Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние качества функционирования каналов и информационного обмена на эффективность непосредственного УВД 11
1.1 Принципы организации каналов информационного обмена при УВД на основе каналов авиационной командной связи 11
1.2 Показатели эффективности функционирования каналов авиационной командной связи 19
1.3 Оценка эффективности УВД в зависимости от качества функционирования каналов информационного обмена авиационной командной связи 30
1.4 Временные характеристики потоков воздушного движения и потоков циркулирующей в каналах командной связи информации 35
Выводы и результаты первого раздела 39
2. Обеспечение надежности средств радиосвязи, функционирующие в составе комплекса РЭС и расчет её показателей 41
2.1. Математическая модель для оценки надежности средств радиосвязи в гражданской авиации с учетом воздействующих помех 43
2.2. Расчет функции готовности систем радиосвязи при воздействии помех на неперекрывающихся интервалах времени 52
2.3. Определение характеристик надежности радиосвязи с учетом воздействующих помех и технического состояния радиосредств 59
2.4. Управление параметрами систем радиосвязи, адаптировано к реальным условиям эксплуатации систем 65
Выводы и результаты второго раздела 69
3. Оценка надежности каналов информационного обмена авиационной командной связи и качества их функционирования на уровень безопасности полетов в зоне УВД 71
3.1. Анализ отказов каналов авиационной командной связи 71
3.2. Условия для УВД при требуемой безопасности полетов 83
3.3. Анализ влияния надежности канала на риск столкновения 86
3.4. Влияние надежности на загрузку диспетчера по радиосвязи 92
3.5. Требования к надежности канала, обеспечивающие заданный уровень безопасности полетов 95
Выводы и результаты третьего раздела 98
4. Разработка и обоснования требований к надежности радиосредств информационного обеспечения авиационной командной связи 99
4.1. Требования к коэффициенту готовности канала авиационной командной, связи, обеспечивающие требуемый уровень безопасности полетов 99
4.2. Допустимое время восстановления канала авиационной командной связи 102
4.3. Влияние степени автоматизации УВД на показатели надежности канала авиационной командной связи 103
4.4. Обеспечение надежности по отношению к отказам, обусловленным воздействием помех 109
4.5. Обеспечение аппаратурной надежности 112
4.5.1. Резервирование без автоматизации перехода на резерв 113
4.5.2. Резервирование с автоматическим переходом на резерв 114
4.5.3. Скользящее резервирование 114
4.6. Рекомендации по использованию функционального и аппаратурного резервирования средств 118
Выводы и результаты четвертого раздела 122
Заключение 123
Список использованных источников 126
- Показатели эффективности функционирования каналов авиационной командной связи
- Определение характеристик надежности радиосвязи с учетом воздействующих помех и технического состояния радиосредств
- Анализ отказов каналов авиационной командной связи
- Обеспечение надежности по отношению к отказам, обусловленным воздействием помех
Показатели эффективности функционирования каналов авиационной командной связи
В системе УВД авиационная командная связь является подсистемой и показатели ее эффективности должны отражать степень ее влияния на показатели эффективности системы управления воздушным движением.
Известно, что система УВД классифицируется как сложная иерархическая система с выраженными динамическими свойствами, характеризующаяся многокритериальностью принятия решений [2,5]. При этом предполагается в качестве критериев эффективности ряд составных критериев, отличающихся, в основном, методами формирования суперпозиции и выбора весовых коэффициентов. Непосредственное использование подобных критериев с целью оценки эффективности функционирования каналов авиационной связи затруднительно в связи со сложностью определения их численных значений и малой чувствительностью к изменениям качества функционирования каналов.
Каналы авиационной командной связи используются, в основном, в процессе непосредственного УВД, главным ограничивающим условием функционирования которого является обеспечение требуемого уровня безопасности воздушного движения. Рассмотрим случаи, являющиеся нарушением безопасности полетов при непосредственном УВД и определим возможность влияния качества функционирования каналов связи на вероятность их возникновения.
В [5,7] перечислены следующие нарушения со стороны службы движения, создающие существенную угрозу безопасности полетов и рассматриваемые как предпосылки к авиационным происшествиям:
полет ниже безопасной высоты по разрешению диспетчера по трассам МВЛ и в районе аэродрома;
выполнение набора высоты, снижения и захода на посадку по неустановленной схеме по разрешению диспетчера;
выполнение взлетов и посадок ВС на подготовленном аэродроме (ВГШ) по разрешению диспетчера;
попадание ВС в зону опасных метеоявлений из-за отсутствия информации об их наличии по вине диспетчера;
неправильная информация, данная экипажу диспетчером, о режиме полета, метеоусловиях, месте ВС, в результате чего создается угроза безопасности его полета;
столкновение или угроза столкновения ВС с препятствиями при взлете и посадке;
опасные сближения в полете.
Рассматривая приведенные нарушения, их условно можно разделить на две группы: обусловленные ошибками диспетчера, не связанными непосредственно с динамическим характером воздушной обстановки и обусловленные дефицитом времени. Ко второму типу относятся последние два вида нарушений, связанные с невыполнением безопасных интервалов между парой ВС либо ВС и наземным препятствием.
Учитывая случайный характер факторов, определяющих точное положение ВС, опасное сближение можно рассматривать как событие, при котором вероятность столкновения ВС между собой либо ВС с наземным препятствием, существенно отлична от нуля. Значение этой вероятности, в основном будет зависеть от расстояния между ВС либо ВС и наземным препятствием, при котором экипаж начинает выполнять команды по преодолению конфликта или от минимального, достигнутого вследствие сбоев в системе УВД сближения. В свою очередь эти величины, помимо прочих факторов, будут в значительной мере определяться задержками передачи команд по каналу связи.
Остальные из перечисленных выше нарушений могут быть обусловлены ошибками, являющимися следствием чрезмерно напряженной работы диспетчера. Количественной мерой напряженности работы диспетчера является его загрузка [12], под которой понимается относительное время занятости диспетчера выполнением технологических операций. Для обеспечения минимальной вероятности ошибки диспетчера коэффициент его загрузки не должен превышать 0,56 [48,49]. Сбои в системе авиационной командной связи приводят к задержкам передаваемой информации при обмене, и, как следствие, к росту загрузки диспетчера.
Таким образом, возникновение нарушений со стороны службы движения, создающих существенную угрозу безопасности полетов, можно характеризовать двумя показателями: вероятностью опасного сближения и коэффициентом загрузки диспетчера, оба из которых существенно чувствительны по отношению к качеству функционирования системы авиационной командной связи.
Как показано выше, в связи с ярко выраженными динамическими свойствами системы УВД, ее эффективность, помимо прочих факторов, в значительной степени определяется временными характеристиками процессов, обеспечивающих управление. В отношение системы связи - это задержки передачи сообщений. Такие задержки могут быть обусловлены двумя причинами: во-первых, это задержки, возникающие при передаче и коммутации сообщений в структуре сети авиационной наземной связи, и, во-вторых, это задержки, возникающие при снижении качества функционирования каналов наземной и воздушной командной связи [42].
Каналы авиационной командной связи предназначены для передачи речевых сообщений. Исходя из назначения, качество их функционирования должно характеризоваться достоверностью информации, получаемой по каналам командной связи экипажами ВС и диспетчерами службы движения. Для речевых каналов достоверность информации оценивается разборчивостью речи, порядок измерения и нормирования которой определяется требованиями стандарта [43]. В зависимости от разборчивости качество функционирования каналов подразделяется на классы (таблица 1.1). В гражданской авиации для речевых каналов в настоящее время принят третий класс качества.
Для выявления связи между параметрами канала и показателями разборчивости речи результаты последних переводят в электрические величины, которые могут быть определены в результате теоретических исследований. Наиболее часто в качестве такой величины используется отношение сигнал/шум, при котором данная разборчивость обеспечивается.
Отношение сигнал/шум можно непосредственно использовать как показатель качества функционирования проводных каналов, где другие виды помех помимо собственных шумов практически отсутствуют [39].
Для радиоканалов, функционирующих в реальных условиях эксплуатации, помимо шумовых, характерен целый ряд помех различной структуры. В литературе [45] приводятся зависимости показателей разборчивости речи от отношения сигнал/помеха на выходе приемника. Поэтому можно считать, что с позиций УВД качество функционирования канала связи определяется отношением сигнал/помеха на выходе радиоприемного устройства.
Задача оценки отношения сигнал/шум+помеха на выходе приемника является достаточно сложной. Это объясняется сложностью анализа продуктов взаимодействия сигнала и помех на выходе демодулятора, являющегося принципиально нелинейным инерционным устройством [64], что затрудняет использование отношения сигнал/шум+помеха на выходе канала связи как показатель качества его функционирования.
Экспериментальные исследования [44] показывают, что для широкого класса помех при одинаковом отношении сигнал/шум+помеха на входе демодулятора разборчивость речи получается примерно одинаковой. Таким образом, в качестве показателя качества функционирования каналов авиационной связи, определяющим достоверность информации, получаемой экипажами воздушных судов и диспетчерами службы движения, должно быть использовано отношение сигнал/шум+помеха на выходе демодулятора радиоприемного устройства
Определение характеристик надежности радиосвязи с учетом воздействующих помех и технического состояния радиосредств
Рассмотрим общий случай, когда работа п передающих средств (источников помех) комплекса возможна на перекрывающихся интервалах времени. Функции распределения длительности работы каждого передатчика на излучение F / (х) и пауз F / (т) известна.
Строгое решение для функции готовности канала радиосвязи в этом случае дается формулой (2.7) с использованием соотношений п.2.1. (2.6),(2.5),(2.4) и (2.1) в приведенном порядке. Для большого числа средств в комплексе п, при всей строгости такого решения получить выражение для Gn(t) в компактной форме не удается. Возможные при этом упрощения основаны на следующем. Как показано в п. 2.2, время первого достижения функцией Gn(t) значения Gn(co) прямо пропорционально среднему значению интервала между импульсами помех. Поэтому можно считать, что увеличение числа источников помех ведет только к уменьшению времени t}.
Как следует из (2.8), значение Фj - это доля времени пребывания в j-том состоянии полумарковского процесса q(t) в установившемся режиме. Иными словами Oj, определяется как вероятность застать процесс q(t) в состоянии j Поэтому сумма Ф,- по множеству работоспособных состояний равна доле времени пребывания q(t) в этом подмножестве, что и соответствует определению понятия коэффициент готовности [8]. Финальные вероятности Oj, могут быть легко выражены через соответствующие финальные вероятности Фу (s = 0,1) потоков ;(t), описывающих процессы переключения передающих средств комплекса. Действительно, каждому j-му состоянию процесса q(t) соответствует известный набор состояний потоков i(t)(i=l,«). Так как может принимать только два значени, состояние процесса q(t) может быть записано в двоичном коде через St. Событие, заключающееся в пребывании q(t) в j -том состоянии, имеет место только в том случае, когда имеет место соответствующий ему набор состояний потоков j(t).
Для того, чтобы учесть разброс параметров средств в комплексе, усложним постановку задачи. Будем считать, что частотные и энергетические параметры воздействующих помех, а также энергетические параметры приемопередающих средств канала связи являются случайными величинами. В этом случае требуемое качество функционирования каналов связи в каждом состоянии процесса q(t) обеспечивается с вероятностью Рщ» (см.п.2.3). То есть каждое такое состояние q(t) может быть отнесено к подмножеству работоспособных состояний с вероятностью Р/сфі и неработоспособных состояний с вероятностью - иными словами, множество к не может быть детерминировано развито на два подмножества к1 и к0 , при этом (2.18) теряет определенность.
Однако, можно предложить иной способ расчета коэффициента готовности к Krn=YJPvbl bj , (2.23) который по существу является иной формой записи (2.18). Действительно, если достоверно известно, что в /-том состоянии процесса q(t) требуемое качество функционирования не обеспечивается, /-тое слагаемое в (2.23) не учитывается, а в (2.18) оно относится к подмножеству неработоспособных и тем самым также исключается из расчета. Таким образом, при случайных параметрах сигнала и помех коэффициент готовности радиоканала можно рассчитать из (2.23).
Рассмотрим конкретный пример, ограничиваясь случаем воздействия на радиоприемное устройство канала связи двух помех.
Совместное воздействие двух помех приводит к возникновению интермодуляционного канала приема, а воздействие каждой из них может проявляться по внеполосным каналам приема. Соответственно обозначим состояния радиоприемного устройства: 1-отсутствие помех; 2,3 - воздействие одной из помех; 4-совместное их воздействие.
График зависимости превышения мощности сигнала на входе приемника над его реальной чувствительностью от уровня помех по интермодуляционному каналу приема, при которых обеспечивается требуемое значение коэффициента готовности радиоканала КрП] приведен на рис.3.5. при расчетах принималось bj =b2 =b .
Как видно из графиков, при известной средней мощности помех можно предъявить обоснованные требования к уровню сигнала на входе приемника, который при заданных допусках на параметры средств радиосвязи, обеспечивает требуемое значение показателя надежности радиосвязи или при заданных значениях мощности сигнала и чувствительности радиоприемного устройства предъявить требования к допускам на параметры приемопередающих средств.
Следует отметить, что изложенный подход к определению параметров приемопередающих средств канала радиосвязи и допусков на них отличается от рассмотренного ранее тем, что учитывает изменение помеховой обстановки во времени, При этом обеспечивается требуемое качество функционирования радиоканала, усредненное за достаточно длинный период времени.
Очевидно, в общем случае оптимальные значения параметров приемопередающих средств канала связи будут различны для каждого набора включенных передающих средств в комплексе. Обеспечение требуемых показателей качества функционирования и надежности канала связи в случаях меняющейся помеховой обстановки требует адаптивной регулировки параметров приемопередающих средств.
Анализ отказов каналов авиационной командной связи
Каналы авиационной командной связи непосредственно включены в контур управления воздушным движением, что определяет жесткие требования к качеству их функционирования. Качество функционирования систем передачи речевых сообщений оценивается разборчивостью речи на выходе канала. В настоящее время в ГА для каналов авиационной связи принят третий класс качества, что соответствует разборчивости фраз 0,96...0,98. Снижение разборчивости ниже этого значения приводит к необходимости переспросов и рассматривается как отказ канала.
Отказы каналов авиационной связи, как показано выше, могут быть обусловлены как изменением технического состояния входящего в канал оборудования, так и воздействием непреднамеренных помех.
Отказы, обусловленные изменением технического состояния аппаратуры, характеризуются малой интенсивностью возникновения и значительной длительностью (время восстановления лежит в пределах от получаса до нескольких часов). Последнее не допустимо, и поэтому в соответствии с требованиями нормативных документов, в каналах авиационной командной связи обязательно используется нагруженное дублирование радиооборудования.
При этом время восстановления радиоканала, определяемое временем идентификации отказа и перехода на резерв составляет порядка одной секунды при наличии автоконтроля и автоматики перехода на резерв или порядка десяти секунд (длительность одного сеанса) при их отсутствии. Характерно, что уменьшить эту величину практически невозможно, так как в первом случае она определяется техническими возможностями устройства, а во втором - симплексным характером ведения связи.
Взаимосвязь показателей аппаратурной надежности канала и аппаратурной надежности радиостанций для случая нагруженного дублирования с конечным временем переключения приведена в таблице 3.1 [23].
Отказы, обусловленные воздействием непреднамеренных помех, носят кратковременный самоустраняющийся характер. Их интенсивность может лежать в широких пределах. Согласно анализу, проведенному совместно Росаэронавигацией и Гос НИИ Аэронавигации, подавляющее большинство таких отказов обусловлено работой радиосредств сеансного характера, наиболее часто - средств радиосвязи комплекса РЭС обеспечения полетов.
С учетом сеансного характера работы источников помех, изменение отношения сигнал/помеха на входе приемного устройства канала авиационной связи может быть представлено в виде дискретного процесса 7](t), каждому і-му состоянию которого можно поставить в соответствие отношение сигнал/помеха q;- на выходе приемника, определяющее качество функционирования всего канала в целом.
В соответствии с результатами первого раздела, для обеспечения требуемого качества функционирования канала необходимо соблюдение следующих двух условий
Первое условие (3.1) обеспечивает превышение отношением сигнал/помеха в /-том состоянии процесса r(t), определяющееся требованиями к разборчивости речи. Значение qTp устанавливается в соответствии с требованиями ICAO. Второе условие (3.1) обеспечивает выполнение первого в течение длительности радиосеанса.
Как показано в первом разделе, надежность канала авиационной связи, обусловленную воздействием помех, можно характеризовать вероятностью переспросов или, что тоже самое, коэффициентом оперативной готовности. Для определения этих показателей достаточно знание вероятностных характеристик потоков воздействующих помех. Однако трудоемкость расчета этих показателей сильно возрастает с увеличением числа источников помех. Анализ электромагнитной обстановки в аэропортах первого и второго класса показывает, что число потенциальных источников помех может достигать десяти. В этом случае число состояний дискретного процесса ri(t), описывающего изменение отношения сигнал/помеха во времени, будет равно 1024.
Для упрощения решения поставленной задачи введем следующие ограничения, справедливые для подавляющего большинства зон УВД:
1. Вероятность ухудшения качества радиосвязи за счет проникновения помех по двум и более неосновным каналам приема пренебрежимо мала.
2. Ухудшение качества радиосвязи возможно за счет продуктов нелинейного взаимодействия не более трех помех.
С учетом указанных ограничений все возможные ситуации нарушения качества функционирования канала за счет воздействия помех свести к следующим трем случаям:
1. Ухудшение радиосвязи обусловлено воздействием помехи от одного сеансного радиосредства. К данной ситуации сводятся случаи воздействия помех по основному, внеполосным, комбинационным каналам приема, а также обусловленное интермодуляцией колебаний передатчика сеансного характера и радиосредства непрерывного излучения.
2. Обусловлено воздействие помех от двух источников сеансного характера. Этот случай, учитывает интермодуляцию колебаний двух передатчиков сеансного характера.
3. Ухудшение качества обусловлено воздействием помех от трех передающих устройств сеансных средств связи. При этом, дополнительно к указанным, учитывается возможность интермодуляции излучений трех сеансных передающих устройств.
Рассмотрим последовательно эти три случая.
Обеспечение надежности по отношению к отказам, обусловленным воздействием помех
Основными методами обеспечения надежности каналов радиосвязи по отношению к отказам, обусловленным воздействием помех, являются:
1. Рациональный выбор рабочих частот средств радио связи и других радиосредств комплекса РЭС обеспечения полетов.
2. Территориальный разнос антенн РЭС и их оптимальное размещение на местности.
3. Оптимальное распределение мощностей излучения передающих устройств средств радиосвязи в различных каналах связи
4. Управление чувствительностью радиоприемных устройств
5. Использование методов функционального резервирования средств радиосвязи
Перечисленные методы являются методами обеспечения электромагнитной совместимости. Наиболее разработанными из них являются первые три [64,65].
Хорошие результаты по обеспечению ЭМС РЭС могут быть за счет оптимального распределения рабочих частот средств радиосвязи [64]. Однако полностью решить данную проблему довольно сложно, так как количество радиосредств, работающих на излучение, непрерывно растёт, а, следовательно, непрерывно меняются условия оптимизации.
Исчерпывающее решение проблемы ЭМС за счет перераспределения рабочих частот каналов авиационной командной связи не представляется возможным в связи с ограниченностью частотного ресурса. Это приводит к необходимости использования и других методов обеспечения надежности радиосвязи, из которых наибольшей эффективностью обладает территориальный разнос РЭС и их оптимальное размещение на местности, оптимальное распределение мощности излучения передающих устройств по различным каналам и загрубление чувствительности радиоприемных устройств за счет ослабления сигнала и помех на входе приемника.
Обеспечение ЭМС РЭС за счет рационального выбора мощности излучения передающих устройств в аэропортах ГА не практикуется, несмотря на большое количество работ в этом направлении [66,67,68]. Более того, передающие устройства средств радиосвязи выполняются, как правило, с фиксированной мощностью излучения, величина которой выбирается без учета влияния помех от других РЭС и качества радиосвязи. Вместе с тем, как показано в [69], данный метод целесообразно использовать для обеспечения надежности канала радиосвязи.
Обеспечение электромагнитной совместимости средств радиосвязи за счет пространственного разноса радиосредств, и применение этого метода на практике достаточно затруднительно.
Методу уменьшения влияния помех за счет загрубления чувствительности радиоприемного устройства посвящен ряд работ [70,71]. Очевидно, что данный метод может быть реализован только при превышении мощности сигнала на входе приемника над его реальной чувствительностью. Однако для средств радиосвязи ГА данный метод в большинстве случаев приемлем, т.к. рекомендациями ИКАО напряженность поля в точке приема, создаваемая бортовыми радиостанциями, предусматривается не менее 20 мкВ/м, а реальная чувствительность приемников составляет 2...3 мкВ.
Важным преимуществом данного метода по сравнению с другими является то, что изменение чувствительности приемника не влияет на качество функционирования других каналов комплекса РЭС обеспечения полетов и может применяться автономно в каждом отдельном канале.
Несмотря на положительные результаты, достигаемые применением отдельных методов, обеспечение требуемого качества радиосвязи за счет использования только одного из указанных выше методов не всегда удается из-за ограниченности частотного, территориального и энергетического ресурсов. Поэтому предпочтительным является комплексное использование перечисленных методов.
