Системотехника. Проектирование радиотехнических систем

Модель командной линии связи (НСК-БСК)

Командная линия построена на основе режима многочастотного доступа с разделением по времени (MF-TDMA) (линия вверх). На рисунке 4.17 представлена схема аппаратно-программного комплекса в среде разработки Simulink для стандарта

MF-TDMA.

Рис. 4.17. Реализация аппаратно программного комплекса MF-TDMA.

Работа комплекса основана на работе двух генераторов двоичной псевдослучайной последовательности Бернулли, имитирующих входной сигнал, который модулируется с использованием метода фазовой манипуляции M-PSK и передается по каналу с заданным уровнем шума. В итоге на разностном устройстве для оценки количества и частоты ошибок между передающимся и принимаемым сигналом получаем вероятность битовой ошибки BER.

Построены зависимости BER от SNR для первого и второго генератора последовательностей.

181

Рисунок 4.18. Зависимость BER от SNR для двух последовательностей

4.2. Разработка системы космической связи для подводной роботизированной

сети глайдеров

С конца 2011 года Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ) проводит комплексные исследования в обеспечение создания глобальной информационно-измерительной системы, использующей в своем составе различные типы морских роботизированных объектов (МРО) - глайдеров.

К рассматриваемым МРО отнесены следующие автономные необитаемые измерительные/обеспечивающие платформы: подводные глайдеры, буи и зонды переменной плавучести, поверхностные волновые буи, волновые глайдеры, донные коммуникационные станции, узлы подводной стыковки-расстыковки мобильных автономных роботизированных объектов, буферные преобразователи-накопители

энергии океана и солнца.

Перечисленные МРО в совокупности образуют комплекс технических средств -

эффективных элементов морской информационно-коммуникационной сети двойного назначения.

Длительное автономное скрытное нахождение на маршруте или в заданном районе плавания с целью сбора оптических, гидроакустических, гидрофизических, химических и радиационных параметров и данных, с передачей их по оптическому или радио- и

гидроакустическому каналам по мере накопления или по выявлению заданного события, формирование единого информационного пространства, обеспечение обмена

182

данными с погруженными объектами, ретрансляции информации через каналы спутниковой связи, БПЛА и надводные МРО определяет востребованность рассматриваемых типов МРО для решения оперативно-тактических задач ВМФ.

Поэтому на сегодня МРО рассматриваются военными специалистами в качестве одного из перспективных средств повышения боевой эффективности военно-морских сил.

Помимо применения в военной сфере можно констатировать использование МРО для широкого круга научных, исследовательских и прикладных задач, связанных с освоением и мониторингом Мирового океана, поддержкой решения экологических задач, задач прогнозирования климата, контроля биоресурсной базы, разработкой подводных месторождений полезных ископаемых, сейсморазведкой, использованием в качестве средств контроля и оповещения в чрезвычайтных ситуациях, обеспечением комплексной безопасности объектов морского нефте-газового комплекса.

Перечисленные направления использования говорят о том, что МРО - это современная технология, обеспечивающая независимость политического и экономического положения в мире за счет повышения оперативности и экономической эффективности

проводимых работ.

В последнее время наблюдается повышенный интерес к разработкам МРО двух

основных типов: подводным глайдерам и волновым глайдерам.

Подводные глайдеры, использующие для своего поступательного движения принцип изменения остаточной плавучести, обеспечивающий их перемещение по наклоной траектории в режимах погружения-всплытия, обладают набором неоспаримых преимуществ - сверхбольшой автономностью, сверхбольшой дальностью хода, "удобными" при эксплуатации массогабаритными характеристиками, сверхмалой шумностью, относительно низкой стоимостью производства и эксплуатации.

Подводные глайдеры являются эволюционным развитием дрейфующих буев, при этом они наделены новыми качествами: мобильностью – способностью "покрывать"

значительные по площадям акватории; эффективным использованием в составе роботизированных комплексов различного назначения; эффективными процедурами сбора информации и ее передачи в центр обработки в масштабе времени близком к реальному; оперативной корректировкой программного задания миссии, определяемой

183

возможностями современных телекоммуникационных технологий и количеством одновременно используемых глайдеров, объединенных в группу ("стаю") той или иной задачей.

Глубины погружения современных подводных глайдеров практически неограничены

(до 6000 м), что говорит о возможности использования их для различных прикладных задач – исследования донных районов океана, континентальных шельфов, прибрежных

акваторий и мелководных зон.

Волновые глайдеры – приповерхностные МРО - используют иной принцип перемещения, основанный на использовании возобновляемой энергии волн. Ввиду того, что интенсивность волнового движения является наибольшей у свободной поверхности и достаточно быстро убывает с увеличением глубины, то этот факт

позволяет создать двухкомпонентный аппарат, состоящий из надводного модуля

("поплавка") и подводного модуля (системы колеблющихся крыльев), соединенных

между собой гибкой или жесткой связью.

Движение волнового глайдера обеспечивается за счет реализации силы тяги,

образующейся на колеблющихся крыльях в результате вертикальных колебаний,

вызванных волновым движением "поплавка", и свободных вращательных колебаний относительно оси закрепления крыльев на подводном модуле. При этом главное отличие волнового глайдера от свободно дрейфующих буев состоит в том, что глайдер не дрейфует, а перемещается по заданной программе миссии и независимо от

направления движения волн.

Функциональность указанных типов МРО может быть расширена за счет реализации различных алгоритмов их группового ("стайного") использования. Эффективность решения задач возрастает при использовании "группировок" МРО в комплексе с объектами-носителями: кораблями, подводными лодками и аппаратами. Это означает,

что если каждый роботизированный объект способен выполнять относительно простые операции, то в комплексе с другими аппаратами – могут решаться весьма сложные задачи.

В следствие актуальности и практической значимости данного направления, в период

2011 – 2015 гг в рамках цикла НИОКР в СПбГМТУ проводились интенсивные работы по исследованию, проектированию и разработке опытных образцов: глайдера

184

торпедной формы, глайдера типа "летающее крыло" и волнового глайдера.

Дальнейшие исследования были направлены на улучшение гидродинамических качеств аппарата, его управляемости, энергоэкономичности, совершенствование системы автоматического управления, а также на проработку возможностей применения

различных перспективных технологий и конструктивных решений.

В процессе разработки подводного глайдера второго поколения большое внимание уделялось отработке характеристик объекта с использованием методов математического и имитационного моделирования, экспериментальных методов,

параметрического анализа, а также проработке и моделированию функционирования отдельных устройств и механизмов, обеспечивающих достижение требуемых проектных параметров. В обеспечение экспериментальных методов были задействованы аэродинамическая труба СПбГМТУ, опытные бассейны СПбГМТУ и

ЗАО "НПП ПТ "Океанос".

В рамках комплексной НИР проводились исследования по оптимизации внешнего облика подводного глайдера, проработке модульной архитектуры аппарата, отработке конструкции, осуществлялась разработка отдельных "критических технологических решений" - механизма изменения плавучести, эффективной системы управления

185

дифферентом и креном, энергетического модуля повышенной эффективности,

изучалась динамика глайдера для различных режимов функционирования,

прорабатывалась система автоматического управления движением аппарата,

обеспечивающая выполнение важных (с точки зрения построения подводной информационно-измерительной системы) миссий. В результате выполненных исследований СПбГМТУ совместно ЗАО НПП ПТ "Океанос" и ФТИ имени А.Ф.

Йоффе разработали опытный образец подводного глайдера второго поколения.

Параллельно с работами по созданию подводного глайдера осуществлялись научно-

исследовательские работы, связанные с проектированием волнового глайдера.

Опытный образец которого был успешно испытан на полигоне Сам ГТУ в 2013 г.

Подводный модуль опытного образца отечественного волнового глайдера СамГТУ-

СПбГМТУ / "Океанос НПО", ЗАО

В настоящее время проводятся исследования по отработке конструктивных решений для подводного и надводного модулей волнового глайдера, связанные с учетом влияния на гидродинамические характеристики таких параметров как: оптимальная компоновка крыльевых элементов подводного модуля, исследование влияния упругости элементов по вращательным колебаниям, гидродинамическая форма надводного модуля и пр.

Намечено проведение систематических испытаний масштабной модели волнового

186

Результаты работ по разработкам подводных и волновых глайдеров, , проводимых под научным управлением СпбГМТУ, дают основание утверждать, что создание высокоэффективных отечественных мобильных элементов подводной глобальной информационно-измерительной системы двойного назначений движется к успешной реализации.

Информационное взаимодействие глайдеров в составе морских объектов

Схема движения глайдеров

Слокум Глайдер Подводные аппараты типа глайдер являются новым классом автономных

подводных аппаратов. Благодаря механизму управления собственной плавучестью и

187

крыльями глайдер преобразует вертикальное движение в горизонтальное, что позволяет ему медленно «скользить» в водой толще по пилообразной траектории. Движение глайдера определяется его формой, размером, массой и ее распределением внутри прочного корпуса аппарата, свойствами окружающей воды.

Такие аппараты предназначены для сбора данных об окружающей среде,

составления различных профилей водного столба.

Глайдеры широко применяются в мировой практике для океанографии,

исследования течений и мониторинга окружающей среды. По сравнению с обыкновенными АНПА, глайдеры обладают более низкой стоимостью, способностью перемещаться на большие расстояния, а продолжительность времени их непрерывной работы может равняться нескольким месяцам.

Назначение АНПА «Слокум Глайдер»:

Вооруженные силы/МЧС/Береговая охрана:

Освещение подводной обстановки;

Мониторинг параметров водной среды при ЧС (разливах нефти, сейсмоактивности,

техногенных авариях в прибрежных зонах).

Добывающие отрасли промышленности:

Предварительная разведка мест подводного строительства;

Подледные исследования;

Мониторинг подводной среды вокруг мест разработок

Оперативный и долговременный мониторинг водной среды;

Измерение гидробиологических, гидрохимических, гидрофизических параметров среды;

Отслеживание изменения параметров водной среды в зависимости от глубины для изучения динамики океанов.

Особенности:

Отсутствие функциональной зависимости от судна-носителя;

Автономность до нескольких месяцев;

Полезная нагрузка определяется заказчиком;

Региональная площадь покрытия;

Широкий диапазон глубин погружения;

Большой объем измеряемых параметров;

188

Регулярность получения данных через спутник;

Высокая экономичность эксплуатации.

Принцип действия АНПА «Слокум Глайдер» Глайдер представляет собой автономный необитаемый подводный аппарат,

который перемещается в вертикальном направлении посредством изменения плавучести, а в горизонтальном – за счет крыльев и стабилизаторов, установленных на корпусе. Угол дифферента управляется путем сдвига аккумуляторной батареи внутри аппарата. Большую часть времени аппарат свободно глиссирует из одной точки в другую по пилообразной траектории, что делает его экономичным в потреблении энергии и бесшумным.

Когда аппарат находится на поверхности, он осуществляет выход на связь для передачи собранных данных и текущих координат.

АНПА «Слокум Глайдер» имеет модульную структуру, что позволяет менять и устанавливать модули в зависимости от поставленных задач.

Навесное оборудование Существует широкий выбор датчиков, которые может нести глайдер:

Акустический модем;

Акустический датчик обнаружения млекопитающих;

Доплеровский измеритель течений ;

Альтиметр;

Батифотометр;

Оптический сенсор обратного рассеивания;

Сенсор оптического затухания;

Датчик растворенного кислорода;

CTD-датчик;

Флуорометр;

Гидрофон;

Датчик активной радиации;

Радиометр;

Датчик рассеивания;

Спектрометр;

Датчик турбулентности и др.

189

Разработка системы связи на базе модели адаптивной двусторонней

широкополосной спутниковой системы передачи данных

Модель построена на стандарте цифровой видео передачи - системы с обратным каналом (Digital Video Broadcast – Return Channel System DVB-RCS), мультисервисная

DVB-RCS платформа обеспечивает высокоскоростной спутниковый доступ с приложениями реального времени (передача данных, голос, видео), а также стандартные IP приложения. Нисходящая линия связи DVB-RCS построена на стандарте телевизионного вещания DVB-S2, а восходящая на стандарте MF-TDMA. В

работе представлены результаты исследования Simulink моделей DVB-S2 и MFTDMA для использовании двух входных последовательностей. Модель будет использована для проектирования адаптивной двусторонней широкополосной спутниковой системы передачи данных для космических аппаратов МКА. Ключевые слова: Стандарт DVB-RCS, Simulink модели DVB-S2, модели Symulink линии "вверх"

MF-TDMA

Топология сети на базе мультисервисной DVB-RCS платформы, как правило,

строится по типу «звезда» и подразумевает наличие двух трактов передачи. Прямой канал – спутниковый канал от Центральной земной станции (ЦЗС/HUB) до удаленных спутниковых интерактивных терминалов (СИТ/SIT). Обратный канал - спутниковый канал от терминала до Центральной земной станции

Стандарт DVB-RCS утвержден Европейским институтом стандартизации в области связи (ETSI) в 2000 году. Стандарт предлагает прямой канал, основанный на формате данных DVB/MPEG 2, и обратный канал, на основе режима множественного доступа с разделением по времени (MF-TDMA). Широкополосная несущая DVB/MPEG 2 может обеспечить скорость передачи в прямом канале до 110 Мбит/с, а режим MF-TDMA

предусматривает скорость до 2-4 Мбит/с в обратном канале с каждого удаленного терминала.

Стандарт DVB-S2 (прямой канал) предусматривает четыре возможных схемы модуляции.

По сравнению с QPSK, верхняя схема модуляции, 32 APSK, позволяет повысить общую скорость потока в 2.5 раза. Для защиты от помех в новом стандарте, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты – другие, чем в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты вместо кода Рида-Соломона используется код Боуза-Чоудхури-

190