KB РАДИОСВЯЗЬ. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

УДК 621.396.7

KB РАДИОСВЯЗЬ. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

д. т. н. Комарович В. Ф., к. т. н. Ромвненко В. Г.

(часть 3)

Применение KB антенн с управляемой диаграммой направленности

Параллельно с развитием принципов организации и методов ведения KB радиосвязи совершенствовались приемные и передающие антенны этого диапазона [29]. Анализ статистики углов прихода помех показал, что, как правило, мешающее воздействие наблюдалось в основном от сигналов, приходящих с одного — трех направлений. Прогресс, достигнутый в области микропроцессорной техники, и опыт построения антенн с управляемой диаграммой направленности (ДН) в СВЧ диапазоне позволил вплотную подойти к решению задачи разработки таких антенн н для KB диапазона. Управление ДН предполагалось осуществлять по результатам оценки пространственной помеховой обстановки в точке приема путем формирования нулей ДН в направлениях прихода наиболее мощных помех. Так, в [28] рассматривается приемная антенная решетка (АР) кольцевого типа. Элементами АР являются вертикально расположенные вибраторы с длиной плеча 0,5 м. Вибраторы размещены равномерно по окружности радиусом 15 м (для диапазона 3...10 МГц) н радиусом 7,5 м (для диапазона 10-..30 МГц). В центре окружности размещено фазирующее устройство, к которому подключены выходы всех вибраторов. Как показал эксперимент, полученная глубина подавления мешающих сигналов составила 14...30 дБ относительно первоначального уровня помехи, а время, затрачиваемое на подавление одной помехи, не превысило 1...2 мин. Дальнейшая работа направлена на сокращение этого времени.

Изменение условий распространения радиоволн приводит к необходимости корректировки в процессе ведения связи ориентации максимума ДН передающей антенны. В результате решения этой задачи была разработана модель передающей АР [27]. Антенна представляет собой вертикальную решетку из горизонтально поляризованных элементарных излучателей типа “волновой канал” (логопериодических), которые закреплены на одной вращающейся мачте (башне). Такая антенна имеет электрические характеристики, подобные характери-сикам АР подвесного (горизонтального) типа с коэффициентом усиления по мощности на порядок большим [27]. Так, вращающаяся на 60-метровой башне трехэтажная АР с двумя рядами элементов типа “волновой канал” на частоте 14,2 МГц позволила получить коэффициент усиления по мощности примерно равный 25 дБ.

В настоящее время значительная часть публикаций посвящена вопросам практической реализации подобных антенн. Получившие в последнее время распространение системы радиосвязи с частотной адаптацией накладывают дополнительные требования на такие антенны. Системы радиосвязи с использованием адаптивных АР достаточно полно и подробно рассмотрены в [29].

Разработана и испытана 4-элеметная адлативная АР, использующая вспомогательный модулированный пилот-сигнал [30]. В качестве процессора в ней использована аналоговая схема, реализующая алгоритм минимальной дисперсии соотношения сигнал-помехи. Общая постоянная фемени такой адаптивной АР, имеющей ДН с одним нулем, равна приблизительно 0.15 с. Сигнал ошибки, поступающий на коррелятор, формируется путем вычитания сигнала выхода адаптивной АР из оценки модулированного по фазе пилот-сигнала. Пилот-сигнал представляет собой ПСП с тактовой частотой 3 или 6 кГц и частотой повторения 10 Гц. В отдельных случаях используется режим передачи только пилот-сигнала, что позволяет обеспечить ручную синхронизацию опорного сигнала адаптивной АР по моменту приема одного из лучей. Пилот-сигнал может передаваться либо в отдельной полосе, либо совместно с информационным сигналом с разделением по уровню. Подавление мешающих сигналов лучей в такой системе не менее 15 дБ.

Внедрение прогнозирования в процесс ведения KB радиосвязи

В последние годы в зарубежной печати неоднократно подчеркивалось, что в условиях сильной зависимости качества KB радиосвязи от состояния отражающих ионосферных слоев, которые подвержены сильным изменениям в течение суток и года, целесообразно обеспечить прогнозирование этих изменений не только до установления связи, но и в ходе ее ведения. Отмечается, что такое прогнозирование может осуществляться по двум направлениям.

Первое направление включает комплекс мероприятий и использование специальной аппаратуры для предварительного отслеживания динамики состояния ионосферы, а также различные способы и технические системы, их реализующие, позволяющие прогнозировать максимальные и минимальные применимые частоты для конкретных линий радиосвязи [4,31]. Прогноз условий распространения KB реализуется с помощью технических средств, введенных в состав оборудования каждого корреспондента [4.12], или выделенных в самостоятельные организационные единицы (службы), которые действуют в интересах нескольких, одновременно работающих радиолиний [31].

Для предварительного прогнозирования состояния ионосферы широко применяются два типа моделей ионосферы — эмпирический и физический. Преимуществом эмпирических моделей является то, что они основаны на измерениях, однако при малом числе измерений результаты использования таких моделей имеют большую неопределенность.

Наиболее широко применяемый метод прогнозирования параметров слоя ионосферы F2 предполагает использование числовых коэффициентов, указанных в Атласе характеристик ионосферы МККР. Эти коэффициенты определяют суточное и географическое распределение критической частоты для этого слоя и линейно зависят от числа солнечных пятен. Этот метод широко используется в Японии. Метеорологический центр ВВС США применяет четырехмерную модель ионосферных слоев, в которой используются зависимости концентрации электронов от высоты для любом широты, долготы и времени. По результатам радиозондирования слои ионосферы на высотах от 95 до 2000 км описываются эмпирическими ортонормированнымн функциями. В международном исследовательском институте в Станфорде [32] исходные данные о процессах в ионосфере объединены в общую модель, с помощью которой характеристики электронной концентрации представляются тремя параболами. Наклон слоев ионосферы с одинаковой плотностью электронов определяется параметрами парабол, которые находятся либо на основе применения численных карт, либо непосредственным зондированием ионосферы. Модель учитывает отражение от верхних границ спорадических слоев Еs и включает в себя модель полярной ионосферы с авро-ральным поглощением. Выходные данные представляют собой изофоты отношения сигнал-шум, по которым определяют направление максимума излучения и фронт волны. Для прогнозирования состояния слоя D в высоких широтах лаборатория Эппельтома (Великобритания) [32] разработала программу для ЭВМ, учитывающую статистическое распределение аврорального поглощения во времени и в пространстве. В США аналогичная модель дополнительно использует данные о степени солнечной активности, геомагнитных широтах и долготах.

Необходимо отметить, что совершенствование способов прогнозирования состояния ионосферы идет по пути широкого использования ЭВМ, что, с одной стороны, позволяет применять более сложные математические модели ионосферы для повышения точности прогноза, а с другой требует учета большего числа исходных данных, в том числе данных, полученных в результате непосредственного зондирования ионосферы.

Второе направление прогнозирования предполагает постоянный контроль в течение сеанса связи одного (или нескольких) показателя качества связи и определение по его отклонениям тенденции изменения обстановки в KB радиоканале [18]. Техническая реализация этого направления оказывается менее громоздкой по сравнению с первым, поскольку отпадает необходимость в дополнительных антеннах и передатчиках зондирующих сигналов. Кроме того, устройства контроля качества рабочих каналов довольно хорошо вписываются в структуру современных KB радиолиний с элементами адаптации.

Считается, что положительный эффект такое прогнозирование будет давать в условиях медленных замираний, когда использование современных математических методов прогнозирования позволяет достаточно точно определить тренд соответствующего изменения качества связи. Значительно сложнее обстоит дело в случае быстрых замираний, поскольку затраты времени на выполнение всех операций, необходимых для прогноза, реализуемых на базе современных микро - и специализированных ЭВМ, пока остаются существенно больше продолжительности таких замираний. В такой ситуации прогноз становится просто бессмысленным.

Тем не менее в настоящее время ведутся теоретические исследования по поиску наиболее эффективных методов прогнозирования с точки зрения повышения точности прогноза и сокращения времени, затрачиваемого на его получение. Последние достижения вычислительной техники в области быстродействия позволяют надеяться на определенный успех в решении задачи прогнозирования качества и других параметров KB радиоканала в реальном масштабе времени для достаточно сложных условий функционирования (в том числе и при воздействии преднамеренных помех).

Совершенствование эргономики и надежности средств KB радиосвязи

Вполне очевидно, что организация и обеспечение KB радиосвязи требуемого качества — задача достаточно сложная в условиях мирного времени, в период же боевых действий эта сложность неизмеримо возрастает. Одним из направлений решения этой задачи в таких условиях является использование достаточно эффективной вычислительной и микропроцессорной техники, а также последних достижений в области построения синтезаторов частот, возбудителей, усилителей мощности, антенных согласующих устройств. Понятно, что эффективное и более полное использование всех возможностей, заложенных в функциональных узлах н подсистемах современных средств KB радиосвязи, требует наличия специалистов высокой квалификации.

Авторы [33] в качестве самостоятельного направления По совершенствованию средств KB радиосвязи выделяют усилия разработчиков, направленные на упрощение эксплуатации этих средств, что способствовало бы снижению требований к уровню квалнфикации операторов, а следовательно, обеспечило бы сокращение сроков их подготовки- Под упрощением понимается разработка схемных и технических решений, облегчающих операторам решение вопросов установления, ведения и восстановления связи, управления работой передатчика, приемника и вспомогательного оборудования. Основа первого этапа в решении этих проблем — автоматизация как можно большего числа операций, второго — разработка решений, позволяющих вообще исключить некоторые операции.

В частности, в отмечаются значительные успехи в области дистанционного управления передатчиками, а также в области создания надежных систем телеуправления — телесигнализации, что позволяет размещать приемные радиоцентры в местах с низкими уровнями случайных помех. Широкое использование элементов автоматики обеспечило исключение необходимости настройки оператором современных возбудителей. Создание более эффективных электронных приборов (усилительных ламп и транзисторов) и построение на их основе широкополосных усилителей мощности позволило полностью отказаться от необходимости настройки последних в передатчиках любой мощности. Новые схемные решения по построению согласующих антенных устройств на базе коммутируемых фильтров обеспечило возможность замены процедуры настройки этих устройств оператором автоматическим переключением фильтров по командам, определяемым номиналом установленной частоты. Таким образом, практически была решена задача по созданию средств радиосвязи, способных обеспечить их длительную работу без участия обслуживающего персонала или полностью телеуправляемых.

В случаях, когда сохраняется необходимость достаточно частого вмешательства оператора в работу радиостанции, приходится решать задачу создания такого оборудования, которое для оператора было бы не более сложным, чем телефон [18]. Широкое применение в современных радиостанциях ИС позволило повысить их коэффициент полезного действия и существенно уменьшить их габариты и массу. Это тоже положительно сказалось на удовлетворении эргономических требований к KB средствам радиосвязи.

Техническая надежность аппаратуры является одним из факторов достижения целей, поставленных в ходе реализации любой из уже рассмотренных мер. В настоящее время получила широкое распространение и стала почти обязательной такая мера по обеспечению надежного функционирования аппаратуры, как введение в состав основных функциональных узлов и блоков встроенных подсистем оперативного контроля их исправного и работоспособного состояния. Как правило, такие подсистемы обеспечивают пассивный контроль состояния ограниченного числа цепей и узлов и позволяют оператору каждый раз перед началом работы, пользуясь определенным алгоритмом поиска, установить факт отказа одного или нескольких узлов и место их нахождения.

К сожалению, эти алгоритмы, как и их аппаратная реализация, пока остаются несовершенными, поскольку требуют значительных затрат времени на поиск неисправностей и довольно хороших знаний и практических навыков самого оператора. Причем затраты времени и требования к уровню подготовки оператора резко возрастают в случае необходимости предварительного установления факта работоспособного состояния всей аппаратуры в целом либо при совпадении отказов в нескольких узлах. Принципиальный недостаток такого подхода к повышению надежности аппаратуры заключается в том, что факт отказа лишь фиксируется, но не прогнозируется.

Поэтому в последнее время ведутся разработки более совершенных систем контроля исправного состояния аппаратуры, получившие название систем автоконтроля работоспособности [20]. Такие системы не только обеспечивают автоматический контроль состояния всех основных узлов и цепей и затем определенным образом сигнализируют об этом оператору, но и позволяют прогнозировать сам факт отказа и выполнять ремонт до отказа аппаратуры. Создана система, в которой процессор периодически автоматически производит проверку более 100 цепей, после чего выдает сигналы, уведомляющие оператора о действительных или предстоящих отказах [2]. В ходе проверок обеспечивается изменение номиналов элементов в определенных границах, что позволяет выявить тенденции отказов и осуществить их прогноз. По заключению разработчиков такая система автоконтроля обеспечивает надежность работы аппаратуры, значительно превышающую надежность обычной аппаратуры аналогичного назначения.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ убедительно свидетельствует о наличии большого числа направлений исследований и достигнутых успехах в повышении эффективности KB радиосвязи, о неослабевающем внимании специалистов к радиосвязи в этом диапазоне. К сожалению, исследования по рассмотренным направлениям ведутся большей частью не комплексно, а разрозненно. Сам поиск и выбор мер по совершенствованию KB радиосвязи осуществляется специалистами преимущественно интуитивно без детальной проработки.

Интуитивный подход хотя и приводит к определенным положительным результатам, тем не менее таит в себе непредсказуемые исходы. Например, в качестве обоснования некоторых из рассмотренных мер их разработчиками часто выдвигается тезис о необходимости повышения пропускной способности линий KB радиосвязи. При этом никак не оговаривается тот предел, до которого следует ее повышать. Как сообщает журнал Signal [34], в ходе вооруженного конфликта на Фолклендских (Мальвинских) островах пропускная способность системы связи, развернутой в ходе конфликта, поставила руководство контингента английских войск перед новой трудноразрешимой проблемой. Пропускная способность оказалась такова, что позволяла доставлять на флагманский корабль до 800 донесений ежедневно, а общее количество обработанных донесений (за 10 недель) составило около 200 тысяч. Таким образом, обеспеченная пропускная способность создала угрозу потери нужной информации в общем объеме данных, поступающих в адрес руководства, из-за ограниченных возможностей соответствующих служб делить всю поступающую информацию на управляемые потоки.

В настоящее время, очевидно, назрела необходимость развертывания фундаментальных работ по обоснованию приоритетных направлений решения проблемы повышения качества связи, как в отдельных KB радиолиниях, функционирующих, как правило, в очень сложных условиях поме-ховой обстановки, так и при их совместной работе в рамках общего частотного ресурса. Подтверждением может служить принятие странами участниками НАТО в начале 80-х годов специализированной программы по> KB радиосвязи “План НАТО по улучшению KB связи”, проектов “Форма” и “Обзор сигнала III” [2]. И хотя эти программы и проекты не содержат в себе всего комплекса рассмотренных мер, тем не менее они объединяют некоторые из них. Опыт эксплуатации современных систем KB радиосвязи показал их способность успешно функционировать в условиях сложной электромагнитной обстановки, вызванной наличием сосредоточенных преднамеренных и непреднамеренных помех. Поэтому следует ожидать, что реализация этих программ позволит сделать KB радиосети вполне пригодными для включения их в единую систему связи с автоматической коммутацией каналов и сообщений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иностранная техника и экономика средств связи. Обзоры, 1986, вып. 1.

2. Nato Ш1ееп nations, 1980. N 2.

3. Electronic Engineering, 1980. v. 52, N 644, р. 25. 116.

4. Fahy J. — Corn munica lions International, 1981, v. 7, N 12.

5. Hugo Е. — MILCOM'85. IEEE. 1985. v. 1.

6. 1TC/USA, 1983. р. 39.

7. Вестник ПВО, 1986, № 5. с. 81.

8. IEEE. 1984, р. 101.

9. Darnell M. — 2 Int. Conf. Antennas and Propag., Heslington. 13—16 Apr., 1981, Pt. 2, London — New-York, 1981.

10. International defense review.— 1986, . N 3, p. 357.

11. Under J. — Elektrotechn. und Maschi-nenbau, 1987. v. 104, N 4.

12. Ostergaard J. — EC-Nyt. 1987, v. 21, N 3.

13. Зарубежная радиоэлектроника, 1984, № 12. с. 48.

14- International Defense Review, 1984 v 17 N 8,> р. 1305.

15 - Joseph M. — Signal, 1987, v. 41. N 12.

16. Михов М„ Дашнн А. — Зарубежное военное обозрение, 1986, № 3.

17. Maslln N. M. — The Radio and Electronic Ingineer, 1982, v. 52, N 2.

18. Harmon J. U.—Special Electronics. 1984, N I.

19. Schoff W. R., Lipert P. J. — Conf. Meas. Instrum. and Dig. Technol. Melbourne, 31 Oct. — Nov., 1984, Prepr. Pap.. Barton, 1984.

20. Аппаратура помехозащищенной радиосвязи. M.. ВИНИТИ. 1988. 21-

21. MILCOM- 83 Proceedings, 1983. N 2, р. 355.

22. News from Rohde und Schwarz, 1984 v. 24, N 105,> р. 4.

23. Aviation Week and Speace Теспп., 1987, v. 126. N 18.

24. Максииенко А., Панченко В. — Техника и вооружение. 1989, № 10.

25. Техника и вооружение, 1988, № 9, с. 39.

26. Defence Electronics. 1986. v. 1, N 1. р. 80.

27. Lehto Simo. — Laboratory of Systems Engineering University of Onlu. Finland 1976.

28. Chuang С. А. — Int. Symp. Dig.: Antennas and Propag., Seattle, Wash., N—Y. 1979. v. 2.