Ільченко М. Е. *, Кравчук С. А. *, Ілюшко В. М. *** Науково-дослідний інститут телекомунікацій НТУУ «КПІ» Індустріальний пров., 2, 03056, Київ-056, Україна, тел. 241-77-23, e-mail: sakravchuk@ukr.net ** Національний аерокосмічний університет ім. Н. Е. Жуковського Вул. Чкалова, 17, 61070, Харків-70, Україна, тел. 700-45-55, e-mail: khai@khai.edu

Анотація – Представлена ​​розроблена авторами оригінальна концепція дії ТСВА в районі лиха та надзвичайних ситуацій. Згідно з концепцією ТСВА повинна виконувати дві основні задачі: дистанційно зондувати і забезпечувати засобами зв’язку та мовлення район лиха. При цьому як аероплатформи запропонований безпілотний літальний апарат «Фаетон».

I. Вступ

Останнім часом все більший інтерес привертає до себе новий вид радіосистем, названий телекомунікаційними системами на основі високо-піднятих аероплатформ (ТСВА) [1, 2]. Реалізація радіоліній в ТСВА здійснюється за допомогою ретранслюється станції на базі високопіднятою аероплатформи (СВА), розташованої на висотах 14 … 28 км. Універсальність такої високопіднятою аероплатформи дозволяє використовувати її для вирішення найрізноманітніших завдань в галузі телекомунікацій, систем військового призначення, екології та ін

Значний інтерес викликає використання ТСВА Міністерством з надзвичайних ситуацій. Це обумовлено тим, що в результаті дій стихійного лиха наземна інфраструктура, як правило, виходить з ладу і, тому, виникає нагальна потреба в швидкому відновленні телекомунікаційних ліній для оповіщення населення та проведення рятувальних робіт. У цьому контексті авторами даної роботи була розроблена оригінальна концепція дії ТСВА в районі лиха та надзвичайних ситуацій.

II. Загальні положення

У загальному випадку управління надзвичайною ситуацією можна представити у вигляді циклу, який починається з оцінки ризику виникнення лиха, планування, навчання і закінчується проведенням заходів щодо зниження уразливості і підвищенню готовності району в очікуванні пришестя наступного лиха. Сам цикл розбивається на чотири основні стадії: профілактики, підготовки, реагування та відновлення. Перші дві стадії покликані запобігти по можливості виникнення надзвичайної ситуації. Стадія реагування є найбільш драматичною, так як протягом її відбувається саме лихо і виконуються рятувальні роботи. Остання стадія служить для проведення відновлювальних робіт зі знищення наслідків лиха і вироблення заходів щодо недопущення його повторення.

Відповідно ТСВА буде використовуватися по-різному на кожній з представлених стадій циклу управління надзвичайною ситуацією. Пріоритетність дій ТСВА на різних стадіях надзвичайної ситуації представлена в табл. 1, а на рис. 1 показана відносна ефективність застосування ТСВА порівняно з супутниковою системою. Як видно, супутникові системи мають досить важливе значення на стадіях профілактики і відновлення, де потрібно глобальний моніторинг для передбачення лиха та аналізу його наслідків.

Рис. 1. Залежність відносної величини

ефективності F (t) застосування ТСВА (1) і супутникової системи (2) в різні стадії надзвичайної ситуації Fig. 1. Dependence of the relative value of efficiency F (t) of application HAPS (1) and satellite systems (2) in different stages of emergency

Загальна концепція дій ТСВА в районі лиха та надзвичайних ситуацій схематично представлена ​​на рис. 2.

У районі лиха та надзвичайних ситуацій ТСВА повинна виконувати дві основні задачі: дистанційно зондувати і забезпечувати засобами зв’язку та мовлення район лиха. Розглянемо вирішення цих завдань детальніше.

III. Дистанційне зондування

Ключовими вимогами дистанційного зондування для додатків управління надзвичайною ситуацією є: швидкий відгук на непередбачені події (час спрацьовування), висока частота спостережень (Тимчасовий дозвіл) і гарний просторове дозвіл. При цьому важливі як витрати на забезпечення сервісу дистанційного зондування (спостереження), так і здатність гарантувати виконання цього сервісу.

Для надзвичайних ситуацій традиційно використовують моніторинг, що застосовує комбінацію наземних сенсорів прямої дії (анемометри, вимірювачі рівня води, забруднень тощо), сенсорів авіаційного та супутникового базування. Кожен з цих класів сенсорів має свої обмеження і гідності з використання.

Згідно з даними міжнародної організації CEOS (Committee on Earth Observation Satellites) в якості сенсорів для цілей моніторингу районів з надзвичайною ситуацією рекомендується використовувати наступні категорії устаткування: хімічний аналізатор атмосфери, атмосферні зонди, радіолокатор дощу і хмарності, радіометр земного випромінювання, формувач сигналів зображення (дозвіл 1-5 м), багатоспектральних радіометр зображень (оптичний, мікрохвильовий і інфрачервоний), оптичний локатор, лідар (метеорологічний лазерний локатор), багатоканальний радіометр, Поляриметричний радіометр, радарний вимірювач висоти, радіолокаційний рефлектометр і спектрометр зображень. З цього переліку сенсорів, на нашу думку, можна виділити три найнеобхідніших інструменту – відеокамера реального часу, оглядовий мікрохвильовий радіолокатор та багатоканальний мікрохвильовий радіометр. Рештою категоріями сенсорів літальні апарати можуть у міру потреби бути доукомплектовані.

Рис. 2. Концепція дій ТСВА в районі лиха:

1 – супутникові лінії зв’язку; 2 – аероплатформа;

3 – повідомлення про лихо, 4 – радіолінії: двостороннього зв’язку та мовлення, досліджень та управління, збору зображень високої чіткості;

5 – дані, отримані сенсорами ТСВА; 6 – образи зображень, що отримані через ТСВА; 7 – завдання, поставлені перед ТСВА; 8 – двосторонній зв’язок; 9 – широкосмугове мовлення;

10 – реалізація зусиль на допомогу; 11 – район лиха; 12 – інформація про стан ситуації та координації дій 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

Як відеокамери реального часу може бути використана інтелектуальна відеокамера ІВК-1 розробки Інституту кібернетики ім. В. Глушкова НАН України, яка орієнтована на високошвидкісне введення та обробку зображень в реальному часі [3]. При власній вазі в 180 гр. ІВК-1 забезпечує цифрову обробку зображення і його стиснення на основі спеціального динамічного алгоритму.

Бортові радіометри і радіолокатори можуть виробляти цілий ряд вітчизняних компаній, наприклад, ВАТ «НВП« Сатурн »та ДП« НДІ «Оріон», що мають багаторічний досвід створення бортових мікрохвильових систем різного призначення.

Табл.1.

Table 1.

IV. Забезпечення засобами зв’язку та мовлення

Основним завданням ТСВА на стадії реагування є виконання функції підтримки в районі лиха телекомунікаційної інфраструктури. При цьому необхідно забезпечити телерадіомовлення в стандартах, які використовуються в районі лиха, щоб можна було оповіщати населення за допомогою звичайних теле і радіоприймачів. Для забезпечення роботи рятувальних груп і постійної трансляції інформації про стан лиха у вигляді відео, даних і звуку в координаційний центр з надання допомоги оптимально застосування в ТСВА системи широкосмугового радіодоступу, що дозволяє здійснювати радіодоступ до ретрансляційної обладнанню СВА зі швидкостями передачі не менше

1 Мбіт / с. Побудова такої телекомунікаційної системи на базі ТСВА розглянуто в [4].

Одним з найважливіших питань є підтримання ТСВА мобільного зв’язку в районі лиха. Радіолінія між мобільним користувачем і ТСВА повинна повністю відповідати міжнародним стандартам. Тому вибір типу мобільного стільникового радіосистеми (МСР) є досить важливим. При цьому можливі два випадки: використання найбільш поширеного стандарту глобальної системи мобільного зв’язку GSM (Globale System for Mobile communication) та застосування або визначення спеціальної МСР, особливістю якої повинна бути сумісність з GSM. У першому випадку існують технічні обмеження, викликані особливостями стандарту GSM (GSM 900 або DCS (Digital Cellular System) 1800). Наприклад, внаслідок необхідності підтримки необхідної синхронізації при використовуваному в GSM методі многостанционного доступу з тимчасовим поділом каналів і обмеження потужності передавача максимальна відстань між мобільним терміналом і базовою станцією (НД), що розташовується на ТСВА, не повинно перевищувати 35 км. Отже, радіус зони покриття, що забезпечує охоплення користувачів GSM, буде не більше 28,7 км при висоті зависання аероплатформи – 20 км. Тому для збільшення наземної зони охоплення терміналів GSM бажано використовувати літальний апарат на більш низьких висотах. Тим не менше, використання GSM має високу привабливість через свого широкого розповсюдження. У другому випадку можуть бути використані мобільні супутникові системи, такі як Thuraya, Iridium або Globalstar. Проте в цьому випадку потрібні мобільні термінали, що підтримують кілька стандартів зв’язку і яких в зоні покриття ТСВА у населення може і не виявитися. Тобто, такі термінали потрібно поставляти в зону обслуговування ТСВА.

При реалізації МСР в ТСВА на аероплатформе встановлюється НД, яка по радіоканалу Е1 (2,048 Мбіт / с) підтримує двосторонній зв’язок з наземною станцією, де розташовуються головний центр комутації повідомлень і мобільний центр комутації (комутаційний центр, що забезпечує обслуговування мобільних терміналів в межах певної зони). Загальна кількість голосових каналів по 16 Кбіт / с на один радіоканал Е1 складе 120 плюс два канали сигналізації.

Важливою частиною НД є антена система, яка повинна забезпечити: компенсацію руху аероплатформи як по вертикалі, так і по горизонталі, стільникове покриття необхідного району лиха, мінімізацію інтерференції з існуючими НД МСР всередині зони обслуговування. В останньому випадку важливо правильно проводити частотне планування в зоні дії ТСВА.

Вище перерахованим вимогам найбільш повно відповідає інтелектуальна антенна решітка (ІАР), яка може забезпечити Багатостанційний доступ з просторовим розділенням радіоканалів і цифрове формоутворення діаграми спрямованості [5]. Тому ІАР дозволяє створювати багатостільникової зони покриття, забезпечує високу точність наведення променя, мінімізує інтерференцію і збільшує ємність стільники за рахунок повторного використання (реутелізаціі) однакових частот в соте.

Рис. 3. Безпілотний літальний апарат «Фаетон»:

1 – антенна система телекомунікаційного комплексу, 2 – електромотор з редуктором і гвинтом, 3 – акумуляторні батареї або паливні елементи, 4 – бортова система автоматичного управління, 5 – система навігації GPS, 6 – бортовий комплекс телекомунікаційного обладнання, 7 – система вузького променя управління апаратом.

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. Аероплатформа

Як аероплатформи для ТСВА пропонується безпілотний літальний апарат «Фаетон» (рис. 3), що є розробкою Національного аерокосмічного університету ім. Н. Е. Жуковського (м. Харків). Апарат призначений для тривалого безпосадочного польоту (місяці) зі швидкістю 150 км / год на висоті до 25 км в умовах низьких температур (-62 ° С) і зниженого тиску (41 мм рт. Ст.). При власній масі в 150 кг, довжиною 6,4 м, висоту 1,9 м і розмах крил 15,8 м апарат може нести корисне навантаження від 15 до 60 кг в залежності від наявності на ньому акумуляторних батарей (АБ) (маса 80 кг) або паливних елементів (30 … 40 кг). Власне основне споживання електроенергії йде на роботу двох електромоторів по 1,5 кВт кожний. Електроенергія на борту апарата виробляється за рахунок сонячних батарей (1,6 … 2 кВт), що розташовуються на верхній поверхні крил і фюзеляжу. У нічний час роботу апарату підтримує АБ ємністю 16 кВт / год.

VI. Висновок

I. Introduction

Представлена ​​оригінальна концепція дії ТСВА в районі лиха та надзвичайних ситуацій. Згідно з концепцією ТСВА повинна виконувати дві основні задачі: дистанційно зондувати і забезпечувати засобами зв’язку та мовлення район лиха. При цьому слід зазначити, що всі мікрохвильове обладнання може бути поставлено вітчизняними виробниками. Крім цього, в якості аероплатформи запропоновано також вітчизняний безпілотний літальний апарат «Фаетон».

Автори висловлюють надію, що представлена ​​концепція буде врахована Міністерством з надзвичайних ситуацій при плануванні своєї діяльності.

VII. Список літератури

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

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

2003, – № 1 (27).-С. 5-15.

[3] Боюн В., Сабельников Ю. Інтелектуальна відеокамера / / Електронні компоненти й системи, – 2002, – № 2, – С.33-35.

[4] Кравчук С. А., Ільченко М. Е. Системи широкосмугового бездротового доступу. Сучасні проекти фіксованого радіодоступу / / Мат-ли 13-й Міжнародній конф. КриМіКо’2003 «СВЧ-техніка та телекомунікаційні технології », 8-12 вересня 2003 р., 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»