработке принимаемой информации в ходе интенсивного информационного взаимодействия на основе общих баз данных распределенных систем.
Ключевые слова: робототехнический комплекс; канал космической связи; декаметровая радиолиния; гидроакустическая связь; эффект Доплера.
Для цитирования: Будко П. А., Жуков Г. А., Винограденко А. М., Литвинов А. И. Комплексное использование разнородных каналов связи для управления робототехническими комплексами на базе единой системы радиомониторинга // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 1. С. 18-41.
Введение
Активное развитие в настоящее время новых информационных технологий и концепции создания базовых элементов искусственного интеллекта, а также значительный технологический прогресс в области создания сверхпрочных материалов и малогабаритных энергоемких источников электропитания позволяют уже сегодня создавать робото-технические комплексы (РТК) широкого спектра применения. При этом задачи, возлагаемые на РТК, с каждым годом все более расширяются, проникая во все сферы интересов человечества, и усложняются, что зачастую требует группового применения роботов в различных физических средах (в космосе, в воздухе, на суше, на воде и под водой).
Опираясь на принципы сетецентрического управления сегодня многие ведущие страны мира активно ведут разработки смешанных робототехнических группировок, взаимодействующих в едином информационно-управляющем пространстве (поле) [1], в рамках решения тактических боевых и разведывательных задач. Также все чаще на РТК возлагаются миссии в Арктике, Антарктике и других труднодоступных районах мирового океана и космоса. Такие РТК всецело можно отнести к классу глобально перемещающихся объектов (ГПО), находящихся на большом удалении от базовых пунктов управления (БПУ), что требует решения задачи устойчивого доведения управляющей информации по каналам связи с переменными параметрами в условиях дестабилизирующих воздействий естественного и искусственного характера.
Несмотря на повышенное внимание операторов и абонентов связи к спутниковым, волоконно-оптическим, радиорелейным и метеорным системам отношение к сверхдлинноволновой (СДВ) и декаметровой (ДКМ) радиосвязи, ее роли и месту в общей системе обмена данными остается актуальным. Развитие и улучшение характеристик радиосвязи возможно путем широкого использования современных достижений в области информационных технологий с использованием: концепций и алгоритмов «программируемого радио» (SDR—Software-Defined Radio) , новой парадигмы беспроводной связи—когнитивного радио (CRS— Cognitive Radio Sistem), способного самостоятельно определять наилучшую спектральную позицию для организации связи, создавая минимум помех другим пользователям; эффективных методов модуляции и кодирования и др. [2].
Реализация перспективных технологий требует значительного увеличения вычислительных процедур, особенно для аппаратуры связи, предназначенной для работы в каналах с переменными параметрами. Это в свою очередь, приводит к необходимости модернизации существующих и созданию новых высокоэффективных автоматизированных систем радиосвязи и радиомониторинга со сложными алгоритмами функционирования и обработки информации, которые могут быть реализованы с использованием аппарата искусственных нейронных сетей (НС) [3], базирующегося на ряде теорем, определяющих аппроксимирующие свойства многослойных НС. При этом в системе радиомониторинга реализуется большой объем
вычислительных процедур, вызванный обработкой больших массивов входной, параллельно поступающей информации, а также при частично искаженных или отсутствующих данных об объекте, что характерно в случае обработки информации, поступающей на фоне шумов (естественных и искусственных помех) по каналу с переменными параметрами [4].
Цель статьи: Оценка комплексного использования разнородных каналов связи для управления РТК при глобальных удалениях от пункта управления на основе формирования структуры единой системы радиомониторинга с применением принципов когнитивного радио и техническая реализация её элементов.
1. Когнитивное радио как средство повышения
эффективности использования разнородных
каналов связи для управления РТК
Стремительное развитие беспроводных телекоммуникационных систем и повсеместное вхождение в наш обиход радиоустройств широкого круга применения привело к серьезной проблеме. Практически весь частотный диапазон на сегодня распределен и лицензирован, однако при этом, проведенные исследования показали, что спектр, как драгоценный природный ресурс, используется недостаточно эффективно. Существенным образом повысить коэффициент использования спектра позволяет механизм динамического управления, согласно которому вторичным пользователям (не закрепленным за данным частотным диапазоном) предоставляется возможность передавать сообщения в диапазоне первичных пользователей в то время, пока этот диапазон не занят штатной работой передающих устройств [2].
В настоящее время за рубежом активно ведутся работы по построению систем широкополосного радиодоступа в так называемом телевизионном диапазоне волн (54-862 МГц), для которого разработан стандарт 1ЕЕЕ802.22 беспроводной передачи данных, основанный на принципах когнитивного радио, в том числе предусматривающий возможность безлицензионного использования частотного ресурса.
Продвижение данного направления развития интеллектуальных радиосистем выдвигает на первый план проведение обоснований и выработки концепции внедрения технологий когнитивного радио и в РФ. В 2012 г. по решению Государственной комиссии по радиочастотам при Министерстве связи и массовым телекоммуникациям в стране создана опытная зона по внедрению когнитивных систем широкополосного беспроводного доступа в РФ в полосе частот 470-686 МГц. Однако на сегодня кроме стандарта 1ЕЕЕ802.22 других нормативных документов, регламентирующих использование систем когнитивного радио в мировом сообществе, пока не принято. Кроме того, как отмечают в Европейском институте электросвязи, имеющиеся технологии пока ещё не обеспечивают все необходимые требования для универсального применения когнитивного радио. Вместе с тем, планируется, что системы связи с программируемыми параметрами должны работать в будущем от 9 кГц до 300 ГГц [5].
Для решения задачи управления мобильными и удаленными (находящимися в труднодоступных районах) объектами, такими как РТК космического, воздушного, морского и наземного базирования, радиосвязь имеет первостепенное значение. Однако воздействия естественного и искусственного характера агрессивной внешней среды на радиолинии и каналы управления ГПО в различных физических средах, в том числе и под водой, резко снижают эффективность информационного обмена и каналов управления, поэтому поиск путей комплексного использования разнородных каналов связи (классифицируемых по частотному диапазону) является важной и актуальной задачей, решение которой требует модернизации принципов в организации управления РТК и других ГПО (в том числе и находящихся в смешанной группе при решении общей миссии) на глобальном удалении от базового пункта управления (БПУ).
Из всех диапазонов для связи с ГПО на сегодня наиболее применимыми являются сантиметровые (каналы космической связи — КС), ДКМ и СДВ диапазоны волн. Устойчивость каналов КС во многом зависит от наличия и состояния ресурса наземной и космической группировки (использование КС будут рассмотрено в п. 3 статьи). Наиболее специфическими участками радиочастотной области для решения поставленной в статье целевой установки, в силу ряда особенностей, являются СДВ и ДКМ диапазоны частот. Это обусловлено рядом объективных причин, основными из которых являются: возможность доведения информации на дальние и сверхдальние (до 12 тыс. км и более) расстояния; сравнительно низкая стоимость и компактность технических средств ДКМ радиолиний; особенности СДВ волн проникать в толщу воды, делающие их безальтернативными для связи с погруженными РТК морского базирования. Обеспечение
устойчивого управления ГПО на больших расстояниях невозможно без комплексного использования радиоканалов и смешанной группировки объектов связи, базирующихся на суше, на море, в воздухе и в космосе. Интересы комплексного применения разнородных каналов управления в свою очередь требуют формирования ведомственной единой системы радиомониторинга.
2. Замысел построения единой системы радиомониторинга в интересах комплексного применения разнородных каналов управления
В работах [2,6,7] рассмотрены вопросы переноса принципов когнитивного радио на ДКМ диапазон волн. А поскольку научным сообществом ставится задача на охват в перспективе и нижнего диапазона частот вплоть до 9 кГц [5], то рассмотрим вариант построения единой системы радиомониторинга (ЕСРМ) для комплексного использования разнородных каналов связи в интересах управления РТК и других ГПО на основе принципов когнитивного радио.
Замысел построения такой системы представлен на рис. 1 и соответствует территориально-распределенной системе, в состав которой должны войти автоматизированный центр сбора и обработки данных (АЦСОД), сопряженный с территориально-разнесенными программно-аппаратными комплексами (ПАК) радиомониторинга (РМ) ведомства в каждом регионе: ПАК «РМ-Запад», ПАК «РМ-Восток», ПАК «РМ-Юг», и ПАК «РМ-Север», ПАК «РМ-Центр» и передающего центра системы радиомониторинга (ПДРЦ-РМ), предназначенного для передачи информации в частотном диапазоне 3^80 МГц и использующийся для зондирования состояния ионосферы с целью определения оптимальных рабочих частот для заявляемых к использованию радиотрасс между БПУ и РТК.
Рис. 1. Вариант структуры единой системы радиомониторинга для комплексногоприменения разнородных каналов связи в интересах управления РТК
Рис. 2. Структура взаимодействия элементов системы радиомониторинга и БПУ
Взаимодействие (управление, контроль, доведение информации) АЦСОД, ПАК РМ и ПДРЦ-РМ осуществляется по каналам Интернет и спутниковому каналу связи с использованием системы «Гонец Д1М» [8].
Обобщенный состав и структура взаимодействия основных элементов системы радиомониторинга представлена на рис. 2. Основными элементами АЦСОД являются база данных (БД) и модуль решения расчетных задач (МРРЗ).
В каждый из территориально-разнесенных ПАК РМ входят панорамное многоканальное радиоприемное устройство (МРПУ) [9], кольцевая дистанционно-управля-емая фазированная антенная решетка (ФАР) [4] и средства дистанционного управления устройствами ПАК РМ.
Выделение рабочих частот (частотных диапазонов) осуществляется по запросу БПУ на комплексное использование радиоканалов в интересах управления РТК (ГПО), который направляется в АЦСОД. При этом запрос на комплексное использование каналов радиосвязи при построении космических, ультракоротковолновых (УКВ), ДКМ и СДВ-радиолиний (РЛ) должен содержать: географические координаты пунктов передачи и приёма; значение излучаемой мощности; тип антенно-фидерных устройств (АФУ) радиопередатчика и радиоприемника; вид модуляции и режим передачи информации; необходимое соотношение сигнал/помеха в точке приёма.
Территориально-разнесенные ПАК РМ постоянно, в реальном масштабе времени, осуществляют сбор и доведение до АЦСОД статистических данных: от ионосферно-волновой (ИБС) и частотно-диспетчерской (ЧДС) служб ведомства; ПАК наклонного зондирования ионосферы, в том числе и от международных центров зондирования
ионосферы; мощных вещательных радиостанций мира; зарегистрированных абонентов ДКМ-радиосети и других энергетически-доступных излучателей (рис. 2).
Кроме того в МРРЗ осуществляется расчет порогового (максимального) уровня помех различного типа (случайных и преднамеренных) в точке приёма [10]. Необходимые исходные данные по напряженности поля в точке приема для определения йпор вычисляются по методике, представленной в [11].
В расчетном модуле АЦСОД реализуется определение оптимального диапазона рабочих частот, с учетом имеющихся в БД «запрещенных» частотных участков. При определении указанного оптимального диапазона учитывают время года (зима/лето), суток (день/ночь), протяженность трассы, географическое направление, а также данные постоянного мониторинга.
Основными элементами ПАК РМ, обеспечивающими возможность выполнения возлагаемых на них задач являются: антенно-фидерная подсистема (АФП); технические средства (ТС) визуального наблюдения радиосигналов в диапазоне 0,01^80 МГц (на рис. 3 данные ТС представлены в виде МПРУ); ТС автоматизированного мониторинга работы штатных радиолиний ведомства; программно конфигурируемые модули формирования и обработки сигналов (сообщений); модуль дистанционного контроля, управления и обмена данными (МДКУ); контрольно-измерительное оборудование, рис. 1.
Одним из элементов, определяющих помехоустойчивость приема информации при обмене данными по радиоканалу, является АФП. В зависимости от решаемых задач и доступных площадей для размещения на стационарных
и мобильных объектах, как правило, используются «простые» приемные антенны штыревого или дипольного типа, малогабаритные активные антенны, ФАР, в том числе с методом «цифрового» формирования диаграммы направленности.
Для сравнительной эффективности приема информации в реальных условиях ведения связи при использовании антенн различного типа на РТК в предлагаемой ЕСРМ необходимо установить (вариант): две активные антенны типа К-625 российского производства; две активные антенны типа НЕ-010 фирмы Roder&Schwartcz, предназначенные для работы в СДВ-ДКМ диапазонах волн; восемь штыревых антенн типа АПС-6Б, размещаемых в виде «кольцевой решетки» с радиусом 8 м; антенный комплекс с композиционной структурой 15Э1852-2; плоскостную антенну магнитного типа «Ротация»; две антенны спутниковой связи системы «Гонец-Д1М»; одну передающая антенна К-661-М.
На антенной площадке также должны быть предусмотрены места для установки и подключения антенн других типов.
В технических помещениях АЦСОД, помимо перечисленных выше элементов, размещается высокочастотный антенный коммутатор-разветвитель, блоки питания, модуль формирования преднамеренных помех (МФПП), радиопе-
редающее устройство (РПДУ), усилитель мощности (УМ) с антенным согласующим устройством (АнСУ), а также модуль формирования «цифровой» мультидиаграммной матрицы [4], структура которого приведена на рис. 3.
Возможность «параллельной» работы АФУ различных типов в различных условиях связи позволит объективно осуществлять выбор наиболее эффективных антенных устройств для решения конкретных задач, в том числе обеспечения приема в условиях действия случайных и преднамеренных помех.
На рис. 4 представлена укрупненная струкгурно-функ-циональная схема ПАК. Конструктивно модули управления и средства отображения (мониторы) интегрированы в автоматизированное рабочее место оператора системы мониторинга (АРМ-РМ), что позволит производить визуальный анализ сигналов и сообщений, коррекцию программного обеспечения ЖЛ-ТС, управления режимами работы технических средств АЦСОД, а также удаленных ПАК-РМ и ПДРЦ-РМ непосредственно с АРМ-РМ.
Возможность дистанционного управления работой и получения информации от территориально распределенных ПАК-РМ за счет применения МДКУ позволяет
Рис. 3. Модуль формирования «цифровой» мультидиаграммной матрицы
Рис. 4. Структурно-функциональная схема ПАК ЕСРМ
организовать мониторинг как унаследованных штатных РЛ ведомства, так и осуществлять реальные трассовые испытания новых РЛ, без командирования специалистов на удаленные объекты, осуществлять коррекцию технических решений разрабатываемых SDR-TC непосредственно с АРМ-РМ. Внедрение режима «виртуальная командировка» позволит существенно сократить срок разработки (внедрения) новых технологий в области радиосвязи.
Структура удаленного ДКМ ПДРЦ-РМ предлагаемой ЕСРМ в интересах комплексного использования радиоканалов управления РТК приведена на рис. 5.
Как вариант ПДРЦ может быть оснащен: двумя ненаправленными передающими АФУ; усилителем мощности (УМ) (Р ~ 1 кВт); дистанционно управляемым SDR-возбудительным устройством; МДКУ, обеспечивающим взаимодействие с АРМ-РМ АЦСОД; РПДУ типа Р-177 (произв. ОАО «Нептун»), реализующим работу в режимах штатных РЛ ведомства. Основными элементами радиоприемного тракта ЕСРМ являются АПФ, цифровое панорамное радиоприемное устройство (РПУ) и модуль контроля, управления и передачи информации.
На первом этапе развертывания АФП используется широкополосная активная антенна, а на втором этапе — кольцевая фазируемая антенная решетка с дистанционным управлением диаграммой направленности (ДН).
В качестве РПУ используется модифицированное мегаканальное радиоприемное устройство (МРПУ) «Радикс» (произв. ООО «АДК»), упрощенная схема которого приведена на рис. 6.
При разработке и построении предложенной единой системы радиомониторинга для комплексного использования радиоканалов управления РТК на ПАК-РМ целесообразно получать цифровой поток непосредственно с выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП), однако,
как показывают расчеты и набор статистических данных по средней скорости загрузки (Uplink) информации при использовании каналов мобильного Интернета, возможно удовлетворительное доведение только узкой полосы спектра (AF ~ 150^300 кГц) в СДВ-ДКМ частотном диапазоне, что реализуется в МРПУ путем использования дополнительного управляемого цифрового полосового фильтра. Вместе с тем, предварительно обработанный в блоке цифровой обработки сигнал, обеспечивающий визуальное отображение спектрограммы на экране монитора в стандарте Full HD, требует значительно меньшей скорости передачи в канале по сравнению с передачей всего спектра сигнала и составляет примерно 1^1,5 Мбит/с, что практически с запасом реализуется мобильным Интернетом.
? £
Y __I
РПДУ Р-177 Антенное согласующее устройство
I
Усилитель мощности
I
Программно конфигурируемое многоканальное SDR в озбу дитеп ьн ое у с трой ст во
I
Модуль дистанционного контроля, управления и обмена данными
I
Интернет Канал системы спутниковой связи
Рис. 5. Структурная схема удаленного передающего радиоцентра
Рис. 6. Упрощенная блок-схема радиоприемного тракта
Рис. 7. Скриншоты спектрограмм, полученные с использованием МРПУ
Варианты скриншотов спектрограмм радиосигналов, принимаемых от удаленного ПАК-РМ, и также отображаемых на экране монитора МРПУ, размещаемого на АЦСОД, представлены на рис. 7.
Следует отметить, что ПАК-РМ при использовании малогабаритных активной СДВ-ДКМ антенны и спутниковой антенны системы «Гонец-Д1М», «ориентированных» для установки на техническом здании, представляет из себя быстро разворачиваемый комплекс технических средств (время развертывания и приведения в рабочее состояние составляет около 1 часа) с общим весом не более 40 кг, и может быть размещен на рабочем столе стандартных размеров.
«Радикс» для двух вариантов визуализации принимаемых радиосигналов
3. Обмен данными с РТК в надводном положении
В настоящее время взаимодействие с РТК обеспечивается, в основном, с использованием спутниковой системы связи, Wi-Fi и гидроакустической связи, а между РТК (или между морским БПУ и РТК) по гидроакустическому каналу. Однако при этом задача по реализации устойчивого
обмена данными с РТК морского базирования (МБ), удаленными на значительное расстояние от БПУ не решена в полной мере [12]. Рассмотрим возможные методы повышения вероятностно-временных характеристик (ВВХ) обмена данными с РТК МБ, находящимися в надводном положении. Этот режим относится к автономным управляемым кораблям (катерам) и к РТК в надводном положении.
Безусловно, в этом случае основным видом связи следует считать спутниковый канал обмена данными. В настоящее время в рамках федеральной космической программы РФ до 2015 г. разработана и развернута многофункциональная система персональной спутниковой связи (МСПСС) «Гонец-Д1М». Основные технические характеристики абонентского терминала этой системы приведены в табл. 1 с учетом материалов, представленных в [8].
Таким образом, поскольку МСПСС «Гонец-ДМ1» обеспечивает возможность организации связи с абонентами, находящимися на глобальных расстояниях от БПУ обладает малыми массогабаритными показателями и энергопотреблением, его использование на РТК для обеспечения обмена данными с БПУ представляется вполне обоснованным.
Таблица 1
Диапазон частот, ГГц 0,3-0,4
Максимальная скорость передачи информации, кбит/с: - бортовой комплекс — абонентский терминал; - абонентский терминал — бортовой комплекс 76,8 9,6
Мощность абонентского передатчика, Вт 10
Объем сообщения, передаваемого в одном сеансе связи, кбайт до 20
Диаграмма направленности антенны абонентского комплекта всенаправленная (антенна не требует системы наведения и сопровождения с учетом траектории движения космического аппарата)
Устойчивость к воздействию внешних факторов пониженное атмосферное давление, соляной туман, пыль, песок, иней, дождь. Для реализации дополнительных требований комплект размещается в специальном защищенном корпусе (включая антенную систему)
Основные режимы работы МСПСС «Гонец-ДМ1»: обмен сообщениями между абонентами системы, находящимися в любой точке Земного шара; передача данных о местоположении абонентов, полученных с использованием системы ГЛОНАС; циркулярная передача сообщений группе пользователей
Напряжение электропитания, В 12
Минимальная масса абонентского комплекта, кг 0,4
ющие возможность доведения информации до объектов, удаленных от берега на расстояния до12 тыс. км и более.
При оценке необходимой мощности передатчика для обеспечения устойчивого обмена данными с автономными катерами и РТК, находящимися в надводном положении, необходимо помимо параметров антенно-фидерных передающих (приемных) подсистем и эффективности сигнально-кодовых конструкций передаваемого сообщения, учитывать характеристики атмосферных помех, а также помех от посторонних источников излучения, причем, минимально необходимую энергетику радиолинии целесообразно оценивать с учетом всегда присутствующих атмосферных шумов.
На рис. 8 представлена в графическом виде область, в которой с вероятностью Р > 0,99 находятся коэффициенты внешнего шума ^ для СДВ — ДКМ диапазонов частот. При этом среднеквадратичное значение напряженности поля шумов в децибелах (относительно мкВ/м) определяется выражением [13]:
£ =^+201оё/с+101оёД/с — 95,5, (1)
где^ = /кТ0Раш — мощность атмосферных шу-
мов в полосе сигнала (Ватт); Д/ — ширина полосы принимаемого сигнала (Гц); / — «несущая» частота сигнала (МГц); к — постоянная Больцмана; То — принятая эталонная температура (290° К).
На рис. 9 приведены графики зависимости уровня Е для различных значений Д/ и/ рассчитанные с использованием формулы (1) для верхней границы коэффициента внешнего шума ^ (см. рис. 1, пунктирная кривая).
Вместе с тем, в условиях сильного волнения моря (заливание водой антенны), при нахождении РТК в подледном положении, а также выхода из строя элементов в тракте спутниковой связи, эффективность её применения представляется проблематичной.
Учитывая возможность глобального перемещения РТК (в 2009 г. экспериментальный глайдер США менее чем за 7,5 месяцев пересек Атлантический океан, преодолев при этом около 11,7 тыс. км [12]) в качестве резервной связи целесообразно использовать ДКМ и СДВ РЛ, ОбеСПеЧИВа-
РЛдБ)
'у
W// N А/'У, \
о/, VI / у.
\ \ \ D*»
M
ÀJj
/л ш/ А/у Ч Щ\
\ ЩУ/ Ж Ю\
\ К
1 «Гц 3 кГц 10 кГц 100 кГц 1МГц 10 МГц 30МГц 100 МГц
'(Гц)
Рис. 8. Значения коэффициентов внешнего шума [13]
U^JJi*
1 **тЗ°Т1
--Г Jlffl JA Г п i
LL Jr* jr
_„ - ' |Jff *т1 Г
,-г If'*' m ""tl
** jjfli тп шг -1«М
ш
1 L ■Шаг
—^ J If
103 10* 1®? 10° 10' 10* if, Гц
Рис. 9. Зависимость напряженности поля шумов от частотной полосы приема
Из анализа графиков рис. 9 и формулы (1) следует, что для повышения надежности связи в условиях естественных помех необходимо увеличивать мощность передачи сообщения или уменьшать полосу излучаемого сигнала.
Оценку значений необходимой мощности излучения для обеспечения РТК устойчивого приема на радиотрассах протяженностью до 1 тыс. км для ближней морской зоны можно провести с использованием графиков, представленных в [14]. На рис. 10 приведен график значений напряженности поля для нескольких номиналов частот СДВ-ДКМ диапазонов волн, характеризующих ближнюю морскую зону (заштрихованные области соответствуют уровням напряженности поля атмосферных шумов, ожидаемых с вероятностью Р > 0,99). На рис. 11 приведены аналогичные графики для трасс протяженностью более 1 тыс. км (при ионосферном распространении радиоволн).
Для ДКМ диапазона расчет проводился с использованием полуэмпирической формулы Неволина-Щепотина, полученной на основе усреднения медианных значений напряженности поля для морских трасс при работе на оп-тимальныхчастотах [15]:
_ 122 I РР ( 3,8 Ю-2 ^ 1 ...
Е =-Л -ехР--¡Г5—^т = (2)
ат \О,ОО21 + зт0 Ч X0-2 V
где Р — мощность излучения сигнала (кВт); Б — коэффициент усиления антенны; ¿т — дальность трассы (тыс. км); 9° — угловое расстояние между пунктами приема и передачи; X — длина излучаемой волны (м).
Расчеты для частот СДВ диапазона проводились по модифицированной формуле Остина [14-16]
Д = 12() РВ ехр(-0,0457/°'б<). (3)
где/— частота излучения сигнала в кГц. (Отметим, что необходимую мощность излучения для достижения требуемой напряженности поля Е можно определить из соотношения
(ЕЛ1 „
где значение Е, соответствующее заданной протяженности трассы, берется из графиков рис. 10(11) или определяется по формулам 2 (3) при Б = 1 и Р = 1 кВт.
Красной пунктирной линией на графике рис. 4 приведено максимально ожидаемое значение напряженности поля атмосферных шумов, соответствующее величине ~ 15 кГц / = 10 МГц), а штрихпункгирной черной — минимально ожидаемое значение Еп для тех же значений Д/ и/
Из анализа графика следует, что в отсутствии случайных (преднамеренных) помех в ДКМ диапазоне, даже на радиотрассах с глобальной протяженностью может быть достигнута значительная скорость передачи информации.
б. км
Рис. 10. Значения напряженности поля сигнала для ближней морской зоны
£
тыс. км
Рис. 11. Значения напряженности поля сигнала при ионосферном распространении СДВ-ДКМ волн
Так для трассы с d ~6 тыс. км и мощности излучения сигнала Р, ~1 кВт, исходя из соотношения [10]:
( о
V = log 2
1+-
Afc No
где V — скорость передачи, N — спектральная плотность шума, получим диапазон возможных скоростей передачи для рассматриваемого случая: V . ~ 10^150 кбит/с, что
11 J штатах
позволяет обеспечить доведение формуляра по коррекции программы миссии РТК в режиме on-line.
Оперативность управления РТК по СДВ каналу существенно ниже. Например, даже при минимально ожидаемом уровне атмосферных помех (рис. 11, черная пунктирная линия) скорость передачи для достоверного доведения команды до РТК для d~6 тыс. км и Рс ~ 10 кВт составит примерно V~ 80 ^ 90 бит/с. Из анализа, проведенного в [6], а также представленных формул и графиков следует, что достоверное доведение информации до удаленных РТК в СДВ диапазоне волн при скорости передачи до 10 бит/с (Д/^~ 10 Гц) может быть обеспечено только при Рс> 100 кВт, а в ДКМ даже при V~ 300^500 бит/с потребуется 500 Вт.
Таким образом, при использовании ДКМ РЛ обеспечивается возможность доведения информации до удаленных РТК при мощности излучения меньшей, чем при использовании СДВ радиолиний при этом реализуется более высокая скорость передачи. Однако, преимуществом СДВ РЛ является относительная стабильность распространения радиоволн при возмущениях ионосферы, а также существенно меньший коэффициент ослабления напряженности поля при распространении в водной среде (см. графики на рис. 12), что позволяет обеспечивать прием информации при заливании антенны водой, а также в подледном и подводном положении (до 15^20 м) в случае использовании плоскостных ферритовых активных антенн.
Исходя из этого, в качестве резервной связи целесообразно использовать передачу данных по СДВ и ДКМ радиолиниям, особенно в случае неполной информации о координатах и техническом состоянии РТК. При этом в силу ограниченности габаритов РТК следует использовать единую широкополосную приемную антенну с минимальными размерами. Этим требованием в большей степени соответствуют активные антенные системы (ААС). Применение ААС дает возможность оптимизировать соотношение сигнал/(помехи+шум) на входе радиоприемного устройства, расширить полосу пропускания, обеспечить требуемые параметры для согласования с фидером, существенно сократить габариты по сравнению с пассивными приемными антеннами.
Современные ААС позволяют достичь чувствительности 0,1^0,5 мкВ при динамическом диапазоне до 120 ^ 130 дБ, обеспечивая прием без дополнительных настроек в полосе частот СДВ-ДКМ диапазонов волн. Так штыревая активная антенна фирмы «Rohde&Schwarz» НЕ-010 при высоте А = 1 м реализует прием в полосе 10 кГц ^ 30 МГц при динамическом диапазоне до 120 дБ, а ААС К-625, российского производства, работает в диапазоне волн 60 кГц ^ 80 МГц и по чувствительности превосходит шестиметро-
Рис. 12. Значения коэффициента ослабления волн различного диапазона в водной среде
0,8 N
0,6
0,4
— ва . мкВ = 1- M 0,2
— £■„ 2CJMKB m
0,001 0,01
0,1
10
100 вит/с, V
Рис. 13. Вероятность правильного приема бита сообщения для трассы протяженностью 6 тыс.км., мощности излучения Р =10 Вт при разных скоростях передачи Г
вую пассивную штыревую антенну. Ферритовые плоскостные ААС имеют меньшую чувствительность, чем штыревые, однако в подводном или подледном положении РТК они в силу своей «геометрии» становятся основными для приема сообщений в СДВ диапазоне волн. Следовательно, РТК, предназначенные для функционирования только в надводном положении целесообразно оборудовать приемными активными штыревыми антеннами, а РТК, предназначенными также и для выполнения миссии в подводном положении, следует оборудовать телескопическими штыревыми, а также плоскостными ферритовыми ААС.
Использование выпускных буксируемых антенн пара-ванного типа на малогабаритных РТК проблематично из-за
значительных массогабаритных показателей тросовой лебедки и ограниченности энергоресурсов РТК, низкой механической надежности буксируемой антенны на обрыв (особенно в районах со сложным донным рельефом) и по ряду других причин.
Из приведенных выше материалов следует, что для повышения надежности связи в условиях воздействия атмосферных помех, помимо увеличения мощности излучения, можно уменьшать полосу частот передаваемого сигнала, что, в свою очередь, приведет к снижению скорости передачи команд управления, а это может оказаться неприемлемым, например, при коррекции программы миссии РТК в экстремальной надводной (подводной) обстановке.
В работах [6, 7] рассмотрен способ эффективной передачи данных с использованием мегаканальных возбудительных устройств. Параллельное излучение элементов сообщения позволяет даже при низкой скорости передачи каждого бита достичь необходимого времени доведения и помехоустойчивости приема сообщения «в целом».
Зависимость вероятности правильного приема бита (элемента) сообщения для трассы протяженностью 6 тыс. км, мощности излучения Рт= 10 Вт и разных скоростях передачи V (бит/с) при напряженности поля помех Е = I мкВ/м для А/ ~ 1 кГц, (что соответствует наличию только атмосферных шумов) и Еп = 20 мкВ/м, характерных для воздействия атмосферных шумов и случайных помех в ДКМ диапазоне волн, приведена на графике рис. 13
Вместе с тем, при отсутствии возможности получения данных по оптимальной рабочей частоте (ОРЧ) в реальном
масштабе времени (что характерно для связи с глобально удаленными РТК и при наличии непрогнозируемых локальных неоднородностей ионосферы) целесообразно вести передачу в широком диапазоне частот (практически в полосе 7^25 МГц). Известно, что эффективность передающей антенны в таком диапазоне без дополнительной настройки АнСУ (что невозможно при параллельной передаче элементов сообщений в широкой полосе частот) оказывается неприемлемо низкой.
Достичь высокого КПД при параллельном излучении сигнала во всем диапазоне возможно путем использования нескольких антенн резонансного типа, каждая из которых «работает» с частотным перекрытием / / ~ 1,3 ^ 1,4. Это
г г г ''верх^нижн ' '
позволяет обеспечить передачу эквивалентного суммарного сообщения в зоне оптимальных рабочих частот с максимальным КПД и, таким образом, используя менее мощные радиопередатчики реализовать высокую помехоустойчивость приема. Пример реализации РЛ для реального диапазона частот протяженных ДКМ радиотрасс приведен на рис. 14.
Сообщение, предназначенное для передачи, «закрывается» в блоке кодирования 2 помехоустойчивым кодом. Закодированное сообщение поступает на мегаканальное возбудительное устройство (ВУ) с модуляторами 5 [6], реализующее параллельную установку частот, задаваемую блоком формирования частотно-временной матрицы псевдослучайной последовательности (БФ ПСП) 4. С выхода каждого мегаканального ВУ параллельно передаваемые биты сообщения поступают на соответствующие усилители мощности (УМ 6.1 — УМ 6.4), блоки сопряжения с антеннами (БС 7.1 — БС 7.4) и на антенны 8.1-8.4.
Рис. 14. Структурная схема радиолинии управления РТК
Рис. 15. Структура формирования параллельно передаваемых элементов сообщения в частотных поддиапазонах
Для приема в комплексе связи РТК используется малогабаритная широкополосная активная антенная система 9. Принятый сигнал с ААС поступает на мегаканальное радиоприемное устройство 10 [17] и после демодуляции в блоке 13 выдается на обработку в блок формирования принимаемого сообщения (БФПС) 14. В БФ ПСП, в зависимости от метода кодирования, может быть реализован один из оптимальных алгоритмов совместной обработки информации, принятой по параллельным каналам: поэлементное весовое сложение, позначное весовое сложение, прием «в целом» и т.п. [18].
Для исключения потери элементов сообщения (из-за несовпадения рабочих частот с диапазоном оптимального прохождения радиоволн) в каждом поддиапазоне формируется их частотно-позиционная последовательность для параллельной передачи в соответствии со структурой матрицы формирования ПСП канальных комплектов рабочих частот приведенной на рис. 15.
При этом необходимо подчеркнуть:
1. Предлагаемое построение радиолинии позволяет обеспечить снижение вероятности пакетирования ошибок, что повышает корректирующую (исправляющую) способность кодовой конструкции.
2. Переход на низкие скорости передачи каждого бита сообщения позволяет отказаться от системы единого времени (СЕВ) и предварительной передачи синхронизирующей группы, необходимой при быстрой последовательной побитной ППРЧ, поскольку рассинхронизация перестройки частот удаленных друг от друга ПДРЦ и МРПУ 9 связанная со скоростью распространения радиоволн 10 мс на 3000 км) практически не будет влиять на эффективность приема элемента сообщения длительностью более 1 с.
3. Параллельный прием «выстроенных» в постоянной последовательности элементов (рис. 15) позволяет всегда восстановить переданное сообщение при любом реальном значении диапазона ОРЧ. Это обусловлено тем, что, при совместной оптимальной обработке в блоке весового сложения [4] будут участвовать любые элементы сообщения, принятые в1^1У частотных участках (рис. 14и 15).
4. Низкая энергетика и сверхузкая полоса передачи каждого бита сообщения обеспечивают высокую электромагнитную совместимость с другими системами (комплексами).
5. Использование активной антенной системы [19] обеспечивает одновременный прием во всей полосе частот при использовании МРПУ, построенного на Жй-технологиях.
4. Методы доведения информации
до глубокопогруженных объектов
При нахождении РТК МБ в подводном положении на глубине более 15-20 м связь с ним без выпускного антенного устройства или буя-ретранслятора даже по СДВ радиоканалу, как было показано выше, не обеспечивается. В то же время, установка таких устройств на РТК проблематична.
Для решения задачи по доведению информации до глубокопогруженных объектов специалистами предлагается использование различных видов и методов связи, в том числе: оптической, гидроакустической, параметрической, электромагнитной, а также теневых методов приема гидроакустических волн. (Рассмотрение нештатных методов передачи информации, таких как нейтринная, торсионная, политронная, солитонная связь и т.д. выходит за рамки статьи).
Значительно меньшим коэффициентом затухания в водной среде, чем радиоволны СДВ диапазона, обладают волны оптического (сине-зеленый спектр) диапазона частот (рис. 12), что позволяет использовать лазерную связь (ЛС) в этом спектре для взаимодействия с подводными объектами при задействовании космических аппаратов (КА) или самолетов-ретрансляторов [12, 20, 21].
Однако применение ЛС с глобально перемещающимися РТК технически и экономически в настоящее время недостаточно оправдано. Это объясняется сравнительно большими габаритами входного модуля оптического приемника и необходимостью точной ориентации его диаграммы направленности (ДН) на источник лазерного излучения. В то же время, автономные малогабаритные навигационные устройства, предназначенные для определения координат РТК в процессе его подводного перемещения, не обеспечивают приемлемую точность определения местоположения в течение выполнения длительной миссии, вследствие чего подводному аппарату периодически необходимо осуществлять определение реальных координат путем всплытия и реализации взаимодействия с системой ГЛОНАС (GPS) [22]. Очевидно, что в этом случае обмен данными с базовой станцией может быть организован по основному (спутниковому) каналу обмена данными без задействования оптического канала связи. Кроме того, для надежной ЛС с использованием КА (самолетов-ретрансляторов) при доведении информации до погруженных РТК необходимо выполнение ряда условий, таких как низкая мутность воды, высокая прозрачность льда, отсутствие экстремальных погодных условий (снегопад, «густой»
туман, сильный дождь), что реально не может быть обеспечено при длительной миссии РТК.
В работе [23] предлагается обеспечить доведение информации до глубокопогруженных подводных объектов за счет использования эффекта параметрического взаимодействия электромагнитной и акустической волн с близкими частотами/ и f В поверхностном слое воды (скин-слое) в этом случае, как утверждают авторы, формируется новый промодулированный электромагнитный сигнал с разностной частотой f = f - f << f, что позволяет этому сигналу из-за малого коэффициента ослабления в воде обеспечить допустимое соотношение сигнал/шум на значительных глубинах (порядка 150 м [23]). Однако в настоящее время исследования по возможности реализации рассмотренного метода, по крайней мере, для подводной связи с РТК, проводить нецелесообразно, поскольку на подводных аппаратах с ограниченными размерами и энергоресурсами следует использовать малогабаритные активные антенные системы, эффективность которых при приеме сигналов с частотой/ <<10 кГц становится недопустимо низкой.
Обмен данными с глубокопогруженными (до 100 м и более) аппаратами при их удалении от надводного (подводного) пункта базирования на расстояние до 10 км обеспечивается, как правило, путем использования гидроакустической связи (ГАС). Для звуковых частот в диапазоне/ ~ 10^50 кГц (характерных для ГАС), в зависимости от солености, температуры воды и гидрологии морского района коэффициент ослабления гидроакустической волны а составляет до 10 дБ/км и более, поэтому при значительных удалениях от БПУ при организации подводной ГАС, ввиду ограниченной мощности гидроакустических излучателей на РТК, необходимо обеспечить помимо оптимальной сигнально-кодовой конструкции передаваемой информации, высокую чувствительность приемника акустического сигнала.
Новым, перспективным направлением в этой области является применение теневого прибора (ТП), состоящего из комбинации собирающих линз, теневой диафрагмы и фотоприемника [24-26]. При использовании двухканаль-ного ТП (приемника) возможно формирование от «круговой» до узконаправленной диаграммы направленности. Основные характеристики экспериментального оптико-акустического приемника (ОАП) приведены в табл. 2 [24].
Таблица 2
Наименование параметра Значение параметра
Дальность до источника излучения звуковой волны 1 км
Точность определения направления на источник излучения +3 град
Чувствительность на уровне естественных шумов моря
Угол обзора до 360 град
Глубина погружения ОАП до 500 м
Габариты 50x40x20 см
Масса менее 15 кг
Учитывая высокую потенциальную чувствительность ТП, целесообразно продолжить работы по снижению их массогабаритных показателей с целью последующего использования на РТК МБ вместо традиционных пьезоэлектрических преобразователей гидроакустических сигналов.
Одним из методов обмена информацией между объектами, находящимися в подводном положении, является электромагнитная связь, основанная на использовании эффекта распространения электромагнитных волн в проводящих средах, в том числе в морской воде. При этом электромагнитное поле в рассматриваемой среде создается за счет применения токового диполя (ТД) [27, 28]. Причём потенциал, создаваемый им в точке, удаленной на расстояние С >> Ь, можно определить по формуле:
р 1Ь сое а
Ф =--5- ■
ТД 4к с12
Отсюда следует, что максимальное значение ф1Д составит: = _р_/£ (4) ТД 4л: й1
где р — удельное сопротивление среды, Ь — плечо диполя, I — ток, создаваемый диполем, 1Ь = Б — дипольный момент токового диполя.
Для расстояния сС = 100 м в морской воде (р ~ 0,2^1 Ом м) при значении шумовой составляющей, характерной для водной среды примерно 20 мкВ и обеспечения соотношения в точке приема сигнал/помеха Р]РШ ~ 3 из формулы (4) получим следующие значения дипольного момента: Б^38-^7,6Ам, а при увеличении расстояния до 1 км необходимое для достижения заданного соотношения сигнал/ шум значение дипольного момента может составить более 3000 А м. Оценка возможности реализации таких значительных величин Б на борту РТК требует дополнительной конструкторской проработки и экспериментальной проверки, а также определения влияния создаваемого электромагнитного поля на биосферу океана.
Необходимо отметить, что в современных и перспективных проектах РТК для решения задачи по их взаимодействию с другими подводными аппаратами (буями-ретрансляторами) в состав интегрированной системы управления (ПСУ) подводного аппарата в обязательном порядке входит подсистема гидроакустической связи (ГАС) [29]. Это обусловлено широким внедрением технологии цифровой обработки сигналов, позволившей реализовать гидроакустические модемы, обеспечивающие функционирование при многолучевом распространении акустического сигнала и при воздействии помех от посторонних излучателей. Для примера на рис. 16 представлена импульсная характеристика многолучевого подводного канала связи протяженностью 10,5 км в котором при испытании модема ВСГС была реализована скорость передачи до4160 бит/с [30].
Гидроакустические приемные и передающие антенны обеспечиваются системой цифрового синтеза адаптивных диаграмм направленности, а при формировании сиг-нально-кодовых конструкций передаваемого сообщения
Рис. 16. Импульсная характеристика «многолучевого» подводного канала [30]
используются широкополосные сигналы и помехоустойчивые коды, что позволяет в реальных условиях достичь высоких скоростей передачи данных и требуемой вероятности доведения информации при значительных расстояниях между взаимодействующими объектами под водой. Сравнение характеристик некоторых типов гидроакустических модемов приведены в табл. 3 [30-33].
Отметим, что гидроакустические модемы предыдущего поколения (аналоговые) при той же мощности излучения, что, например, модем ГАСС, обеспечивали на дальностях до 1,5^2 км скорость передачи 200 400 бит/с, имея при этом в 4 раза большие массогабаритные показатели.
5. Организация связи при групповом выполнении
миссии РТК МБ
При оценке вероятности выполнения миссии, требующей глобального удаления РТК от места базирования (т. е. многосуточного подводного похода), необходимо учесть возможность деградации основных элементов РТК, несовместимой с успешным завершением миссии, обусловленной параметрами надежности элементов аппарата, случайными повреждениями РТК, в том числе вследствие столкновений с крупными объектами или представителями морской фауны, айсбергами, рыболовными сетями и т.п., не исключая умышленных повреждений или уничтожения РТК. Причем вероятность выполнения миссии Рвм будет
уменьшаться в зависимости от увеличения количества всплытий для уточнения координат и проведения сеансов связи с БПУ Отсюда с очевидностью следует необходимость реализации искусственного интеллекта в ПСУ РТК, позволяющей обеспечить оптимальную трассу перемещения, и её коррекцию в случае наличия незапланированных (случайных) препятствий или угроз. Тем не менее, вследствие указанных факторов при одиночном выполнении миссии, особенно конфиденциальной, Р может оказаться неприемлемо низкой. Вместе с тем, при групповом использовании РТК для достижения требуемого значения Рвм достаточно задействовать количество аппаратов Ы, определяемое из неравенства:
N>
log (1-Рвм)
log (I PO
где Р — вероятность выполнения миссии одним РТК.
То есть, даже при Pl ~ 0,9 для достижения Рвм > 0,999 ориентировочно потребуется не более трех-четырех идентично оснащенных и имеющих одинаковую целевую функцию РТК. При этом возможно два варианта их перемещения в заданный удаленный район мирового океана: I вариант — независимое прохождение маршрута каждым РТК; II вариант — групповое выполнение миссии, подразумевающее реализацию «интеллектуального» взаимодействия РТК в процессе совместного перехода в заданный район.
Таблица 3
Параметры модема S2C R 8/16 Германия S2CR 40/80 Германия Acoustic Modem Германия UWM2000H США ВСГС Россия (АО «НИИ Гидросвязи «Штиль») ГАСС Россия (ДВО РАН)
Дальность действия (км) 10,0 2,5 30 6,0 10,5 8,0
Максимальная скорость передачи данных (кбит/с) 6,9 35,7 0,145 17,8 57,6 4
Частота излучения (кГц) 8+16 40 + 80 - 26,77 + 44,62 18,75 + 42,75 16 + 20
Вероятность ошибки - - - 10-9 10-9 -
Вес модема, (кг) 4,2 2,1 - - - -
В ряде работ [12, 34, 35] для обеспечения живучести подводных объектов (робототехнических подводных комплексов, подводных лодок, РТК и т.п.) предлагается создавать сети подводной интегрированной связи (СПИС) с реализацией составного радио-гидроакустического канала в направлении пункт управления — подводный объект. Так предлагаемый АО «НИИ Гидросвязи «Штиль» вариант построения СПИС реализуется на базе нескольких автономных донных линий связи, каждая из которых состоит из промежуточных пунктов доступа и концевых гидроакустических модемов, объединенных оптоволоконной линией связи. Взаимодействие сети связи с береговым пунктом осуществляется по радиоканалу через автономный гидроакустический буй-ретранслятор, входящий в её состав. Вместе с тем, как отмечается в работе [34], при необходимости развёртывания такой СПИС в отдалённых районах ограничивающими факторами могут оказаться сложность, безопасность и стоимость её развёртывания, а также ограниченность дальности взаимодействия с подводными аппаратами.
Одним из решений при реализации миссии РТК по мониторингу удаленных районов мирового океана может служить создание международной сети малогабаритных буев-ретрансляторов. Однако, решение этой задачи в ближайшее время маловероятно из-за экономических и военно-политических причин.
Таким образом, представляется целесообразным возложить функции обмена данными с БПУ на сами подводные аппараты.
Исходя из этого, в случае выполнения групповой миссии РТК по варианту I суммарное число взаимодействий с БПУ (количество всплытий) за время выполнения миссии составит М = N к, где к — число заданных сеансов связи с РТК, а по варианту II, М = к < М, что в ряде случаев, может оказаться определяющим фактором его использования.
В соответствии с одним из возможных алгоритмов миссии РТК в составе N идентичных аппаратов, на начальном этапе назначается РТК — «Лидер» (РТК-Л), осуществляющий координацию функционирования остальных РТК. При этом программы текущих действий группы хранятся параллельно в БД каждого РТК и периодически взаимно обновляются по каналу ГАС.
РТК-Л при необходимости взаимодействия с БПУ или для уточнения координат группы реализует «назначение» буем радио-гидро-ретранслятором одного аппарата из группы РТК по расписанию либо по оценке их основных параметров. Причём для проведения следующего сеанса связи, по ряду показателей ретранслятором может быть определен другой РТК (аналогично, по ряду показателей в процессе выполнения миссии автоматически может быть переназначен РТК-Л).
В зависимости от решаемых группой РТК задач, рельефа донной поверхности, наличия внешней угрозы и т.п. РТК-Л может также «принять» решение на реализацию максимального удаления от аппарата, выполняющего функцию буя-ретранслятора, которое примерно равно:
L = (n -Y)l , где l — максимальная дальность связи,
max 4 у max max
реализуемая по каналу ГАС.
То есть при заданном количестве РТК (N) для получения максимального значения L требуется обеспечить
max 1 J
возможно больший показатель для l .
max
Здесь необходимо подчеркнуть, что на время сеанса связи с БПУ ретрансляционная цепочка аппаратов служит не для доведения принятого сообщения до всех РТК, а только для обеспечения их взаимной подводной пространственной координации, т. е. при максимальном удалении друг от друга РТК фактически выполняют функции маяков-ответчиков с низкой информационной скоростью передачи.
Как следует из таблицы 3 для современных модемов заявляемая максимальная дальность ГАС составляет до 30 км. Однако, в настоящее время к подсистеме ГАС, в значительной степени определяющей успешность выполняемых РТК (в том числе в группе) специальных заданий, предъявляются более высокие требования по максимально достижимым значениям 1шах [12].
6. Оценка максимальной дальности
при обмене данными между РТК
Для оценки энергетической дальности действия гидроакустической системы в различных режимах её функционирования (эхо-локации, шумопеленгования, телеметрии), как правило, используется общее уравнение, которое применительно к ГАС можно представить в виде [36-39]
РЩ А2(ф)А2(ф).10^.л=^Л/рт;Д/р), (5) к
где pjf , Af,) — давление помехи в рабочей полосе частот Af,> ро — давление, развиваемое передающей антенной с излучаемой мощностью PmR на условном расстоянии lo;
и -02(ф) — характеристики направленности передающей и приемной антенн соответственно; к2 — отношение энергии сигнала к спектральной плотности помех; R — расстояние между гидроакустическими передатчиком и приемником; f — рабочая частота передаваемого сигнала; Р — пространственный коэффициент затухания звуковых волн в воде; Аф= 10 lg Ф — фактор аномалии распространения звуковых волн, учитывающий фокусировку (Ф < 1) и дефокусировку (Ф>1) акустического поля.
В [36] показано, что с учетом частотных зависимостей уровня шумов моря и затухания сигнала для трансцендентного уравнения (5) существует оптимальное значение рабочей частоты^, для которой при фиксированных параметрах гидроакустического тракта связи (включая передающий и приемный комплекты) обеспечивается максимальная дальность связи.
Так для антенн плоскостного типа при спектральной плотности помех вида G(f) ~ f где n = 1^2, значение оптимальной частоты составит: f ~ n'R"2/3103 кГц, где n' ~
J опт '
1,9^3, т.е. дляR ~ 50^100 км значения оптимальной частоты будет находиться в диапазоне/^ 0,9^2,2 кГц.
Близкие значения / получаются и при использовании
J опт J 1
антенны линейного типа, для которых в этом случае габаритные размеры составят до 1,5^3 м, что может создать значительные конструктивные трудности, а в ряде случаев и отказ от установки таких гидроакустических антенн на мало- и среднегабаритных РТК.
Переход на более высокие частоты излучения, в силу уменьшения габаритов антенных элементов, позволит устанавливать на РТК ФАР, обеспечивающие подавление помех от посторонних излучателей (т. е. уменьшения значения/^) и увеличение коэффициента £>2(ф) в направлении на полезный сигнал, тем самым реализуя возможность
Рис. 17. Спектральные характеристики шумов моря
увеличения дальности связи. В предположении отсутствия (подавления) помех от посторонних излучателей проведем расчеты по дальности ГАС для минимальных и максимальных значений (пунктирная и штрихпункгирная линии на рис. 17) шумов моря. Учитывая большой разброс численных значений величин, входящих в формулу (5), для наглядности графического представления соответствующих расчетов приведем её к виду:
lgA = \gp0 + lg А (ф) + lg£>2 (ф)+
(6)
Рис. 18. Зависимость значений \ф от дальности взаимодействия между РТК в группе
На рис. 18 представлены результаты расчетов по формуле (6) значений ^й в зависимости от расстояния между РТК для следующих исходных данных: Д1(ф) =1, Лф = 1, р = 0,03бЛ дБ/км, А/ =1 Гц, мощность излучения сигнала Р = 100 Вт, 1= 1 м. Значения р (/ , А/) вычислялись
ИЗЛ '0 г П ^ рч' Ру
в соответствии с графиками рис. 17, в предположении использования четырехэлементной адаптивной ФАР, реализованной на базе гидроакустических приемных антенн цилиндрического типа, обеспечивающих подавление помех от посторонних излучателей и формирование максимума ДН в направлении на полезный сигнал.
Из анализа графиков следует, что на частотах свыше 10 кГц реализовать устойчивую связь при Я > 100 км достаточно проблематично, поскольку даже при передаче рассматриваемого узкополосного сигнала, с полосой А/ =1 Гц и /Ч=Ю кГц, в условиях наличия только естественных шумов моря значение отношения сигнал/шум будет находиться в пределах к ~ 0,06^5, т. е. при реализации в гидроакустическом модеме некогерентного приема, удовлетворительная вероятность доведения информации может быть обеспечена только в условиях минимальной шумно-сти моря (штрихпункгирная линия на рис. 18).
В случае применения когерентного «накопления» узкополосного сигнала, теоретически, за счет увеличения времени излучения (снижения скорости передачи) одного бита сообщения тс, можно повысить значение отношения сигнал/ шум на входе решающего устройства до заданной величины, однако при практической реализации этого метода, применительно к ГАС, возникают как минимум два ограничения.
Первое из них обусловлено наличием максимального временного интервала когерентности сигналов, в реальном гидроакустическом канале. По результатам исследований, приведенных в [37], указанный интервал не превышает 4 секунд, что недостаточно для необходимого «накопления» сигнала при приеме «под шумами» для рассматриваемых условий.
Вторым ограничением является наличие эффекта доплеровского смещения частоты А/ приближенное значение которого для двух взаимодействующих по гидроакустическому каналу объектов, перемещающихся с относительной скоростью и, определяется по формуле:
¥ - / • - .
"-Уд J рч '
откуда для характерной скорости звука в воде изв=1500 м/с, и =5 км/ч и/ч = 10 кГц получим: А/я~9 Гц.
Таким образом, при приеме узкополосного сигнала в модеме ГАС необходимо реализовать алгоритм автоматической адаптивной перестройки приемного фильтра для «отслеживания» за изменением частоты, обусловленного эффектом Доплера. Кроме того, вследствие этого, при создании модема, обеспечивающего повышение скорости передачи за счет одновременного излучения элементов сообщения на заданном количестве разных частот, следует учитывать необходимость формирования в блоке параллельных фильтров защитного интервала между соседними рабочимичастотамиА/ >2А/".
Хотя расчеты в представленных материалах велись для «благоприятных» условий связи в предположении наличия минимального уровня шумов и подавления помех от посторонних излучателей, а также без учета возможного попадания принимающего информацию РТК в область «тени» (или значительного ослабления) гидроакустической волны, характерных как для приповерхностного так и для подводного и мелководного звуковых каналов [38], тем не менее, показано наличие принципиальных путей реализации взаимодействия РТК, удаленных друг от друга на расстояния свыше 50 км, особенно при групповой миссии РТК с искусственным интеллектом, позволяющим учитывать гидрологию района их нахождения.
На рис. 19 представлен вариант структуры построения гидроакустического модема для РТК МБ, реализующего многоканальный прием и пространственную обработку гидроакустического сигнала. При этом в блоке принятия решения предложенного модема реализован алгоритм весовой мажоритарной обработки информации методом «среднего знака» [40], в соответствии с которым «подсчет» числа разрешенных знаков и установка весового коэффициента среднему знаку производится после приема каждого
Коэффициентом подавления помех от посторонних излучателей возможно управлять путем установления «шага» Дф (в приведенном на рис. 19 варианте Дф=2°). Автоматический учет эффекта Доплера обеспечивается за счет использования блока частотной коррекции в каждом приемном тракте.
7. Обеспечение оптимального сложения приема
сигнала по параллельным каналам
Учитывая, что частотный сдвиг между соседними каналами приема сигнала меньше полосы спектра сигнала, на решающее устройство (блок выбора решения, рис. 19) может поступить несколько копий сообщений. Кроме того, при использовании М территориально-частотно-разнесенных источников сигнала (что, как правило, применяется для передачи информации на удаленные морские объекты), имеющих малый коэффициент корреляции между каналами, количество таких копий сигнала (сообщения) дополнительно увеличивается в М раз. Одним из экономичных способов с точки зрения сокращения вычислительных операций при
синтезе суммарного решения о принятой информации является позначное весовое мажоритарное сложение.
Рассмотрим способ определения весовых коэффициентов. Пусть при приеме знака сообщения по < каналам зарегистрировано V коалиционных групп, содержащих д(г1) знаков г, д(г2) знаков г2, ..., д(г^) знаков г^и д(г0) знаков с обнаруженными ошибками, причем величина д(гк) может принимать значения от 1 до <2, а^, гу принадлежат алфавиту из О разрешенных знаков. Рассмотрим произвольную пару коалиционных групп с соответствующими априорными и апостериорными условиями вероятности приема:
1 о)}'
Воспользовавшись формулой умножения вероятностей и формулой Байеса [6], представим данные условные вероятности в явном виде (7).
,_ . 1 tyU
\ 1 — р (г у яЧп)
"VI) 1=1 Ртр Лг1> к=1 ;=1 171=1
,_ . 1 »(ОН-л (Г)ЯЫ V
у ' Р^А^) *=Т н .=1
- Р(г,)Р{ч(г0)МО\г) (7)
Р{г, I ?(>•„),<7(0) = —-V -
2>(<7(>Ь)><?(Ок)
1=0
Предполагая априорное равенство вероятностей передачи различных знаков сообщения, с учетом формул (7) и критерия максимального правдоподобия, получаем правило (8) решения о передаваемом знаке, где
, , , л , ч 1"/'аш1'(';)
И
р^Лп)
q(r) q(ri)
Г, П As (r) >П ),
s=1 s '=1
q(rj ) q(r )
r, П Asir ) >П As (r ),
(8)
Учитывая, чтоАв(г;) > 1 иА!' (г) > 1, правило (7) представим в виде (9):
г =
ri> 2>--ГТ-»
РтрА^) »•=! pwArj)
rp jTln j^ln
s'=l Ap ,■(*)) J=1 Ptv s(ri)
(9)
при p^ (r,), pw (r0.! ) = pTt(rl)--
0-1
-. эквивалентно по-
значному мажоритарному сложению с весовыми коэффициентами в э-м канале:
r
s =1
s=1
К получателю сообщения
Рис. 19. Структурная схема гидроакустического модема комплекса связи РТК МБ знака
(®-1)(1 -poms)
Ртр s
(10)
В том случае, когда количества коалиционных групп в принятой по Q каналам реализации сигнала равно двум, переданной знак определяется по правилу (9). При наличии большего числа коалиционных групп необходимо вычислить с использованием формулы (10) значения сумм в(ч) «(О
и расположить их в виде вариаци-
»=1 а=1
онного ряда с убывающими членами. Тогда, значение гх, соответствующее первой сумме вариационного ряда, т.е.
яЫ ГгОО г(г„) 1
, является оптималь-
5=1 [ 5=1 ]
ным решением о переданном знаке при использовании критерия максимального правдоподобия.
В том случае, когда при передаче сообщения не используется второй контур кодирования и отсутствует семантическая избыточность, а первичный код имеет малую исправляющую способность, целесообразно ввести более жесткие критерии выбора решения 5 при поэлементном весовом мажоритарном сложении, весовые коэффициенты при котором определяются аналогичным способом [41]. Данный принцип, описанный в процессе разработки многоканального РПУ позволяет перейти к созданию по-мехозащищенных РЛ.
Заключение
Из представленных материалов следует: совместное использование спутниковой и специализированных СДВ-ДКМ радиолиний позволит обеспечить устойчивое доведение команд управления до РТК МБ (в том числе глобально удаленных от БПУ) находящихся в надводном положении, а также на глубине до 20 м;
доведение до БПУ данных о состоянии или другой информации от РТК МБ доступно только по спутниковому каналу связи, поскольку габариты эффективных передающих антенн и необходимая мощность передатчика в СДВ-ДКМ диапазоне (для достоверного доведения данных до удаленного БПУ) реализовать на мало- и среднегабарит-ных РТК не представляется возможным;
высокая вероятность выполнения робототехнически-ми комплексами различных программ на глобальном удалении от базового пункта управления может быть реализована при групповой миссии РТК с внедренными элементов искусственного интеллекта;
несмотря на значительное количество перспективных методов доведения информации до глубокопогруженных объектов, гидроакустическая связь является основным методом при решении такой задачи, а также для реализации обмена данными между РТК в подводном положении, в том числе при их значительном удалении друг от друга;
обмен данными между РТК в подводном положении на взаимном удалении 50^100 км достигается подсистемой гидроакустической связи за счет снижения скорости пере-
дачи до 1 бит/с и менее, при условии подавления помех от посторонних излучателей и автоматического учета эффекта Доплера. Повышение скорости передачи в этом случае может быть обеспечено путем применения гидроакустических модемов «параллельного типа».
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта№ 16-29-04326 офи_м
Литература
1 .НиколашинЮ. Л., МирошниковВ.И., БудкоП.А., ЗащуливетерЮ.С., СеменовС.С. Общий подход к формированию единого информационно-управляющего пространства морской компоненты ВС РФ. Часть II. Принципы формирования сильносвязной телекоммуникационной подсистемы единого информационно-управляющего пространства Военно-морского флота России // Морская радиоэлектроника. 2015. № 1. С. 22-28.
2.НиколашинЮ.Л., КулешовИ.А., БудкоП.А., Жол-дасовЕ.С., ЖуковГ.А. SDR радиоустройства и когнитивная радиосвязь в декаметровом диапазоне частот. II Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 1. С. 20-31.
3. ЧернухинЮ. ^Искусственный интеллект и нейрокомпьютеры. Таганрог: ТРТУ, 1997. 273 с.
4. НиколашинЮ. Л., БудкоП.А., ЖуковГ.А. Нейроби-онический подход к решению задачи оптимизации приема информации в канале с переменными параметрами II Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2016. №1.С. 49-57.
Б.МихалевскийЛ.В. Когнитивное радио — передовая технология на пути к более рациональному использованию радиочастотного спектра II Конвергенция служб радиосвязи как средство повышения эффективности использования радиочастотного спектра: тезисы докладов Семинара МСЭ. (Ереван, 28-30 апреля 2008 г.).
6. НиколашинЮ. Л., МирошниковВ.И., БудкоП.А., ЖуковГ.А. Когнитивная система связи и влияние использования данных мониторинга на помехоустойчивость сверхузкополосных декаметровых радиолиний II Морская радиоэлектроника. 2015. №2 (52). С. 16-22.
7.Николашин Ю. Л., Будко П. А., Жуков Г. А. Эффективность использования когнитивной радиосвязи в декаметровом диапазоне частот II Техника средств связи. 2014. Вып. 3 (142). С. 6-21.
%.БакановД.В., МорозН.В., Пухов Г.Г., СалюкД.В., Тим-чукА.А. Применение многофункциональнбой системы персональной спутниковой связи «Гонец-Д1М» для обеспечения информационного взаимодействия между удаленными абонентами. II Техника средств связи. 2014. Вып. 3 (142). С. 63-67.
9 .НиколашинЮ. Л., Будко П. А., Жолдасое Е.С., ЖуковГ.А. Перспективные методы повышения помехоустойчивости декаметровых радиолиний II Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2014. Т. 6. № 1. С. 30-37.
10. ФинкЛ.МЛеория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. 728 с.
11. Барабашов Б. Г., Анишин М. М., Огаръ А. С. Прогнозирование качества передачи дискретных сообщений по ионосферному каналу // Радиотехника, электроника и связь («РЭИС-2013»): Сб. докладов II Международной науч.-техн. конф. (Омск 01-04 октября 2013) Омск: Омский научно-исследовательский институт приборостроения, 2013. С 147-154.
12.Белоусов И. Современные и перспективные необитаемые подводные аппараты ВМС США II Зарубежное военное обозрение. 2013. № 5. С. 79-88.
13. Рекомендации МСЭ-R Р.372-10 (Ред. 10/2009). Ра-диошум. Серия Р: Распространение радиоволн. Женева, 2010. 75 с.
ХА.ДолухановМ.^.Распространение радиоволн. М.: Связь. 1972. 336 с.
15.НеволинТ.Н., ЩепотинВ.И.Ортаяизацая и планирование радиосвязи на морском флоте. М.: Транспорт. 1977. 262 с.
16.АкуловВ.С., СалюкД.В., УгрикЛ.Н. Учет точности прогнозирования электромагнитных полей при расчете радиотехнических систем II Техника средств связи. 2014. Вып. 3 (142). С. 53-56.
П.БудкоП.А., ЖолдасовЕ.С., ЖуковГ.А., БудкоН.П. SDR-технологии и новые принципы приема сообщений в симплексных радиолиниях II Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2013. Т. 5. № 1. С. 34-38.
18.Жуков Г. А. Методы весовой мажоритарной обработки дискретной информации при приеме по параллельным каналам II Техника средств связи. Сер. ТПС. Вып. 8. С. 74-84.
19.БредихинА.Н., РодионовЭ.Н., ЯблонскихА.А. Динамический диапазон активных антенн. II Теория и техника радиосвязи. 2008. Вып. 1. С. 121-125.
Ю.Катенин В. А. Лазерные технологии в зарубежных военно-морских силах II Экспертный союз. 2012. № 6. URL: http:// www.unionexpert.ru/index.php/news/item/419-laser-technology-in-foreign-naval-forces (дата обращения 25.01.2017).
21 .АлешинО.В., КатановичА.А. Принципы построения автоматизированных систем спутниковой открытой оптической связи с подводными лодками II Морская радиоэлектроника. 2016.№1.С. 32-35.
22.БоженовЮ.А. Микроэлекгромеханические устройства в необитаемых подводных аппаратах II Подводные ис-следованияиробототехника. 2006. №1.С. 39-44.
23 .ШайдуровГ.Я., Ду<ЗиновД.С.Энергетический потенциал и тактико-технические возможности использования эффекта параметрической демодуляции для подводного радиоприема сигналов в морской воде II Журнал радиоэлектроники. 2012. №2. С. 1-13.
2А.ЯковлевВ.А., ЖуренковА.Г., ШульженкоП.К., Му-синЛ. Ф., ФроловА.П. Оптико-акустическоеустройство наведения для системы подводной беспроводной оптической связи// Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 10. С. 91-92.
25 .ЖуренковА.Г., Яковлев В. А. Обнаружение гидроакустических волн теневыми приборами на фоне турбулентности и взвеси II Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 4. С. 28-33.
26 .БудановС.П., ГончаровЭ.Г., МартинсонБ.М., ЖуренковА.Г., ЯковлевВ.А.Диаграмма направленности
гидрооптического приемника акустических колебаний II Оптический журнал. 2004. Т.71.№4. С. 34-38.
21.СтопцовН.А., БойцовВ.И., ШелеминВ.Н.Связъ под водой. Л.: Судостроение, 1990. 248 с.
28. Шибкое А. Н. Подводная связь и навигация с использованием электромагнитного поля. Дисс.д.т.н. Владивосток: ДВГУ 2006. 284 с.
29.МартыновЛ.А., МашошинА.И., ПашкевичИ.В., Соколов А. Л. Система управления — наиболее сложная часть автономных необитаемых подводных аппаратов. II Морскаярадиоэлекгроника. 2015. №4. С. 27-33.
30.БобровскийИ.Л., КозьминС.Г. Модем высокоскоростной гидроакустической связи. Натурные испытания 10.07.2014. URL: https://youtu.be/jxbmzNS6DXI (дата обращения 25.02.2017).
31. Вершинин А. С. Сравнительный анализ гидроакустических модемов II Молодой ученый. 2015. № 12. С. 156-161.
Ъ2.ГорнакВ.Е., ИкзарцееА.В., ЛъеоеО.Ю., Матеи-енкоЮ.В., ЩербатюкА. Ф. ММТ-3000 — новый малогабаритный АНПА института проблем морских технологий ДВО РАН II Подводные исследования и робототехника. 2007. № 1(3). С. 12-20.
33. Кайфаджан A.A., Ткаченко А. О. Гидроакустическая связь и гидроакустические средства / Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения: сборник трудов научно-технической конференции (Волгоград, 5-9 августа 2013). Волгоград: НИН гидросвязи «Штиль», 2013.
34.БрагаЮ.А., МашошинА.И. Место сетевой подводной системы обмена данными в интегрированной сетецентрической системе подводного наблюдения / Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения: сборник трудов научно-технической конференции (Волгоград, 5-9 августа 2013). Волгоград: НИН гидросвязи «Штиль», 2013.
ЪБ.КозлоеН.С., МикушинИ.И., ПаршуковВ.Н.^а-правления развития средств обмена данными по гидроакустическому каналу в интересах включения подвижных погруженных объектов в единое информационной пространство / Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения: сборник трудов научно-технической конференции (Волгоград, 5-9 августа 2013). Волгоград: НИИ гидросвязи «Штиль», 2013.
36.Све/кЗлинРМ.Прикладная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1990. 320 с.
Ъ1.Макарое А.И.,Деорникое В. Д.,Конопелько В. К. Передача информации в гидроакустическом канале / Доклады Белорусского государственного университета информати-киирадиоэлекгроники. 2004. С. 103-118.
38. УрикР. Дж. Основы гидроакустики: пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.
Ъ9.Евтюков А.П., МитькоВ.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988. 288 с.
40.ЖуковГ. А., ПопковВ.Я. О методах определения весовых коэффициентов для дискретного сложения сигналов,
принятых по параллельным каналам / Тезисы докладов VIII симпозиума по проблеме избыточности в информационных системах. Часть 2. Л.: Академия наук СССР, Ленинградский инст-т авиационного приборостроения, 1983. С. 94-97.
41. Жукова ^.Эффективность совместного использования различных методов обработки сигналов при приеме параллельным каналам // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1984. Вып. 6. С. 66-74.
COMPLEX USE OF DIVERSE COMMUNICATION CHANNELS FOR MANAGEMENT OF ROBOTIC COMPLEXES ON THE BASIS OF UNIFORM SYSTEM OF RADIO MONITORING
Pavel A. Budko,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
Gennadii A. Zhukov,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
Aleksei M. Vinogradenko,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
Alexander I. Litvinov,
St. Petersburg, Russia, [email protected]
ABSTRACT
Questions of complex use of diverse radio channels of management of robotic complexes of sea basing with use of the single system of radio monitoring constructed on the principles of functioning of cognitive radio systems are considered. The plan of creation of single system of radio monitoring as for the benefit of subscribers of radio networks and the radio directions of department, and it is direct for the benefit of basic control centers groups of the robotic complexes using radio lines of superlong-wave, decameter, ultrashort-wave and space communication is provided. The analysis of applicability of radio channels of various wave bands in case of management of a robotic complex is this, both in surface, and in the deep-shipped provision. At the same time along with radio channels application of optical, parametrical, hydroacoustic and electromagnetic communication is considered. Possibilities of the mixed groups of the robotic complexes operating in different environments (space, air, water) on increase in efficiency of accomplishment of the set mission are estimated. Possible methods of information exchange between submersibles are considered and an assessment of the maximum range in case of data exchange between the deep-shipped objects on the hydroacoustic channel is given. The arising difficulties in reasons for options of creation of distributed control systems by the mixed groups of robotic complexes, the ensuring necessary stability of control paths consisting in impossibility and interaction in group on borders of physical environments, and also small ranges in ensuring hydroacoustic communication are revealed. The comparative characteristic of the main types of modems of hydroacoustic communication of domestic and foreign manufacturers is this. Offers on further increase in range of hydroacoustic communication due to reduction in the rate of transfer and use of hydro-acoustic modems of "parallel type" are formulated. Calculations of a rational number of the robotic complexes operating in group are given. The conclusion is drawn that essential increase in efficiency of actions of the mixed robotic group is reached along with complex use of diverse control paths application of the methods based on modern technologies of programmable radio with elements of cognitive radio systems, artificial intelligence and neurobionics when handling of the accepted information during intensive information interaction on the basis of general databases of the distributed systems.
Keywords: robotic complex; channel of space communication; decameter radio line; hydroacoustic communication; Dopler's effect.
References
1. Nikolashin Iu.L., Miroshnikov V. I ., Budko P. A., Zatuliveter Iu.S., Semenov S. S. General approach to formation of uniform management information space sea components of Russian Armed Forces. Part II. Principles of formation of a silnosvyazny telecommunication subsystem of uniform management information space of Navy of Russia. Morskaia radioelektronika [Marine Radio electronics]. 2015. No. 1. Pp. 22-28. (In Russian)
2. Nikolashin Iu.L., Kuleshov I. A., Budko P. A., Zholdasov E. S., Zhukov G. A. SDR of a radio unit and a cognitive radio communication in the decameter range of frequencies. H&ES Research. 2015. Vol. 7. No. 1. Pp. 20-31. (In Russian)
3. Chernukhin Iu. V. Iskusstvennyy intellect i neyrokomp'yutery [Artificial intelligence and neurocomputers]. Taganrog: Taganrogskii gosudarstvennyi radiotechnicheskii universitet Publ. 1997. 273 p. (In Russian)
4. Nikolashin Iu.L., Budko P. A., Zhukov G. A. Neurobionic approach to the decision of the task of optimization of reception of information in the channel with variable parameters. Neirokomp'iutery: razrabotka, primenenie. 2016. No. 1. Pp. 49-57. (In Russian)
5.Mikhalevskii L. V. Kognitivnoe radio - peredovaja tehnologija na puti k bolee racional'nomu is-pol'zovaniju radiochastotnogo spectra [Cognitive radio - advanced technology on the way to more rational use of a radio-frequency range]. Konvergencija sluzhb radiosvjazi kaksredstvo povyshenija jeffektivnosti ispol'zovanija radiochastotnogo spectra: tezisy dokladovSeminara Mezhdunarodnogo Soyuza Elektrosvyasi [Seminar of the International Telecommunication Union The Convergence of Radiocommunication services as a means of improving the efficiency of spectrum use: abstract] Erevan, 28-30 april 2008. (In Russian)
6. Nikolashin Iu.L., Miroshnikov V. I., Budko P. A., Zhukov G. A. Cognitive communication system and influence of use of the supernarrow-band decameter radio lines given monitoring on a noise stability. Morskaia radioelektronika [Marine Radio electronics]. 2015. No. 2 (52). Pp. 16-22. (In Russian)
7. Nikolashin Iu.L., Budko P. A., Zhukov G. A. Efficiency of use of a cognitive radio communication in the decameter range of frequencies. Tekhnikasredstvsviazi. 2014. No. 3 (142). Pp. 6-21. (In Russian)
8. Bakanov D. V., Moroz N. V., Pukhov G. G., Saliuk D. V., Timchuk A. A. Application mnogofunktsion-aln6oy systems of personal satellite communication "Gonets-D1M" for support of information exchange between remote subscribers. Tekhnika sredstv sviazi. 2014. No. 3 (142). Pp. 63-67. (In Russian)
9. Nikolashin Iu.L., Budko P. A., Zholdasov E. S., Zhukov G. A. Perspective methods of increase in a noise stability of decameter radio lines. H&ES Research. 2014. Vol. 6. No. 1. Pp. 30-37. (In Russian)
10. Fink L. M. Theory of transfer of discrete messages. Moscow: Sovetskoe Radio. 1970. 728 p. (In Russian)
11 .Barabashov B.G., Anishin M. M., Ogar' A. S. Prog nozirova nie kachestva peredachi diskretnykh soobshcheniy po ionosfernomu kanalu [Forecasting of quality of transfer of discrete messages according to the ionospheric channel]. Radiotekhnika, elektronika i svyaz: Sbornik dokladov II Mezh-dunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Radio Engineering, Electronics and Communication ("REES2013"): Proceedings of the II International Scientific and Technical Conference. Omsk 01-04 October 2013]. Omsk: Omskiy nauchno-issledovatel'skiy institut priborostroeniya, 2013. Pp. 147-154. (In Russian)
12. Belousov I. Sovremennye i perspektivnye neobitaemye podvodnye apparaty VMS SshA [Modern and perspective uninhabited submersibles of Naval Forces of the USA]. Zarubezhnoe voennoe obozrenie. 2013. No. 5. Pp. 79-88. (In Russian)
13. Recommendation ITU-R P.372-10. Radio noise (10/2009). Geneva, 2010. 75 p..
14. Dolukhanov M. P. Rasprostranenie radiovoln [Distribution of radio-waves]. Moscow: Sviaz', 1972. 336 p. (In Russian)
15. Nevolin T. N., Shchepotin V. I. Organizatsiya i planirovanie radiosvyasi na morskom flote [The organization and planning of a radio communication on the naval fleet]. Moscow: Transport, 1977. 262 p. (In Russian)
16. Akulov V. S., Saliuk D. V., Ugrik L. N. Accounting of a forecasting accuracy of electromagnetic fields when calculating radio engineering systems. Tekhnika sredstv sviazi. no. 3 (142). 2014. Pp. 53-56. (In Russian)
17. Budko P.A., Zholdasov E. S., Zhukov G.A., Budko N. P. SDR technologies and the new principles of reception of messages in simplex radio lines. H&ES Research. 2013. Vol. 5. No. 1. Pp. 34-38. (In Russian)
18. Zhukov G. A. Metody vesovoy mazhoritarnoy obrabotki diskretnoy informatsii pri prieme po parallel'nym kanalam[Methods of weight majority processing of discrete information at reception on parallel channels]. Tekhnika sredstv sviazi. Ser. TPS. No. 8. Pp. 74-84. (In Russian)
19. Bredikhin A. N., Rodionov E. N., Iablonskikh A. A. Dynamic range of active antennas. Teoriia i tekhnika radiosviazi [Radio communication theory and equipment]. 2008. Iss. 1. Pp. 121-125. (In Russian)
20. Katenin V. A. Lazernye tekhnologii v zarubezhnykh voenno-morskikh silakh [Laser technologies in the
foreign Navies]. Ekspertnyi soiuz [Expert Union]. 2012. No. 6. URL: http://www.unionexpert.ru/index.php/ news/item/419-laser-technology-in-foreign-naval-forces (дата обращения 25.01.2017). (In Russian)
21. Aleshin O. V., Katanovich A. A. The principles of creation of the automated systems of satellite open optical communication with submarines. Morskaia radioelektronika [Marine Radio electronics]. 2016. No. 1. Pp. 32-35. (In Russian)
22. Bozhenov lu. A. Microelectromechanical devices in uninhabited submersibles. Podvodnye issledova-niia i robototekhnika [Underwater investigations and robotics]. 2006. No. 1. Pp. 39-44. (In Russian)
23. Shaidurov G. la., Kudinov D. S. Power potential and performance capabilities of using the parametric demodulation effect in application to radio reception in the depth of the sea water. Zhurnal radioelektroniki [Journal of radio electronics]. 2012. No. 2. С. 1-13. (In Russian)
24. Iakovlev V. A., Zhurenkov A. G., Shul'zhenko P.K., Musin L. F., Frolov A. P. The optico-acoustic device of targeting for system of underwater wireless optical communication. Journal of Optical Technology. 2012. Vol. 79. No. 10. Pp. 91-92. (In Russian)
25. Zhurenkov A. G., Iakovlev V. A. Detection of hydroacoustic waves shadow devices against the background of turbulence and a suspension. Journal of Optical Technology. 2004. Vol. 71. No. 4. Pp. 28-33. (In Russian)
26. Budanov S. P., Goncharov E. G., Martinson B. M., Zhurenkov A. G., Iakovlev V. A. Directional pattern of the hydrooptical receiver of acoustic vibrations. Journal of Optical Technology. 2004. Vol. 71. No. 4. Pp. 34-38. (In Russian)
27. Stoptsov N. A., Boitsov V. I., Shelemin V. N. Svyas' pod vodoy [Communication under water]. Leningrad: Sudostroenie, 1990. 248 p. (In Russian)
28. Shibkov A. N. Podvodnaja svjaz' i navigacija s ispol'zovaniem jelektromagnitnogo polja [Underwater connection and navigation with use of the electromagnetic field]. Dis. dokt. tehn. nauk. Vladivostok, DVGU. 2006. 284 p. (In Russian)
29. Martynov L. A., Mashoshin A. I., Pashkevich I. V., Sokolov A. L. Control system - the most difficult part of independent uninhabited submersibles. Morskaia radioelektronika [Marine Radio electronics]. 2015. No. 4. Pp. 27-33. (In Russian)
30. Bobrovskii I.V, Koz'min S. G. Modem of high-speed hydroacoustic communication. Natural tests 10.07.2014. URL: https://youtu.be/jxbmzNS6DXI. (In Russian)
31. Vershinin A. S. Comparative analysis of hydroacoustic modems. Young Scientist. 2015. No. 12. Pp. 156-161. (In Russian)
32. Gornak V. E., Ikzartsev A. V., L'vov O. Yu., Matvienko Yu.V., Shcherbatyuk A. F. MMT-3000 - new small-sized ANPA of institute of problems of sea technologies of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences. Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater Investigations and Robotics]. 2007. No. 1. Pp. 12-20. (In Russian)
33. Kaifadzhan A.A., Tkachenko A. O. Gidroakusticheskaja svjaz' i gidroakusticheskie sredstva [Hydroacoustic communication and hydroacoustic means]. Gidroakusticheskaja svjaz' i gidroakusticheskie sredstva avarijno-spasatel'nogo naznachenija: cbornik trydov nauchno-tekhnicheskoy konferencii [Hydroacoustic hydroacoustic communication and means of emergency and rescue purposes: proceedings of the scientific-technical conference (Volgograd, 5-9 August 2013)]. Volgograd: Nauch-no-issledovatel'skii institut gidrosviazi "Shtil'", 2013. (In Russian)
34. Braga Iu.A., Mashoshin A. I. Mesto setevoj podvodnoj sistemy obmena dannymi v integrirovan-noj setecentricheskoj sisteme podvodnogo nabljudenija [The place of network underwater system of data exchange in the integrated nfhetwork-centric system of underwater observation] Gidroakusticheskaja svjaz' i gidroakusticheskie sredstva avarijno-spasatel'nogo naznachenija: cbornik trydov nauchno-tekhnicheskoy konferencii [Hydroacoustic hydroacoustic communication and means of emergency and rescue purposes: proceedings of the scientific-technical conference (Volgograd, 5-9 August 2013)]. Volgograd: Nauchno-issledovatel'skii institut gidrosviazi "Shtil'", 2013. (In Russian)
35. Kozlov N.S., Mikushin I. I., Parshukov V. N. Napravlenija razvitija sredstv obmena dannymi po gi-droakusticheskomu kanalu v interesah vkljuchenija podvizhnyh pogruzhennyh ob''ektov v edinoe informacionnoj prostranstvo [The directions of development of means of exchanging by data on the hydroacoustic channel for the benefit of inclusion of the mobile shipped objects in uniform information space]. Gidroakusticheskaja svjaz' i gidroakusticheskie sredstva avarijno-spasatel'no-go naznachenija: cbornik trydov nauchno-tekhnicheskoy konferencii [Hydroacoustic hydroacoustic communication and means of emergency and rescue purposes: proceedings of the scientific-technical conference (Volgograd, 5-9 August 2013)]. Volgograd: Nauchno-issledovatel'skii institut gidrosviazi "Shtil'", 2013. (In Russian)
36. Sverdlin G. M. Prikladnaya gidroakustika [Applied hydroacoustics]. Leningrad. Sudostroenie. 1990. 320 p. (In Russian)
37.Makarov A.I., Dvornikov V. D., Konopel'ko V. K. Peredacha informacii v gidroakusticheskom kan-
ale [Information transfer in the hydroacoustic channel]. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radiojelektroniki [Reports of the Belarusian state university of informatics and radio electronics]. 2004. Pp. 103-118. (In Russian)
38. Urik R. J. Principles of underwater sound. New York: McGraw-Hill, 1975. 384 p.
39. Evtiukov A.P., Mit'ko V. B. Inzhenernye raschety v gidroakustike [Engineering calculations in hy-droacoustics]. Leningrad: Sudostroenie, 1988. 288 p. (In Russian)
40. Zhukov G.A., Popkov V. la. O metodah opredelenija vesovyh kojefficientov dlja diskretnogo slozhenija signalov, prinjatyh po parallel'nym kanalam [About methods of determination of weight coefficients for discrete addition of the signals accepted on parallel channels] Tezisy dokladov VIII simpoziuma po probleme izbytochnosti v informacionnyh sistemah [Theses of reports of the VIII symposium on a redundancy problem in information systems]. Leningrad: Academy of Sciences of the USSR, Leningrad inst-t of aviation instrument making, 1983. Part 2. Pp. 94-97. (In Russian)
41. Zhukov G. A. Effektivnost' sovmestnogo ispol'zovaniya razlichnykh metodov obrabotki signalov pri prieme parallel'nym kanalam[Efficiency of joint use of various methods of handling of signals in case of acceptance to parallel channels]. Tekhnika sredstvsviazi. Ser. TPS. 1984. No. 6. Pp. 66-74. (In Russian)
Information about authors:
Budko P. A., PhD, professor, professor of Military academy of communication of Marshall of the Soviet Union S. M. Budenny;
Zhukov G. A. , PhD, associate professor, scientific secretary of the public joint-stock company «Information telecommunication technologies»;
Vinogradenko A.M., PhD, associate professor, associate professor of Military academy of communication of Marshall of the Soviet UnionS. M. Budenny;
Litvinov A.I., PhD, assistant department head of the organization of scientific work and training of research and educational personnel of Military academy of communication of Marshall of the Soviet Union of S. M. Budenny.
For citation: Budko P. A., Zhukov G. A., Vinogradenko A. M., Litvinov A. I., Kosyak A. I., Doncov D. V. Complex use of diverse communication channels for management of robotic complexes on the basis of uniform system of radio monitoring. H&ES Research. 2017. Vol. 9. No. 1. Pp. 18-41. (In Russian)
