ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОПОДНЯТОЙ АЭРОПЛАТФОРМЫ В РАЙОНАХ БЕДСТВИЯ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

April 8, 2012 by admin Комментировать »

Ильченко М. Е.*, Кравчук С. А.*, Илюшко В. М.** *Научно-исследовательский институт телекоммуникаций НТУУ «КПИ» Индустриальный пер., 2, 03056, Киев-056, Украина, тел. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net **Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского Ул. Чкалова, 17, 61070, Харьков-70, Украина, тел. 700-45-55, e-mail: khai@khai.edu

Аннотация – Представлена разработанная авторами оригинальная концепция действия ТСВА в районе бедствия и чрезвычайных ситуаций. Согласно концепции ТСВА должна выполнять две основные задачи: дистанционно зондировать и обеспечивать средствами связи и вещания район бедствия. При этом в качестве аэроплатформы предложен беспилотный летательный аппарат «Фаэтон».

I.  Введение

В последнее время все больший интерес привлекает к себе новый вид радиосистем, названный телекоммуникационными системами на основе высоко- поднятых аэроплатформ (ТСВА) [1, 2]. Реализация радиолиний в ТСВА осуществляется посредством ретранслируемой станции на базе высокоподнятой аэроплатформы (СВА), расположенной на высотах 14…28 км. Универсальность такой высокоподнятой аэроплатформы позволяет использовать ее для решения самых различных задач в области телекоммуникаций, систем военного назначения, экологии и пр.

Значительный интерес вызывает использование ТСВА Министерством по чрезвычайным ситуациям. Это обусловлено тем, что в результате действий стихийного бедствия наземная инфраструктура, как правило, выходит из строя и, потому, возникает насущная потребность в быстром восстановлении телекоммуникационных линий для оповещения населения и проведения спасательных работ. В этом контексте авторами данной работы была разработана оригинальная концепция действия ТСВА в районе бедствия и чрезвычайных ситуаций.

II.  Общие положения

В общем случае управление чрезвычайной ситуацией можно представить в виде цикла, который начинается с оценки риска возникновения бедствия, планирования, обучения и заканчивается проведением мероприятий по снижению уязвимости и повышению готовности района в ожидании пришествия следующего бедствия. Сам цикл разбивается на четыре основные стадии: профилактики, подготовки, реагирования и восстановления. Первые две стадии призваны предотвратить по возможности возникновение чрезвычайной ситуации. Стадия реагирования является самой драматической, так как в течение ее происходит само бедствие и выполняются спасательные работы. Последняя стадия служит для проведения восстановительных работ по уничтожению последствий бедствия и выработке мероприятий по недопущению его повторения.

Соответственно ТСВА будет использоваться по- разному на каждой из представленных стадий цикла управления чрезвычайной ситуацией. Приоритетность действий ТСВА на разных стадиях чрезвычайной ситуации представлена в табл. 1, а на рис. 1 показана относительная эффективность применения ТСВА по сравнению со спутниковой системой. Как видно, спутниковые системы имеют достаточно важное значение на стадиях профилактики и восстановления, где требуется глобальный мониторинг для предсказания бедствия и анализа его последствий.

Рис. 1. Зависимость относительной величины

эффективности F (t) применения ТСВА (1) и спутниковой системы (2) в разные стадии чрезвычайной ситуации Fig. 1. Dependence of the relative value of efficiency F (t) of application HAPS (1) and satellite systems (2) in different stages of emergency

Общая концепция действий ТСВА в районе бедствия и чрезвычайных ситуаций схематично представлена на рис. 2.

В районе бедствия и чрезвычайных ситуаций ТСВА должна выполнять две основные задачи: дистанционно зондировать и обеспечивать средствами связи и вещания район бедствия. Рассмотрим решение этих задач подробнее.

III.  Дистанционное зондирование

Ключевыми требованиями дистанционного зондирования для приложений управления чрезвычайной ситуацией являются: быстрый отклик на непредвиденные события (время срабатывания), высокая частота наблюдений (временное разрешение) и хорошее пространственное разрешение. При этом важны как затраты на обеспечение сервиса дистанционного зондирования (наблюдения), так и способность гарантировать выполнение этого сервиса.

Для чрезвычайных ситуаций традиционно используют мониторинг, применяющий комбинацию наземных сенсоров прямого действия (анемометры, измерители уровня воды, загрязнений и пр.), сенсоров авиационного и спутникового базирования. Каждый из этих классов сенсоров имеет свои ограничения и достоинства по использованию.

Согласно данным международной организации CEOS (Committee on Earth Observation Satellites) в качестве сенсоров для целей мониторинга районов с чрезвычайной ситуацией рекомендуется использовать следующие категории оборудования: химический анализатор атмосферы, атмосферные зонды, радиолокатор дождя и облачности, радиометр земного излучения, формирователь сигналов изображения (разрешение 1-5 м), многоспектральный радиометр изображений (оптический, микроволновый и инфракрасный), оптический локатор, лидар (метеорологический лазерный локатор), многоканальный радиометр, поляриметрический радиометр, радарный измеритель высоты, радиолокационный рефлектометр и спектрометр изображений. Из этого перечня сенсоров, по нашему мнению, можно выделить три самых необходимых инструмента – видеокамера реального времени, обзорный микроволновый радиолокатор и многоканальный микроволновый радиометр. Остальными категориями сенсоров летательные аппараты могут по мере надобности быть доукомплектованы.

Рис. 2. Концепция действий ТСВА в районе бедствия:

1   – спутниковые линии связи; 2 – аэроплатформа;

3    – сообщение о бедствии; 4 – радиолинии: двусторонней связи и вещания, исследований и управления, сбора изображений высокой четкости;

5 – данные, полученные сенсорами ТСВА; 6 – образы изображений, которые получены через ТСВА; 7 – задачи, поставленные перед ТСВА; 8 – двусторонняя связь; 9 – широкополосное вещание;

10- реализация усилий на помощь; 11 – район бедствия; 12 – информация о состоянии ситуации и координации действий Fig. 2. Concept of operation of HAPS in disaster area:

1          – Satellite communication links; 2 – High-Aititude Platform; 3 – disaster signals; 4 – radiolinks: two-way communications and broadcast, search and control, collection of the high-resoiution images; 5 – data obtained by sensors HAPS; 6 – HAPS imagery;

7 – HAPS tasking; 8 – two-way communication;

9     – broadcast; 10- directed relief efforts; 11 – disaster area; 12- situation status information and coordination

В качестве видеокамеры реального времени может быть использована интеллектуальная видеокамера ИВК-1 разработки Института кибернетики им. В. Глушкова НАН Украины, которая ориентирована на высокоскоростное введение и обработку изображений в реальном времени [3]. При собственном весе в 180 гр. ИВК-1 обеспечивает цифровую обработку изображения и его сжатия на основе специального динамического алгоритма.

Бортовые радиометры и радиолокаторы могут производить целый ряд отечественных компаний, например, ОАО «НПП «Сатурн» и ГП «НИИ «Орион», имеющие многолетний опыт создания бортовых микроволновых систем различного назначения.

Табл.1.

Table 1.

IV.   Обеспечение средствами связи и вещания

Основной задачей ТСВА на стадии реагирования является выполнение функции поддержания в районе бедствия телекоммуникационной инфраструктуры. При этом необходимо обеспечить телерадиовещание в стандартах, которые используются в районе бедствия, чтобы можно было оповещать население посредством обычных теле и радиоприемников. Для обеспечения работы спасательных групп и постоянной трансляции информации о состоянии бедствия в виде видео, данных и звука в координационный центр по оказанию помощи оптимально применение в ТСВА системы широкополосного радиодоступа, позволяющей осуществлять радиодоступ к ретрансляционному оборудованию СВА со скоростями передачи не менее

1  Мбит/с. Построение такой телекоммуникационной системы на базе ТСВА рассмотрено в [4].

Одним из важнейших вопросов является поддержание ТСВА мобильной связи в районе бедствия. Радиолиния между мобильным пользователем и ТСВА должна полностью отвечать международным стандартам. Поэтому выбор типа мобильной сотовой радиосистемы (МСР) является достаточно важным. При этом возможны два случая: использование наиболее распространенного стандарта глобальной системы мобильной связи GSM (Globale System for Mobile communication) и применение или определение специальной МСР, особенностью которой должна быть совместимость с GSM. В первом случае существуют технические ограничения, вызванные особенностями стандарта GSM (GSM 900 или DCS (Digital Cellular System) 1800). Например, вследствие необходимости поддержания требуемой синхронизации при используемом в GSM методе многостанционного доступа с временным разделением каналов и ограничении мощности передатчика максимальное расстояние между мобильным терминалом и базовой станцией (ВС), располагаемой на ТСВА, не должно превышать 35 км. Следовательно, радиус зоны покрытия, обеспечивающий охват пользователей GSM, будет не более 28,7 км при высоте зависания аэроплатформы – 20 км. Поэтому для увеличения наземной зоны охвата терминалов GSM желательно использовать летательный аппарат на более низких высотах. Тем не менее, использование GSM имеет высокую привлекательность из-за своего широкого распространения. Во втором случае могут быть использованы мобильные спутниковые системы, такие как Thuraya, Iridium или Globalstar. Однако в этом случае требуются мобильные терминалы, поддерживающие несколько стандартов связи и которых в зоне покрытия ТСВА у населения может и не оказаться. То есть, такие терминалы нужно поставлять в зону обслуживания ТСВА.

При реализации МСР в ТСВА на аэроплатформе устанавливается ВС, которая по радиоканалу Е1 (2,048 Мбит/с) поддерживает двухстороннюю связь с наземной станцией, где располагаются главный центр коммутации сообщений и мобильный центр коммутации (коммутационный центр, обеспечивающий обслуживание мобильных терминалов в пределах определенной зоны). Общее количество голосовых каналов по 16 кбит/с на один радиоканал Е1 составит 120 плюс два канала сигнализации.

Важной частью ВС является антенна система, которая должна обеспечить: компенсацию движения аэроплатформы как по вертикали, так и по горизонтали, сотовое покрытие требуемого района бедствия, минимизацию интерференции с существующими ВС МСР внутри зоны обслуживания. В последнем случае важно правильно проводить частотное планирование в зоне действия ТСВА.

Выше перечисленным требованиям наиболее полно отвечает интеллектуальная антенная решетка (ИАР), которая может обеспечить многостанционный доступ с пространственным разделением радиоканалов и цифровое формообразование диаграммы направленности [5]. Поэтому ИАР позволяет создавать многосотовые зоны покрытия, обеспечивает высокую точность наведения луча, минимизирует интерференцию и увеличивает емкость соты за счет повторного использования (реутелизации) одинаковых частот в соте.

Рис. 3. Беспилотный летательный аппарат «Фаэтон»:

1 – антенная система телекоммуникационного комплекса, 2 – электромотор с редуктором и винтом; 3 – аккумуляторные батареи или топливные элементы, 4 – бортовая система автоматического управления, 5 – система навигации GPS, 6 – бортовой комплекс телекоммуникационного оборудования, 7 – система узкого луча управления аппаратом.

Fig. 3. Pilotless flying vehicle «Faeton»:

1     – Antenna system of a telecommunication complex,

2      – electromotor with the reduction gearbox and screw;

3  – storage batteries or fuel units, 4 – onboard system of

automatic control, 5 – system of navigation GPS,

6 – onboard complex of a telecommunication equipment,

7 – system of a narrow ray of handle of a means

I.    Аэроплатформа

В качестве аэроплатформы для ТСВА предлагается беспилотный летательный аппарат «Фаэтон» (рис. 3), являющийся разработкой Национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского (г. Харьков). Аппарат предназначен для длительного беспосадочного полета (месяцы) со скоростью 150 км/час на высоте до 25 км в условиях низких температур (-62°С) и пониженного давления (41 мм рт. ст.). При собственной массе в 150 кг, длине 6,4 м, высоте 1,9 м и размахе крыльев 15,8 м аппарат может нести полезную нагрузку от 15 до 60 кг в зависимости от наличия на нем аккумуляторных батарей (АБ) (масса 80 кг) или топливных элементов (30…40 кг). Собственное основное потребление электроэнергии идет на работу двух электромоторов по 1,5 кВт каждый. Электроэнергия на борту аппарата вырабатывается за счет солнечных батарей (1,6…2 кВт), располагаемых на верхней поверхности крыльев и фюзеляжа. В ночное время работу аппарата поддерживает АБ емкостью 16 кВт/час.

VI.  Заключение

I. Introduction

Представлена оригинальная концепция действия ТСВА в районе бедствия и чрезвычайных ситуаций. Согласно концепции ТСВА должна выполнять две основные задачи: дистанционно зондировать и обеспечивать средствами связи и вещания район бедствия. При этом следует отметить, что все микроволновое оборудование может быть поставлено отечественными производителями. Кроме этого, в качестве аэроплатформы предложен также отечественный беспилотный летательный аппарат «Фаэтон».

Авторы выражают надежду, что представленная концепция будет учтена Министерством по чрезвычайным ситуациям при планировании своей деятельности.

VII. Список литературы

[1]    Iльченко М. Ю., Кравчук С. О., Антоненко Р. А. Телеко- мунпкацмнп системи на 6a3i високогпднятих аероплат- форм // Зв’язок,- 2003,- № 3,- С.48-53.

[2]    Кравчук С. О., Iльченко М. Ю. Аероплатформи для те- лекомуыкацмних систем // HayKOBi BicTi НТУУ «КП1»,-

2003,          -№1 (27).-С. 5-15.

[3]    Боюн В., Сабельников Ю. Интеллектуальная видеокамера // Электронные компоненты и системы,- 2002,- № 2,- С.33-35.

[4]    Кравчук С. А., Ильченко М. Е. Системы широкополосного беспроводного доступа. Современные проекты фиксированного радиодоступа // Мат-лы 13-й Международной конф. КрыМиКо‘2003 «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 8-12 сентября 2003 г., Севастополь: «Вебер», 2003,- С. 47-50.

[5]    Smart Antennas for Broadband Wireless Access Networks / K. Sheih, D. Gesbert, D. Gore, A. Paulraj // IEEE Communications Magazine.- 1999,- Vol. 37, nr 11.- P. 100-105.

APPLICATION OF HIGH-ALTITUDE PLATFORM SYSTEMS IN REGIONS OF DISASTER AND EMERGENCY

Ilchenko М. E.*, KravchukS. A.*, Ilushko V. M.** *Research institute of telecommunications NTUU «КР1» Industrial per., 2, 03056, Kyiv-056, Ukraine ph. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net ** National Aerospace University by him N. E. Zhukovskiy Street. Chkalova, 17, 61070, Harkiv-70, Ukraine ph. 700-45-55, e-mail: khai@khai.edu

Abstract – Presented is the original concept of HAPS operation in disaster region and emergency situations. According to the concept, HAPS should execute two primal aims: remote sensing and to ensuring with facilities of communication and broadcasting disaster region. Thus, the pilotless flying vehicle «Faeton» is offered as an aeroplatform.

Recently increasing interest attracts in itself new sort of radio systems called as High-Altitude Platform Systems (HAPS) [1, 2]. The implementation of radio links in HAPS is carried out by means of the relayed server on base High-Altitude Platform (HAP), located on heights 14…28kms. The universality such HAP allows to use it for solution of the most various tasks in the field of telecommunications, systems of military assignment, ecology and etc.

The significant interest causes use HAPS by Ministry on extreme situations. It is stipulated by that in an outcome of operations of act of nature the ground infrastructure, as a rule, fails and, therefore, there is a vital necessity in fast restoring of telecommunication lines for the warning of the population and realization of rescue efforts. In this context the authors of the given operation developed the original concept of operation HAPS in region of disaster and emergency situations.

II.  General provisions

In common case the handle of an emergency situation management can be presented as a cycle, which begins with an evaluation of risk of origin of disaster, planning, of learning and is finished by realization of measures on lowering a vulnerability and rise of readiness of region in waiting coming of the following disaster. Cycle is divided into four main stages: mitigation, preparation, response and recovery. First two stages are called to prevent whenever possible origin of an emergency situation. The response stage is most drama, as during it disaster happens and the rescue efforts are executed. The last stage is for realization of reduction operations on an erasure of consequences of disaster and development of measures on barring of its repetition.

HAPS should execute two primal aims: remotely to sensing and to ensure with facilitieses of communication and of broadcasting disaster region.

III.   Remote sensing

The key requirements of remote sensing for applications of handle of an extreme situation are: a fast response to unexpected events (response time), high frequency of observation (temporal resolution) and good spatial resolution. The cost of providing remote sensing/surveillance services and the ability to guarantee the availability of the serviceare also very important considerations.

Emergency situations have traditionally been monitored using combinations of in-situ sensors, airborne sensors and space-based sensors.

IV.   Support by communication facilitieses and announcement

The main task HAPS on a response stage is the execution of the function of maintaining in region of disaster of a telecommunication infrastructure. Thus it is necessary to supply telebroadcasting in standards, which are used in region of disaster, that it was possible to notify the population by means of a usual body and radioreceivers. For a support of operation of rescue groups and constant of translation of a state information of disaster as a video, data and sound in coordination center on rendering assistance the application in HAPS of the system of broadband radioaccess permitting is optimal to realize radioaccess to an equipment HAP with transfer rates not less than

2  Mbps. A construction of such telecommunication system on base HAPS is considered in [4].

One from major problems is the maintaining HAPS of mobile link in region of disaster. The radiolink between the mobile user and HAP should completely answer international standards.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты