Разработка перспективной системы радиосвязи в гражданской авиации

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ Разработка перспективной системы радиосвязи в гражданской авиации

2010 г.

• Аннотация
• Перечень сокращений
• Введение
• 1. Общая часть
• 1.1 Задачи воздушной радиосвязи
• 1.2 Основные требования к средствам авиационной воздушной связи
• 2. Специальная часть
• 2.1 Обоснование технических требований к перспективной УКВ радиосвязи
• 2.1.1 Общие требования
• 2.1.2 Выбор типа сигнала
• 2.1.3 Обоснование рабочего диапазона частот
• 2.1.4 Дальность связи
• 2.1.5 Количество каналов связи
• 2.1.6. Помехозащищенность
• 2.1.7 Электромагнитная совместимость
• 2.1.8 Основные типы ШПС
• 2.1.9 Чувствительность приемного устройства
• 2.2 Обоснование структурной схемы проектируемой системы связи
• 2.3 Разработка функциональной схемы генератора опорной псевдослучайной последовательности
• 2.3.1 Обоснование алгоритма работы генератора опорной ПСП
• 2.3.2 Обоснование функциональной схемы генератора
• 2.4 Разработка принципиальной схемы генератора опорной псевдослучайной последовательности
• 2.4.1 Выбор элементной базы
• 2.4.2 Расчет принципиальной схемы
• 2.4.3 Работа принципиальной схемы
• 3. Техническая эксплуатация
• 3.1 Расчет энергопотребления
• 3.2 Расчет быстродействия
• 3.3 Расчет надежности
• 3.4 Анализ эффективности разработанного генератора ПСП
• 3.5 Разработка инструкции по технической эксплуатации
• 5. Безопасность и экологичность
• 5.1 Охрана труда
• 5.1.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов
• 5.1.2 Мероприятия по технике безопасности
• 5.1.3 Мероприятия производственной санитарии
• 5.1.4 Мероприятия пожарной и взрывной безопасности
• 5.2 Экологичность проекта
• 6. Экономическое обоснование
• 6.1 Назначение проекта
• 6.2 Производственные затраты
• 6.2.1 Материальные издержки
• 6.2.2 Стоимость материалов
• 6.2.3 Стоимость покупных комплектующих изделий
• 6.3 Издержки на оплату труда персонала
• 6.4 Калькуляционные издержки
• 6.5 Издержки на оплату услуг сторонних организаций
• 6.6 Стоимость реализации проекта
• 6.7 Цена изделия
• 6.8 Инвестиции, необходимые для реализации проекта
• 6.9 Эксплуатационные расходы
• 6.9.1 Издержки на оплату труда персонала
• 6.9.2 Амортизационные отчисления
• 6.9.3 Затраты на техническое обслуживание и ремонт
• 6.9.4 Расходы на электроэнергию
• 6.9.5 Прочие расходы
• 6.10 Потоки денежных поступлений и выплат
• 6.11 Расчет показателей оценки эффективности инвестиций
• 6.11.1 Срок окупаемости инвестиций
• 6.11.2 Чистый дисконтированный доход
• 7. Безопасность полетов
• Заключение
• Список использованных источников

Аннотация

Авиационная воздушная УКВ радиосвязь является одним из основных видов связи, используемых для обеспечения управления полетами ЛА. В настоящее время к системам авиационной радиосвязи предъявляются достаточно жесткие требования по помехоустойчивости, достоверности и скорости передачи информации потребителям.

Целью дипломного проекта является разработка перспективной системы УКВ радиосвязи, обладающей повышенной помехоустойчивостью по сравнению с используемыми в гражданской авиации.

Для этого предлагается использовать новые принципы организации связи, базирующиеся на применении сложных сигналов. Проектируемая система обладает также более высокой по сравнению с существующими системами радиосвязи надежностью благодаря применению современной и более надежной элементной базы.

Основное внимание в ходе проектирования обращено на разработку принципов функционирования и схемы генератора псевдослучайной последовательности.

Перечень сокращений

AM — амплитудная модуляция

АСКУ — аппаратура сопряжения, контроля и управления

БЕВЧ — блок единого времени и частоты

БК — блок контроля

ВЧ — высокая частота

ВЧП — высокочастотный переключатель

ГА — гражданская авиация

ГОПСП — генератор опорной псевдослучайной последовательности"

ДЧС — дискретно-частотный сигнал

ДПП — диспетчерский пункт подхода

ЗИП — запасное имущество и принадлежности

ИМС — интегральная микросхема

KB — короткие волны

КП — канальный процессор

ЛА — летательный аппарат

ДОС — линейная обратная связь

МВД — местные воздушные линии

МДП — местный диспетчерский пункт

МШ — магистральная шина

МУ — модуль управления

МЧС — многочастотный сигнал

НОС — нелинейная обратная связь

ОГ — опорный генератор

ОВЧ — очень высокая частота

ОМ — однополосная модуляция

ОС — основная станция

ПДСП — производственно-диспетчерская служба предприятия

ПРЦ — передающий радиоцентр

ПРМЦ — приемный радиоцентр

ПСП — псевдослучайная последовательность

РЭО — радиоэлектронное оборудование

С — синхронизатор

СДП — стартовый диспетчерский пункт

СП — сигнальный процессор

СЧ — синтезатор частот

ТП — терминальный процессор

ТТЛ — транзисторно — транзисторно логика

УВД — управление воздушным движением

УКВ — ультракороткие волны

УМ — усилитель мощности

ФМС — фазаманипулированые сигналы

ЧМ — частотная модуляция

ЦКС — центр коммутации сообщений

ШПС — широкополосный сигнал

ШСС — широкополосная система связи

ЭМИ — электромагнитное излучение

ЭМС — электромагнитная совместимость

ЭСЛ — эммитерно-связная логика

Гражданская авиация (ГА) является одной из основных составных частей транспортной системы государства, от эффективности работы которой зависит обеспечение потребностей населения и объектов хозяйственной системы в воздушных перевозках. При этом мировая тенденция состоит в постоянном повышении объема воздушных перевозок, росте пассажирооборота и соответственно повышении интенсивности воздушного движения.

Успешное решение стоящих перед ГА народнохозяйственных задач обеспечивается оснащением авиакомпаний новыми типами самолетов и вертолетов, оборудованных все более совершенными и эффективными системами, а также модернизацией уже существующих образцов техники. Высокими темпами ведутся работы по созданию и вводу в эксплуатацию самолетов, технические и экономические характеристики которых соответствуют современным требованиям. Одновременно с этим совершенствуются радиотехнические средства наземного обеспечения полетов — системы радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

В связи с повышением интенсивности воздушного движения и расширением круга задач, решаемых с помощью авиации, остается важнейшей проблемой обеспечение высокого уровня безопасности полетов. Одним из основных факторов в обеспечении безопасности воздушного движения является четкий и постоянный контроль за самолетами и вертолетами в воздушном пространстве, своевременное и надежное управление ими. С этой целью применяются разнообразные средства радиосвязи, использующие различные диапазоны радиоволн, прежде всего ультракоротковолновый (УКВ).

Средства радиосвязи УКВ диапазона, обладая высокой пропускной способностью, обеспечивают устойчивую и бесперебойную связь между объектами в пределах прямой видимости, что обусловлено особенностями распространения радиоволн. Однако повышение интенсивности воздушного движения приводит к увеличению числа самолетов в ограниченном объеме воздушного пространства, что неблагоприятно сказывается на качестве радиосвязи, так как возрастает вероятность ее нарушения из-за воздействия взаимных помех от работающих абонентов. Кроме этого, возрастают требования к качеству и достоверности передачи информации в авиационных каналах радиосвязи.

В настоящее время основными направлениями совершенствования радиоэлектронной аппаратуры, являются: микроминиатюризация, стандартизация и унификация, применения современных видов сигналов, методов формирования и обработки информации.

В дипломном проекте предлагается перспективная система радиосвязи, обладающая повышенной помехоустойчивостью благодаря использованию современных видов сигналов — так называемых псевдослучайных сигналов. Основное внимание обращено на разработку передающей аппаратуры системы связи, а именно устройства формирования псевдослучайного сигнала — генератора кода.

1. Общая часть

1.1 Задачи воздушной радиосвязи

Радиосвязь является основным средством обеспечения связи между наземными службами управления воздушным движением (УВД) и ЛА в полете. Радиосвязь осуществляется на выделенных ICAO для этих целей частотах в диапазонах коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волн. Основными для систем УВД являются УКВ каналы радиосвязи. Каналы KB радиосвязи используются в основном для осуществления дальней связи с ЛА для УВД в районе, где нет УКВ радиосвязи, а также для резервирования каналов УКВ радиосвязи.

Организация авиационной воздушной радиосвязи должна обеспечивать ведение прямых переговоров в радиотелефонном режиме между диспетчерами пунктов УВД и экипажами ЛА на всю глубину их полета в пределах воздушного пространства диспетчерского района (зоны, сектора). При этом радиосвязь должна обладать высокой надежностью, так как потеря радиосвязи с летательными аппаратами рассматривается как чрезвычайное происшествие, могущее вызвать тяжелые последствия.

Для повышения надежности радиосвязи в каждом аэропорту необходимо иметь резерв радиосредств, готовый к немедленному использованию по заранее разработанной схеме резервирования.

Авиационная воздушная радиосвязь на диспетчерских пунктах служб УВД организуется и обеспечивается:

в верхнем и нижнем воздушном пространстве РДС. При этом УКВ радиосвязь для диспетчеров верхнего и нижнего воздушных пространств РДП (а при делении этих пространств на секторы — для диспетчеров РДП каждого сектора) обеспечивается на раздельных каналах. Каналы KB радиосвязи могут организовываться на раздельных частотах для каждого диспетчера РДП. на одной частоте для нескольких диспетчеров РДП, на общих частотах для одного РДС или для группы смежных РДС, работающих в сети с использованием «семейства» частот;

В районе аэродрома (подхода) и в зоне взлета и посадки радиосвязь организуется и обеспечивается только средствами УКВ радиосвязи. При этом для диспетчеров ДПП, ДПСП организуются УКВ каналы на раздельных § частотах. Диспетчер СДП должен работать, как правило, на частоте ДПСП, за исключением аэропортов с интенсивным воздушным движением, где при необходимости на СДП могут выделяться два УКВ канала: один — на частоте посадки, другой — на частоте круга;

В зоне МВД радиосвязь организуется средствами УКВ и KB радиосвязи. При этом радиосвязь обеспечивается на общей частоте для всех МДП определенного района.

На диспетчерских пунктах службы движения авиационная воздушная радиосвязь применяется:

на РДП для управления полетами в районе ответственности РДС;

на МДП для управления полетами на местных воздушных линиях;

на ДПП для управления полетами в районе аэродрома (коридорах подхода);

на ДПСП и СДП для управления полетами в зоне взлета и посадки, а также на аэродроме при рулении.

Организация радиосвязи на указанных пунктах призвана обеспечить решение следующих задач по УВД:

выполнение полетов по установленным маршрутам в заданное расписанием время и с соблюдением безопасных интервалов и дистанций между ЛА;

подвод ЛА к границам районов аэропортов и смежным районам диспетчерского руководства строго по линии заданного пути на наивыгоднейших высотах полета с соблюдением безопасных интервалов и дистанций между ЛА;

радиосвязь генератор гражданская авиация предотвращение уклонения ЛА в случае вынужденного изменения маршрута при обходе районов со сложными метеоусловиями, в запретные зоны, в сторону государственной границы и в районы высоких препятствий (гор, искусственных сооружений), когда высота полета не обеспечивает их преодоления.

По каналам авиационной воздушной радиосвязи, кроме того, обеспечивается передача разного рада сообщений по условиям полета, радионавигации, безопасности и регулярности полетов.

Для обеспечения передачи сообщений используются радиосети авиационной воздушной радиосвязи, которые организуются в соответствии с указаниями и действующими регламентами.

Таким образом, ЛА ведут радиосвязь в полете с пунктами УВД, расположенными в районе вылета, по маршруту полета и в районе посадки. При этом авиационная воздушная радиосвязь организуется для непосредственного управления полетами:

районными диспетчерскими пунктами и вспомогательными районными диспетчерскими пунктами — в верхнем и нижнем воздушном пространстве РДС в районе вылета, на маршруте и в районе посадки:

диспетчерскими пунктами подхода — в районах аэродрома вылета, аэродромов на маршруте полета и аэродрома посадки;

диспетчерскими пунктами системы посадки, старшими диспетчерскими пунктами — в зоне взлета и посадки.

Каждый из указанных диспетчерских пунктов для ведения переговоров с ЛА в своем районе (зоне, секторе) должен быть обеспечен надежной и четко действующей радиосвязью.

Диапазон УКВ является основным для использования в воздушной и наземной авиационной радиосвязи, что связано с его достаточно высокой емкостью и пропускной способностью. При этом распространение радиоволн УКВ диапазона имеет ряд специфических особенностей, основной из которых является возможность распространения радиоволн только в пределах прямой видимости.

Радиосвязь может организовываться на основе линейного и радиального принципов. Тот или иной принцип выбирается исходя из условий задач радиосвязи, характера и интенсивности радиообмена и наличия технических средств.

Линейный принцип применяется при построении канала радиосвязи между двумя пунктами, на каждом из которых устанавливаются приемопередающие радиостанции, работающие на радиоданных, выделенных для данной радиолинии. При построении каналов радиосвязи по линейному принципу могут применяться различные варианты назначения радиоданных для радиолинии в зависимости от ее назначения и задач связи, а именно:

одна частота для радиообмена (круглосуточная, ночная, дневная);

несколько частот для радиообмена, которые применяются в зависимости от обстановки и условий связи (радиопомехи, непрохождение связи на основной частоте и т. д.);

две частоты для радиообмена (на разных частотах приема и передачи).

Назначение частот по тому или иному варианту зависит от конкретных условий организации радиосвязи, задач и характера радиообмена, а также наличия средств и частот радиосвязи.

На отдельных направлениях радиосвязи в зависимости от расстояния между абонентами каналы по линейному принципу могут строиться с применением ретрансляционных станций. При этом радиосвязь с использованием ретрансляторов может осуществляться как на одной частоте приема и передачи, так и на двух частотах.

При больших потоках информации и наличии соответствующих средств ретрансляции каналы по линейному принципу могут строиться с применением промежуточных пунктов автоматической ретрансляции. При автоматической ретрансляции необходимо назначать не менее двух частот для обеспечения симплексной связи.

При построении каналов по радиальному принципу (радиосети) имеется возможность обеспечивать с помощью одной радиостанции радиосвязь с группой корреспондентов, у каждого из которых установлена приемопередающая радиостанция, работающая на радиоданных, выделенных для данной сети (радиоканала).

Радиальный принцип позволяет организовывать и обеспечивать с помощью одной радиостанции и дополнительных приемников радиосвязь с данного пункта управления с многими пунктами, что говорит об экономичности радиального принципа. При этом в зависимости от назначения каналы радиосвязи, организованные по радиальному принципу, могут иметь различную надежность и пропускную способность.

Радиальный принцип при построении каналов воздушной авиационной радиосвязи является основным. При этом сети воздушной авиационной радиосвязи работают, как правило, на одной частоте приема и передачи в симплексном режиме.

1.2 Основные требования к средствам авиационной воздушной связи

Передающий радиоцентр (ПРЦ) предназначен для организации авиационной подвижной воздушной электросвязи в диапазонах ОВЧ и ВЧ (обеспечение передачи информации в аналоговом и цифровом видах от диспетчерских наземных служб УВД экипажам воздушных судов), а также для организации авиационной фиксированной электросвязи.

Приемный радиоцентр (ПРМЦ) предназначен для организации авиационной подвижной воздушной электросвязи ОВЧ и ВЧ диапазонов (обеспечение приема информации в аналоговом и цифровом видах диспетчерскими наземными службами от экипажей воздушных судов), а также для организации авиационной фиксированной электросвязи.

Автономный ретранслятор авиационной подвижной воздушной связи (АРТР) предназначен для организации сплошного радиоперекрытия зон ответственности районных центров УВД различного уровня автоматизации многочастотным полем авиационной подвижной воздушной связи и обеспечения обмена информацией в аналоговом и цифровом видах между диспетчерскими наземными службами УВД и экипажами воздушных судов.

Средства авиационной подвижной воздушной связи ОВЧ — диапазона предназначены для использования в качестве основных средств связи аэродромных и районных диспетчерских пунктов, а также как резервные и I аварийные (с электропитанием от аккумуляторов) средства связи при отказе основных передающих и приемных устройств объектов ПРЦ и ПРМЦ.

Средства радиосвязи и ретрансляторы ВЧ — диапазона предназначены для организации радиоперекрытия зон ответственности районных центров УВД радиополем авиационной подвижной связи ВЧ — диапазона с целью обеспечения обмена информацией в аналоговом и цифровом видах между диспетчерскими пунктами УВД и экипажами ВС на участках маршрутов и трасс полетов.

Оборудование центров коммутации сообщений (ЦКС) предназначено для приема, анализа, маршрутирования, передачи, архивации сообщений, контроля состояния каналов связи и очередей на передачу, поддержания технологического единства сети телеграфной связи гражданской авиации.

В состав средств ПРЦ должны входить:

антенно-фидерная система;

мачты для размещения антенной системы;

антенно-фильтровые, развязывающие и переключающие устройства;

радиопередатчики ОВЧ — диапазона;

радиопередатчики ВЧ — диапазона;

аппаратура сопряжения, контроля и дистанционного управления;

аппаратура служебной связи;

вводно-коммутационные устройства с молниезащитой;

средства гарантированного электропитания;

комплект ЗИП и КИП;

комплект эксплуатационной документации.

В состав средств ПРМЦ должны входить:

антенно-фидерная система:

мачты для размещения антенной системы;

радиоприемники ОВЧ — диапазона;

радиоприемники ВЧ — диапазона;,

аппаратура сопряжения, контроля и дистанционного управления;

аппаратура служебной связи;

вводно-коммутационные устройства с молниезашитой;

средства гарантированного электропитания;

комплект ЗИП и КИП;

комплект эксплуатационной документации ЭД.

В состав средств автономного ретранслятора авиационной подвижной воздушной связи должны входить:

мачта для размещения антенных систем;

приемо-передающая антенно-фидерная система;

приемо-передающие антенные фильтры, объединители, разветвители и коммутаторы ОВЧ сигналов;

передатчики ОВЧ иапазона;

— приемники ОВЧ диапазона;

аппаратура сопряжения, контроля и управления (АСКУ);

аппаратура служебной связи (при необходимости);

вводно-кроссовое оборудование с устройствами молниезащиты;

средства гарантированного электропитания;

комплект ЗИП и КИП;

комплект эксплуатационной документации.

Требования к оборудованию центров коммутации сообщений (ИКС).

Взаимодействие ЦКСов в процессе обмена информационными и служебными сообщениями должно производиться в соответствии с требованиями и рекомендациями следующих документов:

приложение 10 к Конвенции ИКАО тома 1 и 2 для телеграфной связи АФТН;

требования к функциональным характеристикам средств коммутации сообщений телеграфной сети связи ГА.

обмен информацией по телеграфным каналам связи должен осуществляться одной из скоростей: 50, 100 Бод для кода МКТ-2 или 100, 200 Бод для кода СТ-5 (КОИ-7).

ЦКС должен сопрягаться с телеграфными каналами в соответствии с требованиями ГОСТ 22 937–78 (ГОСТ 18 664−73) и обеспечивать возможность работы по телеграфным каналам связи и/или физическим линиям. ЦКС должен обеспечивать прием, обработку, хранение и передачу информации по телеграфным каналам при круглосуточном режиме работы.

ЦКС должен выполнять функции краткосрочной и долгосрочной архивации сообщений и их журналов. Доступ к этим архивам должен обеспечиваться соответствующими процедурами.

В ЦКС должна быть предусмотрена возможность управления основными параметрами. С помощью команд должно производиться изменение состояния и характеристик каналов связи, маршрутов, адресных указателей, а также обеспечиваться контроль и управление техническими средствами ЦКС и осуществление их реконфигурации, включение и отключение их работы, управление ресурсами.

Должна обеспечиваться возможность реконфигурации технических средств ЦКС для проведения диагностики, технического обслуживания и ремонта оборудования. Изменение режимов работы и состояния технических средств не должно приводить к потере сообщений или перерыву во взаимодействии с сетью.

ЦКС должен обеспечивать возможность подготовки сообщений для передачи в сеть, вывода неформатных сообщений для их корректировки или принятия соответствующего решения, обработку служебных сообщений, вывод извещений о состоянии каналов связи и работе оборудования, поиск и вывод сообщений. Для передачи информационных и служебных сообщении может использоваться один из двух типов телеграфных кодов (МКТ-2 или МКТ-5), поэтому должно быть предусмотрено однозначное преобразование между двумя типами телеграфных кодов.

В процедурах телеграфного обмена предусматривается обработка сообщений, принятых с отклонениями от стандартного формата в пределах допусков. Такие сообщения перед передачей должны быть преобразованы в сообщения, не имеющие отклонения от стандартного формата.

Основные технические характеристики средств авиационной воздушной электросвязи ОВЧ и ВЧ диапазонов должны соответствовать требованиям, изложенным в табл.1.1

Таблица 1.1

Таким образом, проведенный анализ показывает, что средства авиационной воздушной радиосвязи играют весьма важную роль в процессе обеспечения управления воздушным движением. От качества функционирования каналов радиосвязи, достоверности, оперативности доставки информации потребителям, прежде всего экипажам ВС, зависит уровень безопасности и регулярность полетов самолетов ГА. Поэтому необходимо постоянно совершенствовать возможности и характеристики систем радиосвязи, применяемых в ГА.

2. Специальная часть

Эксплуатационно-техническими характеристиками называют данные о функциональных возможностях и качестве работы систем связи. На первое место пользователь (эксплуатант) выдвигает эксплуатационные характеристики: информационные, эргономические, энергетические и обобщенные.

Информационные характеристики позволяют оценивать качество связи. При ведении связи существуют проблемы, связанные с искажениями принятых сообщений и нарушениями связи, при которых сообщения или их части не доходят до адресата.

Эргономические характеристики отражают степень приспособленности средств связи и устройств воспроизведения сообщений к потребностям эксплуатанта или оператора.

Экономические характеристики позволяют оценить затраты энергии и ресурсов на передачу сообщений с требуемым качеством.

Обобщенные характеристики предназначены для интегрального описания основных свойств системы связи и степени их соответствия некоторой эталонной системе.

Технические характеристики отражают особенности технической реализации систем связи и несут дополнительную информацию об их эксплуатационных возможностях.

К основным техническим характеристикам систем радиосвязи относятся диапазон волн, ширина полосы частот канала, число каналов, дальность действия, способы разделения каналов, энергетические характеристики (уровни сигналов и помех), используемые методы кодирования и модуляции.

Диапазоны используемых радиоволн и другие основные характеристики каналов воздушной радиосвязи регламентированы ICАО и Международным союзом электросвязи (см. табл.2.1)

Таблица 2.1.

Анализ данных, приведенных в табл.2.1 показывает, что для организации каналов УКВ радиосвязи выделены два участка диапазона: от 118 до 136 МГц и от 220 до 400 МГц.

Рассмотрим характеристики радиостанций УКВ диапазона, эксплуатируемых в ГА в настоящее время.

В настоящее время в ГА эксплуатируются следующие типы бортовых командных радиостанций: «Баклан-5», «Баклан-20», и «Орлан». Для повышения надежности управления ЛА на борту обычно устанавливаются две радиостанции. Основные характеристики перечисленных бортовых радиостанций приведены в табл.2.2.

В качестве наземных радиостанций УКВ каналов радиосвязи, устанавливаемых на диспетчерских пунктах, используются радиостанции «Полет-1 А», «Баклан-РН», передатчик «Ясень», приемник Р-870М. Основные технические данные радиостанций этого типа приведены в табл.2.3.

Данные, приведенные в таблицах, показывают, что характеристики бортовых и наземных радиостанций УКВ диапазона примерно аналогичны.

При этом диапазон частот, используемый наземными радиостанциями, шире, что позволяет создать большее число каналов связи. Большей у наземных станций является и мощность излучения. При этом следует отметить, что в наиболее совершенной из наземных радиостанций используется не только обычный режим работы с излучением амплитудно-модулированных (AM) колебаний, но введены также режимы амплитудной манипуляции (АМн) и однополосной модуляции (ОМ).

Введение

этих режимов излучения связано со стремлением разработчиков повысить помехоустойчивость каналов УКВ радиосвязи (известно, что помехоустойчивость каналов связи с AM самая низкая).

Однако принятие таких мер не позволяет кардинальным образом улучшить информационные, экономические и технические (прежде всего энергетические) характеристики систем радиосвязи.

Это вызвано тем, что существующие каналы связи с AM, АМн и ОМ имеют недостаточно высокую помехоустойчивость, что приводит к искажениям принимаемой информации. Если при передаче речевых (аналоговых) сигналов воздействие помех может быть частично скомпенсировано за счет некоторой информационной избыточности и натренированности органов восприятия оператора, повторением передаваемых сообщений, то при передаче информации по цифровым каналам связи требования к вероятности искажения символов при приеме (не более 10^-6.10^-8) значительно ужесточаются.

Верность передачи сообщений обеспечивается проведением мероприятий по уменьшению уровня помех, применением радиостанций, обладающих повышенной мощностью излучения, надлежащего разноса несущих частот соседних каналов связи, фильтров, согласованных с применяемыми сигналами, помехоустойчивых кодов и видов модуляции.

Таблица 2.2

Таблица 2.3

Очевидно, что верность восприятия сообщений в каналах воздушной радиосвязи оказывает существенное влияние на эффективность УВД и на протекание процессов в системе воздушного транспорта в целом. В свою очередь, верность восприятия зависит не только от факторов технического характера, но и от психофизиологического состояния пилота и диспетчера УВД. Известны случаи, когда при хорошо работающих каналах связи сообщения воспринимались неправильно. Это относится в первую очередь к восприятию числовых сообщений.

В периоды пиковой интенсивности воздушного движения речевой канал загружен до предела. При этом становится значительным уровень взаимных помех, ухудшающих качество связи. При этом у пилотов и диспетчеров появляется желание говорить быстрее, что, как правило, ведет к повышению вероятности возникновения ошибок восприятия.

В документах ICAO (Doc.9426/AN/924) указываются важнейшие направления работ по обеспечению высокой надежности наземных систем диспетчерской связи. К их числу относится создание многофункциональных линий авиационной наземной связи, обеспечивающих возможность независимого обмена данными различных классов (например, обмена данными по вопросам взаимодействия органов УВД, метеорологической, аэронавигационной и другой информацией).

Таким образом, к основным направлениям совершенствования средств радиосвязи можно отнести следующие:

переход от однофункциональных к многофункциональным системам связи.

переход от передачи аналоговых сигналов к цифровым;

автоматизация управления сетями связи;

создание сетей с резервными каналами связи для повышения надежности связи;

применение уплотнения передаваемой информации с использованием временного уплотнения каналов связи;

повышение помехоустойчивости каналов связи;

совершенствование оконечной аппаратуры, применение в ней современной элементной базы, методов формирования и обработки сигналов, что способно повысить надежность каналов связи. Для получения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке разработаны методы передачи информации с помощью широкополосных сигналов (ШПС). Используя ШПС возможно вести устойчивую радиосвязь даже в тех случаях, когда уровень принимаемого полезного сигнала ниже уровня помех.

Использование в широкополосных системах связи (ШСС) сигналов сложной формы затрудняет также извлечение информации из сигнала, если не известны данные о его структуре, что представляется в настоящее время весьма актуальным из-за участившихся случаев захвате воздушных судов.

Широкополосные сигналы могут обеспечить высокую достоверность Связи и передачу сообщений с требуемым для современных систем цифровой радиосвязи качеством и оперативностью.

Отличие широкополосной системы от обычной (узкополосной) состоит в использовании сигналов с полосой частот, значительно более широкой, чем полоса передаваемого сообщения, и методов селекции, основанных на применении сигналов различной формы на передающей и согласованных с формой сигналов различной формы фильтров на приемной стороне.

Важно отметить, что широкополосные системы радиосвязи принципиально совместимы с узкополосными, т. е. на одном и том же участке диапазона могут одновременно работать и те, и другие, не оказывая серьезных помех друг другу.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что перспективы для использования широкополосных систем радиосвязи в ГА достаточно хорошие. Поэтому разработка таких систем является актуальной уже в настоящее время.

2.1 Обоснование технических требований к перспективной УКВ радиосвязи

2.1.1 Общие требования

Развитие и совершенствование систем УВД, повышение интенсивности воздушного движения привело к возрастанию объемов передаваемой по каналам УКВ авиационной воздушной радиосвязи информации. Это обстоятельство обусловливает возрастание требований к автоматизации обмена информацией и улучшению информационных и энергетических характеристик каналов связи.

В перспективных системах радиосвязи с применением ШПС, наряду с повышением пропускной способности, предусмотрена защита от естественных помех, криптозащита информации, а также меры по обеспечению электромагнитной совместимости с действующим парком радиосредств. При разработке новых поколений радиостанций произведена унификация многих узлов и блоков на основе модульного подхода к их конструированию, что снижает затраты на техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации. Применение новой элементной базы позволяет существенно снизить энергопотребление и массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и ремонтопригодность оконечной приемо-передающей аппаратуры каналов радиосвязи.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к перспективным системам авиационной воздушной УКВ радиосвязи.

Достоверность связи. Из-за воздействия помех в канале связи при передаче информации возникают ошибки. Вследствие этого необходимо принимать меры по защите информации от ошибок, что возможно путем применения помехоустойчивого кодирования. Таким образом, можно сделать вывод, что информация, передаваемая по каналу радиосвязи, должна быть защищена помехоустойчивым кодом.

Скорость передачи информации. Система радиосвязи должна обеспечивать высокую достоверность передачи информации и высокую скорость обмена данными между абонентами системы. Эта скорость обусловлена высокими динамическими свойствами ЛА и его высокой скоростью, а также наличием большого количества абонентов в сети связи. Исходя из требований, сформулированных в [2], скорость передачи информации должна быть не менее 28 кбит/с.

Многостанционный доступ. Одним из требований к перспективным системам связи является многоканальность. Исходя их того, что информация, передаваемая в системе связи, объединена в общий информационный банк, то необходимо организовать доступ абонентов системы к нужной информации с минимальными временными затратами. Удовлетворение данного требования возможно благодаря использованию многоканальной системы радиосвязи с распределенным временным уплотнением. В такой системе связи посылки, принадлежащие одному сообщению, передаются в течение сравнительно большого временного интервала, а между ними находятся посылки других сообщений.

Помехоустойчивость системы. Помехоустойчивость — свойство системы связи выполнять поставленные задачи в условиях воздействия помех искусственного и естественного происхождения. Достижение высокой помехоустойчивости возможно благодаря применению ШПС. Согласно [3], для подавления системы радиосвязи с ШПС требуемая мощность помехи должна быть в базу раз больше, чем для подавления узкополосной системы связи.

Системы воздушной авиационной радиосвязи УКВ диапазона должны обеспечивать устойчивую и надежную радиосвязь в пределах прямой видимости.

Система радиосвязи должна обладать высокой эксплуатационной надежностью. Это достигается применением на этапе проектирования современной элементной базы и современной технологии на этапе изготовления, а также грамотной эксплуатацией и качественным техническим обслуживанием.

На основе перечисленных требований проведем обоснование основных технических характеристик проектируемой системы связи.

К основным информационным характеристикам проектируемой системы связи относятся:

высокая достоверность передачи информации, при которой вероятность искажения одного элемента в канале передачи данных должна лежать в пределах Р_е=10 — ²…10 ^{- 4};

обеспечение высокой скорости передачи информации — до 1200 бит/с;

оптимизация выбора рабочих частот. Наиболее подходящим по условиям электромагнитной совместимости и с учетом требований ICAO является диапазон от 100 до 1000 МГц;

организация информационной сети с многостанционным доступом (минимизация потерь времени на обмен данными);

гибкость по отношению к перестройке организационной структуры системы;

функциональная надежность и отказоустойчивость.

К основным техническим характеристикам проектируемой системы радиосвязи относятся: тип сигнала, используемого в системе; дальность действия; ширина спектра сигнала; диапазон рабочих частот; мощность передающего устройства; чувствительность приемного устройства; количество каналов связи.

2.1.2 Выбор типа сигнала

Из всех известных типов сигналов, применяемых в радиосвязи, наилучшими характеристиками помехозащищенности, скрытности и простоты реализации многостанционного доступа с временным разделением являются ШПС. Помехозащищенность таких сигналов обеспечивается введением в передаваемый сигнал частотной избыточности. Расширение спектра сигнала осуществляется независимо от передаваемого сообщения с помощью модуляции или кодирования.

Частотная избыточность характеризуется базой сигнала. Найдем величину базы сигнала, используемого в проектируемой системе.

Для расширения спектра применяется внутриимпульсное кодирование с фазовой манипуляцией, т. е. посылка длительностью Т может включать в себя16, 32, 64 или 128 элементов длительностью ф_э = 200 нс. Известно, что база угнала находится по формуле

В = Т/ ф_э,

где: Т — длительность посылки; ф_э — длительность элемента посылки.

Так как длительность элемента посылки является фиксированной, то база сигнала будет зависеть от количества элементов в посылке Т и примет значения: В=16; 32; 64; 128.

2.1.3 Обоснование рабочего диапазона частот

Требованиями ICAO для воздушной радиосвязи в диапазоне УКВ выделен частотный диапазон от 118 до 136 МГц. Для проектируемой системы радиосвязи также целесообразно выбрать диапазон УКВ. Это объясняется рядом факторов, к которым относятся: достаточно малые размеры антенн, обеспечивающие достаточную эффективность, малая вероятность искажения символов при передаче цифровой информации (Р_е = 10^-3.10^-5). Такую вероятность ошибки можно достичь благодаря применению кодов, исправляющих ошибки. При этом такая низкая вероятность ошибки при приеме цифровой информации по сравнению с другими диапазонами волн достигается тем, что в УКВ диапазоне действуют только аддитивные помехи и малы космические шумы.

Радиоволны УКВ диапазона распространяются прямолинейно и поэтому отсутствует многолучевость при приеме, а также отсутствуют замирания сигнала при распространении, что также оказывает положительное влияние на помехоустойчивость каналов связи.

Для проектируемой системы радиосвязи предлагается использовать

перспективный диапазон частот 220.400 МГц. Это обусловлено тем, что стандартный диапазон частот достаточно активно используется узкополосными системами связи, а также достаточно широкой полосой частот (несколько мегагерц), занимаемой применяемым типом сигналов.

2.1.4 Дальность связи

Дальность действия проектируемой системы связи характеризуется максимальным расстоянием, на котором обеспечивается получение заданных показателей качества функционирования.

Основной особенностью радиоволн диапазона УКВ является распространение волной поверхностного типа. Такие волны обладают малой способностью к огибанию препятствий, поэтому дальность радиосвязи ограничивается прямой видимостью. Дальность прямой видимости с учетом сферической формы Земли определяется по формуле

(2.1)

где: D — дальность прямой видимости в [км]; h1 и h2 — высоты подъема приемной и передающей антенн в [м].

При работе наземного пункта с самолетной радиостанции дальность действия определяется высотой полета самолета и высотой установки антенны наземной станции. С учетом явления тропосферной рефракции дальность связи в УКВ диапазоне определяется выражением

(2.2)

Расчеты по формуле (3.2) показывают, что дальность прямой видимости в диапазоне УКВ с учетом рефракции составляет при полете ЛА на высотах 100 м, 4000 м и 12 000 м соответственно не менее 89 км, 522 км и 903 км.

2.1.5 Количество каналов связи

Количество каналов связи зависит от ширины спектра сигнала:

где: ф_э — длительность одного элемента, ф_э = 200 не. Тогда получим Дf_c = 5 МГц.

Так как для системы отводится диапазон частот 220.400 МГц, то располагаемое количество каналов связи

2.1.6. Помехозащищенность

Помехозащищенность характеризует способность системы связи противостоять воздействию помех. Помехозащищенность включает в себя такие понятия как скрытность и помехоустойчивость. Известно, что помехоустойчивость приема сигналов на фоне широкополосной помехи (Дf_n >Дf_c) типа белый гауссовский шум определяется только отношением энергии сигнала Е_с к спектральной плотности шума N [1]

q₀ = 2E/N = 2P_cT/N, (2.3)

и не зависит от вида сигнала. Поэтому при известной спектральной плотности помех помехоустойчивость оптимального приема ШПС к широкополосным помехам равна помехозащищенности оптимального приема узкополосных сигналов в этих условиях.

Если ширина спектра помехи не превышает ширину спектра сигнала, то применение ШПС обеспечивает увеличение отношения сигнал/помеха относительно узкополосных сигналов

(2.4)

Таким образом, отношение сигнал/помеха в ШСС улучшается пропорционально базе сигнала.

Помехоустойчивость ШСС определяется соотношением, связывающим отношение сигнал/помеха на выходе приемника q² с отношением сигнал/помеха на его входе р² [2]

⁽2.5)

где — отношение мощности ШПС к мощности помехи; q² = 2E/N_п — отношение энергии ШПС Е к спектральной плотности мощности помехи N_п в полосе ШПС, т. е. Е = Р_сТ, N_п = Р_п /Дf_c.

Из данного соотношения следует, что прием ШПС сопровождается усилением сигнала в 2 В раз.

Скрытность системы связи определяет ее способность противостоять обнаружению и измерению параметров сигнала. Если известно, что в данном диапазоне частот может работать система связи, но параметры ее неизвестны, то в этом случае можно говорить об энергетической скрытности системы связи, так как ее обнаружение возможно только с помощью анализа спектра. Скрытность ШСС связана с уменьшением спектральной плотности сигнала в результате увеличения его базы, т. е.

(2.6)

т.е. в В раз меньше, чем у узкополосного сигнала при равных мощностях и скорости передачи информации. Отношение спектральной плотности мощности сигнала N_c к спектральной плотности мощности входных шумов N приемника, обнаруживающего сигнал, составляет

(2.7)

т.е. в В раз меньше, чем у узкополосных сигналов. Поэтому в точке приема при неизвестной структуре ШПС вероятность его обнаружения на фоне шума чрезвычайно низка. Таким образом, чем шире спектр ШПС и больше его база, тем выше энергетическая и параметрическая скрытность системы связи.

2.1.7 Электромагнитная совместимость

ШПС обеспечивает хорошую ЭМС с узкополосными системами связи. Для ШПС спектральная плотность мощности определяется выражением

(2.8)

для узкополосного сигнала

(2.9)

Помехоустойчивость системы связи с ШПС определяется соотношением (2.5), в котором

(2.10)

Если узкополосная система связи постоянно занимает определенный интервал частот, то ее спектр можно подавить, используя режекторный фильтр. Таким образом, воздействие узкополосной системы связи на широкополосную незначительно и определяется выражением

N_шпс Дf_y = Р_шпс Дf_y/Дf_c. (2.11)

Исходя из этого, отношение сигнал/помеха на выходе узкополосного приемника будет определяться выражением (2.5), в котором

(2.12)

B = Дf_c/Дf_y. (2.13)

Таким образом, чем больше отношение Af_c /Af_y, тем лучше фильтрация ШПС в узкополосной системе связи, т. е. чем больше база ШПС, тем выше ЭМС широкополосной и узкополосной систем связи.

Следовательно, системы связи с ШПС обладают хорошей ЭМС с узкополосными системами связи. Они обеспечивают высокую помехоустойчивость относительно мощных помех, скрытность, адресность, работоспособность в общей полосе частот, хорошую ЭМС с другими радиотехническими системами.

2.1.8 Основные типы ШПС

Известно большое число различных ШПС. В настоящее время в радиосвязи применяются:

частотно-модулированные сигналы (ЧМС);

многочастотные сигналы (МЧС);

фазоманипулированные сигналы (ФМС);

дискретные частотные сигналы (ДЧС);

дискретные составные частотные сигналы (ДСЧ).

Из перечисленных ШПС наиболее перспективными для систем связи являются ФМС. Это объясняется сравнительной простотой реализации устройств формирования и демодуляции ШПС на элементах цифровой микроэлектронной техники, возможностью создания большого числа сигналов для одной и той же величины последовательности, хорошими корреляционными свойствами сигналов в частотно-временной области.

ФМС представляют собой последовательность радиоимпульсов, начальные фазы которых изменяются по заданному закону. В большинстве случаев ФМС состоит из радиоимпульсов с двумя значениями начальных фаз О и р.

Для реализации фазовой манипуляции сигналов используются различные кодовые последовательности (коды Баркера, Голда и М-последовательности — последовательности максимальной длины).

Для проектируемой системы радиосвязи в качестве модулирующего сигнала выберем М-последовательность, обладающую следующими достоинствами [2]:

М-последовательность является последовательностью с периодом, состоящим из n символов (импульсов);

боковые лепестки периодической автокорреляционной функции сигналов, образованных М-последовательностью, равны 1/n;

М-последовательность в общем случае состоит из нескольких видов импульсов. Импульсы различного вида встречаются в периоде примерно одинаковое количество раз, т. е. все импульсы распределены в периоде равномерно. Вследствие этого М-последовательности называют псевдослучайными;

М последовательности легко фильтруются с помощью линейных переключаемых схем на основе сдвигающих регистров;

автокорреляционная функция М-последовательности, под которой понимается непериодическая последовательность длиной L за период Т, имеет величину боковых лепестков, близкую к. Поэтому с ростом Т величина боковых пиков уменьшается.

М-последовательностью называется периодическая последовательность символов (элементов) d₁ d₂,., d_i, удовлетворяющая следующему правилу:

(2.14)

где сложение производится по модулю 2. Это означает, что при возможных значениях а, = 0 или 1 символы di,. dj могут принимать значения 0 или 1.

Важным параметром М-последовательности является параметр n, определяющий число ячеек регистра сдвига, с помощью которого формируется сама последовательность. Такой регистр с заданными определенным образом обратными связями образует неповторяющуюся комбинацию из L =2ⁿ — 1 символов. Эта неповторяющаяся комбинация является максимально возможной.

Для образования М-последовательности задаются произвольной начальной комбинацией из п символов d₁. d_n, которую называют начальным блоком. Используя правило определяются все остальные элементы последовательности d_n+1,. dj. Изменение начального блока приводит к циклическому сдвигу последовательности.

Таким образом, ШПС формируется путем фазовой манипуляции несущей частоты кодовой М-последовательностью.

2.1.9 Чувствительность приемного устройства

Чувствительность приемника оказывает непосредственное влияние на дальность радиосвязи. Чувствительность приемников радиостанций систем связи УКВ диапазона находится в пределах 2,5.3 мкВ и ограничена собственными шумами радиоэлементов. Учитывая, что существенно снизить собственные шумы без значительного увеличения затрат не представляется возможным, чувствительность приемных устройств проектируемой системы радиосвязи должна быть не хуже 2 мкВ (с учетом применения современной элементной базы, имеющей пониженный уровень тепловых шумов).

2.2 Обоснование структурной схемы проектируемой системы связи

Проектируемая система связи состоит из аппаратуры, находящейся на наземном диспетчерском пункте, линии связи, под которой следует понимать среду распространения радиосигнала, и аппаратуры, устанавливаемой на борту ЛА. В состав аппаратуры на диспетчерском пункте и на борту ЛА должны входить приемо-передающие устройства — терминалы. Основное отличие терминала от обычного приемо-передающего устройства состоит в наличии в его составе специализированных вычислительных устройств — процессоров, реализующих функции формирования, передачи, приема и обработки широкополосных сигналов. При этом состав и структура наземного и бортового терминалов проектируемой системы связи практически одинакова. При разработке структурной схемы терминала следует учесть его многофункциональность, необходимость точной синхронизации с шкалой единого времени системы (для обеспечения своевременного выхода абонентов на связь), а также необходимость осуществления функционального контроля всего терминала.

Таким образом, структурная схема терминала приемопередающего устройства примет вид, представленный на рис. 4.1 В состав терминала входят следующие устройства:

усилитель мощности (УМ);

приемопередатчик;

сигнальный процессор (СП);

канальный процессор (КП);

генератор опорной псевдослучайной последовательности (ГОПСП);

магистральная шина (МШ);

блок контроля (БК);

высокочастотный переключатель (ВЧП);

синтезатор частоты (СЧ);

синхронизатор (С);

блок единого времени и частоты (БЕВЧ);

терминальный процессор (ТП).

Кроме этого, для изменения и приспособления структуры и основных параметров системы связи к изменяющимся условиям функционирования и помеховой обстановки, в состав терминала входит адаптивный процессор (АДП).

Приемопередатчик обеспечивает усиление сигнала до уровня, необходимого для передачи сообщений, приема сообщений и их усиления до уровня, необходимого для работы сигнального процессора.

Сигнальный процессор имеет в своем составе модем, кодек, модуль управления (МУ).