CC BY
23СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 621.396.946; 621.396.949
Составной тракт доведения информации до робототехнических комплексов в северных морях
Мирошников В.И., Будко П.А., Жуков Г.А.
Аннотация. Постановка задачи: рассматриваются основные направления по созданию составного тракта управления и связи с робототехническими комплексами в северных морях с использованием декаметровых, метеорных и гидроакустических каналов. Целью работы является повышение устойчивости доведения сигналов управления до удаленных морских объектов, находящихся в подводном или подледном положениях. Используемые методы: теоретический и практический заделы в области декаметровой, метеорной и гидроакустической связи, а также БОЯ-технологий для реализации программно-аппаратных комплексов нового поколения; использование эффекта отражения радиоволн от метеорных следов; применение бионического подхода для реализации дальней гидроакустической связи. Новизна состоит в предложении построения приемной антенно-фидерной подсистемы канала метеорной связи, обеспечивающей формирование «веера» узких диаграмм направленности; формировании и применении новой сигнально-кодовой конструкции для гидроакустического модема; применении аппаратно-программного комплекса на базе БОЯ-технологий. Практическая значимость заключается в том, что составной тракт доведения информации позволяет: повысить устойчивость канала управления подводным объектом в северных морях; увеличить дальность доведения управляющей информации, что важно для выполнения работ в подледном положении без всплытия робототехнического комплекса; осуществлять прием информации в условиях сложной помеховой обстановки гидрологии моря и северных широт; обеспечить дополнительное повышение максимальной мощности принимаемого сигнала на 10 ^ 12 дБ с учетом реализации переменной скорости передачи за счет бионического подхода, визуализации принимаемого сигнала и использования мультидиаграммной фазированной антенной решетки.
Ключевые слова: составной тракт; декаметровый канал связи, гидроакустический канал связи; метеорный канал связи; метеорный след; диаграмма направленности.
Введение
Одной из приоритетных задач, решаемых в рамках развития РФ, является освоение северных морских территорий страны. С учетом этого разработка методов устойчивой связи и управления объектами, находящимися в северных морях, в том числе, подводными лодками и морскими робототехническими комплексами (МРТК) представляется важным и актуальным направлением. Традиционно используемые для связи с морскими объектами радиоканалы декаметрового диапазона волн имеют низкий коэффициент готовности на северных морских радиотрассах в период возникновения ионосферно-магнитных бурь, а также при появлении спорадического слоя Еб. Исходя из этого, тракт доведения информации от пунктов управления до морских объектов необходимо резервировать каналом, устойчивым к указанным негативным факторам. По ряду причин, использование спутниковой связи, в качестве основного канала доведения информации в составном тракте, существенно ограничено. Как следует из ряда теоретических и экспериментальных работ [1-3], одним из возможных каналов составного тракта является радиоканал метеорной связи (РМС). В настоящей работе рассматривается структура построения составного тракта с использованием РМС.
1 Структура составного тракта
Структура построения одного из вариантов составного тракта передачи сигналов управления на объект, находящийся в подводном положении, представлена на рис. 1.
Информация, предназначенная для доведения до робототехнического комплекса от центрального пункта по континентальной сети в соответствии с протоколом адресации, поступает на заданные береговые центры связи (например, ЦС-1 и ЦС-3, см. рис. 1), с которых осуществляется параллельная передача команд управления по каналам декаметровой и метеорной связи (ЦС-1) или через оптоволоконный кабель связи (ЦС-3) на придонный гидроакустический буй-ретранслятор (ГАБ). На удаленном пункте ретрансляции (надводном пункте управления - НПУ или промежуточном радиоретрансляторе) реализуется совместный прием, обработка и синтез суммарного сообщения.
При создании декаметровых (ДКМ) радиолиний (РЛ), входящих в составной тракт, могут использоваться различные сигнально-кодовые конструкции (СКК), как правило, ориентированные на решение определенных задач, таких как снижение времени доведения и вероятности трансформации знаков сообщения, обеспечения скрытности излучения, реализации мультимедийных услуг и т. п. Однако, для оценки возможности решения указанных задач для любой ДКМ РЛ при организации связи с удаленным абонентом необходимо учитывать основные характеристики радиотрассы, зависящие от сезона, времени суток и взаимного географического расположения пунктов приема и передачи информации, что особенно характерно для северных широт.
Как показывают расчеты и результаты трассовых испытаний, для устойчивого обмена данными между НПУ, находящимися на значительных удалениях от ЦС, целесообразно, без увеличения мощности радиопередающего устройства (РПДУ) свыше 5 кВт, обеспечить суммарный коэффициент усиления приемной и передающих антенн не менее 18 ^ 20 дБ, а в радиомодеме реализовать возможность работы не только на высоких, но и на пониженных скоростях V = 1 ^ 5 бит/с во всем ДКМ диапазоне частот [4].
При работе РЛ в адаптивном режиме необходимая скорость обмена данными будет установлена автоматически, а в случае передачи информации для объектов, находящихся в режиме радиомолчания, на последних следует установить многоканальный радиоприемник с демодуляторами, ориентированный на прием «сетки» скоростей [5].
Таким образом, для повышения характеристик доведения информации до глобально перемещающихся НПУ целесообразно дооснастить основные континентальные ЦС и пункты-ретрансляторы (расположенные на буровых платформах, надводных кораблях и островах) адаптивными и симплексными радиолиниями ППРЧ с широкой «сеткой» рабочих скоростей передачи, радиопередающими устройствами типа РПДУ-М1(5) [6] и дополнительными КВ поворотными логопериодическими антеннами типа «Сектор» [7].
Поскольку объекты, взаимодействующие с ЦС не всегда могут быть обеспечены мощными ДКМ РПДУ и передающими АФУ с большим коэффициентом усиления, специализированные приемные радиоцентры должны быть оснащены эффективными антенно-фидерными подсистемами. В настоящее время, на приемных радиоцентрах (ПРЦ), входящих в состав ЦС для «дальней» связи, как правило, используются антенны типа БС и РГ, основными недостатками которых являются высокая стоимость, сложность в эксплуатации, большая площадь антенного поля, а также низкая эксплуатационная надежность, что практически исключает возможность реализации 3 ^ 5-ти канального пространственно-разнесенного приема в каждом азимутальном секторе, а это, в свою очередь, резко снижает вероятность устойчивого приема в условиях «замираний» сигнала, характерных для декаметровой связи [8]. Одним из вариантов устранения указанного недостатка является оснащение ПРЦ «кольцевыми» фазированными антенными решетками (КФАР) типа КАРС-В2Г [9], с формированием «веера» диаграмм направленности (ДН) или ЦФАР с «цифровым» синтезом диаграмм направленности с использованием многоканальных КВ БОЯ-модулей [6].
Дополнительно необходимо отметить, что в силу ограниченности площади, занимаемой КФАР (по сравнению со стационарными антеннами типа 2БС-2) их применение позволяет реализовать 3 ^ 5-канальный пространственно-разнесенный прием с компенсацией помех на существующих антенных полях, обеспечивая тем самым высокую вероятность приема в условиях замирания сигнала и наличия преднамеренных помех.
Таким образом, в условиях отсутствия аномальных явлений в ионосфере при использовании ДКМ радиолиний может быть обеспечено устойчивое доведение сигналов управления до НПУ. В то же время, учитывая нестационарность возникновения ионосферных магнитных бурь целесообразно дублировать передачу указанных сигналов по метеорному каналу связи, устойчивого к магнито-ионным атмосферным возмущениям.
Исходя из вышеизложенного, рассмотрим пути повышения эффективности функционирования тракта метеорной связи.
2 Оптимизация структуры построения тракта метеорной связи
Одним из родов радиосвязи в ультракоротковолновом диапазоне волн (УКВ) является
метеорная связь (МС), обусловленная появлением участков ионосферы (метеорных следов),
«зеркально» отражающих радиоволны [1, 2, 10-13].
Метеорный след (МСл), как правило, представляет собой ионизированную область
(узкий конус длинной до 25 км) с высокой начальной линейной электронной плотностью N.
Свойства МСл, а также физические процессы, лежащие в основе их образования, достаточно хорошо исследованы [2, 14-17]. В соответствии с существующей классификацией МСл с N < 1014 называется неуплотненным следом (МСлН), а с N > 1014 - переуплотненным
(МСлП). При падении УКВ радиоволны на МСлН происходит «возбуждение» свободных электронов метеорного следа, сопровождающееся когерентным, зеркальным вторичным
излучением с частотой порождающей радиоволны. Если электронная плотность метеорного
следа окажется выше критической для соответствующей частоты падающей радиоволны (что характерно для МСлП), то ее отражение от МСл будет происходить подобно зеркальному
отражению от металлического цилиндра.
Амплитуда радиоволны, отраженной от МСлН в точке приема, изменяется во времени
по экспоненциальному закону:
и = Ц,^ , (1)
где ио - максимальное значение амплитуды, I - текущее время от момента появления МСл, т - постоянная времени, характеризующая физические свойства ионизированного МСл [2, 18]. Используя формулу (1) по двум значениям и и и2, замеренным через определенные интервалы времени можно оценить величину т для конкретного метеорного следа.
При использовании радиопередающего устройства с Ризл ~ 0,5 ^ 1 кВт и антенн (передающей Апрд и приемной Апрм) с суммарным коэффициентом усиления САпрд,Апрм ~ 15 дБ время существования неуплотненного метеорного следа, обеспечивающего возможность качественного приема отраженной волны, составляет в среднем 0,2 ^ 0,5 с. Для радиоволны, отраженной от МСлП, из-за различий физических процессов зеркального отражения, время существования отраженной волны может составлять от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. При этом, вследствие «искривления» или разрыва перенасыщенного метеорного следа, связанных с высотными ветрами, может наблюдаться многолучевое распространение отраженного сигнала, приводящее к его глубоким замираниям в точке приема, что не позволяет аналитически предсказать изменения значения принимаемого сигнала во времени. Для примера, на рис. 2 приведена спектрограмма сигналов, принимаемых в ходе сеансов метеорной связи, отраженных от МСлН и МСлП [19], иллюстрирующая рассмотренные выше особенности радиоволн, отраженных от метеорных следов с различной степенью ионизации.
При организации метеорной связи важным параметром, определяющим варианты ее использования, является протяженность радиотрассы, на которой обеспечивается устойчивое доведение информации с сохранением заданной вероятности приема. Отражение радиоволн от МСл возможно как «назад», (т.е. осуществление приема практически в месте размещения радиопередающего устройства - РПДУ) так и «вперед» до максимального расстояния ^шах, определяемого высотой отражения радиоволны И и геометрией земной поверхности. Считая,
что в среднем И ~ 100 км, можно показать, что ётах 8ЯЗк ~ 2250 км, где ЯЗ - радиус Земли.
Действительно, из практики метеорной связи следует, что в зависимости от топологии размещения приемной и передающей антенн, может обеспечиваться обмен информацией на трассах протяженностью до 2,2 ^ 2,3 тыс. км.
МСлН МСлН МСлН МСлП
г . , Y" . „ч ' ; Г ■ и M' fil
fil It tf\ i Y1Г 'i
0 10 20 30 40 50 60 70 80 с
Рис. 2. Спектрограмма сигналов, отраженных от метеорных следов с различной степенью ионизации
Как следует из экспериментальных и теоретических исследований, среднее интегрированное количество метеорных следов К, попадающих в «пятно засветки» ионосферы передающей центральной станции (ЦС) от спорадических метеоров 1 ^ 5 звездных величин при использовании 3 5-элементной антенны «Удэ-Яги» составляет К ~ 40 в час, а от метеоров 6 10 звездных величин (от следов которых еще происходит фиксируемое отражение радиоволны) составляет К ~ 10 500 в час (см. расчетный график на рис. 3).
Таким образом, несмотря на прерывистый и случайный характер появления метеорных следов, обеспечивающих возможность формирования тракта метеорной связи,
существуют их статистически устойчивые параметры. На рис. 4-6 приведены нормированные графики зависимости относительного процента появления метеорного следа, соответственно от времени суток, времени года и протяженности трассы, полученные путем усреднения экспериментальных данных [20-22].
Как следует из рассмотрения представленных графиков, наиболее благоприятными условиями для МС является организация связи на трассах, протяженностью 700 1400 км в утренние часы (0 ^ 6 ч по местному времени) в летнее-осенний период.
В таких условиях количество МСл, пригодных для связи, может достигать до нескольких сотен в час, а средняя скорость обмена данными до 2 ^ 3 Кбит/с. Однако, в суммарно неблагоприятных условиях («короткие» или «протяженные» радиотрассы,
Рм
дБ 4 0
Образование переуплотненого метеорного следа (МСлП)
Образование неуплотненого метеорного следа (МСлН)
о о щ ц 19 Значение звездной 8 9 11 величины метеора
Рис. 3. Расчетный график
Г N
0 6 12 18 24 Т, час Янв. Фев. Мар. Апр. Май Июн. Июл. Авг. Сен. Окт. Ноя. Дек.
Рис. 4. Нормированный график Рис. 5. Нормированный зависимости появления график зависимости
МСл от времени суток появления МСл от времени года
200 400 800 1200 1600 2000 а,
Рис. 6. Нормированный график зависимости появления МСл от протяженности трассы
вечерние часы и зимне-весенний период) среднечасовая скорость передачи данных может снизиться до 30 ^ 40 бит/с.
Для определения возможных путей повышения эффективности метеорной связи представим формулы для оценки максимальной мощности принимаемого сигнала, отраженного от МСлН или МСлП [18, 23] в виде обобщенного выражения:
^макс Ризл^АпрдС"АпрмХ ?
(2)
где - функционал, характеризующий физические свойства конкретного метеорного следа, его «геометрию» относительно направления и протяженности радиотрассы, а также характеристики приемного устройства; Ризл - мощность сигнала, излучаемого передатчиком; С"дпрд, С"дпрм - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно; X -длина излучаемой радиоволны.
Как следует из анализа приведенной формулы (в случае фиксированных параметров функционала), при отражении от МСл мощность принимаемого сигнала можно повысить за счет увеличения Ризл. Вместе с тем, следует учитывать, что при Ризл > 1 ^ 2 кВт существенно возрастает сложность и стоимость, в том числе и эксплуатационных расходов радиопередающего и антенно-фидерного оборудования, поэтому, как правило, для метеорной связи используются РПДУ с Ризл = 0,1 ^ 2 кВт.
При оценке средней скорости обмена данными необходимо учитывать, что ее величина зависит не от одного конкретного метеорного следа, а от количества МСл, попадающих в «пятно засветки» области атмосферы, образованной передающей и приемной антеннами, в соответствии с их диаграммами направленности (ДН), см. рис. 7.
Рис. 7. Образование «пятна засветки» области атмосферы на метеорной трассе
Чем меньше будет площадь S этого «пятна», тем меньшее число метеоров будет использовано в процессе связи, что приведет к соответствующему уменьшению средней скорости передачи данных.
Учитывая это, в радиолиниях (РЛ) МСв обычно используются 3 ^ 5 - элементные антенны «Удэ-Яги» (волновой канал), имеющие горизонтальную линейную поляризацию и ширину ДН (по азимуту и углу места) по уровню минус 3 дБ 0 ~ 50о ^ 70о с коэффициентом усиления Ga = 5 ^ 8 дБ [24, 25]. Повышение коэффициента усиления приводит к сужению ширины ДН и, как следствие, к описанному выше негативному эффекту.
Из анализа формулы (2) следует, что максимальное значение мощности принимаемого сигнала ТЛю уменьшается при снижении длины волны. Кроме того, как отмечено в [3, 16], на частотах свыше 60 МГц усиливаются отрицательные явления, связанные с многолучевостью отраженной от метеорного следа волны. В то же время, при увеличении длины волны X > 10 м (f < 30 МГц) увеличиваются не только атмосферные помехи (кривая А на рис. 8 [26]), но также галактические (D) и индустриальные (С) шумы.
Правомерность приведенных выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, которые показали, что в области рабочих частот 35 60 МГц обеспечивается наиболее высокая средняя скорость передачи данных. Причем, в отличие от декаметровой радиосвязи, в процессе передачи в течение суток отсутствует необходимость выбора оптимальных рабочих частот из-за изменения свойств ионосферы. С учетом этого, профессиональная аппаратура МСв ориентирована на указанный рабочий диапазон частот. Так, аппаратура метеорной связи разработки ОАО «НИИ «Нептун» [11] позволяет обеспечить функционирование в диапазоне 47 ^ 58 МГц, а в главной (центральной) станции метеорной связи разработки фирмы «Meteor Communications Corporation» МСС-6560 реализована возможность обмена данными в частотном диапазоне 37 ^ 60 МГц.
При доведении сообщений по метеорному каналу связи от центральной станции до абонентского пункта (АП) используются два основных алгоритма:
а) без обратной связи;
б) с обратной связью (с реакцией абонента на принятый от ЦС сигнал в виде ответной радиограммы, «подтверждения» или «запроса»).
Fa (дБ)
100 f, МГц
Рис. 8. Значения атмосферных помех, индустриальных и галактических шумов:
А - атмосферные помехи, значение превышаемое в течении 0,5 % времени; В - медианное значение индустриального шума (в промышленной зоне); С - минимальное ожидаемое значение атмосферных и индустриальных шумов
(вне промышленной зоны); D - галактический шум.
В соответствии с первым алгоритмом осуществляется непрерывная многократная передача (от ЦС) коротких сообщений или блоков (пакетов) сообщений. При этом количество передач определяется статистическими характеристиками канала связи, зависящими, как показано в 1-ом подразделе статьи, от ряда параметров передающей и приемной аппаратуры, протяженности радиотрассы и т. д.
Для радиотрасс с протяженностью d = 700 ^ 1400 км, Ризл ~ 1 кВт и G = Сдпрд + Сдпрм ~ 15 дБ, как показывают расчеты и результаты трассовых испытаний, в среднем в час будет наблюдаться 60 ^ 180 метеорных следов, обеспечивающих прием зондирующего сигнала с полосой 100 Гц в течении Д^сл > 0,2 c для каждого МСл. При этом необходимо отметить, что количество метеорных следов неравномерно распределено в течении часа, и для отдельного минутного интервала времени вероятность появления одного и более из них может оказаться достаточно низкой. Следовательно, для обеспечения приема блока сообщения, длительностью Д^ < 0,5 Д^МСл с вероятностью P > 0,95 потребуется передавать его непрерывно в течение 5 ^ 6 минут, а в случае применения в абонентской аппаратуре процедуры «накопления» и восстановления блока сообщения по всем реализациям факта приема, может быть либо увеличена длительность блока, либо сокращено время его непрерывной передачи.
Одной из важных задач при доведении сообщений по метеорному каналу связи (МкС) является выбор скорости передачи данных. Предполагая, что в частотной полосе передаваемого сигнала отсутствуют сосредоточенные помехи, а действуют только галактические шумы, аппроксимируемые аддитивным гауссовским шумом (см. кривую D на рис. 8), в соответствии с теоремой Шеннона-Хартли верхняя граница скорости передачи информации может быть определена по формуле [27]:
Г P JA/c
Vmax ^[l+Ap^J . (3)
где Рс - мощность принимаемого сигнала, Д/С - частотная полоса, занимаемая сигналом; Ыо -спектральная плотность шума.
На рис. 9 синим цветом представлены графики изменения отношения сигнал/шум W в зависимости от времени t для двух характерных реализаций при приеме зондирующего (вызывного) сигнала с полосой Д/С= 100 Гц. На этом же рисунке красным цветом приведены соответствующие графики зависимости предельно достижимой скорости передачи Vmax, рассчитанные по формуле (3).
80
60
40
20
0
В случае отсутствия информации о параметрах отраженного от метеорного следа сигнала на ЦС (что характерно для первого алгоритма организации связи) с целью гарантированного доведения сообщения (пакета сообщения) до абонента целесообразно ориентироваться на неблагоприятные условия связи (отсутствие в период сеанса связи отражений от МСлП и наличия только «слабых», отраженных от МСлН сигналов). Для рассматриваемого примера, как следует из анализа графика В на рис. 9, изменение предельно достижимой скорости передачи от времени (УВ), при априорно неизвестных параметрах связи (времени появления МСл, уровня отраженного сигнала) скорость передачи не должна превышать 1,5 ^ 2 кБит/с. Таким образом, как легко показать, оптимальной (с точки зрения достижения высокой вероятности доведения информации Р > 0,95) длина блока сообщения должна составлять 150 ^ 200 бит при времени его передачи не менее пяти минут. Столь низкая суммарная скорость передачи хотя и обеспечивает устойчивое доведение коротких сообщений, однако, может быть рекомендована только для передачи информации, не требующей доставки в реальном масштабе времени, например: метеоданных, показателей счетчиков учета потребляемой электроэнергии, суточного расхода определенных ресурсов и т. п.
Рис. 9. Оценка предельной скорости передачи в метеорном канале связи
Тем не менее, одним из положительных факторов в случае применения алгоритма без обратной связи, является возможность реализации комплектов приемной аппаратуры с малыми габаритами и энергопотреблением, аналогичных обычному мобильному радиотелефону, что позволяет использовать такой режим для дистанционного управления необслуживаемыми исполнительными устройствами, находящимися в труднодоступных районах (горная местность, острова, дрейфующие льдины и т. п.), а также для индивидуальной «пейджинговой» связи при использовании укороченной активной приемной антенны.
Кроме того, хотя «пейджинговый» режим и не обладает информационной скрытностью в силу непрерывности передачи сообщения в течение длительного времени, однако, при нахождении «мешающей» станции на расстоянии более 200 км от ЦС постановка преднамеренной помехи окажется проблематичной из-за различия моментов появления отражающих метеорных следов для непараллельных радиотрасс.
Вместе с тем, в случае «пейджингового» алгоритма доведения информации не используются реальные возможности высокоскоростной передачи при появлении неуплотненных и переуплотненных МСл с соответствующими характеристиками по отражению радиосигналов (спектрограмма на рис. 2). Для реализации такой возможности используется второй алгоритм - алгоритм с обратной связью, который в отличие от первого
алгоритма обладает определенной информационной скрытностью. Для иллюстрации на рис. 10, а) - г) приведены диаграммы, характеризующие относительный процент убывания объема перехваченной информации при различных удалениях объекта контроля (ОК) от абонентского пункта метеорной связи. Из рассмотрения рис. 10 следует, что при удалении ОК от АП на расстояние более 200 км перпендикулярно трассе связи, доля перехваченной информации не превысит О ~ 5 % от её общего переданного объема.
в)
„ АП
г)
Рис. 10. Иллюстрация обеспечения информационной скрытности в метеорном канале связи
Различные варианты протоколов по реализации алгоритмов «с обратной связью», в том числе для дуплексного и сетевого обмена информацией, достаточно полно изложены в литературе [28-32]. Общим в этих протоколах является решение задачи по оптимизации скорости передачи данных путем доведения в реальном масштабе времени до передающей
стороны текущих характеристик отраженного от МСл сигнала или других параметров для управления радиопередающим устройством ЦС (уровня, мощности, вероятности ошибки в приеме бита или блока информации, рекомендуемой скорости передачи пакета, необходимости повторной передачи пакета информации, и т. п.).
Например, для достаточно мощного сигнала, отраженного от МСлН целесообразно после приема короткой кодовой комбинации запроса на передачу А^з, (см. рис. 9), передать за время АГкв квитанцию, содержащую параметры сигнала и шума в моменты времени ^ и Ь (или другие необходимые параметры, перечисленные выше), в соответствии с которыми на передающей стороне определяется модель отражения сигнала от метеорного следа и устанавливается скорость передачи, обеспечивающая выполнение требований по заданной вероятности ошибки рош в приеме сообщения. Оценка значений ошибки на бит сообщения при когерентном приеме сигнала в двоичной системе может быть вычислена по формуле [27]
1 + Ф(уН)
2
(4)
где у - коэффициент, определяющий вид модуляции сигнала; Ф(у^) - табулированная функция Крампа.
Как следует из формулы (4), значение вероятности ошибки резко убывает с увеличением отношения средней энергии элемента сигнала с длительностью Atc к спектральной плотности помехи (шума)
, 2 P4
h = -JT ■ (5)
' o
Следовательно, для сохранения заданной вероятности приема бита сообщения, соответствующей значению И^р, необходимо, чтобы значения ht для каждого принимаемого
/-го бита в момент ti в процессе сеанса связи удовлетворяли неравенству: > и2р .
Вместе с тем, для МСлН, исходя из формулы (1), мощность принимаемого сигнала будет уменьшаться во времени пропорционально величине е"2/г, следовательно, для выполнения предельного значения h ~ h^ необходимо, чтобы длительность бита сигнала увеличивалась по закону
At = tje т .
Очевидно, что изменение длительности каждого бита сообщения по такому закону проблематично с точки зрения практической реализации. Изменение длительности бита сообщения (скорости передачи) целесообразно осуществлять через интервал времени &1ь = Аtk - А4 в течение которого может быть передан блок информации с постоянной скоростью (соответствующей значению А1+) и получена ответная радиограмма от абонента.
Примечание. Можно показать, что такой алгоритм работы окажется эффективным и в случае отражения волны от МСлП.
Как показало моделирование, для варианта А (см. рис. 9) приема сигнала, отраженного от неуплотненного метеорного следа, рассмотренным методом обработки
достигается возможность передачи примерно двух кБит информации за время
2
существования МСл при средней вероятности ошибки на бит в блоке сообщения рош ~ 10- , а при оптимальной постоянной скорости передачи (определяемой через производную от функции изменения У(/)) - не более одного кБита. Следовательно, теоретически, при переменной скорости передачи объем доводимой до абонента информации можно увеличить более чем в два раза. Однако, при практической реализации, с учетом возможности неприема соответствующей квитанции, неполного соответствия реального изменения во времени соотношения сигнал/шум выбранной модели, разного уровня помех на приемной и передающей стороне и т. п. при ориентировании на максимально возможную скорость
передачи увеличивается объем корректирующих квитанций и повторов пакетов, принятых с ошибками, что реально снижает потенциально возможный выигрыш от частой смены скорости передачи. Кроме того, при отношении сигнал/шум менее 15 дБ и Д^Мсл < 0,1 с, (см. рис. 9, вариант В) с учетом времени на запрос и квитанцию выигрыш от «сложных» алгоритмов изменения скорости оказывается незначительным по сравнению с передачей на одной оптимальной скорости и для представленного варианта не превышает 5 ^ 10 %.
Таким образом, для эффективного использования «сложных» алгоритмов функционирования метеорного тракта связи следует использовать методы, обеспечивающие увеличение вероятности появления отраженных сигналов со значениями отношения
щ—сигнал-) > 17 ^ 20 дБ.
помеха + шум
Выше было показано, что одним из методов повышения мощности принимаемого сигнала является увеличение коэффициента усиления Сдпрд и С"дпрм. При этом отмечено, что уменьшение объема «пятна засветки» антеннами области появления метеорных следов может привести к снижению суммарной скорости передачи в тракте метеорной связи. Эффективным методом ухода от такого ограничения является использование приемной антенно-фидерной подсистемы, обеспечивающей формирование «веера» узких диаграмм направленности, которые суммарно реализуют полное «перекрытие» необходимого пространства £ (см. рис. 11).
Рис. 11. Формирование «веера» диаграмм направленности многолучевой антенно-фидерной подсистемой
Применение мультидиаграммной (многолучевой) антенно-фидерной подсистемы (МАП) позволяет не только обеспечить прием «слабых» сигналов, но также повысить эффективность связи при боковом смещении от плоскости «большого круга» зоны отражения радиоволны, отмеченном в работах [33, 34]. Кроме того, использование МАП позволяет за счет относительного сдвига секторов «ослабленного» приема парциальных ДН значительно снизить уровень сосредоточенных помех, вероятность появления которых возрастает с повышением скорости передачи и соответствующем увеличении частотной полосы, занимаемой полезным сигналом. На рис. 12 приведен пример, поясняющий возможность подавления помехи при использовании МАП.
При построении приемной антенной решетки для обеспечения непрерывного функционирования метеорного тракта связи необходимо учесть возможность «экранирования» метеорных следов спорадическим слоем ££ (см. рис. 7), время существования которого может превышать несколько десятков часов [35].
Таким образом, для организации непрерывной связи, в том числе и при появлении спорадического слоя следует использовать антенные элементы с круговой поляризацией. Для антенн типа «Удэ-Яги» это просто обеспечивается путем установки на мачте двух смещенных на 90 градусов двух(трех)-элементных линейно-поляризованных антенн, рис. 13 [25].
Рис. 12. Подавление помех при использовании многолучевой антенно-фидерной подсистемы
Хотя частотный диапазон, используемый для метеорной связи, и алгоритм обмена данными позволяют и в этом случае осуществлять прием сообщения, однако, в силу неоднородности слоя Е£, поляризация отраженной волны может изменяться от горизонтальной (ГП) до вертикальной (ВП).
Примечание: Необходимо отметить, что при МСв также наблюдается нестабильность поляризации отраженной от метеорного следа волны [20].
Вариант размещения антенн для построения мультидиаграммной антенной решетки (МАР) с учетом их диаграмм направленности приведен на рис. 14, а).
Представленная конфигурация МАР из 15 антенн «Удэ-Яги» с круговой поляризацией позволяет сформировать необходимое количество парциальных ДН с О^ ~ 17^18 дБ и с характеристиками по ширине ДН по азимуту и углу места 0г- ~ 12^15° с горизонтальной и вертикальной поляризацией, рис. 14, б).
Как показывают расчеты, для полного перекрытия всей области возможного появления метеорных следов, позволяющих обеспечить связь ЦС с АП с учетом одновременного подавления сосредоточенных помех, потребуется реализовать ориентировочно М ~ 100 ПДН (Ы = 50 ПДН с горизонтальной поляризацией и N = 50 - с вертикальной, М = 2Ы).
Основными функциональными узлами приемного комплекта аппаратуры метеорной связи являются блок формирования парциальных диаграмм направленности (БФПДН), блок приема и формирования служебных кодограмм (БПФСК), а также блок приема и обработки сообщений (БПОС), см. рис. 15.
Исходя из реальных характеристик метеорного канала связи по максимальной скорости передачи информации, общая частотная полоса каждого банка фильтров [36] должна составлять Д/тах ~ 20 ^ 40 кГц (40 ^ 80 узкополосных фильтров с Д/~ 500 Гц). Частотная полоса «среднего» фильтра Д/сс , настроенного на рабочую частоту может составлять до 0,1 ^ 1,5 кГц в зависимости от вида модуляции в кодограмме запроса с ЦС на начало передачи.
При этом целесообразно передавать все служебные сообщения в виде коротких формализованных кодограмм на фиксированной скорости, не превышающей 0,6 ^ 1 кБит/с с общим временем передачи и < 15 мс, поскольку их неприем может существенно увеличить время, необходимое для проведения сеанса связи.
а1
а1 А
А1+А?
Направление на ЦС
/ -3 дБ \
ДН в азимутальной плоскости
б)
Рис. 14. Построение мультидиаграммной антенной решетки
Примечание: Для сокращения времени передачи сообщений следует исключить из их структуры синхронизирующие импульсы, а синхронизацию проводить по элементам текста сообщения (пакета) с использованием алгоритма Витерби [37].
• А2 • А2 А3 • А3
т - У - т
Блок формирования парциальных диаграмм направленности (БФПДН)
тп
II
Блок приема и формирования служебных кодограмм (БПФСК)
7>
1]
Блок приема и обработки сообщений (БПОС)
Блок формирования кодограмм и управления передачей
От источника сообщений
Передающий комплект
Рис. 15. Структурная схема приемо-передающего комплекта аппаратуры метеорной связи
Рассмотренная структура построения элементов тракта метеорной связи в силу необходимости использования антенного поля с ориентировочными размерами 25*50 м
К абоненту
может быть рекомендована, в основном, для стационарных радиоцентров, размещаемых на островах, или на крупногабаритных НПУ. Вместе с тем, размеры АФП можно значительно снизить за счет использования укороченных активных антенн с многоярусным размещением.
Для иллюстрации эффективности предлагаемых технических решений на рис. 3 черным цветом приведен расчетный график нормированной зависимости максимального значения мощности принимаемых отраженных сигналов от МСл, образованных метеорами различной звездной величины, в предположении, что передача осуществляется при постоянных значениях Ризл, $ и Опрд,прм. Из анализа графиков рис. 3 следует, что даже без учета реализации переменной скорости передачи, только за счет использования мультидиаграммной фазированной антенной решетки, обеспечивающей дополнительное повышение Ртах на 10 ^ 12 дБ, осуществляется увеличение количества «рабочих» метеоров в среднем в 3 раза (см. рис. 3, пунктирная линия), что позволит обеспечить соответствующее уменьшение времени, необходимого для передачи сообщения.
Таким образом, как следует из представленных материалов, при одновременном использовании ДКМ и метеорных каналов связи будет обеспечено устойчивое доведение информации в северных широтах до НПУ (или пункта ретрансляции) на радиотрассах протяженностью до 2200 км независимо от аномальных явлений в ионосфере, а также действия случайных и преднамеренных помех.
Информация, принятая на НПУ по двум или по одному из двух каналов связи (ионосферному и метеорному) после обработки в блоке синтеза суммарного сообщения (или на ГАБ по оптоволоконному подводному кабелю) может быть доведена до удаленного МРТК, находящемся в подводном (подледном) положении по гидроакустическому каналу связи (ГАК). При этом в случае удаления управляемого объекта в глубокопогруженном состоянии от НПУ (корабль обеспечения, буровая платформа) или ГАБ свыше 100 км возможны два варианта доведения сигналов (команд) управления по ГАК:
использование группы автономных необитаемых подводных аппаратов-ретрансляторов (АНПА-Р), см рис. 1;
использование низкоскоростного модема с гидроакустической системой передачи, обеспечивающей мощность излучения не менее 1 кВт.
Для первого варианта доведения необходимо обеспечить возможность взаимодействия АНПА-Р на максимальном удалении друг от друга
3 Доведение информации по гидроакустическому каналу связи
При оценке вероятности выполнения миссии, требующей значительного удаления МРТК от места базирования (до 100 км и более), необходимо учесть возможность деградации основных элементов МРТК, несовместимой с успешным завершением миссии, обусловленной параметрами надежности элементов аппарата, случайными повреждениями АНПА, в том числе вследствие столкновений с крупными объектами или представителями морской фауны, айсбергами, рыболовными сетями и т. п., не исключая умышленных повреждений или уничтожения АНПА. Причем вероятность выполнения миссии Рвм будет уменьшаться в зависимости от увеличения количества всплытий для уточнения координат и проведения сеансов связи с НПУ. Отсюда с очевидностью следует необходимость реализации искусственного интеллекта в интегрированной системе управления АНПА, позволяющей обеспечить оптимальную трассу перемещения, и её коррекцию в случае наличия незапланированных (случайных) препятствий или угроз.
В ряде работ [38-40] для обеспечения живучести подводных объектов (робототехнических подводных комплексов, подводных лодок, АНПА и т. п.) предлагается создавать сети подводной интегрированной связи (СПИС) с реализацией составного радиогидроакустического канала в направлении НПУ - подводный объект. Так предлагаемый АО «НИИ Гидросвязи «Штиль» вариант построения СПИС реализуется на базе нескольких
автономных донных линии связи, каждая из которых состоит из промежуточных пунктов доступа и концевых гидроакустических модемов, объединенных оптоволоконной линией связи. Взаимодействие сети связи с береговым пунктом управления осуществляется по радиоканалу через автономный гидроакустический буй-ретранслятор, входящий в её состав. Вместе с тем, как отмечается в работе [39], 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.
Использование группы (роя) АНПА-ретрансляторов для доведения сигналов управления от НПУ подразумевает наличие необходимого количества автономных аппаратов, реализующих сеть взаимодействующих подводных ретрансляторов. В простейшем случае рой ретрансляторов может быть представлен в виде цепочки ретрансляторов из ЛАНПА - ретрансляторов, минимальное число которых можно определить по формуле Лшщ ~ [¿//шах], где L - расстояние между НПУ и РТК, /шах - максимальная дальность связи между соседними АНПА, реализуемое по гидроакустическому каналу связи; [...] - целая часть числа. То есть для минимизации числа АНПА в цепочке требуется обеспечить возможно больший показатель для /шах.
Как следует из табл. 1, для современных модемов заявляемая максимальная дальность ГАС составляет до 30 км. Однако, в настоящее время к подсистеме ГАС, в значительной степени определяющей успешность выполняемых автономным необитаемым подводным аппаратом специальных заданий, предъявляются более высокие требования по максимально достижимым значениям /шах [38].
Таблица 1 - Сравнительная характеристика модемов гидроакустической связи
Параметры модема 82С Я 8/16 Германия 82С Я 40/80 Германия АсошИс Modem Германия ^М 2000Н 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 - - - -
2 -10-°^ • Лф = Н'р//, (6)
Для оценки энергетической дальности действия гидроакустической системы в разных режимах её функционирования (эхо-локации, шумопеленгования, телеметрии), как правило, используется общее уравнение, которое применительно к ГАС можно представить в виде [41-44]:
МЙШ^Ш.л п-от
Я
где рп (/рч, Л/р) - давление помехи в рабочей полосе частот Л/; ро - давление, развиваемое
передающей антенной с излучаемой мощностью Ризл на условном расстоянии г0; ^(ф) и -02(ф) - характеристики направленности передающей и приемной антенн соответственно; И2 -отношение энергии сигнала к спектральной плотности помех; Я - расстояние между гидроакустическими передатчиком и приемником; /рч - рабочая частота передаваемого сигнала; в - пространственный коэффициент затухания звуковых волн в воде; = 10 1§ Ф -фактор аномалии распространения звуковых волн, учитывающий фокусировку (Ф < 1) и дефокусировку (Ф > 1) акустического поля.
В [41] показано, что с учетом частотных зависимостей уровня шумов моря и затухания сигнала для трансцендентного уравнения (6) существует оптимальное значение рабочей
частоты /рч, 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 0(/ ) ~/~п, где п = 1 ^ 2, значение оптимальной частоты составит:
/опт « п'К"2/3103 кГц, (7)
где п' ~ 1,9 ^ 3, т. е. для К ~ 50 ^ 100 км значения оптимальной частоты будет находиться в диапазоне/опт ~ 2 ^ 3 кГц.
Близкие значения /опт получаются и при использовании антенн 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 АНПА.
Переход на более высокие частоты излучения, в силу уменьшения габаритов антенных элементов, позволит устанавливать на АНПА фазируемые адаптивные решетки (ФАР), обеспечивающие подавление помех от посторонних излучателей (т. е. уменьшения значения рп) и увеличение коэффициента ^2(ф) в направлении на полезный сигнал, тем самым реализуя возможность увеличения дальности связи. В предположении отсутствия (или подавления) помех от посторонних излучателей проведем расчеты по дальности ГАС для минимальных и максимальных значений (пунктирная и штрихпунктирная линии на рис. 16) спектральных характеристик шумов моря.
Учитывая большой разброс численных значений величин, входящих в формулу (6), для наглядности графического представления соответствующих расчетов приведем её к виду:
1
1
lg h = lg ро + lg А(ф) + lg £2(9) + - lg Аф - lg R - —pR - lg рп #рч, Л/).
2
20
(8)
Рп, дБ
5-102 103
Рис. 16. Спектральная характеристика шумов моря
20 30 40 50 60 70 80 90 100 км
Рис. 17. Зависимость значений от дальности взаимодействия между АНПА в группе
На рис. 17 представлены результаты расчетов по формуле (8) значений \ф в зависимости от расстояния между АНПА при взаимодействии в группе для следующих исходных данных: ^1(ф) = 1, АФ = 1, в = 0,036 /э32 дБ/км, А/рч = 1 Гц, мощность излучения сигнала Ризл = 100 Вт, г0= 1 м. Значения рп(/рч, Д/р) вычислялись в соответствии с графиками рис. 16, в предположении использования четырехэлементной адаптивной ФАР, реализованной на базе гидроакустических приемных антенн цилиндрического типа, обеспечивающей подавление помех от посторонних излучателей и формирование максимума диаграммы направленности в направлении на полезный сигнал.
Из анализа графиков следует, что на частотах свыше 10 кГц реализовать устойчивую связь при К > 100 км достаточно проблематично, поскольку даже при передаче
0,2
2-10
2-10
2-10
210
210
рассматриваемого узкополосного сигнала, с полосой А/р = 1 Гц и /рч = 10 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 шумности моря (штрихпунктирная линия на рис. 17).
Рассмотренный первый вариант доведения информации до РТК по «цепочке» взаимодействующих АНПА-гидроакустических ретрансляторов хотя и обладает определенной энергетической скрытностью, однако для больших значений Ь (например, 500 км) потребуется не менее Ытт = 10 АНПА, что может негативно сказаться на живучести составного тракта доведения в целом.
Для второго варианта доведения по ГАК при использовании высокой мощности излучений существенно снижается скрытность факта управления объектом (МРТК) и резко снижается скорость, при которой обеспечивается высокая вероятность доведения сигналов управления, однако, повышается живучесть тракта.
Как следует из расчетов, проведенных по формуле (6), при усредненных значениях спектральных характеристик шумов моря скорость передачи для устойчивого доведения информации должна быть не более 0,5 Бит/с при протяженности трассы 300 ^ 400 км и мощности излучения Ризл ~ 1 кВт. Поскольку при таких скоростях передачи частотная полоса, занимаемая сигналом, будет составлять менее 0,5 Гц, то влияние эффекта Доплера существенно усложнит алгоритм обработки принимаемой информации.
Вместе с тем, известно, что в океанской среде крупные морские животные общаются на значительных расстояниях друг от друга. Так, например, как показывают исследования, проведенные в рамках гидробионики, общение горбатых китов может осуществляться при их взаимном удалении свыше 1000 км. На рис. 18 представлен фрагмент спектрограммы зова кита.
кГц 4
кГц 4 "
1 .
0
0 0,5 1 Т, с
Рис. 18. Фрагмент спектрограммы зова кита
0
—Г-
200
—Г-
400
—Г"
800
0 200 400 800 1000Д км Рис. 19. Расчетная характеристика оптимальной частоты излучения гидроакустического сигнала
Как следует из анализа рис. 18, основные элементы спектрограммы могут быть аппроксимированы «пакетом» линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов. В предположении их квазикогерентного сложения (реальный «механизм» совместной обработки элементов сигналов китов неизвестен), а также одинаковой мощности и длительности, можно примерно оценить помехоустойчивость суммарного рассматриваемого сигнала:
к2 ~ к
Р А„
(9)
где к - количество ЛЧМ сигналов в «пакете»; Atс - длительность сигнала, Рс - мощность отдельного сигнала, V2 - спектральная плотность шума в морской среде.
С точки зрения помехоустойчивости, такой «пакет» сигналов будет ориентировочно эквивалентен передаче одного «короткого» (длительностью Д^) ЛЧМ сигнала с мощностью
3
3
2
2
1
2
V
излучения Pi ~ kPc I т. е. h
мощность излучения Рс
т. е. h2
(kP )Л1С
V2
Pc (k Л/с )N
или «длинному» (Afe = kAic) ЛЧМ сигналу с
Примечание: «многочастотность» зова кита может быть объяснена ограниченностью мощности излучения отдельным «звуковым резонатором» их голосового аппарата.
Таким образом, одним из вариантов энергетической имитации бионического сигнала ($б) при ограничении мощности излучения может быть ЛЧМ сигнал с параметрами /тт ~ 0,7 кГц; /шах ~ 3,1 кГц; А^ ~ 1 ^ 2 с; Рс ~ 2 кВт (исходя из имеющихся данных по значению акустической мощности зова кита).
Необходимо подчеркнуть ряд особенностей такого сигнала $Б. Результаты теоретических расчетов по формуле (7) для усредненных значений переменных составляющих водной среды с учетом использования антенны линейного типа приведены на рис. 19. Как следует из графика, диапазон рабочих частот в имитационном сигнале $Б соответствует значениям расчетных оптимальных частот для различных протяженностей подводных трасс, вплоть до 1000 км.
Еще одной из особенностей имитационного ЛЧМ сигнала является его характерное звучание при слуховом приеме, которое позволяет оператору (гидроакустику или радиотелеграфисту) с высокой вероятностью (большей, чем при приеме узкополосного сигнала) зафиксировать факт его появления даже в условиях мощных помех.
Кроме того, поскольку человеческий мозг способен к инвариантному распознаванию заранее известных образов (по сигналам, поступающим от зрительной системы), независимо от изменения размеров, освещенности, положению и потере или искажения значительной части этого образа, представляется целесообразным (учитывая наличие современных средств «цифровой» записи и визуализации радио-, а также аудио-сигналов) использовать помимо автоматического и слухового, также визуальный прием информации.
Таким образом, для формирования передаваемого дискретного сообщения с целью эффективного визуального различения двоичных элементов с использованием структуры ЛЧМ-сигнала $Б можно сопоставить графическому отображению « / » значение «1» (изменение частоты сигнала от /шт до /Шах), а графическому отображению « \ » — «0» (изменение частоты сигнала от/тах до/Шш). В качестве иллюстрации на рис. 20 представлена спектрограмма визуального приема буквы «К» в коде МТК-2.
Буква «R» в коде МТК-2
1с Т
Рис. 20. Спектрограмма визуализации приема элемента сообщения (вариант)
Проверка эффективности приема сообщения с рассмотренной выше СКК была проведена с использованием имитационной модели гидроакустического канала. Результаты обеспечения вероятности безошибочного приема команды из 20 знаков в условиях помех приведены в табл. 2.
2
V
Таблица 2 - Вероятность безошибочного приема команды из 20 знаков, в условиях помех
Вид помехи Узкополосный сигнал СКК на базе 5Б
Слуховой прием Визуальный прием Автоматический прием Визуальный прием Автоматический прием
Сосредоточенная 0,74 0,87 0,64 1,0 0,86
Широкополосная 0,85 0,93 0,81 0,99 0,71
Изменение параметров широкополосных (ЛЧМ) сигналов для автоматического приема «под шумами» ограниченно из-за наличия максимального временного интервала когерентности сигнала в реальном гидроакустическом канале. По результатам исследования, проведенного в [42], указанный интервал не превышает 4 секунд. Одним из вариантов приема узкополосного сигнала является модем с реализацией алгоритма автоматической адаптивной перестройки приемного фильтра для «отслеживания» изменения частоты, обусловленного эффектом Доплера. Кроме того, в следствии этого эффекта, при создании модема, обеспечивающего повышение скорости передачи за счет одновременного излучения элементов сообщений на заданном количестве псевдослучайных рабочих частот, следует учитывать необходимость формирования в блоке параллельных фильтров защитного интервала между соседними частотами.
На рис. 21 представлен вариант структуры построения гидроакустического модема для морского объекта с реализацией многоканального приема и пространственной обработкой гидроакустического сигнала с возможностью автоматического (для АНПА и РТК) и визуального (для ПЛ и других обслуживаемых морских объектов) приема, инвариантного к эффекту Доплера.
Рис. 21. Вариант структуры построения гидроакустического модема
Заключение
1. Для обеспечения устойчивого доведения информации до надводных объектов, находящихся в морской Арктической и Приполярной зонах целесообразно осуществлять параллельную передачу по декаметровому и метеорному каналам связи.
2. Для подводных трасс протяженностью свыше 100 км с целью достижения устойчивой связи в направлении «НПУ - МРТК» необходимо использовать гидроакустические излучатели с мощность более 1 кВт при частотной полосе передаваемого сигнала менее 0,5 Гц.
3. При повышенных требованиях к скрытности и дальности связи сигналов управления целесообразно использовать «цепочку» АНПА-ретрансляторов с пониженной мощностью излучения и с реализацией элементов искусственного интеллекта.
4. Уровень теоретических и экспериментальных исследований в России, а также прогресс в создании элементов программно-аппаратных комплексов радио- и гидроакустической связи позволяет обеспечить доведение информации до морских объектов, находящихся на значительных удалениях от пунктов управления.
Литература
1. Мясников О.Г., Мирошников В.И., Безяев В.И. Краткая история создания и научно-технической деятельности ОАО «Интелтех» (НИИ ЭТУ) // Телекоммуникационные технологии. Вып. №1. 2003. С. 3-12.
2. Белькович О.И. Статистическая теория метеоров. Дисс. на соиск. уч. ст. доктора физ.-мат. наук. Казань. 1986. 301 с.
3. Белькович О.И. Статистическая теория радиолокации метеоров. - Казань: Изд-во КГУ. 1971. 103 с.
4. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жуков Г.А. Основные направления модернизации декаметровой системы связи // Техника средств связи. 2019. № 1 (145). С. 13-25.
5. Будко П.А., Жолдасова А.Е., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. и др. Модель тракта доведения информации до объекта по симплексной радиолинии. Патент на полезную модель РФ № 155245 от 02.09.2015.
6. Официальный сайт АО «ОНИИП» [Электронный ресурс]. http://www.oniip.ru/produkcia.
7. Официальный сайт РИМР [Электронный ресурс]. http://rimr.ru/ oborudovanie.
8. 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. С. 18-23.
9. Официальный сайт СОНИИР [Электронный ресурс]. http://soniir.ru.
10. Титков С.Б. Технические предложения по использованию метеорной связи // Защита информации. №3. 2006.
11. Аппаратура метеорной связи. [Электронный ресурс]. niineptun.ru/ production/oborudovanie-meteo-svyaz.
12. Шевелев А.Е., Завьялов С.В. Реализация модема для метеорной радиосвязи на основе SDR платформы HackRF One // Неделя науки СПбГПУ: материалы Международной научно-технической конференции. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций. 2016. С. 79-82.
13. Николашин Ю.Л., Кулешов И.А., Будко П.А., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. SDR радиоустройства и когнитивная радиосвязь в декаметровом диапазоне частот // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. №1. С. 20-31.
14. Метеорная связь на ультракоротких волнах. Сб. ст. под ред. А.Н. Казанцева. - М.: Изд. иностр. литературы. 1961. 287 с.
15. Карпов А.В., Сидоров В.В., Сулимов А.И. Метеорная генерация секретных ключей шифрования для защиты открытых каналов связи // Информационные технологии и вычислительные системы. №3. 2008. С. 45-54.
16. Метеорное распространение радиоволн. Зеленодольский филиал КГУ. Физико-математический факультет. - Зеленодольск: КГУ, 2008.
17. Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдения. - М.: Радио и связь, 1987.
18. Кащеев Б.Л., Лебединец В.Н. Радиолокационные исследования метеорных явлений. М.: Связь, 1961.
19. Спектрограммы. Электронный ресурс «Российский УКВ-портал». В. Париков, RV6YY. Август 2010.
20. Arthur G., Donald S. Meteor burst telemetry in hydrologic data acquisition. Remote Data Transmission (Proceedings of the Vancouver Workshop, August 1987). LAHS Publ. № 178, 1989.
21. Асирин Т., Карпов А.В., Кодиров А.И. и др. Результаты экспериментального исследования условий распространения радиоволн на коротких метеорных радиотрассах в условиях горной местности среднеазиатского региона // Изв. АН Таджикской ССР. №1 (99). 1986.
22. Справочник по радиоэлектронным системам / Под ред. Б.Х. Кривицкого. Том. 1. - М.: Энергия, 1979.
23. http://www.imo.net/radio/reflection.
24. Chan C.A., Cheng D.K. Optimum Element Lengths for Yagi-Uda Arrays. IEEE. Trans AP, January 1975, pp. 8-14.
25. Ратхаммель К. Энциклопедия антенн. - М.: ДМК «Пресс», 2011. 812 с.
26. Радиошум. Рекомендация МСЭ-R Р.372-10 (10/2009). Сер. Р. Распространение радиоволн. Электронный ресурс. ITU. Женева. 2010.
27. Финк Л.М. Теория передачи дискретной информации. - М.: Сов. Радио, 1970. - 728 с.
28. Miller S.L., Milstein L.B. A Comparison of Protocols for a Meteor-bust Channel Based on a Time-Varying Channel Model. IEEE Transections on communications. Vol. 37. №1. January 1989. pp. 18-30.
29. Волвенко С.В., Макаров С.Б., Завьялов С.В., Хачаянц М.Б. Выбор пороговых отношений сигнал/шум при приеме сигналов в метеорном канале связи с использованием полудуплексного протокола с повторной передачей по запросу // Радиотехника. №12. 2016. С. 83-93.
30. Иванченко Ю.С., Орлова Л.Г. Способ увеличения скорости передачи данных в пакетной сети метеорной связи. Патент РФ №2461125. Опубл. 10.09.12.
31. RocKwell International Corp. Meteor scatter burst communication system. Patent US №4277845. 1981.
32. Mui S.Y. A Comparison of Fixed and Variable-Rate Signaling for Meteor Burst Communications. IEEE Transections on communications. Vol 42. №2/3/4. February/March/April 1994. pp. 211-216.
33. Асирин Т., Карпов А.В., Кодиров А.И. и др. Боковое распространение радиоволн на коротких метеорных радиотрассах // Изв. ВУЗов. 1986. Т. 32. С. 9-12.
34. Белькович О.И., Сидоров В.В., Филимонова Т.К. Вычисление распределения метеорных радиантов по наблюдениям на одной радиолокационной станции с угломером // Астрономический Вестник. №2. Т. 25. 1991.
35. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972. 336 с.
36. Каплун Д.И., Клионский Д.М., Олейник А.Л., Вознесенский А.С., Жукова Н.А., Гульванский В.В., Петровский А.А. Применение полифазных банков фильтров в задачах мониторинга широкого частотного диапазона // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. Вып. №3. 2013.С. 38-43.
37. Мирошников В.И., Будко П.А., Жуков Г.А. Компенсаторы помех для ППРЧ радиолиний декаметрового диапазона волн // Техника средств связи. 2019. №2 (146). С. 8-20.
38. Белоусов И. Современные и перспективные необитаемые подводные аппараты ВМС США // Зарубежное военное обозрение. №5. 2013. С. 79-88.
39. Брага Ю.А., Машошин А.И. Место сетевой подводной системы обмена данными в интегрированной сетецентрической системе подводного наблюдения. / Доклады: Гидроакустика. 2013. Материалы конференции «Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения». - Волгоград. ОАО «НИИ гидросвязи «Штиль». 2013.
40. Козлов Н.С., Микушин И.И., Паршуков В.Н. Направления развития средств обмена данными по гидроакустическому каналу в интересах включения подвижных погруженных объектов в единое информационной пространство. Материалы конференции «Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения». - Волгоград. ОАО «НИИ гидросвязи «Штиль». 2013.
41. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика: Учеб. пособ. - Л.: Судостроение, 1990. - 320 с.
42. Макаров А.И., Дворников В.Д., Конопелько В.К. Передача информации в гидроакустическом канале. / Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. - Минск: БГУИР, 2004. - С. 103-118.
43. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - 448 с.
44. Евтюков А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.
References
1. Mjasnikov O.G., Miroshnikov V.I., Bezjaev V.I. Kratkaja istorija sozdanija i nauchno-tehnicheskoj dejatel'nosti OAO «Intelteh» (NII JeTU) [Short history of creation and scientific and technical activity of JSC Inteltekh (SRI ETU)]. Telekommunikacionnye tehnologii [Telecommunication technologies]. №1. 2003. P. 3-12. (In Russian).
2. Bel'kovich O.I. Statisticheskaja teorija meteorov. Diss. na soisk. uch. st. dokt. fiz.-mat. nauk [Statistical theory of meteors. Dr. physical-a mat. sci. diss.]. Kazan'. 1986. 301 p. (In Russian)
3. Bel'kovich O.I. Statisticheskaja teorija radiolokacii meteorov [Statistical theory of radar-location meteors]. - Kazan': Publ. house KGU. 1971. 103 p. (In Russian).
4. Nikolashin Yu. L., Budko P.A., Zhukov G.A. Osnovnyye napravleniya modernizatsii dekametrovoy sistemy svyazi [The Main directions of modernization of the decameter communication system]. Tehnika sredstv svjazi [Communication Equipment]. № 1 (145). 2019. P. 13-25. (In Russian).
5. Budko P.A., Zholdasova A.E., Zholdasov E.S., Zhukov G.A. and others. Model' trakta dovedeniya informatsii do ob"yekta po simpleksnoy radiolinii [A Model tract of communicating information to the subject via a simplex radio link]. Patent na poleznyju model' RF [The patent for useful model RU] № 155245 from 02.09.2015. (In Russian).
6. Official site of JSC "ONIIP"[Electronic resource]. http://www.oniip.ru/produkcia. (In Russian).
7. Official site RIMP [Electronic resource]. http://rimr.ru/ oborudovanie. (In Russian).
8. Nikolashin Yu. L., Miroshnikov V. I., Budko P. A., Zhukov G. A. Territorial'no-raznesennyy priyem informatsii ot global'no-peresemechayushikhsya ob"yektov morskogo bazirovaniya [Geographically dispersed reception of information from globally moving sea-based objects]. Morskaya radioelektronika [Marine radio electronics]. № 4, 2017. P. 18-23. (In Russian).
9. Official site SONIER [Electronic resource]. http://soniir.ru. (In Russian).
10. Titkov S.B. Tehnicheskie predlozhenija po ispol'zovaniju meteornoj svjazi [Technical offers on use of meteoric communication]. Zashhita informacii [Information security]. №3. 2006. (In Russian).
11. Apparatura meteornoj svjazi. Jelektronnyj resurs [Equipment of meteoric communication. [Electronic resource]. niineptun.ru > production/oborudovanie-meteo-svyaz. (In Russian).
12. Shevelev A.E., Zav'jalov S.V. Realizacija modema dlja meteornoj radiosvjazi na osnove SDR platformy HackRF One [Realization of the modem for a meteoric radio communication on the basis of SDR HackRF One platform]. Nedelja nauki SPbGPU: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. Institut fiziki, nanotehnologij i telekommunikacij [Week of science SPbGPU: materials of the International scientific and technical conference. Institute of physics, nanotechnologies and telecommunications]. 2016. P. 79-82. (In Russian).
13. Nikolashin Y.L., Kuleshov I.A., Budko P.A., Zholdasov E.S., Zhukov G.A. SDR radioustrojstva i kognitivnaja radiosvjaz' v dekametrovom diapazone chastot [SDR radio devices and a cognitive radio communication in decameter frequency range]. Naukoemkie tehnologii v kosmicheskih issledovanijah Zemli [High technologies in space researches of Earth]. №1. 2015. P. 20-31. (In Russian).
14. Meteornaja svjaz' na ul'trakorotkih volnah. Sb. st. pod red. A.N. Kazanceva [Meteoric communication on very high frequency. The article coll. under the editorship of A.N. Kazantsev]. Moscow. Izdat. inostrann. literat. [Prod. foreign literature]. 1961. 287 p. (In Russian).
15. Karpov A.V., Sidorov V.V., Sulimov A.I. Meteornaja generacija sekretnyh kljuchej shifrovanija dlja zashhity otkrytyh kanalov svjazi [Meteoric generation of enciphering confidential keys for open channels of communication protection]. Informacionnye tehnologii i vychislitel'nye sistemy [Information technologies and computing systems]. №3. 2008. P. 45-54. (In Russian).
16. Meteornoe rasprostranenie radiovoln. [Meteoric distribution of radio waves]. Zelenodol'skij filial KGU. Fiziko-matematicheskij fakul'tet. [ KGU Zelenodolsk branch. Physical and mathematical faculty]. Zelenodolsk: KGU, 2008. (In Russian).
17. Babadzhanov P.B. Meteory i ih nabljudenija [Meteors and their observations]. Moscow. 1987. (In Russian).
18. Kashheev B.L., Lebedinec V.N. Radiolokacionnye issledovanija meteornyh javlenij [Radar researches of the meteoric phenomena]. №7. Moscow. 1961. (In Russian).
19. Spektrogrammy. Jelektronnyj resurs «Rossijskij UKV-portal» [Spectrograms. Electronic resource "Russian VHF Portal"]. V. Parikov, RV6YY. August 2010. (In Russian).
20. Arthur G., Donald S. Meteor burst telemetry in hydrologic data acquisition. Remote Data Transmission (Proccedings of the Vancouver Workshop, August 1987). LAHS Publ. № 178, 1989.
21. Asirin T., Karpov A.V., Kodirov A.I. i dr. Rezul'taty jeksperimental'nogo issledovanija uslovij rasprostranenija radiovoln na korotkih meteornyh radiotrassah v uslovijah gornoj mestnosti sredneaziatskogo regiona [Results of conditions pilot study of radio waves distribution on short meteoric radio routes in the mountain area conditions of the Central Asian region]. Izvestija AN Tadzhikskoj SSR [News of AN of the Tajik SSR]. №1 (99). 1986. (In Russian).
22. Spravochnik po radiojelektronnym sistemam. Pod red. B.H. Krivitskogo [The reference book on radio-electronic systems / under the editorship of B.H. Krivitsky]. V. 1. - Moscow.: Energy, 1979. (In Russian).
23. [Jelektronnyj resurs] http://www.imo.net/radio/reflection. (In Russian).
24. Chan C.A., D.K. Cheng, Optimum Element Lengths for Yagi-Uda Arrays. IEEE. Trans AP, January 1975, pp. 8-14.
25. Ratkhammel' K. Jenciklopedija antenn [Encyclopedia of antennas]. Moscow. DMK «Press», 2011. 812 p. (In Russian).
26. Radioshum. Rekomendacija [Radio noise. Recommendation]. MSE-R P.372-10 (10/2009). S. P. Rasprostranenie radiovoln. Jelektronnyj resurs [Distribution of radio waves. Electronic resource]. ITU. Geneva. 2010. (In Russian).
27. Fink L.M. Teorija peredachi diskretnoj informacii [Theory of discrete information transfer]. Moscow. Sov. radio, 1970. 728 p. (In Russian).
28. Miller S. L., Milstein L. B. A Comparison of Protocols for a Meteor-bust Channel Based on a Time-Varying Channel Model. IEEE Transactions on communications. Vol. 37. No. 1. January 1989. pp. 18-30.
29. Volvenko S.V., Makarov S.B., Zav'jalov S.V., Hachajanc M.B. Vybor porogovyh otnoshenij signal/shum pri prieme signalov v meteornom kanale svjazi s ispol'zovaniem poludupleksnogo protokola s povtornoj peredachej po zaprosu [The choice of the threshold relations signal/noise at signals reception in a meteoric communication channel with use of the half-duplex protocol with repeated transfer on demand]. Radio engineering. №12. 2016. P. 83-93. (In Russian).
30. Ivanchenko Ju.S., Orlova L.G. Sposob uvelichenija skorosti peredachi dannyh v paketnoj seti meteornoj svjazi [A way of data transmission speed increase in package network of meteoric communication]. Patent RU №2461125. Publ. 10.09.12. (In Russian).
31. RocKwell International Corp. Meteor scatter burst communication system. Patent US No. 4277845.1981.
32. Mui S.Y. A Comparison of Fixed and Variable-Rate Signaling for Meteor Burst Communications. IEEE Transactions on communications. Vol 42. No. 2/3/4. February/March/April 1994. pp. 211-216.
33. Asirin T., Karpov A.V., Kodirov A.I., etc. Bokovoe rasprostranenie radiovoln na korotkih meteornyh radiotrassah [Side distribution of radio waves on short meteoric radio routes]. News of. V. 32. P. 912. (In Russian).
34. Bel'kovich O.I., Sidorov V.V., Filimonova T.K. Vychislenie raspredelenija meteornyh radiantov po nabljudenijam na odnoj radiolokacionnoj stancii s uglomerom [Calculation of meteoric radiant distribution on observations at one radar station with a goniometer]. // Astronomical Messenger. №2. V. 25. 1991. (In Russian).
35. Doluhanov M.P. Rasprostranenie radiovoln [Distribution of radio waves]. Moscow. Communication, 1972. 336 p. (In Russian).
36. Kaplun D.I., Klionskij D.M., Olejnik A.L., Voznesenskij A.S., Zhukova N.A., Gul'vanskij V.V., Petrovskij A.A. Primenenie polifaznyh bankov fil'trov v zadachah monitoringa shirokogo chastotnogo diapazona [Application of polyphase banks filters in monitoring problems of wide frequency range]. Izv. Vuzov Rossii. Radiojelektronika [News of RU HEI. Radio electronics]. №3. 2013. P. 38-43. (In Russian).
37. Miroshnikov V.I., Budko P.A., Zhukov G.A. Kompensatory pomeh dlja PPRCh radiolinij dekametrovogo diapazona voln [Hindrances compensators for PPRCh of decameter wave band radio lines]. Communication Equipment. №2 (146). 2019. P. 8-20. (In Russian).
38. Belousov I. Sovremennyye i perspektivnyye bespilotnyye podvodnyye apparaty VMS SSHA [Modern and promising unmanned underwater vehicles of the US Navy]. Foreign military review. № 5. 2013. P. 79-88. (In Russian).
39. Braga Y.A., Mashoshin A.I. Mesto setevoji podvodnoji sistemyi obmena dannyimi v integrirovannoyi setectentricheskoji sisteme podvodnogo nablyudenija [Place a network of underwater communication systems integrated network-centric system for underwater monitoring]. Presentations: Hydroacoustics. 2013. Materials of the conference "Hydroacoustic communication and hydroacoustic means of emergency purpose". Volgograd. JSC "research Institute of hydraulic "Calm" 2013. (In Russian).
40. Kozlov N.S., Mikushin I.I., Parshukov V.N. Napravleniya razvitiya sredstv obmena dannymi na gidroakusticheskom kanale dlya vklyucheniya podvizhnykh podvodnykh ob"yektov v yedinoye informatsionnoye prostranstvo [Directions of development of means of data exchange on the hydroacoustic channel for the inclusion of mobile submerged objects in a single information space]. Presentations: Hydroacoustics. 2013. Materials of the conference "Hydroacoustic communication and hydroacoustic means of emergency purpose". Volgograd. JSC "research Institute of hydraulic "Calm" 2013. (In Russian).
41. Sverdlin G.M. Prikladnaya gidroakustika [Applied hydroacoustics]: Studies. benefit. Leningrad. Shipbuilding. 1990. 320 p. (In Russian).
42. Makarov A.I., Dvornikov V.D., Konopelko V.K. Peredacha informatsii v gidroakusticheskom kanale [Transmission of information in the hydroacoustic channel]. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioelektroniki [Reports of the Belarusian state University of Informatics and Radioelectronics]. Minsk. BSUIR. 2004. P. 103-118. (In Russian).
43. Urik R.J. Osnovy gidroakustiki [Basics of hydroacoustics]. Leningrad. Sudostroyeniye [Shipbuilding]. 1978. 448 p. (In Russian).
44. Evtyukov A.P., Mitko V.B. Inzhenernyye raschety v gidroakustike [Engineering calculations in hydroacoustics]. Leningrad. Sudostroyeniye [Shipbuilding]. 1988. 288 p. (In Russian).
Статья поступила 03 июня 2019 г.
Информация об авторах
Мирошников Валентин Иванович - Генеральный конструктор ПАО «Интелтех». Доктор технических наук, профессор. Область наученных интересов: синтез информационно-телекоммуникационных систем повышенной устойчивости.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, дом 8.
Тлф.: 8(812)295-66-66. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Будко Павел Александрович - Ученый секретарь ПАО «Интелтех». Доктор технических наук, профессор. Область научных интересов: управление ресурсами сетей связи; многоуровневый синтез информационно-телекоммуникационных систем.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, дом 8.
Тлф.: 8(812)448-95-97; 8(911)010-92-64. E-mail: intelteh@inteltech.ru; budko62@mail.ru.
Жуков Геннадий Анатольевич - Советник генерального конструктора ПАО «Интелтех». Кандидат технических наук, доцент. Область научных интересов: повышение эффективности функционирования радиолиний различных диапазонов волн; синтез когнитивных радиосистем; морская робототехника.
Тлф.: 8(812)448-96-16; 8(921)923-21-74. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, дом 8.
The composite path of bringing information to robotic systems in the northern seas
V.I. Miroshnikov, P.A. Budko, G.A. Zhukov
Annotation. Problem statement: the main directions for the creation of a composite path of control and communication with robotic systems in the Northern seas using decameter, meteor and hydroacoustic channels are considered. The purpose of the work is to increase the stability of bringing control signals to remote marine objects located in underwater or ice positions. Methods used: theoretical and practical groundwork in the field of decameter, meteor and hydroacoustic communication, as well as SDR-technologies for the implementation of software and hardware systems of the new generation; using the effect of reflection of radio waves from meteor tracks; application of bionic approach to the implementation of long-range hydroacoustic communication. The novelty consists in the proposal to build a receiving antenna-feeder subsystem of the meteor communication channel, which provides the formation of a "fan " of narrow directional diagrams; the formation and application of a new signal-code design for a hydroacoustic modem; the use of hardware and software complex based on SDR technologies. The practical significance lies in the fact that the composite path of bringing information allows: to increase the stability of the control channel of the underwater object in the Northern seas; to increase the range of bringing control information, which is important for work in the ice without surfacing of the robotic complex; to receive information in the conditions of complex interference conditions of hydrology of the sea and Northern latitudes; to provide additional increase in the maximum power of the received signal by 10 ^ 12 dB taking into account the implementation of variable transmission rate due to the bionic approach, visualization of the received signal and the use of multidiagram phased array antenna.
Key words: compound channel; decameter the communication channel hydroacoustic communication channel; meteor communication channel; meteor trail; directional diagram.
Information about Author(s)
Miroshnikov Valentin Ivanovich - Chief Designer of PJSC «Information Telecommunication Technologies». Doctor of Technical Sciences, professor. Phone: 8(812)295-66-66. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Budko Pavel Aleksandrovich - Scientific Secretary of PJSC «Information Telecommunication Technologies». Doctor of Technical Sciences, professor. Phone: 8(812)448-95-97; 8(911)010-92-64. E-mail: intelteh@inteltech.ru; budko62@mail.ru.
Zhukov Gennadiy Anatol'evich - Chief Designer Adviser of PJSC «Information Telecommunication Technologies». Doctorate of Technical Sciences, associate professor. Phone: 8(812)448-96-16; 8(921)923-21-74. E-mail: intelteh@inteltech.ru
Address: 197342, Russia, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya, 8.
Для цитирования: Мирошников В.И., Будко П.А., Жуков Г.А. Составной тракт доведения информации до робототехнических комплексов в северных морях // Техника средств связи. 2019. № 3 (147). С. 2-26.
For citation: Miroshnikov V.I., Budko P.A., Zhukov G.A. The composite path of bringing information to robotic systems in the northern seas // Means of communication equipment. 2019. No 3 (147). P. 2-26. (In Russian).
