CC BY
22СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 621.39
Обеспечение устойчивого доведения команд управления до удаленных исполнительных звеньев
Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А.
Аннотация. Постановка задачи: в статье решается задача доведения необходимого объема данных в реальном масштабе времени до различных стационарных, мобильных и глобально перемещающихся территориально разнесенных объектов по сверхдлинноволновым и коротковолновым каналам связи. При этом целью работы является исследование возможности устойчивого доведения команд управления до удаленных объектов исполнительных звеньев над сушей и над морем при различных уровнях атмосферных шумов и мощностях излучения. К используемым методам в работе можно отнести: унаследованные методы передачи, в том числе «слуховая» телеграфия и «узкополосная» передача данных на выделенных частотах; методы расчета значений напряженности поля сигнала в зависимости от протяженности радиотрассы для «земной» волны над сушей и над морем, рассчитанные по уточненной формуле Шулейкина - Ван-дер-Поля, а также для «ионосферного» распространения в сверхдлинноволновом - коротковолновом диапазонах частот по модифицированной формуле Остина; методы повышения вероятности приема в условиях помех, а также замираний сигнала на основе поляризационно-разнесенного приема и др. Новизной работы является применение новых сигнально-кодовых конструкций, построенных на основе метода параллельной передачи сверхузкополосных сигналов в режиме изменения рабочей частоты по псевдослучайному закону, основной особенностью которого является повышение вероятности приема при постановке прицельных преднамеренных помех. К основным результатам работы можно отнести предложения по реализации приемной части радиотракта, позволяющие обеспечить одновременный параллельный прием команд управления от нескольких (в том числе территориально разнесенных) источников передачи по разнородным радиоканалам с последующей совместной обработкой принятой команды, что даёт возможность существенно повысить устойчивость ее доведения в различных условиях связи. Практическая значимость исследования состоит в том, что предложенный подход позволяет обеспечить устойчивое доведение команд управления до глобально удаленных исполнительных звеньев в конкретной радиотрассе при грамотном учете значений атмосферных шумов, для актуального сезона, времени суток и района территории Земного шара.
Ключевые слова: активная антенна, атмосферные шумы, параллельная передача, режим передачи рабочей частоты по псевдослучайному закону, пик-фактор многочастотного сигнала.
Введение
Устойчивое доведение команд управления (КУ) до различных удаленных (в том числе глобально удаленных) объектов и их исполнительных звеньев (ИЗ) является важной и актуальной задачей.
Исторически, первым беспроводным управлением исполнительным звеном, в качестве которого использовался телеграфный аппарат, было доведение по радиоканалу в структуре Азбуки Морзе сообщения «Генрих Герц», продемонстрированное в 1896 году на заседании физического отделения Русского физико-химического общества изобретателем радио А.С. Поповым.
В военных целях первым прототипом радиотракта доведения команд управления до исполнительного звена является «прибор для управления взрывами на расстоянии с помощью радиоволн», разработанный специалистами «Особого конструкторского бюро» под руководством В.И. Бекаури. Реальная работа изделия была продемонстрирована в июле 1925 года группе высшего военного руководства с участием М.И. Фрунзе. При этом с расстояния примерно 25 км по специальной команде были взорваны в заданной последовательности несколько фугасных зарядов [1].
В настоящее время возрастает практическая потребность в доведении необходимого объема данных в реальном масштабе времени до различных стационарных, мобильных и глобально перемещающихся территориально разнесенных объектов гражданского и военного назначения, которые или являются исполнительными звеньями, или содержат ИЗ, управление которыми осуществляется с удаленного командного пункта. К таким объектам могут относиться: беспилотные автомобили, самолеты, танки, катера, радиоцентры -ретрансляторы, морские буи-ретрансляторы, робототехнические комплексы различного базирования, надводные корабли, подводные лодки и т. п.
1 Структура тракта доведения команд управления
Значительная протяженность территории и границ Российской Федерации, а также наличие национальных интересов в Арктической и других зонах мирового океана делают задачу доведения данных до удаленных объектов исключительно важной, особенно в настоящей военно-политической обстановке.
Решение этой задачи обеспечивается как правило, путем использования спутниковых, декаметровых* (ДКМВ) и сверхдлинноволновых (СДВ) каналов связи.
*Примечание: В отечественной литературе часто используется термин «коротковолновый» (КВ) диапазон, поскольку с учетом конкретных требований по дальности и помехоустойчивости связи в радиолиниях применяются рабочие частоты 1,5 ^ 60 МГц и выше, отличающиеся от принятого декаметрового диапазона волн 3 ^ 30 МГц.
В ряде случаев связь в СДВ-КВ диапазонах волн оказывается или безальтернативной, или резервной по отношению к спутниковой связи не только из-за сравнительных отличий в стоимости и сложности аварийного восстановления технических средств этих каналов, но и из-за ряда отличительных свойств в части распространения радиоволн при различных состояниях ионосферы [2-5].
Учитывая это, рассмотрим основные элементы тракта доведения команд управления при использовании сверхдлинноволнового и коротковолнового диапазонов радиочастот.
На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема радиотракта доведения команд управления до исполнительных звеньев.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема радиотракта доведения команд управления до ИЗ
Необходимость шифрования и кодирования информации не требует особых пояснений. Методы, алгоритмы и эффективность этих процедур достаточно хорошо освещены в литературе [6-10]. При этом следует отметить, что помехоустойчивое кодирование информации (сообщений) должно проводиться до аппаратуры шифрования для обеспечения исправления возможных ошибок на ее выходе (как на передающем, так и на приемном конце тракта).
Кроме того, как показали теоретические расчеты и натурные испытания, при наличии физической среды в радиотракте, приводящей к относительно высокой вероятности ошибок (до рош тах ~ 0,2 ^ 0,1), целесообразно применять каскадное кодирование с использованием кодов с проверкой на общую четность и кодов Рида-Соломона, позволяющих обеспечить вероятность трансформации одного знака сообщения не хуже ртр.зн. < 10-10 [11].
По структуре формируемой команды управления следует отметить, что при необходимости приема слабых сигналов, незначительно превышающих средний уровень шумов, на выходе чувствительного демодулятора приемного устройства будет создаваться случайная последовательность бит. При этом вероятность появления ложной команды управления не всегда будет удовлетворять повышенным требованиям по этому параметру**.
**Примечание: Как отмечено в работе [12] требование по вероятности появления ложной
команды может достигать значений рлк < 10-12 ^ 10-14.
В табл. 1 (столбец 2) приведены расчетные значения рлк вероятности случайного формирования заданной последовательности бит из «шума» для команды с различным числом двоичных элементов (п).
Таблица 1 - Расчетные значения вероятности формирования ложной команды
п Вероятность появления ложной команды управления рт
1 2 3
20 9,5 х 10-7 3,5 х 10"11
30 9,3 х 10-10 2,1 х 10-16
40 9,0 х 10-13 1,2 х 10-21
50 8,9 х 10-16 7,2 х 10-27
Снизить вероятность рлк можно увеличив порог чувствительности демодулятора до уровня выше 1,5б среднеквадратического значения уровня шума (см. столбец 3 в табл. 1), однако при этом снизится вероятность приема «слабых» сигналов. Кроме того уменьшить вероятность рлк можно путем введения сеансовой связи. Для иллюстрации в табл. 2 приведены расчетные данные ложного появления команды для различных интервалов сеанса связи Тсс при ожидаемой скорости передачи 500 бит/с и значений рлк из столбца 2 табл. 1.
Таблица 2 - Расчетные данные ложного появления команды для различных интервалов ожидания сеанса связи
п Длительность интервалов ожидания сеанса связи Тсс
10 мин. 1 час 24 часа
20 0,24 0,82 > 0,95
30 3 х 10-4 2 х 10-3 4 х 10-2
40 < 10-10 < 10-7 < 10-4
50 < 10-15 < 10-10 < 10-7
При круглосуточном проведении трассовых испытаний и использовании штатного ЧТ-демодулятора с декодером для последовательности длиной п = 40 бит вероятность получения ложной команды составила до одной-двух в сутки в случае режима «мягкого приема», когда команда фиксировалась при наличии не менее 38-ми правильно принятых бит информации из 40. Исходя из приведенных данных, структуру КУ целесообразно формировать из двух частей. Первая часть это опознавательно-синхронизирующая последовательность, состоящая из 40-50 элементов (бит), прием которой «дает разрешение» на обработку и декодирование поступающих сигналов на время, равное максимальной длительности второй (исполнительной) части команды с объемом более 100 бит. Дополнительное введение порога чувствительности демодулятора на уровне 1,5 2 б практически исключает возможность ложного формирования команды управления (рлк < 10-20).
2 Основные требования к элементам передающей части канала радиосвязи
В возбудительном устройстве (ВУ) радиопередатчика (РПДУ) реализуются заданный режим излучения и вид модуляции. Для помехозащищенных радиолиний (РЛ) в основном используется режим с перестройкой рабочей частоты по псевдослучайному закону (ППРЧ) [13], кроме того, для доведения команд до удаленных объектов по СДВ-КВ каналам связи сохраняются и унаследованные методы передачи, в том числе «слуховая» телеграфия и «узкополосная» передача данных на выделенных частотах.
Основными видами модуляции сигналов, применяемых в РЛ для передачи данных, являются ОФМ (ОФТ), ЧМ (ЧТ), АМ (АТ), ШПС и др. [10, 14-16]. Теоретические исследования и результаты экспериментальных проверок модемов с различными видами сигнально-кодовых конструкций достаточно подробно освещены в ряде публикаций [17, 18], поэтому рассмотрим отдельные элементы канала передачи, которые также могут существенным образом повлиять на эффективность доведения команд до исполнительных звеньев.
Сформированный в возбудительном устройстве (модуляторе) сигнал, подлежащий передаче в аналоговом виде с соответствующими амплитудно-частотными и фазовыми параметрами, поступает в усилитель мощности (УМ) РПДУ.
В случае необходимости обеспечения устойчивой связи на трассах протяженностью до 9 ^ 12 тыс. км к РПДУ предъявляются повышенные требования в части показателей выходной мощности. Так на стационарных СДВ радиоцентрах типа «Антей», «Геркулес», «Атлант» и др. мощность РПДУ достигает Ртах ~ 1 ^ 4 МВт, что позволяет при работе со стационарными передающими антенно-фидерными устройствами (АФУ) обеспечить излучаемую мощность сигнала до 30 40 % от Ртах. Для мобильных СДВ радиоцентров (РЦ) или РЦ контейнерного типа, аналогичных стокиловатному РПДУ «Пятидесятник» (разработка АО «РИМР» [19]), мощность излучения при использовании быстроразворачиваемой «приземной» антенны оказывается сравнительно невысокой Ризл < 0,1 кВт [20].
Протяженность радиотрасс, для которых обеспечивается прием команды с необходимой вероятностью ошибки на бит при заданной мощности излучения сигнала, можно оценить расчетным путем с использованием данных МСЭ-Я [21].
Для примера на рис. 2 (а, б, в) приведены графики значений напряженности поля сигнала Ес в зависимости от протяженности радиотрассы, рассчитанные по уточненной формуле Шулейкина - Ван-дер-Поля для «земной» волны [22]. На этих же рисунках приведены соответствующие минимальные и максимальные значения напряженности поля помех Еп, рассчитанные по методике [21]:
Еп = Га + 20 ^ / + 10 ^Д/о - 95,5 , (1)
где ¥а - коэффициент внешнего шума, определяемый по графикам МСЭ-Я;
/о - «несущая» частота сигнала (МГц);
Д/о - частотная полоса сигнала (Гц).
Графики зависимости Еп от значений Д/0 для трех характерных частот СДВ - КВ диапазонов волн приведены на рис. 3.
Методы помехоустойчивого кодирования, используемые в СДВ-КВ радиолиниях обеспечивают, как правило, достижение заданных вероятностно-временных характеристик по приему сообщений при вероятности ошибки на бит в канале рош < 0,1. Тогда, предполагая, что для земной волны при некогерентном приеме ортогональных сигналов справедливо соотношение [23]
1
Рош « 2 е 2 , (2)
P ■ T
где к2 = , Рс - мощность сигнала, Т - длительность элемента (бита) сигнала,
V2
V2 - спектральная плотность шума, получим: И2 > 5 дБ.
Ес, Е„ мкВ
2 103 5
2 102 5
2 101 5
2 100 5
2 101 5
2 10-2 5
2 105
Ес, Е„ мкВ
15 кГц
ЕС) Е„
мкВ
м -5 ■
2 • 1035
2 1025
2 1015
2 10° 5
2 10-15
2
10-2
/с =
Р =
/=60 кГц Л/о=100 Гц
Р = 0,1 кВт Р = 10 Вт
1000 й, км
500
1000
1 500 й, км
—I—
500
1000
1 500
й, км
м 5
0
0
0
а) б) в)
Рис. 2. Значения напряженности поля сигнала для «земной» волны:
а) над морем и над сушей для / = 10 МГц при различной мощности излучения
б) в ближней морской зоне для / = 15 кГц при различной мощности излучения
в) в ближней морской зоне для / = 60 кГц при различной мощности излучения
мкВ
м
103 •
102
101
10
10'1
1°'° 1°"а
10 10"2 10"1 100 1 01 102 М, Гц
Рис. 3. Зависимость напряженности поля помех Еп от частотной полосы А/С
Отсюда, считая, что для узкополосного сигнала Т ~ 1/А/с, следует приближенная оценка для соотношения мощностей сигнал/шум, удовлетворяющих требованию рош < 0,1:
Р- > 5 дБ . (3)
С учетом этого и исходя из графиков, приведенных на рис. 2 (где пунктирными линиями отмечены соответствующие минимальные, а штрихпунктирными - максимально ожидаемые уровни атмосферных помех), можно определить, что при максимальном уровне
шума и / = 10 МГц прием сообщений будет возможен на расстоянии до О ~ 300 км даже при Ризл ~ 0,1 кВт и Д/С = 100 Гц, в то время как для / = 15 кГц и / = 60 кГц и Ризл ~ 0,1 кВт при максимальном значении Еп связи на таких расстояниях при Д/о = 100 Гц практически не будет, но если частотная полоса сигнала (скорость передачи) будет уменьшена, то связь может быть обеспечена и при О > 1000 км.
На рис. 4 (а, б, в) приведены спектрограммы, полученные при проведении испытаний на реальной радиотрассе протяженностью О ~ 1700 км, дающие визуальное представление о степени влияния атмосферных шумов и мощности излучения на полезный сигнал.
40 45 50 55 60 t, кГц
а)
в)
Рис. 4. Спектрограммы принимаемого сигнала при: а) Ризл ~ 0,1 кВт (слабые атмосферные шумы), б) Ризл ~ 0,1 кВт (прохождение грозового фронта в районе расположения приемного радиоцентра), в) Ризл ~ 10 кВт
Для оценки дальности связи в случае «ионосферного» распространения СДВ радиоволн воспользуемся модифицированной формулой Остина [22, 24]***.
E = 120
с
V
D sin 0
exp (- 0,0457 /с0'6 DT ) , (4)
где /с - частота излучения сигнала в кГц, О - коэффициент усиления передающей антенны, 0 - угловое расстояние между корреспондентами, От - протяженность трассы в тыс. км.
Результаты расчета по формуле (4) для О = 1,8 и нескольких значений .Ризл приведены на рис. 6 (/с = 15 кГц), и рис. 7 (/ = 60 кГц).
Ее мкВ
***Примечание: Формулы Шулейкина - Ван-дер-Поля и Остина являются оценочными. Реальные значения Ес имеют сложный характер, особенно на расстоянии В ~ 700 ^ 2000 км, где наблюдаются интерференция «земной» и «ионосферной» волн, характер которой зависит от частоты сигнала /С, протяженности радиотрассы и времени суток. Сравнительный пример расчетных и экспериментальных значений Ес приведен на рис. 5 для / ~ 15 кГц и Ризл ~ 1 кВт.
10"
нт ип
5000
10000
15000
20000 й, км
Рис. 5. Расчетные и экспериментальные значения Ес
Ес, Еп мкВ
101 5
2 10' 5
2 10"1 5
/ 10 кВт 1 кВт 0,1 кВ"
/ / /
/ V V 1 1 0 В т
/ / /
и / / /
Ч Г / < / / /
- ч - - - -
' % у - — — - --
«Г ч % ^ •
% --
•
• *
Ес, Еп мкВ
f =15 кГц Д/ъ=10 Гц
f = 15 кГц Д/о= 0
2 00 0
5000
10000
15000
20000
й, км
м 5 2-
/ 0 кВт кВт ),1 кВт
10 5 2 102 5 2 101- / / п
\ / / / / /
л V V /- / /. / /■
< / » / /
Но нь, зи ма
5 2 10" 5 2 10"1 5 2 г*
ч 1ен ь, ве :на
\ \ ч
N ч
Ч > ч \
> ч ч V
/ = 60 кГц д/о=10 Гц
2000 5000
10000
15000
20000 й, км
1
1
1
0
Рис. 6. Результаты расчета Ес по модифицированной Рис. 7. Результаты расчета Ес по модифицированной формуле Остина (4) для G = 1,8 и /с = 15 кГц формуле Остина (4) для G = 1,8 и /с = 60 кГц
Из анализа результатов расчета с учетом условия (3), следует, что при максимальных значениях Еп обеспечение дальности связи свыше 2 тыс. км теоретически можно обеспечить за счет увеличения мощности излучения или за счет изменения скорости передачи (частотной полосы сигнала), т. к. создание передающей СДВ антенной системы с высоким коэффициентом усиления проблематично.
Вместе с тем, необходимо отметить, что значения Еа (Еп) для конкретной рабочей частоты, времени года, суток и района Земного шара, могут существенно отличаться от значений Еа , учитывающих различные влияния по всей земной поверхности в целом (рис. 6) и для конкретной радиотрассы должны уточняться по дополнительным картам, приведенным в рекомендациях МСЭ-Я Р.372-11 [21]. Так для восточной территории Российской Федерации на рис. 7 зеленой и фиолетовой прямыми приведены значения Еп с учетом возможного отклонения на 2о от медианного уровня для двух сезонно-временных интервалов. Как следует из графика и формулы (3) при Р = 0,1 кВт в дневное время весеннего периода возможно обеспечение устойчивой связи на расстояниях 4 ^ 4,5 тыс. км
при скорости передачи до 10 бит/с. Однако, в ночное время в зимний период (максимальное значение Еп на рис. 7 отмечено фиолетовой прямой) соответствующее значение Б будет не более 2 ^ 2,5 тыс. км.
Поскольку СДВ канал связи обладает относительной стабильностью (за исключением периодов восхода и захода Солнца), то это позволяет проводить оценочные расчеты напряженности поля сигнала без привязки к конкретной радиотрассе [22]. Для коротковолнового диапазона, при распространении радиоволны с отражением от ионосферы, расчеты по помехоустойчивости необходимо проводить конкретно для каждой радиотрассы и для каждого конкретного времени суток (смена рабочих частот на КВ радиоцентрах производится, как правило, через каждый час). Это связано не только с изменениями значений атмосферных шумов, но и с сезонными и суточными изменениями оптимальных рабочих частот (ОРЧ) при протяженности радиотрассы свыше 500 ^ 700 км. Для примера на рис. 8 приведены значения ОРЧ для широтной радиотрассы, протяженностью Б ~ 2,4 тыс. км для одного из дней весеннего и зимнего периодов.
F
МГц 22ц
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Т"
I I I I I I | I |
D = 2,4 тыс. км
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Время (ит) Рис. 8. Значения оптимальной рабочей частоты для широтной радиотрассы протяженностью Б ~ 2,4 тыс. км
Значительный «разброс» оптимальных частот для различных значений ИТ приводит к временной нестабильности отношения сигнал/шум при приеме сообщений. Так на рис. 9 приведены расчетные данные для северно-широтных «односкачковой» (Я = 2600 км) и «двухскачковой» (Я = 5800 км) радиотрасс при использовании ненаправленных приемной и передающей антенн (полоса сигнала Д/ ~ 150 Гц, Ризл ~ 1 кВт). Ориентируясь, как и в предыдущем случае, на допустимую вероятность ошибки при приеме одного бита сообщения ^ош < 0,1 для некогерентного приема двоичного сигнала с активной паузой в условиях замираний, подчиняющихся релеевскому закону, исходя из формулы [23]
^ 1 Рош * 2 + И2 '
получим И2 > 9 дБ, или, для узкополосного сигнала, Рс/Рш > 9 дБ.
Таким образом, для рассматриваемой «односкачковой» радиотрассы устойчивый прием будет маловероятен с 9 до 14 часов, а для «двухскачковой» - будет практически отсутствовать, см. рис. 9 (сплошные зеленая и красная кривые).
Увеличить эффективность приема возможно путем повышения мощности излучения, или используя антенны с высоким коэффициентом усиления, например логопериодические антенны типа «Логос» (АО «ОНИИП») или «Сектор» (АО «РИМР»), обеспечивающие усиление до 6 ^ 12 дБ в декаметровом диапазоне волн. Как известно, в частотно-адаптивных радиолиниях [25, 26] восстановление связи в процессе обмена данными обеспечивается не только за счет поиска «хороших» рабочих частот, но и путем снижения скорости передачи. В
случае доведения команды управления до исполнительного звена при отсутствии обратного канала связи, но известных координат радиотрассы, представляется целесообразным предварительно проводить назначение рабочих частот, рассчитанных по методике [27], обеспечивающей достаточную для практического применения точность прогнозирования ОРЧ (или другой подобной методике), а также в соответствии с расчетными данными обеспечить не только почасовую смену частот, но и необходимое почасовое изменение скорости передачи. На рис. 9 (зеленая пунктирная кривая) приведен пример почасового изменения скорости передачи, обеспечивающей для односкачковой радиотрассы (при сохранении мощности излучения) соотношение Рс/Рп > 10 дБ в течении суток.
Рс
Рш' дБ
20 10 0 -10 -20
Рис. 9. Расчетные значения отношения сигнал/шум для северно-широтных «одно-» и «двухскачковой» радиотрасс (А/с ~ 150 Гц, РЮд ~ 1 кВт) с применением ненаправленных приемной и передающей антенн
Однако если снижение скорости при последовательной передаче бит команды управления ограничено исходя из требуемого времени ее доведения (V > 5 ^ 10 бит/с), то снижение скорости передачи до 5 бит/с для двухскачковой радиотрассы позволит повысить отношение сигнал/шум (см. рис. 9 красная пунктирная кривая) в период с 10 до 15 часов лишь до уровня Рс/Рш < - 2 ^ 3 дБ, следовательно для достижения необходимого порога Рс/Рш > 9 дБ следует дополнительно использовать или направленную передающую антенну с коэффициентом усиления О > 9 дБ, или, соответственно, увеличить мощность РПДУ, если О < 9 дБ.
В работе [28] предложен метод параллельной передачи сверхузкополосных сигналов в режиме ППРЧ, основной особенностью которого является повышение вероятности приема при постановке прицельных преднамеренных помех. «Платой» за реализацию такого режима является повышение требований к линейности усилителя мощности (УМ) РПДУ. Это обусловлено тем, что при последовательной передаче сигналов с модуляцией ОФТ, ЧТ, АТ не требуется высокой линейности усилителя, что позволяет использовать «ключевые» схемы в УМ, реализация которых обеспечивает достижения КПД до 90 % и выше [29].
В случае усиления большого количества гармонических сигналов наличие нелинейности приводит к появлению интермодуляционных гармоник на частотах /¡к = + т/ + п/к , (где т и п = 1, 2, ... - целые числа), т. е. при параллельной передаче значительного числа бит в режиме ППРЧ с высокой вероятностью могут появиться гармоники на частотах с пассивной передачей «0» (при АТ модуляции на частотах/1,/3,/5, ..., рис. 10), что приведет к ошибкам в приеме команды.
Следовательно для такой сигнально-кодовой конструкции необходимо использовать усилители класса А, обладающие достаточной линейностью, но имеющие при этом существенно меньшей КПД (< 40 %) по сравнению с «ключевыми» УМ. Кроме того, использование многочастотного сигнала приводит к необходимости учета его пик-фактора а2, определяемого как отношение пиковой мощности, не превышаемой с определенной вероятностью р(И) к средней мощности суммы N гармонических колебаний. Для рассматриваемой сигнально-кодовой конструкции амплитуды парциальных сигналов будут одинаковыми, а начальные фазы
- случайными величинами. Тогда для N > 10 суммарная огибающая может быть аппроксимирована распределением, подчиняющемуся закону Релея [30]. С учетом этого, на рис. 11 приведен график зависимости а2 от N для различных вероятностей непревышения пикового уровня мощности суммарного сигнала. На этом же рисунке пунктирными линиями приведены результаты моделирования диапазона изменения а2 для различных законов распределения параллельно передаваемых 100 и 500 гармонических сигналов.
г,
с
Режим АТ
3 б 2 б
б
Частоты
ППРЧ „12 f f2 f3 f4 f5 f396 f397 f398 f399 f400 13,5
МГц МГц
Информаци-
онные биты«0» «1» «0» «1 » «0» «1»«0» «1» «0» «1 »
Буква «К» в коде МТК-2 Буква «Ь> в коде МТК-2
Рис. 10. Фрагмент передачи текста сообщения в режиме параллельного излучения
сверхузкополосных сигналов [27]
а , дБ
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1000 N
Рис. 11. Зависимость а2 от N для различных вероятностей непревышения пикового уровня мощности суммарного сигнала
Таким образом, при параллельной передаче 500 «активных» частот с Дт = 10 с [11], чтобы обеспечить значение И2 =РТ/у2, соответствующее передаче одного бита в штатном режиме, необходимо реализовать Рбит > 0,2 Вт, т. е. для N = 500 теоретически достаточно Ризл > 100 Вт, а с учетом пик-фактора сигнала мощность РПДУ (в линейном режиме) должна составлять Ризл > 2 кВт. При использовании логопериодической передающей антенны мощность излучения может быть снижена с сохранением достоверности приема. Следует отметить, что АО «РИМР», помимо специальных антенных систем (рис. 12), выпускает РПДУ «Водопад-20» мощностью Ризл = 5 ^ 20 кВт (рис. 13), обеспечивающий работу в режиме ППРЧ без дополнительных переключений АнСУ и обладающий высокой устойчивостью при передаче сигналов с особо высоким пик-фактором [31].
Рис. 12. Приемопередающая антенна типа «Сектор» (произв. АО «РИМР») .............. 1 □□□□
Рис. 13. Внешний вид РПДУ «Водопад 20» [31]
Для СДВ диапазона волн реализация РПДУ, работающего в линейном режиме (класс А) с целью достижения необходимой помехоустойчивости при параллельной передаче, например N = 200, гармонических сигналов с Т ~ 10 с (А/ ~ 0,1 Гц), мощность излучения на парциальной частоте для радиотрассы протяженностью до 5 тыс. км и медианного значения атмосферных шумов (£Лм) должна составить, как следует из расчетов 50-100 Вт, т. е. максимальная мощность излучения с учетом пик-фактора многочастотного сигнала должна быть не менее 300 ^ 400 кВт, что практически реализуемо только на стационарных радиопередающих радиоцентрах. Но для радиотрасс протяженностью до 500 ^ 1000 км («земная» волна) мощность излучения отдельного бита команды может быть снижена до Рбит ~ 10 Вт (см. рис. 2б), что позволяет применять в этом случае РПДУ контейнерного (мобильного) типа с использованием тросовой антенны с летно-подъемными средствами в виде аэростата или коптера (рис. 14 - 16) [32, 33].
Рис. 14. Состав тросовой антенны
Рис. 15. Внешний вид аэростата типа Аи-6 Рис. 16 Внешний вид квадрокоптера типа Ка-137
3 Приемная часть канала радиосвязи
Одним из важных элементов приемной части канала доведения информации является приемная антенно-фидерная подсистема.
Учитывая достаточно высокую загрузку СДВ-КВ диапазона волн различными источниками сосредоточенных помех, целесообразно (особенно при работе в режиме ППРЧ) использовать адаптивные приемные антенные решетки с управляемой диаграммой направленности, компенсаторы помех, разнесенный прием [34-36]. В ряде случаев, например на объектах, с ограниченной площадью, эффективным методом повышения вероятности приема в условиях помех, а также «замираний» сигнала является поляризационно-разнесенный прием.
В декаметровом диапазоне волн коэффициент корреляции флуктуирующей части сигнала от удаленного РПДУ в этом случае составляет Яф ~ 0,4 ^ 0,6, что позволяет при оптимальном весовом сложении [37] обеспечить выигрыш по вероятности приема, который можно оценить по формуле [23]
3Н4(1 - Яф ) + 10Н2 + 8
р -ф—;—^ • (5)
[Н (1 - Яф ) + 4Н + 4]
Как следует из графиков на рис. 17, теоретически для И2 > 30 при сдвоенном приеме и Яф < 0,5 вероятность ошибки можно снизить более чем на порядок по сравнению с
одиночным приемом. Примеры реализации СДВ-КВ приемных антенн с вертикальной и горизонтальной поляризацией приведены на рис. 18 - 20 [35, 38].
10
10":
10-3
10-4
10";
10-6
«одиночный» / прием
/ «сдвоенный» А прием
\ ЯФ2 = 1
\ ЯФ2 = 0,5
Яф2 = 0
1 10' 102 1г
Рис. 17. Зависимость вероятности ошибки от отношения энергии принимаемого сигнала к спектральной плотности шума при сдвоенном и одиночном приеме
Рис. 18. Активная приемная малогабаритная антенна Рис. 19. Активная приемная защищенная антенна (АПМ) ДКМВ диапазона с триортогональными (АПЗ) ДКМВ диапазона с триортогональными вибраторами (произв. СОНИИР [35]) вибраторами (произв. СОНИИР [35]
Для эффективного приема сигнала его уровень на выходе антенны должен быть выше чувствительности РПУ. Поскольку электродвижущая сила, наводимая в приемной антенне при напряженности поля Еп в точке ее расположения определяется по формуле:
Гэдс _ Ес • /эф,
где /эф - эффективная (действующая) длина (высота) антенны, то при согласовании со входом РПУ напряжение на выходе антенны составит:
и а = 0,5 Ес /эф. (6)
Значение /эф для вертикальных антенн различной высоты На можно вычислить исходя из выражения:
/ Л Иа эф 120
(7)
р
где X - длина волны в метрах; О - коэффициент усиления антенны; Яа - сопротивление излучения антенны.
Рис. 20. Активная СДВ-КВ антенна, обеспечивающая прием сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией (произв. Rohde&Schwarz [38])
Например, для четвертьволновой штыревой антенны Яаш ~ 36,6 Ом, а для «короткой» антенны (Нак < 0,1 X) с концевой емкостью: Ядк ~ 160п2 (Нак/Х)2 Ом.
Напряжение на выходе этих антенн, исходя из формул (6) и (7) будет равно:
UA1/4 = 0,5E-
X 2 • 36,6 1
к
120
Uak = 0,5E-
X 1,83
к V 120
•160к2
Н
Ак
X
E 8 c
0,78 • Е • НА, Uak
(8)
(9)
т. е. для «короткой» антенны теоретически напряжение на ее выходе не зависит от длины волны принимаемого сигнала, а зависит от ее размеров (как правило Нак ~ 0,2 - 0,8 м).
В СДВ диапазоне практический интерес представляет прием на «короткую» антенну, т. к. для средней части СДВ диапазона (15 кГц) четвертьволновый вибратор имел бы высоту Н~ 5 км.
Для обеспечения высокой вероятности приема уровень собственного шума антенной подсистемы должен быть ниже атмосферных шумов и, естественно, ниже собственных шумов радиоприемного устройства. Современные профессиональные РПУ обладают чувствительностью не хуже 0,1 мкВ, т. е. имеют возможность устойчиво принять сигнал с уровнем Ц > 0,2 - 0,3 мкВ, при условии, что уровень шумов на выходе антенны Ца < 0,1 мкВ.
В соответствии с формулой (9) и значениями на графиках рис. 3 диапазон изменения уровней шума в стандартной полосе сигнала 1,2 А1 составит соответственно для двух характерных рабочих частот /Кв ~ 10 МГц и /сдв ~ 15 кГц при Нак ~ 0,5 м, икВ ~ 0,04 - 0,5 мкВ, исдв ~ 25 - 800 мкВ, а при приеме на четвертьволновой вибратор икв ~ 0,6 - 7,5 мкВ.
То есть, в условиях слабых помех и соотношении сигнал/шум 5 - 10 дБ, уровень смеси входного сигнала и шума в КВ диапазоне при использовании «короткой» антенны может оказаться ниже чувствительности РПУ (Цс+ш < 0,1 мкВ), в то время как для четвертьволновой антенны при той же напряженности поля сигнала Цс+ш ~ 1,5 мкВ.
2
Однако в реальных условиях связи, рассчитывая на устойчивый прием КУ в условиях по крайней мере среднего уровня естественных помех, необходимо обеспечивать в точке приема напряженность поля сигнала для рассматриваемых частот Ес кв > 2,5 мкВ/м (т. е. и кв > 0,9 мкВ), и Ес сдв > 30 мкВ. Таким образом, с учетом дополнительных помех к атмосферным шумам, обусловленным шумами самой антенны и промышленным шумом, общий уровень сигнал + помеха на выходе «короткой» антенны, обеспечиваемый РПДУ для устойчивого приема команд управления, будет выше потенциального порога чувствительности профессионального РПУ, что позволяет использовать «короткую» антенну в расширенном СДВ-КВ диапазоне частот. Эффективность работы «короткой» антенны повышается за счет обеспечения оптимального согласования и компенсации потерь в фидере при использовании малошумящих активных усилителей.
Для примера на графике рис. 21 сплошной зеленой линией представлено значение коэффициента шума активной приемной антенны К-625 (произв. АО «НТО Завод «Волна»), а сплошной фиолетовой линией - значение коэффициента шума активной приемной СДВ -КВ антенны Я&Б НЕ010, в сравнении с коэффициентами атмосферных шумов.
Активные антенны ввиду их сравнительно малых габаритов целесообразно использовать на мобильных объектах, объектах с ограниченной площадью, а также в качестве резервных (защищенных) антенн на стационарных объектах. Отечественной промышленностью выпускаются активные антенны электрического (К-625), рис. 21, и магнитного («Акция») типов и др., рис 18 - 20, обеспечивающие приемлемую широкополосность, чувствительность (зеленая линия на рис. 22) и динамический диапазон для работы на реальных СДВ-КВ радиотрассах.
Рис. 21. Активная антенна электрического типа К-625 СВ и КВ диапазона (Произв. АО «НТИ «Радиосвязь», АО «НПО Завод «Волна»)
На стационарных объектах в качестве приемной антенной системы целесообразно использовать кольцевые активные фазированные антенные решетки (АФАР) с формированием узких диаграмм направленности в заданных секторах. Примером такой АФАР является антенный комплекс производства СОНИИР, обеспечивающий независимое формирование нескольких узких диаграмм направленности в заданных секторах приема, рис. 23 [35]. Эффективность применения мультидиаграммной ФАР и принципы ее построения показана в [36].
Современные SDR радиоприемные устройства могут иметь не только высокую чувствительность, расширенный рабочий частотный диапазон, динамический диапазон до 130 дБ, но и значительное число независимых каналов приема при работе на одну антенну. На рис. 24 приведено 64-канальное широкополосное SDR-радиоприемное устройство производства ООО «АДК». АО «ОНИИП» серийно выпускает 128-канальный РПУ, а опытный образец цифрового РПУ «Радикс» (ООО «АДК») имеет 16,5 тыс. каналов независимого приема [39, 40].
Fа(дБ)
1 (Гц)
Рис. 22. Значения коэффициентов внешних шумов с учетом влияния времени суток, времени года и земной поверхности в целом [21]
Рис. 23. Быстроразворачиваемая активная кольцевая антенная решетка АКАР (произв. СОНИИР) [35]
Такие характеристики приемной части канала связи позволяют применять новые сигнально-кодовые конструкции в расширенном частотном диапазоне. При этом на передающей части канала связи могут использоваться несколько РПДУ с соответствующими оптимизированными к работе передающими антеннами, что делает возможным доведение команд управления до объектов и их исполнительных звеньев в условиях действия
случайных и преднамеренных помех, а также различных состояниях ионосферы без знания ОРЧ [40-42]. Анализ приведенных расчетов по приему сообщений в СДВ-КВ диапазоне волн показывает, что в ряде случаев использование только СДВ диапазона приведет к срыву сеанса связи, а при использовании ДКМВ - к ухудшению (или нарушению) приема в отдельные часы суток для протяженных радиотрасс. Отсюда следует целесообразность совместного использования разнородных каналов связи для устойчивого доведения команд управления до удаленных объектов.
I
Рис. 24. Широкополосное SDR-радиоприемное устройство с активной антенной, обеспечивающее 64 канала независимого приема
Современная реализация приемной части тракта позволяет обеспечить одновременный параллельный прием команды управления от нескольких (в том числе территориально разнесенных) источников передачи команд по СДВ, КВ и спутниковым каналам связи с последующей совместной обработкой принятой информации, что даёт возможность существенно повысить устойчивость доведения команд управления в различных условиях связи [43, 44].
Выводы
Дальность устойчивой связи для конкретной радиотрассы должна определяться с учетом значений атмосферных шумов, соответствующих сезону года, времени суток и району территории Земного шара.
При параллельной передаче гармонических сигналов в режиме ППРЧ необходимо использовать в РПДУ усилители мощности с высокой линейностью и с учетом значения пик-фактора суммарного сигнала до 12 дБ.
Активные антенны отечественного производства обладают необходимой широкополосностью и чувствительностью для обеспечения эффективного приема сообщений на реальных СДВ-КВ радиотрассах.
Как следует из теоретических и экспериментальных исследований для отдельного канала связи существуют условия, при которых возможно нарушение приема с требуемым качеством, и для повышения устойчивости доведения команды управления следует использовать параллельную передачу в широкой полосе частот по разнородным каналам связи.
Литература
1. Радиомины - почему их применял только СССР во время Великой Отечественной войны // [электронный ресурс] https://zen.yandex.ry/media/weapon/radiominy-... (дата обращения 12.11.2021 г.).
2. Лазоренко В.С., Ватаф С.А., Панков Д.В. О развитии сетей ведомственной декаметровой радиосвязи с учетом ее значимости при создании системы связи Арктической зоны / Материалы III Международной НТК «Радиотехника, электроника и связь» (РЭиС-2015). Омск: Изд. «Наука». С.64-68.
3. Информационные технологии в системе управления силами ВМФ / Шпак В.Ф, Директоров Н.Ф., Мирошников В.И., Навойцев С.П., Наумов В.Н., Серегин А.В., Синещук Ю.И., Туровский О.Н. - СПб.: «Элмор», 2005, - 832 с.
4. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А. Обеспечение устойчивого обмена данными с робототехническими комплексами морского базирования // Техника средств связи. № 4 (144). 2018. С. 5-21
5. Михайловский Л.В. Когнитивное радио - передовая технология на пути к более рациональному использованию радиочастотного спектра / Материалы НТС МСЭ (Армения, 2830 апреля 2008 г.).
6. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черёмушкин А.В. Основы криптографии. -М.: Гелмос-АРВ, 2002. - 480 с.
7. Шнаер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке СИ / Под ред. А.Б. Васильева. - М.: Триумф, 2002. - 816 с.
8. Мирошников В.И., Миронов А.А. Основные требования и принципы построения системы обеспечения информационной безопасности мультимедийной сети корпоративных пользователей // Техника средств вязи. 2018. № 3 (143). С. 11-20.
9. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. - М: Мир, 1986. - 576 с.
10. Бабков В.Ю., Цикин И.А. Сотовые системы мобильной радиосвязи. - СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2011. - 426 с.
11. Николашин Ю.Л., Будко П.А, Жуков Г.А., Угрик Л.Н. Новое направление создания помехоустойчивых радиолиний декаметрового диапазона волн // Техника средств связи. 2021. № 1 (153). С. 2-6.
12. Игорь Александрович Мизин - ученый, конструктор, человек. Сборник статей. - М.: ИПИ РАН, 2010. - С. 298.
13. Макаренко С.И., Иванов М.С., Попов С.А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. СПб. 2013. 166 с.
14. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации. - М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.
15. Хворостенко Н.П. Статистическая теории демодуляции. - М.: Связь, 1968. - 335 с.
16. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.
17. Романов Ю.В. Эволюция высокоскоростных КВ-радиомодемов в XX веке // Техника радиосвязи. 2016. № 1 (28). С. 72-88.
18. Жуков Г.А., Будко П.А. Широкополосные и узкополосные сигналы в радиолиниях декаметрового диапазона волн // Морская радиоэлектроника. № 2 (72). 2020. С. 32-37.
19. Мощный СДВ радиопередатчик «Пятидесятник-Э» / войны // [электронный ресурс] https://www.rimr.ru/catalog/morskoy-flot (дата обращения 21.12.2018).
20. Готовко В.И. Физико-технические проблемы создания широкополосных приземных передающих антенн длинноволнового диапазона // Journal of Siberian Federal University. Mathematics&Physics. 2010. № 3 (2). С. 165-172.
21. Рекомендация МСЭ-R Р.372-11(09/2013). Радиошум.
22. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972. - 336 с.
23. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. Радио, 1070. 728 с.
24. Акулов В.С., Салюк Д.В., Угрик Л.Н. Учет точности прогнозирования электромагнитных полей при расчете радиотехнических систем // Техника средств связи. 2018. № 2 (142). С. 53-56.
25. Лузан Ю.С., Хмырова Н.П. Адаптивная радиосвязь в /ДКМ диапазоне частот. Современное состояние и тенденции развития // Техника радиосвязи. 2008. Вып. 13. С. 3-24.
26. Гук И.И., Путилин А.Н., Сиротин И.В., Хвостунов Ю.С. Адаптивная система декаметровой радиосвязи с полнодиапазонной перестройкой рабочей частоты и предварительные
результаты трассовых испытаний ее фрагмента / Материалы VII Межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России» (ИБРР-2011). (Санкт-Петербург, 26-28.10.2011.). - СПб.: ФГУП «НПО «Импульс», 2011. - С.32-35.
27. Прогнозирование распространения радиоволн КВ диапазона и доступности связи на заданных частотах. [Электронный ресурс] URL:http://www/radian-m.ru/prognoz.php
28. Жуков Г.А., Будко П.А. Обнаружение и прием сверхузкополосных сигналов в декаметровом диапазоне волн // Морская радиоэлектроника. 2020. № 4 (74). С. 40-45.
29. Зудов Р.Г. Расширение полосы перестройки частот ключевых усилителей мощности класса Д Е, предназначенных для радиопередающих устройств диапазона ВЧ. 2019. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. СПб., Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.
30. Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1985. 640 с.
31. Калинин А.Л. Новое поколение коротковолновых радиопередающих устройств большой мощности // Техника средств связи. 2021. № 3 (155). С. 10-17.
32. Моисеев А.А., Киселев А.А. Применение мобильных аппаратных связи для обмена данными с морскими объектами // Техника средств связи. 2020. № 2 (150). С. 10-17.
33. Готовко В.И., Дегтярев А.С., Евстегнеев В.А., Мезенов В.И., Победин Л.Ф., Хрущев
B.М., Юнаков А.А. Аэростатная антенна. Патент РФ № 2320058. Опубл. 20.03.2008. (Заявка 2005133916/09 от 02.11.2005).
34. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А. Повышение эффективности функционирования радиолиний с псевдослучайной перестройкой рабочих частот / Сборник докладов III Международной НТК «Радиотехника, электроника и связь» (РЭиС-2015). (Омск, 6-8 октября 2015 г.). - Омск: Изд. «Наука». С. 126-137.
35. Официальный сайт СОНИИР /http//soniir.ru. (Дата обращения 15 апреля 2022 г.).
36. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А. Нейробионический подход к решению задачи оптимизации приема информации в канале с переменными параметрами // Нейрокомпьютеры: разработка и применение. 2016. № 1. С. 49-58.
37. Жуков Г.А. Эффективность совместного использования различных методов обработки сигналов при приеме по параллельным каналам // Техника средств связи. Сер. ТИС. 1984. Вып. 6.
C. 66-74.
38. Antennas and Accessories. Catalog 2020-2021. Rohde&Schwarz GmbHCo. KG|81671 Munich, Germany. 2020. 212 p.
39. Официальный сайт АО «ОНИИП» / [электронный ресурс] http://www.oniip.ru/produkciz.
40. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. Перспективные методы повышения помехоустойчивости декаметровых радиолиний // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2014. № 1. С. 30-37.
41. Николашин Ю.Л., Мирошников В.И., Будко П.А., Жуков Г.А. Обеспечение устойчивого обмена данными с автономными необитаемыми подводными аппаратами // Морская радиоэлектроника. 2016. № 1 (55). С. 44-49.
42. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. Повышение эффективности функционирования декаметровых радиолиний // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 2. С. 4-9.
43. Николашин Ю.Л., Мирошников В.И., Будко П.А., Жуков Г.А. Территориально-разнесенный прием информации от глобально-перемещающихся объектов морского базирования // Морская радиоэлектроника. 2017. № 4 (62).С. 18-23.
44. Жебрун А.М., Сантус Д.С., Чибышев С.Л. Комплексное использование радиолиний для повышения вероятности доведения информации до глобально удаленных подвижных объектов // Техника средств связи. 2018. № 4 (144). С. 89-92.
References
1. Radiominy - pochemu ih primenyal tol'ko SSSR vo vremya Velikoj Otechestvennoj vojny [Radiomines - why they were used only by the USSR during the Great Patriotic War]. Available at: https://zen.yandex.ry/media/weapon/radiominy -... (accessed 12 November 2021) (in Russian).
2. Lazorenko V.S., Vataf S.A., Pankov D.V. [On the development of departmental decameter radio communication networks, taking into account its importance in creating a communication system of the Arctic zone. O razvitii setej vedomstvennoj dekametrovoj radiosvyazi s uchetom ee znachimosti pri sozdanii sistemy svyazi Arkticheskoj zony. Materialy III Mezhdunarodnoj NTK «Radiotekhnika, elektronika i svyaz'» (REiS-2015) [Materials of the III International STC "Radio Engineering, Electronics and Communications" (REiS-2015)]. Omsk. Publishing house "Science". Pp.64-68 (in Russian).
3. Shpak V.F., Directors N.F., Miroshnikov V.I., Navoitsev S.P., Naumov V.N., Seregin A.V., Sineshchuk Yu.I., Turovsky O.N. Informacionnye tekhnologii v sisteme upravleniya silami VMF [Information technologies in the control system of the Navy]. St. Petersburg, "Elmore" Publ., 2005, -832 p. (in Russian).
4. Nikolashin Yu.L., Budko P.A., Zhukov G.A. Obespechenie ustojchivogo obmena dannymi s robototekhnicheskimi kompleksami morskogo bazirovaniya [Ensuring stable data exchange with marine-based robotic complexes]. 2018. Means of communication equipment. No. 4 (144). Pp. 5-21 (in Russian).
5. Mikhailovsky L.V. Cognitive radio - advanced technology on the way to a more rational use of the radio frequency spectrum. Kognitivnoe radio - peredovaya tekhnologiya na puti k bolee racional'nomu ispol'zovaniyu radiochastotnogo spectra. Materialy NTS MSE]. [Materials of the ITU NTS]. Armenia, April 28-30, 2008 (in Russian).
6. Alferov A.P., Zubov A.Yu., Kuzmin A.S., Cheremushkin A.V. Osnovy kriptografii. [Fundamentals of cryptography]. Moscow. Gelmos-ARV Publ., 2002. 480 p. (in Russian).
7. Shnaer B. Prikladnaya kriptografya. Protokoly, algoritmy, iskhodnye teksty na yazyke SI [Applied cryptography. Protocols, algorithms, source texts in C]. Moscow. Triumph Publ., 2002. 816 p. (in Russian).
8. Miroshnikov V.I., Mironov A.A. Osnovnye trebovaniya i principy postroeniya sistemy obespecheniya informacionnoj bezopasnosti mul'timedijnoj seti korporativnyh pol'zovatelej [Basic requirements and principles of building an information security system for a multimedia network of corporate users]. Means of communication equipment. 2018. No. 3 (143). Pp. 11-20 (in Russian).
9. Bleikhut R. Teoriya i praktika kodov, kontroliruyushchih oshibki. [Theory and practice of error-controlling codes]. Moscow, Mir Publ., 1986. 576 p. (in Russian).
10. Babkov V.Yu., Tsikin I.A. Sotovye sistemy mobil'noj radiosvyazi. [Cellular systems of mobile radio communication]. St. Petersburg, Publishing House of the Polytechnic University, 2011. 426 p. (in Russian).
11. Nikolashin Yu.L., Budko P.A., Zhukov G.A., Ugrik L.N. A new direction for creating noise-resistant radio lines in the decameter wave range. Means of communication equipment. 2021. No 1 (153). Pp. 2-26 (in Russian).
12. Igop Aleksandrovich Mizin - uchenyj, konstruktor, chelovek [Igop Aleksandrovich Mizin scientist, designer, man]. Moscow, IPI RANS Publ., 2010. 298 p. (in Russian).
13. Makarenko S.I., Ivanov M.S., Popov S.A. Pomekhozashchishchennost' sistem svyazi s psevdosluchajnoj perestrojkoj rabochej chastity [Noise immunity of communication systems with pseudorandom adjustment of the operating frequency]. St. Petersburg, 2013. 166 p. (in Russian).
14. Emelyanov G.A., Shvartsman V.O. Peredacha diskretnoj informacii [Transmission of discrete information]. Moscow, Radio and Communications Publ., 1982. 240 p. (in Russian).
15. Hvorostenko N.P. Statisticheskaya teorii demodulyacii [Statistical theory of demodulation]. Moscow, Svyaz' Publ., 1968. 335 p. (in Russian).
16. Varakin L.E. Sistemy svyazi s shumopodobnymi signalami [Communication systems with noise-like signals]. Moscow, Radio and Communications Publ., 1985. 384 p. (in Russian).
17. Romanov Yu.V. Evolyuciya vysokoskorostnyh KV-radiomodemov v XX veke [Evolution of high-speed HF radio modems in the XX century]. Radio communication technology. 2016. No. 1 (28). Pp. 72-88 (in Russian).
18. Zhukov G.A., Budko P.A. SHirokopolosnye i uzkopolosnye signaly v radioliniyah dekametrovogo diapazona voln [Broadband and narrowband signals in radio lines of the decameter wave range]. Marine radio electronics. No. 2 (72). 2020. Pp. 32-37 (in Russian).
19. Powerful SDV radio transmitter "Pentecostal-E" Available at: https://www.rimr.ru/catalog/morskoy-flot (accessed 21 December 2018). (in Russian).
20. Gotovko V.I. Fiziko-tekhnicheskie problemy sozdaniya shirokopolosnyh prizemnyh peredayushchih antenn dlinnovolnovogo diapazona [Physico-technical problems of creating broadband ground-level transmitting antennas of the long-wave range]. Journal of Siberian Federal University. Mathematics&Physics. 2010. No. 3 (2). Pp. 165-172 (in Russian).
21. Rekomendaciya MSE-R R.372-11 (09/2013) Radioshum [Recommendation ITU-R p.372-11 (09/2013). Radio noise]. (in Russian).
22. Dolukhanov M.P. Rasprostranenie radiovoln [Propagation of radio waves]. Moscow, Svyaz', 1972. - 336 p. (in Russian).
23. Fink L.M. Teoriya peredachi diskretnyh soobshchenij [Theory of transmission of discrete messages]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1070. 728 p. (in Russian).
24. Akulov V.S., Salyuk D.V., Ugrik L.N. Uchet tochnosti prognozirovaniya elektromagnitnyh polej pri raschete radiotekhnicheskih sistem [Accounting for the accuracy of forecasting electromagnetic fields in the calculation of radio engineering systems]. Means of communication equipment. 2018. No. 2 (142). Pp. 53-56 (in Russian).
25. Luzan Yu.S., Khmyrova N.P. Adaptivnaya radiosvyaz' v DKM diapazone chastot. Sovremennoe sostoyanie i tendencii razvitiya [Adaptive radio communication in the DCM frequency range. Current state and development trends]. Radio communication technology. 2008. Issue. 13. Pp. 3-24. (in Russian).
26. Guk I.I., Putilin A.N., Sirotin I.V., Khvostunov Yu.S. Adaptivnaya sistema dekametrovoj radiosvyazi s polnodiapazonnoj perestrojkoj rabochej chastoty i predvaritel'nye rezul'taty trassovyh ispytanij ee fragmenta / Materialy VII Mezhregional'noj konferencii «Informacionnaya bezopasnost' regionov Rossii» (IBRR-2011). [Adaptive decameter radio communication system with full-range adjustment of the operating frequency and preliminary results of track tests of its fragment / Proceedings of the VII Interregional Conference "Information security of the regions of Russia" (IBRD-2011)]. Saint Petersburg, 26-28.10.2011. St. Petersburg: FSUE NPO Impulse, 2011. Pp.32-35. (in Russian).
27. Prognozirovanie rasprostraneniya radiovoln KV diapazona i dostupnosti svyazi na zadannyh chastotah [Forecasting the propagation of HF radio waves and the availability of communication at specified frequencies. Available at: http://www/radian-m.ru/prognoz.php. (accessed 27 November 2021) (in Russian).
28. Zhukov G.A., Budko P.A. Obnaruzhenie i priem sverhuzkopolosnyh signalov v dekametrovom diapazone voln [Detection and reception of ultra-narrowband signals in the decameter wave range]. Marine radio electronics. 2020. No. 4 (74). Pp. 40-45 (in Russian).
29. Zudov R.G. Obnaruzhenie i priem sverhuzkopolosnyh signalov v dekametrovom diapazone voln. Diss. kand. tehn. nau [Expansion of the frequency tuning band of key power amplifiers of Class D E designed for RF radio transmitting devices. Ph.D. Tesis]. 2019. St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great (in Russian).
30. Korolyuk V.S., Portenko N.I. Skorochodov A.V., Turbin A.F. Spravochnik po teorii veroyatnostej i matematicheskoj statistiki [Handbook of Probability theory and mathematical statistics]. Moscow, Nauka Pubk., 1985. 640 p. (in Russian).
31. Kalinin A.L. A new generation of high-power short-wave radio transmitting devices. Means of communication equipment. 2021. No 3 (155). Pp. 10-17 (in Russian).
32. Moiseev A.A., Kiselev A.A. Application of mobile communication hardware for data exchange with marine objects. Means of communication equipment. 2020. No. 2 (150). Pp. 10-17 (in Russian).
33. Gotovko V.I., Degtyarev A.S., Evstegneev V.A., Mezenov V.I., Pobedin L.F., Khrushchev V.M., Yunakov A.A. Aerostatnaya antenna [Balloon antenna]. RF Patent No. 2320058. Publ. 20.03.2008. (Application 2005133916/09 dated 02.11.2005) (in Russian).
34. Nikolashin Yu.L., Budko P.A., Zhukov G.A. Improving the efficiency of radio lines with pseudorandom adjustment of operating frequencies. Collection of reports of the III International STC "Radio Engineering, electronics and communications" (REiS-2015) Povyshenie effektivnosti funkcionirovaniya radiolinij s psevdosluchajnoj perestrojkoj rabochih chastot / Sbornik dokladov III Mezhdunarodnoj NTK «Radiotekhnika, elektronika i svyaz'» (REiS-2015). (Omsk, October 6-8, 2015). Omsk: Nauka Publ. Pp. 126-137 (in Russian).
35. SONIIR official website. Available at: http//soniir.ru. (Accessed April 15, 2022) (in Russian).
36. Nikolashin Y.L., Budko P.A., Zhukov G.A. Nejrobionicheskij podhod k resheniyu zadachi optimizacii priema informacii v kanale s peremennymi parametrami [Neurobionic approach to solving optimization tasks of receiving information in a channel with variable parameters]. H&ES Research. 2016. No. 1. Pp. 49-58 (in Russian).
37. Zhukov G.A. Effektivnost' sovmestnogo ispol'zovaniya razlichnyh metodov obrabotki signalov pri prieme po parallel'nym kanalam [The effectiveness of the joint use of various signal processing methods when receiving via parallel channels]. Means of communication equipment. Ser. TPN. 1984. Issue 6. Pp. 66-74 (in Russian).
38. Antennas and Accessories. Catalog 2020-2021. Rohde&Schwarz GmbHCo. KG|81671 Munich, Germany. 2020. 212 p.
39. Oficial'nyj sajt AO «ONIIP» [The official website of JSC "ONIIP"]. Available at: http://www.oniip.ru/produkciz. (Accessed April 15, 2022) (in Russian).
40. Nikolashin Yu.L., Budko P.A., Zholdasov E.S., Zhukov G.A. Perspektivnye metody povysheniya pomekhoustojchivosti dekametrovyh radiolinij [Promising methods of increasing the noise immunity of decameter radio lines]. H&ES Research. 2014. No. 1. Pp. 30-37 (in Russian).
41. Nikolashin Yu.L., Miroshnikov V.I., Budko P.A., Zhukov G.A. Obespechenie ustojchivogo obmena dannymi s avtonomnymi neobitaemymi podvodnymi apparatami [Ensuring sustainable data exchange with autonomous uninhabited underwater vehicles]. Marine radio electronics. 2016. No. 1 (55). Pp. 44-49 (in Russian).
42. Nikolashin Yu.L., Budko P.A., Zholdasov E.S., Zhukov G.A. Povyshenie effektivnosti funkcionirovaniya dekametrovyh radiolinij [Improving the efficiency of decameter radio lines]. T-Comm 2015. Vol. 9. No. 2. Pp. 4-9 (in Russian).
43. Nikolashin Yu.L., Miroshnikov V.I., Budko P.A., Zhukov G.A. Territorial'no-raznesennyj priem informacii ot global'no-peremeshchayushchihsya ob"ektov morskogo bazirovaniya [Geographically dispersed reception of information from globally moving sea-based objects]. Marine radio electronics. 2017. No. 4 (62). Pp. 18-23 (in Russian).
44. Zhebrun A.M., Santos D.S., Chibyshev S.L. Kompleksnoe ispol'zovanie radiolinij dlya povysheniya veroyatnosti dovedeniya informacii do global'no udalennyh podvizhnyh ob"ektov [Complex use of radio lines to increase the probability of bringing information to globally remote mobile objects]. Means of communication equipment. 2018. No. 4 (144). Pp. 89-92 (in Russian).
Статья поступила 18 января 2022 года
Информация об авторах
Николашин Юрий Львович - Кандидат технических наук. Генеральный директор ПАО «Интелтех». Тел.: +7(812)295-66-66. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Будко Павел Александрович - Доктор технических наук, профессор. Ученый секретарь ПАО «Интелтех». Тел. +7(812)448-95-97. E-mail: budko62@mail.ru.
Жуков Геннадий Анатольевич - Кандидат технических наук, доцент. Советник генерального конструктора ПАО «Интелтех». Заслуженный конструктор Российской Федерации. Тел. +7(812)448-96-16. E-mail: zhukovGA@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, Санкт-Петербург, Кантемировская ул., д. 8.
Ensuring sustainable delivery of control commands to remote executive units
Y.L. Nikolashin, P.A. Budko, G.A. Zhukov
Annotation. Problem statement: the article solves the problem of bringing the required amount of data in real time to various stationary, mobile and globally moving geographically separated objects via ultra-long-wave and short-wave communication channels. At the same time, the aim of the work is to study the possibility of stable transmission of control commands to remote objects of executive units over land and over the sea at different levels of atmospheric noise and radiation power. The methods used in the work include: inherited transmission methods, including "auditory" telegraphy and "narrowband" data transmission at dedicated frequencies; methods for calculating the values of the signal field strength depending on the length of the radio path for the "terrestrial" wave over land and over the sea, calculated according to the refined Shuleikin - Van der formula-Fields, as well as for "ionospheric" propagation in the ultra-long-wave - short-wave frequency ranges according to the modified Austin formula; methods of increasing the probability of reception in conditions of interference, as well as signal fading based on polarization-separated reception, etc. The novelty of the work is the use of new signal-code structures based on the method of parallel transmission of ultranarrowband signals in the mode of changing the operating frequency according to a pseudo-random law, the main feature of which is to increase the probability of reception when targeting intentional interference. The main results of the work include proposals for the implementation of the receiving part of the radio path, allowing simultaneous parallel reception of control commands from several (including geographically dispersed) transmission sources over heterogeneous radio channels, followed by joint processing of the received command, which makes it possible to significantly increase the stability of its delivery in various communication conditions. The practical significance of the study lies in the fact that the proposed approach makes it possible to ensure the stable delivery of control commands to globally remote executive links in a specific radio path with proper consideration of atmospheric noise values for the current season, time of day and area of the Globe.
Keywords: active antenna, atmospheric noise, parallel transmission, the mode of transmission of the operating frequency according to a pseudo-random law, the peakfactor of a multi-frequency signal.
Information about the authors
Yuri L. Nikolashin - Candidate of Technical Sciences. General Director of PJSC Inteltech. Tel.: +7(812)295-66-66. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Pavel A. Budko - Doctor of Technical Sciences, Professor. Scientific Secretary of PJSC "Inteltech". Tel. +7(812)448-95-97. E-mail: budko62@mail.ru.
Gennady A. Zhukov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Advisor to the General Designer of PJSC "Inteltech". Honored Designer of the Russian Federation. Tel. +7(812)448-96-16. E-mail: zhukovGA@inteltech.ru .
Address: 197342, Russia, Saint Petersburg, Kantemirovskaya str., 8.
Для цитирования: Николашин Ю.Л., Будко П.А, Жуков Г.А. Обеспечение устойчивого доведения команд управления до удаленных исполнительных звеньев // Техника средств связи. 2022. № 1 (157). С 2-24.
For citation: Nikolashin Yu.L., Budko P.A., Zhukov G.A. Ensuring sustainable delivery of control commands to remote executive units. Means of Communication Equipment. 2022. No. 1 (157). Pp. 2-24 (in Russian).
