В настоящей статье представлена краткая информация о технологических радиосетях управления и сбора данных на узкополосных радиомодемах диапазона ультракоротких волн (УКВ), обеспечивающих функционирование военных и гражданских полигонов различного назначения. Статья предназначена для руководителей и технических специалистов, связанных с созданием и эксплуатацией распределенных автоматизированных систем удаленного управления и сбора данных наземного (надводного) и воздушного базирования.
3. Военные полигонные радиосети
В состав военного полигона, в зависимости от его размера и назначения, могут входить различные службы: охраны и пожарной безопасности, транспортная, коммунальная, энергоснабжения, баллистическая, телеметрическая, астрономо-геодезическая, метеорологическая и другие, функционирование которых должно обеспечиваться техническими средствами службы связи полигона — полигонными радиосетями.
Общевойсковой военный полигон Вооружённых сил Российской Федерации Цугол
(www.wikipedia.tel/Военный_полигон)
Основными задачами узкополосной технологической радиосети обмена данными УКВ диапазона на таких полигонах являются:
сбор данных от размещенного на полигоне контрольно-измерительного оборудования, включая средства внешнетраекторных измерений и метеостанцию;
передача телеметрической информации с подвижных наземных (надводных) и воздушных объектов, включая высокоскоростные;
обмен данными между подвижными и стационарными объектами различного назначения в границах полигона;
управление и мониторинг технического состояния специального оборудования, включая стационарные и движущиеся мишени и имитаторы;
трансляция сигналов единого времени в интересах синхронизации работы полигонных комплексов;
передача метеорологической информации;
управление, мониторинг работы и технического состояния вспомогательных инженерных систем (электро-, тепло- и водоснабжения).
В зависимости от типа обслуживаемых объектов и решаемых функциональных задач такие радиосети можно условно разделить на стационарные и подвижные.
В чем разница?
Стационарные радиосети проектируются для работы в заранее известных и мало меняющихся условиях приёма радиосигнала. При их создании возможно применение высокоэффективных антенно-фидерных устройств с малыми потерями и высоким коэффициентом усиления. Они функционируют, как правило, в зоне электромагнитной доступности (ЭМД) одной базовой станции (БС) и никогда не перемещаются в зоны ЭМД соседних БС.
Условия приёма радиосигнала в подвижной радиосети изменяются постоянно. Кроме того, подвижные радиосети предполагают возможность перемещения обслуживаемого объекта и обусловленные этим изменения в структуре радиосети и потоках данных через соседние базовые станции. Такая «мелочь» делает построение подвижных технологических радиосетей на порядок сложнее, нежели их стационарных собратьев. А применение на подвижных объектах, как правило, всенаправленных антенн с менее высоким, по сравнению с используемыми в стационарных радиосетях направленными антеннами, коэффициентом усиления радиосигнала, требует более тщательного частотно-территориального планирования. Хотя все это давно не является большой проблемой для профессиональных связистов, такие возможности должны поддерживаться применемыми радиотехническими и программными средствами.
Выбор технических средств для создания стационарных и подвижных узкополосных технологических радиосетей УКВ диапазона производится с учетом широкого набора требований, включая размеры, рельеф, назначения полигона, а также решаемые функциональные задачи. С этой целью могут использоваться «прозрачные»1 или «пакетирующие»2 радиомодемы.
Радиосеть на «прозрачных» радиомодемах
Прозрачный радиомодем – устройство, выполняющее побитную передачу цифровых данных без их промежуточного преобразования. Радиомодемы данного типа ещё называют телеметрическими, поскольку они обеспечивают минимальное время доступа к радиоканалу и не добавляют к потоку данных служебной информации.
Одна из первых полигонных радиосетей на прозрачных радиомодемах была развернута на Семипалатинском ядерном полигоне3 (общая площадь полигона составляла 18 500 км²) в рамках Договора между Союзом Советских Социалистических Республик и Соединенными Штатами Америки об ограничении подземных испытаний ядерного оружия (вступил в силу 11 декабря 1990 года). Радиосеть обеспечивала сбор данных от сети сейсмических датчиков, размещенных непосредственно на полигоне. Контроль за подземными ядерными испытаниями может производиться как космическими средствами наблюдения, так и наземными сейсмическими станциями, однако, получение данных от установленных непосредственно на полигоне измерительных средств явилось наиболее надёжным и, что немаловажно, недорогим средством контроля.
Вышеуказанная радиосеть была развернута с использованием радиомодемов T-modem, технические характеристики которых представлены в Таблице 1.
Технические характеристики радиомодема T-modem.
| Общие характеристики | Радиомодем T-modem |
|---|---|
 |
|
| Диапазон частот, МГц | 403−430; 450−512 |
| Шаг сетки частот, кГц | 25 |
| Потребляемый ток: | |
| - приём, мА | 50 (70 при подключенном внешнем устройстве) |
| - передача, мА | 900 |
| Рабочее напряжение, В | 10–16, постоянный ток |
| Рабочая температура, °C | от -30 до 60 |
| Влажность, % | 96 (при температуре 40°C без образования конденсата) |
| Максимальная высота использования, м | 3000 |
| Габаритные размеры, см | 19 (Ш) х 14 (Г) x 4 (В) |
| Масса (в упаковке), кг | 0,36 |
| Рабочий режим | Симплекс, полудуплекс (дуплекс при использовании двух радиомодемов) |
| Приемник | |
| Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6), дБм: | |
| - 25 кГц | -107 (4,8 кбит/с) |
| Передатчик | |
| Полоса пропускания без подстройки, МГц | 27 (403–430 МГц), 30 (450–480 МГц), 32 (480–512 МГц) |
| Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт | 2 |
| Импеданс, Ом | 50 |
| Цикл работы на передачу, % | 50 |
| Стабильность частоты, ppm | 5,0 |
| Интерфейсы | RS-232 (DB9) |
| Антенна | BNC (мама) |
| Модем | |
| Скорость, кбит/с | 1,2; 4,8; 9,6 (настраивается оператором) |
| Индикация | Питание, приём/передача |
| Вид модуляции | MSK (12 или 2,4 кбит/с); DGMSK (4,8 или 9,600 кбит/с) |
Аналогичные радиомодемы применялись на военном полигоне Израиля при разработке авиационной техники. Радиосеть использовалась для трансляции дифференциальной поправки в интересах высокоточного позиционирования и передачи навигационной информации с борта летательного аппарата. В связи с тем, что для решения вышеуказанной задачи весьма критичной является задержка в доставке информации, был использован «прозрачный» радиомодем, а работа базовой станции организована в дуплексном режиме, позволившем одновременно транслировать дифференциальную поправку и принимать навигационные данные с борта.
В составе современных узкополосных полигонных радиосетей, развернутых на территории Российской Федерации, применяются радиомодемы T-96SR (снят с производства, но продолжает эксплуатироваться) и Guardian (полностью совместим с первым и может использоваться совместно с ним в единой радиосети).
Технические характеристики «прозрачных» радиомодемов семейства Guardian представлены в Таблицах 2 и 3.
Технические характеристики радиомодема Guardian.
| Общие характеристики | Радиомодем Guardian | |
|---|---|---|
 |
||
| ОВЧ | УВЧ | |
| Диапазон частот, МГц | 136–174 | 406–470, 450–512 |
| Шаг сетки частот, кГц | 25 или 12,5 (настраивается программно) | |
| Тип излучения | 9K55F1D, 9K35F1D, 11K6F1D, 14K6F1D, 16K4F1D | |
| Потребляемый ток: | ||
| - приём, мА | 360 (10 В); 200 (20 В); 150 (30 В) | |
| - передача 40 дБм (10 Вт), А | 4,6 (10 В); 2,04 (20 В); 1,37 (30 В) | |
| - передача 30 дБм (1 Вт), А | 1,2–3,6 (10 В); 0,6–1,8 (20 В); 0,4–1,2 (30 В) | |
| Номинальная задержка при холодном старте, с | 20 | |
| Рабочее напряжение, В | 10–30, постоянный ток | |
| Рабочая температура, °C | от -30 до 60 | |
| Температура хранения, °C | от -45 до 85 | |
| Влажность, % | 5–95 (без образования конденсата) | |
| Габаритные размеры, см | 13,97 (Ш) х 10,80 (Г) x 5,40 (В) | |
| Масса (в упаковке), кг | 1,1 | |
| Рабочий режим | Симплекс, полудуплекс, дуплекс | |
| Приемник | ||
| Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6), дБм: | ||
| - 25 кГц | -100 (19,2 кбит/с), -107 (9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) | |
| - 12,5 кГц | -107 (9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) | |
| Подавление помех по соседнему каналу, дБ | 60/12,5 кГц; 70/25 кГц | |
| Интермодуляция, дБ | >75 | |
| Избирательность, дБ | >70/25 кГц; >60/12,5 кГц | |
| Передатчик | ||
| Полоса пропускания без подстройки, МГц | 38 | 64 (406,1–470 МГц), 62 (450–512 МГц) |
| Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт | 1–10 | |
| Время атаки, мс | <1 | |
| Время переключения между каналами, мс | <15 | |
| Импеданс, Ом | 50 | |
| Цикл работы на передачу, % | 100 | |
| Стабильность частоты, ppm | 1,0 | |
| Интерфейсы | RS-232 (DB9) | |
| Антенна | TNC (мама) – приём/передача, SMA (мама) – приём (для дуплексных моделей) | |
| Модем | ||
| Скорость, кбит/с | 4,8; 9,6; 19,2 | |
| Индикация | Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, приём/передача | |
| Вид модуляции | 2FSK | |
Технические характеристики базового радиомодема/ретранслятора T-Base (Guardian).
| Общие характеристики | Базовая станция/ретранслятор T-Base (Guardian) | |
|---|---|---|
 |
||
| ОВЧ | УВЧ | |
| Диапазон частот, МГц | 136–174 | 406–470, 450–512 |
| Шаг сетки частот, кГц | 25 или 12,5 | |
| Тип излучения | 9K55F1D, 9K35F1D, 11K6F1D, 14K6F1D, 16K4F1D | |
| Потребляемый ток: | ||
| - приём | 360 мА (10 В); 200 мА (20 В); 150 мА (30 В) | |
| - передача 40 дБм (10 Вт) | 4,6 А (10 В); 2, 04 А (20 В); 1,37 А (30 В) | |
| - передача 30 дБм (1 Вт) | 1,2–3,6 А (10 В); 0,6–1,8 А (20 В); 0,4–1,2 А (30 В) | |
| Номинальная задержка при холодном старте, с | 20 | |
| Рабочее напряжение, В | 10–30, постоянный ток | |
| Рабочая температура, °C | от -30 до +60 | |
| Температура хранения, °C | от -45 до +85 | |
| Влажность, % | 5–95, без образования конденсата | |
| Габаритные размеры, см | 13,1 (Ш) x 47,5 (В) x 23,1 (Г) | |
| Масса (в упаковке), кг | 5,2, с дуплексером | |
| Рабочий режим | Симплекс, полудуплекс, дуплекс | |
| Приемник | ||
| Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6), дБм: | ||
| - 25 кГц | -100 (19,2 кбит/с), -107(9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) | |
| - 12,5 кГц | -107 (9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) | |
| Подавление помех по соседнему каналу, дБ | 60/12,5 кГц; 70/25 кГц; | |
| Интермодуляция, дБ | >75 | |
| Избирательность, дБ | >60/12,5 кГц; >70/25 кГц | |
| Передатчик | ||
| Полоса пропускания без подстройки, МГц | 38 | 64 (406,1–470 МГц), 62 (450–512 МГц) |
| Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт | 1–10 | |
| Время атаки, мс | <1 | |
| время переключения между каналами, мс | <15 | |
| Импеданс, Ом | 50 | |
| Цикл работы на передачу, % | 100 | |
| Стабильность частоты, ppm | 1,0 | |
| Интерфейсы | RS-232/422/485 | |
| Антенна | N-типа (мама) | |
| Модем | ||
| Скорость кбит/с | 4,8; 9,6; 19,2 | |
| Индикация | Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, приём/передача | |
| Вид модуляции | 2FSK | |
Следует отметить, что выбор типа устройства («прозрачное» или «пакетирующее») определяется требованиями к полигонной радиосети.
Например, метеорологическая разведка4 в интересах работы полигона производится с использованием «прозрачных» радиомодемов, обеспечивающих подключение к технологической радиосети инструментальных средств, устанавливаемых как стационарно, так и на борту подвижных средств. При этом все инструментальные средства сбора метеорологической информации могут работать через единую радиосеть, работающую на постоянной основе или включающуюся в работу периодически, по мере необходимости. Проверка аэродромного полигонного радиотехнического оборудования выполняется, как правило, средствами автоматизированной системы летного контроля (АСЛК), устанавливаемыми на борту самолета-лаборатории. АСЛК позволяет за один пролет проверить до шести радиотехнических средств, включая радиотехнические системы ближней навигации, системы радиопеленгации, светосигнальное оборудование, аэродромный радиолокатор. Работа одного из таких комплексов в филиале «Аэроконтроль» ФГУП «Госкорпорация по ОрВД» (https://gkovd.ru/branches/aerocontrol) обеспечивается «пакетирующими» радиомодемами.
Как мы видим, для близких по функциональным возможностям систем использованы различные радиомодемы, которые будут описаны ниже.
Технические характеристики «прозрачных» радиомодемов в части скорости обмена данными в течение длительного времени успешной эксплуатации не претерпели принципиальных изменений. Типовые скорости обмена данными составляют 9,6 или 19,2 кбит/с. Это обусловлено реальными требованиями систем, которые радиосети на этих радиомодемах обслуживают — больше просто не требуется. Основными из этих требований являются:
минимальная задержка в доступе к радиосети (радиоканалу);
стабильность служебных задержек при передаче информации у каждой единицы оборудования одной модели5;
достаточная дальность работы, составляющая, обычно, до 15 км для наземных и до 80 км для воздушных объектов;
совместимость с различными внешними протоколами обмена данными.
Задержки при доставке информации связаны с выполнением служебных процедур, и в «прозрачных» радиомодемах они составляют единицы миллисекунд, в то время как в «пакетирующих» радиомодемах они являются недетерминированными (различаются по продолжительности) и могут составлять до четырех секунд. Типовые задержки в доставке информации для радиосети, построенной на «прозрачных» радиомодемах Guardian (относятся к третьему поколению данного оборудования) и включающей в себя базовую станцию (БС) и контролируемый пункт (КП), представлены в Таблице 46.
Типовые задержки при обмене данными в «прозрачной» технологической радиосети УКВ-диапазона третьего поколения7.
| Наименование микрооперации | Время выполнения, с | Время выполнения, % | Примечание |
|---|---|---|---|
| Установление связи между БС и КП | 0,016 | 0,77% | Складывается из времени атаки передатчика радиомодема – 1 мс, и времени синхронизации – 15 мс в режиме DOX (25 мс в режиме RTS/CTS) |
| Передача запроса от БС к КП | 0,00104 | 0,05% | |
| Обработка запроса контроллером телемеханики и генерация ответа | 2 | 96,40% | |
| Установление связи между КП и БС | 0,016 | 0,77% | |
| Передача ответа от КП к БС | 0,04167 | 2,01% | |
| ИТОГО: | 2,07471 | 100,00% |
Поскольку задержки, связанные с выполнением служебных операций в «прозрачных» радиосетях, существенно меньше, чем в «пакетирующих», их пропускная способность при трансляции определенных видов информации на одинаковых скоростях может оказаться выше, чем в последних. В отдельных случаях в «прозрачных» радиосетях она оказывается выше, чем в «пакетирующих», даже при передаче данных на более низких скоростях.
Особо следует отметить такой параметр, как стабильность служебных задержек при передаче информации у каждой единицы оборудования одной модели, который является критичным для функционирования, например, радиосетей сейсмического контроля. Значительная часть таких радиосетей на территории Российской Федерации была построена с использованием радиомодема T-96SR, у которого этот параметр является достаточно высоким и составляет менее 1%.
Радиосеть на «пакетирующих» радиомодемах
В дополнение к функциональным возможностям «прозрачных» радиомодемов и радиосетей на их базе «пакетирующие» радиомодемы предоставляют принципиально новые и позволяют гибко выполнять удаленную настройку радиосети, а также подключенного к ним оборудования. Кроме работы по последовательному порту, они обеспечивают подключение по сетевому интерфейсу и работу по протоколу TCP/IP, реализуя все возможности данного протокола обмена данными.
Однако, получение таких дополнительных возможностей связано с определенными ограничениями. Так, зависимость дальности работы любой радиосети и скорости обмена данными определена теоремой Шеннона-Хартли8. Но для «прозрачного» радиомодема дальность всегда оказывается выше в связи с тем, что для корректной передачи пакетных данных, имеющих бо́льшую длину, требуются и бо́льшие энергетические затраты (чем длиннее пакет, тем выше влияние замирания сигнала, которые можно максимально сократить за счет увеличения мощности сигнала).
Результаты сравнительных испытаний работы «прозрачных» и «пакетирующих» радиомодемов в одинаковых условиях в подвижной технологической радиосети представлены в Таблицах 5 и 6.
Результаты испытаний «прозрачного» радиомодема Guardian-100 на железнодорожном полигоне.
| Уровень обнаружения несущей | Выходная мощность |
Скорость передачи данных |
Дальность радиосвязи |
|---|---|---|---|
| -110 дБм | 10 Вт | 4,8 кбит/с | 18 км |
| 9,6 кбит/с | 16,2 км | ||
| 19,2 кбит/с | 12 км |
Результаты испытаний «пакетирующего» радиомодема Viper-SC+ 100 на железнодорожном полигоне.
Уровень обнаружения несущей |
Выходная мощность |
Скорость передачи данных |
Дальность радиосвязи |
|---|---|---|---|
| -110 дБм | 10 Вт | 16 кбит/с | 5,3 км |
| 32 кбит/с | 4,6 км | ||
| 48 кбит/с | 3,6 км | ||
| 64 кбит/с | 1 км |
Испытания проводились при высоте подвеса антенн, не позволяющей организовать работу на номинальную дальность, но в данном случае производилась проверка дальности работы на различных скоростях при заданном уровне принимаемого сигнала. «Прозрачные» радиомодемы предъявляют меньшие требования к уровню принимаемого сигнала, нежели «пакетирующие», что отражено в их технических характеристиках и должно учитываться при проектировании полигонных радиосетей.
Технические характеристики «пакетирующих» радиомодемов семейства Viper-SC+ представлены в Таблице 7.
Технические характеристики радиомодемов семейства Viper-SC+ (диапазон ОВЧ).
| Общие характеристики | Базовая станция Viper-SC+ base station | Радиомодем Viper-SC+ |
|---|---|---|
 |
 |
|
| Диапазон частот, МГц | 136–174; 215–240; 406–470; 450–512 | |
| Шаг сетки частот, кГц (настраивается программно) | 50; 25; 12,5; 6,25 | |
| Тип излучения | 3K30F1D; 11K2F1D; 16K5F1D; 17K8F1D; 33K0F1D; 52K7F1D | |
| Номинальная задержка при холодном старте, с | 60 | 35 |
| Рабочее напряжение, В | 10–30 (постоянный ток) | |
| Рабочая температура, град. C | от-40 до +70 | |
| Температура хранения, град. C | от-45 до +85, без образования конденсата | |
| Влажность, % | 5–95, без образования конденсата | |
| Габаритные размеры, см | 41 (Ш) х 12 (Г) x 29 (В) | 13,97 (Ш) х 10,80 (Г) x 5,40 (В) |
| Масса (в упаковке), кг | 5,2 | 1,1 |
| Рабочий режим | симплекс/полудуплекс | |
| Передатчик | ||
| Полоса рабочих частот, МГц | 38 | |
| Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт | 1–10 | |
| Время атаки, мс | <1 | |
| Время переключения между каналами, мс | <15 | |
| Импеданс, Ом | 50 | |
| Цикл работы на передачу, % | 100 | |
| Интерфейсы | 2 x RS-232 (DE-9F), 2 х 10Base-T RJ-45 |
2 x RS-232 (DE-9F), 10Base-T RJ-45 |
| Антенна | N-типа (мама) | TNC (мама) |
| Приемник | ||
| Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6): | ||
| - 25 кГц, дБм (при скорости обмена данными кбит/с) | -114 (16); -106 (32); -100 (48); -92 (64) | |
| Подавление помех по соседнем каналу, дБ | 70 | |
| Интермодуляция, дБ | >75 | |
| Избирательность, дБ | >70 | |
| Время переключения с приёма на передачу, мс | <2 | |
| Время переключения между каналами, мс | <15 | |
| Модем | ||
| Скорость, кбит/с | 4; 8; 12; 16; 24; 32; 48; 64 | |
| Индикация | Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, приём/передача | |
| Вид модуляции | 2FSK, 4 FSK, 8FSK, 16FSK | |
| Адресация | IP | |
Применение в составе полигонных узкополосных радиосетей обмена данными «пакетирующих» радиомодемов обусловлено развитием полигонных и испытываемых на полигонах систем и комплексов, прежде всего, применением современных сетевых интерфейсов и протоколов обмена данными. При этом необходимая дальность работы таких радиосетей закладывается на этапе их проектирования и реализуется за счет обеспечения соответствующего заданной скорости номинального уровня принимаемого сигнала в заданной точке полигона.
Дополнительный толчок к использованию узкополосных полигонных радиосетей дало развитие беспилотной и робототехники, поскольку, независимо от уровня автоматизации или роботизации объекта, оператор должен в реальном времени получать информацию о месте его нахождения, результатах выполнения поставленной задачи, техническом состоянии и готовности к продолжению работы. Кроме того, в идеале, он должен иметь возможность принудительного прекращения и удаленного изменения программы выполнения задания беспилотным аппаратом/роботом. Использование «пакетирующих» радиомодемов дополнительно предоставляет оператору возможность производить удаленную настройку контролируемого объекта или его агрегатов в процессе выполнения поставленной задачи, что существенно сокращает потребности во времени пребывания на полигоне для решения конкретной задачи, например, в ходе разработки и испытаний боевой техники и вооружения.
(Продолжение следует)